[자동차] 1-1. 파워트레인과 구성_엔진

  자동차에 관심이 있는 사람들이라면 한번쯤은 접해보고는 단어입니다. 그런데 대체 파워트레인이라 말하면 정확하게 어던 부품을 지칭하는지 잘 모르기도 하고 헷갈리는 부분이 많습니다. 저 역시 그러고 있어서 이번에 한번 정확하게 내용을 정리해보려고 합니다.

 

 

1. 파워트레인이란?

  파워트레인을 변속기 하나만을 지칭하는 말이라고 알고 계신분들도 많을 거라 생각합니다. 그러나 실제로는 동력장치에서 동력의 발생원인 원동기에서 실제로 일을 하는 부분까지의 전달장치를 지칭하는 말입니다. 특히, 자동차의 경우 엔전에서 구동바퀴 사이의 모든 기관을 의미합니다.

 

  그리고 알다시피 FF, FR등의 구동방식별로 약간의 차이는 있지만 일반적으로 파워트레인은

 

[엔진->변속기->트랜스퍼 기어 ->추진 축->차동기어->축->바퀴]

 

  의 순서로 움직이며 이렇게 동력이 전달되는 모든 부분을 합쳐서 부르는 말입니다. 자동차의 구조에 대해 잘 알고계신 분들이라면 바로 동력이 전달되는 부분들을 알 수 있으니 이해하기 간단할것입니다.

 

  그리고 대표적인 파워트레인의 구성부는 다음과 같습니다.

 

  - 엔진(Engine)
  - 클러치(Clutch)
  - 변속기(Transmission)
  - 추진 축(Propeller Shaft)
  - 종감속장치(Final Reduction Gear)
  -  차동 기어(Differential Gear)
  -  액슬 축(Axle Shaft)

 

  그리고 구동방식에 따라 FF, FR, RR, 4WD, MR 등으로 분류하고 있습니다. 그럼 각각의 구성부들에 대해 간단하게 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

2. 파워트레인의 구성부

   이번엔 먼저 엔진에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

- 엔진(Engine)

  엔진은 자동차 부품 중 가장 복잡하지만 가장 익숙한 부품이기도 합니다. 여러 경로를 통해 접하기도 쉽고, 자동차를 보유하고 계신분들이라면 한번쯤은 엔진룸을 열어서 살펴기도 하니 익숙하지 않을 수가 없습니다.

 

  이 엔진은 한국어로 기관이라하고, 인력, 화학, 전기 등의 에너지를 기계적인 일로 변환하는 장치를 말합니다. 자동차의 경우엔 가솔린이나 디젤을 연소하여 그 힘을 이용해 동력을 발생시키고 있죠.

 

  가장 흔한 엔진은 열기관으로 내연기관과 외연기관으로 나뉩니다. 그리고 이 열기관을 이야기하며 빠뜨릴 수 없는 것이 카르노 기관입니다.

 

  잠시 살펴보면, 카르노 기관은 니콜라 레오나르 사디 카르노의 이름을 딴 기관으로 모든 과정이 가역 과정인 카르노 순환으로 이루어진 이상적인 열기관을 말합니다. 이게 무슨 이야기인가 하면 간단하게 어떤 기관을 이상적인 환경을 가정한 상황에서 작동할 때 이 기관을 카르노 기관이라고 할 수 있고, 그 상태에서 얻을 수 있는 이론상 최대 효율을 카르노 효율이라고 합니다. 그야말로 이상적인 기관을 의미하며 이론적인 기관입니다.

 

  아무튼, 우리가 실제로 사용하는 내연기관과 외연기관은 어떤 차이가 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

 

  1) 내연기관

  내연기관은 연료를 내부의 실린더 또는 연소실 등에서 연소시켜 에너지를 얻는 기관을 말합니다. 바로 우리들이 타고 다니는 자동차의 엔진이 바로 내연기관입니다. 이런 자동차 엔진과 같이 실린더 내에 연료를 폭발시켜 만들어지는 직선운동을 크랭크 축을 통해 왕복운동으로 변환하여 필요한 회전력을 얻어내는 기관입니다.

 

  피스톤엔진, 왕복엔진이라고도 불리는 이 기관은 실린더의 배치방식에 따라 직렬엔진 또는 V형 엔진으로 분류하기도, 실린더의 개수에따라 4기통, 6기통, 8기통 등으로 분류합니다.

 

  대표적인 내연기관이라 할 수 있는 4행정 기관에 대해서도 들어보셨을 겁니다. 말 그대로 4가지 동작을 반복하며 작동하는 기관으로 다음과 같은 동작을 합니다.

 

  - 흡입 : 연료와 산화제를 실린더 안으로 받아들입니다.
  - 압축 : 실린더안의 연료와 산화제의 혼합물은 피스톤에 의해 압축됩니다.
  - 폭발 : 연료와 산화제의 혼합물이 점화플러그에의해 점화되어 발열하게되고, 이때 기체의 팽창으로 기관을 움직이는 힘을 얻습니다.
  - 배기 : 반응이 완료된 기체를 기관 밖으로 내보냅니다.

 

  이렇게 한 사이클이 돌게되면 다시 흡입으로 돌아가 사이클을 반복하며 동력을 만들어냅니다.

 

  이런 피스톤 기관 외에 회전운동형 기관도 있습니다. 가스터빈과 반켈 엔진 등이 해당하는데, 저에게 익숙하지 않은 부분이기도 해서 궁금하신 분이 계시거나 기회가 된다면 따로 다뤄보도록 하겠습니다.

 

 

 

  2) 외연기관

  대표적인 외연기관은 증기기관입니다. 산업혁명의 가장 중요한 원동력으로도 우리가 잘 알고있는 그 기관입니다. 외연기관은 기관 내부에서 연소까지 이뤄지는 내연기관과 달리 외부에 설치된 연소장치에서 연료를 연소시켜 얻은 열 에너지로 물 등의 매개물질을 가열해 가열된 매개물질의 기화 또는 팽창으로 발생한 압력을 이용해 기계를 작동시키는 기관입니다. 

 

  다시 말해, 연소반응으로 발생한 연소가스가 직접 기관을 움직이는 것이 아니라 연소가 기관 이외의 장소에서 일어나고 연소가스와 매개물질이 전혀 별개로 되어 있는 기관을 외연기관이라고 합니다.

 

  과거에는 증기기관으로 움직이는 증기기관차가 있었지만 현재는 사용하지 않고 있고, 이 증기기관을 꾸준히 발전시켜 사용하는 분야가 화력발전소입니다. 어떤 연료, 연소를 위한 물질이 무엇인지에 따라 종류가 나뉘기는 하지만 실제 전기를 일으키기 직전까지의 대부분의 기관이 외연기관의 기본적인 모습과 기능을 그대로 유지하고 있습니다.

 

  차량에 있어서는 연소부와 기관부가 분리되어 있고 매개물질까지 필요해 전체적인 무게와 덩치가 커지기 때문에 자동차에 사용하기엔 많은 무리가 있었습니다. 또한, 중간에 매개물질을 거치기 때문에 열손실이 발생해 열효율이 낮기도 하고, 매개물질이 가열될 때까지 시간이 걸리는 등 내연기관과 비교해 여러 단점이 존재합니다.

 

  하지만 장점도 존재하는데, 가장 큰 장점으로는 연소가 기관 이외의 장소에서 발생해 매개물질을 가열할 열만을 발생시키면 되므로 연료 선택의 자유도가 높다는 것입니다. 내연기관의 경우 연료의 연소압을 직접 이용해야 하기 때문에 기관에 맞춰 정제된 연료인 휘발유나 경유 등만을 이용해야 하지만 외연기관은 그렇지 않습니다. 따라서 전체적인 열효율은 떨어질 수는 있어도 연료비는 적게 들기도 합니다.

 

  또, 기관 내에서 연소가 일어나지 않아 기관부를 단순하게 만들 수 있어 내부의 오염 가능성이 낮아 비교적 낮은 기술력으로도 제작과 정비가 가능합니다. 

 

  이런 특징 때문에 일반적인 자동차에서는 내연기관을 사용하고 있지만 즉답성은 별로 필요하지 않고 기관 자체를 크게 만들어 대출력과 연료비 절감이 더 중요한 대형 선박이나 발전기 등에서는 증기터빈이 널리 사용되고 있습니다.