1. S/B比와 출력
각 실린더의 배기량은, 실린더의 내경(보아)으로부터 구한 단면적에 스트로크를 곱하여 구해지기 때문에, 기통수와 총배기량이 같아도 보아와 스트로크가 틀린 엔진이 있다. 요컨대 같은 배기량이어도 실린더가 세로 길이로 몸통이 여윈 엔진과, 낮아서 몸통이 큰 엔진이 있다는 뜻으로, 이 비율을 보기 위해서 스트로크/보아比를 사용한다.
스트로크/보아 (S/B) 比라는 것은 스트로크를 보아로 나눈 수치로, 승용차용 엔진은 보통 0.7∼1.3 정도이다. 그래서 S/B比가 1보다 작아서 보아가 스트로크보다 큰 경우를 Short Stroke, 역으로 스트로크가 긴 경우를 Long Stroke, 보아와 스트로크가 같은 경우 Square (四角이라는 의미) 라고 한다.
일반적으로 같은 배기량인 엔진의 경우, Short Stroke 쪽이 보다 큰 출력이 얻어지는 Potential(잠재성)을 가지고 있다. 이것은 Short Stroke이고 보아가 커서 밸브경을 크게하는 것이 가능한 것과, 피스톤 스피드를 올리지 않고, 엔진을 고회전화 가능하다는 2가지 이유에 따른 것이다.
우선 보아에 대해서 말하면, 실린더에 출입하는 가스량은 밸브경과 그 열리는 쪽 (Valve Lift) 이 클수록 많다. 흡입하는 가스가 많다고 하는 것은 그만큼 가솔린을 많이 연소시키는 것이 가능하기 때문에 출력도 크게 된다. 게다가 밸브경이 크면 그만큼 리프트량을 작게 하는 것이 가능하고, 고속회전시의 밸브 운동량이 작게 되어버린다. 단 저속회전에는 흡기 포트가 커지면 흡입되는 혼합기의 유속이 늦게 되어, 가스가 빠르게 움직이는 만큼 잘 연소된다고 하기 때문에, 연소라고 하는 관점에서 보면 바람직하지 않다.
피스톤 스피드에 대해서 보면, 엔진회전수가 같은 경우 스트로크가 길다면 피스톤도 그만큼 빠르게 상하로 움직이지 않으면 안된다. 그래서 그 속도에도 한계가 있다. 피스톤과 실린더 사이는 오일로 윤활되고 있지만, 피스톤 스피드가 빠르게 되면 윤활이 따르지 못하게 된다든지, 피스톤의 관성력이 크게 되어 무리가 오게 된다. Short Stroke라면, 같은 피스톤 스피드라도, 더욱 회전을 올리는 것이 가능하다. 현재의 승용차용 엔진 평균 피스톤 스피드는 1초에 15∼22mm 정도이다.
이렇게 한 것으로부터, 일반적으로 말하면 고회전에 고출력을 지향하는 스포츠 타입 엔진도 Short Stroke이든지 Square이고, 어느쪽인가 말하자면 실용성을 중시하는 엔진은 Long Stroke인 것이 많다.
2. 압축비와 출력
엔진 출력을 높이는 수단에는, 실린더로의 공기 흡입량을 증가시키는 것과, 엔진회전수를 많게 하는 것外에, 흡입된 혼합기를 가능한 한 압축시켜 열효율을 좋게 한다는 등의 방법이 있다.
피스톤이 상사점에 있을 때, 피스톤 상면 (피스톤 헤드) 과 그 위에 있는 흡배기밸브 등에 둘러싸인 작은 공간이 연소실로, 이 연소실 용적에 배기량을 더한 것이 실린더 용적이다. 실린더에 흡입된 혼합기는 압축행정에서 연소실 용적에까지 압축된다는 뜻으로, 연소실 용적을 실린더 용적으로 나눈 것이 압축비이다.
압축비는 흡입된 혼합기가 얼마만큼 압축되었는지를 표시하는 수치로, 예를 들면 위 식의 계산 결과가 10으로, 카타로그에는 압축비 10으로 기재되어 있다. 이 수치가 크면 그 엔진의 압축비가 높고, 작으면 낮다고 한다. 일반적으로 시판 엔진의 압축비는 9 ∼ 10 정도로, F1 엔진은 12 ∼ 13 정도의 값으로 되어 있다.
압축비가 높으면 그만큼 혼합기가 강하게 압축되므로 혼합기 온도가 높아져서, 연소실도 컴팩트하게 되므로, 짧은 시간에 혼합기가 연소되고, 연소 압력이 높아지므로 토크 및 출력이 커지게 된다. 또 압축되어 분배된 만큼 연소 행정에서 연소 가스가 팽창하는 체적이 크게 되기 때문에, 배기 온도가 높게 되어 버리지 않아서 연비도 좋아지게 된다.
그러나, 지나치게 압축비를 높게 하면, 이후에 상세하게 서술할 노킹 등의 이상연소가 일어나므로 한계가 있다. 노킹은 압축비만이 아니라 혼합기의 온도 및 흐름 방향, 연소실 벽의 온도 등이 관계하고 있고, 벽 온도가 낮은 쪽이 발생하기 어렵기 때문에, 압축비를 높이고 싶으면, 실린더 헤드의 냉각이 대단히 중요하게 된다. 물론 압축비를 높이면 그만큼 엔진도 강해질 필요가 있는 등, 압축비가 높은 고성능 엔진은 전체적으로 세심한 배려를 하여 만들어져 있다.
압축비에는, 이런 식으로 하여 연소실과 실린더 용적으로부터 계산된 카타로그 상의 압축비외에 실압축비가 있다. 이것은 실제적으로 실린더에 들어간 공기가 얼마만큼 압축되는지를 표시하는 것으로, 예를 들면 흡입 행정에서 충분히 혼합기가 흡입되지 않으면, 실압축비는 외견상의 압축비보다 작아지고, 반대로 터보 엔진에서 1기압의 과급이 행해지도록 하면 실압축비는 2배로 된다는 의미로, 실제의 엔진은 이 실압축비가 얼마로 되어 있는지가 문제로 된다. 위에 설명한 노킹에 영향을 주는 압축비라고 하는 것은 이 실압축비이다.
3. 고회전화에 의한 출력향상
엔진을 고출력으로 한다는 것은, 단위 시간당 연소되는 연료를 가능한 한 많게 하는 것이다. 연료를 많게 라고 하여도, 이것을 연소시키는 공기가 없어서는 연소되지 않는다. 요컨대 엔진을 고출력으로 한다는 것은, 공기를 가능한 한 많이 실린더에 흡입되도록 하는 것外에는 되지 않는다.
단위 시간당 실린더내에 들어갈 수 있는 공기량, 요컨대 유량을, 밸브의 개구 면적으로 나누면, 이 부분을 통과하는 공기 속도가 되지만, 그 속도는 엔진 회전수의 상승과 함께 크게 된다. 따라서 대략 말하자면 엔진 출력은 회전수에 거의 비례하여 커진다는 의미이다.
그러나, 흡기계를 통과하는 공기의 통기 저항은 속도가 빠르게 될 수록 커지게 된다. 덕트를 크게 한다든지 에어클리너 용량을 올리면 저항은 작아지지만, 밸브 주변의 공기 저항은 어떻게 할 도리가 없어서, 어느 한도 이상으로 회전수가 높아지면 출력은 저하되어 버린다. 그래서 엔진을 고회전으로 하여 고출력을 얻기 위해서는, 고회전시의 흡기 속도를 가능한 한 지각시킬 필요가 있고, 다음과 같은 방법이 취해진다.
⑴ 실린더수를 많게 한다 : 동일한 총배기량의 엔진도 실린더수를 증가시키면 실린더경, 나아가서는 밸브경이 작아지게 되고, 흡기 유속이 작아지게 된다. 계산에 의하면 흡기 유속은 실린더수의 3제곱근에 역으로 비례하고, 실린더수를 많게 하는 만큼 같은 회전수에서의 유속은 작아지게 된다.
⑵ 흡기 밸브를 많게 한다 : 밸브경이 작아져서 ⑴과 같은 이유로 유속이 작아지게 된다.
⑶ 흡기 밸브의 열림양 (리프트) 과 열려 있는 시간을 길게 한다 : 흡기 밸브의 열려 있는 시간은 크랭크샤프트의 회전 각도로 하여 240°전후이지만 레이스용 엔진은 280∼320°까지 크게 되어 있다.
⑷ SHORT STROKE로 한다 : 같은 배기량이라면 SHORT STROKE로 함에 따라 밸브를 크게 하는 것이 가능하고, 개구 면적이 커지게 되어 흡기 유속이 낮아지게 된다.
이렇게 하여 흡기 속도를 작게 할 조건이 갖추어지면, 이것에 의해 가능하게 된 고회전에 엔진이 견딜 수 있도록 하는 것이 요구된다. 요컨대 많은 공기를 흡입하는 것이 가능해져 고회전이 가능하도록 된 것이기 때문에, 그 회전수로 계속 회전하는 것이 가능하도록 되지 않아서는 안된다. 일반적으로 말하면, 엔진을 가능한 한 경량화하여 관성력을 작게 하고, 엔진 본체 및 부품 강도를 올린다 라고 하는 것이 되지만, 이것은 상당히 어려운 것이다.
4. 과도특성과 리스펀스
아무리 토크가 큰, 힘을 내는 엔진도, 액셀 페달을 밟을때에 힘껏 가속되지 않는다든지, 코너에서 차량 자세 및 스피드를 컨트롤하고자 액셀을 미묘하게 조정하여도 엔진의 반응이 둔하면 고성능 엔진이라고 말하지 못할 것이다. 차량의 가속 성능이라든가 엔진의 리스펀스는 차량의 특성, 특히 차량 중량이라든가 감속 기어비의 영향을 크게 받지만, 엔진 그 자체에, 액셀 워크에 민감하게 반응하는 포텐셜이 없는 것에는 시작되지 않는다.
이런 식으로 엔진 운전 조건을 변화시킬때, 엔진이 운전 조건을 변화시키기 전의 어떤 상태로부터 변경후의 어떤 상태로 되기까지의 도중 상태를 과도 상태라든가 PARTIAL 이라고 하고, 이때의 특성을 엔진 과도 특성이라고 부르고 있다. 과도 특성은 기본적으로 엔진 회전수의 변화, 요컨대 속도 변화를 동반하기 때문에 관성력이 관계되고, 엔진 운동 부분의 무게와, 엔진에 흡입되는 공기 및 공급되는 연료가 액셀 페달의 움직임에 바로 반응하여 주는지 어떤지의 문제가 된다.
엔진 운동 부분의 관성력을 작게 하기 위해서는, 예를 들어 피스톤 등 왕복 운동 부품은 가능한 한 가볍게, 플라이휠 등의 회전 부품은 가볍게 함과 동시에 같은 무게라면 회전 중심이 무겁고, 외측이 가볍도록 하면 좋다. 레이스용 엔진의 플라이휠은 경량화가 도모된 것이 붙어 있다. 운동 부분이 가벼우면 피스톤으로부터의 토크에 재빠르게 반응하여 움직이는 것이 가능하다는 의미이다.
연료 분사식 엔진은 스로틀 밸브와 인테이크 매니폴드 사이에 인테이크 컬렉터 (서지 탱크) 로 말하는, 대략 총배기량과 같은 정도 용적의 공기 저장 장소가 있어, 액셀 페달을 밟아 스로틀 밸브를 열어도 관성에 의해, 공기가 바로 매니폴드에 들어가기 어렵다. 그렇게되면 엔진 토크의 첫 동작이 지연된다. 이 대책으로 컬렉터의 용적을 작게 하면 엔진 출력이 저하되는 결과를 초래한다.
연료계는, 인젝터로부터 분사된 가솔린이 흡기 포트 및 흡기 밸브에 부착되어, SMOOTH 하게 흐르지 않는 것이 있다. 이렇게 되면, 스로틀 밸브는 빠르게 열때에 혼합기가 옅어져서 토크의 첫 동작이 지연된다. 이 현상을 피하기 위해서, 분사량을 그 순간만 증가시켜 연소에 적당한 농도로 되게 하는 등의 처치가 취해진다.
5. 기통배열과 성능
실린더를 세우는 방법에는 직렬 배열, V형 배치, 수평 대향의 3가지가 있지만, 이 배치와 엔진 성능과의 관계는 어떻게 되어 있는 것일까.
직렬 배치는 실린더를 일렬로 세우는 배치로, 보통 2기통으로부터 6기통까지 있다. 이 배치는 실린더 블록의 구조가 단순해서, 실린더 헤드도 하나로 있어, 경량·컴팩트로 이야기하는 엔진에 필요한 기본적인 요구로 되어 있기 때문에, 실용차로부터 스포츠카에 이르기까지 여러 가지 형태의 차량에 넓게 사용되고 있다.
직렬 배치 엔진의 배기량은 2ℓ까지가 4기통, 그 이상 3.5ℓ까지가 6기통으로 이야기하는 것이 보통으로, 4기통 엔진은 1ℓ로부터 1.5ℓ가 연비 등의 실용성을 우선한 엔진, 그 이상으로 되면 출력 등 성능을 중시한 엔진으로 만들어져 있다. 2ℓ에는 4기통과 6기통이 있지만, 6기통쪽이 연소실이 작고, SHORT STROKE로 하는 것도 용이해져서, 혼합기를 효율좋게 연소시키기 때문에 최고 출력을 크게 하는 것이 가능하다.
직렬 6기통 엔진은 전장이 길어서 COST가 높게 되는 것과 얻어지는 성능의 비율로는 컴팩트하고, 과급기를 취부하는 것도 용이해져서, 고성능 엔진으로서 우수한 본질을 갖고 있다. 게다가 왕복 운동을 하는 피스톤-크랭크계 관성력의 평형이 잘 되어 있어 진동 특성에도 우수하다. 그러나, FF차의 엔진룸에 가로로 배열한 것에는 길이 부분이 난처하기 때문에, FR차에 종치로 사용되는 것이 일반적이다. 직렬에는 3기통 및 5기통은 소수파이다.
6기통을 3기통씩 병렬로 한 엔진 길이를 직렬 6기통 엔진의 반분 근처까지 짧게 한 것이 V형 6기통 엔진이다. 보아경을 크게 하는 것이 가능하여, 흡배기 효율을 크게 하기 때문에, 고출력이 얻어지기 쉬운 엔진이다.
V의 각도를 60°로 하면 直6에 가까운 부드러운 운전이 가능하다. 直4 엔진에 교체되어 FF차에 횡치로 탑재 가능하여, FF차를 고성능화 가능하다고 하는 것이 더욱 더 큰 특징이다.
V형 엔진은 6기통이 많지만, 直4를 늘어세운 V8, 直6을 늘어세운 V12가 있고, 어느것도 대배기량의 고출력 엔진으로서 대형차 및 스포츠카에 탑재되고 있다. V6 엔진으로 되면, 폭은 당연 커지고, 중량이 큰 폭으로 무겁게 되어서 자유자재로 쓰는 것이 어렵다.