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엔진이란 무엇인가?

엔진은 다른 형태의 에너지를 우리가 사용할 수 있는 기계적인 에너지로 바꿔주는 기계 장치를 말합니다.
마치 자동차의 심장처럼 말이죠.
이러한 에너지 전환에는 여러 가지 방법이 사용됩니다.
예를 들어, 물의 위치 에너지를 이용하는 수력 발전이나 지구의 열 에너지를 이용하는 지열 발전이 있습니다.
또한, 화학 에너지, 전위 에너지, 심지어는 핵 에너지(핵 분열 또는 핵 융합)까지 동력원으로 활용될 수 있습니다.
이러한 과정에서 중간 단계로 열이 발생하는 경우가 많아, 열을 이용하는 열기관이 특별히 중요하게 다루어집니다.

특히 내연기관은 기계적 열 엔진의 가장 흔한 예입니다.
연료가 엔진 내부에서 연소하면서 발생하는 열로 인해 가스가 급격히 팽창하고, 이 힘으로 피스톤이 움직여 크랭크축을 회전시키죠.
자동차에서 흔히 볼 수 있는 가솔린 엔진이나 디젤 엔진이 여기에 해당합니다.
하지만 연소 과정이 외부에서 일어나는 외연기관도 있는데, 산업 혁명의 상징이었던 증기기관이 대표적입니다.
로켓이나 제트 엔진 같은 반응 엔진은 연료를 태워 발생하는 뜨거운 배기가스를 고속으로 분출하여 그 반작용으로 추력을 얻는 방식으로 작동합니다.
제트 엔진은 연소열을 이용하여 반응 엔진의 한 형태로 고속 배기가스를 생성하며, 여기서 얻는 역학적 에너지는 항공기의 전기 및 유압 시스템에 전력을 공급하는 데도 사용됩니다.

엔진이라는 단어는 옛 프랑스어 ‘engin’에서 유래했는데, 이는 ‘교묘한’이라는 뜻의 라틴어 ‘ingenium’에 뿌리를 두고 있습니다.
과거에는 투석기나 충차 같은 공성 무기도 ‘엔진’이라고 불렸다고 합니다.

다양한 엔진의 종류

우리가 흔히 접하는 엔진은 그 종류가 매우 다양합니다.
자동차에 널리 사용되는 내연기관은 다시 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로 나눌 수 있으며, 이들은 연료를 연소시키는 방식과 그 특성이 다릅니다.
최근에는 친환경적인 이동 수단으로 전기차의 구동 방식도 주목받고 있습니다.
전기차는 내연기관과는 다르게 전기에너지를 직접 기계적 에너지로 변환하는 전동기를 사용합니다.
이 외에도 압축 공기를 이용하는 공압 모터나, 태엽의 탄성 에너지를 이용하는 시계 모터 등도 엔진의 한 종류로 볼 수 있습니다.
심지어 우리 몸속의 근육 또한 화학 에너지를 사용하여 힘을 생성하고 움직임을 만들어내는 ‘분자 모터’의 역할을 합니다.

특히 로켓이나 잠수함처럼 대기권 밖이나 물속에서 작동하는 엔진은 공기 호흡 엔진과 달리 자체적으로 산화제를 가지고 있어야 하거나, 핵반응과 같은 비화학적 수단을 통해 열을 얻어야 합니다.
이러한 엔진들은 연소 시 배출되는 부산물에 따라 환경에 미치는 영향이 달라지기도 합니다.
가장 이상적인 제로 배출 엔진은 물만 배출하는 경우를 말하며, 순수한 수소와 순수한 산소를 연소하는 열기관만이 이러한 엄격한 기준을 충족할 수 있습니다.
하지만 일반적인 공기 호흡 엔진은 수소와 산소의 결합 시 대기 중 질소와 반응하여 소량의 질소산화물(NOx)을 배출할 수 있으며, 휘발유나 알코올과 같은 탄화수소를 연료로 사용할 경우 온실가스인 이산화탄소(CO2)가 배출됩니다.

엔진의 핵심 원리

엔진의 기본적인 작동 원리는 에너지를 변환하는 것입니다.
열기관의 경우, 연료를 연소시켜 발생하는 열에너지를 기계적인 일로 전환하는 것이 핵심입니다.
예를 들어, 4행정 가솔린 엔진은 흡기, 압축, 점화, 배기의 네 단계를 거쳐 작동합니다.
먼저 연료와 공기를 흡입하고(흡기), 이를 압축시킨 뒤(압축), 점화시켜 폭발시키면(점화), 그 폭발력으로 피스톤이 밀려나면서 기계적인 일이 발생합니다.
마지막으로 연소된 가스를 배출하는(배기) 과정을 반복하며 지속적인 동력을 만들어냅니다.

반응 엔진, 특히 제트 엔진의 경우는 뉴턴의 제3운동 법칙, 즉 ‘작용-반작용의 법칙’에 기반합니다.
엔진 내부에서 연료가 연소하면서 고온, 고압의 배기가스가 발생하고, 이 배기가스가 노즐을 통해 빠르게 분출되면서 그 반대 방향으로 강력한 추력이 발생합니다.
이 추력이 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘이 되는 것이죠.
이 과정에서 터빈 샤프트에서 얻는 역학적 에너지는 항공기의 각종 시스템에 동력을 공급하는 데 활용됩니다.

엔진의 효율성은 사용되는 연료, 설계 방식, 그리고 작동 환경 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 따라서 자동차 제조사들은 연비 향상과 배출가스 저감을 위해 끊임없이 엔진 기술을 개발하고 있습니다.

자동차 엔진의 특징

자동차의 엔진은 승객의 편의와 안전, 그리고 효율적인 주행을 위해 매우 정교하게 설계됩니다.
가장 대표적인 내연기관인 가솔린 엔진은 비교적 높은 엔진 회전수(RPM)에서 최대 출력을 발휘하는 경향이 있으며, 점화 플러그를 사용하여 연료와 공기의 혼합기에 불을 붙입니다.
반면 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 높은 압축비를 사용하며, 연료를 분사하여 고온의 압축된 공기에 의해 자연 발화(압축 착화)시키는 방식입니다.
이러한 특성 때문에 디젤 엔진은 일반적으로 더 높은 토크를 제공하며 연비가 좋습니다.

최근에는 전기 자동차의 발전이 눈에 띕니다.
전기차의 구동 방식은 내연기관과는 완전히 다릅니다.
배터리에 저장된 전기에너지를 이용하여 전기 모터를 돌려 동력을 얻습니다.
이는 기존 내연기관 엔진에 비해 구조가 간단하고, 운행 중 배출가스가 전혀 없다는 장점이 있습니다.
또한, 회생 제동 시스템을 통해 감속 시 발생하는 에너지를 다시 배터리에 저장하여 효율을 높이기도 합니다.
이처럼 자동차 엔진 기술은 끊임없이 발전하며 더 나은 성능과 친환경성을 추구하고 있습니다.

자동차 엔진은 모두 내연기관인가요?

아닙니다.
자동차에는 왕복 엔진과 같은 내연기관뿐만 아니라, 전기 모터를 사용하는 전기차도 있습니다.
로켓이나 제트 엔진 같은 반응 엔진도 내연기관의 일종이지만, 작동 방식은 다릅니다.

제트 엔진은 어떻게 추력을 얻나요?

제트 엔진은 연료를 연소시켜 발생하는 고온, 고압의 배기가스를 빠르게 분출하는 반작용으로 추력을 얻습니다.

제로 배출 엔진이란 무엇인가요?

제로 배출 엔진은 운행 중 물이나 수증기 외에 다른 배출물이 전혀 없는 엔진을 말합니다.
순수한 수소와 순수한 산소를 연소하는 열기관이 여기에 해당할 수 있습니다.