실린더 블록과 실린더 헤드ㅣ연소실과 배기량 6가지 종류

실린더 블록과 실린더 헤드는 금속으로 실린더를 만들고 피스톤을 넣습니다. 또한 연소실에서 힘을 만들어 냅니다.

실린더 블록

엔진이 힘을 발생시키는 긴본 단위는 실린더와 피스톤입니다. 실제 엔진은 내부에 실린더의 통구조가 만들어낸 실린더 블록과 실린더의 천장에 있는 실린더 헤드로 구성되어 있습니다. 둘다 연소, 팽창 행정의 폭발적인 연소가 일으킨 압력상승을 견뎌야 하기 때문에 튼튼하게 만들 필요가 있습니다.

하지만 내구성을 높이기 위해 부품이 무거워지면 주행성능과 연비라는 측면에서 불리해지기 떄문에 강도 유지와 상관이 없는 부분을 깎아서 경량화를 꾀하고 있습니다. 일반적으로 철제이지만 가벼운 알루미늄 소재를 쓰는 경우도 있습니다.

실린더 블록에는 엔진의 기통 수에 맞춘 통구조가 있습니다 .이 통에 피스톤이 들어가며, 피스톤과 실린더 헤드의 경계 부근이 상사점입니다. 실린더 블록의 하부에는 크랭크축을 지탱하는 구조가 있는데, 지탱하는 부분이 별체일 경우도 있습니다. 크랭크출과 피스톤이 커넥팅 로드로 연결됩니다.

그리고 그 밑에는 엔진의 바닥이 되는 오일 팬이 부착되어 있습니다. 오일 팬은 엔진 내부를 윤활하는 엔진 오일의 저장소로도 사용이 됩니다.

실린더 헤드

실린더 헤드의 경우 실린더 블록의 통에 대응하는 부분에 오목한 곳이 있습니다. 이곳이 연소실을 구성합니다. 여기에는 흡기 포트나 배기 포트 등의 통로, 점화 플러그의 전극 부분을 돌출시키는 구멍, 흡배기 밸브를 다는 구멍 등이 있습니다. 이들 흡배기 밸브를 여닫느 밸브 시스템도 실린더 헤드에 설치됩니다. 실린더 헤드의 상부에는 실린더 헤드 커버가 달려있는데, 이 부품이 내부를 보호하고 밸브 시스템 등을 윤활하는 엔진 오일이 튀는 것을 방지합니다.

엔진 상부의 구조

밸브 시스템 : 흡배기 밸브의 개폐를 실시하는 기구
배기 밸브 : 연소실과 배기 포트를 여닫는다
배기 포트 : 실린더 안의 연소가스를 배출합니다.
점화 플러그 : 혼합기에 불을 붙이는 부품으로서 끝부분의 전극이 연소실 안에 돌출되어 있습니다.
인젝트 : 연료를 분사하는 부품으로 끝부분에 연료 분사 노즐을 장치합니다.
흡기 포트 : 실린더 안으로 공기를 흡입합니다.
흡기 밸브 : 연소실과 흡기 포트를 여닫습니다.
커넥팅 로드 : 피스톤과 크랭크축을 연결합니다.

연소실과 배기량

연소실의 모양은 흡기와 배기의 흐름, 연료와 흡기의 섞임 등에 영향을 미칩니다. 또 표면적이 넓을 수록 연소가 발생시킨 열에너지를 실린더 블록 등에 뺴앗기기 쉽습니다.

지금까지 다양한 모양의 연소실이 개발되어 왔는데, 현재는 펜트 루프형 연소실이 가장 일반적입니다. 삼각 지붕형이 기본형이며 필요에 따라 약간의 변형을 가합니다.

실린더 용적

피스톤은 실린더 안의 상사점과 하사점 사이를 왕복하는데, 하사점에 있을 때 실린더 안의 용적을 실린더 용적

연소실 용적

상사점에 있을 때 용적을 연소실 용적이라고 합니다

배기량

실린더 용적에서 연소실 용적을 뺀 것이 일련의 4행정 사이에 흡입되는 공기의 양, 즉 배출되는 연소 가스의 양이 됩니다. 이것을 기통당 배기량이고 합니다. 여기에 엔진의 기통수를 곱한 것이 엔진의 총 배기량입니다.

압축비

실린더 용적과 연소실 용적 사이의 비율을 압축비라고 합니다. 압축비를 높이면 그만큼 변환할 수 있는 운동 에너지의 양이 늘어나므로 효율을 높일 수 있습니다.

그러나 가솔린 엔진의 경우 압축비를 너무 높이면 실린더 안에 있는 혼합기의 온도를 지나치게 상승해서 점화 플러그로 불을 붙이기 전에 노킹이라고 부르는 이상 연소가 일어나버립니다.

피스톤이 상사점에 이르기 전에 연소가 시작되어 연소 가스가 팽창하기 시작하면 엔진이 정상적으로 가능하지 못하기 때문에 가솔린 엔진의 압축비는 8:1~10:1 설정되어 있는 경우가 많습니다.

참고로 자연 발화를 전제로 하는 디젤 엔진의 압축비는 20:1 정도가 많습니다. 가솔린 엔진에 비해 압축비가 높게 설정되어 있기 때문에 디젤 엔진의 효율이 더 좋은것입니다.

펜트 루프형 연소실

삼각 지붕형이 펜트 루프형 연소실의 기본형입니다. 여기에 흡배기의 흐름이나 혼합기의 상태를 검토해 모양을 다양하게 변형시킵니다.

실린더와 연소실의 용적

실린더 용적 : 피스톤이 하사점이 있을 때의 실린더 안의 용적 (기통당 배기량) 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동함에 따라 변화하는 실린더 안의 용적입니다
연소실 용적 : 피스톤이 상사점에 있을 때의 실린더 안의 용적 (압축비) 실린더 용적과 연소실 용적 사이의 비율입니다.

기통 수와 실린더 배열

엔진의 총배기량이 커지면 연소되는 연료의 양이 늘어나기 때문에 출력이 높아집니다. 그러나 단순히 기통당 배기량을 키우면 문제가 발생합니다. 연소실안에서 연소가 일어 날 때는 전체가 한꺼번에 불타는 것이아니라 점화 플러그의 불꽃에 불이 붙은 곳부터 순차적으로 연소가 확산됩니다.

즉, 기통당 배기량을 키우면 연소실 용적이 커져서 전체에 불이 붙는데 시간이 걸리기 때문에 회전수를 높이기가 어려워집니다.

따라서 해당 엔진에 요구되는 출력에 따라 총배기량이 결정되고, 그 총배기량에 따라서 기통수가 결정됩니다.

개중에는 총배기량이 같은데 기통 수가 다른 엔진도 있습니다. 기통 수가 많은 엔진은 원활한 회전이나 정숙성 또는 고속회전이 요구되는 경우에 씁니다.

다기통 엔진의 실린더 배치에는 여러가지가 있습니다. 가장 기본적인 실린더 배열은 직렬형으로, 크랭크축의 방향을 따라 기통이 직렬로 나열됩니다

. 이 배열 방식은 구조가 단순하지만 기통수가 늘어나면 엔진의 전장이 길어져서 엔진룸에 수납하기가 어렵습니다. 전고도 높아져서 무게 중심이 올라가시 쉽습니다.