자동차 엔진은 사람으로 치면 심장에 해당하는 부분이다. 2~3만개에 댈하는 부품 중에서도 자동차에 있어서 중요한 핵심 부분이라는 의미이다. 이번 편에서는 자동차 엔진 종류는 어떻게 분류하고, 종류에 따른 장점, 단점 등 특징을 알아보기로 하자.
사용연료에 따른 종류
자동차의 엔진은 일단 구조 차이에 따라 레시프로와 로터리 엔진으로 분류한다. 그리고 사용하는 연료를 기준으로 분류하면 가솔린과 디젤 등으로 나눌 수 있다. 이 가운데 현재 주류는 레시프로 가솔린 엔진이며, 탑재 차종과 사용 목적에 맞춰 다양한 유형의 엔진을 생산하고 있다. 한편 최근에는 가솔린 엔진과 강력한 전기 모터를 조합해 충분한 동력을 확보하면서 고연비를 실현한 하이브리드 자동차도 보편화되고 있다.
가솔린 엔진
자동차용 엔진으로 가장 많이 채용되고 있는 레시프로 가솔린 엔진은 현재 많은 엔진이 DOHC 방식으로 만들어지고 있다. 실리더 안을 왕복 운동하는 피스톤의 힘을 회전 운동으로 출력한다. 실린더 상부에 흡배기 밸브가 있고 그것을 정확히 움직이는 기구도 필요하기 때문에 구조가 조금 복잡하지만, 긴 역사와 더불어 기술이 꾸준히 발전한 덕분에 현재의 레시프로 엔진은 완성도가 매우 높다. 또한 카탈로그 등에서 자주 볼 수 있는 4밸브라는 용어는 실린더 하나에 흡배기 밸브의 수가 4개라는 의미다. 트윈캠은 밸브를 구동하는 캠샤프트가 흡기 밸브와 배기밸브에 각각 하나씩 2개가 있다는 뜻이다. 디젤에 비해 소음과 진동이 작은 장점이 있지만, 유류비가 비싸가 상대적으로 연비가 좋지 않다는게 단점이다.
디젤 엔진
흡기에서 배기까지의 동작 사이클은 가솔린 엔진과 같지만 점화 플러그로 대표되는 전기 점화 장치가 없는 것이 디젤 엔진의 가장 큰 특징이다. 실린더 안으로 흡입된 공기는 가솔린 엔진의 약 1.5~2배로 압축되면서 고온이 된다. 여기에 연료를 고압 분사해 착화함으로써 폭발력을 얻는다 이런 구조 때문에 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 튼튼하고 무거우며, 고회전화가 불가능하다. 하지만 저속 토크가 강력하고 상대적으로 저렴한 경유를 연료로 사용하는 만큼 경제성 또한 우수하다. 예전에는 상용차나 버스, 트럭 등에 주로 탑재되었으나 아시다시피 요즘에는 승용차에도 많이 사용되고 있다. 엔진 소음과 진동이 큰편이며, 가솔린 엔진에 비해서 부품이 더 많아 수리비가 비싼편이다. 또한 노후 경유차는 미세먼지와 대기오염 문제로 규제를 받고 있다.
하이브리드 엔진
하이브리드는 특정한 목적을 달성하기 위해 두 개 이상의 기능이나 요소를 결합한 것으로, 자동차 엔진에서는 엔진과 모터를 동시에 사용하는 방식이다. 자동차의 주행 상태와 속도에 따라서 모터와 엔진의 힘을 적절하게 조절해 다른 차량보다 유해가스가 줄어 친환경적이며, 연료 소모가 적어 연비가 좋은 편이다. 하지만 하이브리드 차량의 가격이 비싸며 주기적으로 배터리를 교체해야 하는 불편함과 트렁크 룸이 좁은 편이라는 단점이 있다.
LPG엔진
주로 택시나 렌트카 차량에 쓰이고 있는 액화 석유 가스를 연료로 사용하는 엔진이다. 다른 엔진보다 소음이 적고 연료비가 저렴하며 수명이 길다. 또한 이산회탄소, 미세먼지 등의 배출량이 적은 것이 장점이라 할 수 있다. 하지만 폭발에 대한 위험성이 항상 존재하며, 트렁크 공간의 손해와 많지 않은 lpg충전소 인프라가 단점이라 할 수 있다. 원래는 장애인과 국가 유공자을 제외한 일반인은 5년 이상의 연식을 가진 LPG 차량만 구매가 가능하였으나 2019년 미세먼지 절감과 관련하여 규제가 풀리면서 일반인도 lpg차량구매가 자유로워졌다.
실린더 레이아웃
레시프로 엔진에는 피스톤의 왕복 운동을 통해 원활히 출력을 내기 위한 복수의 실린더가 사용되는데, 그 수와 배열 방식이 엔진의 크기와 무게, 자동차의 주행감이나 조작성에도 영향을 끼친다. 정비성도 실린더의 배열에 따라 크게 차이가 난다.
직렬 엔진
복수의 실린더를 직렬로 나열한 레이아웃의 엔진이다. 가장 일반적인 배열로, 흡배기 기구가 일렬로 모여 있기 때문에 구조가 단순하다. 그래서 대부분의 레시프로 엔진이 이 방식으로 만들어진다. 직렬 4기통이 가장 많지만 국내 경차 중 일부는 직렬 3기통이다. 고급 승용차는 좋은 주행감을 위해 직렬6기통 엔진을 탑재하는 경우가 많다.
V형 엔진
직렬 엔진은 흡배기 기구가 간결하게 모여 있는 반면에 실린더의 수를 늘리면 엔진이 길어져 공간을 많이 차지한다. 그래서 회전축의 방향에서 볼때 V자가 되도록 실린더를 좌우로 교차 배열하는 것이 V형 엔진이다. 6기통일 경우는 3기통 엔진 2기를 합쳐놓은 듯한 모양이 되기 때문에 흡배기 계통이 복잡해지지만, 차량에 탑재할 때 엔진의 길이를 줄일 수 있다.
수평 대향 엔진
V형 엔진의 좌우 실린더열(뱅크) 각도를 더욱 벌려서 수평으로 만든 엔진으로 피스톤은 수평방향으로 왕복 운동하게 된다. 엔진의 폭은 넓어지지만 중량이 무거운 엔진의 무게중심이 낮아지기 때문에 차량의 주행 안정성을 향상하는 데에 이점이 있다.
W형 엔진
V형 엔진 2개를 이어붙인 형태이며, 엔진의 뱅크각이 15도 정도로 좁은 각을 유지하고 있다. 일반적으로 실린더 개수가 12개가 넘기 때문에 출력 또한 높은 장점을 가지고 있다. 그에 반해 제조법이 어렵고 비싼 가격으로 고가의 세단이나 스포츠 차량에만 사용되고 있다.
연료 분사 방식
엔진에서 연료를 분사하는 방식에 따라서도 아래와 같이 3가지로 분류된다.
CRDI(Common Rail Direct Injection) : 직저 분사식 디젤 엔진
응답성이 뛰어난 연료 분사 장치와 정밀 전자제어가 가능한 압축장치를 이용한 직접 분사 방식인 디젵 엔진이다. 연료 또는 엔진오일를 분사하기 전에 커먼레일에 저장해두었다가 연소효율이 가장 높은 시점에 고압을 분사하게 된다.이렇게 고압 분사된 분무 상태의 연료는 연소효율이 뛰어나서 연비가 높으며, 배기가스 속 질소산화물도 크게 줄어드게 된다. 소음과 진동도 적은 편으로 1998년 상용화 되어 대부분의 디젤 승용차에 장착되고 있다.
MPI(Multi Point Injection) : 간접 분사식 가솔린 엔진
연료 분사 시 각 기통마다 밸브인 인젝터를 설치해 실린더 밖으로 먼저 공기와 혼합한 뒤 연료를 폭발시키는 방식으로 GDI 방식이 보급되기 전에 가솔린 차량에서 쓰이던 기술이다. GDI방식와 반대로 진동과 소움이 적고 내구성이 좋지만, 출력이 약해서 힘을 제대로 발휘하지 못하며, 연비가 떨어지는 단점이 있다.
GDI(Gasoline Direction Injection) : 직접 분사 방식
GDI방식은 연료를 흡기포트가 아닌 실린더 내부로 직접 분사해서 연소시키는 방식으로 원래는 디젤 기관에서 쓰이는 기술이다. 최근에는 국내 가솔린 차량에서 흔하게 볼 수 있는데, 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 장점만을 모은 것으로 강한 폭발력과 높은 마력과 토크를 얻을 수 있어 연비와 출력이 높은 편이 장점이다. 하지만 소음과 진동이 크며, 사용되는 부품도 많아지게 되어 구조가 복잡해진다. 흡기 밸브 등에 많이 생성된 카본 찌꺼기가 쌓일 경우 엔진에 무리가 갈 수 있다.
지금까지 자동차 엔진 종류에 대해 알아보았다. 자동차의 엔진은 차의 성능을 결정짓는 중요한 부분이기 때문에 엔진의 종류와 특징을 잘 알아두면 차량 구매시 선택에 도움이 될 뿐 아니라 차량 엔진 관리에도 도움이 될 것이다.
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