엔진의 작동 원리

엔진의 작동 원리

내연기관의 4행정 사이클(흡입, 압축, 폭발, 배기)을 통해 동력을 생성하는 과정을 의미합니다. 각 행정이 어떻게 작동하며, 그 과정에서 어떤 일이 일어나는지 상세히 설명하겠습니다.

 

1. 흡입 행정 (Intake Stroke)

• 밸브 동작: 흡입 밸브가 열기고 배기 밸브는 닫힌 상태입니다.
• 피스톤 이동: 피스톤이 상사점(TDC: Top Dead Center)에서 하사점(BDC: Bottom Dead Center)으로 내려갑니다.
• 혼합기 유입: 피스톤이 하강하면서 실린더 내부의 압력이 대기압보다 낮아져서 흡입 밸브를 통해 연료와 공기의 혼합기가 실린더 안으로 빨려 들어옵니다. 연료분사 방식은 카뷰레터 방식과 연료분사 방식이 있으며, 최근에는 전자 제어 연료분사(EFI) 방식이 주로 사용됩니다.

 

2. 압축 행정 (Compression Stroke)

• 밸브 동작: 흡입 밸브와 배기 밸브 모두 닫힌 상태입니다.
• 피스톤 이동: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라갑니다.
• 혼합기 압축: 실린더 내부의 연료와 공기 혼합물이 압축됩니다. 압축비는 엔진의 성능과 효율을 결정짓는 중요한 요소로, 압축이 높아질수록 연료 효율이 향상되고 출력이 증가합니다. 압축 과정에서 혼합기의 온도와 합력이 크게 상승합니다.

 

3. 폭발 행정 (Power Stroke)

• 점화: 피스톤이 상사점 근처에 도달했을 때 점화 플러그가 고전압 전류로 스파크를 발생시켜 압축된 혼합기를 점화합니다.
• 연소 및 폭발: 점화로 인해 혼합기가 빠르게 연소하면서 고온, 고압의 가스가 발생합니다. 이 연소 과정은 매우 짧은 시간에 일어나며, 폭발로 인한 압력이 피스톤을 강하게 밀어 내립니다.
• 피스톤 이동: 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려가면서 크랭크축을 회전시킵니다. 이때 발생하는 기계적 에너지가 엔진의 주된 출력입니다.

 

4. 배기 행정 (Exhaust Stroke)

• 밸브 동작: 배기 밸브가 열리고 흡입 밸브는 닫힌 상태입니다.
• 피스톤 이동: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라갑니다.
• 배기가스 배출: 피스톤이 올라가면서 연소 후 발생한 배기가스를 실린더 밖으로 밀어내고 배기 밸브를 통해 배출합니다. 배기가스는 배기관을 통해 외부로 배출되며, 촉매 변환기 등 배출가스 저감 장치를 통해 환경 오염을 줄입니다.

 

5. 4행정 사이클의 반복

이 네 가지 행정이 끝나면 다시 흡입 행정으로 돌아가며, 엔진이 계속해서 동력을 생성할 수 있도록 합니다. 이 과정은 매우 빠르게 반복되며, 일반적인 자동차 엔진은 분당 수천 번의 회전(RPM: Revolutions Per Minute)을 수행합니다.

 

6. 내연 기관의 추가 요소들

• 점화 시스템: 점화 플러그는 정확한 시점에 혼합기를 점화해야 하므로 전자 제어 장치(ECU)와 센서들이 이를 제어합니다.
• 배출 시스템: 배기가스의 유해 성분을 줄이기 위해 촉매 변환기와 같은 장치가 사용됩니다.
• 냉각 시스템: 엔진의 과열을 방지하기 위해 냉각수가 엔진 블록을 순환하면서 열을 제어합니다.
• 윤활 시스템: 엔진 내부의 마찰을 줄이고 부품의 마모를 방지하기 위해 윤활유가 공급됩니다.

 

이러한 과정을 통해 내연 기관은 연료의 화학 에너지를 기적 에너지로 변환하여 차량의 움직임을 가능하게 합니다.