4행정 기관

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1. 개요

4행정 기관은 오토 사이클과 디젤 사이클로 나뉘며, 흡입, 압축, 연소(또는 폭발), 배기의 4단계를 거쳐 작동하는 내연 기관이다. 오토 사이클은 가솔린 엔진에, 디젤 사이클은 디젤 엔진에 주로 사용되며, 연료 종류와 점화 방식에 차이가 있다. 4행정 기관은 1860년대 니콜라우스 오토에 의해 개발되었으며, 2행정 기관에 비해 연소 과정이 명확하고 연료 효율이 높지만, 구조가 복잡하고 무게가 무겁다는 단점이 있다. 4행정 기관의 성능은 흡입 공기량, 실린더 용량, 체적 효율 등에 따라 결정되며, 슈퍼차저, 터보차저, 폐열 회수 기술 등을 통해 개선할 수 있다. 4행정 기관은 2행정 기관에 비해 환경 규제에 유리하고, 연비가 좋지만, 출력과 무게, 정비의 어려움 등의 단점이 있으며, 모터사이클 경주 분야에서 4행정 엔진의 도입이 확산되고 있다.

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4행정 기관
4행정 기관
개요
작동 원리
장점
단점
구성 요소
연소 방식
응용 분야
기타

2. 4행정 기관의 작동 원리

(1) 흡입
(2) 압축
(3) 폭발·팽창
(4) 배기]]

흡입: 피스톤이 하사점(BDC)으로 내려가면서 실린더 내부 압력이 낮아진다. 이때 공기 또는 공기와 연료의 혼합기(가솔린 기관의 경우)가 실린더 안으로 들어온다.
압축: 흡기 및 배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 상사점(TDC)으로 올라가며 공기 또는 혼합기를 압축한다.
폭발 (연소):
오토 사이클: 점화 플러그의 불꽃으로 압축된 혼합기에 불을 붙여 폭발시킨다.
디젤 사이클: 압축된 공기에 연료를 분사하여 압축열로 스스로 발화하게 만든다.
배기: 배기 밸브가 열리고 피스톤이 상사점(TDC)으로 올라가면서 연소 가스를 실린더 밖으로 내보낸다.

이 4단계 과정 동안 크랭크축은 2회전하며, 이 과정이 반복되면서 엔진이 작동한다. 오토 사이클은 주로 가솔린 기관에, 디젤 사이클은 디젤 엔진에 사용된다.

4행정 기관은 혼다 슈퍼 커브와 같이 연비가 낮고, 수명과 내구성이 높은 엔진을 만드는데 사용된다.^[13]^[14]

2. 1. 오토 사이클

4행정 가솔린 기관의 작동 순서. '''1'''-흡입, '''2'''-압축, '''3'''-폭발, '''4'''-배기 순이다.

'''오토 사이클'''(Otto cycle)은 가솔린 기관에서 주로 사용되는 방식으로, 혼합기를 흡입, 압축한 후 점화 플러그로 점화시켜 폭발력을 얻는 4행정 기관의 한 종류이다.

니콜라우스 오토는 1861년 레누아르 엔진 복제품을 시험하면서 압축이 연료 혼합물에 미치는 영향을 알게 되었다. 이후 1876년 연료 혼합물을 연소 전에 압축하여 효율을 높인 내연 기관을 만들었다. 로터리 엔진(반켈 엔진)도 기본 원리는 같으며, 오토 사이클의 하나로 분류된다.

2. 1. 1. 흡입 과정

피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하면서 실린더 내부 압력이 낮아져 공기가 흡기다기관으로 밀려들어간다. 이 공기는 연료와 혼합되어 혼합기가 되고, 이 혼합기가 흡기밸브를 거쳐 실린더 내부로 들어간다. 크랭크축이 180도로 돌면서 실린더 안에 혼합기가 채워진다. 직접 분사식 가솔린 엔진(GDI) 방식과 디젤 엔진에서는 공기만 흡입한다.

2. 1. 2. 압축 과정

흡기/배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이때 크랭크축이 1회전하게 된다. 압축시 혼합기의 온도는 약 400°C~500°C 정도로, 압축 압력은 약 18bar 정도까지 상승한다. 가솔린 기관의 압축비는 7~11:1이며, 압축 착화를 통해 폭발하는 디젤 엔진은 압축비가 15~22:1로 더 높다. 엔진의 회전 속도가 빠를수록 압축비가 상승한다.

2. 1. 3. 연소 과정

점화 플러그에 의해 점화된 혼합기가 연소하고, 연소 가스가 팽창하여 피스톤이 하사점까지 밀려 내려가는 과정이다. 이전에는 폭발 과정이라고 했다.

2. 1. 4. 배기 과정

배기 밸브가 열리면 피스톤이 상사점으로 상승하면서 연소 가스를 밀어 올려 실린더 밖으로 배출시킨다. 이 과정에서 크랭크축은 총 2회전한다. 즉, 피스톤이 올라가면서 연소 가스를 실린더 외부로 밀어내는 과정이다.^[1]

2. 2. 디젤 사이클

루돌프 디젤이 발명한 디젤 사이클은 경유 등 자기착화성이 높은 연료를 사용하는 엔진에 널리 쓰인다. 디젤 엔진은 이 디젤 사이클을 이용하며, 다음과 같은 4단계로 구성된다.

흡입 과정
압축 과정
연소 과정
배기 과정

디젤 엔진은 1876년 오토 사이클 엔진을 기술적으로 개량한 것이다. 루돌프 디젤은 더 효율적인 엔진을 개발하고자 했으며, 소규모 산업체가 대기업과 경쟁할 수 있도록 자체 동력원을 확보하고 도시 연료 공급에 의존하지 않는 엔진을 만들고자 했다. 초기 개발 과정에서 엔진 폭발로 디젤이 거의 사망할 뻔했지만, 끈기 있는 노력으로 1893년 성공적인 엔진을 만들었다. 4행정 디젤 엔진은 수십 년 동안 대부분의 중장비 분야에 사용되어 왔으며, 더 많은 에너지를 포함하고 생산에 필요한 정제가 적은 중질유를 사용한다.

2. 2. 1. 흡입 과정

피스톤이 하강하면서 직접 분사식 가솔린 엔진(GDI) 방식과 디젤 엔진에서는 공기만 실린더 내부로 흡입한다.

2. 2. 2. 압축 과정

흡기/배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이때 크랭크축이 1회전하게 된다. 압축시 혼합기의 온도는 약 400°C~500°C 정도로, 압축 압력은 약 18bar 정도까지 상승한다. 가솔린 기관의 압축비는 7~11:1이며, 압축 착화를 통해 폭발하는 디젤 엔진은 압축비가 15~22:1로 높다. 엔진의 회전 속도가 빠를 수록 압축비가 상승한다. 디젤 사이클에서는 피스톤이 상사점까지 올라가 공기만을 압축하는 과정이다.

2. 2. 3. 연소 과정

압축되어 고온이 된 공기에 연료가 분사되면 열에 의해 연료가 스스로 발화한다. 이 연소 가스의 팽창력으로 피스톤이 하사점까지 밀려 내려가면서 동력이 발생한다. 가솔린 기관은 점화 플러그를 통해 불꽃 점화로 연소하며, 직접 분사식 가솔린 기관은 불꽃 점화와 동시에 연료를 분사한다. 디젤 엔진은 연료를 분사하면서 압축 압력으로 점화하여 연소한다.

2. 2. 4. 배기 과정

배기밸브가 열리면서 피스톤이 상사점으로 상승하면서 연소 가스를 밀어 올려서 실린더 밖으로 배출시킨다. 이 과정까지 크랭크축은 총 2회전을 한다. 가솔린 기관과 디젤 엔진 모두 배기 과정에서 관성에 의해 피스톤이 올라가 연소 가스를 실린더 외부로 밀어낸다.^[1]

3. 역사

4행정 기관은 독일의 니콜라우스 오토가 개발했다. 에티엔 르누아르가 2행정 기관을 개발한 후(1860년), 오토는 1861년에 2행정 기관을 토대로 새로운 엔진을 연구하였다. 1864년에는 세계 최초의 엔진 제조사인 유진 랭거 바로 옆에 'N. A 오토 앤 시에'(N.A Otto&Cie)를 설립하였고, 1869년엔 독일 쾰른의 Deutz로 이전하여 "Deutz Gasmotorenfabrik AG"로 사명을 변경하였다.

1876년 오토의 회사에서 실용적인 엔진 제조에 성공하였고, 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐가 기술 이사와 수석 디자이너로 고용되었다. 1883년 다임러와 마이바흐는 소형화하면서 더 큰 힘을 낼 수 있는 엔진을 개발하였다.^[16]

초기 내연 기관은 액체 연료로 작동시키기엔 적합하지 않아 점화용 보조 버너가 필요했으나, 1884년에 오토의 회사에서 기화기와 매그니토 점화 계통(전기 점화)을 발명하여 4행정 기관의 실용성을 증가시켰다. 1885년 다임러와 마이바흐는 4행정 기관을 탑재한 최초의 자동차를 생산하였다. 1890년 다임러와 마이바흐는 이후 다임러-벤츠의 전신인 회사를 설립하였다.

루돌프 디젤은 점화 불꽃 없이 연료가 점화할 수 있는 압축 점화 엔진 기술을 연구하여 디젤 엔진을 개발했다.

3. 1. 오토 사이클의 발전

니콜라우스 오토는 에티엔 르누아르의 2행정 기관을 연구하여 연료 혼합물 압축의 중요성을 깨달았다. 1861년 레누아르 엔진 복제품을 시험하면서 오토는 압축이 연료 혼합물에 미치는 영향을 알게 되었다.^[2] 1864년, 오토와 외겐 랑겐은 최초의 내연 기관 생산 회사인 NA 오토 앤드 씨(NA Otto and Company)를 설립하고, 성공적인 대기 엔진을 만들었다.^[2]

1876년, 오토와 랑겐은 연료 혼합물을 연소 전에 압축하는 최초의 내연 기관을 만드는 데 성공하여, 이전의 어떤 엔진보다 훨씬 높은 효율을 달성했다. 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐는 오토의 회사를 떠나 1883년 최초의 고속 오토 엔진을 개발했다. 1885년에는 오토 엔진을 장착한 최초의 자동차인 다임러 ''라이트바겐''을 생산했다. 이 자동차는 열관 점화 시스템과 리그로인이라는 연료를 사용했으며, 오토의 설계를 기반으로 한 4행정 엔진을 사용했다. 다음 해, 칼 벤츠는 최초의 자동차로 여겨지는 4행정 엔진 자동차를 생산했다.^[3] 1890년 다임러와 마이바흐는 다임러 모토렌 게젤샤프트라는 회사를 설립했는데, 이 회사가 오늘날의 다임러-벤츠이다.

3. 2. 디젤 사이클의 발전

루돌프 디젤은 점화 불꽃 없이 연료가 점화할 수 있는 압축 점화 엔진 기술을 연구하여 디젤 엔진을 개발했다. 디젤 엔진은 1876년 오토 사이클 엔진을 기술적으로 개량한 것이다. 오토가 연료 혼합물을 압축하여 엔진 효율을 높일 수 있다는 것을 깨달은 반면, 디젤은 더 무거운 연료로 작동할 수 있는 더 효율적인 엔진을 개발하고자 했다.^[16] 디젤은 소규모 산업체가 자체 동력원을 확보하여 대기업과 경쟁하고, 도시 연료 공급에 의존하지 않도록 엔진을 만들고자 했다.

디젤은 10년 이상 연구하여 실린더에 분사된 연료를 자체적으로 점화할 수 있는 고압축 엔진을 개발했다. 초기 개발 과정에서 엔진 폭발로 디젤이 사망할 뻔했지만, 끈기 있게 노력하여 1893년 성공적인 엔진을 만들었다. 압축열로 연료를 점화하는 고압축 엔진은 4행정이든 2행정이든 디젤 엔진이라고 불린다.

4행정 디젤 엔진은 수십 년 동안 대부분의 중장비 응용 분야에 사용되어 왔다. 더 많은 에너지를 포함하고 생산에 필요한 정제가 적은 중질유를 사용하며, 가장 효율적인 오토 사이클 엔진은 약 30%의 열효율로 작동한다.

4. 장단점

4행정 기관은 연소 과정이 명확하고 연료 효율이 높지만, 구조가 복잡하고 무게가 무겁다는 특징이 있다. 이러한 특성 때문에 4행정 기관은 보통 2기통 이상의 엔진을 장착하며, 각 피스톤의 폭발 시점을 교차시켜 문제를 해결한다. 실린더가 많을수록 진동이 상쇄되어 부드러운 운행이 가능하다. 또한, 무겁고 다기통인 경우가 많아 소형 및 중형 이상의 차량에 주로 사용된다.

4. 1. 장점

4행정 기관은 각 행정의 작동이 완전하게 구분되어 있어, 연소 과정이 명확하다. 흡기 행정 시간이 충분하여 블로바이 현상이 적어 연료 소비율을 최대한 줄일 수 있고 배기량 대비 효율이 높다. 흡입 행정에서 냉각 효과로 인해 각 부분의 열 부하가 적으며, 저속에서 고속까지 회전 속도 변화의 범위가 넓다.

4. 2. 단점

밸브 개폐 기구로 인해 구조가 복잡하며, 진동이나 기계적인 소음이 늘어나고 같은 출력의 2행정 기관에 비해 마력당 무게가 무겁다.^[1] 피스톤이 두 번 왕복하고 크랭크축이 2회전하는 과정에서 폭발 시 회전력과 압축 시 회전력이 같지 않아 회전력이 일정하지 못하고, 실린더 수가 적으면 폭발 행정이 제대로 이어지지 못하여 작동이 원활하지 못하다.^[1] 질소산화물 배출량도 많다.^[1]

5. 열역학적 분석

4행정 기관 또는 2행정 기관의 실제 열역학적 분석은 복잡하지만, 공기 표준 가정을 이용하면 단순화할 수 있다. 그 결과는 실제 작동 조건과 매우 유사한 오토 사이클이다.^[6]

- 흡입 (A) 행정은 등압 팽창,

압축 (B) 행정은 단열 압축, 연료 연소를 통한 등적 과정, 단열 팽창으로 이어지는 동력 (C) 행정, 마지막으로 등적 과정과 등압 압축으로 닫히는 배기 (D) 행정으로 구성된다.]]

엔진 작동 중 연료 혼합물이 압축될 때 전기 아크가 생성되어 점화된다. 저속에서는 상사점(TDC, Top Dead Centre) 근처에서 발생하며, 엔진 속도가 빨라져도 화염 전면 속도는 일정하므로 스파크 시점을 앞당겨 연소 비율을 높인다. 대기식(비압축) 엔진은 12%, 압축 충전 엔진은 약 30%의 효율을 갖는다.

6. 연료 고려 사항

압축 착화 엔진은 연료의 자연 발화 온도에 따라 성능이 달라진다. 석유의 여러 성분은 발화점이 매우 다르기 때문에 엔진 및 연료 설계 시 이를 고려해야 한다.

연료 혼합물이 조기에 점화되는 경향은 연료의 화학적 조성에 따라 제한된다. 엔진 성능에 따라 여러 등급의 연료가 사용되며, 연료는 자연 발화 온도를 변경하기 위해 변형된다. 높은 압축비로 설계된 엔진은 자연 발화 가능성이 더 커진다. 온도가 높을수록 연료가 효과적으로 증발하여 압축 엔진의 효율이 높아진다. 또한 높은 압축비는 팽창비가 더 길어짐을 의미한다.

연료의 옥탄가는 자연 발화에 대한 저항성을 측정한 것이다. 옥탄가가 높은 연료는 더 높은 압축비를 허용하여 연료에서 더 많은 에너지를 추출하고, 더 효과적으로 유용한 일로 변환하며, 자연 발화로 인한 엔진 손상을 방지한다.

6. 1. 가솔린 엔진

가솔린 기관은 독일의 니콜라우스 아우토가 발명한 오토 사이클을 사용하며, 전기 불꽃을 이용해 연소시키기 때문에 점화 기관이라고도 불린다. 로터리 엔진(반켈 엔진)은 피스톤을 사용하지 않지만, 기본 원리는 오토 사이클과 같다. 가솔린 엔진의 작동 과정은 다음과 같다.

# 흡입 과정: 피스톤이 내려가면서 연료와 공기의 혼합기를 실린더 안으로 흡입한다.

# 압축 과정: 피스톤이 상사점까지 올라가면서 혼합기를 압축한다.

# 연소 과정: 점화 플러그의 불꽃으로 점화된 혼합기가 연소하고, 팽창하는 연소 가스가 피스톤을 하사점까지 밀어낸다. (이전에는 폭발 과정이라고 불렀다.)

# 배기 과정: 관성에 의해 피스톤이 올라가면서 연소 가스를 실린더 밖으로 배출한다.

압축된 연료 혼합물이 조기에 점화되는 현상(자연 발화)은 연료의 화학적 조성에 따라 달라진다. 엔진 성능에 따라 다양한 등급의 연료가 사용되며, 연료는 자연 발화 온도를 조절하기 위해 변형된다. 높은 압축비를 가진 엔진은 연료 혼합물이 더 높은 온도로 압축되기 때문에 자연 발화 가능성이 더 크다. 높은 온도는 휘발유를 효과적으로 증발시켜 엔진 효율을 높이고, 높은 압축비는 피스톤이 더 긴 거리를 움직여 더 많은 힘을 발생시킨다. (이를 팽창비라고 한다.)

연료의 옥탄가는 자연 발화에 대한 저항성을 나타낸다. 옥탄가가 높은 연료는 더 높은 압축비를 허용하여 연료에서 더 많은 에너지를 추출하고, 더 효율적으로 유용한 일로 변환하며, 자연 발화로 인한 엔진 손상을 방지한다. 하지만 고옥탄 연료는 가격이 더 비싸다.

많은 현대식 4행정 엔진은 가솔린 직접 분사(GDI) 방식을 사용한다. GDI 엔진에서는 인젝터 노즐이 연소실로 돌출되어 있으며, 압축 행정 중 피스톤이 상단에 가까워질 때 매우 높은 압력으로 실린더 내부에 가솔린을 분사한다.^[7]

6. 2. 디젤 엔진

디젤 엔진은 자연 발화에 대한 우려가 없는 것이 본질적인 특징이다. 그러나 연소 시작 가능성에 대한 우려는 존재한다. 디젤 연료의 점화 가능성을 나타내는 지표는 세탄가이다. 디젤 연료는 휘발성이 낮아 추운 날씨에는 시동이 잘 걸리지 않을 수 있다. 따라서 추운 날씨에 디젤 엔진 시동을 돕기 위해 여러 기술이 사용되며, 그 중 가장 일반적인 방법은 글로우 플러그를 사용하는 것이다.

7. 설계 및 엔지니어링 원리

4행정 기관의 출력은 흡입되는 공기의 양, 실린더 용량, 체적 효율 등에 따라 결정된다. 실제 4행정 사이클의 열역학적 분석은 복잡하지만, 공기 표준 가정을 사용하면 단순화할 수 있다.^[6] 엔진 작동 중 공기/연료 혼합물이 압축될 때 전기 스파크가 발생하여 점화된다. 저속에서는 상사점(TDC) 근처에서, 고속에서는 연소 시간 확보를 위해 점화 시점이 앞당겨진다. 이러한 점화 시점 조정은 오토 엔진 설계에 반영되어 효율을 높이며, 대기식 엔진은 12%, 압축 충전 엔진은 약 30%의 효율을 가진다.

7. 1. 출력 제한

엔진이 낼 수 있는 최대 출력은 흡입되는 공기의 양에 따라 결정된다. 4행정 엔진이 생성하는 출력은 크기(실린더 용량), 2행정 엔진인지 4행정 엔진인지, 체적 효율, 손실, 공연비, 연료의 발열량, 공기 중 산소 함량 및 속도(RPM)와 관련이 있다. 속도는 궁극적으로 재료 강도와 윤활에 의해 제한된다. 밸브, 피스톤 및 연결봉은 심각한 가속력을 받는다. 높은 엔진 속도에서는 물리적 파손 및 피스톤 링 플러터가 발생하여 출력 손실이나 엔진 파손으로 이어질 수 있다. 피스톤 링 플러터는 링이 피스톤 홈 내에서 수직으로 진동할 때 발생하며, 링과 실린더 벽 사이의 밀봉을 손상시켜 실린더 압력과 출력 손실을 야기한다. 엔진이 너무 빨리 회전하면 밸브 스프링이 밸브를 빠르게 닫을 수 없어 '밸브 플로트'가 발생하여 피스톤과 밸브가 접촉, 엔진이 심하게 손상될 수 있다. 고속에서는 피스톤 실린더 벽 계면의 윤활이 파괴되는 경향이 있어 산업용 엔진의 피스톤 속도는 약 10m로 제한된다.

7. 1. 1. 흡기/배기 포트 흐름

엔진의 출력은 흡기(공기-연료 혼합물)와 배기물이 실린더 헤드에 위치한 밸브 포트를 통해 빠르게 이동하는 능력에 따라 달라진다. 엔진의 출력을 높이려면 흡기 및 배기 경로의 불규칙성을 제거하고, 공기 흐름 벤치를 사용하여 밸브 포트 회전 반경과 밸브 시트 구성을 수정하여 저항을 줄일 수 있다. 이 과정을 포팅이라고 하며, 수작업 또는 CNC 기계를 사용하여 수행할 수 있다.

7. 2. 폐열 회수

내연기관은 공급받은 에너지의 40~45%만을 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 낭비되는 에너지의 상당 부분은 냉각수 등을 통해 환경으로 방출되는 열의 형태인데, 폐열을 포획하여 기계적 에너지로 전환하면 엔진 효율을 향상시킬 수 있다. 완전히 낭비되는 열의 6%만 회수해도 엔진 효율을 크게 높일 수 있다고 한다.^[8]

엔진 배기가스에서 폐열을 추출하고 이를 이용하여 유용한 일을 더 추출하며 동시에 배기가스 오염 물질을 줄이기 위해 랭킨 사이클, 터보차징, 열전발전을 이용하는 폐열회수 시스템 등이 고안되었다.

7. 2. 1. 슈퍼차징

엔진 출력을 높이는 한 가지 방법은 실린더에 더 많은 공기를 강제로 주입하여 각 동력 행정에서 더 많은 동력을 생성하는 것이다. 이는 크랭크축으로 구동되는 슈퍼차저라는 일종의 공기 압축 장치를 사용하여 수행할 수 있다.^[1]

슈퍼차저는 내연 기관의 배기량에 비해 출력 한계를 높인다.^[1] 대부분 슈퍼차저는 항상 작동하지만, 엔진 속도에 비례하여 작동을 멈추거나 속도를 다르게 할 수 있도록 설계된 것들도 있다.^[1] 기계적으로 구동되는 슈퍼차저는 출력의 일부가 슈퍼차저를 구동하는 데 사용된다는 단점이 있다.^[1] 또한 공기가 두 번 압축되고 연소 시 더 많은 잠재적 부피를 얻지만 한 단계에서만 팽창하기 때문에 고압 배기가스에서 동력이 손실된다.^[1]

7. 2. 2. 터보차징

터보차저(turbocharger)는 터빈을 이용하여 엔진 배기가스로 구동되는 과급기이다. 터보차저는 배출되는 배기가스를 이용하기 위해 차량의 배기 시스템에 통합된다.^[1] 한쪽은 흡기 공기를 압축하고 다른 한쪽은 배기가스 배출로 구동되는 2개의 부품으로 구성된 고속 터빈 어셈블리로 이루어져 있다.^[1]

공회전 상태와 저속 또는 중속에서는 배기량이 적어 터빈이 발생하는 동력이 적기 때문에 터보차저의 효과는 거의 없으며 엔진은 거의 자연흡기 방식으로 작동한다.^[1] 훨씬 더 큰 출력이 필요할 때 엔진 속도와 스로틀 개방을 증가시켜 배기가스가 충분해지면 터보차저의 터빈이 '스풀업'(spool up)되어 일반적인 것보다 훨씬 많은 공기를 흡기 매니폴드로 압축하기 시작한다.^[1] 따라서 이 터빈의 기능을 통해 추가적인 동력(및 속도)이 발생한다.^[1]

터보차징은 그렇지 않으면 (대부분) 낭비될 배기압으로 구동되기 때문에 엔진 작동 효율을 높일 수 있지만, 터보랙(turbo lag)으로 알려진 설계상의 한계가 있다.^[1] 터보가 유용한 공기 압축을 시작하기 전에 압력을 높이고 터보를 회전시키기 위해 엔진 RPM을 급격히 높일 필요가 있기 때문에 증가된 엔진 출력이 즉시 사용 가능하지 않다.^[1] 흡입량이 증가하면 배기가스가 증가하고 터보가 더 빨리 회전하는 등 안정적인 고출력 작동에 도달할 때까지 계속된다.^[1] 또 다른 어려움은 배기압이 높아짐에 따라 배기가스가 엔진의 기계 부품에 더 많은 열을 전달한다는 것이다.^[1]

7. 3. 로드 및 피스톤 대 행정비

콘로드-행정비는 컨넥팅 로드의 길이와 피스톤 행정 길이의 비율이다. 더 긴 콘로드는 피스톤의 실린더 벽면에 대한 측면 압력과 응력을 줄여 엔진 수명을 연장하지만, 비용과 엔진 높이 및 무게를 증가시키기도 한다.

"스퀘어 엔진"은 보어 직경과 행정 길이가 같은 엔진이다. 보어 직경이 행정 길이보다 큰 엔진은 오버스퀘어 엔진이고, 반대로 보어 직경이 행정 길이보다 작은 엔진은 언더스퀘어 엔진이다.

7. 4. 밸브 트레인

밸브는 일반적으로 크랭크축의 절반 속도로 회전하는 캠축에 의해 작동된다. 캠축에는 길이를 따라 일련의 캠이 있으며, 각 캠은 흡입 행정 또는 배기 행정의 적절한 부분 동안 밸브를 열도록 설계되어 있다. 밸브와 캠 사이의 태핏은 캠이 밸브를 열기 위해 미끄러지는 접촉면이다. 많은 엔진은 실린더의 한 줄(또는 각 줄) 위에 하나 이상의 캠축을 사용하며, 각 캠은 평평한 태핏을 통해 밸브를 직접 작동시킨다. 다른 엔진 설계에서는 캠축이 크랭크케이스에 있으며, 이 경우 각 캠은 일반적으로 푸시로드와 접촉하고, 푸시로드는 밸브를 여는 로커암과 접촉하거나, 플랫헤드 엔진의 경우 푸시로드가 필요하지 않다. 오버헤드 캠 설계는 캠과 밸브 사이의 가장 직접적인 경로를 제공하기 때문에 일반적으로 더 높은 엔진 속도를 허용한다.

7. 4. 1. 밸브 간극

밸브 간극은 밸브 리프터와 밸브 스템 사이의 작은 간극으로, 밸브가 완전히 닫히도록 한다. 기계식 밸브 조정 방식의 엔진에서 간극이 과도하면 밸브 트레인에서 소음이 발생한다. 간극이 너무 작으면 밸브가 제대로 닫히지 않을 수 있다. 이는 성능 저하와 배기 밸브 과열을 초래할 수 있다. 일반적으로 간극은 약 32186.80km (약 32000km) 마다 얇은 측정기(feeler gauge)를 사용하여 재조정해야 한다.

대부분의 최신 생산 엔진은 유압 리프터를 사용하여 밸브 트레인 부품 마모를 자동으로 보상한다. 엔진 오일이 더러우면 리프터 고장이 발생할 수 있다.

7. 5. 에너지 균형

오토 엔진의 효율은 약 30%이다. 즉, 연소로 생성된 에너지의 30%만이 엔진 출력축에서 유용한 회전 에너지로 변환되고, 나머지는 폐열, 마찰 및 엔진 부속품으로 인해 손실된다.^[9]

폐열로 손실되는 에너지의 일부를 회수하는 방법은 여러 가지가 있다. 디젤 엔진에서 터보차저를 사용하는 것은 유입되는 공기 압력을 높여 사실상 배기량을 늘리는 것과 같은 성능 향상을 제공하기 때문에 매우 효과적이다. 맥 트럭(Mack Truck) 회사는 수십 년 전에 폐열을 운동 에너지로 변환하여 엔진 변속기에 다시 공급하는 터빈 시스템을 개발했다. 2005년 BMW는 맥 시스템과 유사한 2단계 열 회수 시스템인 터보스티머(turbosteamer)를 개발했다고 발표했는데, 이 시스템은 배기가스 에너지의 80%를 회수하여 오토 엔진의 효율을 15% 높인다.^[10] 반면, 6행정 엔진(six-stroke engine)은 연료 소비량을 최대 40%까지 줄일 수 있다.

최신 엔진은 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation) 및 촉매 변환기(catalytic converter)와 같은 자동차 배출가스 제어(Vehicle emissions control)을 위해 의도적으로 낮은 효율로 제작되기도 한다. 이를 통해 스모그(smog) 및 기타 대기 오염 물질을 줄인다. 효율 저하는 린번 기법을 사용하는 엔진 제어 장치(engine control unit)로 상쇄할 수 있다.^[11]

8. 2행정 기관과의 비교

4행정 기관은 휘발유를 연료로 사용하는 경우 2행정 기관과 비교하여 다음과 같은 장단점을 가진다.

장점: 미연소 탄화수소와 윤활유 연소에 따른 입자상 물질 배출량이 적고, 삼원촉매를 사용하여 질소산화물과 일산화탄소 배출을 억제하기 쉽다. 연소 효율과 열효율이 높아 연비가 좋고, 배기 소음이 낮으며, 저속 회전 안정성과 조작성이 우수하다.

단점: 같은 배기량에서 2행정 기관보다 출력이 낮다. 흡배기 밸브와 그 구동 장치, 엔진 오일 순환 장치 등으로 부품 수가 많아 무게와 가격 면에서 불리하고, 정비에 더 많은 노력과 비용이 소요된다.

8. 1. 4행정 엔진의 장점

휘발유를 연료로 사용하는 경우 2행정 기관과 비교하면, 미연소 성분인 탄화수소와 윤활유 연소에 따른 입자상 물질 배출량이 적고, 삼원촉매를 사용하여 질소산화물과 일산화탄소 배출을 억제하기 쉽다. 연소 효율과 열효율이 높고 연비가 좋다. 배기 소음이 2행정 기관보다 낮다. 폭발(작동) 행정이 하사점 근처까지 계속되어 다른 3행정을 처리하기 위한 관성 장치(플라이휠)의 역할도 강하기 때문에 저속 회전의 안정성과 조작성은 2행정 기관보다 낫다.

8. 2. 4행정 엔진의 단점

같은 배기량으로 비교하면 2행정 기관보다 출력(축 토크)이 낮다. 흡배기 밸브와 그 구동 장치, 엔진 오일 순환 장치 등으로 부품 수가 많아 무게와 가격 면에서 불리하다. 필요한 정비 간격은 길어진다고 해도 정비에는 수고와 비용이 든다.^[1]

8. 3. 4행정 엔진의 경주용 오토바이 적용

1980년대에 후스베르나가 대배기량 4행정 엔진의 엔듀로 머신을 개발하면서 4행정 엔진이 경주용 오토바이 분야에서 다시 주목받기 시작했다. 유럽 엔듀로 선수권 대회에서 개발자인 토마스 구스타프손이 우승을 차지했으며, 이후 그는 후사벨을 설립했다.

1990년대에는 벨테마티 레이싱이 후사벨의 엔듀로용 바이크를 모토크로서로 개조하여 모토크로스 세계 선수권 대회 500cc 클래스에서 여러 차례 우승했다. AMA 모토크로스/AMA 슈퍼크로스에서는 배기가스 규제의 영향으로 4행정 엔진이 권장되면서 여러 업체가 4행정 엔진을 도입하기 시작했다.

트라이얼에서는 몬테사의 섀시에 4행정 엔진을 탑재하고 전자제어 연료 분사 장치(FI)를 채택하여 저속 토크와 고회전 영역의 힘을 모두 확보했다. 이를 통해 토니 보는 실외·실내 세계 선수권 대회에서 17연패를 달성했고, 오가와 토모유키는 전일본 선수권 대회에서 2023년에 11연패를 달성했다.^[15]

참조

_[1] 웹사이트 4-STROKE ENGINES: WHAT ARE THEY AND HOW DO THEY WORK? https://www.uti.edu/[...] UTI 2021-11-19
_[2] 웹사이트 125 Jahre Viertaktmotor http://www.nicolaus-[...]
_[3] 서적 The Automobile Book Paul Hamlyn Ltd 1967
_[4] 특허 Gas Engine 1887-08-02
_[5] 웹사이트 Auto Tech: Atkinson Cycle engines and Hybrids http://www.autos.ca/[...] 2013-02-23
_[6] 웹사이트 Best Place for Engineering and Technology, Air Standard Assumptions http://www.betp.net/[...]
_[7] 웹사이트 Four-stroke engine: how it works, animation https://www.testinga[...] 2020-01-25
_[8] 학술지 Review of organic Rankine cycles for internal combustion engine exhaust waste heat recovery 2013-03-01
_[9] 웹사이트 Efficiencies of Internal Combustion Engines http://www.ecen.com/[...] 2016-04-11
_[10] 뉴스 BMW Turbo Steamer Gets Hot and Goes http://www.autoblog.[...] 2016-04-11
_[11] 서적 Air pollution from motor vehicles: Standards and Technologies for Controlling Emissions World Bank Publications
_[12] 웹사이트 Fuel Economy http://www.nhtsa.gov[...] National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) 2016-04-11
_[13] 서적 ニッポン「もの物語」講談社 2009-06
_[14] 방송 Legend of motorcycle DISCOVERY Chanel
_[15] 웹사이트 Hondaの挑戦が生んだ、トライアル世界チャンピオンの系譜：第3期「4ストローク、第二世代(水冷/プロリンク)他の追随を許さない、4ストロークの技術革新」 https://honda.racing[...]
_[16] 웹사이트 NA Otto Museum http://www.nicolaus-[...]

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