대부분의 사람들은 Ford Model T가 최초의 진정으로 저렴한 자동차라는 것을 알고 있습니다. 하지만 어떤 종류의 엔진을 가지고 있었는지 아십니까? 1908년에 출시된 오리지널 Model T는 22마력의 2.9리터 4기통 엔진을 탑재했습니다.
그것은 오늘날의 엔진에 비해 크기에 비해 작은 출력이지만, 최초의 자동차로 간주되는 1885년 Benz Patent Motorwagen의 엔진을 능가하는 것은 확실합니다. 그 차는 단일 피스톤 엔진을 가지고 있었고 단일 마력의 2/3만을 생성했습니다.
보시다시피 자동차 엔진은 자동차의 시작부터 끊임없는 진화를 거듭해 왔습니다. 오늘날 엔진 설계 및 기술의 끊임없는 발전 덕분에 이전보다 더 강력하고 조용하며 내구성이 뛰어나고 오염이 적고 연료 효율이 높아졌습니다.
자동차 엔지니어는 내연 기관을 개선하고 미래에 구현하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 150년이 넘는 기간 동안 지속적으로 정제된 다른 발명품이 몇 개나 있습니까?
이 기사에서는 역사상 가장 크고 가장 중요한 엔진 개선 사항 10가지를 살펴보겠습니다. 연료 분사에서 하이브리드 모터에 이르기까지 우리는 엔진의 위치를 살펴보고 엔진이 어디로 향하고 있는지에 대한 통찰력을 얻을 수 있기를 바랍니다.
내용혜택: 연비 향상, 오염 감소
단점: 더 복잡하고 제조 비용이 더 많이 듭니다.
우리가 이야기한 Benz Patent Motorwagen을 기억하십니까? 단일 피스톤 또는 실린더를 갖는 것 외에도 많은 초기 모터와 마찬가지로 2행정 엔진이었습니다. 뇌졸중 엔진에서 피스톤의 움직임을 나타냅니다.
4행정 엔진은 1800년대 후반 내연 기관에 대한 최초의 개선 사항 중 하나였습니다. 4행정 엔진에서는 엔진이 가솔린을 연소할 때 취하는 4단계(흡기, 압축, 동력 및 배기)가 있습니다[출처:CompGoParts.com]. 이 단계는 모두 피스톤이 위아래로 두 번 움직일 때 발생합니다.
이전에는 더 단순한 2행정 엔진이 동일한 작업(기계적 운동을 생성하기 위해 가솔린 연소)을 수행하지만 두 단계로 수행합니다. 오늘날 2행정 엔진은 잔디 깎는 기계, 소형 오토바이 및 대형 산업용 엔진과 같은 소형 장비에 사용됩니다. 거의 모든 자동차가 4행정 사이클을 사용합니다.
4행정 엔진은 연비 향상, 내구성 향상, 출력 및 토크 향상, 배기 가스 정화 등 여러 이점을 제공합니다. 그러나 2행정 엔진에 비해 제작이 더 복잡하고 비용이 많이 들며 가스의 흡배기를 위한 밸브를 사용해야 합니다.
그럼에도 불구하고 4행정 엔진은 자동차 산업의 표준이 되었으며 곧 사라지지 않을 것입니다. 이 기사 뒷부분에서 밸브의 역할과 밸브가 어떻게 개선되었는지 자세히 알아볼 것입니다.
다음으로 강제 유도에 대해 알아보고 그것이 비행기에서 일반 자동차로 어떻게 발전했는지 알아보겠습니다.
혜택: 엔진 크기 증가 없이 더 많은 출력
단점: 연료 소비, 터보 지연
엔진이 운동을 생성하려면 연료, 공기 및 점화의 세 가지가 필요합니다. 엔진에 더 많은 공기를 주입하면 엔진 피스톤에서 생성되는 출력이 증가합니다. 그렇게 하는 오랜 방법이자 최근 점점 인기를 얻고 있는 방법은 강제 귀납법을 사용하는 것입니다. 터보차저와 슈퍼차저와 같은 부품을 통해 이 과정을 더 잘 알 수 있습니다.
강제 유도 엔진에서 공기는 평소보다 더 높은 압력으로 연소실로 강제되어 엔진의 각 스트로크에서 더 높은 압축과 더 많은 출력을 생성합니다[출처:Bowman]. 터보차저와 슈퍼차저는 기본적으로 엔진에 더 많은 공기를 밀어 넣는 공기 압축기입니다.
강제 유도 시스템은 1920년대에 자동차 엔진에 추가되기 오래 전에 항공기 엔진에 사용되었습니다. 엔진 크기를 늘리거나 연비를 급격히 떨어뜨리지 않고도 많은 추가 출력을 생성할 수 있으므로 소형 엔진에 특히 유용합니다.
좋은 예는 터보차저 미니 쿠퍼 S로, 1.6리터 엔진만 탑재하지만 일부 애플리케이션에서는 200마력 이상을 생산합니다. 또한 Porsche 911 Turbo 또는 Corvette ZR-1과 같은 고성능 자동차는 강제 유도 방식을 사용하여 엄청난 출력 향상을 달성합니다.
단점? 터보차저가 장착된 자동차에는 종종 고급 휘발유가 필요합니다. 그런 다음 터보 지연 문제가 있습니다. , 터보 차저가 더 높은 RPM(분당 회전 수)으로 스풀업될 때까지 전력 이득이 느껴지지 않습니다. 엔지니어들은 최근 몇 년 동안 이러한 두 가지 단점을 모두 줄이는 데 도움을 주었습니다.
그리고 연비 및 배기가스 배출 기준이 엄격해짐에 따라 많은 자동차 제조업체는 대형 엔진을 제작하는 대신 소형 엔진에 강제 유도 방식으로 전환하고 있습니다. 예를 들어 최신 현대 쏘나타에서 구입할 수 있는 최고 엔진은 더 이상 V6가 아니라 터보 4기통입니다.
다음으로, 연료 분사 덕분에 기화기가 실제로 과거의 일이 된 이유에 대해 논의하겠습니다.
혜택: 더 나은 스로틀 응답, 향상된 연료 효율성, 더 많은 출력, 더 쉬운 시동
단점: 더 복잡하고 잠재적으로 비용이 많이 드는 수리
수십 년 동안 연료와 공기를 혼합하여 엔진 연소실에 저장하는 데 선호되는 방법은 기화기였습니다. 가속 페달을 밟아 최대 속도를 높이면 기화기가 엔진에 더 많은 공기와 연료를 공급할 수 있습니다.
1980년대 후반부터 기화기는 연료와 공기를 혼합하는 훨씬 더 정교하고 효과적인 시스템인 연료 분사로 거의 완전히 대체되었습니다. 연료 인젝터는 연료와 공기가 함께 미세한 안개로 혼합되는 흡기 매니폴드에 가솔린을 분사합니다. 그 혼합물은 흡기 과정에서 각 실린더의 밸브에 의해 연소실로 가져옵니다. 엔진의 온보드 컴퓨터는 연료 분사 과정을 제어합니다.
그렇다면 연료 분사가 기화기를 대체한 이유는 무엇입니까? 간단히 말해서 연료 분사는 모든 면에서 더 잘 작동합니다. 컴퓨터로 제어되는 연료 분사식 엔진은 특히 추운 날, 기화기로 인해 작업이 까다로울 수 있는 날에 시동이 더 쉽습니다. 연료 분사 엔진은 또한 스로틀의 변화에 더 효율적이고 더 잘 반응합니다[출처:Automedia].
복잡성이 증가한다는 점에서 단점이 있습니다. 연료 분사 시스템은 기화기보다 수리 비용이 더 많이 듭니다. 그러나 그들은 연료 공급에 대한 업계 표준이 되었으며 기화기가 조만간 다시 돌아올 것 같지 않습니다.
이 다음 섹션에서는 직접 분사로 알려진 연료 분사 기술의 다음 단계에 대해 논의합니다.
혜택: 더 많은 출력, 더 나은 연비
단점: 제조 비용이 더 많이 들고 비교적 새로운 기술
직접 분사는 연료 분사로 개선된 사항을 더욱 개선한 것입니다. 이름에서 짐작할 수 있듯이 연료 분사가 "단계를 건너뛰어" 엔진에 효율성을 추가하고 결과적으로 더 많은 출력과 향상된 연비를 제공합니다.
직접 분사 엔진에서 연료는 흡기 매니폴드가 아닌 연소실로 직접 분사됩니다. 그러면 엔진 컴퓨터가 연료가 필요한 시간과 장소에서 정확히 연소되도록 하여 폐기물을 줄입니다. 직접 분사는 더 적은 연료를 혼합하여 더 효율적으로 연소합니다. 어떤 면에서는 가솔린 엔진을 항상 직접 분사 방식을 사용해 온 디젤 엔진과 더 유사하게 만듭니다.
앞에서 배운 것처럼 직접 분사 엔진은 독립형 연료 분사 시스템보다 출력과 연비가 향상됩니다. 그러나 그들에게도 단점이 있습니다. 하나는 이 기술이 시장에 출시된 지 불과 10여 년 밖에 되지 않은 비교적 새로운 기술이기 때문입니다. 점점 더 많은 회사에서 직접 주입의 사용을 늘리기 시작하고 있지만 아직 표준이 되지는 않았습니다.
때때로 직접 분사 엔진은 흡기 밸브에 탄소 침전물이 축적되어 안정성 문제를 일으킬 수 있습니다. 일부 자동차 튜너는 직접 분사 엔진도 수정하는 데 어려움을 표명했습니다. 이러한 문제에도 불구하고 직접 분사는 현재 자동차 세계에서 가장 뜨거운 신기술입니다. 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 자동차에서 볼 수 있을 것으로 기대합니다.
다음으로 알루미늄 엔진 블록과 구식 철 블록의 용도를 살펴보겠습니다.
혜택: 더 가벼운 무게는 더 높은 효율성과 더 나은 취급으로 이어집니다.
단점: 고온에서 뒤틀릴 수 있음
지난 몇 년 동안 자동차는 여러 면에서 더 가벼워지는 추세였습니다. 자동차 제조업체는 더 나은 연비와 성능을 생성하기 위해 차량의 무게를 줄이는 방법을 찾습니다. 그들이 한 방법 중 하나는 주로 철제 엔진을 알루미늄 엔진으로 교체하는 것입니다.
수년 동안 철제 엔진 블록은 산업 표준이었습니다. 오늘날 대부분의 새로운 소형 엔진은 알루미늄을 대신 사용하지만 많은 대형 V8 엔진은 여전히 철 블록을 사용합니다. 알루미늄의 무게는 철보다 훨씬 가볍습니다. 일반적으로 알루미늄 엔진의 무게는 철의 절반입니다. 이는 자동차의 전반적인 무게를 줄여서 핸들링이 더 좋고 연비가 더 좋다는 것을 의미합니다[출처:Murphy].
그러나 알루미늄에는 몇 가지 단점이 있습니다. 금속으로서 철만큼 강하지 않고 높은 수준의 열에도 견디지 못합니다. 많은 초기 알루미늄 블록 엔진은 실린더가 휘는 문제가 있어 내구성에 대한 우려가 있었습니다. 그러나 이러한 문제는 대부분 해결되었으며 알루미늄은 경량화 특성으로 인해 엔진의 미래로 자신을 분명히 주장했습니다.
다음 섹션에서는 캠샤프트가 엔진 설계에 혁명을 일으킨 방법에 대해 이야기하겠습니다.
혜택: 더 나은 성능
단점: 복잡성 증가
누군가가 엔진에 대해 이야기할 때 "DOHC" 또는 "듀얼 오버헤드 캠샤프트"라는 용어를 들어본 적이 있을 것입니다. 대부분의 사람들은 그것을 갖고 싶은 바람직한 기능으로 인식하지만, 그것이 의미하는 바는 무엇입니까? 이 용어는 엔진의 각 실린더 위에 있는 오버헤드 캠축의 수를 나타냅니다.
캠샤프트 자동차의 밸브 트레인의 일부입니다. , 이는 실린더로의 연료와 공기의 흐름을 제어하는 시스템입니다. 수십 년 동안 자동차에는 주로 "푸시로드"라고도 하는 오버헤드 밸브를 의미하는 OHV 엔진이 사용되었습니다. 푸시로드는 엔진 블록 내부의 캠축에 의해 구동됩니다. 이 설정은 엔진에 질량을 추가하고 전체 속도를 제한할 수 있습니다.
오버헤드 캠 설정에서 캠축은 훨씬 작고 엔진 블록이 아닌 실린더 헤드 자체 위에 삽입됩니다. 단일 오버헤드 캠(SOHC) 엔진에 하나가 있는 반면 DOHC 엔진에는 두 개 있습니다. 오버헤드 캠 설정의 이점은 더 많은 흡기 및 배기 밸브를 허용한다는 것입니다. 즉, 연료, 공기 및 배기가 엔진을 통해 더 자유롭게 이동하여 동력을 추가할 수 있습니다.
많은 자동차 회사가 푸시로드 엔진을 없앴지만 DOHC와 SOHC는 아직 이를 완전히 대체하지 못했습니다. 크라이슬러는 여전히 푸시로드를 사용하여 Hemi V8 엔진을 위한 많은 전력을 생성합니다. General Motors는 일부 첨단 기술의 최신 V8에도 푸시로드를 사용합니다. 그러나 DOHC 및 SOHC 엔진은 1980년대부터 엔진, 특히 소형 엔진에서 두드러졌습니다.
오버헤드 캠의 단점은 복잡성과 비용이 증가한다는 것입니다. 아직 트렌드를 눈치채셨나요?
다음으로 가변 밸브 타이밍에 대해 이야기할 때 밸브가 성능에 미치는 영향에 대해 자세히 알아볼 것입니다.
혜택: 연비, 보다 유연한 전력 공급
단점: 생산 비용 증가
혼다 엔진에 대해 조금이라도 알고 계시다면 VTEC이라는 용어를 거의 확실히 들어보셨을 것입니다. 성능을 위해 Honda를 튜닝하는 사람들은 종종 "VTEC의 시작"이라고 말합니다. 하지만 정확히 무엇을 의미합니까?
VTEC는 가변 밸브 타이밍과 가변 밸브 타이밍의 한 형태인 리프트 전자 제어를 나타냅니다. 급가속 중에 엔진이 더 많은 공기 흐름을 필요로 하는 경우가 있지만 기존 엔진은 종종 충분한 공기 흐름을 허용하지 않아 성능이 저하됩니다. 가변 밸브 타이밍은 밸브 안팎의 공기 흐름이 필요에 따라 느려지거나 빨라지는 것을 의미합니다[출처:Autropolis].
Honda는 이러한 시스템을 제공하는 유일한 자동차 회사가 아닙니다. Toyota에는 지능형 가변 밸브 타이밍을 위한 VVT-i라는 시스템이 있고 BMW에는 가변 캠축 제어를 의미하는 가변 Nockenwellensteuerung의 약자인 Valvetronic 또는 VANOS라는 시스템이 있습니다. 그들은 모두 약간 다르게 작동하지만 모두 동일한 작업을 수행합니다. 즉, 다른 속도로 밸브에 더 많은 공기와 연료를 공급합니다. 이는 엔진을 보다 유연하게 만들고 다양한 조건에서 최고의 성능을 제공할 수 있도록 합니다. 또한 연비도 향상됩니다.
많은 엔진은 이제 종종 엔진의 온보드 컴퓨터에 의해 제어되는 일종의 가변 밸브 타이밍을 통합합니다. 다음 섹션에서는 엔진 컴퓨터가 디자인을 어떻게 혁신했는지에 대해 이야기하겠습니다.
혜택: 연비, 문제 진단 개선
단점: 비용, 복잡성
엔진은 믿을 수 없을 정도로 정교한 장치입니다. 수십 개의 움직이는 부품이 있으며 한 번에 여러 프로세스가 수행됩니다. 그렇기 때문에 현대 자동차에는 엔진 제어 장치 또는 ECU라고 하는 온보드 컴퓨터에 의해 모든 것이 제어됩니다.
ECU는 점화 타이밍, 공기/연료 혼합기, 연료 분사, 공회전 속도 등과 같은 프로세스가 예상대로 작동하는지 확인합니다. 센서 어레이를 사용하여 엔진에서 무슨 일이 일어나고 있는지 모니터링하고 모든 것이 올바르게 작동하도록 유지하기 위해 초당 수백만 건의 계산을 수행합니다. 자동차의 다른 컴퓨터는 전기 시스템, 에어백, 실내 온도, 트랙션 컨트롤, 잠금 방지 브레이크 및 자동 변속기와 같은 것들을 제어합니다.
1980년대에 최초의 온보드 진단(OBD) 컴퓨터가 추가된 이후 자동차는 점점 더 컴퓨터화되었습니다. 대시보드의 "체크 엔진" 표시등을 담당하는 컴퓨터입니다. 정비사는 OBD 포트에 컴퓨터를 연결하고 자동차의 문제 영역을 파악할 수 있습니다. 그들은 OBD를 사용하여 귀하의 차에 무엇이 문제인지 즉시 알 수는 없지만 훌륭한 출발점을 제공합니다.
엔진이 더 효율적으로 작동하도록 함으로써 엔진 컴퓨터는 연료 효율성을 높이고 문제를 더 쉽게 진단할 수 있습니다. 하지만 엔진을 훨씬 더 복잡하게 만들기도 하고 주말 역학 작업을 하기가 까다로울 수도 있습니다.
다음으로:디젤 엔진이 과거의 연기가 자욱하고 시끄럽고 저전력 오일 버너가 아닌 이유를 알아보겠습니다.
혜택: 토크, 연비, 더 깨끗한 배기가스
단점: 연료 비용, 낮은 RPM, 높은 초기 비용
지금까지 가솔린 엔진에 대해 많이 이야기했지만 디젤 엔진은 어떻습니까? 디젤은 미국에서 큰 판매가 된 적이 없습니다. 유사한 가스 엔진에 비해 연비가 우수함에도 불구하고 많은 미국인들은 여전히 디젤을 1970년대와 1980년대의 시끄럽고 그을음과 냄새가 나는 신뢰할 수 없는 모터로 생각합니다.
더 이상 그렇지 않습니다. 현대식 디젤 엔진은 강력하고 깨끗하며 연료 효율이 매우 높습니다. 오늘날의 엔진은 저유황 형태의 디젤 연료를 사용하며 자동차 내부의 시스템은 입자 물질과 과도한 오염을 제거하는 데 도움이 됩니다.
Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo 등과 같은 회사에서 만든 디젤은 터보차저, 정교한 연료 분사 및 컴퓨터 제어와 같은 개선된 엔진을 자랑하여 효율적이고 높은 토크의 운전 경험을 제공합니다[출처:Bosch].
디젤 엔진은 주로 낮은 RPM 수준과 높은 디젤 연료 비용과 같은 몇 가지 단점이 있습니다. 그러나 그들 중 많은 사람들이 고속도로에서 갤런당 40마일(리터당 17km) 이상을 달릴 수 있기 때문에 운전자는 그 연료비를 훨씬 덜 자주 지불해야 합니다. 그리고 현대식 디젤이 좋은 성능을 제공하는지 궁금하다면 Audi가 디젤 경주용 자동차를 사용하여 지배했던 지난 몇 번의 르망 24시간 레이스를 살펴보십시오.
마지막으로 "녹색" 자동차의 현재 리더인 하이브리드 엔진을 살펴보겠습니다.
혜택: 연비
단점: 높은 초기 비용, 복잡성
높은 휘발유 가격, 운전자들의 환경에 대한 인식 증가, 연비 및 배기가스 배출 기준을 높이는 정부 규제로 인해 엔진은 그 어느 때보다 "친환경"이 되어야 합니다. 최근 몇 년 동안 효율성을 높이는 데 사용된 가장 큰 엔진 개선 사항 중 하나는 하이브리드 엔진입니다.
하이브리드는 10년 전에는 잘 알려지지 않았지만 이제는 모두가 작동 방식을 알고 있습니다. 높은 연비 수치를 달성하기 위해 전기 모터가 전통적인 가솔린 엔진과 파트너 관계를 맺었지만 전기 엔진의 "범위 불안"이 없습니다. 운전자는 항상 충전량이 떨어지면 어떻게 되는지 궁금합니다.
Toyota Prius는 미국에서 가장 많이 팔리는 하이브리드 자동차입니다. 1.8리터 4기통 엔진과 134마력의 전기 모터가 결합되어 있습니다. 저속에서는 전기 엔진이 단독으로 작동하므로 자동차는 가스를 전혀 사용하지 않습니다. 다른 시간에는 가솔린 엔진을 지원합니다. 전체 패키지는 도시와 고속도로 모두에서 갤런당 약 50마일(리터당 21.3km)을 얻습니다[출처:AOL Autos].
Prius와 같은 하이브리드는 내부 연소 기술의 최신 진화를 나타냅니다. 연료 효율성이라는 이점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다. 하이브리드는 비 하이브리드 차량보다 초기 비용이 더 높으며, 일부에서는 운전자가 하이브리드 자동차의 추가 비용을 회수하기 전에 휘발유가 지금보다 훨씬 더 비싸야 한다고 주장합니다(믿을 수 없지만).
그러나 엔진이 배기 가스를 줄이고 연료 효율성을 높이는 경향이 있다는 것은 분명합니다. 전기 전용 자동차가 더 보편화되고 있지만 내연 기관이 아직 아무데도 가지 못하고 있다는 것은 분명합니다. Model T 시절부터 그랬던 것처럼 계속해서 더 나은 방향으로 발전할 것입니다.
