메카 월드

  이번 포스팅에서는 엔진에서 연소를 통해 발생되는 열에 의해 엔진이 과열되지 않도록 해주는 냉각수 및 냉각 장치에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 냉각수가 어디에서 어디로 흐르는지에 관한 이미지들이 많이 있는데 저작권이 있는 이미지들이 많아서 다음 사이트를 방문해 먼저 머리속에 그림을 한번 그려보시는게 좋을 듯 합니다.

  http://www.pinkallaautosolutions.com/cs.html

  http://m5carblog.blogspot.kr/2013/02/cooling.html

  그림 한번 보셨나요? 냉각수가 어떻게 흘러서 엔진의 열을 방출할 수 있도록 하는지 크게 정리해 보면 두가지로 나눌 수 있습니다. 엔진내부와 라디에이터인데 엔진 내부에서 흐르는 냉각수는 열을 빨아들여 엔진의 과열을 방지하고, 라디에이터에서는 엔진 내부에서 받은 열을 다시 외부로 방출시키는 역할을 합니다. 그럼 그 순서대로 한번 살펴보겠습니다.

  자동차 엔진에 설치된 펌프는 그 종류가 여러가지가 있습니다. 펌프는 액체를 다른곳으로 이동시킬때 필요하기 때문에 냉각수를 이동시키기 위해서도 펌프는 꼭 필요합니다. 이 펌프가 워터펌프인데 라디에이터 하단부에 설치되어 있습니다. 냉각수는 여기에서부터 시작해서 엔진 내부 곳곳을 순환하게 됩니다. 엔진 내부에 냉각수가 흐르는 통로를 워터 재킷이라고 하는데 이 워터 재킷을 흐르는 냉각수의 온도는 약 75도에서 95도 사이가 됩니다. 이 부분에서 엔진의 열을 흡수해서 과열을 방지하게 됩니다. 냉각수의 온도는 실린더 헤드 부분의 워터재킷에 설치되어 있는 센서에 의해 측정됩니다.

  엔진 내부에서 열을 흡수하고 온도가 높아진 냉각수는 실린더 헤드 부분에서 라디에이터 상부로 돌아옵니다. 이 부분에 수온 조절기(Thermostat)가 설치되어 있는데, 이 수온 조절기는 온도에 따라 열리고 닫히는 부품입니다. 아래 그림과 같이 생긴 부품인데, 온도에 따라 반응하므로 냉각수의 온도를 일정하게 유지하도록 도와줍니다. 65도 부근에서 열리고 85도 쯤 되면 완전히 열리기 때문에, 실린더 헤드부분에서 평상시에는 닫혀 있다가, 엔진 내부의 열을 많이 흡수해서 온도가 높아지기 시작하면 열려서 라디에이터로 냉각수를 보낼 수 있게 됩니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Radiator_(engine_cooling)>

  수온 조절기가 고장이 나서 열리지 않거나 닫히지 않게 되면 냉각수 온도가 유지가 안되는 문제가 발생합니다. 만약 열려 있는 상태로 고장이 나게 되면 냉각수가 계속 흐르게 됩니다. 이 상태에서는 냉각수 온도가 올라가지 않아도 흐르기 때문에 과냉이 됩니다. 반대로 수온조절기가 닫혀 있는 채로 고장이 나면 냉각수가 엔진 내부에 남아서 흐르지 못하므로 과열이 되게 됩니다.

  상부 호스, 라디에이터 코어, 하부 호스로 라디에이터는 이루어져 있습니다. 코어에서 직접적으로 열교환이 이루어지는데 열을 효율적으로 방출시키기 위해서 단면적을 넓히기 위해 설계된 형태인 냉각핀으로 구성되어 있습니다. 그래서 상부 호스에서 들어온 냉각수는 라디에이터에서 열을 방출하고 하부 호스 부분에서는 온도가 약 10 도 이상 떨어지게 됩니다. 냉각수가 잘 흐를 수 있어야 하므로 막히게 되면 라디에이터를 교환해야 합니다. 강도가 세고, 가벼우면서 단위 면적당 방열량이 큰 재질로 설계가 되며, 차량의 앞 부분에 설치되어 공기가 잘 흐를 수 있도록 공기 흐름 저항이 적어야 합니다.

  자동차가 빨리 달릴 때는 공기가 빠른 속도로 라디에이터를 흐르게 되므로 열 방출이 쉽게 되지만, 차량의 속도가 느린 경우에는 공기 흐름에 의한 열 전달 효율이 떨어지므로 이럴 때를 대비해서 냉각 팬이 설치되어 있습니다. 이 냉각 팬은 벨트로 엔진과 연결되어 구동되는 방식이 있고, 모터에 의해 직접 구동되는 전동식 팬 방식이 있습니다. 아래 그림은 엔진과 팬벨트로 연결되어 구동되는 팬의 모습을 보여주고 있습니다.

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

  팬은 라디에이터에서 열 방출이 잘 되도록 도와주는데, 이 역할을 잘 할 수 있도록 팬벨트에 의해 잘 구동되어야 합니다. 엔진이 정지된 상태에서, 벨트의 중심부를 손으로 눌러서 장력을 체크합니다. 약 1~2cm 정도 눌리면 장력이 적절한 상태이며, 이 장력이 약해지면 발전기의 위치를 조절함으로써 텐션을 조절할 수 있습니다. 장력이 약해져서 팬이 잘 돌지 않게 되면 엔진 과열의 원인이 될 수 있습니다.

  냉각수 주입구의 마개로 사용되는 라디에티어 캡은 그 안에 압력밸브 및 진공밸브로 이루어져 있습니다. 아래 그림과 같은 라디에이터 캡을 엔진 룸에서 많이 보셨을텐데, 온도와 압력이 높기 때문에 함부로 열지 않도록 주의해야 합니다.

<출처 : http://www.tridon.com.au/Products/Product.aspx?SG=8&S=35&G=484&P=2017>

  라디에이터 캡에 있는 압력 밸브는 냉각수 온도가 높아지고 압력이 높아지면 오버플로우 튜브를 통해 압력이 낮아질 수 있도록 조절하는 장치입니다. 그리고 진공 밸브는 냉각수가 빠져나가 내부의 압력이 낮아지면 냉각수를 보충할 수 있도록 냉각수 리저버 탱크에 있는 냉각수를 빨아들이는 역할을 합니다. 라디에이터 캡에 있는 이 밸브들이 고장나게 되면 위와 같은 기능을 하지 못하게 됩니다. 이 캡을 열어서 냉각수를 확인했을때 기름이 떠 있는 경우 냉각수에 오일이 섞여 있는 것으로 볼 수 있습니다. 이것은 실린더 블록의 헤드 개스킷이 역할을 못해 오일이 새어 나온 결과입니다.

  다음은 부동액으로 검색했을 때 나온 제품입니다.

  부동액은 antifreeze 라고 해서 얼지 않도록 방지하기 위해 사용되는 액체입니다. 냉각수는 엔진 내부를 돌면서 열을 흡수하는데 사용되지만 물로만 채워 놓을 경우 겨울에 0도 이하가 되면 얼어서 동파가 되는 문제를 막기 위해 섞는 것입니다. 에틸렌 글리콜, 글리세린 등을 주성분으로 하는데 사용하는 지역의 겨울 온도를 파악해서 적절한 부동액을 사용해야 합니다. 위 표의 내용을 보면 사용 온도가 표시되어 있습니다. -22도로 표시되어 있으니 국내에서는 거의 모든 지역에서 문제 없이 사용가능한 제품입니다. 부동액은 물과 잘 섞일 수 있어야 하고, 냉각 장치에 부식을 발생시키는 성분이 없어야 합니다. 또한 물보다는 끓는점이 높아야 하고, 어는 점은 낮아야 그 역할을 제대로 할 수 있습니다.

  오늘은 냉각 장치 및 냉각수에 대해서 살펴보았습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요~

  내연기관에서 중요한 장치들 중 하나로 지난 포스팅에서는 윤활 장치에 대해서 다루었습니다. 오늘은 그 다음 주제로 연료가 어떻게 착화가 되는지 그 흐름 과정을 살펴보도록 하겠습니다. 가솔린엔진과 디젤엔진의 차이점은 연료가 어디에서 주입이 되는지에 따라 나눌 수 있는데, 이번 포스팅에서는 디젤엔진을 기준으로 해서 다루어 보도록 하겠습니다. 주유소에서 디젤엔진에 사용되는 경유를 연료 탱크에 주입해 두면 어떠한 과정을 거쳐서 실린더 연소실까지 들어가 폭발을 하게되는지에 대한 내용을 다룬다고 보시면 되겠습니다.

  위와 같이 연료탱크에 연료를 주입해 두면 연료는 어디를 거쳐 지나갈까요. 처음부터 알아보도록 하죠. 지난 포스팅에서 오일펌프라는 부품에 대해서 간단히 설명한 적이 있습니다. 이 오일펌프는 엔진오일을 엔진 구석구석으로 보낼 수 있도록 퍼나르는 역할을 합니다. 이와 마찬가지로 연료를 퍼나르기 위해서는 펌프가 필요한데 이 장치가 바로 연료펌프입니다. 

  큰 흐름을 먼저 간단히 설명하는 것이 좋을 듯 합니다. 연료가 연료탱크에 채워지면, 이 연료를 연료 펌프가 끌어내서 연료 여과기를 지나가도록 합니다. 이 여과기를 거친 연료가 실린더 연소실에서 폭발을 할 수 있도록 연소실 안쪽으로 분사가 되는데 분사 펌프가 분사 노즐을 통해 연료가 퍼질 수 있도록 하는 역할을 합니다. 간단히 순서대로 정리하자면, 연료펌프, 여과기, 분사펌프, 분사노즐 순서대로 흐르게 됩니다. 아래 그림에서 펌프와 여과기 순서가 뒤바뀌어 있지만 엔진에 따라 조금씩은 차이가 있을 수 있습니다.

<출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Common_Rail_Scheme.svg>

  각 부품에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

  연료 펌프는 어떤 동력을 이용해서 작동을 할까요? 연료펌프 또한 결과적으로는 크랭크 축과 연동되어 구동됩니다. 물론 캠축에 붙어서 회전하는 것이 위치 상으로 가까운 곳에 있기 때문에 계속적으로 회전하는 캠축과 연동된다고 할 수 있습니다. 이 회전력을 받아서 연료 펌프가 작동을 하게 됩니다.

  여과기라고 하는 연료 필터는 연료가 담겨 있는 연료탱크에 불순물이 함께 섞여 있으므로 이를 걸러내기 위함입니다. 주유소에서 넣은 연료에 불순물이 섞여 있을 수도 있고, 연료탱크에 계속 이물질이 들어갈 수 있기 때문에 이 불순물이 분사노즐까지 흘러가면 이 노즐을 막아 연료를 공급하지 못할 수도 있습니다. 연료필터로 연료가 다량 흘러 들어오게 되면 넘치는 양은 다시 연료 탱크로 보낼 수 있도록 오버플로우 밸브가 설치되어 있습니다.

  분사 펌프의 역할은 분사 노즐을 통과할 수 있도록 연료를 압축해 줍니다. 엔진이 회전 하는 속도는 얼마나 자주 폭발하느냐에 따라 결정되는데 이 분사 시기를 조절할 수 있는 조정기와 분사량을 조절할 수 있는 조속기(거버너)가 있습니다. 분사 펌프는 디젤엔진에서만 사용되는 부품임을 참고해주세요. 디젤 엔진에서 시동이 잘 안걸리고, 출력이 약해지면 분사펌프가 고장났을 때 발생할 수 있는 문제점입니다.

  분사 노즐은 앞서 이야기 했지만 연료를 연소실 내부로 분사하는 역할을 합니다. 그래서 실린더 갯수만큼 실린더 헤드 부분에 설치되어 있습니다. 이 노즐은 연소실과 직접 맞닿아 있기 때문에 고온과 고압에 버틸 수 있도록 설계되어 있습니다. 또한 분사 노즐은 일정한 양의 연료를 각 실린더마다 연소실 내부 공간에 미세하게 분사해 주는 역할을 하는데, 이 기능을 제대로 하지 못하면 실린더마다 폭발력이 달라져서 엔진 부조 현상이 발생합니다.

  연료펌프, 여과기, 분사펌프, 분사노즐 이렇게 4개의 장치를 거쳐서 연료는 연소가 된 후 엔진이 회전할 수 있도록 동력을 만들어 냅니다. 아래 사진에서는 분사노즐이 설치되어 있는 디젤 엔진의 단면을 보여주고 있습니다. 분사 노즐을 인젝터라고도 하는데 실린더 헤드 부분에 설치되어 있는 것을 확인할 수 있습니다.

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

  각 실린더마다 폭발력이 다를 경우 엔진 부조라고하는 노킹(knocking) 현상이 발생합니다. 이 현상은 연료의 분사량과 분사 시기를 조절하는 장치인 조속기 또는 조정기가 고장났을 때 일어날 수 있습니다. 또는 연료 계통에 공기가 혼입되어 있는 경우에도 이러한 현상이 발생할 수 있기 때문에 연료필터에서는 공기를 배출하기 위해서 벤트 플러그라는 부붐이 사용됩니다. 마지막으로 실화(Miss Fire)가 생겨 정상적인 폭발이 되지 않으면 그 실린더에서는 동력이 발생하지 않으므로 노킹 현상이 일어날 수도 있습니다. 하여튼 연료가 흐르는 위 4가지 부품에서 문제가 발생하게 되면 노킹현상이 발생하고, 심하면 엔진이 꺼지게 되는 문제가 생기게 되는 것입니다.

  디젤 엔진에서 연료 탱크에 연료를 넣는 방법에 대해서 간단히 살펴보겠습니다. 당연히 이물질이 섞이지 않도록 주입해야 합니다. 그리고 연료 탱크 내부에 수분이 있지 않도록 정기적으로 드레인 콕을 열어줍니다. 작업을 하지 않을 때는 연료를 연료탱크 내부에 가득 채워서 공기 중에 있는 수분에 의해 생긴 물과 연료가 섞이지 않도록 합니다. 연료인 경유는 착화가 잘 되어야 하는데 이러한 기준으로 사용되는 것이 세탄가인데 이 값이 높아야 합니다. (가솔린 엔진에서 사용되는 연료인 가솔린은 옥탄가가 높아야 하고, 인화성이 좋아야 합니다.)

  오늘은 여기까지 해서 디젤 엔진을 중심으로 연료 계통을 통해 흐르는 연료에 대해서 살펴보았습니다. 방문해 주신 모든 분들 좋은 하루 보내세요~!

  굴삭기 운전 기능사 필기요약 네번째 포스팅입니다. 

  앞서 포스팅에서는 동력을 얻어내기 위해 필요한 기본 구조에 대해서 살펴보았는데 이 시스템이 원활하게 구동되기 위해 보조적으로 필요한 장치에는 여러가지가 있습니다. 여기에는 윤활장치, 냉각장치, 연료장치, 흡배기 시스템 등이 있습니다. 이중에서 오늘은 윤활장치에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 어렵게 생각하기 보다는 카센터에서 주기적으로 교환하는 엔진오일 및 오일필터가 윤활장치의 일부분이라고 생각하시면 되겠습니다. 덧붙여서 추가적인 윤활장치가 있다면 이 엔진오일이 엔진 구동부에 구석구석 잘 퍼져서 윤활 작용을 할 수 있도록 하는 장치들입니다.

  기계는 회전을 하거나 슬라이드 왕복을 하는 등의 움직임을 하는데 엔진에서도 마찬가지입니다. 엔진은 쉴새없이 피스톤 또는 밸브기구의 왕복 및 크랭크축, 캠축등의 회전이 빠르게 이루어집니다. 이러한 움직이는 부분은 마모를 줄이고 마찰을 줄이기 위해 적절한 윤활이 계속 이루어져야 합니다. 다음 그림에서는 간단히 크랭크 축, 피스톤, 밸브, 캠축 등 엔진 내부에서 빠르게 움직이는 부위를 보여주고 있습니다. 이러한 모든 구동부분에서 윤활유, 즉 엔진오일이 흐르면서 원활히 동작할 수 있도록 도와주는 장치가 바로 윤활장치입니다.  

  위 그림에서 엔진오일은 엔진 하부에 오일팬이라는 저장공간에 보관이 되고 오일펌프에 의해서 곳곳에 퍼지게 됩니다. 이 엔진 오일에는 여러가지 종류가 있습니다. 그 종류를 구분하는 첫번째 방법은 엔진오일의 점도입니다. 점도는 끈끈한 정도를 의미하는데, 점도가 높을 수록 끈적해서 흐름성이 떨어지며, 점도가 낮을 수록 물처럼 흐름성이 좋다는 것입니다. 즉, 점도는 엔진오일의 유동성과 관계가 깊습니다. 그럼 점도를 구분해서 엔진오일을 사용하는 이유는 무엇일까요?

  점도가 높은 엔진오일은 끈적하기 때문에 처음 시동을 걸때 뻑뻑하게 동작하므로 적정 이상의 동력을 필요로 합니다. 또한, 겨울에는 온도가 떨어져 유동성이 떨어지므로 이를 보완하기 위해 여름철에 비해서 점도가 낮은 엔진오일을 사용해야 합니다.

  실제로 엔진오일을 구매할 때 그 스펙을 보면 점도를 숫자로 10~50 사이로 표시하는데 이 숫자가 SAE 번호입니다. 겨울에는 낮은 SAE 의 엔진오일을 사용하고, 여름에는 높은 SAE 의 엔진오일을 사용하면 됩니다. 다음은 인터넷에서 볼 수 있는 지크엔진 오일 스펙을 퍼온 내용입니다. 5W40 인 경우 뒤의 숫자인 40이 점도를 의미합니다.

  엔진 오일의 기능은 위와 같이 엔진을 보호하거나, 연비 개선 효과를 주거나, 가속 성능 및 승차감 극대화의 효과가 있다고 합니다. 이것보다 더 중요한 기계적인 관점에서 엔진오일의 기능을 살펴보자면, 내연기관 구석구석을 흐르면서 각종 오염물질들을 흡수하기 때문에 엔진 세척 효과 및 부식 방지 효과를 가집니다. 또한 엔진 오일은 엔진 내부의 열을 흡수해서 냉각시키는 역할도 일부 담당하고 있습니다. 그리고 엔진 오일에 의해서 형성된 유막은 피스톤과 실린더 사이에서 기밀 작용을 하기 때문에 연소실의 가스가 피스톤 아래 바깥쪽으로 빠져나가지 못하도록 합니다. 

  위와 같은 기능이 엔진오일의 중요한 역할인데 이 역할을 적절하게 수행할 수 있는 유체가 엔진오일로 사용되어야 합니다. 중요한 엔진 오일의 성질을 꼽자면 불이 붙는 인화점 및 발화점의 온도가 높아야 합니다. 그리고 겨울철에도 윤활작용의 기능을 수행하기 위해서 응고점은 낮아야 합니다.

  두번째 주제는 엔진 오일을 내연기관 곳곳에 흐를 수 있도록 하는 윤활 장치에 대해서 알아보겠습니다.

  앞서 초반에 그림과 함께 설명했던 것 중에 엔진오일이 보관되어 있는 저장소가 오일팬이라는 것은 말씀드렸습니다. 정비소에 가서 엔진 오일을 교환하는 모습을 많이 보신 분도 계시겠지만, 차를 들어서 아래쪽에 볼트 같은 것을 풀어서 기존에 있던 엔진 오일을 우선 빼냅니다. 이 볼트가 오일 드래인 플러그라고도 합니다. 이 오일팬에는 안에 격리판이 있고, 경사지에서도 한쪽 방향으로만 쏠려 있지 않고 원할하게 펌프에 의해 다른 곳으로 이동될 수 있도록 섬프라는 것이 설치되어 있습니다.

  펌프를 잠깐 말씀드렸지만, 펌프는 엔진오일을 엔진 내부에 여기저기 보내기 위한 부품입니다. 잠깐 펌프에 대해서 설명해 보겠습니다. 일상 생활을 하면서도 펌프라는 단어는 많이 들어보셨겠지만, 통상 회전하는 날개가 안쪽에 설치되어 있어 이 날개에 의해 한쪽에서 다른쪽으로 이동시키는 역할을 합니다. 액체의 경우에 보통 낮은 곳에서 높은 곳으로 보낸다고 할 수 있죠. 다음 그림이 펌프의 안쪽 모습 및 작동 원리를 간단히 나타낸 그림입니다.

  4행정 기관에서는 기어식이, 2행정 기관에서는 플런저식이 주로 사용됩니다. 결국엔 이러한 펌프도 회전하는 날개에 의해 작동되는 것인데 그렇다면 이 회전하는 동력은 어디서 나오는 것일 까요? 지난 포스팅에서 짧게 넘어가면서 설명한 적이 있지만 엔진 자체에서 그 동력을 얻어냅니다. 즉, 크랭크 축이 회전하면 그 회전축과 기어나 체인으로 연결되어 이 오일펌프를 동작하게 하는 것입니다.

  정비소에서 엔진오일을 교환하러 가면 제 차는 주로 파란색 통 같은 것을 교환하는 것을 많이 보았습니다. 이 통이 오일필터인데 아래와 같이 생긴 통입니다. 보쉬 제품이네요.

  엔진 오일이 엔진 내부를 돌아나오면 각종 오염 물질과 함께 돌아오게 됩니다. 그러면 이 이물질을 걸러내서 다시 엔진으로 보내는데 이러한 필터 역할을 하는 것이 바로 오일 필터, 또는 여과기라고 합니다. 아래 그림에서 오일 필터의 작동 원리를 보여주고 있습니다. 엔진 내부를 돌고 돌아온 더러운 오일이 먼저 검은색 선을 따라 이 여과기로 흘러 들어옵니다. 그런 후 노란색 필터를 지나면서 이물질을 여과 시키고 깨끗해진 엔진 오일이 다시 하늘색 선을 따라 엔진으로 들어갑니다. 이 흐름을 반복적으로 수행하게 됩니다.

<출처 : http://www.boschautoparts.com/filters/pages/premiumoilfilters.aspx>

  오일이 많이 더러워지고 필터가 많이 막히게 되면 여과기에 있는 바이 패스 밸브라는 것을 통해 엔진 오일은 여과가 되지 않고 그냥 통과하게 됩니다. 즉, 위 그림에서 맨 아래 쪽에 바이패스밸브를 볼 수 있는데 위쪽 검은 화살표를 따라 들어온 오일이 노란색 필터에서 여과되지 못할 경우 그냥 맨 아래쪽으로 흐르게 됩니다. 그러고 나서 바이패스 밸브를 통해 여과되지 않은 채 다시 엔진으로 들어가게 됩니다. 이러한 필터 역할을 하지 못하게 되면 엔진 내부에 이물질이 쌓이게 되므로 적절한 시기에 오일필터를 교환해 주어야 합니다. 가혹한 운전 환경이 아닐 경우 통상 200시간에서 250시간 정도 운행을 하면 교환을 한다고 하는데, 이 정도면 약 5000에서 7000km 주행 거리가 되지 않을까 합니다.

  오일이 흐르는 압력을 측정하는 유압계가 설치되어 있는데 이는 계기판에서 볼 수 있습니다. 주전자 같은 경고등을 차 계기판에서 보신 적이 있을 텐데 이 경고등이 들어오면 엔진오일이 부족하거나, 필터가 막힌 경우라고 볼 수 있습니다. 옛날에는 차종에 따라 엔진오일을 많이 먹는다라는 말도 들어보았는데, 엔진 오일이 많이 소비 되는 경우는 다음과 같습니다. 피스톤과 실린더, 피스톤 링 등이 마모가 심해져서 연소실 쪽으로 엔진 오일이 타고 올라가서 소모되는 경우입니다. 아니면 밸브 가이드가 마모되어서 엔진 오일이 소모되는 경우도 발생합니다.

  마지막으로 엔진 오일의 점검에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 엔진 오일의 상태는 자가 측정이 가능합니다. 본넷을 열고 노란색 손잡이를 잡아 빼서 확인하는데 다음과 같이 색깔에 따라 상태를 확인할 수 있습니다. 차량 관리를 한다면 상식으로 알아두어야 할 사항입니다.

  1. 검정색 : 이물질에 의해 심하게 오염된 상태입니다.

  2. 붉은색 : 엔진 오일에 가솔린이 섞인 경우입니다.

  3. 우유색 : 엔진 오일에 냉각수가 섞인 경우입니다.

  4. 평탄한 장소에서 엔진을 정지한 후 5분 정도 뒤에 측정을 합니다.

  5. 엔진 오일은 하한선과 상한선 사이에 있으면 되는데 Full 쪽에 가까이 있는 것이 좋습니다.

  오늘은 여기까지 해서 내연 기관의 윤활 장치 및 엔진오일에 대한 포스팅을 마치도록 하겠습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요~!

  굴삭기 운전 기능사 필기 공부를 위한 포스팅 세번째입니다. 

  지난 포스팅에서 주요하게 다루었던 것은 슬라이더 크랭크 메카니즘으로서 왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 시스템에 대한 설명과 4행정 사이클에 대해서 살펴보았습니다. 실린더, 피스톤, 커넥팅로드, 크랭크축 이 네가지가 바로 동력을 만들어 낼 수 있는 기계시스템입니다.

  위 네가지 부품이 하나의 실린더를 구성하는데 대중적인 차량용 엔진이 주로 4기통, 6기통으로서 실린더가 4개 또는 6개가 있는 것입니다. 각 실린더는 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정을 거치는데 크랭크 축에 동력을 직접 만들어 내는 행정은 폭발 행정입니다. 따라서 이때 힘을 내어 크랭크 축을 회전시키기 때문에 4기통엔진의 경우 엇갈려 가면서 지그재그로 폭발 행정이 이루어지도록 합니다. 그 순서는 다음과 같습니다.

  실린더를 1부터 4번까지 순서대로 번호를 매긴다면 1-3-4-2 또는 1-2-4-3 의 순서로 행정이 돌아간다고 보시면 되겠습니다. 그리고 6기통의 경우에는 1-5-3-6-2-4(우수식), 1-4-2-6-3-5(좌수식) 입니다. 이 순서를 암기해야 하는데 외우는 방법을 간단히 말씀드리면 (3,4,2)와 (5,3,6,2,4)를 외우면 됩니다.

  그리고 숫자 1은 항상 맨 앞자리에 두고 (3,4,2) 를 거꾸로 해서 (2,4,3) 을 쓰면 됩니다. 그리고 (5,3,6,2,4) 도 거꾸로 해서 (4,2,6,3,5) 를 쓰면 네가지를 모두 만들어 낼 수 있습니다. 조금 더 간단하지요?

  이번에는 캠 샤프트에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 그 전에 앞서 설명한 피스톤에 커넥팅로드로 연결되어 회전운동하는 크랭크 축에는 어떠한 부품들이 연동되어 움직이는지 알아보겠습니다. 크랭크축은 실린더 블록에 의해 지지되어 회전하며, 발전기, 워터펌프, 그리고 캠 샤프트를 구동할 수 있도록 연동되어 있습니다. 발전기와 워터펌프에 대해서는 추후에 자세히 살펴보고 직접적으로 엔진을 구동하는데 필요한 캠 샤프트에 대해서 자세히 알아보겟습니다.

  캠이라는 단어가 익숙하지 않으실 수도 있는데, 캠은 중심으로부터 거리가 다른 점들이 모여서 이루어진 타원과 비슷한 곡선을 따라 만들어진 부품입니다. 캠은 회전운동을 다시 왕복운동으로 바꾸어 주는 역할을 하는데 다음 페이지에 가서 그림으로 한번 보시면 이해가 빠를 것입니다.

  http://www.crankshaftcoalition.com/wiki/How_to_choose_a_camshaft

 캠은 그 형상에 따라, 즉 중심으로부터 제일 짧은 반경과 제일 긴 반경의 차이에 따라 왕복운동의 깊이가 정해집니다. 또한 그 형상에 따라 왕복 운동의 속도도 정해집니다. 그런데 엔진에서 왕복운동이 필요한 이유는 무엇일까요?

  흡기 밸브와 배기 밸브는 엔진에서 중요한 역할을 하는 부품입니다. 특히 흡기와 배기가 이루어지는 시점이 어느 행정에 있느냐에 따라 정해지기 때문에 그에 맞게 흡기와 배기 밸브가 열리는 것이 중요합니다. 그래서 크랭크 축과 연동되어 캠 샤프트를 구동시키고 여기에 부착된 캠이 흡기와 배기 밸브를 열거나 닫는 역할을 수행합니다. 또한 모든 행정을 거치면서 흡기 밸브와 배기 밸브는 정확한 시기에 열리고 닫혀야 합니다. 예를 들어 배기 행정을 위해 피스톤이 상사점을 향해 올라오는데 배기 밸브가 늦게 열리게 된다면 연소된 배기가스가 빠져나갈 수 없으니 효율이 낮아질 것입니다.

  캠은 밸브 리프터를 밀어주는 역할을 하는데, 4행정을 모두 거치는 동안 크랭크 축은 2회전을 하지만 밸브는 한번씩만 열리고 닫히면 되기 때문에 캠샤프트는 1번만 회전하면 됩니다. 엔진이 구동되면서 피스톤이 움직이는 모습과 같이 생각해서 흡기 밸브와 배기 밸브가 구동되는 모습을 상상해 보시기 바랍니다.

  밸브 리프터는 유압식이 있는데 엔진오일의 압력을 이용해서 밸브 간극을 일정하게 0이 되도록 조절해 주는 역할을 합니다. 이는 밸브가 열리고 닫히는 시점을 정확하게 조절해 주는 역할을 하는데, 내구성이 우수하고, 정숙하게 작동되는 장점이 있습니다.

  밸브는 실린더 연소실에 직접 닿아 있기 때문에 고온에 잘 견디고, 폭발에 의한 충격에 강해야 합니다. 또한 열전도를 잘 해야 하고, 열팽창률이 적어야 합니다. 고온의 가스에 견디고 부식에도 잘 견뎌야 하는 재질로 만들어 집니다. 이런 밸브는 실린더마다 2~4개 정도가 설치되고, 밸브 스프링이 달려 있어서 평상시에는 이 스프링에 의해 밸브가 닫혀 있게 됩니다. 그리고 열릴때는 캠에 의해 밀려서 열리게 되는 구조입니다.

  밸브 간극이라는 것은 밸브 스템엔드와 로커암사이의 간극을 말합니다. 이 밸브 간극에 대해서 이해하려면 밸브 스템엔드와 로커암이 어떤 역할을 하는 부품인지 알아야 하는데 다음 그림을 보시는 것이 도움이 될 것 같습니다.

  노란색 원을 그려놓은 부분이 캠이고, 빨간색 원을 그린 부분이 로커암입니다. 캠의 장반경 길이에 의해서 로커암 부분이 눌리게 되는데, 파란색 선으로 그린 부분에서 밸브와 맞닿게 되면 그때부터 밸브가 열리게 되는 구조입니다. 이때 밸브 끝단을 밸브 스템 엔드라고 합니다. 밸브가 닫혀 있는 경우에는 로커암이 일정 간격을 두고 밸브 스템엔드와 떨어져 있는데, 이 간격이 밸브 간극입니다.  검은색 화살표로 표시해 둔 부분은 밸브가 열려있는 상태이며, 이때는 로커암과 밸브스템엔드가 맞닿아 있어야 합니다. 이해를 위해 표시를 해둔 것이지만, 정확히 말하면, 밸브가 닫혀 있을 때의 간극을 표시하는 것이 맞을 듯 합니다. 

  엔진이 정상적으로 구동되고 있을 때는 열을 받고 있는 상태이기 때문에 열팽창을 고려하여 이 밸브 간극을 두는 것입니다. 이 간극이 너무 크면 밸브를 완전히 열수가 없어서, 출력이 떨어지고 소음이 발생합니다. 그리고 간극이 너무 작으면 밸브가 완전히 닫히지 않기 때문에 압축 행정시 공기가 빠져나갈 수 있으므로 출력이 저하되고, 이상 연소가 발생하게 됩니다. 이는 머리 속에서 밸브 간극이 넓거나 좁을 때를 상상해서 생각해 보시면 쉬울 것 같습니다.

  캠 샤프트와 캠이 조립되어 있는 실린더 헤드 부분이 아래 그림에 표현되어 있습니다. 캠샤프트가 크랭크축과 연동되어 회전하고 이에 따라 연동되는 많은 밸브들을 열고 닫을 수 있도록 조절합니다. 전체적인 엔진의 구동 모습이 유투브 동영상에서 보는 것처럼 상상이 가시죠?

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-valve>

  여기까지 해서 내연기관을 구동시키는데 필요한 주요 부품인, 밸브와 캠 샤프트에 대해서 중점적으로 다루어 보았습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요!

  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.

  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.

  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>

  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.

  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!