자동차에 대한 교양 상식을 갖추어봅시다.^^

안녕하세요! 오늘은 자동차에 대해 포스팅해봅니다. 

 <자동차에 대한 개요>

 

 자동차란 엔진을 이용하여 바퀴를 굴려 땅 위를 움직이는 교통 기관입니다. 우선 엔진에 대해 알아봅시다. 엔진은 기관이라고도 하는데, 에너지를 기계적 일로 바꾸는 장치입니다. 엔진은 연료, 증기, 압축공기, 물 따위에서 에너지를 얻어 배, 자동차, 비행기를 비롯해 동력으로 구동하는 기계들을 움직이게 합니다.

 

 엔진에는 엔진 내부에서 만들어진 에너지로 작동하는 내연 기관과 기관 외부에서 만들어진 열에서 에너지를 얻는 외연 기관이 있습니다. 대표적인 내연기관인 가솔린기관은 기관 내부에서 가솔린을 태워 그 때 생기는 화학에너지를 이용해 피스톤을 움직입니다. 참고로 피스톤은 실린더 속에서 유체의 압력에 의해 왕복운동을 하는 원통형의 부품입니다. 

 

 피스톤은 왕복운동을 하는데, 피스톤의 왕복운동은 자동차 바퀴를 움직이거나 다른 여러 가지 일을 할 수 있는 회전운동으로 바꿀 수 있습니다. 외연기관의 대표적인 기관은 증기기관입니다. 증기기관은 기관 외부에서 만들어진 열이 보일러 내부의 물을 증기로 바꾸고, 증기는 기관의 피스톤을 움직입니다. 가솔린기관과 증기기관은 열에너지를 기계적 일로 바꾸기 때문에 열기관이라고도 합니다. 이 밖에도 물의 압력을 이용하여 일을 하는 수력기관이 있는데, 물의 압력은 펌프나 흐르는 물 따위를 이용하여 얻습니다. 

 

 자동차산업은 여러 가지 다른 산업을 돕고 경제 발전을 촉진시키기 때문에, 많은 개발도상국들은 자동차산업을 발전시키려고 힘씁니다. 자동차산업은 철강산업을 비롯한 다른 산업의 수요를 만들어내고, 수많은 사람들이 전시실, 차고, 주유소 따위 자동차에 관련된 직업에 종사할 수 있게 합니다. 그리고 모든 선진국에서는 자동차 여행자를 위한 주유소, 모텔, 식당과 같은 시설이 경제 발전에 중요한 역할을 하고 있고, 이런 추세는 개발도상국에서도 점점 증가하고 있습니다.

 이처럼 자동차는 많은 고용을 창출하고, 여러 모로 생활에 이롭지만 자동차 때문에 생기는 문제점도 많습니다. 대도시의  교통혼잡은 자동차의 편리함을 감소시키고 소음과 공해를 일으킵니다. 자동차를 생산하지 못하는 나라들은 자동차 수입에 드는 많은 비용 때문에 경제 문제가 발생합니다. 또 자동차 사고는 전세계적으로 주요 사망 원인입니다.

 

 자동차는 설계와 생산 기술이 계속 발전했기 때문에 점점 더 안전해지고 있습니다. 자동차 생산자들은 사고를 막고 탑승자를 보호하려고 정부가 만든 엄격한 기준을 따라야 합니다. 정부는 자동차 사고를 막기 위해 자동차에 전조등, 반사경, 브레이크, 타이어, 창문, 와이퍼, 계기판 따위를 설치하도록 규정하고 있습니다. 탑승자를 보호하기 위한 안전장치에는 안전띠, 에어백, 머리 받침대, 범퍼 따위가 있습니다. 운전자는 엔진, 브레이크, 전조등, 운전대 따위가 제대로 작동되는지 확인하고, 모든 장비를 자주 점검해보아야 합니다. 

 오늘날에는 도로 건설 기술이 발전해서 자동차 사고 위험이 점점 줄고 있습니다. 안전한 도로를 만들기 위해 기술자들은 도로의 기초, 노면, 조명, 안전 장벽, 경사 따위는 물론 우회로, 교차로, 주도로로 가는 진입로, 신호등, 차선의 수 따위를 주의 깊게 설계합니다.

 

 한편 자동차에서 가솔린을 태우면 탄화수소, 일산화탄소, 산화 질소 따위 오염물이 대기 중에 방출됩니다. 이러한 대기오염은 사람에게 해롭고, 농작물과 가축에도 피해를 줍니다. 오염을 규제하는 기관은 새로 생산되는 자동차의 배출 가스에 대한 기준을 계속 강화하고 있습니다. 자동차 생산자들은 점점 더 엄격해지는 환경기준에 맞춰 자동차 배기장치에 '촉매변환기'를 설치해서 주요 오염물 배출량을 크게 줄였습니다. 촉매변환기는 오염물질인 일산화탄소, 탄화수소, 산화질소를 해가 없는 이산화탄소와 수증기, 질소, 산소 따위로 바꾸어줍니다.

 

<자동차의 작동 원리>

 

 자동차가 움직이는 방법에 대해 서술해 보겠습니다. 먼저 자동차의 시동키를 돌리면, 시동 전동기가 축전지의 힘으로 엔진을 돌리기 시작합니다. 이 때부터 엔진 내부 부속품인 실린더 안의 피스톤이 아래위로 움직입니다. 피스톤이 아래로 내려가면 실린더 위쪽의 흡입밸브가 열려서 연료와 공기가 실린더 안으로 들어갑니다. 그 다음 피스톤이 위로 올라가면서 실린더 안의 연료와 공기 혼합물을 압축합니다. 이 때 점화장치의 점화플러그에서 불꽃이 튀어서 혼합물을 점화시키면, 혼합물이 연소하면서 팽창하여 피스톤을 아래로 밀게 됩니다.

 

 피스톤이 아래로 내려가면서 크랭크축을 돌리면, 크랭크축의 동력이 변속장치를 통해 앞바퀴에 전달되어 자동차를 움직입니다. 그 다음 크랭크축이 다시 피스톤을 위로 올리면서 실린더 위쪽의 배기밸브로 연소된 가스를 내보냅니다. 연소가스는 촉매변환기, 소음기, 배기관을 지나 자동차 밖으로 배출됩니다.

 

 <자동차의 주요 장치>

 

 1. 동력장치와 동력전달장치

 자동차 동력장치의 핵심은 엔진입니다. 사실 엔진이 곧 자동차라고 말할 수도 있습니다. 엔진에서 나오는 동력은 바퀴를 돌리고, 발전기를 돌려서 라이트를 켜며, 자동차 안에 전력을 공급합니다.

 

 (1) 동력장치: 엔진을 비롯해 연료장치, 배기장치, 냉각장치, 윤활장치가 있습니다.

 

-엔진: 자동차 엔진으로는 가솔린기관이 많이 사용됩니다. 엔진은 대부분 자동차 앞부분에 있지만, 뒷부분이나 중간에 있는 것도 있습니다. 엔젠의 내부 부속품은 '엔진블록'에 들어가는데, 엔진블록은 '실린더블록'이라고도 합니다. 실린더블록은 철, 철합금 또는 알루미늄을 녹여, 틀에 부어서 굳혀 만드는 주조 방법으로 만드는데, 실린더블록에는 피스톤이 움직이는 실린더 구멍들이 있습니다.

 실린더의 수와 배열은 자동차에 따라 다릅니다. 엔진의 실린더는 대개 2,3,4,5,6,8개이지만 12개인 것도 있는데, 엔진에 실린더가 많으면 출력도 큽니다. 실린더는 직렬(in-line)이나 브이(V)자 모양의 두 열로 배열됩니다. '직렬형 엔진'의 경우, 실린더가 4개 또는 6개이면 직렬형 4기통 또는 직렬형 6기통이라고 합니다. '브이형 엔진'의 경우 실린더가 4,6,8개이면 브이-4, 브이-6, 브이-8이라고 합니다.

 자동차의 가솔린기관은 대부분 4행정을 한 사이클로 합니다. 행정이란 가솔린기관 안에서 왕복운동하는 피스톤이 어떤 한 지점에서 다시 그 지점으로 돌아오는 것을 말합니다. 4행정사이클기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기 행정을 거치면서 동력을 발생시킵니다. 

 

-연료장치: 연료를 탱크에 저장했다가 엔진으로 보냅니다. 탱크는 대개 강철이나 플라스틱으로 만들고, 45~76리터의 연료를 저장합니다. 또한 연료장치는 연료와 공기를 혼합하는데, 연료를 먼저 미세한 방울로 기화시킨 다음 공기와 혼합해야 효율적으로 연소됩니다. 연료와 공기를 혼합할 때 기화기를 사용하는 자동차도 많이 있는데, 기화기보다는 연료분사기가 성능이 좋습니다. 기화기는 적은 양의 연료를 분사하기 어렵습니다.

 

-배기장치: 엔진에서 연소된 가스를 자동차 밖으로 내보내며, 배기가스 제어장치로 대기오염을 줄입니다. 연료분사를 정확하게 조절해도 연료가 엔진에서 완전히 연소되지 않으므로 유독물질이 생깁니다. 완전히 연소된 가스와 불완전하게 연소된 가스는 '배기다기관'이라는 파이프를 지나 배기관으로 가는데, 오늘날에는 배기관에 '촉매 변환기'를 설치해서 유해한 가스를 거릅니다. 촉매변환기의 내부는 벌집과 같은 셀(cell)로 분리되어 있거나 드물게는 알갱이들로 채워져 있습니다. 셀이나 알갱이의 표면은 백금, 팔라듐, 로듐 따위 금속으로 덮여 있는데, 배기가스가 이 금속을 지나가면 화학반응이 일어나서 유독 성분이 해가 없는 성분으로 바뀝니다. 

 

-냉각장치: 엔진의 과열을 막는 장치입니다. 자동차 엔진의 실린더는 '물재킷'이 감싸고 있는데, 펌프로 냉각수를 물재킷에 순환시킵니다. 실린더에서 가열된 냉각수는 라디에이터의 구리 또는 알루미늄 튜브를 지나가는데, 튜브에 달려 있는 넓은 방열판이 냉각수에서 열을 흡수합니다. 방열판은 자동차가 달릴 때 바람 때문에 식는데, 자동차의 속도가 방열판을 식히기에 충분하지 않을 때는 냉각팬을 돌려서 식힙니다. 식은 냉각수는 다시 물재킷으로 돌아가서 엔진의 열을 흡수합니다. 엔진의 온도는 자동온도조절기가 냉각수의 흐름을 조절해서 제어한다. 날씨가 추울 때는 물과 부동액을 섞어서 '냉각수'로 사용합니다. 

 

-윤활장치: 윤활유를 엔진의 움직이는 부분에 보내는 장치입니다. 윤활유는 엔진을 순환하면서 마찰되는 부분에 뿌려져 막을 형성하는데, 이 막이 마찰을 줄여서 엔진이 마모되지 않게 합니다. 또한 윤활유는 엔진을 냉각하는 구실도 합니다. 윤활유는 엔진 아래에 있는 기름통에 저장하고, 펌프에 의해 여과기를 거쳐서 엔진에 뿌려집니다. 여과기는 불순물이 엔진에 들어가는 것을 막습니다.

 

(2) 동력전달장치: 엔진의 동력을 변속시켜 바퀴에 전달하는 장치입니다. 전달된 동력이 바퀴를 회전시키고, 바퀴가 회전하면서 자동차가 움직이게 됩니다. 동력전달장치는 변속장치와 구동장치로 이루어져 있습니다.

 

-변속장치: '플라이휠'의 회전에서 동력을 얻으며, 변속기라고도 합니다. 플라이휠은 무거운 원반으로, 크랭크축에 연결되어 회전합니다. 이 회전운동은 회전하는 빠르기를 말하는 '속도'와 회전하는 힘을 나타내는 '토크'의 관계로 속도를 조절합니다. 자동차가 정지 상태에서 출발할 때는 큰 토크가 필요하지만, 움직이기 시작하면 속력을 내야 하므로 큰 토크 대신 빠른 속도가 필요합니다. 자동차의 '1단' 기어 또는 '낮은' 기어는 토크가 크고 속도가 느리지만, 높은 기어로 바꾸면 토크가 줄고 속도가 빨라집니다. 

 자동차의 변속장치가 수동이면 운전자는 '변속 레버'로 기어를 바꿉니다. 자동차가 움직이기 시작해서 속도가 어느 정도 붙으면 운전자는 2단 기어로 바꿨다가 속도를 더 높이려면 더 높은 기어로 바꿉니다. 오늘날 생산되는 자동차의 수동변속기는 보통 전진 기어 4~5개와 후진 기어 1개로 되어 있습니다. 기어를 바꿀 때 운전자는 클러치를 밟아서 엔진과 변속장치를 분리해야 합니다.

 

 자동변속기가 있는 자동차는 변속 레버와 클러치를 작동할 필요가 없습니다. 앞으로 계속 나아가려면 '선택 레버'를 '구동(drive)' 위치에 맞추기만 하면 됩니다. 그 다음에는 마이크로컴퓨터와 유압조절장치가 운전 중의 상황과 자동차의 속도를 고려해서 가장 적합한 기어 상태로 바꾸어줍니다. 오늘날 생산되는 자동차의 자동변속기는 보통 전진 기어 4개와 후진 기어 1개로 되어 있습니다. 플라이휠과 자동변속기 사이에는 '토크변환기'가 연결되어 있습니다. 토크변환기는 토크를 크게 하거나 움직이는 자동차에 살짝 제동을 걸어 엔진이 천천히 작동하는 상태에서 기어를 바꿀 수 있게 합니다.

 

-구동장치: 변속 전달된 엔진의 동력은 바퀴에 전달하는 장치입니다. 자동차는 구동하는 바퀴에 따라 앞바퀴를 구동하는 전륜구동식, 뒷바퀴를 구동하는 후륜구동식, 앞,뒤바퀴 모두를 구동하는 4륜구동식이 있습니다.

 오늘날 자동차는 '전륜구동식'이 많은데, 앞바퀴가 자동차를 구동하면서 방향도 바꾸어줍니다. 전륜구동식 자동차는 엔진, 변속장치, 차동기어장치와 같은 부속품이 모두 자동차 앞부분에 있습니다. 차동기어장치는 좌우바퀴의 회전수를 변화시켜 방향을 바꿀 때 무리 없이 회전하게 해줍니다. 자동차가 방향을 바꿀 때는 달리는 거리가 더 긴 바깥쪽 바퀴가 더 빠르게 달려야 쉽게 회전할 수 있습니다. 따라서 차동기어장치는 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴를 더 빠르게 회전시킵니다. 변속장치에서 바뀐 엔진의 동력은 차동기어장치를 통해서 양쪽 앞바퀴에 붙은 '반 축(half shaft)'이라는 짧은 막대에 전달되어 바퀴를 구동합니다.

 

 후륜구동식 자동차에는 동력을 뒷바퀴에 전달하는 긴 '구동축'이 있고, 차동기어장치는 뒤축에 붙어 있습니다. 후륜구동식은 전륜구동식보다 자동차가 받는 무게를 고르게 분산시키기 때문에 자동차의 운전 성능이 좋습니다. 따라서 호화롭고 성능이 좋은 대형 자동차 중에는 후륜구동식이 많습니다.

 4륜구동식 자동차는 네 바퀴에 모두 동력을 전달하는데, '트랜스퍼 케이스(transfer case)'라는 부품이 앞바퀴와 뒷바퀴에 동력을 고르게 분배합니다. 네 바퀴를 모두 구동하면 거친 땅이나 미끄러운 땅에서도 자동차가 잘 달릴 수 있습니다. 가벼운 트럭과 지프 중에는 4륜구동식이 많습니다. 4륜구동식 자동차 중에는 운전자가 두 바퀴만 구동할지 네 바퀴 모두 구동할지를 선택할 수 있는 것이 많습니다.

 

 우리나라에선 보통 자동차의 운전석이 왼쪽이 있으며, 가솔린기관이 앞에 설치되어 있고, 자동변속장치가 설치되어 있는 전륜구동식 자동차입니다. 동력장치는 자동차를 움직이는 힘을 만드는데, 동력전달장치는 엔진의 동력을 바퀴에 전달합니다. 조향장치와 제동장치는 자동차를 운전할 때 이용되며, 현가장치는 자동차를 떠받치고, 전기장치는 전기를 만들어 점화플러그, 전조등, 와이퍼 따위에 전기를 공급합니다. 

 

 <자동차의 여러 장치>

 자동차에는 동력장치와 동력전달장치 외에도 제어장치, 지지장치, 전기장치 따위가 있습니다. 또한 냉,난방이나 여러 상황을 알려주는 계기와 같은 부수장치가 있습니다. 

(1) 제어장치: 자동차 방향을 바꾸는 조향장치와 속도를 느리게 하거나 멈추게 하는 제동장치로 이루어져 있습니다.

-조향장치: 운전자가 운전대를 돌리면 조향장치가 작동하면서 앞바퀴의 방향을 조절합니다. 오늘날의 자동차는 대개 조향장치가 래크와 피니언 기어로 이루어져 있습니다. 피니언은 조향축의 아래쪽 끝에 붙어 있는 원형 기어이고, 래크는 막대형 기어인데, 피니언과 래크의 톱니는 서로 맞물려 있습니다. 운전자가 운전대를 왼쪽으로 돌리면 피니언이 왼쪽으로 돌게 되는데, 이 때문에 래크는 반대 방향인 오른쪽으로 움직입니다. 운전대를 오른쪽으로 돌리면, 래크는 왼쪽으로 움직입니다. 래크는 양쪽 바퀴에 붙어 있는 '타이로드'를 통해서 바퀴를 래크의 반대 방향으로 돌립니다. 결과적으로 운전대를 돌리는 방향으로 바퀴가 향하게 되어 자동차의 방향이 바뀝니다. '동력조향 장치(power steering)'가 있는 자동차는 유압장치로 래크를 밀기 때문에, 운전자가 운전대를 쉽게 돌릴 수 있습니다. 

 

-제동장치: 달리는 자동차의 속도를 느리게 하거나 정지시키는 장치로, 브레이크라고도 합니다. 자동차는 네 바퀴에 모두 브레이크가 있습니다. 오늘날 자동차는 대부분 앞바퀴에 '디스크 브레이크', 뒷바퀴에 '드럼브레이크'를 사용하는데, 네 바퀴에 모드 디스크브레이크가 있는 자동차도 있습니다. 두 가지 브레이크는 모두 유압으로 작동합니다. 운전자가 브레이크페달을 밟으면 브레이크라인을 통해 모든 바퀴에 브레이크액이 공급됩니다. 브레이크액은 회전하는 바퀴에 붙은 드럼 또는 디스크에 압력을 가해 브레이크슈나 브레이크패드가 바퀴에 닿아 자동차가 느려지거나 멈춥니다.

 '동력브레이크'가 설치되어 있는 자동차는 엔진의 힘으로 유압을 작동시킵니다. 동력브레이크가 있으면 브레이크페달을 밟을 때 힘이 덜 들지만, 다른 브레이크보다 차가 빨리 정지되지는 않습니다. 

 

-지지장치: 타이어, 바퀴, 축, 현가장치가 자동차의 무게를 떠받칩니다. 옛날에는 사각형 모양의 강철관인 프레임이 차바닥을 이루어 차체의 무게를 떠받쳤는데, 오늘날 자동차는 대개 차체와 프레임이 분리되어 있지 않습니다. 차체는 강철판을 용접하여 엔진 칸, 승객 칸, 트렁크를 만들며, 차체 아랫부분은 한 몸통으로 용접되어 있습니다. 자동차가 울퉁불퉁한 도로를 지나가면 차체가 크게 흔들려서 손상될 수 있는데, 이 때 현가장치가 충격을 막아줍니다. 또한 현가장치는 급하게 방향을 바꿀 때에도 승차감을 좋게 합니다. 현가장치는 대부분 스프링과 완충기로 이루어져 있고, 스프링과 완충기는 바퀴마다 붙어 있습니다. 자동차가 울퉁불퉁한 도로를 지날 때에도 스프링과 완충기가 압축되어 자동차가 많이 흔들리지 않습니다. 도로가 다시 평탄해지면 스프링과 완충기가 반동으로 바퀴를 제자리로 돌려보내 충격을 줄이는 완충작용을 합니다. 

 

-전기장치: 시동 전동기와 점화장치, 조명장치, 난방장치 따위에 전기를 공급합니다. 시동기는 12볼트(V) 축전지에서 전력을 공급받아 크랭크를 돌려서 엔진을 구동시킵니다. 자동차가 달리면 발전기가 전기장치에 필요한 전력을 공급하고, 축전지를 충전시킵니다. 

 

-부수장치: 자동차의 상태를 나타내는 여러 가지 계기와 냉난방장치를 말하는 것으로, 다른 장치들과 더불어 자동차에 설치됩니다. 

 계기판에는 여러 가지 정보가 표시되는데, 속도계는 자동차의 속도를 나타내고, 주행거리계는 자동차가 달린 전체 거리를 나타냅니다. 연료계는 연료탱크에 들어 있는 연료의 양을 나타냅니다. 연료계는 연료탱크에 들어 있는 연료의 양을 나타냅니다. 계기판에 오일압력, 축전지의 전압, 냉각수의 온도가 표시되는 자동차도 있고, 이들 수치에 문제가 있으면 경고등이 켜지는 자동차도 있습니다. 난방장치는 엔진으로 가열된 공기를 탑승자 칸에 보내는 장치입니다. 에어컨은 엔진의 힘으로 시원한 공기를 만드는 냉방장치입니다. 그 밖에도 오디오, 자동문, 자동창문 따위 편의설비가 있는데, 이러한 편의설비들은 자동차를 살 때 선택하여 설치할 수 있습니다.