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엔진은 외부에서 공급받는 에너지원을 기계적 에너지로 변환하는 기계 장치를 총칭합니다.
이러한 변환 과정에서 위치 에너지, 열 에너지, 화학 에너지 등 다양한 형태의 에너지가 활용될 수 있습니다.
특히, 연소 과정을 통해 발생한 열 에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 열기관은 자동차, 항공기 등 우리 생활 곳곳에서 중요한 역할을 담당합니다.
엔진의 발달은 인류 문명의 발전에 지대한 영향을 미쳤으며, 산업 혁명의 원동력이었던 증기 기관부터 현대의 복잡한 제트 엔진에 이르기까지 그 종류와 기술은 끊임없이 진화해왔습니다.

엔진의 정의와 작동 원리

엔진이라는 용어는 라틴어 ‘ingenium’에서 유래했으며, 이는 ‘교묘한’ 또는 ‘기발한’이라는 의미를 지닙니다.
이러한 어원처럼 엔진은 복잡한 에너지를 유용한 기계적 동력으로 전환하는 놀라운 기술입니다.
엔진이 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 방식은 매우 다양합니다.
예를 들어, 수력 발전소에서는 물의 위치 에너지를, 지열 발전소에서는 지구 내부의 열 에너지를 활용합니다.
핵발전소에서는 핵분열이나 핵융합에서 발생하는 막대한 에너지를 이용하기도 합니다.
이러한 에너지 변환 과정에서 많은 경우 중간 단계로 열이 발생하므로, 열 에너지를 다루는 열기관이 특별한 중요성을 갖습니다.
기계적 에너지는 운송 수단뿐만 아니라 제품을 만들거나 가공하는 다양한 산업 공정에서도 필수적으로 사용됩니다.

내연기관과 제트 엔진: 다른 듯 닮은 두 엔진

엔진의 작동 방식에 따라 크게 내연기관과 반응 엔진으로 나눌 수 있습니다.
대표적인 내연기관으로는 자동차에 널리 사용되는 왕복 엔진이 있으며, 엔진 내부에서 연료를 연소시켜 동력을 얻습니다. 내연기관은 연료의 연소열로 인해 연소실 내 가스가 급격히 팽창하면서 피스톤을 움직이고, 이 피스톤의 왕복 운동이 크랭크축을 회전시켜 기계적 동력을 만들어냅니다.
대표적인 내연기관 작동 방식으로는 가솔린 엔진이나 디젤 엔진에서 볼 수 있는 4행정 사이클(흡기, 압축, 점화, 배기)이 있습니다.
반면, 제트 엔진은 반응 엔진의 한 종류로, 연소열을 이용하여 고속의 배기가스를 분출하며 발생하는 반작용으로 추력을 얻습니다.
항공기에서 제트 엔진은 터빈 샤프트에서 나오는 역학적 에너지를 이용해 전기 및 유압 시스템에 전력을 공급하기도 하지만, 주된 역할은 추력을 생성하는 것입니다.

엔진의 동력 전달 방식

엔진에서 생성된 동력은 다양한 방식으로 전달됩니다.
내연기관의 경우, 연소 과정에서 피스톤의 왕복 운동이 발생하며, 이 운동은 크랭크축을 통해 회전 운동으로 변환됩니다.
이 회전 동력은 변속기를 거쳐 바퀴로 전달되어 차량을 움직이게 합니다.
제트 엔진과 같은 반응 엔진은 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용의 법칙)에 따라 추진제(연료와 산화제)를 고속으로 분출함으로써 추력을 얻습니다.
이 추력은 직접적으로 항공기를 앞으로 나아가게 합니다.

자동차 엔진의 종류와 특징

오늘날 자동차에는 다양한 종류의 엔진이 사용되고 있습니다.
가장 대표적인 것은 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로, 둘 다 연료를 연소시키는 내연기관입니다.
가솔린 엔진은 일반적으로 더 높은 RPM을 낼 수 있어 경쾌한 주행 성능을 제공하는 반면, 디젤 엔진은 연비가 우수하고 저속 토크가 강한 특징을 가집니다.
최근에는 친환경 트렌드에 따라 전기 모터를 동력원으로 사용하는 전기차의 보급이 확대되고 있습니다.
전기차는 배기가스를 전혀 배출하지 않는다는 장점이 있으며, 조용하고 부드러운 주행감을 선사합니다.
이 외에도 하이브리드 자동차는 가솔린 엔진과 전기 모터를 함께 사용하여 연비 효율을 극대화하고 배출가스를 줄입니다.

엔진의 배출가스 문제와 친환경 대안

모든 화학 연료 열기관은 연소 과정에서 배출가스를 발생시킵니다.
탄화수소 연료를 사용하는 엔진에서는 온실가스의 주범인 이산화탄소(CO2)가 배출되며, 공기 중 질소와 산소의 반응으로 인해 질소산화물(NOx)도 소량 발생할 수 있습니다.
가장 깨끗한 엔진이라고 할 수 있는 것은 순수한 수소와 산소를 연소하여 물만 배출하는 엔진으로, 이는 특정 종류의 로켓 엔진에서 이론적으로 가능합니다.
공기를 사용하여 수소를 연소하는 경우에도 약간의 NOx가 발생하게 됩니다.
이러한 배출가스 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 친환경 엔진 기술 개발이 활발히 이루어지고 있습니다.
특히, 전기차와 수소 연료전지 자동차는 배출가스 제로를 목표로 하는 대표적인 친환경 이동 수단입니다.