1. 연소실 형상
혼합기의 연소 방법에 따라 엔진의 성능은 큰 영향을 받는다는 뜻이지만, 그 연소가 일어나는 연소실은 어떤 형상을 하고 있는 것이 바람직한 것일까. 다른 곳에서 서술한 것과 중복되는 것도 있지만, 여기에서 종합해 보자.
엔진의 출력을 올리기 위해서는, 화염 속도가 빠르게 되도록 연소실이 좋다고 하면, 가솔린의 성분 및 혼합비가 일정하다고 할 때, 이하의 5가지 항목으로 나타난다.
⑴ 흡입되는 혼합기의 양이 많을 것 (연료가 많으면 발열이 많다)
⑵ 점화 직전의 혼합기 흐름이 적당할 것
(빠른 쪽이 좋지만 지나치게 빠르면 MISFIRE)
⑶ 점화 플러그가 연소실 중앙에 있을 것 (혼합기가 빠르게 연소한다)
⑷ 압축비가 높을 것 (압축열이 크고, 압력도 높으므로 열효율이 좋다)
⑸ 연소실이 컴팩트하여, 열이 달아나기 어려울 것
(힘으로 변하는 열에너지가 많다)
우선 ⑴의 혼합기 흡입량에 대해서 말하자면, 이것은 흡기 밸브의 취부 각도, 수, 크기, 열림 상태 (리프트) 및 흡기 포트 형상 등의 요소에 의해 결정된다. 중요한 요소이므로 다음의 흡배기 밸브 설명時 자세히 설명하기로 한다.
⑵의 혼합기 흐름은, 혼합기가 어떤 식으로 실린더에 흡입되는지가 중요한 포인트이다. 단, 혼합기의 흐름이 좋아도, 밸브 주변 및 피스톤 크라운의 형상이 복잡하여 凹凸이 많으면 가스가 연소하여 퍼지기 어려우므로 심플한 형상이 바람직하다.
⑶의 점화 플러그 위치는 흡배기 밸브 수와 위치에 의해 거의 결정되어 버리지만, 현재 주류로 되어 있는 4밸브 엔진은, 플러그가 연소실의 한 가운데에 놓여지므로 이상적이다.
⑷의 압축비는, 큰 만큼 점화 직전의 연소실 온도와 압력이 높아 연소는 빠르게 진행한다. 하지만 연소가 지나치게 빠르면 이상 연소가 일어나므로 상태가 나쁘다. 노킹에 의해 충격파가 발생하여, 연소실의 벽을 녹여버리기 때문이다.
⑸의 열이 달아나기 어렵도록 하는 것은, 연소실 내면의 면적이 크면, 연소 가스가 피스톤을 눌러 하강시킬 때에 달아나는 열이 많고, 그만큼 힘으로 변하는 에너지가 손실된다. 동일 연소실의 용적이라면, 연소실 내측의 면적이 작으면 좋다는 의미이다. 그래서 연소실의 표면적(SURFACE) 과 용적(VOLUME) 의 비율을 S/V比라고 하고, 이 크기로 연소 효율을 판단하고 있다. 이 S/V비가 작은 만큼 연소실의 효율이 좋은 것은 말할 것도 없다.
2. 흡배기밸브와 연소실
흡기량을 가능한 한 많이, 흡배기를 SMOOTH하게 되도록 하는 것을 체적 효율을 좋게 한다고 말한다. 체적 효율의 향상에는 흡기 포트의 크기 및 형상 등도 중요하지만, 여기에도 영향을 미치는 밸브의 취부 각도와 밸브 경 및 그 수가 적절하여, 연소실을 효율 좋게 연소시키는 형상으로 되어 있는 것이 중요하다.
밸브 경은 큰 쪽이 좋다고 생각되지만, 큰 밸브는 당연히 무거워, 그만큼 개폐할 때의 관성력이 크게 되어 엔진을 고속으로 회전시키지 못하게 되므로, 그 크기에는 자연히 한도가 있다. 그래서 흡배기 밸브 1개씩의 2밸브 엔진은 수가 적게 되고, 흡배기 밸브 2개씩의 4밸브 엔진이 주류로 되어 있다.
흡기 밸브 2개와 배기 밸브 1개의 3밸브 엔진이 주목된 시기가 있었지만, 점화 플러그 위치가 연소실 한가운데가 아닌 것 및, 배기 밸브가 크게 되어 흡기 밸브를 크게 한 효과를 감쇠시키는 등의 기술적인 문제 외에, 코스트가 4밸브 엔진과 그다지 차이나지 않는 등의 이유로 인하여 사용하지 않게 되었다.
4밸브 엔진의 연소실 형식에는, 실린더 헤드 측이 지붕 형상으로 되어 있는 PENT ROOF 형과, 몇 개인가의 球面을 포갠 형태의 다구형이 있고, 어느 쪽의 경우도 흡배기 밸브가 2개씩 쌍으로 되어 마주 보고 있고, 중앙에 스파크 플러그가 위치하고 있어, 바람직한 연소실 조건이 거의 갖춰진 엔진으로 말하고 있다.
흡배기 밸브가 각각 실린더 중심선에 대해 이루어진 각을 밸브 경사각, 양측의 밸브 중심선이 이루고 있는 각을 밸브 협각이라고 부르지만, 이 각도는 연소실 형상 뿐만 아니라, 용적 및 압축비, 흡배기 포트 형상 등에도 큰 영향을 미친다. 협각을 크게 하면, 밸브 경을 크게 할 수 있고, 흡배기가 SMOOTH하게 흐르지만, 연소실이 크게 되어 압축비가 작게 되고, 연소실 표면적과 용적의 비율인 S/V비가 크게 되는 DEMERIT가 생긴다. 신 엔진에는 협각이 작은 컴팩트한 연소실의 엔진이 많다.
흡기 밸브 3개, 배기 밸브 2개의 5밸브 엔진은, 밸브 면적을 크게 함과 동시에 밸브를 가볍게 함으로써 고성능화를 겨냥한 것이지만, 연소실이 복잡하게 되어 S/V비가 크게 되는 문제에 더해, 밸브 주변의 메카니즘이 복잡하게 되는 것도 있어, 그 수는 적다.
3. 피스톤과 연소실
실린더 헤드의 흡배기 밸브와 마주 보게 연소실을 형성하고 있는 것이 피스톤 헤드이다. 혼합기가 빠르게 연소하기 위해서는, 연소실 내에 凹凸이 적고 혼합기가 SMOOTH하게 흐르는 것이 바람직하고, 표면적과 용적의 비율인 S/V비도 작은 쪽이 좋기 때문에, 피스톤 헤드는 가능한 한 평평하고 단순한 쪽이 좋다.
그러나 현실적으로는, 밸브 협각 등의 관계로 실린더 헤드 측의 움푹 팸이 큰 엔진으로, 압축비를 높이고자 하는 경우에는 피스톤 헤드를 높이 올리지 않으면 안되고, 압축비가 높은 엔진에서 실린더 헤드와 피스톤 헤드의 간격이 좁으면, 밸브의 이상 작동에 대비해서 밸브 리세스는 크게 하지 않으면 안된다. 이런 메카니즘 상의 제약중에서도 좋은 연소를 얻고자 하는 연구가 행해지고 있다.
피스톤은 또 연소실에서 생긴 팽창력을 무의미하지 않게 콘로드에 전달되도록 하는 역할을 하고 있어, 피스톤 헤드 이외 부분에도 미세한 배려가 되어 그 형상이 결정되고 있는 것은 두말할 나위 없다.
연소 가스는 피스톤 링에 의해 실링되지만, 이 실링을 확실하게 하기 위해서는 피스톤과 실린더의 간격 (피스톤 클리어런스) 은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 피스톤은 윤활유에 의해서도 냉각되고, 피스톤 링으로부터도 방열되지만, 소재인 알루미늄의 열에 의한 선팽창률은 23으로 비교적 큰 것에 비해, 실린더의 재료인 철은 12∼15로 작아서, 피스톤의 크기를 실린더 크기에 맞추는 것은 간단하지 않다. 예를 들면 피스톤 헤드 부분의 뒷면이 보강되어 있어, 체적이 크므로 스커트 부분보다 조금 작게 만들어지고, 피스톤의 직경도 피스톤 핀을 끼우기 위한 구멍 방향이, 이것과 직각인 방향보다도 작게 되어 있다.
콘로드는 크랭크샤프트를 회전시키므로, 피스톤은 콘로드를 경사진 방향으로 누르게 된다. 이 때문에 피스톤이 횡방향으로 요동쳐 실린더 벽을 스커트 부분이 치는 것이 있어, 이것을 피스톤 슬랩 (탁 치는 것) 또는 사이드 노크로 부르고 있고, 엔진으로부터 나오는 소음 및 마찰에 의한 파워 로스의 원인이 된다.
이것을 작게 하는 수단으로서, 피스톤의 중심에 대해서 피스톤 핀의 중심을 콘로드의 진행 방향으로 1∼2.5mm 비켜 놓은 것을 옵셋 피스톤이라고 부르고 있다. 이렇게 하면 피스톤을 횡으로 부르는 힘이 작게 되어 피스톤 슬랩이 완화된다.