4행정 사이클이 무엇인지 궁금하셨나요? 4행정 사이클 기관이란 무엇이며 흡입, 압축, 폭발, 배기라는 4행정 사이클 순서가 어떤 작동 원리를 지니고 있으며 어떻게 발전해 왔고 4행정 2행정 차이는 무엇인지 정리하였으니 4행정 사이클 기관 작동원리에 대해 자세히 알아보시기를 바랍니다.
1. 들어가는 글
현재 자동차 시장은 전기차나 수소차 등 친환경 연료를 이용하는 추세로 나아가고 있지만 아직 여전히 자동차의 대부분은 내연기관이나 내연기관과 전기 모터를 결합한 하이브리드 시스템을 이용하고 있습니다. 특히 하이브리드 차량은 에너지 효율을 높여서 연비가 좋기 때문에 더욱 정교한 4행정 사이클 엔진을 사용하고 있습니다.
엔진은 자동차의 심장이라고 부를 수 있는데 이런 심장이 어떻게 작동하는지를 이해하는 것은 기계 공학에 대한 지식이 필요합니다. 물론 혼자 힘으로는 이런 내용을 확인하기 힘들어 빵빵이 자동차가 준비하였는데요.
그렇다면 4행정 사이클 기관의 작동 원리와 순서에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
2. 4행정 사이클 뜻
4행정 사이클에서 행정은 행정(行政)의 Public Administration이 아니라 행정(行程)의 Stroke를 의미하며 여기서 말하는 행정(Stroke)은 엔진 내부에 있는 실린더 안에서 피스톤이 움직인 거리를 뜻합니다.
따라서 피스톤이 올라간 지점에 따라 피스톤이 가장 높이 올라간 지점인 상사점(TDC, Top Deead Center)과 피스톤이 가장 낮게 내려간 지점인 하사점(BDC, Bottom Dead Center)으로 나누어 볼 수 있습니다. 즉, 1행정은 피스톤이 상사점에서 하사점으로 또는 하사점에서 상사점으로 한 번 움직이는 과정을 의미합니다.
그렇다면 4행정 사이클 엔진에서는 2행정도 아니고 3행정도 아닌 왜 4행정을 의미할까요? 4행정 사이클은 독일의 니콜라우스 오토가 발명했기 때문에 오토 사이클이라고도 부르며 흡입 – 압축 – 폭발(팽창) – 배기라는 4가지의 과정을 거쳐서 1개의 동력을 만들어내기 때문입니다.
따라서 4행정 사이클 기관은 크랭크축이 회전하는데 4행정을 모두 완료하기 위해서 크랭크축은 총 2번 회전하여 720도나 돌아가게 됩니다. 또한 4번의 행정 중에서 오직 폭발(팽창)이 한 번만 발생하며 이로 인해 에너지가 만들어지게 되고 나머지 3번의 행정은 관성에 의해 움직이게 됩니다.
물론 예전에는 2행정 엔진이 오토바이 등에 사용되었지만 요즘에는 유로 7 등 환경 규제로 인해 4행정으로 대체되는 추세입니다. 그렇다면 4행정 사이클 엔진이 어떤 순서대로 작동하는지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
3. 4행정 사이클 순서
1) 흡입(Intake Stroke)
첫 번째 4행정 사이클 순서는 흡입 단계로 마치 엔진이 숨을 들이마시는 과정으로 흡입 단계에서 피스톤은 상사점에서 하사점으로 내려가게 되는데 이때 흡기 밸브는 열리게 되며 배기 밸브는 반대로 닫히게 됩니다.
즉, 흡입 단계에서의 4행정 사이클 기관 원리는 피스톤이 아래로 내려가면서 실린더 내부의 부피가 늘어나면서 일시적으로 진공 상태가 형성되는데 이 압력 차이로 인해 외부에 있는 공기가 흡기 밸브를 통해 실린더 안으로 들어오게 됩니다.
흡입 단계에서 핵심 기술은 GDI와 MPI가 있는데 GDI MPI 비교한 결과 어떤 차이점이 있는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
MPI는 흡기 포트에서 연료를 미리 섞은 후 들어오게 되는 데 예전에 자주 사용되던 방식으로 정숙하다는 장점이 있습니다.
반면, GDI 엔진은 공기만 흡입한 후 실린더 안으로 연료를 직접 분사하는 것으로 대부분 고효율 엔진에서는 350바 이상의 높은 압력의 GDI 시스템을 사용하고 있습니다.
2) 압축(Compression Stroke)
두 번째 4행정 사이클 순서는 압축으로 들어온 공기와 연료를 강하게 눌러 폭발력을 높이기 위한 사전 단계로 압축 단계에서 피스톤은 하사점에서 다시 상사점으로 올라가는데 이때 흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 닫히게 되어 밀폐 상태를 유지하게 됩니다.
즉, 압축 단계에서의 4행정 사이클 기관 작동원리는 밀폐된 공간에서 피스톤이 위로 올라가면서 혼합기를 압축시키는데 이때 단열 압축이 발생하여 혼합기의 압력과 온도가 급격하게 올라갑니다. 만약 가솔린이라면 약 400~500도까지도 온도가 올라갑니다.
압축비의 경우 압축비가 높을수록 열효율이 좋아지긴 하지만 압축비가 너무 높으면 스파크가 튀기 전에 폭발해 버리는 노킹 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 요즘 4행정 엔진에서는 이를 예방하기 위해 점화 타이밍을 정밀하게 제어하며 냉각 기술을 함께 사용합니다.
3) 폭발(Combustion Stroke)
세 번째 4행정 사이클 순서는 폭발로 실질적인 힘이 발생하는 유일한 단계로 폭발 단계에서 피스톤은 상사점에서 다시 하사점으로 내려가는데 이때 흡기 밸브와 배기 밸브는 모두 닫혀있습니다.
즉, 폭발 단계에서의 4행정 사이클 작동 원리는 상사점에 도달하기 직전인 압축이 끝날 무렵 점화 플러그에서 불꽃을 튀기는데 이때 압축된 혼합기가 갑자기 연소하면서 높은 온도와 압력의 가스로 팽창하게 됩니다. 그럼 이 팽창 압력이 다시 피스톤을 아래로 밀어내는데 이 과정이 커넥팅 로드를 통해 크랭크축의 회전운동으로 전환됩니다.
따라서 연료의 화학 에너지가 폭발이라는 열에너지로 변경된 후 회전이라는 기계적 에너지로 변경되는 것이 세 번째 순서인 폭발 단계에서 일어나게 됩니다.
4) 배기(Exhaust Stroke)
네 번째 4행정 사이클 순서는 배기로 연소한 가스를 밖으로 내보낸 후 다음 사이클을 준비하는 과정으로 배기 단계에서 피스톤은 하사점에서 다시 상사점으로 올라가는데 이때 흡기 밸브는 닫혀있지만 배기 밸브가 열리게 됩니다.
즉, 배기 단계에서의 4행정 사이클 원리는 피스톤이 올라가면서 연소 가스를 배기 밸브로 밀어내게 되는데 이때 배출된 가스가 배기 매니폴드와 촉매 장치 그리고 머플러를 통해 차량 밖으로 내보내게 됩니다.
다만, 배기가스가 밖으로 잘 빠져나가야 다음 흡입 단계에서 신선한 공기를 잘 들여올 수 있는데 이 과정을 원활하게 하기 위해 배기 밸브가 닫히기 직전에 흡기 밸브를 미리 여는 밸브 오버랩 기술이 사용됩니다.
4. 4행정 사이클 기관 발전 과정
물론 지금도 여전히 4행정 사이클이 사용되긴 하지만 이 기술은 다양한 방식으로 진화해 왔는데 그러면 어떤 방식으로 진화해 왔는지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째는 앳킨슨 사이클과 밀러 사이클입니다. 최근에 출시되는 하이브리드 자동차는 예전에 나온 오토 사이클 대신 앳킨슨 사이클이나 밀러 사이클을 사용합니다.
앳킨슨 사이클 엔진 원리는 압축 행정에서 흡기 밸브를 조금 늦게 닫아서 혼합기의 일부를 다시 흡기 포트로 되돌려 보내는데 그로 인해 실제 압축비보다 팽창비를 더 크게 만들어서 펌핑 로스를 줄이며 열효율을 40% 이상으로 올립니다. 물론 출력은 조금 떨어질 수 있지만 부족한 힘은 전기 모터로 보완할 수 있어 연비를 올리기 위한 목적으로 많이 사용됩니다.
두 번째는 가변 밸브 타이밍으로 엔진의 회전수인 RPM에 따라서 밸브를 열고 닫는 타이밍을 조절하는 기술입니다. 낮은 속도로 회전할 땐 밸브를 짧게 열어서 유속을 빨리하며 연소 안정성을 높일 수 있습니다. 반면, 높은 속도로 회전할 땐 밸브를 길게 열어서 공기를 많이 흡입하여 높은 출력을 낼 수 있습니다.
특히, 현대 자동차의 CVVD 기술은 밸브가 열려 있는 시간까지 자유롭게 조절할 수 있어 4행정 사이클의 한계를 넘었다는 평을 받고 있습니다.
세 번째는 통합 열관리 시스템으로 열 관리를 기계적인 작동으로만 하는 것이 아니라 전기를 통해 조절합니다. 엔진이 차갑다면 냉각수 흐름을 막아서 온도를 높이게 되고 높은 부하가 발생하는 주행에서는 온도를 정밀하게 낮춰서 노킹 현상을 예방할 수 있습니다.
5. 4행정 2행정 차이
4행정 사이클에서는 흡입 – 압축 – 폭발 – 배기라는 과정이 독립적으로 발생하며 크랭크 회전이 2번 발생할 때마다 한 번 폭발하게 됩니다.
반면, 2행정 사이클은 소기/압축과 폭발/배기라는 과정이 중첩적으로 발생하며 크랭크축이 한 번 회전할 때마다 한 번 폭발하게 됩니다.
4행정 사이클 장점은 연비가 좋고 배기가스가 깨끗하며 내구성이 뛰어나다는 것이 있지만 단점으로는 구조가 복잡하며 무겁고 제조 단가가 비싸다는 것이 있습니다.
2행정 사이클 장점은 구조가 단순하며 같은 배기량 대비 출력이 크다는 것이 있지만 단점으로는 연비가 나쁘며 엔진 오일과 연료를 함께 태워서 대기오염물질을 유발할 수 있습니다.
주로 사용되는 용도에 따른 4행정 2행정 차이를 살펴보면 4행정은 승용차나 트럭은 물론 최근에 출시한 하이브리드 차량에 많이 사용되지만 2행정은 예초기나 소형 발전기 등에 부분적으로 사용됩니다.
6. 자주 묻는 질문
1) 4행정 엔진 오일은 2행정과 많이 다르나요?
4행정 엔진에 사용되는 엔진 오일은 2행정 엔진에 사용되는 엔진 오일과 많이 다릅니다.
4행정 엔진에서는 오일이 엔진 내부를 돌아다니며 윤활과 냉각 작용면 하되 연소실로 들어가지 않지만 2행정 엔진에서는 연료와 오일을 섞어서 태운다는 차이점이 있습니다.
따라서 4행정 엔진에서는 4행정 엔진 전용 엔진 오일을 주기에 맞춰서 교환해 주어야 합니다.
2) 전기차 시대에서 4행정 엔진을 왜 알아야 하나요?
물론 현대에서는 전기차의 보급률이 점차 높아지고 있지만 아직 충전소가 부족하다는 단점과 함께 배터리의 불완전성에 대한 문제가 지속적으로 제기되어 하이브리드 및 플러그인 하이브리드 차량이 선호되고 있습니다.
하이브리드 시스템에서 효율과 관련된 것이 바로 4행정 엔진이며 탄소 중립 연료인 e-Fuel을 사용하는 내연 기관은 친환경 차로 분류되기 때문에 미래에도 계속 사용될 것으로 보입니다.
3) 타이밍 벨트가 끊어지면 어떻게 되나요?
타이밍 벨트는 크랭크축과 밸브를 여닫는 축인 캠축의 회전 타이밍을 이어주는 역할을 합니다.
따라서 만약 타이밍 벨트가 끊어지면 피스톤이 올라와도 밸브가 제대로 닫히지 않아 충돌이 발생하는데 그러면 엔진 헤드와 피스톤이 파손되어 엔진 전체를 교체해야 할 수 있습니다.
7. 나가는 글
지금까지 4행정 사이클 순서인 흡입, 압축, 폭발, 배기에 대한 작동 원리에 대해 자세히 알아보았습니다.
예전에 니콜라우스 오토가 이 방식을 처음 생각해 냈을 때부터 지금까지 4행정 사이클은 계속해서 발전해 오고 있습니다. 물론 단순히 폭발이 연속적으로 발생하는 것처럼 보일 수 있지만 유체 역학과 열역학 그리고 재료 공학에 이어 최신 전자 제어 기술의 집약체라고 생각합니다.
게다가 4행정 사이클 엔진은 앞으로 수소 엔진이나 다른 합성 연료와 결합하여 새로운 형태로 발전하여 계속 사용될 것으로 보입니다. 그렇기 때문에 현재 사용되는 4행정 사이클 기관 원리를 이해한다면 앞으로 사용될 엔진이 어떻게 발전될 것인지 유추할 수 있으며 미래에 사용될 엔진의 이해도를 높일 수 있습니다.