실린더 안쪽

자동차 엔진의 역할은 하나입니다. 연료가 탈 때 생기는 열을 축의 회전으로 바꾸는 것입니다. 거의 모든 휘발유 및 디젤 자동차는 여러 실린더에서 같은 원리를 반복해 사용합니다. 관 안에서 위아래로 움직이는 피스톤과, 이 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸는 장치가 바로 그것입니다.

위에서 아래 순서로 살펴본 실린더의 주요 부품은 다음과 같습니다.

• 실린더와 실린더 헤드. 피스톤이 움직이는 관으로, 위쪽은 헤드로 막혀 있습니다. 피스톤과 헤드 사이의 공간이 연소실입니다.
• 밸브. 헤드에 있는 두 개 이상의 작은 문입니다. 흡기 밸브는 신선한 공기(그리고 많은 엔진에서는 연료)를 안으로 넣고, 배기 밸브는 연소된 기체를 밖으로 내보냅니다. 회전하는 캠축이 알맞은 순간에 밸브를 밀어 엽니다.
• 점화 플러그(휘발유 엔진). 불꽃을 만들어 연료와 공기에 불을 붙입니다.
• 피스톤. 플런저 역할을 합니다. 피스톤 둘레의 링이 실린더 벽과의 틈을 막습니다.
• 커넥팅 로드. 피스톤과 크랭크축을 연결하는 튼튼한 막대입니다. 움직일 때 함께 흔들립니다.
• 크랭크축. 크랭크 암이라는 중심에서 벗어난 부분이 있는 축입니다. 피스톤이 로드를 밀면, 로드가 크랭크 암을 원을 그리며 돌립니다. 발로 자전거 페달을 돌리는 것과 같습니다.
• 플라이휠. 크랭크축 끝에 달린 무거운 원판으로, 회전 에너지를 저장합니다.

행정은 피스톤이 가장 높은 지점인 상사점(TDC)과 가장 낮은 지점인 하사점(BDC) 사이를 이동하는 거리입니다. 크랭크 스로는 축의 중심에서 r만큼 떨어져 있으므로, 피스톤은 반 바퀴 동안 r만큼 올라가고 r만큼 내려갑니다. 즉, 행정 = 2r입니다.

피스톤의 높이는 크랭크와 커넥팅 로드의 기하학적 관계로 구할 수 있습니다. 크랭크 각도 θ를 상사점에서부터 측정하고 커넥팅 로드의 길이를 l이라고 하면, 축의 중심에서 피스톤 핀까지의 거리는 x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ)입니다. 이 식으로 직접 계산할 필요는 없지만, 식이 말해 주는 내용을 살펴보세요. 피스톤의 모든 위치는 크랭크 각도로 정해집니다. 크랭크를 돌리면 엔진 전체가 움직이고, 어느 부분도 박자를 놓칠 수 없습니다.

피스톤은 회전하지 않습니다. 피스톤은 곧게 미끄러져 움직이고, 커넥팅 로드는 좌우로 흔들리며, 크랭크축만 회전합니다. 피스톤은 실제로 위와 아래에서 방향을 바꾸는 순간 잠시 멈추며, 각 행정의 가운데 부근에서 가장 빠르게 움직입니다.

엔진 크기를 나타내는 두 가지 수치가 있습니다. 실린더 하나의 스윕 볼륨(배기량)은 피스톤의 면적에 스트로크를 곱한 값입니다. V = (π/4) × 보어² × 스트로크. 보어와 스트로크가 각각 86 mm일 때, V = (π/4) × 0.086² × 0.086 ≈ 0.0005 m³ = 0.5 리터입니다. 따라서 이런 실린더 4개면 2.0 리터 엔진이 됩니다.

압축비는 가스가 차지하는 가장 큰 부피와 가장 작은 부피를 비교한 값입니다. CR = (스윕 볼륨 + 클리어런스 볼륨) / 클리어런스 볼륨이며, 클리어런스 볼륨은 상사점에서 피스톤 위에 남는 공간입니다. 실린더 하나가 500 cm³를 스윕하고 상단에서 50 cm³가 남는다면, CR = 550 / 50 = 11 : 1입니다.

피스톤은 얼마나 빠르게 움직일까요? 평균 속도는 2 × 스트로크 × (초당 회전 수)입니다. 6,000 rpm(초당 100회전)에서 86 mm 스트로크라면 2 × 0.086 × 100 ≈ 17 m/s, 약 62 km/h입니다. 초당 수백 번 위아래로 움직이는 셈이죠. 이것이 엔진이 안전하게 회전할 수 있는 속도에 한계가 있는 이유 중 하나입니다.