12. 엔진의 구성

가솔린 엔진은 많은 부품이 조합된 복잡한 기계이다. 우선 엔진 본체의 구성이 어떻게 되어 있는지를 대충 살펴보자.

엔진은 건물로 말하면 3층 건물로 되어 있고, 1층은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변화시키는 크랭크 샤프트가 들어 있는 크랭크 케이스, 2층은 가운데를 피스톤이 왕복하는 실린더(원통)를 일체로 모은 실린더 블록, 3층은 사람으로 이야기하면 머리에 상당하는 실린더 헤드라고 한다.

이 3층 건물의 1층과 2층의 실린더 일부분 중에서 움직이는 부품을 합쳐서, 주요운동부품 이라고 부른다. 피스톤, 크랭크샤프트, 콘로드 등이 그것이다. 3층 부분에슨 실린더에 출입하는 혼합기 및 연소 가스를 지나게 한다든지 멈추게 한다든지 하는 밸브와 이것을 작동시키는 캠샤프트 등이 들어 있고, 이것들을 합쳐서 동변계라고 한다.

실린더 헤드에는, 이 동변계와 인접하여, 공기 및 가솔린을 실린더내에 보내는 흡기 매니폴드와, 연소 가스를 배출하는 배기 매니폴드가 취부되어 있고, 합쳐서 흡배기계라고 부른다. 매니폴드라고 하는 것은 영어로 많은 부분으로부터 된 것을 의미하여, 다기관이라고 번역되고 있지만, 중요한 것은 가지로 나누어진 파이프로, 공기 및 가솔린을 각 실린더에 배분한다든지, 배출 가스를 하나로 합친다든지 하는 것이다.

연료 탱크로부터 가솔린을 퍼내는 연료 펌프로부터, 공기에 가솔린을 혼입하는 카뷰레타(기화기) 및 퓨얼 인젝터(연료분사장치)까지의 부품은 연료계라고 한다.

엔진 중의 미끄러지는 어떤 부분을 윤활하는 오일을 송출하는 오일 펌프 및, 오염된 오일을 깨끗하게 하는 오일 필터 등은 윤활계, 엔진을 운전에 적합한 온도로 유지할 목적의 라디에이터(방열기) 및 워터 펌프 등은 냉각계로 부른다.

엔진을 운전하기 위해서는 전기가 필요하다. 혼합기에 불을 붙이는 스파크 플러그와 이것에 관련하는 부품 및, 전기를 일으키는 알터네이터(교류발전기), 엔진을 시동하는 스타트 모터 등 전기에 관련한 부품을 전장품이라고 한다.

이외에 엔진에는 자동변속기 및 파워스티어링 등을 작동시킬 목적의 유압 펌프 및, 에어콘 컴프레서, 이런 기기를 구동시킬 목적의 풀리 및 벨트 등이 취부되어 있고, 일괄하여 보기 및 보기구동부품 이라고 한다.

  13. 실린더 블록

실린더 블록은 엔진의 본체로도 말할 만한 기본적인 부품으로, 스틸 및 알루미늄의 주물로 만들어지고, 가운데를 피스톤이 왕복하는 원통형 실린더와, 이 실린더를 적당한 온도로 유지할 목적으로 냉각수를 순환시키는 워터 재킷으로 되어 있고, 아래에 크랭크샤프트가 취부되는 식으로 되어 있다.

그 역할은, 혼합기의 연소·팽창에 따라 높은 열과 큰 힘을 받는 피스톤이 왕복 운동의 가이드가 되고, 실린더를 적당히 냉각하여, 크랭크샤프트를 견고히 지지한다고 하는데에 있다. 요컨대 엔진의 토대로서 그 역할을 한다는 뜻이지만, 동시에 엔진의 전체 부품이 직접, 간접으로 실린더 블록에 취부되기 때문에, 충분한 강도와 높은 강성이 요구되는 것은 두말할 나위 없다.

이러한 목적에 부합하도록, 실린더 블록은 주철로 만들어져 있는 것이 보통이지만, 이것은 철이 주조 및 기계 가공이 하기 쉬운 재료로, 마모 및 부식에 강하다고 하는 특성을 갖고 있기 때문이다.

최근에는 주철에 대체하여 알루미늄 합금을 사용한 것이 증가하여 가고 있다. 알루미늄은 스틸에 비해서 가벼운 것 위에 열을 잘 전달하므로, 엔진용으로서는 이상적인 소재로 생각되기 때문이다. 그러나, 장래 전체의 블록이 알루미늄으로 되겠느냐고 하면, 그렇지도 않다. 재료로서 스틸보다 상당히 고가인 것 및, 열팽창률이 틀리기 때문에 스틸과 함께 사용할 때에는 연구가 필요하고, 가공이 구조가 번잡하여 성가시다는 것이다.

승용차의 경우 엔진은 차량 중량의 10∼15%를 점하고 있고, 그중에 15∼20%가 실린더 블록이기 때문에, 강성을 유지한 상태에서 가능한 한 가볍게 한다고 하는 것이 실린더 블록의 중요한 요건으로 되어 있다. 이 때문에, 스켈리턴(골격) 구조로 말하여, 특히 큰 힘이 걸리는 부분 및 변형하기 쉬운 부분을 두껍게 하고, 그 외의 부분을 얇게 하는 구조가 취해지고 있다. 이런 식의 블록이 개발을 행할 때의 구조 해석에는, 엔진을 삼각형 및 사각형 등의 셀로 분할하여, 각각의 요소를 연립방정식으로 조립하여 전체 계를 컴퓨터로 수치 계산하는 유한요소법 등의 수법이 이용되고 있다.

블록 내부에는 냉각수가 순환하는 워터 재킷도 있고, 가공에는 복잡한 형상을 정확히 주조하는 기술이 필요하고, 두께가 다른 부분이 차가워질 때에 일어나는 어떤 주물 크랙을 방지한다든지, 실린더의 내마모성을 좋게 할 목적으로, 열처리도 행해지고 있다.

14. 실린더 라이너

실린더 블록의 실린더 내벽은, 윤활유 막을 개입시켜 피스톤이 고속으로 왕복하는 부분으로, 고온에 견디고 마모하기 어렵게 함과 동시에, 피스톤과 열팽창에 의한 치수 변화가 허용 범위내에 있어, 소착도 되기 어렵다고 하는 엄격한 조건에 견디지 않으면 안된다.

이 부분은, 블록의 소재가 스틸의 경우, 주조에 의해 만들어진 원통 부분을 정밀하게 연마하여 있는 것이 보통으로, 이것은 라이너리스 타입이라고 불린다. 블록이 알루미늄 합금의 경우에는, 그대로라면 실린더 벽의 마모가 우려되므로, 주철로 만들어진 실린더 라이너라고 하는 원통관이 들어 있다. 라이너는 영어로 의복 등의 안감을 의미하는 단어로, 실린더 라이너는 실린더 블록을 만들 때에 함께 주조하든지, 뒤에 압입한다.

알루미늄 블록의 실린더 라이너에는 주철이 사용되는 것이 보통이지만, 알루미늄 합금에 비교해서 중량이 무거울 뿐만 아니라 열이 전달되기 어렵기 때문에, 레이스용 엔진 및 고성능 엔진의 일부에는 알루미늄을 베이스로 하여 실리콘을 많이 함유한 특수한 합금의 라이너 및, 알루미늄의 표면에 특수한 가공을 한 라이너가 개발되고 있다.

이러한 특수한 라이너는 재료가 고가로, 가공도 어려우므로, 양산 엔진용으로서 알루미늄 합금의 재질을 연구하여, 라이너를 사용하지 않는 라이너리스 실린더 블록도 개발되고 있다. 코스트가 높은 것은 피하지 못하지만, 라이너가 없으므로 그만큼 경량화가 가능하고, 실린더 사이의 치수가 작게 되므로, 그만큼 엔진이 컴팩트하게 된다는 메리트가 있어, 일부 고성능 엔진에 채용되고 있다.

실린더 라이너와 피스톤 사이의 간격은, 라이너와 피스톤의 재료에 따라 다르다. 라이너가 주철이고 피스톤이 알루미늄인 경우, 알루미늄의 열팽창률이 철의 약 2배로, 엔진이 뜨거워지면 차가운 상태일 때보다도 피스톤과 라이너의 간격이 작게 되므로 상온에서 30∼40 마이크론 (0.03∼0.04mm) 틈이 나게 된다. 라이너도 피스톤도 알루미늄이라면, 열팽창 차는 없다는 뜻이므로, 그 간격은 10마이크론 정도로 작게 되고 있다.

실린더 라이너의 주위는 워터 재킷이라고 부르는 냉각수 통로로 되어 있어, 혼합기가 연소했을 때, 팽창력으로 되어 피스톤을 누르는 힘이 되지 않은 여분의 에너지를 열에너지로서 흡수하여, 엔진을 운전에 적합한 온도로 유지하는 구조로 되고 있다.

 15. 워터 재킷

실린더 블록은 주조할 때에, 실린더 주변을 코어라고 하는 모래로 만들어진 것으로 둘러싸서, 중공 부분을 만든다. 이 부분을 워터 재킷, 요컨대 물 재킷(겉옷)이라고 부르고, 이 사이에 냉각수를 통과시켜, 혼합기 연소에 의해 뜨거워진 실린더 헤드 및 실린더를 운전에 적합한 온도까지 떨어뜨린다.

워터 재킷 가운데를 순환하는 물은, 데워진 냉각수를 냉각시키는 라디에이터 하단으로부터 엔진으로 들어가, 일반적으로는 실린더 하방으로부터 냉각되고, 위로 올라가 실린더 헤드도 냉각시킨 뒤, 엔진의 상방으로부터 나와서 라디에이터 상단에 들어간다고 하는 경로를 밟는다. 이 때 각 실린더가 거의 균등하게 냉각되는 것이 중요하므로, 가능한 한 적은 용적으로 필요한 부분에 물이 괴지 않고 SMOOTH하게 물이 퍼지도록, 그 흐름 방법이 연구되고 있다. 뜨거워진 냉각수는 라디에이터라고 하는 냉각 장치로 냉각되어, 다시 워터 재킷으로도 되돌아 가지만, 추운 계절에는 히터라는 방열기에도 돌아가서, 실내를 덥힌다고 하는 일도 한다.

워터 재킷은 전체 실린더 주변에 있는 것이 보통이지만, 실린더가 줄지어 있는 방향의 길이를 조금이라도 짧게 하기 위해, 실린더와 실린더를 연결하여, 사이에 냉각수를 통과시키지 않는 타입의 블록도 증가하고 있고, 이것은 사이어미즈 타입이라고 불리고 있다. 사이어미즈라고 하는 것은 신체의 일부가 癒着하여 생긴 기형의 샴쌍생아로부터 나온 단어이다. 여기에 대해서 보통의 재킷은 풀 재킷 타입이라고 부른다.

또, 실린더 라이너가 있는 엔진은, 워터 재킷 사이의 냉각수가 실린더 라이너에 접촉, 비접촉하는 것의 두가지로 나누어진다. 실린더 라이너의 주변이 실린더 블록의 벽으로 에워싸여 있어, 라이너의 외측이 주변의 냉각수에 접촉하는 것이 없는 타입을 드라이 라이너 (건식), 라이너의 대부분이 직접 냉각수에 접촉하고 있는 타입을 웨트 라이너 (습식) 이라고 부르고 있다.

웨트 라이너 쪽이 냉각 효과가 좋지만, 그대로는 라이너와 블록 사이로부터 냉각수가 새므로 O링으로 실링하고 있다. 긴 사이에는 여기로부터 물이 샐 염려가 있어, 현대 엔진은 실린더가 차가워지기 어렵기 때문에 엔진이 소착한다고 하는 등으로 이야기하는 것은 우선 없으므로, 지금은 라이너를 사용하고 있는 엔진은 드라이 라이너가 많아지고 있다.

 실린더 헤드

실린더 헤드는 연소 가스가 새지 않도록 가스켓을 끼워서 실린더 블록 위에 취부하고 있고, 하면은 연소실의 지붕 부분으로 되어 있어, 극히 복잡한 형상을 하고 있다. 위의 장방형 상자와 같은 부분에는 엔진에 혼합기를 넣고 연소 가스를 배출하는 밸브 구동 시스템이 자리잡고 있고, 점화 플러그도 붙어 있어, 이 부분의 형상과 작동 여하에 따라 혼합기 연소가 잘 되는지 어떤지가 좌우되기 때문에, 말하자면 엔진 성능을 결정하는 요점이 되는 부품이라고 말하는 것이 가능하다.

실린더 헤드의 구조는 엔진 형식에 따라 상당히 틀리지만, 위에 밸브 구동 시스템이, 횡으로 혼합기가 연소실에 들어가는 흡기 포트 (인테이크 포트) 와 연소 가스를 배출하는 배기 포트 (이그조스트 포트) 가 있고, 내부는 실린더 블록으로부터 올라 가는 냉각수가 통하는 워터 재킷으로 되어 있는 점은 공통되어 있는 것이다.

연소실은 엔진의 성능을 결정한다고 하여도 좋을 정도로 중요한 부분으로, 그 크기와 동시에 형상이 중시된다. 연소실이 크면, 혼합기를 피스톤으로 압축할 때에 충분히 압축된다면, 혼합기가 연소하기에 시간이 걸려 힘이 나오기 어려우므로, 가능한 한 컴팩트한 쪽이 좋다.

또, 연소실의 형상은 혼합기가 연소하기 쉽도록 가능한 한 凹凸이 적은 쪽이 좋다. 복잡한 형상의 연소실은, 용적에 대해 주변의 면적이 크기 때문에, 연소에 따라 발생한 열이 벽으로 빼앗겨, 피스톤을 누르는 힘이 그만큼 작게 되므로 좋지 않은 것이다.

흡기 포트는 연소실에 들어가는 혼합기의 흐름이, 그 크기와 형상에 따라 결정되는 중요한 부분이다. 흐름만을 생각하면, 통기 저항이 작도록 내면이 매끄럽고, 가능한 한 스트레이트에 가까운 쪽이 좋지만, 그 위에 실린더에 들어간 뒤 혼합기가 잘 와류되어, 압축 행정후의 연소때에 잘 연소되도록 하는 형상이 되지 않으면 안된다.

워터 재킷은 연소에 의해 발생한 여분의 열을 배기 행정이 끝나기까지 빠르게 흡수하여, 다음에 흡입되는 신 혼합기 온도가 가능한 한 높게 되지 않도록 하는 작동을 하고, 특히 온도가 높아지기 쉬운 배기 밸브 및 스파크 플러그의 주변을 중점적으로 냉각시켜 열에 따른 트러블 발생을 방지하고 있다.

실린더 헤드에는 캠 샤프트 등의 밸브 구동 시스템을 지지하는 베어링이 있고, 엔진 오일에 의해 윤활됨과 동시에 냉각도 행해지고 있다.