최초의 휘발유 자동차인 Lacroix De Laville La Nef, 1906
1. 개요
휘발성이 강한 가연성 액체를 실린더 내에서 연소시켜 작동하는 내연기관. 구동시킬 수있는 연료의 종류는 의외로 꽤 다양하지만, 여러가지 현실적인 사정으로 인해 현재 사실상 허용되는 연료는 그냥 휘발유도 아니고 톨루엔 등이 일정부분 첨가된 고순도 옥탄계 탄화수소 뿐이다.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
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.
- 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. - 압축행정
흡/배기 밸브가 닫히고 피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축시킨다. 오토 기관의 단열 압축 과정에 해당한다. - 팽창행정
압축된 혼합기에 점화스파크의 전기불꽃으로 점화하고 폭발시켜 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킨다. 아직 흡/배기 밸브는 닫혀 있다. 폭발 부분은 오토 기관의 등적 가열 과정, 팽창 과정은 단열 팽창 과정에 해당되며 단열 팽창 과정이 실제로 일을 토해내는 과정이다. - 배기행정
피스톤이 올라가면서 배기 밸브가 열리고 연소 가스가 배출된다.
2행정 기관의 작동 원리는 영국의 D. 클라크가 고안하였는데 1회전마다 폭발하는 원리이다. 원리를 자세히 말하자면 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크케이스 안에 흡입하고 피스톤이 내려가면서 이것을 압축시켜서 배기구가 열림에 동시에 실린더 속으로 보낸다.
4. 구조
- 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 수랭식과 공랭식으로 나누며 주로 수랭식이 쓰인다. 물론 공랭식도 많이 쓰인다. 공랭식은 냉각용 핀을 장치한 게 대부분이며 수랭식은 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. 2행정과 4행정
- 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.
4.2. 연료
가솔린 엔진이 휘발유를 쓴다는 것이 대중적인 상식이지만, 아무 휘발유나 넣는다고 제대로 작동하지는 않는다. 원래는 기화만 잘 된다면 무슨 가연성 액체든 연료로 쓸 수있고, 실험해보면 오히려 휘발유가 아닌 연료가 옥탄가가 더 높다. 그러나 에탄올은 식량자원을 발효시켜 만들기 때문에 원료비용이 높아서, 메탄올은 내부 배관을 빠르게 부식시켜서, 귤피유는 재료 대비 채취량이 지나치게 적어서 상용으로는 쓰이지 않는다. 때문에 어쩔수 없이 석유 원유를 증류시켜서 뽑아낸 휘발유를 써야하는데, 갓 증류한 것을 그냥 쓰면 옥탄가가 지나치게 낮으므로 거기서 다시 착화점이 높은 성분만 따로 정제한 것에 안정제를 섞고나서야 흔히 접할 수있는 연료용 휘발유가 되는 것이다.5. 장점
- 전천후성 : 휘발유가 액체라서 취급이 간편한 동시에 기화가 쉽다는 특징으로 기온을 크게 타지 않고 작동이 된다. 경유처럼 겨울에 얼어붙을 걱정도 없고, LPG처럼 여름에 연료탱크가 터져버릴까봐 가득 채우지 못하지도 않는다는 점은 특히 한국처럼 연교차가 큰 곳에서 상당한 장점이다. MPI 엔진에 고급유 주유시 동절기 시동지연이 있을 수 있지만 디젤 엔진의 동절기 시동 불량에 비하면 새발의 피이다.
- 응답성 : RPM 증가가 신속하며 행정 당 발생하는 출력이 높다. 중소형 스포츠카, 슈퍼카와 인디카를 위시한 경주용 차량들은 모두 가솔린 엔진을 사용한다.
- 승차감 : 혼합기가 한꺼번에 타는게 아니라 위에서 아래로 연속해서 불이 번지는 식이라 소음과 진동이 적다. 때문에 고급 세단은 모두 가솔린 엔진을 사용한다.
6. 단점
- 화재 위험 : LPG는 폭발성이 있긴 하지만 가스의 특성상 충격 즉시 점화하지않는다면 바닥에 고이지 않고 저절로 공기 중으로 퍼지면서 희석되어버린다. 하지만 가솔린은 액체이기 때문에 바닥에 흘러내린 상태라면 언제든지 불이 붙을 수있고, 직접 불이 붙지 않는다 해도 증발하면서 발생하는 유증기에 불이 붙어서 폭발할 수있으며, 외부 화재에 의해 가열되어도 위험하다. 전차가 가솔린 엔진을 쓰던 시절에는 화염병으로 연료를 유폭시켜 전차를 파괴할 수도 있었다.
- 노킹 발생 : 가솔린의 발화점은 압축착화를 시키기엔 너무 높고 쿡오프를 막기엔 너무 낮다. 이 때문에 점화와 동시에 실린더 한 구석에서 쿡오프가 종양처럼 발생하는 것이 소위 노킹이라고 하는 것인데, 이렇게 피스톤을 밀어내는데 쓰여야할 힘이 실린더 헤드와 밸브를 타격하고 피스톤을 뒤틀면서 출력손실과 엔진 손상을 야기한다. 이를 막기 위해 한때는 테트라에틸납을 대량으로 휘발유에 섞어서 사용했었지만 납의 유해성 때문에 사용이 금지된 이후로는 사실상 근본적인 방지가 불가능함을 어쩔수 없이 감수하고 쓰는 엔진이 되어버렸다.
- 저연비 : 디젤 엔진 대비 연료효율이 낮아 대형 엔진에는 거의 쓰이지 않아왔으나, 2020년대에 들어 디젤 엔진의 유지보수상의 어려움이 부각되고 가솔린 엔진의 효율이 높아짐으로 인해, 적어도 승용 부문에 한해서는 사실상 사장된 단점이나 다름없게되었다. [3]
7. 참고
8. 둘러보기
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| 구동 방식 | ||
| 구동 바퀴 | 전륜구동 · 후륜구동 · 2륜구동 · 4WD(4륜구동) | |
| 레이아웃(엔진/구동) | FF · FR · RMR · RR | |
| 엔진 구성 | 수평대향 엔진(수평대향 · 플랫(박서)) · 왕복 · 단기통 · 직렬 · V형 · 반켈 | }}}}}}}}} |
[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] 디젤 엔진이 동체급 가솔린 엔진에 비해 연비 면에서 유리한 것은 여전하지만 해당 문서에 서술된 단점들이 그 장점을 거의 다 깎아버리기 때문