크랭크기구 및 다기통화와 플라이휠 3가지 방법

기본적인 엔진의 메커니즘을 이해하기 위해서는 로터리 엔진 및 크랭크기구 다기통와 플라이휠 등이 기본으로 기통 행정 분담을 하면서 이루어집니다

로터리 엔진

로터리 엔진은 왕복 엔진처럼 피스톤의 왕복운동을 이용하지 않고 직접 회전 운동을 만들어 냅니다. 고출력을 내느 소형 엔진을 만들 수 있지만 충분한 토크를 얻을 수 있는 회전수의 범위가 좁은 까닭에 일반적인 의미에서서는 다루기 어려운 엔진이라고 할 수 있습니다. 게다가 연비가 우수하도고는 말하기 어렵고 윤활과 냉각 쪽에서도 문제가 있었습니다. 로터리 엔진의 커다란 토크가 스포츠카 제조사들에게 매력적으로 받아들이기도 했지만 이제 쌍용차 외에는 제조사가 없습니다.

토크

엔진이 발생시키는 힘은 회전하는 힘입니다. 이와 같이 회전하는 힘을 토크라고 합ㅣ다. 또 회전하는 속도는 회전수로 표현합니다. 이 토크와 회전수를 곱한 것이 출력으로, 일정 시간 동안 변환할 수 있는 운동 에너지의 양이라고 할 수있습니다.

엔진의 토크는 회전수가 적을 때는 작고 회전수가 증가하면 상승하다가, 일정 회전수에서 최대 토크에 이른 뒤 최전수가 그 이상 증가하면 오히려 저하됩니다. 이처럼 토크와 회전수 사이의 관계를 그래프로 그리면 산 모양이 됩니다. 최근에는 편의성을 높이기 위해 이 그래프가 사다리꼴을 그리는 엔진을 만들고 있습니다.

토크와 회전수의 곱인 출력도 당연히 일정 회전수에서 최대 출력을 맞이한 뒤 저하됩니다. 연료 소비율도 회전수에 따라 변하며, 일반적으로 골짜기 모양이 그래프의 기본 형태가 됩니다.

아이들링

엔진은 회전수 0에서 갑자기 토크를 발생시키며 회전을 시작하는 것이 아니라 어느 정도의 회전수가 뒷받침되어야 의미있는 토크를 발생시킵니다. 즉, 최소한의 회전이 필요한데 이를 아이들링이라고 합니다. 실제 자동차 주행에서는 발전할 때 커다란 출력이 필요하지만 바퀴의 회전 속도는 낮아야합니다. 그리고 이후에 가속할 때에는 커다란 출력을 발휘하면서 바퀴의 회전 속도를 높여나갈 필요가 있습니다.

정속 주행중인 자동차는 주행저항에 대응할 수 있을만큼의 구동력만 발휘하면 되기 떄문에 요구되는 힘이 감소합니다. 이와 같이 주행 상황에 따라 바퀴에 필요한 회전수와 토크가 변하는데, 엔진의 회전을 그대로 전달해서는 적절한 회전수나 토크를 얻지 못합니다. 따라서 변속기를 사용하는것입니다.

토크곡선

일정 회전수에서 최대의 토크를 발휘합니다. 이 부분을 정점으로 산 모양을 그리는 것이 보통인데 최근 엔진은 최대 토크를 발휘할 수 있는 회전수의 폭이 넓어 사다릴꼴에 가까운 그래프를 그리기도 합니다.

연료 소비율 곡선에 있어서는 일정 회전수를 정점으로 골짜리 모양의 그래프를 그리는 것이 일반적입니다. 이 최저 연료 소비율의 회전수로 주행하면 연비를 높일 수 있습니다.

출력 곡선은 회전수와 토크의 곱인 출력은 산 모양의 그래프가 기본이지만, 최대 토크를 넘어서서 토크의 저하가 시작되어도 어느 정도까지는 회전수가 높아짐에 따라 출력이 커집니다. 따라서 최대 출력의 회전수가 최대 토크의 회전수보다 높아집니다.

크랭크기구

가솔린 엔진 같은 왕복 엔진은 피스톤이 왕복 운동을 해서 힘을 발생시키는데, 자동차 주행하려면 타이어의 회전 운동이 필요합니다. 그래서 왕복엔진은 크랭크축과 커넥팅 로드를 이용하여 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 크랭크기구는 기본적인 기계요소로 다양한 기계에서 사용되고 있습니다. 자전거의 폐달을 예로 들면 쉽습니다.

일반적인 자전거의 경우, 한쪽 발이 가장 낮은 위치에 있을 때 반대쪽 발은 가장높은 위치에 있습니다. 높은 위치에 있는 발을 아래로 내려서 회전 운동을 계속하는데, 이때 가장 낮은 위치에 있던 발은 페달과 함께 위로 올라갑니다. 요컨대 크랭크 기구는 회전운동을 상하왕복 운동으로 바꿀 수 있습니다.

크랭크축과 커넥팅 로드

커넥팅 로드는 피스톤과 크랭크축을 연결해 상하 왕복 운동을 회전 운동으로 바꿉니다.

크랭크 기구의 작동

무릎이 내려가면 원호를 그리면서 스프로킷이 회전합니다. 피스톤이 내려가면 크랭크축이 회전합니다.

반대쪽 페달을 밟으면 다른 쪽 페달이 원호를 그리고 무릎이 올라갑니다. 시프톤 두 개가 짝을 이루면 하강한 피스톤을 상승시길 수 있습니다.

다기통화와 플라이휠

가솔린 엔진의 4행정 가운데 실제로 힘이 발생하는 구간은 연소, 팽창 행정뿐이며 다른 행정에서는 피스톤이 움직이기 위한 힘이 필요합니다. 그래서 자동차 엔진은 대부분 복수의 기통으로 구성되어 있습니다. 기통이란 한세트로 구성된 실린더와 피스톤을 의미합니다. 각각의 기통이 다른 행정을 담당하게 하고, 한 기통에서 발생한 힘을 이용해 다른 기통의 피스톤을 움직입니다.

크랭크 축에 있는 서로 다른 회전 위치에 여러 커넥팅 로드를 연결해 연소, 팽창 행정에 진입한 기통의 힘을 다른 기통으로 전달합니다. 승용차에는 보통 3~12기통 엔진이 사용됩니다. 다만 실제로 1기통으로도 엔진의 기능을 구현할 수 있습니다. 이때 중요한 역할을 담당하는 것이 플라이휠입니다.

관성 모멘트

이 휠은 크랭크 축의 끝에 장착하는 금속제 원판으로, 일단 회전을 시작하면 관성에 따라 회전을 계속하려 합니다. 이와 같은 회전 운동의 관성력을 관성 모멘트라고합니다. 이 회전력으로 연소. 팽창 행정 이외의 행정에서 피스톤을 움직입니다.

다기통 엔진에도 플라이휠이 장착되어 있습니다. 연소 팽창 행정에서 힘이 발휘된다고 해도 기세 좋게 힘이 발휘되는 것은 행저의 전반부로 한정됩니다. 그래서 4기통 엔진의 경우, 각각의 기통이 4행정을 담당하더라도 1회전을 하는 사이에 회전 속도가 들쭉날쭉해져 회전이 부자연스러워집니다. 이때 플라이휠을 장착해 관성 모멘트를 이용하면 회전 속도를 알맞게 조절할 수 있기 때문에 회전이 자연스러워 집니다.