4행정 사이클

공기, 연료, 점화, 그리고 힘

내연기관은 연료의 화학 에너지를 기계적 운동으로 바꿉니다. 가솔린 엔진 대부분은 1876년 니콜라우스 오토가 발명한 4행정 사이클을 씁니다. 각 실린더는 네 번의 행정을 반복합니다. 피스톤이 두 번 올라가고 두 번 내려가면서 동력을 한 번 만들어 냅니다.

1행정: 흡입: 피스톤이 내려가고 흡기 밸브가 열리면서, 정확하게 계량된 공기와 연료의 혼합기가 실린더로 빨려 들어옵니다. 현대 엔진은 연료 분사를 씁니다. 컴퓨터가 제어하는 인젝터가 흡기 포트나 실린더 안으로 연료를 미세한 입자로 분무합니다.

2행정: 압축: 두 밸브가 모두 닫히고 피스톤이 올라가면서 공기와 연료의 혼합기를 실린더 위쪽의 좁은 공간으로 압축합니다. 일반적인 가솔린 엔진의 압축비는 약 10:1입니다. 혼합기를 원래 부피의 10분의 1로 누른다는 뜻입니다. 압축하면 혼합기의 온도와 압력이 올라가서 연소 효율이 높아집니다.

행정 3: 동력(연소): 압축 행정이 끝나는 상사점에서 점화 플러그가 불꽃을 튀깁니다. 이 불꽃이 압축된 공기와 연료의 혼합기에 불을 붙이면 혼합기가 빠르게 타면서 팽창하고, 엄청난 힘으로 피스톤을 아래로 밀어 냅니다. 동력을 만드는 행정은 이 하나뿐입니다. 나머지 세 행정은 준비와 정리 과정입니다.

행정 4: 배기: 배기 밸브가 열리고 피스톤이 위로 올라가면서, 연소를 마친 가스를 실린더 밖으로 밀어 내어 배기 장치로 보냅니다. 그러고 나면 이 사이클이 다시 시작됩니다.

배기량은 모든 피스톤이 한 사이클 동안 쓸고 지나가는 전체 부피입니다. 2.0리터 엔진은 모든 실린더의 배기량을 합하면 2리터가 됩니다. 배기량이 클수록 대체로 출력이 높아지지만 연료도 더 많이 소모합니다.

압축비는 행정의 맨 아래에서 잰 실린더 부피와 맨 위에서 잰 부피의 비율입니다. 압축비가 높을수록 연료에서 더 많은 에너지를 뽑아낼 수 있지만, 노킹(엔진을 손상시킬 수 있는 제어되지 않은 폭발적 연소)을 막으려면 옥탄가가 더 높은 휘발유가 필요합니다.

실화 진단하기

한 고객이 4기통 자동차를 가져옵니다. 엔진이 불규칙하게 돌고 공회전 중에 흔들립니다. 엔진 점검등이 켜져 있고, 진단 스캐너에는 3번 실린더 실화 코드가 표시됩니다. 엔진은 네 개가 아니라 세 개의 실린더로 작동합니다.

변속기, 차동 장치, 구동 방식 배치

바퀴까지 동력 전달하기

엔진은 크랭크축에서 회전력(토크)을 만들어 냅니다. 하지만 이 날것의 동력을 바퀴에 곧바로 보낼 수는 없습니다. 속도, 방향, 접지력에 맞게 바꿔 주어야 합니다. 이 일을 구동계가 맡습니다.

변속기: 변속기는 엔진과 바퀴 사이의 기어비를 바꿉니다. 저단 기어에서는 바퀴에 비해 엔진이 빠르게 회전하므로 토크가 커서 가속과 언덕 오르기에 알맞습니다. 고단 기어에서는 바퀴에 비해 엔진이 느리게 회전하므로 고속도로 순항 속도에서 효율적으로 달릴 수 있습니다. 수동 변속기는 클러치와 운전자가 고르는 기어를 사용합니다. 자동 변속기는 토크 컨버터와, 변속기 제어 모듈(TCM)이 제어하는 유성 기어 세트를 사용합니다.

차동장치(디퍼렌셜): 자동차가 회전할 때 바깥쪽 바퀴는 안쪽 바퀴보다 더 긴 경로를 이동합니다. 차동장치는 차축 하우징 안에 든 기어 장치로, 두 구동륜이 동력을 계속 받으면서도 서로 다른 속도로 회전하게 해 줍니다. 차동장치가 없다면 타이어는 회전할 때마다 끌리고 튀게 됩니다.

구동 방식:

- FWD (전륜구동): 엔진과 변속기가 앞쪽에 있고 앞바퀴를 구동합니다. 구조가 간단하고 가벼우며, 엔진 무게가 구동륜 위에 실려 비나 가벼운 눈길에서 접지력이 좋아서 대부분의 승용차가 FWD를 씁니다.

- RWD (후륜구동): 엔진은 앞쪽에 있고 동력이 드라이브샤프트를 거쳐 뒤 차축으로 전달됩니다. 무게 배분이 더 좋고 더 높은 마력을 감당하므로 트럭, 스포츠카, 견인에 선호됩니다. 미끄러운 노면에서는 오버스티어 경향이 있습니다.

- AWD (상시 사륜구동): 보통 센터 디퍼렌셜이나 트랜스퍼 케이스를 통해 네 바퀴 모두에 동력이 전달됩니다. 컴퓨터가 접지력에 따라 앞뒤 차축의 토크 배분을 바꾸기도 합니다. 크로스오버와 SUV에서 흔합니다.

- 4WD (사륜구동): 트랜스퍼 케이스로 앞뒤 차축을 서로 고정하는 파트타임 방식 또는 선택식 시스템입니다. 오프로드와 접지력이 낮은 조건을 위해 설계되었습니다. 고정 모드로 마른 포장도로에서 쓰면 회전할 때 구동계가 꼬이므로 사용하지 말아야 합니다.

구동 방식 선택하기

한 고객이 새 차량을 알아보고 있습니다. 이 고객은 겨울마다 폭설과 빙판이 심한 미네소타에 삽니다. 또 매년 여름 5,000파운드(약 2,270kg)짜리 보트를 호수까지 견인합니다. 고객은 겨울철 주행 성능이 좋고 안정적으로 견인할 수 있는 차를 원합니다.

12볼트 시스템, CAN 버스, OBD-II

차량의 신경계

현대 자동차는 납축전지로 전력을 공급하고, 엔진의 서펜타인 벨트로 구동하는 발전기(알터네이터)로 충전하는 12볼트 직류 전기 시스템으로 작동합니다.

배터리는 시동을 걸 때 엔진을 크랭킹하는 데 필요한 저장 에너지를 공급합니다. 일반적인 자동차 배터리는 시동 모터를 돌리기 위해 400~800 저온 시동 전류(CCA)를 내보냅니다. 시동 모터는 연소가 이어받을 때까지 엔진의 크랭크축을 회전시킵니다.

발전기(알터네이터)는 벨트로 구동하는 발전기로, 엔진의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 엔진이 일단 돌기 시작하면 발전기가 모든 전기 시스템에 전력을 공급하고 배터리를 재충전합니다. 발전기가 고장 나면 주행 중에 배터리가 서서히 방전되고, 결국 차량이 멈춥니다.

기동 모터(스타터)는 엔진 플라이휠의 링 기어와 맞물려 엔진을 돌리는 고토크 전기 모터입니다. 자동차 부품 중 가장 큰 전류를 소모하며, 몇 초 동안 150~300암페어를 끌어 씁니다.

CAN 버스(Controller Area Network): 현대 차량에는 서로 통신해야 하는 전자 제어 모듈(ECU)이 30개에서 100개까지 들어 있습니다. CAN 버스는 이 모듈을 모두 연결하는 2선식 통신망입니다. 엔진 제어 모듈(ECM), 변속기 제어 모듈(TCM), 안티락 브레이크 모듈(ABS), 보디 제어 모듈(BCM) 등 수십 개의 모듈이 CAN으로 데이터를 공유합니다. ECM이 휠 속도를 알아야 할 때는 CAN 버스에 실린 ABS 모듈의 데이터를 읽습니다.

OBD-II(On-Board Diagnostics II): 1996년 이후 미국에서 판매되는 모든 자동차에는 대시보드 아래에 표준화된 16핀 진단 포트가 있습니다. 스캔 툴을 꽂으면 네트워크상의 어느 제어 모듈이든 저장한 고장 진단 코드(DTC)를 읽을 수 있습니다. P0301 코드는 1번 실린더에서 실화(misfire)를 감지했다는 뜻이고, P0420 코드는 촉매 변환기 효율이 기준치 아래라는 뜻입니다. OBD-II는 자동차 진단의 공용어입니다.

전기 계통 진단

고객의 자동차가 시동이 걸리지 않습니다. 키를 돌리면 빠르게 "딸깍딸깍" 소리가 나지만 엔진은 돌아가지 않습니다. 전조등이 어둡고, 시동을 걸려고 하면 더욱 어두워집니다. 배터리는 3년 되었습니다.

멈춤과 조향 안정성

디스크 브레이크, ABS, & 서스펜션 기하학

브레이크 시스템은 마찰을 통해 운동 에너지(움직임)를 열에너지(열)로 바꿉니다. 브레이크 페달을 밟으면 유압 오일이 브레이크 라인을 지나 각 바퀴의 캘리퍼로 흘러갑니다.

디스크 브레이크: 주철 또는 복합 소재의 로터가 바퀴와 함께 회전합니다. 유압이 걸리면 로터를 감싼 캘리퍼가 브레이크 패드를 로터에 밀착시킵니다. 이 마찰이 로터와 바퀴의 속도를 줄입니다. 디스크 브레이크는 열을 잘 처리하고, 페이드 현상에 강하며, 스스로 이물질을 털어냅니다. 요즘 자동차 대부분은 네 바퀴 모두에 디스크 브레이크를 씁니다.

드럼 브레이크: 브레이크 슈가 회전하는 드럼 안쪽 면을 바깥으로 밀어 누릅니다. 제조 비용이 저렴해서 일부 경제형 승용차와 트럭의 뒤차축에 아직 쓰입니다. 드럼은 열과 물기를 머금기 때문에 강한 제동 시 페이드가 일어나기 쉽고, 젖었을 때 제동력이 떨어집니다.

ABS(잠김 방지 브레이크 시스템): 각 바퀴의 휠 속도 센서가 ABS 모듈에 속도를 보고합니다. 급제동 중 바퀴가 잠기면 ABS 모듈이 그 바퀴의 유압을 빠르게 맥동시킵니다. 즉, 1초에 수십 번씩 브레이크를 풀었다가 다시 걸어 줍니다. 이 동작은 타이어가 미끄러지는 것을 막고, 운전자가 긴급 제동 중에도 조향 능력을 유지하게 해 줍니다. ABS는 마른 노면에서 제동 거리를 줄여 주지 않습니다. 대신 조향 능력을 지켜 줍니다.

맥퍼슨 스트럿: 승용차의 앞 서스펜션에서 가장 흔한 설계입니다. 쇼크 업소버, 코일 스프링, 조향 너클을 하나의 소형 어셈블리로 결합합니다. 스트럿 윗부분은 차체의 스트럿 타워에 볼트로 고정되고, 아랫부분은 조향 너클과 로어 컨트롤 암에 연결됩니다.

휠 얼라인먼트: 얼라인먼트는 차체와 노면에 대한 바퀴의 각도를 뜻합니다. 주요 각도는 세 가지입니다. 캠버(앞에서 볼 때 바퀴가 안쪽이나 바깥쪽으로 기울어진 정도), 캐스터(옆에서 볼 때 조향축이 기울어진 정도), 토(위에서 볼 때 타이어 앞쪽이 안쪽 또는 바깥쪽을 향하는 정도)입니다. 얼라인먼트가 맞지 않으면 타이어가 고르지 않게 닳고, 차가 한쪽으로 쏠리며, 핸들링이 나빠집니다.

브레이크 진단

한 고객이 급제동을 하면 핸들이 떨리고 브레이크 페달이 발밑에서 울렁거린다고 불평합니다. 가볍게 천천히 브레이크를 밟을 때는 진동이 사라집니다. 이 차는 네 바퀴 모두 디스크 브레이크이고, 5년 되었으며, 주행 거리는 60,000마일입니다.

자동차 분야 진로 지형

자동차 지식이 이끄는 길

자동차 산업은 미국에서만 400만 명 이상을 고용합니다. 자격을 갖춘 정비사의 수요는 늘 공급을 웃돕니다. 딜러십과 독립 정비소 모두 인력을 채우느라 애를 먹습니다.

ASE 인증(Automotive Service Excellence): 업계 표준 자격입니다. ASE는 분야별 인증을 제공합니다. 엔진 수리(A1), 자동 변속기(A2), 수동 구동계(A3), 서스펜션 및 조향(A4), 브레이크(A5), 전기 시스템(A6), 공조(HVAC, A7), 엔진 성능(A8)이 있습니다. 여덟 가지를 모두 통과하면 ASE 마스터 정비사 칭호를 받습니다. 각 인증은 필기시험 합격과 2년의 관련 실무 경력 증명이 필요합니다.

딜러십 정비사: 특정 브랜드(포드, 도요타, BMW 등)의 차량을 다루며 해당 차량에 대한 제조사 교육을 받습니다. 딜러십은 정액 공임(flat-rate) 방식으로 급여를 지급합니다. 작업마다 배정된 시간이 있고, 정비사는 실제 소요 시간과 관계없이 배정된 시간만큼 급여를 받습니다. 빠르고 숙련된 정비사는 훨씬 더 많이 벌 수 있습니다. 딜러십은 루브 정비사에서 마스터 정비사까지 체계적인 경력 발전 경로를 제공합니다.

독립 정비소 기술자: 모든 제조사와 모델을 다룹니다. 모든 차종을 접하므로 더 폭넓은 지식과 더 강한 진단 능력이 필요합니다. 독립 정비소는 시급제나 정액제(flat-rate)로 급여를 지급할 수 있습니다. 자율성은 더 높고, 특정 브랜드에 한정된 교육은 더 적습니다.

전기차(EV) 전문 분야: 전기차는 가장 빠르게 성장하는 분야입니다. 전기차 기술자는 고전압 배터리 팩(400~800볼트), 전기 구동 모터, 회생 제동 시스템, 열 관리 시스템을 다룹니다. 고전압 안전 인증은 필수입니다. 전기차 배터리 팩의 전압은 치명적입니다. 테슬라, 리비안, 루시드 같은 제조사는 자체 서비스 네트워크를 구축하고 있으며, 전기차 전문 교육을 받은 기술자를 채용하고 있습니다.

디젤 기술자: 상용 트럭, 버스, 중장비, 선박 엔진을 다룹니다. 디젤 엔진은 압축 착화 방식(점화 플러그 없음)을 쓰며, 가솔린 엔진보다 훨씬 높은 압력과 온도에서 작동합니다. 디젤 기술자는 운송, 건설, 농업 분야에서 수요가 많습니다. 많은 디젤 기술자가 연간 7만 달러 이상을 벌고, 특수 중장비 기술자는 그보다 더 벌 수 있습니다.

시작하는 방법: 전문대학(커뮤니티 칼리지) 자동차 과정(1~2년), 제조사 후원 교육 프로그램(UTI, Lincoln Tech, 또는 Toyota T-TEN이나 Ford ASSET 같은 OEM 프로그램), 그리고 딜러십이나 정비소의 견습 과정이 주요 진입 경로입니다.

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자동차 지식을 나의 미래와 연결하기

이제 내연기관, 구동계, 전기 진단, 그리고 제동 & 현가장치의 기본 원리를 이해했습니다. 이 시스템들은 모든 자동차 정비사가 반드시 익혀야 할 핵심입니다.