가솔린 엔진의 4행정은 흡기 행정, 압축 행정, 연소.팽창 행정, 배기 행정으로으로 구성되어 있습니다.
목차
흡기 행정
흡기 행정은 피스톤이 상사점에 있을 때 시작됩니다. 배기 밸브가 닫힌 상태에서 흡기 밸브를 열고 피스톤을 하강시키면 실린더 안의 압력이 낮아져 흡기 포트에서 공기와 무화 상태의 연료가 섞인 기체가 들어옵니다. 피스톤이 하사점에 이르면 두 밸브를 모두 닫고 피스톤을 상스시켜 혼합기를 압축합니다.
압축 행정
기체는 압축되면 온도가 상승하기 때문에 연소하기 쉬운 상태가 됩니다. 피스톤이 상사점에 다다르면 점화 플러그로 혼합기에 불을 붙입니다.
연소 . 팽창 행정
혼합기는 폭발적인 연소를 일으켜 높은 열을 발생시킵니다. 연소로 발생한 가스와 연소에 사용되지 않앗던 공기가 열 때문에 팽창해 피스톤을 밀어냅니다. 이때 열에너지가 운동 에너지로 변환되어 힘이 만들어집니다.
배기 행정
피스톤이 하사점에 이르면 배기행정이 시작됩니다. 배기 밸브를 열고 피스톤을 상승시키면 연소 가스의 배기가 진행됩니다. 그리고 피스톤이 상사점에 이르면 다시 흡기 행정이 시작됩니다. 이와 같이 4행정이 진행되는 사이에 피스톤은 상사점과 하사점을 두번 왕복합니다. 이 같은 피스톤의 왕복 운동은 나중에 설명할 크랭크축과 타이로드를 통해 회전 운동으로 변환됩니다.
이 모두는 기본적인 4행정을 전제로 한 것입니다. 실제 엔진의 경우 , 각행정의 개시와 종료 타이밍이 미묘하게 다를 떄가 많으며 연료 공급방법이 서로 다른 엔진도 있습니다.
가솔린 엔진의 4행정 사이클
- 흡기 행정 : 피스톤이 하강하면 내부의 압력은 낮아지고 혼합기가 흡입됩니다. 흡기 밸브가 열리고 배기 밸브는 닫힙니다.
- 압축 공정 : 피스톤이 상승하면 실린더 내부의 압력이 높아지고 혼합기가 압축됩니다. 흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 닫힙니다.
- 연소, 팽창 행정 : 압축된 혼합기에 불을 붙여 연소를 일으킵니다. 연소 가스가 팽창해 피스톤이 하강합니다. 흡기 밸브와 배기 밸브가 닫힙니다.
- 배기 행정 : 피스톤이 상승하면 피스톤 내부의 연소 가스가 배출됩니다. 흡기 밸브가 닫히고 배기 밸브는 열립니다.
디젤 엔진
가솔린 뿐만이 아니라 디젤에서도 4행정으로 작동됩니다. 디젤 엔진의 배기가스가 대기 오염을 일으켰기 때문에 승용차에 전혀 쓰이지 않았던 시기도 있었지만, 원래 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 효율이 높은 엔진입니다. 즉, 연비가 좋고 환경에도 이로운 엔진이라고 할 수 있습니다.
디젤 엔진도 가솔린 엔진과 마찬가지로 4행정 사이클 엔진입니다. 4행정의 기본적인 개념도 같지만, 실린더와 피스톤이 가솔린 엔진보다 압축 효율이 높도록 설계되어 있습니다. 연소실에 점화 플러그가 없고 그 대신 연료 분사 노즐이 장착되어 있습니다.
4행정 사이클
흡기행정에서는 혼합기가 아니라 공기가 흡입됩니다. 그리고 압축 행정에서 이 공기를 압축하면 연소실의 안의 온도가 섭씨 600도 이상이 되는데, 이때 연료 분사 노즐로 내부에 경유를 분사하면 연료가 자연 발화되어 연소, 팽창 행정이 시작됩니다. 마지막으로 배기행정에서는 연소 가스가 배출됩니다.
클린 디젤 엔진
디젤 엔진의 경우 압축 비율이 높아서 가솔린 엔진보다 큰 토크를 끌어냅니다. 그러나 부품을 고압에 견딜수 있도록 튼튼하게 만들기 때문에 결국 가솔린 엔진보다 크고 무겁습니다. 또 대기 오염도 유발하기 쉽다는 단점이 있어서 트럭과 버스 같은 대형차에 주로 쓰였습니다. 그러나 배기가스 정화 기술과 커먼레일이 부착된 엔진 연소 기술이 발전하자 승용차에도 쓰이기 시작했습니다. 이러한 엔진을 클린 디젤 엔진이라고 합니다
디젤 4행정 사이클 정의
- 흡기 행정 : 피스톤이 하강하면 실린더 내부의 압력이 낮아져 공기가 흡입됩니다. 흡기 밸브가 열리고 배기 밸브는 닫힙니다
- 압축 행정 : 피스톤이 상승하면 실린더 내부의 압력이 높아지고 공기를 압축해 고온으로 만듭니다. 흡기밸브와 배기 밸브가 닫힙니다.
- 연소. 팽창 행정 : 고온의 공기 속에 연료를 분사해 자연 발화를 일으키면, 연소 가스가 팽창하면서 피스톤이 하강합니다. 흡기 밸브와 배기 밸브가 닫힙니다.
- 배기 행정 : 피스톤이 상승하면 피스톤 내부의 연소 가스가 배출됩니다. 흡기 밸브가 닫히고 배기 밸브는 열립니다.
왕복 엔진처럼 피스톤의 왕복 운동을 이용하지 않고 직접 회전 운동을 만들어내는 엔진을 로터리 엔진이라고 합니다. 높은 출력을 얻을 수 있지만 연비가 나쁘다는 단점이 있습니다
열효율
자동차 엔진에서 연료의 화학 에너지가 운동 에너지로 변할 떄 손실이 발생합니다. 그리고 이 손실은 매우 큽니다. 연료를 태울 떄 불완전 연소가 일어나면 연료의 에너지가 연소 가스에 포함되며, 전부 연소되지 못하고 남은 연료가 배출될 때도 있습니다. 이와 같이 연료가 화학 에너지에서 열에너지로 변환될 때 일어나는 손실을 미연 손실이라고 합니다.
냉각 손실
실린더 안에서 발생한 열에너지는 엔진 자체도 덥힙니다. 이 열을 방치하면 엔진이 과열되어 여러가지 문제가 발생하기 떄문에 냉각 시킬 필요가 있는데 이떄 버려지는 열에너지가 냉각 손실입니다. 또 배기가스는 엔진의 흡기보다 온도가 높기 때문에 열에너지를 버리게 됩니다. 이 손실을 배기 손실이라고 합니다.
이 손실을 제외한 나머지가 운동 에너지로 변환되는데, 그렇다고 해서 그 전부가 자동차 주행에 쓰이는 것은 아닙니다. 연소,팽창 행정 이외의 행정에서 피스톤을 움직이기 위해 운동 에너지가 사용됩니다. 이것을 펌프 손실이라고 합니다. 이 손실을 뺀 나머지가 비로소 엔진에서 출력되는 운동 에너지입니다.
열효율
엔진에 공급된 화학 에너지와 출력되는 운동 에너지 사이의 비율을 열효율이라고합니다. 기존 가솔린 엔진의 열효율은 30퍼센트 정도였지만, 연비를 높이기 위해 많은 노력을 기울인 결과 열효율이 35퍼센트 정도인 엔진도 많이 있습니다. 개중에는 40퍼센트에 육박하는 것도 있습니다. 하지만 그렇다고 해도 총 에너지 중 60퍼 센트는 버려지고 있는 셈입니다.