실린더 블록

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1. 개요
2. 구조
3. 재료
- 3.1. 재료 선택을 통한 경량화
4. 모노블록
5. 빅 블록과 스몰 블록 (미국)
참조

1. 개요

실린더 블록은 엔진의 주요 구조 중 하나로, 실린더, 실린더 슬리브, 냉각수 통로 등을 포함한다. 초기에는 각 요소가 별도로 제작되었으나, 기술 발전에 따라 여러 요소를 하나의 부품으로 통합하는 모노블록 방식이 일반화되었다. 실린더 블록은 주철 또는 알루미늄 합금으로 제작되며, 냉각수 통로와 오일 통로를 통해 엔진의 냉각과 윤활을 담당한다. 현대 엔진은 경량화를 위해 알루미늄 합금을 사용하며, 실린더 라이너를 통해 내구성을 확보한다. 대부분의 엔진은 실린더 블록과 크랭크케이스가 통합된 모노블록 설계를 사용하며, 일부 소형 엔진에서는 실린더 헤드와 블록을 통합하기도 한다.

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연결봉은 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로, 또는 그 반대로 변환하는 기계 장치로, 증기 기관이나 내연 기관에서 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 강철, 알루미늄 합금 등으로 제작되고, 특수한 형태로도 사용된다.
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실린더 블록
개요
현대 자동차의 G4FC 엔진 블록
다른 이름	실린더 케이스
용도	내연기관
구조 및 기능
재료	주철 (과거) 알루미늄 합금 (현재)
주요 기능	실린더를 지지 냉각수 통로 형성 윤활유 통로 형성 크랭크축 베어링 지지 엔진의 기본 골격 형성
형태	직렬형 V형 수평대향형
관련 부품
관련 부품	실린더 헤드 피스톤 크랭크축 커넥팅 로드 캠축 밸브
추가 정보
참고 사항	엔진의 종류와 설계에 따라 블록의 형태와 구조가 크게 달라짐. 최근에는 경량화를 위해 알루미늄 합금 블록이 널리 사용됨. 블록 내부의 냉각수 통로 설계는 엔진의 냉각 성능에 큰 영향을 미침.

2. 구조

엔진의 주요 구조는 실린더, 냉각수 통로, 오일 통로, 크랭크 케이스, 실린더 헤드로 구성된다. 1880년대부터 1920년대까지의 초기 엔진은 각 요소를 별도 부품으로 제작하여 볼트로 조립했다. 그러나 현대 엔진은 생산 비용 절감을 위해 많은 요소를 단일 부품으로 통합하는 경우가 많다.

20세기 초부터 개별 부품에서 모노블록 엔진 블록으로의 진화가 점진적으로 이루어졌다. 이러한 통합은 주조 및 가공 기술의 발전에 힘입은 결과이다. 예를 들어, 실용적이고 저렴한 V8 엔진은 플랫헤드 V8 엔진 제작에 사용된 포드의 기술 개발 이후에야 가능해졌다. 이후 다른 제조업체들도 이 기술을 자사 엔진에 적용했다.

2. 1. 실린더 블록

실린더 블록은 실린더와 실린더 슬리브, 냉각수 통로를 포함하는 구조물이다. 내연기관 개발 초기에는 실린더를 개별적으로 주조하여 각 실린더마다 별도의 블록을 제작했다. 이후 두세 개의 실린더를 단일 블록으로 결합하거나, 여러 개의 실린더 블록을 결합한 엔진도 등장했다.

V6, V8, 수평대향 6기통 엔진처럼 여러 실린더 뱅크가 있는 초기 엔진은 각 뱅크를 별도의 실린더 블록으로 만들었다. 1930년대 이후 대량 생산 방식이 개발되면서 양쪽 뱅크를 동일한 실린더 블록에 통합할 수 있게 되었다.

실린더 블록에는 하나 또는 여러 개의 피스톤이 수납되며, 하부 크랭크 케이스 부분에는 크랭크축이 장착되어 커넥팅 로드로 피스톤과 연결된다. 워터 펌프나 오일 펌프 같은 보조 장치가 장착되기도 하며, V 엔진, W형, 수평 대향 등 엔진 형식에 따라 여러 개의 실린더 뱅크가 형성되거나, 엔진의 진동을 억제하기 위한 밸런서 샤프트가 내장되기도 한다.

실린더 블록은 엔진의 핵심 부품으로, 볼트로 실린더 헤드와 강력하게 결합된다. 엔진 마운트 및 각종 보조 장치가 장착되며, 냉각수 및 엔진 오일 통로도 설치되어 있다. 수냉 엔진의 경우, 동결 팽창으로 인한 엔진 파손을 막기 위해 코어 플러그라는 비상용 압력 개방 밸브가 설치된다.^[10]

실린더와 크랭크 케이스가 일체형으로 주조되어 있어, 각 실린더 간 중심점 거리(보어 피치)는 가공 설비 변경 없이는 수정하기 어렵다. 실린더 보어 크기는 실린더 블록 크기에 따라 제한되며, 경우에 따라 공장 출하 상태에서 보어 업이 불가능할 수도 있다.

실린더 블록은 보통 주철로 제작되지만, 현대 엔진은 경량화, 충돌 안전성^[11], 재활용성^[12]을 위해 알루미늄 합금 주조품을 사용하기도 한다. 이 경우 실린더 마모 방지를 위해 철제 실린더 라이너를 삽입하거나, 실린더 내벽에 도금 또는 용사 등의 표면 처리를 한다. 모터스포츠 등에서 극단적인 경량화나 섀시 구조재로서의 강도를 요구하는 경우, 마그네슘이나 베릴륨이 사용되기도 한다.

'''웻 라이너'''라고 불리는 탈착 가능한 실린더 라이너를 갖춘 엔진도 있다. "웻"은 실린더 라이너 외면이 냉각수에 직접 접촉하기 때문에 붙은 이름이다. 이 구조는 특수한 헤드 가스켓이 필요^[13]하지만, 보어 다운이 용이하여 유럽차에서 많이 사용된다. 르노나 푸조가 이 구조를 적극적으로 사용한다.

미국차에서 오랫동안 주류였던 V형 8기통 엔진은 실린더 블록 크기에 따라 '''빅 블록'''과 '''스몰 블록'''으로 구분된다. 원래 최대 9.0L 이상 배기량을 허용하는 빅 블록이 먼저 등장했지만, 시대가 흐르면서 경량화를 위해 스몰 블록이 주류가 되었다. 거의 같은 배기량 엔진에서도 시기에 따라 빅 블록과 스몰 블록이 모두 존재했다. 그러나 고도의 메카 튜닝으로 큰 출력을 내는 용도로는 현재에도 빅 블록 엔진을 기반으로 대폭적인 개량이 이루어지는 경우가 많다.^[14]

2. 2. 실린더 라이너

실린더 라이너는 실린더 내벽을 형성하는 부품으로, 교체가 가능하여 엔진 오버홀 시 블록 자체를 교체하지 않아도 된다. 실린더 라이너는 다음과 같이 두 가지 유형이 있다.

습식 라이너 (Wet Liner): 실린더 블록에서 완전히 제거 가능하며, 특수 가스켓을 사용하여 블록에 장착된다. 외부 면이 엔진의 냉각수와 직접 접촉하기 때문에 "습식" 라이너라고 불린다. 냉각수가 냉간 시동 시 더 빨리 가열되어 시동 시 연료 소비를 줄이고 자동차 실내를 더 빨리 데울 수 있다는 장점이 있다.^[13] --
건식 라이너 (Dry Liner): 블록의 재료 또는 블록에 삽입되어 실린더 벽의 골격을 형성하는 별도의 라이너를 사용한다. 추가 슬리브가 내부에 삽입되어 블록 재료로 둘러싸여 외부에서 "건조" 상태를 유지한다.

2. 3. 냉각 및 윤활 통로

실린더 블록에는 엔진 마운트 및 각종 보조 장치들이 장착되는 경우가 많고, 냉각수 및 엔진 오일의 통로도 설치되어 있다. 수냉 엔진의 경우, 동결 팽창으로 인해 엔진이 파손되지 않도록 코어 플러그라고 불리는 비상용 압력 개방 밸브가 설치되어 있다.^[10]

2. 4. 크랭크 케이스

크랭크 케이스는 크랭크축을 수용하는 구조물로, 현대 엔진에서는 실린더 블록과 통합된 경우가 많다.^[10]

3. 재료

엔진 블록은 일반적으로 주철 또는 알루미늄 합금으로 주조된다. 알루미늄 블록은 훨씬 가볍고 열을 냉각수로 더 효과적으로 전달하지만, 철 블록은 내구성과 감소된 열팽창과 같은 장점을 가진다.

현대 엔진은 경량화, 충돌 안전성^[11], 재활용성^[12]을 향상시키기 위해 알루미늄 합금 주조품을 사용하는 경우가 많다. 알루미늄 합금을 사용할 경우, 실린더의 마모 방지를 위해 철제 실린더 라이너를 삽입하거나 실린더 내벽에 도금 또는 용사 등의 표면 처리를 실시한다. 모터스포츠 등에서 실린더 블록에 극단적인 경량화나 섀시 구조재(스트레스 부재)로서의 강도를 요구하는 경우에는 마그네슘이나 베릴륨이 사용되기도 한다.

3. 1. 재료 선택을 통한 경량화

현대 엔진은 경량화를 위해 알루미늄-실리콘 합금을 사용하며, 주철 엔진 대비 무게를 줄인다. Al-Si 합금을 사용하더라도 재료의 비중에 비례하여 주철 엔진 블록보다 가볍지는 않다. 회색 주철로 만들어진 엔진 블록은 구조를 최적화하고 박벽 주조를 통해 무게를 줄일 수 있는데, 이 주조 기술을 사용하면 벽 두께를 약 3mm까지 줄일 수 있다. 반면, 일반적인 주철 엔진 블록의 벽 두께는 4mm ~ 5.5mm이다.

구상 흑연 주철(GGV)과 같은 고강도 재료를 사용하면 GG 25와 같은 기존의 주조 재료에 비해 약 30%의 무게 감소가 가능하다. 이러한 무게 감소를 위해서는 재료의 특정 요구 사항을 고려한 엔진 블록 엔지니어링이 필요하다.^[1]

4. 모노블록

모노블록 엔진은 모든 실린더가 하나의 블록으로 통합된 엔진이다. 현대 엔진은 대부분 모노블록 설계를 채택하여 생산 효율성을 높이고 엔진의 강성을 향상시킨다.

초기 엔진은 주조 기술의 한계로 인해 여러 개의 실린더를 가진 엔진을 만들기 어려웠다. 따라서 각 실린더 블록을 별도로 제작하여 크랭크 케이스에 결합하는 방식을 사용했다. 그러나 주조 기술이 발전하면서 여러 실린더를 하나의 블록으로 생산하는 모노블록 방식이 가능해졌다. 1908년 포드 모델 T의 4기통 엔진은 이러한 모노블록 구조를 적용한 초기 사례 중 하나이며, 이후 직렬 6기통 엔진에도 적용되어 1920년대 중반까지 널리 사용되었다. 1932년에 출시된 포드 플랫헤드 V8 엔진은 단일 엔진 블록 주조를 가진 최초의 V8 엔진이었다.

모노블록 설계는 실린더 간 간격을 좁히고 엔진의 비틀림 강성을 향상시키는 장점이 있다.

4. 1. 실린더 블록과 크랭크 케이스 통합

오늘날 대부분의 엔진은 실린더 블록과 크랭크 케이스가 하나로 합쳐진 모노블록 설계를 사용한다. 이러한 구조는 엔진의 비틀림 강성을 향상시키는 장점이 있다. 초기 엔진들은 여러 개의 실린더 블록을 사용했지만, 현대의 엔진들은 대부분 모노블록 형태를 띠고 있으며, "엔진 블록"이라는 용어 자체가 모노블록 설계를 의미할 정도로 일반화되었다.^[2]

과거에는 주조 기술의 한계로 인해 복잡한 구조를 한 번에 만들기 어려웠다. 따라서 초기 엔진들은 실린더들을 쌍이나 3개씩 묶어 별도의 실린더 블록으로 제작한 후, 이를 크랭크 케이스에 결합하는 방식을 사용했다. 그러나 주조 기술이 발전하면서 여러 실린더를 하나의 블록으로 생산하는 것이 가능해졌고, 이는 생산 비용을 절감하는 효과를 가져왔다. 포드 모델 T의 4기통 엔진은 이러한 모노블록 구조를 적용한 초기 사례 중 하나이다.^[3] 포드 플랫헤드 V8 엔진(Ford flathead V8)은 단일 엔진 블록 주조를 가진 최초의 V8 엔진이었다.^[4]

현대에 이르러 대부분의 엔진은 모든 실린더와 크랭크 케이스를 통합한 모노블록 설계를 사용한다. 다만, 일부 특수한 V형 엔진이나 대형 선박 엔진의 경우에는 여전히 분리된 형태를 사용하기도 한다.

4. 2. 실린더 블록과 헤드 통합

일부 현대 소비자용 소형 엔진은 실린더 헤드, 블록 및 크랭크케이스의 절반이 동일한 주물을 공유하는 모노블록 설계를 사용한다. 비용 외에도 이러한 설계가 사용되는 한 가지 이유는 전체 엔진 높이를 낮추기 위해서이다. 주요 단점은 수리가 더 오래 걸리고 비실용적일 수 있다는 것이다.

일체형 실린더 헤드 엔진의 예로는 혼다 GC 시리즈 및 GXV 시리즈 엔진이 있으며, 혼다는 이를 "유니블록"이라고 부르기도 한다.^[6]

4. 3. 크랭크 케이스와 변속기 통합

여러 횡 배치 엔진을 사용하는 자동차는 엔진 블록이 변속기와 크랭크케이스로 통합되어 사용되었다. 이 방식을 사용한 자동차로는 1966년부터 1973년까지 생산된 람보르기니 미우라^[7], 그리고 BMC A 시리즈 및 E 시리즈 엔진을 사용하는 자동차가 있다.^[8]^[9] 이러한 설계는 엔진과 변속기가 동일한 오일을 공유하는 결과를 낳는 경우가 많다.

5. 빅 블록과 스몰 블록 (미국)

미국차에서 오랫동안 주류였던 V형 8기통 엔진은 실린더 블록의 크기에 따라 '''빅 블록'''과 '''스몰 블록'''으로 구별된다. 원래 최대 9.0L 이상의 배기량을 허용하는 빅 블록이 처음 등장했지만, 시대가 흐르면서 경량화를 위해 스몰 블록이 주류가 되었다. 거의 같은 배기량의 엔진에서도 시기에 따라 빅 블록과 스몰 블록이 모두 개발되는 경우도 있었다. 그러나 고도의 메카 튜닝으로 대출력을 발휘하는 용도로는 현재에도 빅 블록 엔진을 기반으로 대폭적인 개량이 이루어지는 경우가 많다^[14]。

참조

_[1] 웹사이트 Minimizing Engine Block Mass https://studedu.org/[...] 2024-05-14
_[2] 서적 The De Dion-Bouton Engine and Cars Caxton
_[3] 서적 The V12 Engine Haynes Publishing
_[4] 서적 My Forty Years with Ford Norton 1956
_[5] 뉴스 Navistar Now Producing Engine Blocks, Heads in CGI http://foundrymag.co[...] 2012-01-25
_[6] 웹사이트 Honda General Purpose Engines: GC Series - Single Cylinder http://www.perr.com/[...]
_[7] 웹사이트 Lamborghini Miura SV (1971) https://www.netcarsh[...] 2018-12-12
_[8] 웹사이트 H and K-Series prototypes: BL's first attempt at replacing the A-Series https://www.aronline[...] 2017-07-22
_[9] 웹사이트 Tiny and Triumphant: The Morris / Austin Mini https://ateupwithmot[...] 2010-05-01
_[10] 문서 코어플러그용의 구멍은, 사형 주조가 행해지고 있던 시대에, 냉각수로나 유로의 모래 떨어뜨리는 데 사용하는 것이었다.
_[11] Youtube 自動車アセスメント：スズキハスラー：オフセット前面衝突試験 https://www.youtube.[...]
_[12] Youtube 二軸破砕機MGシリーズ　エンジン破砕 https://www.youtube.[...]
_[13] 문서 라이너 아래쪽의 가스켓은, 냉각수 주위에 사용되고 있는 것 같은 종이제이었다.
_[14] 웹사이트 Chevrolet Small Block http://www.motortren[...]

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