4행정 SI 엔진은 내연기관 중에서 흔히 사용하는 가솔린 엔진의 작동 과정을 설명하는데, 흡기, 압축, 폭발(점화), 배기 네 단계로 이루어져 있습니다. 이 사이클은 각 단계가 순차적으로 반복되면서 엔진의 회전 운동을 만들어내며, 이를 통해 차량과 같은 다양한 기계 장치에 동력을 제공합니다. 이번에는 4행정 SI 엔진의 각 단계에 대해 자세히 알아보겠습니다.
4행정 SI(Spark Ignition) 엔진의 주요 단계
4행정 엔진의 사이클은 상사점(TDC, Top Dead Center)과 하사점(BDC, Bottom Dead Center) 사이에서 피스톤이 움직이며 수행됩니다. 상사점은 피스톤이 실린더 내에서 최고 위치에 있는 지점이며, 하사점은 최저 위치에 있는 지점입니다. 각 사이클에서 피스톤의 이동과 함께 흡기, 압축, 폭발, 배기 과정이 차례로 진행됩니다.
1. 흡기 행정 (Induction Stroke)
흡기 행정은 공기와 연료 혼합물을 실린더 내로 끌어들이는 단계입니다. 이 단계에서는 흡기 밸브가 열리고, 배기 밸브는 닫혀 있는 상태에서 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 이동하며 실린더 내부의 체적을 확장합니다. 이로 인해 실린더 내 압력이 낮아지면서 외부 공기가 자연스럽게 실린더 안으로 유입됩니다. 흡기 밸브를 통해 유입된 공기는 연료 인젝터를 통해 분사된 연료와 혼합되어 연소 준비를 완료하게 됩니다.
2. 압축 행정 (Compression Stroke)
압축 행정은 실린더 내부로 흡입된 공기-연료 혼합물을 압축하는 단계입니다. 피스톤이 하사점(BDC)에서 다시 상사점(TDC)으로 상승하면서 실린더 내 체적이 줄어들고, 흡기 밸브가 닫히면서 모든 밸브가 닫힌 상태에서 압축이 시작됩니다. 이로 인해 혼합물의 밀도가 증가하고 온도와 압력도 높아지며, 연료-공기 혼합물이 폭발에 유리한 상태로 변합니다. 이 과정은 연소 효율을 높이는 중요한 역할을 하며, 압축 행정의 끝 부분에서는 혼합물이 점화 플러그의 스파크에 의해 폭발을 준비하게 됩니다.
3. 폭발(점화) 행정 (Power Stroke)
폭발 행정, 또는 동력 행정은 연소 과정이 발생하여 실린더 내부에서 실제로 동력을 발생시키는 단계입니다. 피스톤이 상사점(TDC)에 도달할 즈음 점화 플러그가 스파크를 발생시키며, 고온 고압 상태의 연료-공기 혼합물이 폭발적으로 연소됩니다. 연소가 일어나면서 실린더 내의 압력이 급격히 상승하고, 이 압력에 의해 피스톤이 강하게 하사점(BDC) 방향으로 밀려나게 됩니다. 이때 피스톤이 하사점으로 내려가는 운동 에너지가 크랭크축을 회전시키며 동력을 발생시키고, 이를 통해 차량에 필요한 운동 에너지가 생성됩니다.
4. 배기 행정 (Exhaust Stroke)
배기 행정은 연소가 완료된 가스를 실린더 외부로 배출하는 단계입니다. 동력 행정 후 피스톤이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 다시 상승하면서 배기 밸브가 열리고, 실린더 내의 고온 가스가 대기압과의 차이에 의해 실린더 밖으로 배출됩니다. 이 과정을 배기 블로다운(exhaust blowdown)이라 하며, 가스가 빠르게 빠져나가면서 실린더 내부가 대기압 수준으로 떨어집니다. 피스톤이 계속 상승하면서 실린더 내의 남아 있는 배기가스를 완전히 밀어내고, 배기 밸브는 완전히 닫혀 배기 과정이 끝나게 됩니다. 이어서 흡기 밸브가 열리면서 다음 사이클이 시작됩니다.
4행정 엔진의 작동 원리가 중요한 이유
4행정 SI 엔진의 각 단계는 엔진이 효율적으로 작동하기 위한 필수적인 과정으로, 연료가 효율적으로 연소되며 차량에 필요한 출력을 제공합니다. 이 과정에서 가솔린이 스파크 플러그의 점화로 연소되기 때문에, 고출력과 빠른 반응성을 동시에 실현할 수 있어 가솔린 엔진이 자동차에 많이 사용됩니다.
또한, 각 단계에서 열손실과 배기가스 배출이 발생할 수 있어, 이러한 부분을 최소화하는 기술 개발이 진행 중입니다. 예를 들어, 열효율을 높이기 위해 압축비를 높이거나 배기 시스템에서 배기가스를 재활용하는 등의 기술이 사용됩니다. 이러한 최적화는 엔진의 성능을 높이고 연비를 개선하며, 동시에 배출가스를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.
환경 친화적인 엔진 개발 방향
현대의 엔진 개발은 효율을 높여 에너지 낭비를 줄이고, 배기가스 배출을 최소화하는 방향으로 진행되고 있습니다. 특히 내연기관에서 발생하는 이산화탄소와 미세먼지 등의 환경오염 물질을 줄이기 위해, 친환경 연료를 사용하는 엔진과 전기차, 하이브리드 엔진 등의 대체 기술이 활발히 개발되고 있습니다.
또한, 4행정 엔진의 열효율을 극대화하는 기술, 예를 들어 터보차저와 직분사 시스템 등을 적용하여 연비 개선과 동시에 배출가스 감소를 실현하고 있습니다. 이러한 기술들은 지속 가능한 이동 수단을 위한 연구의 일환으로, 환경 문제에 대응하기 위한 다양한 엔진 기술의 발전을 이끌고 있습니다.
4행정 SI 엔진은 흡기, 압축, 폭발, 배기의 단계를 순차적으로 거치며 동력을 생성하는 시스템으로, 차량 및 다양한 기계에 필요한 동력을 제공합니다. 각 단계는 엔진의 효율과 성능을 높이기 위해 최적화되어 있으며, 이를 통해 강력한 출력과 높은 연소 효율을 동시에 달성할 수 있습니다.