왕복운동형 기관

왕복운동형 기관(Piston Engine)은 실린더에서 피스톤이 왕복운동하여 폭발 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 내연기관의 일종이다. 왕복운동형 기관 자체는 내연기관 뿐만 아니라 증기기관 등 다양한 곳에서 사용되나, 이 문서에서는 내연기관의 설명으로 한정한다.

원리

실린더(기통) 안에 피스톤이 있으며, 피스톤이 폭발력으로 상하왕복하면서 이를 크랭크축의 회전운동으로 바꾸어준다. 이 회전운동을 다양한 곳에 활용하는 것이 왕복운동형 기관의 기초다.

다만 실린더와 크랭크축만 있다고 되는 것은 아닌데, 과학상자로 비슷한 것을 만들어봤다면 알겠지만 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 것은 쉽지만, 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 것은 어렵기 때문이다. 회전축이 제멋대로 돌기 때문에, 플라이휠을 달아서 회전방향을 유지시켜줘야 한다.

종류

• 실린더 배치에 따른 분류
  • 단기통 엔진

    실린더가 1개만 있는 엔진으로 배치형태를 다른 구분할 거리가 없다. 예초기 같은 소형 엔진이 주로 단기통 엔진이고, 경운기 엔진은 배기량이 꽤 높은데도 원가절감을 위해 단기통 엔진을 채택한 특이한 경우다.

  • 직렬배치 엔진

    일반적인 실린더 배치 방식이다. 4기통까지는 그럭저럭 많이 보이는 데, 내연기관이 많이 쓰이는 자동차에서 직렬배치를 감당할 수 있는 한계가 4기통 정도이기 때문이다. 차량이 커지면 6기통까지는 직렬로 배치할 수 있다.

  • V형배치 엔진

    직렬배치 엔진의 공간 낭비를 보완하기 위해 실린더를 엇갈리게 배치한 형태다. 좌우로 두툼한 형태가 되기 때문에 공간 활용성은 좋으나, 실린더 헤드가 2곳으로 나뉘므로 생산비용이 급증한다.

  • 수형대향배치 엔진
  • 실린더를 눕힌 형태다. 낮은 높이를 요할 때 사용하나 피스톤이 항상 실린더 하부에 끌려다니려고 하기 때문에 실린더의 마모가 빠르다.
• 행정 방식에 따른 분류
  • 2행정 엔진
  • 4행정 엔진

구조

• 헤드

  실린더를 덮는 뚜껑 역할이다. 흡배기를 조절하는 벨브, 벨브 타이밍을 조절하는 캠샤프트, 캠샤프트와 크랭크축을 연결하는 타이밍 벨트, 연료를 뿌리는 인젝터, 연료 혼합물을 터트리는 스파크 플러그 등이 위치한다.

• 실린더

  피스톤이 상하왕복하는 공간으로 내면을 보통 "보어(Bore)"라고 지칭하며, 실린더가 있는 몸체를 실린더 블럭이라고 칭한다. 실린더의 강한 운동 에너지와 폭발로 인한 열을 견뎌야 하기 때문에 매우 두껍게 설계되고, 그 사이로 냉각수가 흐르는 통로가 들어간다.

• 피스톤

  실린더 내부에서 왕복운동하는 물체로, 커넥팅 로드로 크랭크축에 연결되어 있다. 실린더에 밀착할수록 폭발가스가 새지 않기 때문에 강력한 에너지를 얻을 수 있지만, 마찰로 인한 손상이 막심하므로 피스톤 지름을 실린더보다 약간 작게 하고, 그 사이를 피스톤 링으로 막아 폭발가스가 최대한 새지 않게 한다.

• 크랭크축

  피스톤의 직선운동을 받아 회전운동으로 바꾸어주는 부분이다. 피스톤의 직선운동으로 받는 충격을 상쇄하고, 동력이 인출되는 곳이기 때문에 지름이 두껍다. 크랭크축의 상대 위치가 90º일때 폭발을 터트리면 충격이 그대로 내리꽃히므로, 90º를 약간 지난 위치에서 폭발한다. 크랭크축에서 인출되는 동력은 단순히 외부로만 나가는 게 아니라 워터펌프, 발전기 등 엔진을 돌리는데 필요한 다른 곳에도 사용된다.

• 플라이휠

  크랭크축에 직결하여 회전운동 에너지를 일정부분 저장하는 곳이다. 위에서도 언급했듯이 회전운동을 안정적으로 하기 위한 부품이며 실린더수가 작을수록 회전운동을 안정시키기 어렵기 때문에 플라이휠이 크고 무거워진다.

주변 장치

• 전장계통

  압축발화엔진(디젤엔진 등)은 피스톤을 강하게 밀어붙이기만 해도 폭발력이 나오므로 전기장치가 필요없지만, 인위적인 점화가 필요한 가솔린 엔진 등에는 전기점화장치(스파그 플러그, 점화코일 등)가 들어가므로 발전기, 배터리 등의 전장계통이 필요하다. 또한 전장계통이 있으면 스타터, 조명 등의 편의장치를 추가할 수 있다.

• 워터펌프

  공기의 흐름만으로 냉각이 가능한 공랭식 엔진에는 필요없지만, 대부분의 내연기관은 열에너지가 너무 많아서 비열이 높은 물로 냉각해줘야 한다. 이 물을 순환시키는 부품이 워터펌프다.