4행정 기관

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1 개요

영어: 4-stroke engine
한자: 四行程機關

내연기관의 한 방식으로, 가장 보편적으로 이용되는 방식. 4행정 기관, 4스트로크 엔진 등으로 불린다.
크랭크축이 1회전 하는동안 1사이클이 끝나는 2행정 엔진과는 달리, 크랭크축이 2회전 하는동안 흡입-압축-폭발-배기의 4행정을 하여 1사이클을 완성하는 엔진이다. 즉, 4행정 엔진이 1사이클을 완료하면 크랭크축이 2회전, 캠축이 1회전, 각 실린더의 흡기밸브와 배기밸브는 각 1회 열리고 닫히는 형태이다.

2 4행정 엔진의 작동 순서

모식도에서, 각 과정은 다음과 같다.

1-흡입 / 2-압축 / 3-폭발 / 4-배기

모식도는 DOHC엔진의 단면도로, 두개의 캠축이 실린더헤드에 위치한것을 볼 수 있다.

영어로는 intake, compression, power 그리고 exhaust라고 한다.
한 비행교관은 4행정 엔진의 작동 순서를 간편하게 외우는 팁으로 위의 과정을 suck, squeeze, bang, blow로 (...) 축약해서 가르쳐 준적이 있다. 뭔가 성행위의 축약체처럼 보여서 학생들이 다 킥킥거린것은 덤

2.1 흡입

맨 처음 행정으로, 흡기밸브가 열리며 실린더가 상사점에서 하사점으로 하강한다.
이 동안 혼합기 (GDI 엔진이나 디젤 엔진에서는 공기만 흡입한다)가 흡기 매니폴드와 실린더의 부압으로 인해 흡입되며, 크랭크축이 총 180도 도는 시점까지 진행된다.

2.2 압축

압축행정은 피스톤이 하사점에서 상사점으로 올라가는 행정으로, 흡기/배기밸브는 닫힌 상태에서 혼합기를 압축한다.
보통 가솔린엔진은 7~11:1의 압축비를 가지며, 디젤은 15~22:1정도. 그리고 엔진의 회전속도가 빠를수록 압축비가 올라간다.

디젤 엔진의 경우, 압축착화를 통한 폭발이기 때문에 압축비가 높은 편이다.

이 과정까지 크랭크축이 회전한 각도는 360도.

2.3 폭발

혼합기가 연소되는 과정으로, 이 과정에서 디젤 엔진은 연료를 분사하여 폭발시킨다. 가솔린 엔진의 경우엔 점화플러그에서 스파크를 이용하여 점화하지만, GDI 엔진은 가솔린을 분사하며 스파크점화를, 디젤 엔진의 경우 공기가 압축되면 온도가 올라가는 현상을 이용하여 압축압력으로 점화를 한다. 디조토 엔진이라 불리는 가솔린 압축착화기술도 있으나, 아직 상용화 되지 않았다.

연료가 연소되면서 발생하는 연소가스의 압력으로 피스톤을 밀어내며, 이 과정에서 동력이 발생한다.

이 과정까지 크랭크축이 회전한 각도는 540도.

2.4 배기

배기행정은 배기밸브가 열리면서 폭발행정에서 발생한 연소가스를 실린더 밖으로 배출시킨다. 피스톤은 하사점에서 상사점으로 올라간다.

이 과정까지 크랭크축이 회전한 각도는 720도로, 2회전이다.

3 장/단점

• 장점
  • 각 행정의 작동이 완전히 구분되어 있다
  • 저속과 고속의 넓은 범위의 회전속도 변화가 가능하다
  • 연료 소비율이 적으며, 흡기를 위한 시간이 충분히 있기 때문에 배기량 대비 효율이 높다.
  • 엔진이 저속회전중일때와 시동시 운용이 쉬운편
  • 실화의 발생이 적고, 흡입행정시 흡기되는 공기의 냉각작용으로 열 부하가 적다
• 단점
  • 밸브 개폐기구로 인해 구조가 복잡해지며, 충격이나 기계적 소음이 늘어난다.
  • 실린더 수가 적으면 폭발행정이 쭉 이어지지 않아 작동이 원활하지 못하다.
  • 회전력이 균일치 못하다.

보통 한번 폭발에 피스톤이 두번왕복, 크랭크축은 두바퀴를 돌게 되는데 폭발 할때의 회전력과 압축할때의 회전력이 같을 수가 없기 때문. 이 문제를 해결하기 위해 2기통 이상의 엔진에서는 각각의 피스톤이 서로 다른 시점에서 폭발하도록 한다. 이 특성 때문에 기통이 많아 질 수록 각각의 실린더의 폭발의 진동이 상쇄되기 때문에 다기통 엔진이 진동이 없고 부드럽다고 느끼게 된다.

• 같은 출력의 2행정 엔진에 비해 무게가 무겁다.

4 엔진오일 공급 방식

4행정 기관은 2행정 기관처럼 엔진오일을 연료에 프리믹스 또는 별도로 뿌려 연료와 함께 태워버리는 구조가 아닌 정해진 오일을 주입한 뒤 그것을 각부에 순환시켜 윤활하는 방식을 쓴다. 엔진의 기밀성 문제로 엔진오일이 밖으로 새거나 타는 문제가 생겨 엔진오일의 양이 줄어드는 것은 있지만, 정상적인 엔진이라면 정기적 또는 적정 주행거리 단위로 엔진오일을 교환하는 것으로도 충분하다.

4행정 기관의 엔진오일 공급 체계는 크게 웻섬프(Wet Sump)와 드라이섬프(Dry Sump) 방식으로 나뉜다.

4.1 웻섬프

웻섬프나 드라이섬프나 어딘가에 모인 엔진오일을 오일펌프를 통해 각부에 보내고, 그것이 다시 어딘가에 모여 순환한다는 점은 같다. 다만 실린더 아래로 떨어진 엔진오일이 어떻게 모이느냐에 따라서 방식이 달라진다. 웻섬프는 실린더 아래에 오일팬을 두고 엔진오일을 받는 방식이다. 엔진오일은 중력에 의해 오일팬 방향으로 떨어지고, 오일팬에 모인 엔진오일은 오일펌프를 통해 다시 엔진 각 부로 흐르게 된다.

웻섬프 방식의 장점은 간단함 그 자체. 엔진오일을 각 부로 보내는 오일펌프 하나만 있으면 다른 복잡한 부품이 필요하지 않아 정비성이 좋고 고장도 적게 발생한다. 엔진 밖에 들어가는 부품이라고 해봐야 엔진오일 필터나 쿨러정도. 그만큼 생산 단가도 저렴하다. 이러한 특성때문에 대부분의 일반 승용차 및 4행정 엔진 오토바이에 웻섬프 방식이 쓰인다.

그렇지만 오일팬이라는 크고 아름다운 물건이 필요한 만큼 엔진의 전고를 낮추기 어려워져 스포츠 차량 설계가 어려워진다. F1같은 차량은 더 말할 필요가 없을 정도. 또한 F1 차량급의 급격한 속도를 내고 급격한 움직임을 보여주는 경우 오일팬의 엔진오일이 한 쪽으로 몰리는 현상이 벌어지기 쉽고, 이럴 때 자칫 잘못하면 엔진오일 공급이 제대로 이뤄지지 못해 엔진 고장을 일으킬 수 있다. 오토바이는 이런 문제가 거의 일어나지는 않지만, 엔진 디자인 문제로 드라이섬프 방식을 쓰는 경우도 있다.

4.2 드라이섬프

웻섬프 방식은 엔진오일의 회수를 중력이라는 자연적인 방식에 의존하고 최대한 구조를 단순화하고 있지만 그 자연스러운 단순함이 때로는 허점을 드러낸다. 어떠한 때라도 안정적으로 엔진오일을 공급할 수 있도록 한 것이 드라이섬프 방식이다.

드라이브섬프 방식은 오일펌프가 각부로 엔진오일을 보내는 점은 같지만, 엔진오일의 회수는 중력이 아닌 스캐빈저 펌프라는 별도의 오일펌프를 이용하여 강제로 하게 된다. 오일팬 자체가 전혀 필요하지 않은 것은 아니지만 훨씬 적은 용량만으로 충분하며, 스캐빈저 펌프가 회수한 엔진일은 오일팬이 아닌 별도의 오일탱크로 모아지고 여기에서 다시 오일펌프를 연결하게 된다.

이 방식은 엔진오일의 흐름을 매우 안정적으로 유지할 수 있어 엔진오일 공급이 조금만 문제가 생겨도 탈을 일으키는 고성능 차량, 특히 경주용 차량에 유리하다. 오일팬을 작게 할 수 있어 엔진의 높이도 낮출 수 있어 스포츠 차량 개발에도 더 유리하다. 대신 구조가 복잡하여 정비성도 떨어지고 가격도 비싸다. 경주용 차량이 아니더라도 페라리나 포르쉐같은 스포츠 차량에 이런 방식을 쓰는 것은 이런 이유 때문. 반대로 엔진을 높이는 데도 유리해 서스펜션이 위아래로 심하게 요동치는 오프로드 바이크에도 사용되고 있다.