엔진이란? 엔진의 정의 및 작동방식에 따른 분류 알아보기

자동자의 엔진이란 열에너지를 기계적으로 에너지로 변환시켜 동력을 얻는 장치입니다. 열에너지를 운동에너지로 변화시켜 자동차를 움직이게하는, 자동차의 심장이죠. (엔진의 종류는 가솔린엔진 디젤엔진 LPG엔진 등이 있습니다.)

자동차의 엔진은 내연기관이며 작동방식에 따라서 다섯 가지로 구분됩니다. 각 작동방식의 분류는 하단에 자세히 설명을 하겠습니다.

첫째 기계학적 사이클에 따른 분류
둘째 점화 방식에 따른 분류
셋째 열역학적 사이클에 의한 분류
넷째 밸브 배열에 의한 분류
다섯째 실린더 안지름과 행정비율에 따른 분류

 

[1] 기계학적 사이클에 따른 분류

1. 4행정 사이클 엔진(4 stroke cycle engine)
4행정 사이클 엔진은 크랭크축이 2회전하고, 피스톤은 흡입-압축-폭발-배기의 4행정(4stroke)을 하여 1사이클을 완성합니다. 4행정 사이클 엔진이 1사이클을 완료하면 크랭크축은 2회전하며, 캠축은 1회전하고, 각 흡입 및 배기 밸브는 1번 개폐합니다.

자동차 산업기사

★ 4행정 사이클 엔진의 작동순서
① 흡입행정(intake stroke) : 흡입행정은 사이클의 맨 처음행정이며, 흡입밸브는 열리고 배기 밸브는 닫혀 있으며, 피스톤은 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 내려갑니다. 피스톤이 내려감에 따라 실린더 내에 혼합가스가 흡입됩니다.

② 압축행정(compression stroke) : 압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가며, 흡입 및 배기 밸브는 모두 닫혀있습니다.

③ 폭발행정(power stroke) : 가솔린엔진은 압축된 혼합 가스에 점화플러그에서 전기불꽃 방전으로 점화하고, 디젤엔진은 압축된 공기에 분사노즐에서 연료(경유)를 분사시켜 자기착화화여 실린더 내의 압력을 상승시켜 피스톤에 내려 미는 힘을 가하여 커넥팅로드를 거쳐 크랭크축을 회전시키므로 동력을 얻습니다.

④ 배기행정(exhaust stroke) : 배기행정은 배기 밸브가 열리면서 폭발행정에서 일을 한 연소가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정입니다. 이때 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라갑니다.

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2. 2행정 사이클 엔진(2 stroke cycle engine)
2행정 사이클 엔진은 크랭크축 1회전으로 1사이클을 완료합니다. 흡입 및 배기를 위한 독립된 행정은 없으며, 포트를 두고 피스톤이 상하운동중에 개폐하여 흡입 및 배기 행정을 수행합니다.

 

[2]. 점화방식에 따른 분류

1. 전기점화엔진
압축된 혼합가스에 점화플러그에서 고압의 전기불꽃을 방전시켜서 점화/연소시키는 방식이며 가솔린 LPG엔진의 점화 방식입니다.

2. 압축착화엔진(자기착화엔진)
순수한 공기만을 흡입하고 고온 고압으로 압축한 후 고압의 연료(경유)를 미세한 안개모양으로 분사시켜 자기착화시키는 방식이며 디젤엔진의 점화방식입니다.

 

[3] 열역학적 사이클에 의한 분류

오토사이클, 디젤사이클, 사바테 사이클

1. 오토사이클(정적 사이클)
오토사이클은 가솔린엔진의 이상적인 열역학 사이클이며, 기본 사이클입니다. 1876년에 독일인 오토가 고안한 사이클로서, 단열, 압축, 폭발, 단열팽창, 배기행정으로 구성되어 있죠. 이 사이클의 열효율은 압축비의 함수가 되어, 압축비가 클수록 열효율이 좋아집니다. 그러나 압축비를 너무 많이 증가시키면, 고압에 의해 폭발하므로, 압축비는 9~12정도를 사용합니다.

2. 디젤사이클(정압사이클)
디젤 사이클은 저중속 디젤엔진의 기본 사이클입니다. 디젤 엔진은 경유가 주원료이며, 공기를 압축하여 온도를 높힌 뒤 압축되는 공기에 연료를 분사하여 연소하는 방식을 사용합니다. (가솔린은 불꽃점화를 통해 연소) 엔진의 공기 표준 열역학적 이상 사이클이라 정압사이클이라고 하죠. 디젤엔진의 효율은 압축비를 증가시킬수록 차단비가 감소하지만, 너무 많이 증가시키면 실린더의 강도가 높아져야해서 원가 상승 문제가 발생하므로 압축비는 통상 14~22정도를 사용합니다.

3. 사바테 사이클(복합사이클)
사바테 사이클은 고속 디젤엔진의 기본 사이클이며, 정적 사이클과 정압사이클이 복합된 것입니다. 일정한 체적과 압력하에서 연소하며 무기 분사식 디젤 기관이 이 사이클을 기준으로 하여 작동하는 기관입니다.

① 폭발비가 1에 가까워지면 정압 사이클에. 그리고 단절비가 1에 가까워지면 정적 사이클에 가까워집니다.
② 압축비 : 피스톤이 하사점에 있을 때 실린더 총 체적과 피스톤이 상사점에 도달하였을때 연소실 체적과의 비율은 다음과 같습니다.

 

[4] 밸브 배열에 의한 분류

1. I-헤드형(I head type or Over Head Valve type)
실린더 헤드에 흡입 배기 밸브를 모두 설치한 형식

2. L-헤드형(L-head type)
실린더 블록에 흡입 배기 밸브를 일렬로 나란히 설치한 형식

3. F-헤드형(F head type)
실린더 헤드에 흡입 밸브를 실린더 블록에 배기 밸브를 설치한 형식

4. T-헤드형 (T-head type)
실린더 블록에 실린더를 중심으로 양쪽에 흡입 배기 밸브가 설치된 형식

 

[5] 실린더 안지름과 행정비율에 따른 분류

1. 장행정엔진(under square engine)
실린더 안지름(D)보다 피스톤 행정(L)이 큰형식, L/D > 1.0
이 엔진의 특징은 저속에서 큰 회전력을 얻을 수 있으며, 측압을 감소시킬 수 있습니다.

2. 정방형엔진(square engine)
실린더 안지름(D)과 피스톤 행정(L)의 크기가 똑같은 형식입니다. L/D = 1.0

3. 단행정엔진(over square engine)
실린더 안지르먜(D)이 피스톤행정(L)보다 큰형식, L/D < 1.0

실린더 안지름/행정비율에 따른 분류

※ 단행정엔진의 장단점
★ 장점
- 피스톤 평균 속도를 올리지 않고도 회전속도를 높일 수 있으므로 단위 실린더 체적 당 출력을 크게 할 수 있다.
- 흡입, 배기 밸브의 지름을 크게 할 수 있어 체적효율을 높일 수 있다.
- 직렬형에서는 엔진의 높이가 낮아지고, V형에서는 엔진의 폭이 좁아진다.

☆ 단점
- 피스톤이 과열하기 쉽다.
- 폭발 압력이 커 엔진 베어링의 폭이 넓어야 한다.
- 회전속도가 증가하면 관성력의 불평형으로 회전부분의 진동이 커진다.
- 실린더 안지름이 커 엔진의 길이가 길어진다.