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내연기관의 대표격인 가솔린과 디젤은 서로 장단점을 나눠갖고 있다.

자동차는 원동기를 에너지원으로 삼아 자유롭게 주행할 수 있는 물체를 말한다. 차를 움직이는 원동기란 곧 엔진(engine)이다. 엔진은 연료의 연소를 통해 발생한 열에너지를 기계적 에너지로 바꾼다. 즉 차를 구동(驅動)시킬 수 있는 동력(動力)을 만든다.

엔진은 외연기관과 내연기관으로 나눌 수 있다. 외연기관은 연료와 공기의 연소가 실린더(cylinder) 밖에서 이뤄지는 것으로 예컨대 증기기관을 들 수 있다. 이와는 반대로 연료와 공기의 연소가 엔진의 실린더 안에서 이뤄지도록 한 것이 내연기관이다. 자동차용 내연기관에는 휘발유를 연료로 쓰는 가솔린 엔진과 경유를 연료로 삼고 있는 디젤엔진이 있다.

다른 용도의 엔진과는 달리 자동차용 엔진은 몇가지 구비조건을 갖춰야 한다. 즉 마력(HP)당 중량이나 부피가 작고 고장이 적으며 점검 수리에 편리하도록 제작돼야 하는 것이다. 또 연료취급이 쉽고 값이 싸며 진동과 소음도 적어야 한다. 이외에도 회전속도의 범위가 넓고 운전성능이 좋고 제작비가 싸야 하는 등 여러 조건이 요구된다. 그렇지만 각 조건들중 그 중요성은 자동차가 제작된 시대환경에 따라 달라지는 특징이 있다.

디젤엔진과 더불어 엔진의 양대산맥중 하나인 가솔린엔진은 휘발유를 연소시켜 열에너지를 얻는다. 실린더 내에 공기와 휘발유의 혼합기를 넣고 피스톤(piston)으로 압축한 다음 점화해 연소시키면 열에너지가 발생된다. 이때 연소가스는 고온고압이 되는데 이 가스가 실린더 안에서 상하로 운동하는 피스톤 헤드(piston head)에 작용하면 피스톤이 움직임으로써 열에너지가 기계적 에너지로 바뀐다. 피스톤은 직선 왕복운동을 하므로 이것을 회전운동으로 바꾸기 위해 커넥팅로드(connecting rod)와 크랭크축(crank shaft)을 사용한다. 이런 과정을 거침으로써 실린더에서 발생된 열에너지가 회전동력으로 바뀌는 것이다.

한편 디젤엔진의 주요구조는 가솔린엔진과 거의 같다. 다만 연료의 연소과정서 약간의 차이를 보인다. 즉 디젤엔진의 경우, 공기만을 흡입해 높은 압축비(壓縮比)로 압축한 다음 연료를 분사시켜 자기착화(自己着火)되는 시스템이 다를 뿐이다. 따라서 전기점화장치가 필요없고 대신 연료분사장치가 필요하다. 또 연료는 자기착화가 잘되는 경유를 사용한다.
 

디젤은 소형차에 부적합

디젤엔진은 높은 압축에서 불타는 시간이 길고 열효율도 좋아 경제성이 뛰어나다. 때문에 트럭과 배 철도 등에서는 지금도 널리 쓰이지만 승용차에서는 진동과 소음이 크고 최고회전수를 높게 할 수 없어 인기가 없었다. 그러다가 얼마 전부터 에너지절약 등의 장점을 인정받아 새롭게 각광받기 시작했다.

디젤엔진에 쓰이는 연료분사장치는 경유를 1백kg/㎤ 이상의 고압으로 만들고, 정확한 양을 알맞은 시기에 부하(負荷)에 맞춰 조절하면서 공급해야 한다. 이런 이유 때문에 연료분사장치는 정교하고 튼튼한 구조를 가져야 한다. 또한 압축과 연소에 의한 압력이 크기 때문에 디젤엔진의 실린더블럭과 피스톤 등은 가솔린엔진의 그것보다 강하고 튼튼해야 한다. 그 결과 엔진이 무거워질 수밖에 없었는데 요즘에는 기술이 발전돼 가벼운 디젤엔진, 작은 디젤분사펌프 등이 나오고 있다.

디젤엔진은 중형차 이상에만 얹을 수 있다. 그 이유는 엔진의 크기가 소형차용으로는 맞지 않고 배터리의 용량도 커야 하기 때문이다. 아울러 디젤엔진이 내는 큰 진동과 소음을 작은 차체가 커버하기란 어려운 일이다.

가솔린 엔진과 비교했을 때 디젤엔진의 가장 큰 장점은 열효율이 높다는 점이다(가솔린 25~32%, 디젤 32~38%), 둘째로 경유를 사용함으로써 취급과 저장의 위험이 줄어들고 연료소비량이 가솔린엔진보다 30% 이상 적다. 셋째로 영하 20~40℃의 혹한에서 엔진을 시동할 때는 경유가 인화점이 높기때문에 유리하다. 넷째로 복잡한 점화장치가 필요없으므로 이것으로 인한 고장률이 적고 엔진회전속도에 상관없이 연료공급이나 조정이 자유로워 평균유효압력에 큰 차이가 없을 뿐 아니라 토크(torque)의 변화가 적다.

반면 디젤엔진이 갖는 단점도 많다. 첫째로 연소를 통해 생기는 최고압력이 가솔린엔진(35~45kg/㎠)에 비해 약 두배가 되기때문에 엔진 각부의 구조를 튼튼히 해야하고 운전 중 소음이 크다. 따라서 엔진의 출력당 중량이 가솔린엔진보다 커진다. 둘째로 평균 유효압력 및 회전속도가 조금 떨어지고 동일출력의 엔진을 비교했을 때 상대적으로 그 크기가 크다. 더욱이 연료분사장치의 부품이 모두 정밀해야 하므로 엔진의 값이 비싸고 고장이 났을 때 전문공장에서만 수리해야 한다는 번거로움이 따른다. 셋째로 엔진의 압축압력이 높고 회전력이 커서 공전운전시의 진동이 크다. 또 엔진의 압축비가 높으므로 기동전동기의 출력이 비교적 커야 한다. 뿐만 아니라 전체적으로 제작비도 비싸다.

상급 휘발유의 조건은?

오늘날 환경보전에 대한 관심이 높아지면서 공해를 방지하자는 목소리가 커지고 있다. 그중 대기오염 대상으로 자동차가 광범위한 지탄을 받아왔고 특히 디젤차량에 대한 비난이 많다. 따라서 디젤엔진차를 만드는 메이커에서는 디젤차의 저공해성을 주장하기 위한 세미나를 잇따라 개최하는 등 홍보전까지 펼치고 있다. 여기서 가솔린엔진과 디젤엔진이 사용하는 연료에 대해 알아보자.

가솔린엔진의 원료인 휘발유는 석유계의 원료를 정제한 액체연료인데 휘발성이 풍부하고 발열량도 많다. 각종 탄화수소와 약간의 유기화합물의 혼합체인 휘발유는 제조법에 따라 직류 분해 천연가스휘발유 등으로 구분된다. 현재 시판되는 휘발유는 모두 파라핀계와 나프텐계의 혼합물인데 그 물리적 성질은 비중 0.74~0.76, 건점 1백75~2백30℃, 옥탄가 70~85, 인화점 10~15℃, 자연발화점 3백~5백℃ 등이다.

휘발유의 등급은 증류온도가 낮고 옥탄가가 높을수록 상급으로 평가된다. 특히 자동차를 포함한 내연기관용 휘발유는 휘발성이 알맞고 노킹방지성이 크며 유해화합물의 함유량이 적어야 한다.

한편 디젤엔진의 연료인 경유는 원유의 정제과정에서 휘발유와 등유 등이 채집된 다음에 얻어지는 것이 원칙이다. 시중에서 판매되는 경유는 점도 휘발성 착화성 등을 알맞게 하고 불순물과 협잡물을 가능한한 제거한 것이다. 또 연료로서의 모든 성질을 균등하게 했다. 경유의 물리적 성질은 비중 0.83~0.89, 인화점 40~90℃, 발열량 1만7백kcal/kg이다. 자동차용 디젤엔진의 연료가 지녀야 할 성질은 상당히 까다롭다. 우선 적당한 점성을 갖고 온도변화에 따른 점도의 변화가 적어야 한다. 또 자연발화가 쉬워야 하고 고형(固型) 미립물이나 유해성분이 없어야 한다.

가솔린엔진과 디젤엔진은 기본적으로 연소방식이 다르다. 가솔린엔진의 경우 기화기에 의해 거의 균일한 혼합기(기체)가 형성된 뒤 이것이 그대로 실린더에 흡입된다. 반면 디젤엔진의 경우에는 공기와의 균일혼합이 어려우며 실린더 내의 공기를 전부 연소에 이용할 수도 없다.