자동차의 심장, 엔진

 

자동차의 심장, 엔진

 

 

사람이 음식 섭취를 통해 에너지를 발산하듯, 엔진은 연료를 먹고 살아간다. 원통 모양의 실린더 안에서 휘발유와 공기가 서로 섞여 힘차게 진행되는 피스톤 운동으로 인해 전기가 불꽃을 일으키게 되고, 그런 과정을 통해 배기가스가 빠져나가게 되는데 이러한 과정을 통해 바퀴가 돌아가게 되는 것이다. 

 

최초의 차량용 엔진, 가마솥을 달고 가는 차

무거운 대포와 군용 수레를 이리저리 끌고 다니는 부하들을 보면서, 프랑스 육군의 공병 대위 퀴뇨(1725~1804)는 어떻게 하면 무거운 대포를 쉽게 끌고 갈 수 있을 것인가에 대해 고민했다. 퀴뇨는 영국에서 제임스 와트가 증기기관을 발명해서 공장에서 엔진으로 쓰고 있다는 소식을 듣고, 와트의 증기기관을 직접 보기 위해 영국으로 건너갔다. 

그것을 본 순간, 그는 증기 엔진을 이용해서 자동으로 굴러가는 수레를 만들면 대포 같은 것도 쉽게 끌고 다닐 수 있을 것이라는 생각에 그날부터 연구에 들어갔다. 그리고 2년 만에 결국 자신이 생각하던 설계도를 완성하게 되었다. 

 

퀴뇨는 그의 작업에 공감해 온 스와솔 공작의 도움으로 6개월 만에 증기 자동차를 완성했는데, 무게가 5톤이나 나가고, 바퀴가 세 개이며, 앞에는 커다란 솥을 매단 괴상한 차였다. 사람이 걷는 정도의 속도였지만, 세 바퀴 증기 자동차는 보일러에서 연기와 흰 수증기를 내뿜으면서 앞으로 나아갔다. 

 

말이 끌지 않아도 굴러가는 이 신기한 수레를 보고, 사람들은 감탄의 환호성을 질렀다. 이 자동차는 2시간 정도 달려서 7km를 나아갔는데, 한 가지 불편했던 것은 물이 끓어서 금방 없어지기 때문에 20분마다 보일러에 물을 채워야 했고, 물을 채우고 나서는 다시 20분 동안 증기가 발생하기를 기다려야 했다. 

 

그리고 지나치게 무거운 솥 때문에 커브를 돌 수 없는 문제점도 있었다. 이것이 바로 자동차 선사시대의 최초의 차량용 엔진이다. 1771년 제작된 퀴뇨의 증기 자동차는 여러 번의 공식적인 드라이브 시험까지 거쳤는데, 시험 중에 일어난 충돌은 최초의 자동차 사고로 기록되고 있다. 

 

세계에서 가장 힘센 자동차

• 1980년에 만들어진 제임스 머린은 롤스로이스의 항공기 엔진을 달았다. 12기통에 배기량 27,000cc였으며, 1760마력을 낼 수 있었다. 그러나 이 차는 너무 힘이 세다 보니 휘발유를 많이 소비했는데, 1리터로 겨우 1.7km 밖에 가지 못했다. 

 

빠르게 움직이고 있는 엔진의 내부

엔진은 자동차의 심장 역할을 수행하는 가장 중요한 기계장치이다. 승용차량에 주로 사용되는 가솔린 엔진은 흡입과 압축, 팽창, 배기의 단계를 연속적으로 반복해서 자동차를 이동시키는 바퀴의 회전력을 얻게 된다. 가속 페달을 깊이 밟을수록 엔진의 회전수는 빨라지게 되며, 연료의 소모도 많아지게 된다. 

엔진의 회전수 변화는 계기판의 회전계를 보면서 확인할 수 있는데, 공회전 상태에서는 대략 1의 눈금 이하에 위치하고, 일반적인 주행에서는 2~3의 눈금을 오르내린다. 엔진의 회전수를 나타내는 rpm은 1분당 회전수를 의미하는데, 신호대기와 같은 정지상태에서 일반적인 가솔린 엔진은 대략 12.5회의 회전수를 갖는다. 즉 가속페달을 밟지 않고 브레이크만 작동시키고 있는 정지상태라 할지라도 엔진 내부의 피스톤은 1초에 무려 12번 이상을 오르내린다는 것이다.

 

고속도로에서 시속 100km 이상의 속도로 주행하는 경우 엔진의 회전수는 무려 50회를 넘어선다고 하는데, 고속주행을 하는 경주차가 아닌 일반 자동차에서도 엔진 내부의 피스톤이 1초에 수십 번 이상씩 오르내린다는 사실은 놀라운 일이다. 

 

보통 자동차에 경주용 자동차의 엔진을 달면 어떻게 될까?

• 경주용 자동차는 한 번에 보통 300km를 달린다. 이 거리만 최고 속도로 가면 임무를 다하는 것이다. 따라서 엔진도 300km 정도만 최고 속도로 달리면 되도록 만들어져 있다. 경주가 끝나면 기술자들이 모든 엔진을 분해해서 다시 새로운 엔진을 만든다. 설사 운 좋게 엔진을 달았다 해도 문제는 또 있다. 경주용 자동차는 10km를 가기 위해서 10리터의 휘발유가 필요하다(보통 자동차는 10km를 가기 위해서 0.5~1리터의 휘발유만 있으면 된다). 즉, 휘발유값이 보통 자동차보다 10배에서 20배 정도 든다는 뜻이다. 그러므로 보통 자동차에 경주용 자동차의 엔진을 달고 다니다가는 경제적으로 어마어마한 손실을 보게 된다. 

 

앞바퀴 굴림차와 뒷바퀴 굴림차

자동차는 엔진이 어떤 바퀴에 힘을 보내느냐에 따라서 크게 세 가지 종류로 나뉜다. 엔진의 힘이 앞바퀴에 연결되면 앞바퀴 굴림차, 뒤로 연결되면 뒷바퀴 굴림차, 네 바퀴 모두를 움직이면 네 바퀴 굴림차가 되는데, 네 바퀴 굴림차는 4WD(4 wheel drive)라고도 한다. 

네 바퀴 굴림차는 힘이 좋아서 흙길, 진창길, 산길 같은 곳에서 아주 잘 간다. 만약 앞바퀴 굴림차의 앞바퀴가 진창에 빠졌을 때, 아무리 앞으로 가려고 해도 바퀴가 헛돌고 말기 때문에 누군가가 다른 차로 앞에서 끌거나 뒤에서 밀어야 한다. 이때 네 바퀴 굴림차라면 뒷바퀴도 힘을 내기 때문에 쉽게 진창에서 빠져나올 수 있다. 

 

VGT 엔진

• VGT 엔진(Variable Geometry Turbocharger)은 터보차저를 통과하는 배기가스를 엔진 조건에 따라 정밀하게 제어하는 최첨단 엔진으로 저속에서 고속까지 전구간에 걸쳐 파워를 발휘한다. 저속 구간에서는 배기유로를 축소해 흐름을 빠르게 함으로써 터빈의 구동력을 높여 최대 토크를 향상하고, 고속구간에서는 배기유로를 넓혀 다량의 배기가스로 터빈의 구동력을 높임으로써 출력과 연비를 대폭 향상한 것이 특징이다. 

 

엔진의 힘, 마력과 엔지의 크기, 배기량

엔진의 힘을 마력이라고 하는데, 자동차가 처음 나왔을 때 사람들은 자동차를 '말을 대신해서 저절로 가는 수레'라 생각했기 때문에, 자동차의 힘을 말과 비교하곤 했다. 그래서 말 한 마리가 끌 정도의 힘을 가졌다는 의미를 1마력으로 표현한다. 

실제로 1마력이란, 75kg의 물체를 1초 동안 1m 움직일 수 있는 힘을 말한다. 몸무게가 75kg인 아버지를 뒤에서 밀어 1초 동안 1m 정도 움직이게 했다면, 1마력의 힘을 가졌다고 말할 수 있다. 

 

엔진은 여러 개의 원통형 실린더를 가지고 있는데, 실린더가 4개면 4기통이고 6개면 6기통이라고 한다. 실린더에 들어가는 가스의 양을 모두 합친 것을 배기량이라고 부른다. 예를 들어 실린더 하나에 가스가 375cc 들어가고, 실린더가 모두 4개라면 375×4=1500cc가 되는 것이다. 보통 소주병 하나를 가득 채우면 370cc 정도이므로, 실린더 하나의 크기가 대략 소주병 정도 된다고 보면 이해가 쉽다. 

 

가스 엔진에서 휘발유 엔진으로

1862년 가스 엔진을 이용한 자동차를 발명한 프랑스의 르누아르 이후, 1874년에는 오스트리아 출신의 유태인 지그프리드 마르쿠스가 벤젠을 연료로 쓴 자동차를 만들었다. 독일에서는 벤츠와 다임러에 의해 1886년 휘발유를 연료로 쓰는 자동차가 처음 선보였다. 

가스 엔진이 생겨났을 때, 독일의 한 청년은 슈투트가르트에서 이 가스 엔진을 보고 새로운 자동차를 만들어야겠다고 생각했는데, 이 사람에 의해 가스 엔진은 곧 휘발유 엔진으로 바뀌었고, 비로소 오늘날과 같은 자동차가 생겼다. 그가 바로 칼 벤츠였다. 벤츠와 다임러는 우연히도 1886년에 똑같이 휘발유를 연료로 쓰는 자동차를 세계에서 처음으로 만들었다. 그러나 휘발유 엔진을 먼저 만든 사람은 칼 벤츠였으며, 그는 다임러 보다 4년 먼저 엔진을 발명했다. 

 

1884년까지의 자동차 선사시대를 거쳐 세기의 전환점에서 성숙의 시대를 맞은 후 많은 사람들에게 이용된 공산품의 시대를 지나, 대량 생산되어 하나의 생활필수품으로 자리 잡은 소비제품으로 자동차는 사람들의 실생활과 밀접한 관계를 맺고 있다. 이제 앞으로 어떠한 모습으로 변해 나갈 것인지, 그 변화의 맨 앞에 자동차 엔진의 또 다른 변모가 기대된다. 

 

엔진 오일은 인간의 혈액과 같다

엔진 오일이 싱싱하다면 엔진의 상태도 건강하다는 뜻이다. 엔진 오일의 작용은 냉각, 밀봉, 세척, 응력분산, 방청작용 등 엔진에서 아주 중요한 여러 가지 역할을 한다. 충분한 유막을 형성하기 위해서는 엔진 오일의 온도가 섭씨 75~85도면 적당하다. 

엔진 오일은 온도가 올라가면 희석 현상이 발생되고 공기와 접촉돼 산화되거나 불순물의 혼합으로 더러워지게 된다. 이 때문에 5,000km 이상을 주행하면 교환하는 것이 좋다. 점검은 시동 전에 해야 한다. 오일량을 레벨게이지의 MAX에 가깝도록 유지하고 점도는 엄지와 인지 손가락에 묻혀 눌렀다가 놓을 때  끈적한 느낌이 있도록 유지해야 한다. 

 

점검해서 부족하면 보충하고 원인을 찾은 뒤 제때에 교환하는 것이 좋다. 엔진 오일이 부족하면 피스톤 링과 실린더 벽, 축 베어링이 과열되어 주행 중에 엔진이 정지되는 경우가 발생한다. 또 오일량이 많으면 연소실이 유입되는 현상이 생기고 연소가 정상적이지 않아 연료 소비가 많아지고 출력도 저하된다. 만약 주행한 직후 점검을 할 경우라면 5분 정도 지난 후가 적당하다. 

 

엔진 오일은 원래의 색깔에 가까울수록 양호한 것이다. 그러나 엔진 오일의 변색으로 고장의 원인을 알 수 있기 때문에 주의해 살펴볼 필요가 있다. 오일이 붉은색에 가까운 경우는 유연 가솔린이 유입된 경우이고, 검은색에 가까운 경우는 불순물에 심하게 오염됐다는 뜻이다. 우윳빛을 띠면 냉각수가 유입된 것이고, 노란색이면 무연 가솔린이 혼입 된 증거다. 

 

답답한 가슴을 파고드는 시원한 바람을 만나다, 환상의 드라이브 코스

답답한 가슴을 파고드는 시원한 바람을 만나다, 환상의 드라이브 코스