미디어 웜홀

플라이휠은 크랭크의 회전을 휠의 관성을 이용해 원활한 회전으로 바꾸어주는 역할을 한다. 그래서 퓔은 관성력을 가지면서도 그 자체는 되도록 가벼워야 하며 중앙부는 얇고 바깥쪽은 두껍다. 흘라이휠의 무게는 실린더의 수나 회전속도가 증가됨에 따라 점차로 가벼워진다.(이 부분 시험에 잘 나온다) 플라이 휠 바깥 둘레엔 기동전동기의 피니언과 물리는 링 기어가 열박음되어 있으며 플라이 휠면은 클러치의 디스크와 접촉되어 있다.

링기어를 끼울 땐 링기어를 200~250도로 하고 뺄 땐 120~150도 정도만 해도 된다.

밸브기구는 오버헤드 밸브기구와 오버헤드 캠축 밸브 기구가 있는데 두번째 건 약자로 OHC다. 흔히 SOHC니 DOHC라는 글을 자동차 뒤편에 있는 것을 보는데 이는 밸브기구가 실린더 헤더 위에 설치된 캠축에 의해 여닫게 된 형태의 차라는 뜻이다.DOHC는 이 장치가 두 개, 더블로 있다는 얘기고. OHC방식은 밸브 기구의 왕복부분의 관성력이 작아지기 때문에 밸브의 가속도를 크게 하고 개폐가 안정되어 고속성능이 향상된다.

캠축은 밸브의 여닫으면서 타이밍을 정하는 캠을 연결한 축이다.4사이클 엔진의 캠샤프트(축)는 크랭크축이 2회전할 때 1회전한다. 즉 한 사이클에 1회전이다. 4행정 기관에서 배기밸브가 열리는 것과 크랭크축, 캠축의 회전과 어떤 비율로 돌아가는가 잘 살펴야 한다. 캠축의 헤리컬 기어는 크랭크축의 기어에 비해 2배 크다는 사실만 잘 인식하면 문제 없겠다.

캠의 구성에서 리프트, 즉 양정에 대해선 시험에 잘 나오니 염두해 둘 것. 기초가 되는 원을 베이스서클이라 하고 캠의 뾰족한 부분은 노스, 밸브의 리프터나 로커암이 접촉되는 캠의 옆면을 플랭크, 로브는 밸브가 열리기 시작해 완전히 닫힐 때까지의 거리다. 문제의 리프트는 기초원에서 노스까지의 높이를 말한다.

캠의 구동에는 기어방식, 체인방식, 벨트방식이 이용되는데 요즘엔 체인이 늘어나는 현상이 없어 많이 사용된다. 기어방식에서 기어는 비스듬이 골이 패인 헤리컬기어가 사용되며 벨트구동은 진동소음이 적으나 수명이 짧은 단점이 있다.

다음, 밸브 리프터 즉 태핏은 캠의 회전운동을 상하운동으로 바꾸어 푸시로드에 전달하고 이는 다시 로커암에 전달되고 밸브를 여닫게 된다. 유압식과 기계식이 있다. 유압식은 밸브의 개폐시기가 정확하게 유지되므로 밸브의 간극조정이 필요없다. 또한 충격을 흡수하므로 내구성이 좋아진다. 다만 아주 드물긴 하지만 오일펌프나 회로에 고장이 생기면 작동되지 않는다. 기계식은 일체식으로 되어있다.

그리고 리프터와 로커암을 연결하는 부위를 푸시로드라고 한다. 로커암은 캠축, 리프트, 푸시로드로부터 전달받은 상하운동을 밸브에 연결하는 것으로 연결하는 부위라 해서 '암'이라는 명칭이 붙었단다. 밸브쪽 팔이 푸시로드쪽보다 1.2~1.6배 길다. 스프링은 로커암과 로커암 사이에 설치해 암이 축방향으로 움직이는 것을 방지한다. 로커암 축은 오일 펌프에서 오일을 공급받아 로커암의 윤활을 돕기 위해 속이 비어있다.

일반적으로 로커암과 밸브의 간극은 0.5mm로 배기밸브쪽 팔의 길이가 좀 더 길다. 강사의 설명과 약간 차이가 있는데 책에선 흡입밸브쪽 0.2~0.35, 배기밸브쪽 0.3~0.40으로 나와있다. 밸브의 기능은 연소실에 유입 유츌되는 가스의 밀봉작용이다. 또한 필요시 흡배기 밸브가 개폐되어 연료와 연소가스의 출입을 담당한다. 특히 배기밸브는 폭발후 고온의 가스가 나가므로 항상 고온에 노출되니 내열성이 우수한 것이어야 한다.

밸브의 주요 부분 명칭은 밸브헤드, 마진, 밸브면, 밸브 스템, 밸브 스프링 리테이너 록 그루브, 벨브 스템 엔드가 있다. 이 중에서 벨브면의 역할이 시험에 한 번씩 나온다. 이것은 밸브 시트에 접촉되어 기밀유지 및 헤드의 열을 시트에 전달한다. 밸브스템 역시 배기밸브가 흡기밸브보다 강도가 높아야하듯 지름 또한 배기쪽이 굵다.

밸브 중에선 스템의 속이 금속나트륨으로 된 것도 있는데 밸브의 열을 신속히 식힐 수 있는 나트륨 밸브도 있으나 너무 고가라서 지금은 거의 사용하지 않는다. 밸브는 마진의 두께로 재사용 여부를 결정한다. 또 밸브시트의 각은 30. 45, 60도가 있다. 밸브가이드, 일반적으로 가이드 고무는 고무제의 실로 윤활유가 연소실에 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

시험에 잘나오는 문제 하나, 열팽창을 고려해 두는 간극은? 1. 피스톤 간극 2.피스톤 절개구 3.밸브간극 4.밸브간섭각으로 4가지다. 추가 문제, 윤활유가 배기가스와 섞이면 무슨 색? '흰색'. 그럼 검정색일 땐? '에어크리너 막히고 연료 순사시기가 빠를 때'. 그렇다면 청색이면 무슨 이유? 연료 분사시기가 늦거나 연료가 배기관으로 그대로 나오면 파란색을 띤단다.

경합금 피스톤의 종류엔 캠연마 피스톤, 스플리트 피스톤, 솔리드 피스톤, 인바아 스트러트 피스톤, 오토더믹 피스톤, 슬리퍼 피스톤, 오프셋 피스톤, 링 캐리어 삽입 피스톤 등이 있다. 피스톤 헤드의 모양에 따라선 편평형, 도움형, 쐐기형, 불규칙형, 밸브 노치형, 오목형이 있다. 불규칙형은 앞서 설명했듯이 피스톤 헤드에 돌출부(디플렉트)가 있는 것으로 연소실 내의 가스와 연료에 와류현상을 주어 잘 섞이게 하려는 목적이다.

피스톤 링은 상단부 압축링과 하단부 오일링으로 구성되어 있다. 이 링은 절개부가 있는데 모양에 따라 버트이음, 각이음, 랩이음, 시일이음 등이 있으며 절개부를 만든 이유는 열팽창을 고려해서이다. 이 간극은 맨 위에 있는 1번이 가장 크고 내려올 수록 작아진다. 1번이 가장 많이 벌어진 이유는 열을 가장 많이 받기 때문이다. 그리고 링을 조립할 때엔 일직선으로 하지말고 각 링마다 120도의 각도를 주어 배열해야 연소가스나 오일의 누출을 막을 수있다.

압축링의 기능은 실린더벽과 피스톤 사이에서 압축행정시 혼합기의 누츨 및 폭발행정에서의 연소가스 누출을 막기위해서이다. 즉, 블로바이현상을 막기 위한 조치이다. 또한 오일링은 실린더 벽을 윤활하고 과잉으로 묻은 오일을 긁어내려 실린더 벽에 적절한 유막을 유지하게 한다. 피스톤링의 형상은 동심형보다 편심형이 많이 쓰인단다. 이유는 편심형이 실린더 벽에 가해지는 압력이 일정하기 때문이다. 피스톤 핀의 고정방식은 고정식, 반부동식, 전부동식이 있다.

다음으로 커넥팅로드가 나오는데 이는 피스톤과 크랭크축을 연결하는 부위다. 즉 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 교량이라고 보면 되겠다. 커넥팅로드의 길이는 행정의 1.5~2.3배다. 단행정이냐 장행정이냐에 따라 물론 길이는 달라지겠지만 말이다. 로드가 길면 측압이 적어 실린더 마멸이 감소하는 대신 기관의 높이가 높아지는 단점이 있다.

크랭크축은 실린더의 동력행정에서 얻어진 직선운동을 회전운동으로 바꾸는 회전축이다. 재질은 고탄소강, 크롬몰리브덴강, 켈크롬강 등으로 형타단조법으로 제작한단다. 형타단조법이 뭐냐고 강사에게 물으니 잘 모르지만 글자로 봐선 두드려서 만드는 것 같단다. 크랭크축을 두드려서 만든다고???

구조는 메인저널, 크랭크핀, 크랭크암, 평형추, 오일홀, 오일실링거, 플랜지로 이루어져있다. 플랜지는 플라이휠과 연결된다. 4기통 크랭크축은 180도의 위상차를 가지며 6기통이면 120도다. 8기통 같으면 90도의 위상차를 갖는다.

크랭크축의 엔드플레이(크랭크가 옆으로 움직이는 것) 정도를 측정하는 공구는 다이얼게이지 또는 디크니스게이지가 쓰인다. 그리고 시험에 잘 나오는 문제, 크랭크축에 으해 구동되는 것은? 제네레이터(발전기), 캠축, 물펌프, 에어컨 검프레셔, 파워스티어링 오일 펌프, 에어컴프레셔(대형차) 등이다.

기관베어링, 베어링은 형태에 따라 볼형, 원통형, 플레인형으로 나뉜다. 재료에 따라선 배빗(구리+주석), 켈밋(구리+납), 트리메탈(아연+주석+구리) 알루미늄합금으로 나뉘며 요즘엔 알루미늄과 주석을 섞은 아루미늄합금이 가장 많이 쓰인다. 베어링을 조립할 땐 크러시를 두는데 이유는 베어링을 고정시키고 열전도성을 좋게 하기 위해서다. 또한 스프레드도 두는데 작은 힘으로 눌러 베어링이 제자리에 밀착되도록 하는 것이다.

자, 이제 잠시 쉬었다가 플라이휠에 대해 알아보자.

어제 교재 첫 장을 넘겨 본격적인 교육이 시작되었는데 배울 내용이 생소할 수밖에 없는데 어찌된게 친근감은 들었다. 고등학교를 공업계 졸업은 했지만 건설장비와는 전혀 무관한 선반을 전공했으니 배우는 내용이 비슷한 것조차 없다. 교재 페이지 마다 알아들을 수 없는 용어들만 즐비하다. 20년 전 쯤 운전면허 딴다고 공부했던 자동차 관련 설명이 희미하게나마 기억에 남아있어 그나마 교재의 그림들이 안면 있는 정도다.

20년은 신문사에서 글만 파먹고 살다가 40대 중반을 훌쩍 넘은 나이에 새로운 일을 찾아 밥벌이 해보려니 여간 머리 아픈 게 아니다. 그런데 그거 재미있다. 지금까지 해보지 않던 일에 도전해보는 것. 나는 앞으로도 그렇게 살 거다. 계속 새로운 일을 찾고, 새로운 삶을 찾아서 살다가 그렇게 죽는 게 얼마나 지구 생물다운 삶이랴. 한마디로 멋지잖아.

각설. 수업을 하면서 처음 만난 내용이 기계 기관 중에서도 열기관에 관한 것이다. 열기관이란 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것을 말한다. 이는 외연기관과 내연기관으로 나뉘는데 외연기관은 옛날 증기기관차에서 사용하던 것으로 물탱크의 증기를 이용해 피스톤을 움직여 차가 가도록 한 것이다. 요즘엔 대부분 내연기관을 사용한다. 가솔린 엔진이나 디젤엔진 등 자동차나 건설기계에 사용하는 엔진들이 다 내연기관이다.

이런 기관은 2행정 기관과 4행정 기관으로 나뉘는데 2행정 기관은 오토바이나 예초기 등에 사용되는 것으로 실린더 속에 있는 피스톤이 한바퀴 돌때 연료를 흡입, 압축, 폭발, 배기 등 4개 과정을 처리하는 것이며 4행정 기관은 피스톤이 두 번 왔다갔다 하는 동안 4개 과정을 마치는 것을 말한다. 기계의 엔진은 이 4개의 과정을 계속해서 반복하는데 피스톤이 초당 12미터를 가는 것이니 눈에 보이지 않을 정도다.

그 짧은 순간에 실린더에선 흡기밸브를 열어 연료를 실린더 안으로 빨아당겼다가 피스톤으로 압축을 해 가스의 압력이 최대한 높아졌을 때 폭발이 일어나게 해서 다시 피스톤을 밀어내고 떠 피스톤이 실린더 공간을 압축하면서 배기가스를 빼내면 한 사이클이 끝난다. 설명은 이렇게 길지만 이것이 일어나는 순간은 1000분의 4초다. 대단한 기술이다. 늘 자동차를 몰고 다니면서도 이러한 사실을 알게되니 어째... 내차가 존경스러워지기까지 한다. 16년된 낡은 엑센트이지만...

 피스톤이 실린더 내에서 움직일 수 있는 거리를 행정이라고 한다. 최고 높은 곳을 상사점, 낮은 곳을 하사점이라고 하는데 아래위를 갔다오는데 크랭크는 180도 회전을 한다. 2행정 사이클은 압축과 흡입, 연소와 배기를 거의 동시에 이루어지게 하는데 4행정 시스템보다 연료손실이 많다고 한다. 대신 회전력의 변동이 적어 실린더 수가 적어도 회전이 원활한 장점이 있다.

 밸브의 배열에 따라서 I헤드형, L헤드형, F헤드형, T헤드형으로 나뉜다. I헤드형을 오버헤드형이라고 하는데 가장 많이 쓰인다. 그런데 '디플렉트'란 놈은 굉장히 헷갈리는 놈이다. 좋은 건지 나쁜 건지 알 수 없다. 교재 앞쪽에선 2행정 사이클 기관에서 가스의흐름을 바꾸기 위하여 피스톤 헤등 설치한 돌출부라고 설명되어 좋다는 의미인 것 같은데, 뒤쪽으로 가면 디플렉트에 열이 가해져 실린더에 무리를 주게 되고 실린더 헤드의 구비조건에서도 '가열되기 쉬운 돌출부가 없어야 한다'고 되어 있다. 어쩌라고?

 실린더 헤드 가스킷. 실린더와 헤드 사이에 냉각수 유출 방지, 그리고 가스나 연료가 섞이거나 새지 않도록 끼워놓은 납작한 부품이다. 이것 하나에 승용차의 경우 7만원 한다고? 별 것 아닌 것 같은데 꽤 비싸네. 가스킷은 보통 동판이나 강판에 석면을 싸서 만든다. 이 재료의 특징은 복원력이란다. 탄성이 좋아야 실린터 내 피스톤이 쿵쾅거려도 원상태를 유지할 수 있다는 것이다.

 다음은 연소실. 구비조건은 첫째, 화염전파에 필요한 시간을 최소로 짧게 할것(4/1000초). 둘째, 가열되기 쉬운 돌출부를 두지 말 것. 셋째, 압축행정 끝에 와류를 일으키게 할 것. 넷째, 연소실 내의 표면적은 최소가 될 것. 다섯째, 밸브 면적을 크게하여 흡배기 작용을 원활히 할 것. 이렇게 다섯 가지인데 상충하는 내용이 있어 헷갈린다. 즉, 와류를 일으키려면 돌출부가 있어야 하는데 두번째에서 돌출부를 두지 말라고 하고, 밸브 면적을 크게 하려면 연소실 내의 표면적이 커야 하는데 네번째에서 표면적을 최소가 되게 하라니...

 연소실의 종류엔 반구형, 쐐기형, 지붕형, 욕조형이 있다. 압축비라는 게 있는데 이것은 피스톤이 하사점에 있을 때의 총체적 부피와 상사점에 있을 때의 실린더 체적, 즉 전체체적과 연소실 체적의 비율이다. 또 실린더 헤더는 토크렌치로 조아야 하며 안쪽에서부터 밖으로 조아나간다. 토크렌치로 조으는 이유는 똑같은 힘으로 조아야 실린더 헤더가 힘을 골고루 받아 변형이 생기지 않기 때문이다. 풀때는 순서 상관없이 풀어도 된단다. 그런데 책에선 밖에서부터 풀어라고 적혀있다.

 헤드가스킷이 불량일 때엔 압축압력이 저하해서 오일과 냉각수가 섞여 라디에이터에 기름이 뜨거나 엔진오일에 물이 들어가 엔진이 상하게 될 수 있다. 그리고 참 많이 헷갈린 부분인데 '헤드를 연삭하면 압축비가 높아진다'는 내용이다. 실린더 헤드를 깎으면 연소실의 부피가 늘어나 압축비가 떨어지는데 책에선 압축비가 올라가 열효율이 좋아진다고 했다. 하지만 실린더 헤드를 깎는다면 연소실 부피가 늘어나 압축비가 떨어질 텐데... 복습을 하면서 깨우쳤다. 가스킷 헤드를 깎는 것이므로 연소실의 부피는 줄어든다는 것을... 하지만 강사는 제대로 설명을 해주지 않아 답답하긴 했다.

 다음은 실린더 블록에 대해 정리하겠다.