굴삭기 운전 기능사 필기 요약 2 - 내연기관 구조의 기초

  굴삭기 운전 기능사 자격증을 취득하기 위한 필기 시험에 필요한 내용 중 가장 먼저 다루어야 할 부분은 동력의 시초가 되는 엔진, 즉 내연기관에 대한 내용입니다. 내연기관에 대한 내용은 그 양이 많아서 포스팅을 여러번에 나누어서 해야 할 듯 합니다. 우선 오늘은 내연기관의 구조의 전반적인 형태과 큰 구성 요소 및 그 기능들에 대해서 살펴볼까 합니다.

  처음 내연기관에 대한 내용을 접하시는 분들은 우선 머리속에 엔진이 작동되는 모습을 그려 놓는 것이 좋을 듯 합니다. 머리 속에 그 상황이 그려지면 굳이 암기를 하지 않아도 많은 부분을 이해를 통해서 공부할 수 있고 쉽게 잊어 버리지 않을 수 있습니다. 

  참고로 내연기관에 대해서 처음 접하시는 분들을 대상으로 설명을 쉽게 쭉 풀어 나갈 계획입니다. 공부를 많이 하신 분들은 정리한다는 생각으로 한번 봐주시고, 혹시 이상한 부분이 있다면 댓글을 통해 같이 이야기할 수 있으면 합니다.

  실제로 내연기관(엔진)에 대한 설명을 한 포스팅들은 상당히 많고 자료도 많지만, 그림들은 저작권이 있는 이미지들이 많아서 쉽게 첨부하기는 어렵습니다. 그렇지만 최대한 가능한 이미지들을 가지고서 말로써 쉽게 이해할 수 있도록 해볼 생각입니다.

1. 내연 기관과 외연 기관

  내연기관이라 계속 칭해 왔는데 우선 간단히 기관이라는 것이 가장 상위 개념입니다. 이 기관은 크게 다시 내연기관과 외연기관으로 나누어 집니다. 이 것은 화학에너지를 동력에너지로 바꾸기 위한 연소가 기관의 내부에서 이루어지는지 외부에서 이루어지는지에 따라 구분됩니다. 하지만 앞으로 다룰 기관은 모두 내연기관에 해당하며, 간단히 엔진 또는 내연기관으로 혼용해서 같이 사용하도록 하겠습니다.

  다시 내연기관은 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로 나눌 수 있는데, 가장 큰 차이는 어떤 연료를 사용하는가 입니다. 주유소에 가면 휘발유를 연료로 사용하는 차와 경유를 연료로 사용하는 차로 구분하지요? 이 두가지 엔진의 또 다른 기본적인 개념을 설명해 보자면, 가솔린에서는 점화플러그를 통해 스파크를 발생시키고 이때 폭발하는 힘으로 동력을 얻어내는 것인데 반해, 디젤에서는 공기를 압축시켜서 열이 발생하면 여기에 연료를 분사해서 압축 착화 시키는 방법으로 동력을 얻어내는 것입니다.

2. 동력을 얻어내는 과정

  아래 그림은 내연기관에서 동력을 얻어내는 가장 기본 구조에 대한 모습입니다. 유투브에 엔진을 검색하면 그 움직이는 동영상을 매우 쉽게 많이 찾으실 수 있습니다. 두 세가지의 동영상을 한번 보시면 이해가 빠르실테니 나중에 한번 검색해 보시는 것이 좋을 듯 합니다.

<출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Engine_movingparts_es.jpg>

  자동차는 휠을 굴려서 전진합니다. 이 휠이 회전하는 것을 회전운동이라 한다면 이 회전하는 힘은 어디서 나오는 것일까요? 기본적으로는 가솔린 엔진이든 디젤 엔진이든 폭발하는 힘에서부터 회전력은 생성됩니다. 이 폭발하는 힘이 어떻게 회전력을 얻어내는 것이 엔진을 이해할 수 있는 시작이 되겠습니다. 영화에서 폭발을 하는 장면 많이 보셨을 겁니다. 그러면 주변에 있는 물체를 밀어내는 힘을 만들어 낼 수 있습니다. 이 밀어내는 힘을 한 방향으로 모을 수 있도록 주사기와 같은 형태의 실린더 내부에서 폭발을 시킵니다. 그러면 주사기의 고무바킹을 밀어내는 것 처럼 실린더 내부에 있는 피스톤을 밀어내는 힘을 만들어 낼 수 있습니다.

  그런데 결과적으로 필요한 것은 회전력입니다. 실린더에서 피스톤을 밀어내는 것은 직진 운동에 해당하는데 이 운동을 회전력으로 바꾸어주는 메카니즘을 필요로 합니다. 이러한 메카니즘이 슬라이더 크랭크 메카니즘이라 합니다. 다음 사이트에 이 메카니즘에 대한 모습을 잘 표현하고 있으니 한번 방문해 보세요.

  http://www.technologystudent.com/cams/crkslid1.htm

  피스톤이 왕복운동을 하게 되는 모습을 볼 수 있으며, 이 피스톤 하부에 연결되어 있는 막대기가 커넥팅로드입니다. 이 커넥팅 로드가 크랭크와 연결되어서 결과적으로 크랭크축의 회전운동을 만들어 내는 것이 엔진이 동력을 만들어 낼 수 있는 기본 구조입니다.

  엔진은 이러한 슬라이더 크랭크 메카니즘을 여러개 가지고 있습니다. 실린더는 폭발하는 힘을 전달해 주기 위해 너무 큰 체적을 가질 수는 없습니다. 그래서 왕복운동하는 실린더와 회전운동하는 크랭크를 4개, 6개, 8개 또는 그 이상 두어서 크랭크 축을 회전시킵니다. 이러한 실린더들이 모여 있는 엔진 몸체를 실린더 블록이라고 합니다. 실린더를 어떻게 배치하느냐에 따라 V자형, 또는 직렬형으로 구분할 수 있습니다. 다음 그림은 V6 엔진의 모습인데 3개씩 해서 V자형으로 실린더가 배치되어 있고 이 실린더안에 피스톤들은 커넥팅로드를 통해 하나의 크랭크 축을 회전시킵니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/V6_engine>

3. 4행정 사이클

  그러면 이제부터 피스톤의 왕복 운동은 어떻게 진행되는지 좀더 자세히 알아보겠습니다.

  4행정, 2행정 사이클에 대해서 먼저 이야기 해보겠습니다. 먼저 4행정 엔진에 대해서 이해하는 것이 빠를 것 같습니다. 4행정의 순서는 흡입, 압축, 폭발, 배기, 이 4가지 행정이 순차적으로 발생하는 것입니다. 위에서 슬라이더 크랭크 메카니즘을 생각해 보시고 크랭크가 아래쪽에 있는 모습을 위 그림과 같이 상상하시면 됩니다. 주사기를 입구 부분이 위로 향하도록 한 상태로 생각하시면 됩니다.

  이때 공기가 되었든, 공기와 연료가 혼합되어 같이 들어오든, 흡입을 통해 실린더 내부로 들어오는 과정입니다. 흡기를 할 수 있는 밸브가 위쪽에 있으니 피스톤은 아래쪽으로 움직이면서 실린더 내부의 체적을 넓히면 그 안으로 공기와 연료가 들어오는 것입니다. 이 과정이 흡입 행정입니다. 주사기 입구 부분을 열어 놓은 상태로 고무 바킹을 아래로 당기는 모습을 상상해 보세요.

  다음은 압축 행정입니다. 피스톤은 왕복운동을 계속 하기 때문에 흡입을 한 후 다시 위로 올라가면서 실린더 내부 체적이 줄어들고 이에 따라 실린더 내부가 압축이 됩니다. 주사기 입구를 손으로 막고 고무 바킹을 위로 누르는 모습과 비슷합니다.

  세번째 폭발 행정입니다. 맨 위로 피스톤이 올라간 상태에서 점화플러그에 의해 스파크가 생기던지 또는 연료가 열에 의해 압축 착화가 되던지 간에 폭발을 하게됩니다. 폭발을 하면서 발생하는 힘에 의해 피스톤을 밀수 있는 동력이 생깁니다.

  피스톤이 밀려나면서 크랭크를 회전할 수 있는 회전력을 만들어 낸 후 피스톤은 다시 위로 움직이게 되는데, 이때 배기 밸브가 열린 상태가 되어서 실린더 내부에 있던 연소된 배기가스가 실린더 밖으로 빠져나가게 되는데 이것이 마지막 배기 행정이 되겠습니다.

  이렇게 해서 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정이 4행정을 이루면서 반복적으로 계속 피스톤이 왕복운동을 하게 되고 이를 커넥팅로드와 크랭크축을 통해 회전운동으로 바꿀 수 있게 됩니다.

  피스톤이 맨 위로 올라갔을 때를 상사점, 맨 아래에 피스톤이 위치할 때를 하사점이라고 합니다. 그러면 4행정 동안 총 몇번 실린더를 왕복했나요? 두번입니다. 그리고 행정(stroke)은 상사점과 하사점사이의 길이를 나타냅니다. 그리고 피스톤이 한번 왕복하면 크랭크축은 1회전을 합니다. 결과적으로 4행정 사이클에서는 크랭크축이 2회전을 하게 됩니다.

  참고로 2행정 사이클에 대해서 알아보자면, 이는 흡입 및 배기 행정이 빠진 사이클입니다. 소형으로 만들 수 있고, 4행정보다 출력이 큰 장점이 있지만, 그만큼 마모가 빠르며, 연료소비가 많고, 결과적으로는 효율이 낮아집니다.

4. 정리

  어느 순간에 흡기밸브 및 배기밸브가 열려서, 공기가 흡입되고 배기가스가 빠져나가는지, 그리고 이때 피스톤은 어떤 움직임을 하고 있는지 상상이 가시나요? 엔진에서 동력을 만들어 내기 위해 가장 중요한 움직임을 하는 부품은 바로, 실린더내부에 있는 피스톤, 커넥팅로드 및 크랭크축입니다. 이제 유투브에서 엔진이 움직이는 동영상을 보시면 확실히 이해가 되실 겁니다. 다음 동영상 한번 확인해 보세요.

  http://www.youtube.com/watch?v=zA_19bHxEYg

  피스톤은 주사기의 고무바킹처럼 기밀을 유지해야 하기 때문에 둘레에 피스톤링이 사용됩니다. 실린더는 정밀하게 가공되어 있어야 하며, 또한 그 정밀도를 유지하기 위해서 고온 고압에 변형이 적어야 하는 특징을 가집니다. 또한 실린더블록의 위에는 가스킷을 통해 실린더 헤드 부분과 조립되어 기밀을 유지하게 됩니다. 그리고 실린더블록 아래에는 크랭크축 및 엔진오일을 담고 있는 오일팬이 조립됩니다.

 

  엔진에서 가장 중요한 역할을 하는 부품에 대해서 정리해 보았습니다. 그럼 오늘 포스팅은 여기서 마치도록 하겠습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요!