[작성중]2행정 엔진? 4행정 엔진?

how to?

가솔린 기관의 힘으로 달리는 탈것에서 가장 중요한 기관이자 복합적인 이해를 필요로 하는 엔진에 대해서 알아 봅시다. 

바이크나 자동차를 집안 기둥 뽑아가며 타는 사람은 많아도 정작 작동 메카니즘에 대해서는 무지한 경우가 더 많습니다.

(본글은 본래 제작자의 의도와 달리 편집되고 수정된 내용을 포함합니다.)

행정이 의미하는 stroke는 무엇인가?

행정이란 피스톤이 최고 높이 올라가는 지점(상사점)과, 최고 낮게 내려오는 지점(하사점) 사이의 거리를 의미하며, 즉, 피스톤이 하사점에서 상사점에 도달할때가 1행정이며, 상사점에서 다시 하사점으로 내려오면 2행정을 마치게 됩니다.

ex)엔진이 10,000rpm 으로 작동하면, 2스트로크 엔진은 10,000번의 폭발을 하며, 

4스트로크 엔진은 5,000번 폭발합니다.(rpm 이란 1분당 회전수를 말합니다.)

동일한 한번의 폭발로 모든 작동 과정을 반복 하기에 1분의 차이도 어마어마한 차이를 만들어 냅니다.

이론상 이행정은 2배의 출력을 더 낼 수 있지만 실제로는 1.4~6정의 차이를 만들어 낸다고 합니다.

우선 기본적으로 엔진은 흡기 - 압축 - 폭발 - 배기 로 이루어 지며 이 과정을 한 번에 할지 나누어 할지 어떤 타이밍에 나누어 할 것인가에 따라 2행정 4행정이 구분됩니다. (이는 DOHC & SOHC 등의 설계 목적 이기도 합니다)

2스트로크 엔진은 '상승/하강' 이라는 2개의 행정을 가지고 있습니다.

먼저, 상승 행정에는 피스톤이 올라가면서 배기구와 소기구가 닫힙니다
배기구는 말 그대로 배기개스가 나가는 구멍이며, 소기구는 크랭크실 안에 있는 혼합기가 실린더 내로 들어오는 구멍입니다. 그리고 상승하여, 실린더내의 혼합기가 압축이 되며 상사점에 도달하게 됩니다.

상사점에 도달한 피스톤이 내려오려 할때 폭발이 일어나서 , 피스톤이 밀려내려 오게 됩니다.(하강 행정) 
피스톤이 내려가면서 배기구가 열리며, 폭발 후 배기가스는 압력이 높음으로 기압차에 의해서 배기구로 빠져나갑니다.

배기 가스는 소기구가 열리면서, 크랭크실에 있던 혼합기가 실린더로 들어가는데 이때 빠져나갑니다. 

(실린더 내의 압력은 약해지고 피스톤이 밀려 내려갈 때 크랭크실의 압력이 높아졌기 때문에 기압차에 의해서 나가게 됩니다.) 그러나 이때 소기구와 배기구가 동시에 열려서 혼합기가 배기구로 빠져나가기도 합니다. 

(이는 출력, 연비와 이어지는 2행정의 특징입니다)이렇게 2행정 1사이클을 마치고, 다시 상승 행정을 반복합니다.

오른쪽 쳄버로 나가는 가스가 도로 다시 연소실로 유입 되는 것을 볼 수가 있습니다.

이것이 파워 밴드 입니다. (쳄버의 형상으로 파워 밴드가 터지는 RPM 구간을 설계합니다)

4스트로크 엔진은 엔진의 기본적 구조 '흡기/압축/폭발/배기' 를 각각 다른 행정에 나누어서 하게 됩니다. 

즉 4행정에 1사이클을 마치게 됩니다.

먼저 흡기 행정에서는 흡기 밸브만 열리며, (배기 밸브는 닫혀있음) 피스톤이 내려가면서 실린더 내의 압력이 낮아짐으로 혼합기가 실린더 내로 들어오게 됩니다. (이는 주사기를 물에 놓고 당기면 물이 올라오는것과 같은 원리입니다)

압축 행정에서는 흡기 밸브가 닫히고 피스톤이 올라가게 되어, 실린더내의 혼합기가 압축이 되어 상사점에 도달하게 됩니다 (이때, 밸브는 아무것도 열려있지 않습니다)

폭팔 행정은 상사점에 도달해서 피스톤이 내려오려 할때 쯤 플러그에서 불꽃이 튀어 압축된 혼합기가 폭발하며, 

압력으로 피스톤이 하강하게 됩니다. (이때, 밸브는 아무것도 열려있지 않습니다)

배기 행정에서는 배기밸브가 열리고, 피스톤이 상승하면서 배기 가스를 밀어내게 됩니다. 
이렇게 4행정으로 1사이클을 마치고 다시 혼합기를 흡입하게 되죠

여기서 보면, 4행정 동안 밸브는 2번 열렸으며, 흡기/배기 밸브가 번갈아가며 열렸습니다.
즉 크랭크 샤프트가 2번 회전할 동안에 캠 샤프트는 1번 회전하게 됩니다.

크랭크 샤프트란 피스톤의 상/하 수직 운동을 회전운동으로 전환 시키는 축을 말하며, 캠 샤프트란 밸브를 여/닫는
캠을 회전시키는 (연결되어 있는) 축을 말합니다.

DOHC , SOHC 는 바로 이 캠 샤프트 (Cam Shaft)에 따른 차이 입니다. 자료링크

여기서 느낄수 있겠지만, 4행정은 2행정보다 상당히 복잡합니다.

2스트로크와 4스트로크의 차이점

① 2스트로크는 1사이클에 크랭크 축이 1번 회전하지만 4스트로크는 2번 회전하게 됩니다. 

그러나 둘 다 1사이클에 폭발 행정을 한 번 가짐으로, 2스트로크의 출력이 더 높습니다.

(즉, 2스트로크는 폭발 후, 상승 행정을 한번 가지지만 4스트로크는 폭발 후 상승/하강/상승 행정을 거치게 됩니다)

② 2스트로크의 크랭크 실은 혼합기로 차 있으나, 4스트로크는 윤활유 (Engine oil) 로 차 있습니다.

③ 2스트로크는 흡/배기 밸브가 없고 4스트로크는 있습니다.
2스트로크는 피스톤의 상/하 운동에 의해서 개폐되는 크랭크 리드 밸브가 있습니다.

④ 2스트로크는 흡기구와 배기구가 동시에 열림으로 혼합기가 배기구로 일부 빠져나감으로 연비가 좋지않습니다. 그러나 4스트로크는 2 행정마다 밸브가 1번씩 교대로 열려 혼합기가 빠져나가지 않기에 연비가 좋습니다.

⑤ 단기통이나 2기통의 경우 특히 4스트로크보다 2스트로크의 출력이 안정적이다. 

4스트로크는 한번의 폭발로 남은 3행정을 마처야 함으로, 처음 폭발과 마지막 압축시 힘의 차가 있습니다. 

4기통 이상이 되면, 행정당 실린더가 번갈아 폭발하게 됨으로 안정적이게 됩니다. 

(6기통이상이 가장 안정적)

종합적으로 이행정 기관은 복잡한 밸브 기구를 필요로 하지 않게 되고 오일 펌프나 라인을 필요로 하지 않습니다.

덕분에 설계가 복잡하지 않은 작고 가벼운 엔진을 만들 수 있으며 초고속 회전 엔진을 만들 수 있습니다.

그러나 피스톤 및 실린더의 내구성이 떨어집니다. (텍트 같은 상용차는 결코 그렇지 않습니다)

문제는 환경오염과 효율성 입니다. 직관적인 설계로 정비는 용이하지만 셋팅은 까다롭습니다.

http://www.animatedengines.com/index.html 내연기관 에니메이션