자동차 엔진 chapter28.(엔진의 기계적 측정)

엔진의 기계적 측정 Engine Mechanical Measurement

※ 엔진 측정(Engine Measurements)
이전 절들에서 토크와 마력에 대하여 서술하였습니다. 다음 절들은 체적 효율을 포함하는 엔진 성능 측정에 대하여 설명하고 있습니다. 엔진 성능은 종종 엔진의 기계적 측정치에 좌우되며, 측정장치에는 보어와 스트로크, 피스톤 행정 체적, 그리고 압축비 등이 있습니다. 또한 기계적 측정장치는 엔진의 토크와 마력에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 작동 영역과 출력에도 영향을 미칩니다.

※ 보어와 스트로크(Bore and Stroke)
엔진 실린더의 크기는 보어(bore)와 스트로크(stroke)로 나타냅니다. 보어는 실린더의 지름이며, 스트로크(stroke)는 피스톤(piston)이 하사점에서 상사점까지 움직이는 거리를 말합니다. 보어는 항상 제일 앞에 주어집니다. 예를 들면 4x3.5인치 엔진의 경우, 보어는 4인치이며 스트로크는 3.5인치입니다. 이러한 측정치는 피스톤 변위를 나타낼 때 사용됩니다. 스트로크보다 보어가 클 경우 단행정 엔진(oversqaure)이라 하고, 보어와 스트로크의 크기가 같은 경우를 스퀘어(square) 엔진이라 합니다. 스퀘어 엔진과 단행정 엔진으로 제작하는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 짧은 스트로크는 피스톤과 링의 이동 거리가 짧으므로 마찰 손실이 적으며, 엔진 베어링의 부하를 감소시킵니다. 또한 짧은 스트로크는 엔진의 높이를 감소시키므로 차량의 후드 라인(hoodline)을 낮출 수 있습니다. 반면 일부 엔진에서는 엔진의 배기가스를 줄이기 위하여 스트로크를 길게 합니다. 이것은 연소를 위한 공기-연료의 혼합 시간을 길게 줌으로써 결과적으로는 좀 더 나은 연소와 깨끗한 배기가스를 발생시킬 수 있습니다.

※ 피스톤 행정 체적(Piston Displacement)
in3 는 "세제곱인치"를 의미합니다.
피스톤 행정 체적을 "충전 체적(swept volume)"이라고도 합니다. 이것은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 움직이면서 생성되는 피스톤의 배출 체적을 말합니다. 예를 들면 4x3.5인치[101.6x88.9mm]인 실린더는 피스톤 행정 체적 직경이 4인치이고 스트로크의 길이가 3.5인치인 실린더에 대한 체적을 말합니다. 행정 체적을 알기 위해서는 다음의 공식을 사용합니다. 

엔진이 8개의 실린더를 갖는다고 가정해봅니다. 전체 행정 체적은 43.97x8 또는 351.68in3가 되며, 엔진은 351.68in3(CID)인 행정 체적을 갖습니다. 행정 체적은 반올림하여 "351"로 나타내며, 행정 체적을 미터단위로 cc나 L로 나타냅니다. 200 CID 엔진은 3277.4cc의 행정 체적을 가지며, 반올림하면 3280cc 또는 3.3L입니다. 1 in.3 은 16.39cc이고, 1L는 61.02in.3입니다. 반켈 엔진은 피스톤 대신 로터를 가지므로, 배기량은 로터의 회전으로 인한 최대 체적에서 최저 체적까지의 체적의 변화를 나타냅니다. 

※ 압축비(Compression Ratio)
압축비는 혼합기가 압축 행정시 얼마나 압축되는가를 나타냅니다. 압축비는 피스톤이 하사점에 위치할 때의 실린더의 체적을 피스톤이 상사점에 있을 때의 연소실 체적으로 나눈 것입니다. 피스톤이 상사점에 있는 경우의 체적은 연소실 체적(clearance volume)이 됩니다. 예를 들면, 하사점에서 42.35in.3[694cc]의 실린더 체적을 가지고, 연소실 체적이 4.45in.3[73cc]이라고 하면, 압축비는 42.35를 4.45로 나눈 값입니다.(694÷73). 즉 9.5 : 1입니다. 혼합기는 압축 행정 동안 원체적의 1/9.5로 압축됩니다.

※ 압축비의 증가
압축비가 높을 때는 압축 행정 동안 혼합기를 더욱 많이 압축합니다. 점화 후, 연소 가스가 빠른 전파 속도로 진행되면 연소 압력이 높아지고, 높은 연소압력은 폭발 행정 중 피스톤에 힘이 작용하는 시간을 길게 하여 각 폭발 행정 중 피스톤에 힘이 작용하는 시간을 길게 하여 각 폭발 행정에서 보다 높은 출력을 발생시킵니다. 1973년에, 미국 환경 보호 협회(EPA - Environmental Protection Agency)는 가솔린에서 발생하는 납 성분의 제거를 요구하는 규제에 대하여 논의하였습니다. 가솔린에 납 성분을 첨가하면 보다 높은 압축비를 얻을 수 있습니다. 납(lead)은 엔진에 심각한 손상을 입히는 노킹(knocking)이나 이상 폭발(detonation)을 막아주지만, 그러나 엔진에서 배출된 납은 대기를 오염시킬 뿐만 아니라, 일부 배기 장치들에 손상을 주기도 합니다. 가솔린으로부터의 납 성분 제거는 1975년부터 시작되었으며, 이것은 엔진의 압축비를 저하시켜, 결국은 엔진 출력이 저하되는 결과를 가져오게 되었습니다. 평균적인 엔진의 압축비는 약 8.9 : 1입니다. 이것은 희박 연소와 급속 연소의 개발로부터 얻게 된 결과이며, 스월형 연소실 또한 보다 높은 압축비를 얻기 위한 기술입니다.

 

납(lead) = 푸른 잿빛의 금속 원소이며, 금속들 가운데 가장 무게가 무겁고 연하며, 전성(展性)은↑ 연성(延性)은 ↓. 공기 중에서는 표면에 튼튼한 산화 피막을 만들게 되어 안정하며, 불에 잘 녹는 성질을 가집니다.