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자동차

가솔린 엔진의 구동 원리

by Backtothe30 2022. 5. 26.

 가솔린 엔진은 가솔린 연료를 엔진의 실린더 내부에서 폭발시켜 구동력을 얻는 엔진이다. 가솔린은 휘발성이 있어 불에 쉽게 폭발하는 성질이 있다 이 특성을 이용하여 가솔린을 실린더 내부에서 불꽃을 이용하여 폭발시킨다. 이 폭발력은 실린더의 피스톤에 전달되고 피스톤의 직선운동을 회전 운동을 바뀌어 주는 크랭크 샤프트 이용하여 결국에는 자동차 바퀴를 회전하게 한다. 

시동

 운전자가 브레이크를 밟은 상태에서 키를 꽃이 돌리거나 시동 버튼을 누르는 경우 스타터가 작동하여 크랭크축을 강제로 회전시킨다. 그 사이 인젝터에서 연료가 상대적으로 일반 주행 시보다 많이 분사되어 불꽃을 발생시켜 엔진에 추가적인 힘을 가하여 스타터에 대한 의존은 점점 줄어들게 되고 약 500rpm 이상이 되면 결국에는 스타터는 멈추고 엔진 스스로 구동하게 된다. 스타터는 DC 모터를 주로 사용하고 시동 시에 배터리 전류를 흘려주면 드라이브 플레이트 기어에 물려있는 스타터 내부의 기어가 돌아가면서 전기적 에너지를 회전 에너지로 전환해 준다. 

흡기

 운전자가 액셀러레이터를 밟으면 액셀러레이터를 밟은 만큼 APS(Accel Pedal Position Sensor) 신호가 엔진을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)에 전송된다. ECU는 APS 신호의 크기를 베이스로 하여 ETC(Electric Throttle Control) 밸브를 열어 준다. 그러면 공기가 엔진의 흡기 매니폴드를 거쳐 흡기 밸브에 열릴 때 실린더 내부로 들어가게 된다. ECU는 공기의 압력과 온도를 측정하는 맵 센서(Manifold Air Pressure Sensor)의 정보를 바탕으로 실린더에 들어간 공기의 밀도를 계산하여 공연비에 맞게 연료를 분사한다. 일반적으로 가솔린 엔진의 공연비는 14:1 정도이지만 주행 조건에 따라 다양하게 변화한다. 

연료 

연료 탱크에 있는 가솔린은 연료 펌프 모터 구동에 의해 약 3~4bar의 압력으로 연료 튜브를 따라 엔진으로 전달된다. 같은 가솔린 엔진이라도 연료 분사 방식에 따라 아래와 같이 분류된다. 

MPI(Multi Port Injection) 엔진

 연료 펌프에서 전달된 가솔린을 그대로 실린더의 흡기 밸브를 바라보게 인젝터가 연료를 흡기 포트에 분사한다. 분사된 연료는 흡기 밸브를 맞고 퍼지듯이 실린더 내부로 들어가게 된다.

GDI(Gasolin Direct Injection) 엔진

 연료 펌프에서 전달된 가솔린을 엔진의 고압 펌프에서 가압하여 고압 파이프를 통하여 연료 레일에 전달한다. 연료 레일에 어셈블리 되어 있는 GDI 인젝터가 실린더 내부에 직접 고압의 연료를 분사한다. 최대 연료 압력은 150bar에서 250bar를 사용한다. 고압의 연료가 실린더에 직접 분사가 되면 고압에서 대기압으로 순간적으로 발생하는 압력의 변화에 의해 연료는 더욱 쉽게 무화과 된다. 즉, 연료가 공기 중으로 미세하고 골고루 퍼져서 쉽게 폭발되고 화염의 전파속도로 빨라지게 되어 엔진 효율이 좋아진다. 

점화

점화란 불을 붙인다는 말이다. 부화한 연료에 불꽃을 생성하여 실린더 내부에 폭발을 발생시키는 것이다. 가솔린 엔진의 점화시스템은 로베르트 보슈(Robert Bosch)에 의해 개발되었고 100년 이상 인간의 이동을 위한 기술로 널리 사용되었다. 점화시스템은 점화코일과 스파크플러그, ECU, 캠 센서(Cam Position Sensor), 크랭크 센서(Crankshaft Position Sensor), 녹 센서(Knock Sensor)로 구성되어 있다. 


점화코일

 점화코일은 일종의 소형 변압기이다. ECU 신호에 의해 전자 스위치 역할을 하는 이 그 나이 터 켜지면 1차 코일에 배터리 전원이 연결되면 전류가 서서히 상승한다. 9A ~12A에 도달하면 ECU가 전원을 차단하면 1차 코일에 급격한 자속의 변화가 일어나고 전자기 유도 현상으로 자속이 2차 코일에 유기되어 권선 비에 따라 2차 전압을 발생시킨다. 약 15kV ~ 35kV의 2차 전압이 발생한다. 2차 전압은 스파크 플러그 갭에 전달되어 갭 사이의 절연이 파괴되면서 방전이 일어나고 불꽃이 발생한다. 

스파크 플러그

 스파크 플러그는 점화코일에서 발생한 고전압을 스파크 플러그의 전극 갭 사이에 전달하는 역할을 하는 부품이다. 단자, 세라믹 절연체, 접지 금 두부로 구성되어 있다. 단자와 연결된 갭의 상단을 중심 전극이라 하고 금 두부와 연결된 갭의 하단을 외측 전극이라고 한다. 스파크 플러그의 전극은 실린더의 폭발을 일으키지만 자신도 그 폭발을 견뎌야 한다. 예전에는 중심 전극에 니켈을 많이 사용하였지만 이리듐을 사용하고 있다. 외국 전극은 외팔보 모양의 니켈 재질의 모재에 백금 재질의 팁을 용접하였다. 

점화시스템의 제어

 ECU는 캠 센서와 크랭크 센서의 신호 조합으로 각 실린더의 정확한 행정과 피스톤의 위치를 알 수 있다. ECU는 엔진 효율이 가장 좋은 피스톤 상사점 바로 전에 폭발이 일어날 수 있도록 조절한다. 점화코일의 1차 전류 상승 시간까지 고려하여 미리 스위치를 켜서 전류를 흐르게 한 후 피스톤 상사점 바로 전에 전류를 차단하여 불꽃을 생성하는 것이다. 일반적으로 점화 타이밍을 진가 시키면 엔진 효율이 좋아진다. 그래서 ECU 점화 타이밍이 진가 되는 방향으로 조절한다. 하지만 과도한 진가 시에 화염 핵이 제대로 전달되지 않아 미연소 연료의 후 폭발로 노킹(Knocking)이 발생하게 된다. 노킹을 방치하면 엔진이 파손될 수 있으므로 ECU는 급격히 점화 타이밍을 지각시켜 효율보다는 연소 안정성을 일단 택한다. 하지만 노킹이 발생하지 않으면 다시 조금씩 진작시키고 노킹이 발생하면 급격히 지각시키는 과정을 주행 내내 반복한다. 

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