4행정 엔진 원리와 두 바퀴마다 반복되는 피스톤 동작

모형이 보여 주는 것

4행정 엔진 원리는 피스톤의 네 번 움직임으로 흡기부터 배기까지 한 사이클을 마치는 것입니다. 그동안 크랭크축은 두 바퀴 돌며, 3,000 rpm에서는 실린더 하나가 1초에 25번 연소합니다. 자동차 엔진이 1분에 3,000번 돌면 실린더 하나에서 1초에 25번 폭발이 일어납니다. 눈으로 따라가기에는 너무 빠르지요. 이 모형은 엔진을 아주 느리게 돌려서 네 번의 행정을 하나씩 보여 드리고, 그다음에는 엔진을 바꿔 볼 수 있게 했습니다. 실린더 수를 늘리고, 가솔린을 디젤로 바꾸고, 밸브 타이밍을 옮기고, 스로틀을 닫아 볼 수 있습니다.

1번 실린더는 자세히 그린 뒤 가운데로 반 잘라 안이 보이게 했습니다. 빨간 면이 블록, 헤드, 오일 팬의 잘린 단면입니다. 움직이는 부품은 자르지 않았습니다. 피스톤과 링, 커넥팅 로드, 평형추가 달린 크랭크축, 스프링이 달린 밸브 두 개, 캠축 두 개, 타이밍 벨트, 플라이휠이 모두 보입니다. 그 둘레에는 엔진이 계속 돌게 해 주는 부품이 있습니다. 워터 재킷, 헤드 개스킷, 메인 베어링, 오일 펌프, 스로틀, 연료 분사기, 촉매 변환기입니다. 「부품」 목록에 이름이 붙은 부품은 24개입니다.

치수는 흔한 2리터 4기통 엔진의 실린더 하나와 같습니다. 실린더 지름(보어) 86 mm, 피스톤이 움직이는 거리(행정) 86 mm, 압축비 10입니다. 실린더 하나가 한 번에 쓸어내는 부피가 499.6 cc이니 네 개를 합치면 1,998 cc가 됩니다. 화면 구석의 계기판에는 크랭크 각도, 1번 실린더의 행정, 피스톤 위 가스 부피, 계산으로 구한 실린더 압력이 나오고, 그 아래에 압력과 부피의 관계를 그린 그래프와 토크 그래프가 있습니다.

한 사이클에 크랭크축이 두 바퀴 도는 이유

4행정 엔진은 피스톤이 네 번 움직여야 한 사이클이 끝나고, 그동안 크랭크축은 두 바퀴 돕니다. 보통 사이클은 크랭크 각도 0°에서 720°로 나타내고, 피스톤이 가장 높이 올라간 상사점에서 시작합니다.

1. 흡입(0°~180°). 흡기 밸브가 열린 상태에서 피스톤이 내려갑니다. 피스톤 위 공간이 커지면서 압력이 바깥보다 조금 낮아지고, 공기와 연료가 섞인 혼합기가 흡기 통로로 들어옵니다. 모형에서는 파란 점들이 흘러 들어옵니다.
2. 압축(180°~360°). 두 밸브가 모두 닫힙니다. 피스톤이 올라가며 혼합기를 처음 부피의 10분의 1로 누릅니다. 눌린 혼합기는 뜨거워지고 압력이 올라가서, 이어지는 연소가 훨씬 큰 힘을 냅니다. 점들이 빽빽해지며 보라색으로 바뀝니다.
3. 폭발(360°~540°). 피스톤이 꼭대기에 닿기 조금 전에 점화 플러그가 불꽃을 튀깁니다. 불길은 몇 밀리초 만에 플러그에서 바깥으로 퍼지고, 압력이 몇 배로 뛰면서 피스톤을 아래로 밀어냅니다. 네 행정 가운데 가스가 피스톤에 일을 해 주는 것은 이 행정 하나뿐입니다. 플러그에서 주황색 반구가 커지는 것을 보세요.
4. 배기(540°~720°). 피스톤이 바닥 근처에 오면 배기 밸브가 열려 남은 압력이 빠져나갑니다. 다시 올라오는 피스톤이 타고 남은 가스를 배기 통로로 밀어냅니다. 회색 점들이 오른쪽으로 나갑니다.

그다음 흡기 밸브가 다시 열리고 사이클이 반복됩니다. 실린더 하나는 크랭크축이 두 바퀴 돌 때 한 번 폭발합니다. 3,000 rpm이면 1초에 25번이고, 폭발 행정 하나는 10밀리초 만에 끝납니다.

부품마다 하는 일

피스톤과 링. 피스톤은 가벼운 알루미늄 컵입니다. 실린더 벽과 100분의 몇 밀리미터 틈을 두고 미끄러지는데, 위쪽 홈에 끼운 링 세 개가 그 틈을 막습니다. 위의 두 개는 가스가 새지 않게 막고, 맨 아래 하나는 실린더 벽에 묻은 오일을 긁어 내립니다. 지름 21 mm 강철 피스톤 핀이 피스톤과 커넥팅 로드를 잇습니다.

커넥팅 로드와 크랭크축. 커넥팅 로드는 피스톤 핀과 크랭크 핀을 잇습니다. 크랭크 핀은 크랭크축 중심에서 43 mm 떨어져 있어서, 크랭크축이 돌면 원을 그리고 피스톤은 그 두 배인 86 mm를 오르내립니다. 크랭크 핀 반대쪽의 무거운 덩어리는 돌아가는 무게의 균형을 맞추는 평형추입니다. 크랭크축은 메인 베어링 안에서 돕니다. 얇은 쇠 껍데기 안쪽에 무른 금속을 입힌 부품인데, 엔진이 도는 동안 크랭크축은 얇은 오일 막 위에 떠 있어서 베어링에 직접 닿지 않습니다.

플라이휠. 네 행정 가운데 세 행정은 에너지를 내놓지 않고 오히려 가져갑니다. 플라이휠은 무거운 원판이라서 폭발 행정 때 받은 에너지를 저장해 두었다가 나머지 행정 동안 돌려줍니다.

밸브, 스프링, 캠축. 밸브는 버섯 모양의 강철 부품이고 평소에는 스프링이 닫아 둡니다. 캠축의 캠이 컵 모양의 버킷을 눌러 밸브를 엽니다. 밸브가 언제, 얼마나 크게, 얼마 동안 열릴지는 캠의 모양으로 정해집니다. 이 모형의 밸브는 9.2 mm까지 열리고, 캠 모양도 밸브를 움직이는 바로 그 열림 곡선으로 그렸습니다.

타이밍 벨트. 크랭크축이 톱니 벨트로 캠축을 돌립니다. 크랭크 쪽 톱니는 21개, 캠 쪽 풀리는 42개라서 크랭크축이 두 바퀴 돌 때 캠축은 정확히 한 바퀴 돕니다. 밸브는 사이클마다 한 번 열려야 하고 한 사이클이 크랭크 두 바퀴이니, 다른 비율은 쓸 수 없습니다.

냉각과 윤활. 「냉각수와 오일」을 켜 보세요. 파란 점은 냉각수입니다. 실린더 옆 워터 재킷을 따라 올라가 연소실 위를 지나면서 열을 받아 라디에이터로 가져갑니다. 헤드와 블록이 맞닿는 자리에는 얇은 강판을 여러 겹 겹친 헤드 개스킷이 있어서 가스, 냉각수, 오일이 서로 섞이지 않게 막습니다. 주황 점은 오일입니다. 오일 펌프가 오일 팬에서 거름망을 거쳐 빨아올린 뒤 메인 베어링으로 보내고, 오일은 다시 아래로 흘러내립니다.

스로틀과 분사기. 가솔린 엔진의 스로틀은 흡기관 안의 나비 모양 밸브입니다. 이것을 닫으면 들어가는 공기의 압력이 낮아지고, 운전자는 이렇게 출력을 줄입니다. 흡기 통로의 분사기는 닫힌 흡기 밸브 뒤쪽에 연료를 뿌립니다. 흡기 밸브가 열리기 직전에 짧게 뿌려지는 분무가 보입니다.

실린더 하나부터 여덟까지

「기통 배치」 슬라이더를 움직여 보세요. 늘어난 실린더는 같은 크랭크축 위에 반투명으로 그렸고, 각자 자기 크랭크 위치와 점화 순서에 맞춰 움직입니다.

실린더가 하나면 두 바퀴에 한 번만 밀어 주기 때문에 크랭크축에 걸리는 토크가 크게 출렁입니다. 폭발 행정에서는 크게 밀고, 다음 혼합기를 압축할 때는 오히려 조금 거꾸로 걸립니다. 계기판의 토크 그래프는 두 바퀴 동안 가스가 크랭크축에 주는 토크를 모두 더한 것이고, 점선이 평균입니다. 오른쪽 위 숫자는 흔들림입니다. 가장 큰 토크와 가장 작은 토크의 차이를 평균으로 나눈 값입니다.

흔들림은 모형의 압력 곡선에서 가스 힘만으로 계산했습니다. 피스톤이 오르내리는 관성은 빠졌는데, 이것은 회전이 빠를수록 중요해집니다. 그래서 엔지니어는 점화 간격과 함께 균형도 따집니다. 직렬 4기통은 고르게 폭발하지만 피스톤 움직임이 완전한 사인 곡선이 아니어서 한 바퀴에 두 번씩 위아래로 떨립니다. 배기량이 큰 4기통 엔진 중 상당수가 밸런스 샤프트를 다는 이유입니다.

「조작」 탭 아래쪽에는 배치별 흔들림을 막대로 비교한 그래프가 있습니다. 막대를 누르면 그 배치로 바뀝니다.

가솔린과 디젤

「디젤」을 켜면 모형에서 세 가지가 바뀝니다.

첫째, 피스톤 윗면이 4.5 mm 높아져서 상사점에서 피스톤 위 공간이 55.5 cc에서 29.4 cc로 줄어듭니다. 압축비가 10에서 18로 올라갑니다. 둘째, 점화 플러그가 없습니다. 공기만 아주 세게 누르면 수백 도까지 뜨거워지고, 여기에 경유를 뿌리면 저절로 불이 붙습니다. 셋째, 분사기가 헤드 가운데로 옮겨 가서 상사점 약 10° 전에 실린더 안으로 직접 연료를 뿌립니다. 연료는 들어가는 대로 타기 때문에 가솔린의 불꽃 점화보다 천천히 시작해서 더 오래 탑니다.

디젤에는 보통 말하는 스로틀 밸브가 없습니다. 언제나 실린더 가득 공기를 들이마시고, 뿌리는 연료의 양으로 출력을 조절합니다. 모형에서도 스로틀 슬라이더는 가솔린일 때는 흡기 압력을, 디젤일 때는 연료 양을 바꿉니다. 디젤이 살살 달릴 때 연료를 덜 낭비하는 이유 중 하나가 여기에 있습니다. 가솔린 엔진은 출력을 줄이려면 거의 닫힌 스로틀 사이로 공기를 빨아들여야 하고, 그 저항을 이기는 데 일이 듭니다.

효율은 얼마까지 오를까

가솔린 엔진의 이상적인 사이클은 오토 사이클입니다. 압축과 팽창 때 열이 전혀 새지 않고, 상사점에서 열이 한순간에 들어온다고 보는 것이지요. 이때 효율은 압축비 r과 기체의 비열비 γ로만 정해집니다.

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

공기(γ = 1.4)에 r = 10을 넣으면 60.2 %입니다. 미국 밖에서 팔리는 마쓰다 SKYACTIV-G의 압축비 14를 넣으면 65.2 %로 올라갑니다. 이상적인 디젤 사이클은 열이 한순간이 아니라 행정의 일부 동안 들어오는데, r = 18, 단절비 2를 넣으면 63.2 %가 나옵니다. 디젤의 가장 큰 장점은 높은 압축비입니다. 가솔린 엔진이 압축비를 10~14보다 훨씬 높이지 못하는 이유는, 뜨거워진 혼합기가 불꽃이 튀기 전에 저절로 터져 버리기 때문입니다. 이것을 노킹이라고 부릅니다.

계기판의 「이론 효율」은 이 공식으로 계산합니다. 「조작」 탭에는 모형 효율도 나옵니다. 모형의 압력 그래프가 한 일을 그 안에서 낸 열로 나눈 값입니다. 처음 설정에서는 가솔린 약 48 %, 디젤 약 51 %이고, 스로틀을 4분의 1로 닫으면 가솔린은 36 %로 떨어지지만 디젤은 50 % 가까이 유지합니다. 실제 엔진은 더 많이 잃습니다. 열이 벽으로 빠져나가고, 연소에 시간이 걸리고, 마찰과 오일 펌프, 물 펌프가 몫을 가져갑니다. 미국 에너지부는 보통 자동차가 연료 에너지의 약 12~30 %만 차를 앞으로 움직이는 데 쓴다고 추산합니다. 어떻게 달리는지에 따라 달라집니다.

끌어서 바꾸는 밸브 타이밍

밸브가 상사점과 하사점에서 딱 맞춰 열리고 닫히면, 회전이 빨라질수록 엔진이 숨을 제대로 쉬지 못합니다. 가스에도 질량이 있어서 움직이기 시작하고 멈추는 데 시간이 걸리기 때문입니다. 그래서 실제 엔진은 밸브를 일찍 열고 늦게 닫습니다. 이 모형은 흔히 쓰는 값으로 시작합니다.

흡기 밸브를 늦게 닫으면, 피스톤이 다시 올라가기 시작한 뒤에도 움직이던 공기 기둥이 관성으로 실린더에 더 밀려 들어옵니다. 배기 밸브를 일찍 열면, 피스톤이 밀어 올리기 전에 높은 압력이 먼저 빠져나갑니다. 배기 행정이 끝나는 상사점 부근에서는 두 밸브가 20° 동안 함께 조금 열려 있습니다. 이 밸브 겹침 동안 빠져나가는 배기가스가 새 혼합기를 끌어들이는 것을 돕습니다.

「조작」 탭의 원은 밸브 타이밍 도표입니다. 맨 위가 상사점이고 원 한 바퀴가 크랭크 한 바퀴입니다. 파란 호는 흡기 밸브가 열려 있는 구간, 회색 호는 배기 밸브가 열려 있는 구간입니다. 호를 원을 따라 끌거나 아래 버튼을 눌러 보세요. 실제 엔진의 캠 페이저가 하는 일과 같습니다. 캠축을 풀리에 대해 몇 도 돌려서, 열려 있는 시간은 그대로 두고 여닫는 시점만 앞당기거나 늦춥니다. 3D 모형의 캠축도 설정에 맞춰 돌아갑니다.

끌면 세 숫자가 바뀝니다. 밸브 겹침은 원 위쪽의 칠해진 부채꼴입니다. 유효 압축비는 흡기 밸브가 닫힐 때의 부피를 가장 작은 부피로 나눈 값이라서, 흡기를 늦게 닫을수록 낮아집니다. 앳킨슨 사이클이나 밀러 사이클 엔진은 노킹 없이 팽창비를 높이려고 일부러 이렇게 합니다. 모형 효율은 압력 그래프를 따라갑니다. 배기 밸브를 일찍 열면 아직 피스톤을 밀 수 있는 압력을 버리게 되어 효율이 떨어집니다.

스로틀과 회전수, 토크, 출력

「조작」 탭의 두 번째 그래프는 엔진 회전수에 따른 토크와 출력입니다. 검은 선이 지금 스로틀의 토크, 주황 선이 그때의 출력, 회색 점선이 스로틀을 끝까지 연 토크입니다. 점선은 회전수가 오를수록 커지는 도로 부하를 흉내 낸 것이고, 빨간 동그라미는 엔진 토크와 부하가 만나는 자리입니다. 엔진은 그 회전수에 머뭅니다. 스로틀을 닫으면 동그라미가 낮은 회전수로 미끄러집니다. 운전자가 차의 속도를 조절하는 방법이 바로 이것입니다.

토크는 모형의 사이클 일에서 나옵니다. 실린더 하나가 한 사이클에 625 J의 일을 하면, 두 바퀴 동안 평균 토크는 625 ÷ 4π ≈ 50 N·m입니다. 숨쉬기는 밸브 타이밍에 따라 정해지는 중간 회전수 근처에서 가장 좋고, 마찰은 회전수가 오를수록 커집니다. 그래서 토크는 중간에서 가장 크고, 출력은 꼭대기 가까이까지 계속 오릅니다. 출력은 토크에 각속도를 곱한 값입니다. P = T × 2πN / 60. 이 곡선은 모두 모양을 보여 주기 위한 모형 값이고, 실제 측정표가 아닙니다.

4행정 대신 2행정

「2행정과 비교」를 켜면 같은 크랭크로 도는 2행정 실린더 그림이 무대에 나옵니다. 2행정 엔진에는 밸브가 없습니다. 피스톤이 바닥 근처로 내려가면서 실린더 벽에 뚫린 배기구와 소기구를 직접 열어 줍니다. 피스톤 아래 크랭크실에서 미리 조금 눌려 있던 새 혼합기가 소기구로 밀려 들어오며 탄 가스를 배기구로 밀어냅니다. 그래서 피스톤이 내려갈 때마다 폭발 행정이고, 한 바퀴에 한 번 폭발합니다.

토크 그래프의 주황 선이 2행정의 토크입니다. 두 배로 자주 폭발하지만 모형에서는 한 번에 하는 일이 절반 정도입니다. 구멍이 행정의 꽤 긴 부분 동안 열려 있고, 새 혼합기 일부가 그대로 배기구로 빠져나가기 때문입니다. 작은 2행정 엔진이 가볍고 단순하지만 배기가 더러운 이유이고, 도로를 달리는 탈것 대부분이 4행정으로 옮겨 간 이유입니다. 배에 쓰는 커다란 저속 2행정 디젤은 송풍기와 배기 밸브로 이 문제를 풀었고, 지금까지 만든 엔진 가운데 효율이 가장 높은 축에 듭니다.

실제 엔진

「엔진 도감」에서 엔진을 고르면 모형의 배치, 연료, 실린더 크기가 그 엔진에 맞춰집니다. 실린더는 엔진마다 실제 크기로 그리고, 너무 큰 것만 줄여 그린 뒤 그렇다고 적어 둡니다. 압축비와 압력은 그대로 모형 값입니다.

출력은 이름 붙인 버전의 정격 출력을 하나로 확인한 엔진에만 적었습니다. 이 중 여러 엔진은 출력을 달리해 여러 버전으로 팔렸습니다.

숫자로 확인하기

압력-부피 그래프 읽기

계기판의 작은 그래프는 크랭크가 도는 동안 실린더 압력과 부피의 관계를 그립니다. 낮은 흡기 압력과 높은 연소 압력을 한 그래프에 담으려고 세로축은 로그 눈금을 썼습니다. 고리가 둘러싼 넓이가 한 사이클 동안 가스가 피스톤에 해 준 일에 비례합니다. 스로틀을 닫으면 고리가 작아지고 아랫선이 대기압보다 내려갑니다. 아래쪽의 작은 반대 방향 고리가 펌핑 손실입니다.

여기 나온 압력은 측정값이 아니라 단순하게 만든 모형입니다. 압축과 팽창은 pVⁿ = 일정(n = 1.32)을 따르고, 열은 점화 순간부터 크랭크 55° 동안 S자 곡선으로 나옵니다. 그 결과 스로틀을 끝까지 열었을 때 상사점 20° 뒤에서 약 51 bar의 최고 압력이 나옵니다.

배기가스 정화

가솔린을 공기와 태우면 일산화탄소, 타지 않은 탄화수소, 질소산화물이 주로 남습니다. 배기관의 촉매 변환기는 백금, 팔라듐, 로듐을 입힌 세라믹 벌집입니다. 가솔린차의 것은 삼원 촉매라서 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 바꾸고, 질소산화물을 질소로 되돌립니다. 세 가지를 한꺼번에 처리하려면 엔진이 화학적으로 딱 맞는 혼합비 가까이에서 돌아야 합니다. 그래서 가솔린 엔진 배기관에는 산소 센서가 있습니다. 디젤은 공기를 남겨 가며 태우기 때문에 산화 촉매, 그을음을 거르는 매연 필터, 질소산화물을 따로 처리하는 장치를 씁니다.

4행정 엔진의 역사

혼합기를 압축하지 않고 바로 태우는 내연기관은 1860년대에 이미 만들어졌지만 효율이 낮았습니다. 1876년 독일의 니콜라우스 오토가 혼합기를 먼저 압축한 뒤 점화하는 실용 엔진을 만들었고, 그것이 여기 보이는 4행정 사이클입니다. 그래서 이상적인 4행정 가솔린 사이클을 지금도 오토 사이클이라고 부릅니다. 1890년대에는 루돌프 디젤이 압축열만으로 연료에 불을 붙이는 엔진을 개발했습니다.

가스가 한 일에서 킬로와트까지: 계산 예

모형은 전부하에서 실린더 하나가 한 사이클에 약 625 J의 가스 일을 한다고 봅니다. 아래 계산은 모두 이 숫자 하나에서 나오고, 제원표를 읽을 수 있는 엔진이면 같은 순서로 따라 할 수 있습니다.

1. 4기통의 사이클당 일. 4 × 625 J = 2,500 J.
2. 평균 토크. 한 사이클은 두 바퀴, 즉 4π rad 이므로 T = 2,500 ÷ 4π ≈ 199 N·m 입니다. 사이클 평균이고, 화면의 토크 그래프는 이 값 위아래로 흔들립니다.
3. 3,000 rpm의 출력. P = 2πNT / 60 = 2π × 3,000 × 199 / 60 ≈ 62.5 kW 입니다. 간단히 구해도 같습니다. 사이클당 2,500 J × 초당 25 사이클 = 62,500 W.
4. 평균 유효압력. 사이클당 일을 행정 부피로 나눕니다. 2,500 J ÷ 1.998 L = 1.25 MPa, 약 12.5 bar 입니다. 동력 행정 내내 피스톤에 일정하게 작용해 같은 일을 하는 압력이라서, 배기량이 다른 엔진끼리 비교할 수 있습니다.
5. 리터당 출력. 62.5 kW ÷ 1.998 L ≈ 31 kW/L.

여기서는 토크를 일정하게 두었습니다. 실제 엔진은 회전수에 따라 토크가 달라지므로 6,000 rpm의 출력이 정확히 두 배가 되지는 않습니다. 이 예에서 볼 것은 단위의 연결입니다. 사이클당 줄이 N·m 가 되고, N·m 에 rad/s 를 곱하면 와트가 됩니다.

「엔진 도감」에서는 리터당 출력이 얼마나 다른지 볼 수 있습니다. 위 표의 정격 출력으로 계산하면 Toyota 1GD-FTV 디젤은 2,755 cc 에서 130 kW 로 리터당 약 47 kW 입니다. Volkswagen EA888 2.0 TSI 는 1,984 cc 에서 162 kW 로 약 82 kW/L, Honda K20C1 은 1,996 cc 에서 출력 228 kW 로 약 114 kW/L 입니다. 특정 회전수에서 특정 버전의 정격이고, 터보 엔진은 보어나 행정을 키운 것이 아니라 같은 실린더에 공기를 더 밀어 넣어서 이 값에 이릅니다.

압축비, 노킹, 연료

효율 식 η = 1 − 1/r^(γ−1) 은 압축비가 높을수록 좋게 나오지만 점점 덜 오릅니다. γ = 1.4 일 때입니다.

8에서 10으로 올리면 3.7 %p 늘고, 12에서 14로 올리면 2.2 %p 만 늡니다. 곡선이 평평해져서 압축을 한 단계 더 올려도 얻는 것이 줄어듭니다.

실제 엔진은 이 값보다 한참 낮습니다. 엔진 안의 기체는 γ = 1.4 가 아니라서, 연소 가스의 비열비는 더 낮습니다. γ = 1.3 이면 같은 식이 10:1 에서 49.9 % 를 줍니다. 전시의 기본 설정 모형 효율이 약 48 % 인 것과 비슷한 범위입니다. 여기에 벽으로 빠지는 열과 마찰이 더해져 실제 양산 엔진은 좋아야 30~40 % 정도입니다.

가솔린 엔진이 압축비를 마음대로 못 올리는 이유는 노킹입니다. 옥탄가는 연료가 노킹, 즉 불꽃이 닿기 전에 압축된 혼합기 일부가 스스로 불붙는 현상을 얼마나 견디는지를 나타냅니다. 압축비가 높으면 끝에 남은 혼합기가 더 뜨겁고 조밀해져서 자연 발화를 견디는 연료가 필요합니다. 설명서가 어떤 옥탄가를 넣으라고 하는 것은 그 엔진이 그 연료에 맞춰 설계되었기 때문입니다. 요즘 엔진은 노킹을 감지하면 점화를 늦춰 엔진을 지키지만, 출력과 연비는 손해를 봅니다. 모형의 디젤은 공기만 압축하고 연료를 나중에 넣어 이 문제를 피합니다.

흔한 오해

「엔진은 행정마다 폭발한다.」 4행정 중 피스톤에 일을 하는 것은 한 행정뿐입니다. 단기통이라면 나머지 세 행정은 플라이휠의 에너지를 씁니다. 「기통 배치」 슬라이더를 올리고 점화 순서를 보면, 8기통은 90°마다 폭발이 이어져서 끊김 없이 보일 뿐입니다.

「토크와 출력은 같은 것이다.」 토크는 크랭크축을 비트는 힘이고, 출력은 토크에 회전 속도를 곱한 값입니다. 토크는 중간 회전수에서 가장 크고 출력은 그보다 훨씬 높은 회전수에서 가장 클 수 있습니다. 회전수 그래프의 두 곡선이 그 모습입니다.

「실린더가 많으면 무조건 출력이 크다.」 출력은 엔진이 초당 태울 수 있는 공기량에 달려 있습니다. 배기량, 회전수, 실린더에 채워 넣는 공기의 양이 정합니다. 목록의 작은 터보 3기통이 터보 없는 더 큰 엔진을 앞설 수 있습니다. 실린더가 많으면 주로 토크가 매끄러워지고 실린더 하나를 작게 만들 수 있습니다. 흔들림 열이 그것을 보여 줍니다.

「스로틀을 닫으면 같은 일을 더 적은 연료로 한다.」 실린더로 들어가는 공기가 줄고 연료는 거기에 맞춰 공급될 뿐입니다. 대가는 펌핑 손실입니다. 거의 닫힌 밸브 사이로 피스톤이 공기를 빨아들여야 합니다. 압력-부피 그래프 아래의 작은 역방향 고리가 그 손실입니다.

「옥탄가가 높으면 출력이 높다.」 옥탄가는 노킹에 견디는 정도이지 연료에 든 에너지가 아닙니다. 낮은 등급에서 노킹하지 않는 엔진은 높은 등급에서 더 얻는 것이 없고, 제조사가 권장하는 등급을 따르면 됩니다.

화면에서 해 보기

• 계산 예 확인. 4기통, 가솔린, 전부하로 둡니다. 토크 그래프의 점선이 평균 토크이고, 연구실의 회전수 그래프에 그에 맞는 출력이 그려집니다. 위 단계와 모양을 비교해 보세요.
• 고리 비교. 「디젤」을 켜고 끄며 압력-부피 고리, 압축비, 「이론 효율」 줄을 비교합니다. 압축비는 10:1 에서 18:1 로 바뀝니다.
• 유효 압축 보기. 밸브 타이밍 원에서 흡기 호를 뒤로 끌며 「유효 압축비」과 모형 효율이 바뀌는 것을 읽습니다.
• 펌핑 손실 보기. 가솔린에서 스로틀을 낮추고 압력-부피 그래프 아래의 작은 역방향 고리와, 4분의 1 스로틀에서 약 36 % 로 떨어지는 모형 효율을 봅니다.
• 크기가 다른 엔진 비교. 「엔진 도감」에서 Honda GX160 과 GM LS3 처럼 두 개를 골라 실린더 그림과 목록 아래 설명의 기통당 cc 를 비교합니다.

1876년부터 컨테이너선까지, 엔진 30개

조작 탭의 엔진 도감에는 이제 엔진 30개가 들어 있습니다. 이름으로 찾거나 1950년 이전, 승용차, 오토바이, 소형 엔진, 트럭·픽업, 경주용, 선박으로 좁히고, 불꽃 점화와 디젤로 나눠 볼 수 있습니다. 하나를 고르면 모형이 그 엔진의 배치, 연료, 실린더 크기를 따르므로 잔디깎이 실린더가 배의 실린더까지 커집니다.

두 가지는 설명이 필요합니다. 모형은 60° V6 을 그리지만 포뮬러 1 엔진은 90° V6 이어서 무대의 배치가 비슷할 뿐 똑같지는 않습니다. 배 엔진의 실린더 지름은 960 mm 로 모형의 열한 배가 넘어서, 무대에는 모형의 두 배 크기로 줄여 그리고 그 사실을 적어 둡니다. 판독표의 숫자는 실제 크기 그대로입니다. 바르질라 자료에는 효율이 백분율로 나와 있지 않고 연료 소비가 나와 있습니다. 1 kWh 에 연료 171 g, 연료 1 kg 의 열량 42.7 MJ 이면 3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 % 입니다. 배 엔진은 2행정이라 고르면 2행정 비교도 함께 켜집니다.

실린더가 커지면 빨리 돌 수 없습니다. 엔진을 붙잡는 한계는 피스톤이 미끄러지는 속도이므로, 모형은 실린더를 키울 때 평균 피스톤 속도를 그대로 둡니다. 모형 크기에서 행정 86 mm 로 7,000 rpm 이면 평균 피스톤 속도가 20.1 m/s 입니다. 배처럼 실린더를 15배 키우면 같은 피스톤 속도로 약 300 rpm 밖에 돌지 못합니다. 실제 배 엔진은 행정이 지름의 2.6배나 되어 102 rpm 으로 돌고, 이때 평균 피스톤 속도가 바르질라 표에 있는 8.5 m/s 입니다.

실제 속도로, 그리고 슬로모션으로

「3,000 rpm 으로 돌리기」 버튼은 모형이 평소에 감추던 것을 보여 줍니다. 3,000 rpm 에서 크랭크축은 1초에 50바퀴 돌고, 실린더마다 1초에 25번 점화하며, 행정 하나는 1000분의 10초 만에 끝납니다. 60 Hz 화면에서는 두 장면 사이에 크랭크가 300° 돌기 때문에 움직이는 부품이 더듬거리거나 거꾸로 도는 것처럼 보입니다. 영화 속 바퀴가 거꾸로 도는 것과 같은 스트로보 효과입니다. 3초 뒤에는 3.5초에 걸쳐 6 rpm 까지 늦춰서 행정을 다시 쉽게 따라갈 수 있고, 화면 위 띠에 1번 실린더의 행정 이름이 나옵니다. 「소리」를 켜 두면 빠를 때는 폭발음이 이어져 웅웅거리다가 느려지면서 하나씩 떨어져 들립니다.

압축비, 노킹, 늦게 닫는 흡기 밸브

압축비 막대는 가솔린 엔진의 압축비를 6:1 에서 15:1 까지 바꿉니다. 압축비가 높을수록 타고 난 가스가 더 많이 팽창하므로 모형 효율이 오릅니다(10:1 에서 47.6 %). 그만큼 타지 않은 혼합기도 더 세게 눌립니다. 혼합기의 끝부분이 충분히 뜨겁고 빽빽해지면 점화 플러그에서 온 화염이 닿기 전에 저절로 불이 붙고, 두 압력파가 부딪칩니다. 이것이 노킹입니다. 쇳소리가 나고 최고 압력이 치솟으며, 실제 엔진에서는 피스톤이 상합니다.

노킹은 연료, 온도, 연소실 모양, 점화 시기에 따라 달라집니다. 모형은 규칙 하나만 쓰고 화면에도 그렇게 밝힙니다. 압축이 끝날 때 압력이 20.5 bar 를 넘으면 노킹입니다. 원래 밸브 타이밍에서는 이 선이 약 11:1 에 걸립니다(20.2 bar, 노킹 없음). 12:1 은 22.7 bar 로 노킹합니다.

빠져나갈 길이 있습니다. 흡기 밸브를 늦게 닫으면 밸브가 닫히기 전에 혼합기 일부가 흡기관으로 되밀려 나가서, 피스톤이 실제로 누르는 양이 압축비보다 작아집니다. 흡기를 40° 늦추면 13.5:1 에서도 압축이 끝날 때 17.9 bar 로 노킹 선 아래이고, 모형 효율은 50.9 % 로 오릅니다. 팽창은 여전히 13.5:1 을 다 씁니다. 압축은 짧게, 팽창은 길게 하는 이 방법이 앳킨슨 사이클과 밀러 사이클입니다. 프리우스의 토요타 2ZR-FXE 가 이 방식으로 돌고, 마쓰다와 토요타는 새 가솔린 엔진의 압축비를 13:1, 14:1 로 밝힙니다.

터보차저, 그리고 과급이 노킹을 다시 부르는 이유

터보차저를 달면 배기관 옆에 나타납니다. 배기가스가 터빈 바퀴를 돌리고, 같은 축의 압축기 바퀴가 흡기에 공기를 밀어 넣습니다. 실린더에 공기가 많아지면 연료를 더 태울 수 있어서 같은 배기량으로 출력이 늘어납니다. 미국 에너지부는 터보차저를 실린더에 공기를 더 밀어 넣어 연료를 더 분사할 수 있게 하는 압축기로 설명하고, 엔진을 줄이면서 터보를 다는 방법이 연비를 최대 8 % 높인다고 적습니다.

과급 막대는 바깥 공기보다 높인 압력을 정합니다. 모형에서 단기통에 0.9 bar 를 과급하면 최고 출력이 19.1 kW 에서 29.4 kW 로 오릅니다. 대가는 노킹입니다. 과급한 만큼 압축이 끝날 때 압력도 오르므로 10:1 에서는 0.6 bar 만으로도 29.1 bar 가 됩니다. 실제 터보 가솔린 엔진은 압축비를 낮추고, 흡기를 늦게 닫고, 압축한 공기를 식히고, 연료를 실린더에 바로 뿜어서 이 문제를 풉니다. 모형에서는 8:1 에 흡기를 40° 늦추면 0.9 bar 에서도 노킹이 없습니다(18.1 bar). 디젤에는 이런 한계가 없습니다. 연료를 탈 때가 되어서야 뿜어 넣기 때문입니다.

무대의 과제

조작 탭의 과제 목록(무대의 과제 배지로도 열립니다)은 모형에서 바로 확인합니다. 모두 열한 개입니다. 캠 타이밍으로 최고 출력을 5 % 이상 올리기(검산 스크립트가 찾은 가장 좋은 값은 흡기 15° 앞당기고 배기 30° 늦춘 것으로 10.7 %), 노킹 없이 13:1 넘기기, V8 점화 순서 맞히기, 부분 부하에서 디젤이 앞서는 것 보기(절반 스로틀에서 50.7 % 대 43.6 %), 가장 매끄러운 배치 찾기, 실제 속도로 돌리기, 2행정과 4행정 비교, 도감에서 가장 효율 높은 엔진과 가장 오래된 엔진 찾기, 노킹 없이 0.8 bar 과급, 확대 장면 모두 보기입니다. 푼 과제는 다시 와도 표시가 남아 있습니다.

판독표의 「순간」과 「평균」

판독표에는 성격이 다른 숫자가 섞여 있어서 이 페이지에서는 꼬리표를 붙였습니다. 「순간」이 붙은 가스 토크는 지금 크랭크 각도에서 가스가 크랭크축을 비트는 힘입니다. 압축 중에는 0 아래로 내려가고 점화 직후에는 수백 N·m 까지 오르므로, 이 값에 회전수를 곱하면 엉뚱한 출력이 나옵니다. 「평균」이 붙은 토크와 회전수·출력은 한 묶음입니다. 마찰과 흡배기를 빼고 한 사이클 전체를 평균한 값이며, 엔진이 부하와 맞서 자리 잡는 회전수에서 잰 것입니다. 이 토크에 초당 라디안으로 바꾼 회전수를 곱하면 같은 줄의 출력이 나옵니다.

확대해서 보기

확대 버튼은 부품 하나씩 다가가고, 그 부품이 일하는 순간에 크랭크를 멈춥니다. 90° 의 크랭크 핀, 가장 많이 들린 흡기 캠, 상사점 앞뒤로 함께 열린 두 밸브, 압축 행정의 피스톤, 상사점 직전의 불꽃, 분사를 시작하는 디젤 인젝터, 터보차저입니다. 「분해」는 주물 부품을 움직이는 부품에서 떼어 내서 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크축이 따로 돌아가는 모습을 보여 줍니다.