가솔린 엔진

 


1. 개요
2. 역사
3. 원리
4. 구조
4.1. 2행정, 4행정
5. 장단점
6. 참고
7. 둘러보기

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최초의 휘발유 자동차

1. 개요

영어: Petrol Engine
독일어: Ottomotor, Benzinmotor
휘발유를 연료로 하는 내연기관으로, "페트롤 기관" 이라고도 한다. 작동방식에 따라 4행정(스트로크) 기관과 2행정 기관이 있다. 4행정 기관의 작동원리는 2회전·4행정으로 이루어져 있다.

2. 역사

프랑스의 드로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일의 오토가 처음으로 실용적인 가스 엔진을 제작한 이후 다방면에 사용되기 시작했다. 가스 엔진의 원리와 가솔린 엔진의 원리는 몇 가지 기구가 다른 것을 제외하면 거의 동일하다. 이후 1885년 독일의 다임러와 마이바흐가 최초의 자동차를 만들어내는데, 거의 비슷한 시기에 휘발유 자동차를 만든 카를 벤츠도 최초의 자동차 발명가로 인정한다.
초기에는 카뷰레터를 사용하여 공기와 기화된 휘발유를 혼합하여 공급하는 방식이 대세였으나, 80년대 이후에는 흡기포트에 인젝터를 장착하여 실린더 도달 직전에 공기와 휘발유를 혼합해주는 포트분사식[1]엔진이 주로 채택되었고, 2000년대 이후엔 거의 대부분의 메이커에서 포트분사식 엔진을 채용하고 있고, 일부 제조사에서는 직분사 엔진으로 넘어가고 있는 추세다. 이에 대해선 연료 분사와 GDI 엔진항목을 참고.

3. 원리

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작동방식에 따른 종류는 크게 4행정(스트로크)과 2행정(크랭크케이스 압축식)으로 나뉘며 4행정은 2회전, 4행정의 작동원리로 이루어졌다. 이는 오토 사이클(정적 사이클)이라고도 불리며 이 원리를 요약하자면 다음과 같다.
  • 1.흡입행정: 피스톤이 하강하면서 흡기 밸브가 열리고 연료와 공기를 연소실에 흡입시킨다. [2] 이상화된 오토 기관의 등부피 냉각 과정을 보다 빠르게 일으킬 수 있는 배기행정과 흡입행정으로 대체한 것에 가깝다.
  • 2.압축행정: 흡/배기 밸브가 닫히고 피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축시킨다. 오토 기관의 단열 압축 과정에 해당한다.
  • 3.팽창행정: 압축된 혼합기에 점화스파크의 전기불꽃으로 점화하고 폭발시켜 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킨다. 아직 흡/배기 밸브는 닫혀있다. 폭발 부분은 오토 기관의 등적 가열 과정, 팽창 과정은 단열 팽창 과정에 해당되며 단열 팽창 과정이 실제로 일을 토해내는 과정이다.
  • 4.배기행정: 피스톤이 올라가면서 배기 밸브가 열리고 연소 가스가 배출된다.
2행정 기관의 작동 원리는 영국의 D.클라크가 고안했는데 1회전 마다 폭발하는 원리이다. 원리를 자세히 말하자면 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크케이스 안에 흡입하고 피스톤이 내려가면서 이것을 압축 시켜서 배기구가 열림에 동시에 실린더 속으로 보낸다.

4. 구조

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  • 엔진 본체는 동력을 발생시키는 부분이며 실린더, 피스톤, 연결봉, 크랭크축, 캠축, 흡배기 밸브 기구, 플라이휠 등이 있다.
  • 연료장치 중 기화기(카뷰레터)는 오직 휘발유 엔진에만 있는 것으로 휘발유와 공기를 적당한 비율로 혼합시킨 뒤 실린더로 보낸다.
카뷰레터의 스로틀밸브 개폐는 흡입되는 혼합기의 양을 조절해서 출력을 조정한다. 예전에는 이 방식이 대세였으나 80년대 이후에는 흡기포트에 인젝터를 장착하는 식으로 실린더에 도달하기 전, 공기와 휘발유를 혼합시켜주는 포트분사식 엔진이 나왔고 2000년대 이후에는 대부분이 이 방식을 쓰며 일부 자동차 제조사에서는 직분사 엔진으로 넘어가는 추세이다. 그 외에도 흡기 다기관, 연료펌프, 공기 청정기 등의 장치들이 있다.
  • 냉각장치는 엔진이 과열하지 않도록 온도를 적절하게 유지시키는 것이 목적이며 분류는 수냉식과 공랭식으로 나누며 주로 수냉식이 쓰인다. 물론 공랭식도 많이 쓰인다. 공랭식은 냉각용 핀을 장치한 게 대부분이며 수냉식은 물펌프, 라디에이터(방열기), 팬, 온도조절기 등의 구조로 이뤄졌다.
  • 점화장치는 실린더에 흡입된 혼합기를 점화하는 것으로 축전지, 감응코일, 단속기, 배전기, 점화플러그, 축전기 등이 있으며 축전지 대신 자석 발전기를 사용하는 것도 있다.
  • 윤활장치는 오일펌프, 오일청정기, 오일팬 등으로 이뤄졌으며 피스톤이나 베어링 부분에 윤활유를 보내는 장치이다.

4.1. 2행정, 4행정

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  • 2행정: 크랭크가 한 번 회전할 때 흡기, 배기가 동시에, 폭발, 압축이 동시에 이루어진다. (흡기,배기밸브가 별도로 존재하지 않는다.)
장점: 엔진크기가 작고 구조가 간단해서 가볍다. 출력(힘)이 좋다.
단점: 연비가 떨어지고 내구성이 약하다. 쓰로틀을 닫을 경우 윤활이 되지 않는다.
  • 4행정: 크랭크가 첫 번째 회전할 때 흡입하고(상사점->하사점) 압축하며(하사점->상사점), 두 번째 회전할 때 폭발이 일어나고(상사점->하사점) 배기가 된다.(하사점→상사점) (흡기 및 배기밸브가 각각 존재한다.)
장점: 연비가 좋고 내구성이 좋아 수명이 길다.
단점: 엔진크기가 크고 구조가 복잡해져 덩치가 크고 무겁다. 출력(힘)은 2행정보다 떨어진다.

5. 장단점

  • 장점: 같은 출력의 디젤 엔진에 비해 고가의 장비가 덜 들어가서 원가가 저렴하고 크기가 작고 가벼우며 운용 및 관리가 쉽다는 것이다.[3] 때문에 항공기, 자동차, 오토바이, 모터보트와 같은 교통수단과 경운기, 소방 펌프, 발전기와 같은 장비에 쓰이기도 하며 취미용 소형원동기[4]로 제작하기도 쉬워서 다방면에서 이용된다. 2행정의 경우에는 1회전 만에 폭발하기만 하면 되기 때문에 회전이 원활한 장점이 있다. 거기에 2행정에 배기 밸브를 끼얹으면 연료 효율을 향상 시킬 수 있다.
  • 단점: 흡배기 작용이 원활하지 못하고 이로 인해 혼합가스의 일부가 배기가스와 함께 배출 되므로 연료소모가 많은 단점이 있어서 대형기관에 사용하기가 어렵다. 대표적으로 대형 선박이나 상선 등이 있다 그리고 이산화탄소 배출량이 디젤 엔진보다 훨씬 많으며 상대적으로 효율이 낮다.[5]

6. 참고


7. 둘러보기



[1] MPI. EPI 등의 여러 용어가 있다. 전자는 현대, 후자는 현대 인수합병 이전의 기아차가 마쯔다 엔진을 가져오면서 쓰던 용어인데, MPI는 Multi-point injection, 즉 다중 분사(실린더마다 분사장치를 갖춘 방식. 반대개념으로는 옛날에 대우차에서 사용한 염가형 분사방식인 Tbi가 있겠다. 이쪽은 각 기통이 아니라 쓰로틀바디에 분사장치가 달린다.) 그리고 EPI는 Electronic Petrol injection, 즉 전자제어 휘발유 분사 라는 의미. 물론 현대에서 파워트레인을 받아쓰는 지금의 기아차는 현대차와 같이 MPI라는 용어를 사용한다.[2] 이때 카뷰레터(혼합기)를 통해 기화기로 만들어 흡입시킬 수도 있고, MPi나 GDi(?)를 통해 액체 상태의 연료를 분사할 수도 있다.[3] GDI 엔진, 터보 엔진은 관리하기 꽤 까다로워진다.[4] 예초기 엔진으로도 쓴다.[5] 현재는 39%까지 찍힌다. 이것도 엄청 발전한 것으로, 과거에는 열효율이 고작 20%도 안 찍히던 때도 있었다.

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