자동차 엔진의 작동 원리

단순히 호기심에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알고 싶을 수도 있습니다. 또는 새 차를 구입하면서 "2.5리터 인클라인 4" 및 "터보차저" 및 "시작/정지 기술"과 같은 말을 듣게 될 수도 있습니다 . 그 모든 것은 무엇을 의미합니까?

이 기사에서는 엔진의 기본 개념에 대해 논의한 다음 모든 부품이 어떻게 결합되는지, 무엇이 잘못될 수 있으며 성능을 향상시키는 방법에 대해 자세히 설명합니다.

가솔린 자동차 엔진의 목적은 자동차가 움직일 수 있도록 가솔린 을 운동 으로 변환 하는 것입니다. 현재 휘발유에서 움직임을 만드는 가장 쉬운 방법은 엔진 내부에서 휘발유를 태우는 것입니다. 따라서 자동차 엔진은 내연 기관 입니다. 연소는 내부에서 발생합니다.

주의할 두 가지 사항:

다음 섹션에서 내부 연소 과정을 더 자세히 살펴보겠습니다.

내용물

1. 내부 연소
2. 기본 엔진 부품
3. 엔진 문제
4. 엔진 밸브 트레인 및 점화 시스템
5. 엔진 냉각, 흡기 및 시동 시스템
6. 엔진 윤활, 연료, 배기 및 전기 시스템
7. 더 많은 엔진 출력 생성
8. 엔진 질문 및 답변
9. 4기통 엔진과 V6 엔진은 어떻게 다른가요?

왕복식 내연기관의 원리: 적은 양의 고에너지 밀도 연료(예: 가솔린)를 작고 밀폐된 공간에 넣고 점화하면 엄청난 양의 에너지가 팽창하는 가스의 형태로 방출됩니다.

그 에너지를 흥미로운 목적으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 분당 수백 번 폭발을 일으킬 수 있는 주기를 만들고 그 에너지를 유용한 방식으로 활용할 수 있다면 자동차 엔진의 핵심이 됩니다.

가솔린 엔진이 장착된 거의 모든 자동차는 가솔린을 운동으로 변환하기 위해 4행정 연소 사이클 을 사용합니다 . 4행정 방식은 1867년에 이를 발명한 Nikolaus Otto를 기리기 위해 Otto 주기 라고도 합니다. 4행정 방식은 그림 1에 나와 있습니다. 그들은:

그림 1

피스톤은 커넥팅 로드에 의해 크랭크 샤프트 에 연결 됩니다. 크랭크 샤프트가 회전하면서 "포를 리셋"하는 효과가 있습니다. 다음은 엔진이 주기를 거치면서 일어나는 일입니다.

이제 엔진은 다음 주기를 위한 준비가 되어 있으므로 공기와 가스를 다시 충전합니다.

엔진에서 피스톤의 직선 운동은 크랭크축에 의해 회전 운동으로 변환됩니다. 회전 운동은 어쨌든 자동차의 바퀴를 회전(회전)할 계획이기 때문에 좋습니다.

이제 실린더부터 시작하여 이를 위해 함께 작동하는 모든 부품을 살펴보겠습니다.

엔진의 핵심은 실린더이며 피스톤이 실린더 내부에서 위아래로 움직입니다. 단일 실린더 엔진은 대부분의 잔디 깎는 기계에 일반적이지만 일반적으로 자동차에는 실린더가 두 개 이상 있습니다(4개, 6개 및 8개 실린더가 일반적임). 다중 실린더 엔진에서 실린더는 일반적으로 왼쪽 그림과 같이 인라인 , V 또는 플랫 (수평 대향 또는 박서라고도 함) 의 세 가지 방법 중 하나로 배열됩니다 .

그래서 처음에 언급한 인라인 4는 4개의 실린더가 일렬로 배열된 엔진입니다. 다른 구성은 평활도, 제조 비용 및 모양 특성 측면에서 서로 다른 장점과 단점을 가지고 있습니다. 이러한 장점과 단점으로 인해 특정 차량에 더 적합합니다.

몇 가지 주요 엔진 부품을 더 자세히 살펴보겠습니다.

점화 플러그

스파크 플러그는 연소가 발생할 수 있도록 공기 / 연료 혼합물을 점화 스파크를 공급한다. 스파크는 일이 제대로 작동하기 위해 적절한 순간에 발생해야 합니다.

밸브

흡기 및 배기 밸브는 공기와 연료를 유입하고 배기를 배출하기 위해 적절한 시간에 열립니다. 압축 및 연소 중에는 두 밸브가 모두 닫혀 연소실이 밀폐된다는 점에 유의하십시오.

피스톤

피스톤은 실린더 내부에서 위아래로 움직이는 원통형 금속 조각입니다.

피스톤 링

피스톤 링은 피스톤의 외부 모서리와 실린더의 내부 모서리 사이에 슬라이딩 밀봉을 제공합니다. 링은 두 가지 용도로 사용됩니다.

"기름을 태우고" 1,000마일마다 쿼트를 추가해야 하는 대부분의 자동차는 엔진이 낡았고 링이 더 이상 제대로 밀봉되지 않기 때문에 기름을 태우고 있습니다. 많은 현대식 차량은 피스톤 링에 고급 재료를 사용합니다. 이것이 엔진이 더 오래 지속되고 오일 교환 사이에 더 오래 갈 수 있는 이유 중 하나입니다 .

연접봉

커넥팅 로드는 피스톤을 크랭크 샤프트에 연결합니다. 피스톤이 움직이고 크랭크 샤프트가 회전함에 따라 각도가 변경될 수 있도록 양쪽 끝에서 회전할 수 있습니다.

크랭크 샤프트

크랭크 샤프트는 잭 인 더 박스의 크랭크처럼 피스톤의 상하 운동을 원형 운동으로 바꿉니다.

섬프

섬프는 크랭크 샤프트를 둘러싸고 있습니다. 그것은 기름통의 바닥(오일 팬)에 모이는 일정량의 기름 을 포함합니다.

다음으로 엔진에 문제가 발생할 수 있는 사항에 대해 알아보겠습니다.

그래서 어느 날 아침에 나가면 엔진이 뒤집히지만 시동이 걸리지 않습니다. 무엇이 잘못되었을 수 있습니까? 이제 엔진 작동 방식을 알았으므로 엔진이 계속 작동하지 않도록 하는 기본 사항을 이해할 수 있습니다.

세 가지 기본적인 상황이 발생할 수 있습니다. 잘못된 연료 혼합, 압축 부족 또는 스파크 부족 . 그 외에도 수천 가지 사소한 것들이 문제를 일으킬 수 있지만 이것이 "빅 3"입니다. 우리가 논의한 간단한 엔진을 기반으로 이러한 문제가 엔진에 미치는 영향에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다.

잘못된 연료 혼합 은 여러 가지 방법으로 발생할 수 있습니다.

압축 부족: 공기와 연료가 제대로 압축되지 않으면 연소 과정이 제대로 작동하지 않습니다. 압축 부족은 다음과 같은 이유로 발생할 수 있습니다.

실린더에서 가장 흔한 "구멍"은 실린더 상단(밸브와 점화 플러그를 고정 하고 실린더 헤드 라고도 함 )이 실린더 자체에 부착되는 곳에서 발생합니다. 일반적으로 실린더와 실린더 헤드는 얇은 개스킷 과 함께 볼트 사이를 눌러 좋은 밀봉을 보장합니다. 가스켓이 파손되면 실린더와 실린더 헤드 사이에 작은 구멍이 생겨 누출이 발생합니다.

스파크 부족: 스파크는 다음과 같은 이유로 존재하지 않거나 약할 수 있습니다.

다른 많은 것들이 잘못될 수 있습니다. 예를 들어:

제대로 작동하는 엔진에서는 이러한 모든 요소가 제대로 작동합니다. 엔진을 작동시키기 위해 완벽함이 요구되는 것은 아니지만, 완벽하지 않은 경우를 알게 될 것입니다.

보시다시피, 엔진에는 연료를 운동으로 변환하는 작업을 수행하는 데 도움이 되는 여러 시스템이 있습니다. 다음 섹션에서 엔진에 사용되는 다양한 하위 시스템을 살펴보겠습니다.

대부분의 엔진 하위 시스템은 다른 기술을 사용하여 구현할 수 있으며 더 나은 기술은 엔진의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 밸브 트레인부터 시작하여 최신 엔진에 사용되는 다양한 하위 시스템을 모두 살펴보겠습니다.

밸브 트레인은 밸브와 밸브를 열고 닫는 메커니즘으로 구성됩니다. 개폐 시스템을 캠축 이라고 합니다 . 캠축에는 그림 5 와 같이 밸브를 위아래로 움직이는 돌출부가 있습니다 .

대부분의 현대식 엔진에는 오버헤드 캠 이라는 것이 있습니다 . 이것은 그림 5와 같이 캠 샤프트가 밸브 위에 위치한다는 것을 의미합니다. 샤프트의 캠은 밸브를 직접 또는 매우 짧은 연결을 통해 활성화합니다. 구형 엔진은 크랭크축 근처 섬프에 위치한 캠축을 사용했습니다.

타이밍 벨트 나 타이밍 체인은 밸브 피스톤과 동기화되도록하는 캠 샤프트에 크랭크 샤프트를 연결한다. 캠축은 크랭크축의 1/2로 회전하도록 되어 있습니다. 많은 고성능 엔진에는 실린더당 4개의 밸브(흡기용 2개, 배기용 2개)가 있으며 이 배열에는 실린더 뱅크당 2개의 캠축이 필요하므로 "이중 오버헤드 캠"이라는 문구가 필요합니다.

점화 시스템 (도 6)를 통해 스파크 플러그에 고전압 전하 및 송신이 생성 점화 와이어 . 요금은 먼저 대부분의 자동차 후드 아래에서 쉽게 찾을 수 있는 분배기로 흐릅니다 . 분배기에는 중앙에 1개의 와이어가 있고 4, 6 또는 8개의 와이어(실린더 수에 따라 다름)가 나옵니다. 이 점화 와이어 는 전하를 각 점화 플러그로 보냅니다. 엔진은 한 번에 하나의 실린더만 분배기에서 스파크를 수신하도록 시간이 설정됩니다. 이 접근 방식은 최대한의 부드러움을 제공합니다.

다음 섹션에서는 자동차 엔진이 어떻게 시동되고, 냉각되고, 공기가 순환되는지 살펴보겠습니다.

대부분의 자동차 의 냉각 시스템 은 라디에이터와 워터 펌프로 구성됩니다. 물은 실린더 주변의 통로를 순환한 다음 라디에이터를 통해 이동하여 냉각합니다. 몇 대의 자동차(특히 1999년 이전의 Volkswagen Beetles )와 대부분의 오토바이 및 잔디 깎는 기계에서 엔진은 대신 공랭식으로 되어 있습니다(각 실린더 외부를 장식하는 핀으로 공랭식 엔진을 알 수 있습니다. 열을 발산합니다.). 공랭식은 엔진을 더 가볍지만 더 뜨겁게 만들어 일반적으로 엔진 수명과 전반적인 성능을 감소시킵니다.

이제 엔진이 냉각 상태를 유지하는 방법과 이유를 알게 되었습니다. 그러나 공기 순환이 왜 그렇게 중요합니까? 대부분의 자동차는 일반적으로 흡기식이므로 공기가 공기 필터를 통해 실린더로 직접 흐릅니다. 고성능의 현대식 연료 효율 엔진은 터보차저 또는 과급기 입니다. 즉, 엔진으로 들어오는 공기가 먼저 가압되어(각 실린더에 더 많은 공기/연료 혼합물이 압착될 수 있도록) 성능이 향상됩니다. 가압량을 부스트 라고 합니다. 과급기는 들어오는 공기 스트림의 압축 터빈 스핀 배기관에 부착 된 작은 터빈을 사용한다. 과급기는 엔진에 직접 부착되어 압축기를 회전시킵니다.

터보차저는 뜨거운 배기 가스를 재사용하여 터빈을 회전시키고 공기를 압축하기 때문에 더 작은 엔진의 출력이 증가합니다. 따라서 연료를 빨아들이는 4기통 엔진은 6기통 엔진이 낼 것으로 예상되는 마력을 볼 수 있으며 연비는 10~30% 향상됩니다.

엔진의 성능을 높이는 것은 훌륭하지만 시동을 걸기 위해 키를 돌리면 정확히 어떻게 될까요? 시작 시스템은 전기 스타터 모터와 구성 스타터 솔레노이드 . 점화 키를 돌리면 시동 모터가 엔진을 몇 바퀴 회전시켜 연소 과정을 시작할 수 있습니다. 차가운 엔진을 돌리려면 강력한 모터가 필요합니다. 스타터 모터는 다음을 극복해야 합니다.

많은 에너지가 필요하고 자동차는 12볼트 전기 시스템을 사용하기 때문에 수백 암페어의 전기 가 스타터 모터로 흘러야 합니다. 스타터 솔레노이드는 본질적으로 그 정도의 전류를 처리할 수 있는 대형 전자 스위치입니다. 점화 키를 돌리면 솔레노이드가 활성화되어 모터에 전원이 공급됩니다.

다음으로, 들어가는 것(오일 및 연료)과 나오는 것(배기 및 배기가스)을 유지하는 엔진 하위 시스템을 살펴보겠습니다.

일상적인 자동차 유지 보수와 관련하여 가장 먼저 걱정하는 것은 아마도 자동차에 있는 휘발유의 양일 것입니다. 실린더에 넣은 가스는 어떻게 동력을 얻습니까? 엔진의 연료 시스템 은 가스 탱크에서 가스를 펌핑하고 공기와 혼합하여 적절한 공기/연료 혼합물이 실린더로 흐를 수 있도록 합니다. 연료는 포트 연료 분사와 직접 연료 분사의 두 가지 일반적인 방법으로 현대 차량에 전달됩니다.

A의 연료 분사 엔진의 연료 오른쪽 량 중 우측 흡기 밸브 (포트 연료 분사) 위에 직접 실린더 (직접 분사)에 각 실린더에 개별적으로 주입된다. 구형 차량은 기화기로 공기가 엔진으로 유입될 때 기화기에 의해 가스와 공기가 혼합되었습니다.

기름도 중요한 역할을 합니다. 윤활 시스템은 쉽게 이동할 수 있도록 엔진의 모든 이동 부분이 기름을 얻을 수 있는지 확인합니다. 오일이 필요한 두 가지 주요 부품은 피스톤(실린더에서 쉽게 미끄러질 수 있도록)과 크랭크축 및 캠축 과 같은 것을 자유롭게 회전 할 수 있도록 하는 베어링입니다 . 대부분의 자동차에서 오일은 오일 펌프에 의해 오일 팬에서 흡입되고 오일 필터를 통과하여 먼지를 제거한 다음 베어링과 실린더 벽에 고압으로 분사됩니다. 그런 다음 기름은 기름통으로 흘러 들어가 다시 모아지고 주기가 반복됩니다.

이제 당신은 당신이 넣어 물건의 일부에 대해 알고 에 당신의 차, 그것을 나오는 물건의 일부에서의 모습을 보자. 배기 장치는 상기 배기 파이프와 포함하는 머플러 . 머플러가 없으면 배기관에서 수천 개의 작은 폭발 소리가 들릴 것입니다. 머플러는 소리를 줄여줍니다.

현대 자동차 의 배기 가스 제어 시스템 은 촉매 변환기 , 센서 및 액추에이터 모음, 모든 것을 모니터링하고 조정하는 컴퓨터로 구성됩니다. 예를 들어, 촉매 변환기는 촉매와 산소를 사용하여 배기 가스에 있는 사용하지 않은 연료와 기타 특정 화학 물질을 연소시킵니다. 배기 흐름 의 산소 센서 는 촉매가 작동하고 필요한 경우 조정하는 데 사용할 수 있는 산소가 충분한지 확인합니다.

휘발유 외에 자동차에 동력을 제공하는 것은 무엇입니까? 전기 시스템은 배터리 와 교류 발전기 로 구성됩니다 . 발전기는 벨트로 엔진에 연결되어 배터리를 충전하기 위해 전기를 생성합니다. 배터리는 차량이 필요한 전기의 모든 (점화 시스템, 라디오, 헤드 라이트, 12 볼트 전원을 사용할 수 있도록 앞 유리 와이퍼 , 파워 윈도우 와 좌석, 컴퓨터 차량의 배선을 통해 등).

이제 주요 엔진 하위 시스템에 대해 모두 알았으므로 엔진 성능을 높일 수 있는 방법을 살펴보겠습니다.

이 모든 정보를 사용하여 엔진 성능을 향상시키는 다양한 방법이 있음을 알 수 있습니다. 자동차 제조업체는 엔진을 더욱 강력하고 연료 효율을 높이기 위해 다음과 같은 모든 변수를 지속적으로 활용하고 있습니다.

배기량 증가: 배기량이 많을수록 엔진이 회전할 때마다 더 많은 가스를 태울 수 있으므로 더 많은 출력을 의미합니다. 실린더를 더 크게 만들거나 더 많은 실린더를 추가하여 변위를 늘릴 수 있습니다. 12개의 실린더가 실질적인 한계인 것 같습니다.

압축비 증가: 압축비가 높을 수록 어느 정도 까지 더 많은 출력을 생성합니다. 그러나 공기/연료 혼합물을 더 많이 압축할수록 (스파크 플러그가 점화되기 전에) 자발적으로 화염이 터질 가능성이 높아집니다. 고옥탄가 가솔린은 이러한 종류의 조기 연소를 방지합니다. 이것이 고성능 자동차에 일반적으로 고옥탄가 휘발유가 필요한 이유입니다. 엔진은 더 많은 출력을 얻기 위해 더 높은 압축비를 사용합니다.

각 실린더에 더 많이 채우기 : 주어진 크기의 실린더에 더 많은 공기(따라서 연료)를 넣을 수 있다면 실린더에서 더 많은 동력을 얻을 수 있습니다(실린더 크기를 늘리는 것과 같은 방식으로). 연소에 필요한 연료를 증가시킵니다. 터보차저 와 슈퍼 차저 는 유입되는 공기를 가압하여 실린더에 더 많은 공기를 효과적으로 주입합니다.

들어오는 공기 냉각: 공기를 압축하면 온도가 높아집니다. 그러나 공기가 더 뜨거울수록 연소가 일어날 때 팽창이 줄어들기 때문에 가능한 가장 차가운 공기를 실린더에 넣고 싶습니다. 따라서 많은 터보차저 및 슈퍼차저 자동차에는 인터쿨러가 있습니다. 인터쿨러는 압축 공기가 실린더에 들어가기 전에 냉각시키기 위해 통과하는 특수 라디에이터입니다.

공기가 더 쉽게 들어오게 하십시오 . 피스톤이 흡기 행정에서 아래로 내려갈 때 공기 저항으로 인해 엔진의 동력이 약해질 수 있습니다. 각 실린더에 두 개의 흡기 밸브를 배치하여 공기 저항을 크게 줄일 수 있습니다. 일부 최신 자동차는 광택 흡기 매니폴드를 사용하여 공기 저항을 제거하기도 합니다. 더 큰 공기 필터는 또한 공기 흐름을 개선할 수 있습니다.

배기 가스 배출을 더 쉽게 허용: 공기 저항으로 인해 배기 가스 가 실린더를 빠져나가기 어려워 지면 엔진의 동력이 손실됩니다. 각 실린더에 두 번째 배기 밸브를 추가하여 공기 저항을 줄일 수 있습니다. 2개의 흡기 밸브와 2개의 배기 밸브가 있는 자동차에는 실린더당 4개의 밸브가 있어 성능이 향상됩니다. 자동차 광고에서 자동차에 4개의 실린더와 16개의 밸브가 있다는 것을 들었을 때 광고는 엔진에 실린더당 4개의 밸브가 있다고 말합니다.

배기관이 너무 작거나 머플러의 공기 저항이 크면 배압이 발생할 수 있으며 이는 동일한 효과를 나타냅니다. 고성능 배기 시스템은 헤더, 큰 테일 파이프 및 자유 유동 머플러를 사용하여 배기 시스템의 배압을 제거합니다. 자동차에 '이중배기'가 있다는 말을 들었을 때 목표는 배기관이 하나가 아닌 두 개로 배기의 흐름을 개선하는 것입니다.

모든 것을 더 가볍게 만들기: 경량 부품은 엔진 성능을 향상시킵니다. 피스톤이 방향을 바꿀 때마다 한 방향으로의 이동을 멈추고 다른 방향으로 시작하기 위해 에너지를 소모합니다. 피스톤이 가벼울수록 더 적은 에너지가 필요합니다. 그 결과 연료 효율성과 성능이 향상됩니다.

연료 분사 : 연료 분사를 통해 각 실린더에 연료를 매우 정밀하게 계량할 수 있습니다. 이것은 성능과 연비를 향상시킵니다.

다음 섹션에서는 독자들이 제출한 몇 가지 일반적인 엔진 관련 질문에 답할 것입니다.

다음은 독자의 엔진 관련 질문과 답변입니다.

엔진에 포함된 실린더의 수는 엔진의 전체 성능에 중요한 요소입니다. 각 실린더에는 내부를 펌핑하는 피스톤이 있으며 이 피스톤은 크랭크축에 연결되어 회전합니다. 펌핑하는 피스톤이 많을수록 주어진 순간에 더 많은 연소 이벤트가 발생합니다. 즉, 더 짧은 시간에 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다.

4기통 엔진은 일반적으로 "직선" 또는 "인라인" 구성으로 제공되는 반면 6기통 엔진은 일반적으로 보다 컴팩트한 "V" 모양으로 구성되므로 V6 엔진이라고 합니다. V6 엔진은 강력하고 조용하기 때문에 미국 자동차 제조업체가 선택한 엔진이었지만 터보차저 기술은 4기통 엔진을 구매자에게 더욱 강력하고 매력적으로 만들었습니다.

역사적으로 미국 자동차 소비자들은 4기통 엔진이 느리고, 약하고, 불균형하고, 가속력이 부족하다고 생각하여 4기통 엔진에 고개를 돌렸습니다. 그러나 1980년대와 90년대에 Honda, Toyota와 같은 일본 자동차 제조업체가 고효율 4기통 엔진을 자동차에 장착하기 시작하면서 미국인들은 소형 엔진에 대한 새로운 인식을 발견했습니다. Toyota Camry와 같은 일본 모델은 비슷한 미국 모델보다 빠르게 판매되기 시작했습니다.

최신 4기통 엔진 은 보다 효율적인 4기통 엔진에서 V-6 성능을 끌어내기 위해 Ford의 EcoBoost 엔진 과 같은 더 가벼운 재료와 터보차저 기술을 사용합니다. Mazda가 SKYACTIV 설계 에 사용하는 것과 같은 고급 공기 역학 및 기술 은 이러한 소형 터보차저 엔진에 대한 스트레스를 줄여 효율성과 성능을 더욱 높입니다.

V6의 미래에 관해서는 최근 몇 년 동안 4기통 엔진과 V6 엔진 간의 격차가 상당히 줄어들었습니다. 그러나 V-6 엔진은 고성능 자동차뿐만 아니라 여전히 용도가 있습니다. 트레일러를 견인하거나 화물을 운반하는 데 사용되는 트럭은 이러한 작업을 완료하기 위해 V-6의 힘이 필요합니다. 이러한 경우에는 효율성보다 전력이 더 중요합니다.

최초 발행일: 2000년 4월 5일

자동차에는 어떤 종류의 엔진이 사용됩니까?

자동차 엔진의 기능은 무엇입니까?

자동차 엔진의 부품은 무엇입니까?

자동차 엔진은 단계별로 어떻게 작동합니까?

엔진이 시동되지 않는 이유는 무엇입니까?

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