1. 크랭크케이스

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크랭크케이스는 실린더블록의 실린더로부터 아래의, 크랭크샤프트를 덮는 부분의 것을 말한다.

여기에는 자동차에 불가결한 전기를 발전하는 알터네이터(교류발전기) 및 실내의 냉방에 필요한 에어콘의 컴프레서(냉매 압축기), 파워스티어링의 유압펌프 등의 보기류들이 붙어 있다. 엔진을 바디에 탑재하는 엔진마운트 브라켓트(支持 金具)도 이 크랭크케이스에 취부되어 있다. 크랭크케이스는 실린더블록의 일부분이어서, 피스톤의 왕복운동 및 크랭크샤프트의 회전에 따라 발생한 진동이 전달되어 항시 진동하고 있다. 그래서, 이 부품은 크랭크케이스에 가능한 한 강성이 높고, 진동이 적은 개소를 선별하여 붙어 있다.

크랭크케이스는 크랭크샤프트를 어느쪽까지 커버하고 있는지에 따라 하프스커트 타입과 딥스커트타입으로 구분된다. 크랭크케이스의 앞이 크랭크샤프트의 중심까지밖에 없는 짧은 타입이 하프스커트, 크랭크케이스가 베어링캡의 앞까지 덮는 타입이 딥스커트이다.

보기류는 실린더블록의 위쪽에 붙어 있는 것도 있지만, 중량 배분 等도 생각하여 스커트에 붙어 있는 것이 많다.

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크랭크샤프트를 실린더블록에 단단히 취부함과 동시에 블록의 강성을 높이기 위해 베어링빔 및 래더프레임이 취부되어 있는 것이 있다.

하프스커트 타입은 스커트의 길이가 짧기 때문에 블록을 가볍게 컴팩트하게 만드는 것이 가능하지만, 엔진에 트랜스미션을 취부할때의 결합면 면적이 작아서, 딥스커트에 비하면 결합 강성이 약해지지 않을 수 없다. 진동이 발생하기 쉬운 경향이 있기 때문에 실제 엔진은 어떤 형태로든지 보강을 하고 있다. 보기류를 붙일 스페이스가 작은 것은 말할 것도 없다.

크랭크샤프트를 실린더블록에 단단히 취부하여, 동시에 블록 강성을 높이기 위해, 크랭크케이스의 하면에 크랭크샤프트 베어링과 일체화시킨 보강재가 붙어 있는 것이 있다. 이것은 그 형태에 따라 래더 프레임 (사다리형 프레임) 이라든지 베어링 빔 (빔에 의해 일체화된 베어링) 으로 불리워진다.

실린더블록의 아래에는 오일팬이 취부되고 있다. 이것은 윤활 및 냉각의 일을 끝마친 오일을 담는 부품으로 강판을 프레스하여 만들고, 헤드 커버와 똑같이 고무 패킹을 끼워넣어 붙이고 있다. 오일팬의 팬이라는 것은 프라이팬의 팬과 동일한 남비의 것으로, 음이 나오기 쉬운 경향이 있어, 제진강판으로 만드는 경우도 있다. 제진강판은 2매의 강판사이에 플라스틱을 끼워넣어 진동하기 어렵게 만든 재료이다.

 

2. 저어널베어링

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고체의 표면은 아무리 문질러대어 매끄럽다 하여도 미시적인 눈으로 본다면, 미세한 凹凸이 있다. 그래서, 고체끼리 직접 스쳐 만나게 되면 이것들의 凹凸이 서로 맞물려 없어지게 되고, 마멸되어 버리는 것으로 된다. 윤활유는 이런 식의 凹凸을 만족시켜 고체끼리의 마찰을 유체 마찰로 바꿔, 마찰력을 대폭적으로 작게 한다. 동시에 윤활유가 흐르는 것에 의해 이 부분을 냉각하는 운동까지도 한다.

회전축을 매끄럽게 회전시키면서 지지하는 부품을 베어링이라고 한다. 베어링에는 평탄하면서 넓은 면으로 축을 지지하는 Plain Bearing (미끄럼 베어링) 과 축의 주변을 볼 및 로울러로 지지하는 볼베어링 및 로울러베어링 (구름베어링) 이 있지만, 엔진의 크랭크샤프트를 지지하는 것은 플레인베어링 쪽이다.

로울러베어링을 사용하지 않는 것은 하중이 볼 및 로울러의 접촉부분, 말하자면 점 및 선에 집중되어 있기 때문이다. 플레인베어링은 윤활유를 집어 넣어 면에서 힘을 받는 것으로 되어있기 때문에 비교가 되지 않을 정도의 큰 힘을 받는 것이 가능하다.

플레인베어링은 미끄럼베어링으로 불리우는 것과 같이, 샤프트와 베어링은 사이에 윤활유를 두고 미끄러지고 있다. 고체의 표면은 아무리 신중하게 문질러대도 미세한 凹凸이 있기 때문에 고체끼리가 직접 스쳐 만나면 이 凹凸이 맞물려 없어져 버린다. 이것이 마모로 불리는 현상이다.

크랭크샤프트와 베어링의 사이에는 오일펌프에 의해 압력을 높힌 엔진오일이 보내져 베어링의 원리에 따른 윤활이 행해진다. 윤활을 끝낸 오일은 아래로 떨어져, 오일팬에 머무르게 된다.

크랭크샤프트는 베어링을 끼우고 베어링캡으로 엔진블록 하면에 취부되고 있다. 강성을 높이기 위해서 베어링캡을 연결한 베어링빔이 사용되는 것도 있다.

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凹凸홈을 오일로 채워서 오일막을 두고 미끄러지도록 한 것이 플레인베어링이라는 것이다. 이 틈새가 좁게 되어도 샤프트와 베어링의 작은 凹凸이 직접 접촉하지 않도록 양방의 면은 특히 매끄럽도록 사상되어 있다.

이 오일막 두께, 요컨대 베어링의 틈새는 열팽창 및 하중 등에 따라 변화한다. 작은 틈새이면 소착될 염려가 있고, 큰 틈새이면 진동이 발생하므로 적당한 두께로 조정되고 있다.

베어링은 裏金으로 불리는 강판재의 원통에 동합금 및 알루미늄 합금 등의 경하고 내피로성이 좋은 베어링합금을 용착시켜 만들어져 있고, 표면에 납 등을 베이스로 한 특수한 금속이 덮혀 있다. 베어링에는 오일구멍과 오일홈이 설치되어 있어 항상 윤활유를 공급하여 콘로드와 크랭크핀, 크랭크샤프트와 크랭크케이스의 결합부분이 매끄럽게 윤활되도록 되어 있다.

크랭크샤프트의 회전축인 크랭크저어널은, 이 플레인베어링을 끼워넣어 베어링캡에 의해 실린더블록의 아래에 취부되도록 되어 있다. 직렬 엔진의 경우, 이 베어링은 각 실린더의 전후에 있어 4기통이면 5개소, 6기통이면 7개소이어서, 각각 5베어링, 7베어링으로 불리어지고 있다. 오래된 엔진에는 4기통에 3베어링으로 불리는 것도 있지만, 크랭크샤프트의 휨이 커서, 진동을 발생하는 근원이 되어 지금은 사용되고 있지 않다.

 

3. 플라이휠

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플라이휠은 크랭크샤프트의 트랜스미션측에 장착되어 크랭크샤프트의 회전력을 유지·회전력의 고르지 못함을 작게 할 목적의 『탄력車』로서 거동한다. 각 실린더로부터는 크랭크샤프트의 2회전에 1회씩 팽창력이 형성되어 샤프트를 회전시키지만, 그外의 행정에서는 압축과 흡배기등 역방향의 힘이 필요하여 플라이휠이 없게 되면, 크랭크샤프트의 회전이 줄어들게 되어, 아이들링하고 있을 때와 같이 팽창 행정의 간격이 길어지게 되면 엔진은 중지해 버리게 된다.

플라이휠의 주변에는 링기어가 부착되어, 엔진을 시동할 때에는 스타터 모타의 피니언 기어가 이것과 치합하여 크랭크샤프트를 회전시키는 것이다. 측면은 평탄하게 되어 있어 여기에 스프링으로 클러치 디스크가 압부되어 엔진의 동력이 트랜스미션에 전달되도록 되어 있다.

탄력車로서의 작용은, 축을 회전시키는 회전력, 요컨대 관성에 따라 생성되는 토-크가 크면 클수록 강해진다. 토-크의 크기는 힘의 크기와 축 중심으로부터 힘이 걸리는 점까지의 거리를 곱하는 것이다. 힘의 크기는 관성질량에 비례하기 때문에 플라이휠이 무겁고, 외경이 클수록, 게다가 같은 크기라면 주변이 무거울수록 플라이휠의 거동은 크게 된다.

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보통의 엔진은 전체 관성질량의 거의 半分이 플라이휠에 있다. 그래서 회전이 낮을때와 아이들링 상태에서 엔진을 순조롭게 회전시키기 위해서는 플라이휠의 관성질량은 가능하면 큰 쪽이 좋다. 그러나, 그 경우 엔진의 회전이 변하기 어렵다는 뜻이므로 엑셀페달을 밟아도 엔진 회전은 올라가기 어려워지고, 반대로 페달을 놓을 때 엔진 브레이크가 걸리기도 어렵게 된다. 요컨대 엔진의 response 가 나쁘게 되어 버리는 것이다. 가속, 감속이 어렵게 된다는 뜻이므로 연비도 나쁘다.

저단 기어로 가속할 때는 엔진으로부터 발생하는 토-크의 30% 정도가 엔진 자신의 회전을 올릴 목적으로 사용되는 것도 있어, 플라이휠의 크기와 무게는 결국 그 엔진이 탑재되는 차량의 사용 목적에 부합하는 것으로 결정된다. 요컨대 스포츠카用 엔진에는 작은 것의, 패밀리카에는 큰 것의 플라이휠이 채용되고 있다는 뜻이다. 재료로서는 주철이 사용되는 것이 보통이지만, 레이스用 엔진에는 강도가 높은 강재를 절삭 제조하는 것이 많다.

 

4. 2차관성력 밸런서

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피스톤, 콘로드, 크랭크에는 각각 왕복운동과 회전운동에 의한 관성력이 발생한다. 이 때문에, 실린더가 한개인 단기통 엔진은, 피스톤, 콘로드, 크랭크와 중량, 관성력에 밸런스를 잡을 목적으로 카운터웨이트를 붙이지 않으면, 힘의 밸런스가 붕괴되어 엔진이 크게 진동한다.

직렬 4기통 엔진은, 4개의 피스톤이 크랭크샤프트에 연결되어 있고, 1번과 4번, 2번과 3번이 쌍으로 되어 반대측에 붙어있기 때문에, 크랭크샤프트가 회전할 때 서로 관성력을 상쇄하여, 단기통 엔진과 같은 카운터웨이트는 필요가 없다.

그런데, 4기통 엔진의 피스톤-크랭크 계의 움직임을 상세히 비교해 보면, 실제 관성력은 완전히는 상쇄되지 않는다. 이것은 왕복운동을 하는 피스톤과 회전운동하는 크랭크가 콘로드로 결합되어 있는 구조상의 이유로 인한 것으로, 예를 들면 피스톤이 상사점으로부터 움직여 하사점에 도달하기까지의 크랭크샤프트의 반회전에서 보면, 피스톤이 움직여서 가속하여 최고속도에 도달하는 점은, 스트로크의 중간점보다는 상사점 측에 접근하고 있기 때문이다. 이 결과, 크랭크의 회전은 일정하기 때문에, 각 실린더의 크랭크 관성력 (1차 관성력) 은 잘 상쇄되지만, 피스톤의 관성력은, 예를 들면 1번과 4번이 상사점으로부터 하사점으로 향하여 움직일 때의 윗방향 관성력이, 2번과 3번이 하사점으로부터 상사점으로 향하여 움직일 때의 아랫방향 관성력보다 크게 되어 버린다.

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이 관계를 세로로 관성력, 가로로 크랭크샤프트 회전각도의 그래프로 표시하여 보면, 1번과 4번의 윗방향 관성력이 최대로 될 때, 2번과 3번의 아랫방향 관성력은 최대로 되고, 크랭크샤프트가 180°회전하면, 양자의 관계는 정확히 역으로 된다. 이 관계로부터, 크랭크샤프트의 1회전마다 2회의 비율로 관성력의 합력이 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 관성력은 2차 관성력으로 불리어지고, 이것에 의해 발생하는 진동은 특히 아이들링時에 느껴지기 쉽다.

4기통 엔진은 소형차에 많이 탑재되고 있지만, 가벼운 것도 있어 진동이 탑승자에게 전달되기 쉽다. 그래서, 이 불쾌한 진동을 소거할 목적으로, 엔진의 양측에 밸런스 샤프트로 불리는 반원형의 단면을 가진 샤프트를 설치하여, 이것을 크랭크샤프트의 회전 2배속으로 역방향으로 회전시키는 것이 고안되었다. 이 밸런스 샤프트로부터 발생하는 관성력에 의해 진동이 소거되는 것이다.