4행정 SI 엔진은 내연기관 중에서도 가장 일반적으로 사용되는 가솔린 엔진으로, 흡기, 압축, 폭발(점화), 배기의 네 가지 단계를 통해 동력을 생성합니다. 각 단계는 순차적으로 반복되며, 이를 통해 차량 및 다양한 기계 장치에 동력을 공급합니다. 이번에는 4행정 SI 엔진의 작동 원리를 상세히 살펴보겠습니다.
4행정 SI(Spark Ignition) 엔진의 주요 과정
4행정 엔진은 피스톤이 상사점(TDC, Top Dead Center)과 하사점(BDC, Bottom Dead Center) 사이를 왕복하며 동작합니다. 상사점은 피스톤이 실린더 내 가장 높은 위치에 있을 때, 하사점은 가장 낮은 위치에 있을 때를 의미합니다. 이 과정에서 흡기, 압축, 폭발, 배기 과정이 차례로 수행됩니다.
1. 흡기 행정 (Induction Stroke)
이 단계에서는 흡기 밸브가 열리고 배기 밸브는 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점(BDC)으로 이동하며 실린더 내부의 압력이 낮아집니다. 이에 따라 외부 공기가 실린더로 유입되며, 연료가 분사되어 혼합됩니다. 이 과정은 원활한 연소를 위한 기초 단계입니다.
2. 압축 행정 (Compression Stroke)
흡기 행정에서 유입된 공기-연료 혼합물을 압축하는 과정입니다. 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 실린더 내 체적이 줄어들고 압력과 온도가 증가합니다. 이 단계에서 모든 밸브는 닫혀 있으며, 혼합물은 폭발에 유리한 상태로 변합니다.
3. 폭발(점화) 행정 (Power Stroke)
피스톤이 상사점에 도달하면 점화 플러그가 스파크를 발생시키며, 압축된 혼합물이 폭발적으로 연소됩니다. 이로 인해 높은 압력이 발생하며, 피스톤이 강하게 하사점 방향으로 밀려나 크랭크축을 회전시키면서 동력이 생성됩니다.
4. 배기 행정 (Exhaust Stroke)
연소 후 발생한 배기가스를 실린더 밖으로 배출하는 단계입니다. 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하며 배기 밸브가 열리고, 고온의 가스가 실린더 외부로 배출됩니다. 이 과정이 완료되면 배기 밸브가 닫히고, 흡기 행정이 다시 시작됩니다.
4행정 엔진의 중요성
이 엔진은 연소 효율을 극대화하면서도 출력을 안정적으로 제공하는 특징을 가집니다. 가솔린 엔진은 스파크 플러그를 이용한 점화 방식을 사용하여 반응 속도가 빠르고 높은 출력을 구현할 수 있습니다. 또한, 열손실을 줄이고 배기가스를 최소화하기 위한 다양한 기술이 적용되고 있습니다.
엔진 효율 향상을 위한 기술
- 압축비 증가: 연소 효율을 개선하여 연비 향상
- 배기 재순환(EGR): 배기가스를 일부 재사용하여 배출가스 감소
- 터보차저 및 직분사 시스템: 출력을 증가시키면서 연료 소비를 절감
친환경 엔진 개발 방향
최근에는 내연기관의 환경 영향을 줄이기 위해 하이브리드 및 전기 엔진 기술이 발전하고 있습니다. 또한, 연비 개선과 배기가스 저감을 위해 터보차저, 직분사, 가변 밸브 시스템 등 다양한 기술이 적용되고 있습니다.
4행정 SI 엔진은 흡기, 압축, 폭발, 배기의 네 단계를 반복하여 동력을 생성하는 핵심 기술로, 효율적이고 강력한 동력원을 제공하는 중요한 장치입니다. 지속적인 기술 개발을 통해 연비 향상과 친환경적인 방향으로 발전하고 있습니다.