차가 움직이는 건 엔진에서 폭발이 일어나기 때문이라고 알고 있었습니다. 그런데 직접 공부해보니 그 말은 절반만 맞았습니다. 실린더 안에서는 폭발이 아니라 정교하게 설계된 네 단계의 흐름이 반복되고 있었습니다. 4행정 엔진의 작동 원리를 이해하는 순간, 엔진이 전혀 다르게 보이기 시작했습니다.
피스톤이 한 번 움직이면 엔진이 한 번 돈다고요?
처음 엔진 구조를 공부할 때 저도 그렇게 생각했습니다. 피스톤이 위아래로 한 번 왔다 갔다 하면 엔진이 한 번 작동하는 줄 알았습니다. 그런데 이건 완전히 틀린 생각이었습니다.
4행정 엔진에서 피스톤은 총 네 번의 행정(stroke)을 완료해야 연소 사이클 하나가 끝납니다. 여기서 행정이란 피스톤이 실린더 안에서 위 또는 아래로 한 번 이동하는 과정을 의미합니다. 즉, 피스톤이 두 번 올라가고 두 번 내려가야 비로소 한 사이클이 완성된다는 뜻입니다. 이 과정에서 크랭크축(crankshaft)은 두 바퀴를 회전합니다. 크랭크축이란 피스톤의 직선 왕복 운동을 회전 운동으로 바꿔주는 부품으로, 이 회전력이 결국 바퀴까지 전달됩니다.
처음에 이 사실을 알았을 때 솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 피스톤 하나가 그렇게 복잡한 일을 하고 있다는 게 실감이 나지 않았습니다. 미국 에너지부(DOE)에 따르면 4행정 엔진은 흡입, 압축, 연소·팽창, 배기의 네 단계로 이루어진 사이클을 기반으로 작동하며, 이 구조가 현재 대부분의 가솔린 승용차에 사용되고 있습니다(출처: 미국 에너지부).
흡입과 압축, 힘을 만들기 전에 준비하는 과정
제가 4행정을 공부하면서 가장 흥미로웠던 부분은 앞의 두 단계가 아무런 동력도 만들지 않는다는 점이었습니다. 오로지 연소를 위한 준비 과정이었습니다.
첫 번째인 흡입 행정에서는 피스톤이 아래로 내려가면서 흡기밸브(intake valve)가 열립니다. 흡기밸브란 실린더 안으로 공기와 연료의 혼합기가 들어오는 통로를 여닫는 부품입니다. 이때 가솔린 엔진은 공기와 연료가 미리 섞인 혼합기를 흡입하고, 피스톤이 내려가며 생기는 낮은 압력 덕분에 혼합기가 자연스럽게 빨려 들어옵니다.
두 번째인 압축 행정에서는 흡기밸브와 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 다시 올라갑니다. 이 과정에서 혼합기가 좁은 공간으로 압축되는데, 이때 압축비(compression ratio)가 중요해집니다. 압축비란 피스톤이 최하점에 있을 때의 실린더 부피와 최상점에 있을 때의 부피 비율을 뜻하며, 이 수치가 높을수록 연소 효율이 올라갑니다. 가솔린 엔진의 경우 일반적으로 압축비가 너무 높으면 점화플러그가 점화하기 전에 혼합기가 스스로 발화하는 노킹(knocking) 현상이 발생할 수 있습니다.
4행정의 흐름을 정리하면 다음과 같습니다.
- 흡입 행정: 피스톤 하강, 흡기밸브 개방, 혼합기 유입
- 압축 행정: 피스톤 상승, 흡기·배기밸브 닫힘, 혼합기 압축
- 연소·팽창 행정: 점화플러그 점화, 연소 압력으로 피스톤 하강, 동력 생성
- 배기 행정: 피스톤 상승, 배기밸브 개방, 연소 가스 배출
폭발이 아니라 팽창, 이 차이가 생각보다 중요합니다
세 번째 단계는 흔히 폭발 행정이라고 불리는데, 제 경험상 이 표현이 오히려 이해를 방해하는 경우가 많았습니다. 저도 처음에 "실린더 안에서 무언가가 터진다"고 생각했는데, 그렇게 되면 엔진 부품이 버텨낼 수 없을 것입니다.
정확하게는 연소·팽창 행정이라고 부르는 것이 맞습니다. 압축된 혼합기에 점화플러그(spark plug)가 전기 불꽃을 만들면 연소가 시작되고, 연소로 발생한 고온·고압의 가스가 피스톤을 아래로 밀어냅니다. 여기서 점화플러그란 전기 에너지를 이용해 혼합기에 불꽃을 공급하는 부품으로, 가솔린 엔진에서 연소의 시작점 역할을 합니다. 이 팽창 압력이 크랭크축을 회전시키는 실질적인 힘이 되며, 4행정 중 유일하게 동력이 발생하는 구간입니다.
마지막 배기 행정에서는 피스톤이 다시 올라가면서 배기밸브(exhaust valve)가 열리고, 연소가 끝난 가스가 실린더 밖으로 밀려납니다. 배기밸브란 연소 후 발생한 배기가스를 실린더 외부로 내보내는 역할을 하는 부품입니다. 이 과정이 완료되면 다시 흡입 행정이 시작되고, 사이클은 계속 반복됩니다.
미국 환경보호청(EPA)에 따르면 이 연소 과정에서 발생하는 배기가스에는 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소 등 다양한 오염물질이 포함되어 있으며, 배기 시스템과 촉매변환기가 이를 저감하는 역할을 합니다(출처: 미국 환경보호청).
4행정을 제대로 이해하고 나니 그 이후 공부가 훨씬 수월해졌습니다. 캠샤프트가 왜 있는지, 점화 타이밍이 왜 중요한지, 터보차저가 어느 지점에서 역할을 하는지가 자연스럽게 연결되었습니다. "엔진에서 폭발이 일어난다"는 말로는 설명되지 않던 것들이 흡입, 압축, 연소·팽창, 배기라는 흐름을 기준으로 보면 하나씩 자리를 잡기 시작했습니다. 자동차 엔진이 어렵게 느껴진다면 이 네 단계의 흐름부터 머릿속에 그려보는 것을 권합니다.
다음 주제로 엔진 연료와 공기 혼합 연소 원리를 준비해 보았어요. 엔진 동작의 원리를 알아보는데 큰 도움이 될 내용입니다.
참고: https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics
https://www.epa.gov/vehicles-and-engines