현대 사회에서 자동차가 차지하는 비중은 과연 어느 정도일까? 자동차는 인간의 삶에 가장 깊숙히 관여하는 물건 중 하나이지만, 그에 대한 상식과 이해는 많이 부족한 형편이다. 차에 대한 상식 없이도 운전은 가능하다. 하지만 아는만큼 보인다는 말은 거짓이 아니다.
엔진은 에너지를 기계적인 움직임으로 변환하는 장치를 말한다. 엔진은 두말할 것도 없이 자동차의 최고 핵심 부품 중 하나라고 할 수 있다. 차값의 절반가량을 차지하는 점만 봐도 이를 알 수 있다. 이번 시간에는 자동차의 심장이라고 불리우는 엔진의 종류와 전반적인 내용을 정리했다.
2행정과 4행정 엔진의 차이
자동차 엔진은 우선 행정의 횟수에 따라 2행정 엔진과 4행정 엔진으로 나뉜다. 자동차 엔진에서 행정이란 실린더 속의 피스톤이 한쪽 끝에서 다른쪽 끝까지 움직이는 것을 말한다.
2행정 엔진은 1회의 피스톤 상하 운동(2행정=상승 1회, 하강 1회)으로 흡입-압축-연소(폭발)-배출(배기)의 사이클을 완료한다. 2행정 엔진은 과거 자동차나 소형엔진에 많이 사용되었으나, 현재는 환경규제에 불리하다는 이유로 자동차용으로서는 이미 퇴출된 지 오래되어, 자취를 감추다시피 하였다.
2행정 엔진의 장점은 4행정 엔진에 비해 상대적으로 구조가 단순하기 때문에 제작이 간단하며 가격이 저렴한 편이다. 반면 앞서 말한바와 같이 엔진 오일을 같이 연소하는 특성상 대기오염 물질의 배출량이 많다. 또한 연료 효율이 낮고, 4행정 엔진에 비해 실린더의 피로도가 높아 수명이 짧아진다.
4행정 엔진은 2회의 피스톤 상하 운동(4행정=상승 2회, 하강 2회)으로 흡입-압축-연소(폭발)-배출(배기)의 사이클을 완료한다. 즉 4행정 엔진이 한번의 사이클을 완료하면 크랭크축이 2회전, 캠축이 1회전하며, 각 실린더의 흡기밸브와 배기밸브는 각 1회 열리고 닫힌다.
현재 대부분의 자동차 엔진은 4행정 엔진이다. 2행정 엔진에 비해 연료 효율이 좋고, 오염 물질의 배출량이 적기 때문이다. 다만 2행정 엔진에 없는 밸브 개폐기구가 추가되면서 구조가 복잡해져, 같은 출력의 경우 더 크고 무겁게 된다.
사용 연료에 따른 엔진 분류
엔진은 사용하는 연료에 따라서도 다르게 분류된다. 그중에서도 가솔린을 연료로 하는 엔진을 가솔린 엔진이라고 한다. 1876년 니콜라스 오토가 최초의 실용적 가스 엔진을 발명하면서부터 그 역사가 시작된다. 가스엔진과 가솔린엔진은 기본적인 원리가 같고, 몇가지 기구를 제외하면 거의 동일한 구조로 이루어진다.
가솔린 엔진은 일반적으로 공기에 연료를 섞어 점화장치를 이용해 실린더에서 강제 폭발시키는 방식을 취한다. 초기에는 기화기(카뷰레터)를 사용하여 공기와 기화된 연료를 혼합하여 공급하는 방식이 많았다.80년대 이후에는 흡기 포트에 연료를 직접 분사해주는 `인젝터`를 장착하여 실린더 도달 직전에 공기와 가솔린을 혼합해주는 포트 분사 방식을 주로 채용하고 있다. 일부 제조사는 연소실에 직접 연료를 분사하는 직분사 방식의 채용을 가속화해가고 있는 추세다.
디젤엔진은 1893년 독일의 기계기술자 루돌프 디젤에 의해 개발됐다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 달리 실린더에 공기만을 넣고 압축하여 고온으로 만든 뒤, 연료를 뿌려 자연발화 시키는 방식으로 작동된다. 이는 디젤연료가 400~500도의 온도에서 자체 폭발이 일어나기 때문에 가능한 일이다. 자체폭발이 일어나면 연료가 골고루 동시에 연소된다. 즉 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로 연비가 좋아지는 효과가 있다.
디젤엔진은 공기가 가솔린 엔진에 비해 2배 이상의 고압으로 압축되고 연소 역시 동시다발적으로 발생하므로 엔진 구조가 강해야 한다. 이는 가솔린 엔진에 비해 크기가 커지는 원인이 된다. 또한, 이에 따라, 진동과 소음도 상대적으로 심해, 상대적으로 상용차, 혹은 산업 및 선박용으로 많이 사용된다. 한국에서는 우수한 연비와 함께, 소음과 진동에 대한 문제를 상당부분 해결한 승용형 디젤 엔진의 인기가 좋은 편이다.
이밖에도 최근에는 하이브리드 자동차도 늘어나고 있다. 하이브리드 자동차란 두가지 다른 방식의 동력원을 합한 자동차를 말한다. 즉 가솔린이나 디젤 엔진 등 내연기관 동력에 축전지에 의한 모터의 회전동력을 함께 사용하는 경우가 여기 속한다. 하이브리드의 장점으로는 높은 연비와 친환경성, 그리고 안정적인 주행성능을 꼽는다.
실린더 배열에 따른 엔진 분류
지금까지 말한 엔진들은 모두 내연기관으로 왕복 운동을 한다. 즉 실린더 안에 있는 피스톤을 움직여 동력을 만드는데, 실린더의 배열 방식에 따라 그 명칭이 달라진다.
먼저 직렬엔진은 실린더를 한줄로 가지런히 늘어놓은 형태의 엔진을 말한다. 약자는 In-Line에서 따와서 I 또는 L을 쓴다. 4기통 직렬 엔진이면 I4나 L4로 표기한다. 가장 전통적인 방식의 엔진으로 설계가 단순하여 제조 비용이 적게 들고 정비가 편하다는 장점이 있다.
다만 실린더를 일렬로 배열하는 특성 때문에 배기량이 늘어나면 엔진의 길이가 너무 길어지는 문제가 발생한다. 때문에 직렬엔진은 2,000cc급 전후의 준중형이나 소형차에 많이 쓰인다. 물론 차체가 큰 대형 버스나 트럭에서는 크게 상관이 없다.
수평대향 엔진은 실린더를 서로 마주보게하여 수평으로 배치한다. 즉, 보통의 엔진이 실린더를 상하로 움직여 동력을 얻는다면 이 엔진은 좌우로 움직여 동력을 얻는다. 권투선수가 자신의 두 주먹을 팡팡 때리는 모습을 연상시킨다고 해서 박서(Boxer) 엔진이라고도도 불린다.
수평대향 엔진은 개발 당시 특유의 배치로 인해 엔진 실린더의 편마모 현상이 있었다. 하지만 현재는 기술의 발전으로 이 문제는 해결된 상태다. 엔진의 무게 중심이 낮아 코너링이 안정적이라는 장점이 있다. 반면 좌우로 공간을 많이 차지하여 더블 위시본이나 멀티링크 서스펜션의 사용이 어려운 편이다.
V형 엔진은 말그대로 실린더가 V자를 그리며 지그재그로 배열된 엔진을 말한다. V형 엔진은 직렬 엔진과 수평대향 엔진의 중간 형태를 띤다. 무게 중심은 직렬 엔진보다 다소 낮아지며, 실린더를 지그재그로 배치하는 만큼 같은 기통수의 직렬 엔진에 비해 길이가 짧아지는 장점이 있다. 때문에 6기통 이상의 승용차용 엔진은 대부분 V형 엔진구조를 사용한다. 또한, 폭스바겐 그룹 한정으로 `W형`이라는 변종도 있다. 이는 두개의 V형 엔진을 가로로 이어 붙이는 형태를 취하게 되며, 각각의 실린더는 교차하듯 배치된다. 폭스바겐 그룹의 모든 W12 엔진 사용 모델들과 부가티 베이론이 이 형태의 엔진을 사용한다.
이 밖에도 실린더가 크랭크축을 중심으로 원형으로 배열된 성형엔진이 있다. 조지 웨스팅하우스에 의해 발명된 성형엔진은 실린더가 크랭크축을 중심으로 원형으로 배치되어 있어 마치 별모양(星形)처럼 보인다고 해서 붙여진 이름이다. 자동차에는 거의 쓰이지 않고, 주로 레시프로 항공기를 위한 엔진으로 쓰였다.
반켈엔진(로터리 엔진)
흔히 로터리 엔진이라고 부르는 반켈엔진은 독일의 기술자 펠릭스 반켈(Felix Wankel)이 1951년에 고안한 엔진이다. 실린더와 피스톤으로 이루어진 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조로 되어 있다.
반켈이 설립한 NSU(아우디의 전신)에서 생산을 개시하여 자동차에 사용되기 시작했으나, 여러가지 문제로 인해 점점 도태되었다. 현재 일반 자동차에 탑재하는 자동차 회사로는 마쯔다가 유일하다.
반켈엔진은 동력을 일으키는 폭발 행정이 거의 끊김없이 이어지기 때문에 배기량에 비해 고출력을 낼 수 있다. 다만 구조적인 특성상 피스톤 역할을 하는 로터와, 실린더 역할의 챔버 내벽의 마모가 심하다. 이로인해 부품을 자주 교체하거나 손상이 심할 경우에는 엔진을 통째로 교체해야 하는 일이 벌어지기도 한다. 또한 1회전에 3회 정도 발생하는 폭발행정으로 배기량에 비해 연료를 많이 소모하여 연비가 좋지 않다.
