내연기관은 자동차의 심장이자, 지난 한 세기 이상 인류의 이동을 가능하게 만든 핵심 기술입니다. 전기차와 수소차 같은 신기술이 빠르게 성장하고 있지만, 아직까지 전 세계 도로를 달리는 자동차의 대부분은 내연기관을 기반으로 하고 있습니다. 따라서 자동차의 기본 구조와 원리를 이해하고 싶다면, 내연기관의 작동 방식부터 알아야 합니다. 이 글을 통해서 내연기관의 대표적인 4 행정 사이클, 연료분사 방식, 그리고 압축 원리에 대해 누구나 이해할 수 있도록 자세히 알아봅시다.
4 행정 사이클: 엔진의 동력은 어떻게 만들어지는가?
내연기관은 연료의 화학 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치입니다. 가장 대표적인 방식이 바로 ‘4 행정 사이클’이며, 이는 흡입–압축–폭발–배기의 네 단계를 통해 동력을 생성합니다. 피스톤이 실린더 안에서 상하 운동을 반복하며, 크랭크축을 회전시키는 구조입니다.
흡입행정(Intake Stroke): 이 단계에서 흡기 밸브가 열리며, 피스톤이 하강하면서 실린더 내부의 압력이 낮아지고 외부 공기와 연료가 혼합되어 유입됩니다. 이 혼합기는 곧 연소에 사용될 에너지의 원천입니다.
압축행정(Compression Stroke): 피스톤이 상승하면서 혼합기를 압축합니다. 이로 인해 연료 혼합물의 온도와 밀도가 높아지고, 폭발 시 발생하는 에너지가 극대화됩니다. 이 과정은 연소 효율과 연비에 결정적인 영향을 미칩니다.
폭발행정(Power Stroke): 압축된 혼합기에 점화플러그가 불꽃을 튀기며 점화를 유도합니다. 이 순간 폭발이 발생하면서 강력한 힘으로 피스톤을 아래로 밀어냅니다. 이 에너지가 차량 바퀴를 돌리는 실제 동력으로 바뀝니다.
배기행정(Exhaust Stroke): 마지막 단계에서는 피스톤이 다시 상승하며 배기 밸브가 열리고, 연소 후 남은 배기가스가 외부로 배출됩니다. 이후 다시 흡입행정으로 순환이 시작됩니다.
이 네 가지 행정은 초당 수십 회 반복되며, 수많은 부품들이 정교하게 작동하여 차량이 매끄럽게 움직이게 합니다. 타이밍벨트, 밸브트레인, 캠축 등의 부품이 이 사이클이 정확히 반복되도록 제어하며, 이 과정에서 아주 작은 오차만 생겨도 연비 저하, 출력 손실, 배기가스 증가로 이어질 수 있습니다.
연료분사 방식: 내연기관의 심장을 좌우하는 기술
연료를 얼마나 효율적으로, 그리고 정확하게 분사하는지는 엔진 성능과 환경 영향을 동시에 결정하는 요소입니다. 초기 내연기관은 기계식 카뷰레터를 사용했지만, 전자 제어 기술의 발달로 연료 분사 방식도 급속도로 진화했습니다.
MPI (Multi Point Injection): 각 실린더의 흡기 포트에 인젝터를 장착하여 다점으로 연료를 분사하는 방식입니다. 구조가 단순하고 비교적 유지보수가 쉬우며, 연료 혼합비가 안정적으로 유지됩니다. 대부분의 가솔린 차량에 오랫동안 채택되어 온 방식입니다.
GDI (Gasoline Direct Injection): 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 기술입니다. 연소실 내부에 연료를 분사하여 폭발 직전에 공기와 섞이도록 해 출력과 연비를 높일 수 있습니다. 그러나 높은 온도에서 연료가 분사되기 때문에 흡기 밸브에 탄소 찌꺼기가 쌓이는 ‘카본 슬러지’ 문제가 발생할 수 있어 정기적인 관리가 필요합니다.
디젤 분사 시스템(Common Rail): 디젤 엔진은 고압으로 연료를 분사해야 하므로, 연료를 고압 상태로 저장하는 커먼레일 시스템을 사용합니다. 고압 펌프가 연료를 2,000~2,500 bar까지 압축하고, 인젝터가 전자제어로 정확한 시점에 분사합니다. 디젤의 경우 점화플러그 없이 연료가 자체 발화되기 때문에 이 분사 타이밍이 매우 중요합니다.
최근에는 GDI와 MPI를 함께 사용하는 듀얼 인젝션 시스템도 등장하고 있습니다. 이는 저부하에서는 MPI를 사용해 카본 슬러지를 줄이고, 고출력 상황에서는 GDI를 통해 효율을 극대화하는 방식입니다. ECU는 센서를 통해 엔진 온도, RPM, 부하 등을 실시간 분석해 어떤 방식의 분사를 사용할지 자동으로 판단합니다.
압축과 압축비: 엔진 성능의 기초이자 결정 요소
‘압축’은 연료 혼합기를 작은 공간으로 압축시켜 폭발력을 극대화하는 단계입니다. 이때 압축비가 높을수록 폭발이 더 강하게 일어나며, 같은 연료로 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다. 압축비는 실린더 내 최대 부피와 최소 부피의 비율로 정의됩니다.
높은 압축비의 장점: 연비가 향상되고, 출력이 증가하며, 연소가 더 완전하게 이루어집니다. 예를 들어, 10:1의 압축비는 혼합기를 10배로 압축한다는 의미로, 이 과정에서 연료의 잠재 에너지가 더 잘 활용됩니다.
문제점: 노킹: 압축비가 지나치게 높아지면, 연료가 점화플러그의 불꽃 없이도 스스로 발화하게 됩니다. 이로 인해 실린더 내부에서 두 번 이상 폭발이 발생하는데, 이를 노킹이라 합니다. 노킹은 피스톤, 실린더 헤드, 밸브 등에 손상을 줄 수 있어 엔진 내구성에 부정적 영향을 미칩니다.
가솔린 엔진은 보통 9:1~12:1, 디젤 엔진은 16:1~20:1의 압축비를 가지고 있습니다. 디젤은 고압에서 연료가 자연 발화되어야 하므로 높은 압축비가 필수입니다. 반면, 터보차저나 슈퍼차저처럼 공기를 강제로 밀어 넣는 과급기가 장착된 엔진은 기본 압축비를 낮춰서 설계합니다. 과급에 의해 이미 압축된 공기가 실린더에 들어오기 때문에, 기본 압축비까지 높으면 노킹 위험이 커집니다.
가변 압축비 기술: 닛산의 VC-Turbo 엔진처럼 압축비를 주행 상황에 따라 실시간으로 조절하는 기술도 상용화되었습니다. 고속 주행 시에는 낮은 압축비로 출력을 강화하고, 일반 주행 시에는 높은 압축비로 연비를 높이는 방식입니다. 이 기술은 내연기관의 효율성과 유연성을 한층 강화한 예로 평가받습니다.
전기차와 하이브리드차의 보급이 늘고 있지만, 내연기관은 여전히 자동차 시장의 주류입니다. 그 원리를 이해하면 차량의 구조, 연비 운전법, 고장 진단, 튜닝까지 다양한 지식을 쌓을 수 있습니다. 4 행정 사이클, 연료 분사 방식, 압축과 압축비의 개념은 자동차 기술의 기초이자 핵심입니다.