3. 자동차의 관리

Ⅲ. 에너지와 수송 기술

 3. 자동차의 관리

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  · 자동차는 어떤 구조로 되어 있을까?

   차체 : 내부 공간과 외형을 구성하고 사람이나 화물을 실을 수 있는 곳

   섀시 : 동력을 발생시켜 자동차를 움직이는 기본 골격을 말한다.

  · 자동차를 점검, 정비할 때 유의해야 할 사항은 무엇일까?

    무엇보다도 안전에 주의해야 한다. 화상을 입거나 상해를 입는 일이 없도록 주의해야 하며, 점검 ·정비의 원칙을 따라야 한다.

3-1 자동차는 기본적으로 어떻게 구성되어 있을까?

 학습목표 : 자동차의 기본 구조를 알 수 있다.

            자동차용 원동기의 구조와 작동 원리를 알 수 있다.

 자동차 : 사람이나 물건을  한 장소에서 다른 장소로 옮기는 중요한 수송 수단이다.

[1] 기본 구조

 1. 차체(body) : 자동차의 바깥 틀이 되는 것 → 그 속에 실내 장치 · 조명 장치 · 각종 편의 장치 등이 설치된다.

 2. 섀시(chassis) : 원동기 · 동력 전달 장치 · 현가 장치 · 조향 장치 · 제동 장치 · 전기 장치 등으로 구성된다.

[2] 자동차용 원동기

 1. 원동기 : 연료가 연소할 때 발생하는 열에너지를 회전 운동으로 바꾸어 주는 기관

 2. 종류 : 가솔린 기관, 디젤 기관, 가스 기관, 석유 기관 등

 (1) 가솔린 기관

  1. 뜻 : 가솔린(휘발유)을 에너지원으로 동력을 전달하는 기관

  2. 구성 : 기관 본체, 연료 공급 장치, 윤활 장치, 냉각 장치, 점화 장치, 배기 장치 등으로 구성되어 있다.

 

① 기관 본체

  연료의 화학 에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 부분으로 실린더 블록, 실린더 헤드, 피스톤과 커넥킹 로드, 크랭크 축, 캠축, 밸브 기구 등으로 구성된다.

 ㉠ 실린더 블록 : 기관의 몸체 부분으로 몇 개의 실린더를 일체로 주조하여 만든다. 재료로는 주철이나 알루미늄 합금, 특수 수철 등이다.

   ⓐ 실린더 헤드 : 실린더 블록의 덮개로서 연소실의 상부를 이루며 흡기구, 배기구 점화플러그 등이 설치되어 있다.

   ⓑ 실린더 : 혼합기를 흡입, 압축, 연소시키고 피스톤이 왕복 운동을 하는 공간으로, 내부에는 내마멸성이 뛰어난 실린더 라이너를 끼워 사용한다.

   ⓒ 물 재킷  냉각수의 통로로 실린더와 실린더 헤드 주위에 설치되어 있다.

   ⓓ 개스킷 : 실린더와 실린더 헤드 사이의 접합면에 설치하여 기밀을 유지하고, 냉각수나 기관 오일 등이 새는 것을 방지한다.

 ㉡ 피스톤 : 연소 가스의 팽창력을 받아 실린더 안에서 고속으로 직선 왕복 운동을 한다.

  ⓐ 피스톤의 재료 : 가볍고 열전도가 좋으며, 열팽창이 작은 알루미늄 합금으로 만든다.

  ⓑ 피스톤 링 : 피스톤 헤드부의 3~5개의 홈에는 압축 링과 오일 링을 끼운다.

    · 압축링 : 위쪽에 2~3개를 끼워서 연소실의 기밀을 유지하고, 피스톤이 받는 열을 실린더 벽으로 전달한다.

    · 오일링 : 아래쪽 1~2개를 끼워서 실린더 안쪽 면에 있는 여분의 윤활유를 긁어내려 연소실로 들어가는 것을 방지한다.

  

  ㉢ 커넥팅 로드 : 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축에 전달한다.

    ⓐ 커넥팅 로드의 재료 : 가볍고 튼튼한 합금강의 단조품을 많이 사용한다.

    ⓑ 커넥팅 로드의 연결 : 한쪽 끝은 피스톤에, 다른 쪽 끝은 크랭크축에 연결되어 있다.

  ㉣ 크랭크 축 : 피스톤의 직전 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾼다.

   ⓐ 크랭크축의 재료 : 강도가 큰 고탄소강이나 특수강으로 단조나 주조하여 만든다.

   ⓑ 동력 전달 : 바퀴를 움직이게 하며 캠축, 냉각 팬, 발전기 등에 동력을 분배한다.

 ㉤ 밸브 기구 : 연소시의 흡기 및 배기 구멍을 여닫는 장치다.

   ⓐ 밸브 기구의 구성 : 캠축, 로커 암, 스프링, 밸브 등으로 되어 있다.

   ⓑ 캠축 : 크랭크축이 2회전할 때마다 1회전한다. 오버 헤드 캠축식에서 캠축과 크랭크축은 타이밍 벨트로 연결되어 있다.

     오버 헤드 캠축 : 실린더 헤드에 캠축을 설치한 것 가볍고 고속 운전에 알맞아 널리 쓰인다. SOHC형은 흡입 밸브와 배기 밸브가 1개씩이고, DOHC형은 두 밸브를 각각 2개씩 설치하여 출력을 향상시킨 것으로 연료 소모량이 많다.

    ⓒ 밸브의 개폐 : 4행정 사이클 기관에서 1사이클 동안 흡입 밸브와 배기 밸브가 1회씩 개폐한다.

    ⓓ 밸브의 작동 : 오버 헤드 캠축식에서는 캠축 → 캠 → 로커 암 → 흡입 · 배기 밸브의 순으로 작동한다.

 

② 연료 공급 장치

  : 연료와 공기를 적당한 비율로 혼합하여 실린더에 공급하는 장치다.

 

구성  

 ㉠ 연료 탱크 : 연료를 담는 밀폐 용기로, 녹슬지 않는 주석이나 아연 도금한 강철로 만든다.

   ⓐ 연료 탱크의 내부 : 출발이나 정지할 때 연료의 쏠림을 방지하기 위하여 세로 방향으로 칸막이를 설치한다.

   ⓑ 연료 탱크의 용량 : 자동차의 배기량에 따라 다르나 대체로 30~60L이며, 연료의 충전 상태를 나타내는 연료계도 함께 설치되어 있다.

 ㉡ 연료(오일) 여과기 : 연료에 포함된 먼지나 물, 철의 녹 등 불순물을 종이로 만든 여과 엘리먼트로 제거한다.

                       연료에는 먼지나 물, 철의 녹 등 불순물이 포함되어 있기 때문에, 연료 파이프나 기화기 등에 유입되면 흐름에 지장을 주게 되고 노즐이 막혀 연료 분사 성능을 저하 시킬 수 있으므로 연료 탱크와 연료 펌프 사이에서 여과하여 사용한다. 

 ㉢ 연료 펌프(전자 제어 가솔린 분사 장치) : 연료 탱크에서 연료를 빨아 올려 기화기로 압송하는 장치다.

   ⓐ 전자제어 분사장치 : 전자 제어 연료 방식에서 이용하는 것으로, 연료 펌프가 연료 탱크 안에 설치되어 있으며 연료를 분사기(인젝터)로 압송한다.

 ㉣ 공기 청정기 : 공기 중의 모래, 먼지, 등을 제거하여 실린더의 내벽 · 피스톤 · 밸브 등의 마모나 기관의 수명 단축을 방지한다.

   ⓐ 가솔린 기관 : 주로 건식

   ⓑ 디젤 기관 : 여과 성능이 좋은 습식 공기 청정기 : 흡입된 공기는 엘리멘트를 통해 위로 올라가므로, 무게가 무거운 불순물은 오일에 떨어지고, 가벼운 불순물은 엘리멘트에 묻었다가 오일로 떨어진다. 습식 공기 청정기의 엘리멘트는 철망, 천을 사용하며, 오일이 묻어있다.

 

 ㉤ 기화기 : 공기와 연료를 실린더에 공급하는 장치

형성평가 

  1. 피스톤의 헤드부에는 압축 링과 오일 링이 끼워져 있다. 다음 중 이들 링에 대한 설명으로 옳은 것은? 5

   ① 오일 링은 피스톤의 마멸을 방지한다.

   ② 오일 링은 상부에 1~2개 끼워져 있고, 피스톤의 열을 벽으로 분산시킨다.

   ③ 압축 링은 실린더 안쪽 면에 유막을 만든다.

   ④ 압축링은 실린더 벽면의 윤활유를 긁어내린다.

   ⑤ 압축 링은 연소실의 기밀을 유지하여 연소 가스의 누설을 방지한다. 

 2. 다음중 가솔린 기관의 연료 장치를 구성하는 부품이 아닌 것은? 2

   ① 기화기 ② 축전지 ③ 공기 청정기 ④ 연료 펌프 ⑤ 연료 여과기

   ③ 전기 장치 : 시동을 걸거나 점화 플러그에 전기 불꽃을 일으키며, 조명 및 신호를 위한 장치다. 가솔린 기관의 전기 장치는 축전지, 발전기, 점화 장치 등으로 구성되어 있다.

     ㉠ 축전지 : 전기 에너지를 화학 에너지로 저장해 두었다가 필요할 때 전기 에너지로 바꾼다. 주로 12V의 납축전지를 많이 사용한다.

     ㉡ 발전기 : 기관이 작동되면 발전기가 필요한 양의 전기를 발생시켜 자동차에 공급하고 축전지를 규정 용량으로 충전한다. 발전기의 발전량은 기관의 회전수에 따라 달라지므로, 전압 조정기를 사용하여 출력 전압을 일정하게 조절한다.

     ㉢ 점화 장치 : 연소실 내에서 압축된 혼합기를 고압의 전기 불꽃으로 점화하는 장치다.

       ⓐ 점화 코일 : 축전지의 낮은 전압(12V)을 혼합기의 완전 연소에 필요한 높은 전압(15,000~20,000V)으로 바꾼다.

                    · 철심에 1차 코일과 2차 코일을 감은 것이다. 1차 코일은 축전지의 낮은 전압(12V)을 높은 전압(300~400V)으로 바꾸며, 2차 코일은 전자 유도 작용(상호 유도 작용)에 의해 15,000~20,000V의 높은 전압을 발생한다.

       ⓑ 배전기 : 점화 코일에서 발생한 높은 전압을 각 실린더의 점화 순서에 따라 점화 플러그에 배분하는 장치로 단속기, 점화  진각 장치, 배전자 등으로 구성되어 있다.

          · 단속기 : 캠의 회전에 따라 접점을 개폐하여 1차 코일에 흐르는 전류를 단속한다.

          · 점화 진각 장치 : 기관의 회전 속도에 따라 점화 플러그의 불꽃 발생 시기를 조정한다.

          · 배전자 : 2차 코일에 유도된 높은 전압을 각 실린더의 점화 플러그로 보낸다.

        

     ㉣ 점화 플러그 : 점화 코일(2차코일)에서 발생한 높은 전압으로 불꽃 방전을 일으켜 압축된 혼합기를 점화시킨다.

     ㉤ 기동 장치 : 기관을 시동할 때 크랭크축을 회전시킨다.

     ㉥ 충전 장치 : 축전지에 충전한다.

     ㉦ 조명 장치 : 조명이나 신호를 위한 장치

P154 수행활동

 축전기가 방전되어 시동이 걸리지 않을 때 

  지도 계획 : 자동차를 운전하다 보면 누구나 자동차 축전지(배터리)가 방전되어 시동이 걸리지 않아 당황하는 경험을 하게 된다. 왜 이런 일이 생기며, 이런 경우에 대처하는 요령을 미리 알려 주어 안전 운전에 도움이 될 수 있게 지도한다.

④ 윤활 장치

   : 기관의 운동 부분에 윤활유를 공급하여 마찰로 인한 동력 손실이나 마모를 감소시키고, 기관의 효율을 높이기 위한 장치이다.

   

  ㉠ 윤활의 역할 : 마찰 감소 및 마멸 방지, 기밀 유지, 세척, 냉각, 부식 방지, 충격 완화, 소음 제거 등의 역할을  한다.

  ㉡ 윤활 방식

     · 압송식 : 오일 펌프로 윤활유를 압송하여 공급하는 방식으로 크랭크 축, 베어링, 캠축, 밸브 장치 등을 윤활 한다.

     · 비산식 : 커넥팅 로드에 달린 오일 스푼으로 윤활유를 떠서 공급하는 방식으로 실린더의 벽, 피스톤, 커넥팅 로드 등을 윤활 한다.

       가솔린 기관은 조합식(압송식 + 비산식)을 많이 사용한다.  

                  

⑤ 냉각 장치 : 연소 가스의 높은 온도(1,500~2,000℃)로 인해 부품이 과열되지 않고 정상적인 운전을 할 수 있도록 냉각하며, 기관의온도를 일정하게 유지하는 장치이다.

               냉각시키지 않으면 기관이 과열되어, 윤활유의 점도가 낮아져 윤활 작용도 못하고, 피스톤과 베어링이 녹을 수도 있다. 또한 실린더 온도가 지나치게 낮으면 불완전 연소가 되어 연소 생성물이 실린더 안의 점화 플러그나 연소실에 부착된다.

  ㉠ 냉각수의 온도 : 실린더의 온도를 운전하기 좋은 상태로 유지하기 위해서는 냉각수의 온도를 70~80℃ 정도로 유지해야 한다. 

  

  ㉡ 수냉식 : 실린더와 실린더 주위에 마련된 물 재킷과 라디에이터(방열기) 사이에 냉각수를 순환시켜 냉각시킨다.

       냉각 펌프와 냉각 팬, 라디에이터(방열기), 수온 조절기, 물 재킷 등으로 구성되어 있다. 라디에이터는 물 재킷에서 냉각수가 흡수한 열을 방열하여 냉각시키는 작용을 한다.

  ㉢ 공랭식 : 실린더와 실린더 헤드의 바깥 둘레에 여러 개의 냉각 핀(cooling pin)을 설치하고 공기로 냉각시킨다.  

       주행중에 받은 바람을 이용하여 냉각 핀을 냉각시키는 자연 공랭식과 냉각 팬으로 송풍하여 강제적으로 냉각시키는 강제 통풍식이 있다.

  ㉣ 물 펌프 : 라이에이터로부터 들어 온 물을 실린더 블록 안으로 압송한다.

        냉각 장치 속의 냉각수가 얼면 실린더 블록이나 실린더 헤드에 균열이 생기고, 라이에이터 코어(냉각수 튜브와 핀)가 파손되므로 겨울철에는 냉각수에 부동액을 넣어 사용한다.

⑥ 배기 장치

  ㉠ 역할 : 실린더 내에서 연소된 가스를 외부로 배출시키는 역할을 한다.

  ㉡ 배기 다기관 : 각 실린더에서 배출되는 가스를 배기관으로 모은다.

  ㉢ 촉매 변환기 : 배기 가스 중에 포함된 유해 물질을 이산화탄소나 물로 변환시켜 대기 오염을 최소화 한다.

  ㉣ 소음기 : 배기 가스의 통로를 우회시켜 압력과 온도를 낮춤으로써 배기의 급격한 팽창에 의한 소음을 줄인다.

(2) 디젤 기관 : 실린더 안에 공기를 흡입, 압축하여 고온 · 고압(약500℃)으로 만든 후 연료를 분사하여 착화 폭발된 연소 가스의 팽창력으로 동력을 얻는 압축 착화 기관이다.

   ① 디젤 기관의 구조 : 기본 구조는 가솔린 기관과 같다 기화기, 점화플러그는 필요 없으나, 연료를 분사하기 위한 연료 분사 펌프, 연료 분사 노즐(밸브)이 필요하다.

   ② 연료 분사 장치 : 연료 분사 펌프, 연료 분사 노즐

   ③ 연료 분사 펌프 : 연료 여과기를 거친 연료를 기관의 속도나 출력의 변화에 따라 분사 노즐에 연료를 압송한다.

   

   ④ 연료 분사 노즐 : 고압의 연료를 연소실 안으로 분사시키는 장치로, 연료 분사 밸브라고도 한다.

   ⑤ 디젤 기관의 작동 원리

    ㉠ 흡입 행정 : 흡입 밸브가 열리고, 피스톤이 하강하면서 실린더 내로 공기를 흡입한다.

    ㉡ 압축 행정 : 밸브가 모두 닫히고, 피스톤이 상승하면서 흡입된 공기를 압축한다.

    ㉢ 폭발 행정 : 고온의 압축 공기에 연료를 분사하면, 압축열에 의해 자연 착화되면서 연소 가스의 팽창력으로 피스톤을 밀어내어 동력을 발생한다.(가솔린 불꽃 점화 방식과 차이점)

    ㉣ 배기 행정 : 피스톤이 상승하면서 연소 가스를 실린더 밖으로 배출한다.

가솔린 기관과 디젤 기관의 비교

  

구분	가솔린 기관	디젤 기관
연료	가솔린(휘발유)	경유, 중유
연료 장치	기화기	분사 펌프
점화 방법	불꽃 점화	압축 착화
출력당 무게	가볍다	무겁다
압축비	6~10	12~33
열효율(%)	25~35	30~40
특징	소음이 적고 제작비가 적게 든다. 소형이면서 고출력을 낸다. 연료비가 비싸다. 취급이 간단하고 시동이 쉽다.	소음과 진동이 심하다. 제작비가 많이 든다. 연료비가 저렵하다.
용도	승용차, 항공기, 각종 원동기 등	대형 버스, 승합차, 트럭 등

   

[3] 동력 전달 장치

 정의 : 기관(엔진)에서 발생한 동력을 구동 바퀴까지 전달하는 장치다.

 (1) 클러치와 변속기

  ① 클러치(clutch) : 기관과 변속기 사이에서 동력을 차단하거나 연결한다.

   ㉠ 클러치의 작동 :

    ⓐ 그림과 같이 단판 마찰 클러치의 경우, 클러치 페달을 밟지 않은 상태에서는 크랭크축과 같이 회전하는 플라이휠에 붙어 있는 압력판과 클러치판이 밀착되어 있기 때문에 클러치 축이 회전하게 된다. 클러치 축은 변속기의 입력축이 되어 동력을 변속기에 전달하게 된다.

    ⓑ 클러치 페달을 밟으면 압력판이 클러치판으로부터 떨어지게 되어 플라이휠만 회전하고 클러치 축에는 동력이 전달되진 않는다.

   ㉡ 클러치의 종류 : 마찰 클러치, 유체 클러치, 전자 클러치 등

     마찰 클러치 : 클러치판, 플라이휠, 압력판의 마찰을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로   

     유체 클러치 : 유체(오일)를 동력 전달 매체로 이용하는 방식으로, 자동 변속기, 차량에서 토크 변환기와 함께 사용한다.

     전자 클러치 : 전자석의 자기력을 기관의 회전에 따라 자동으로 증감시켜 클러치 작용을 하게 한다.

    ㉢ 클러치의 구비 조건

     동력 전달이 확실할 것, 동력전달을 서서히 할 수 있을 것, 동력 전달 능력이 충분할 것, 구조가 간단하고 고장이 적을 것

  

  ② 변속기 : 클러치와 추진축 사이에 설치되어 있으며, 수동 변속기와 자동 변속기가 있다.

   ㉠ 변속기의 작용 :

    · 자동차의 주행 상태에 알맞게 회전력과 속도를 바꾼다.

    · 자동차를 후진시킬 때 구동 바퀴를 역전시킨다.

    · 자동차가 정지해 있을 때 기관과 구동 바퀴의 연결을 끊는다.

    ㉡ 수동 변속기 : 변속기 기어의 물림을 수동으로 바꾸어 바퀴에 전달되는 회전력과 회전 속도를 바꾼다.

    ㉢ 자동 변속기 : 유체를 이용하여 변속을 자동으로 하는 것이다.

(2) 차동 기어 장치

  정의 : 양쪽 구동 바퀴의 회전력을 다르게 하는 장치다.

    굽은 도로나 울퉁불퉁한 도로를 주행할 때 좌우 구동 바퀴의 회전수를 다르게 조절하여 미끄럼 없이 주행할 수 있게 한다.

  최종 감속 기어 : 회전력의 방향을 바꾸어 추진축과 직각으로 설치되어 있는 구동축에 전달하고 마지막으로 감속하여 회전력을 크게 하는 장치다.

  

[4] 현가 장치

 : 앞차축이나 뒤차축을 지지하며, 주행 중 노면에서 발생하는 충격이나 진동을 흡수하여 승차감을 좋게 하고 안전성을 높이는 장치다.

  ① 현가 장치의 구성 : 현가 스프링, 쇽 업저버, 스태빌라이지 등으로 구성되어 있다.

  ② 현가 스프링 : 바퀴에 작용한 충력이나 진동을 완화시켜 차체에 전달되지 않게 한다.

  ③ 쇽 업저버(완충 장치) : 스프링이 받는 진동을 흡수하여 승차감을 향상시키고 스프링의 피로를 감소시킨다. 쇽 업저버는 현가 장치와 차체사이에 설치한다.

     그림과 같이 늘어날 때는 작은 구멍을 오일이 통과하므로 저항이 커 진동을 줄이고, 압축할 때는 피스톤의 큰 구멍에 붙어 있는 밸브가 열려 오일이 큰 저항 없이 통과한다. 이러한 오일의 유동 저항이 진동을 감쇠한다.

  ④ 스태빌라이저 : 차체가 좌우로 흔들리는 것을 방지하여 차의 평행을 유지한다.

[5] 조향 장치

 : 자동차의 진행 방향을 바꾸기 위해 앞바퀴의 각도를 조절하는 장치다.

  

  ① 조향 장치의 구성 : 조향 핸들, 조향축, 조향 기어, 링크 기구, 조향 너클 등으로 구성되어 있다.

  ② 앞바퀴 정렬 : 주행 중 조향이 원활하고 핸들의 복원성을 좋게 하며, 타이어의 마모를 줄이기 위한 방법이다.

   ㉠ 토인(toe-in) : 타이어의 마모를 줄이기 위한 것으로 앞바퀴를 위에서 내려다 볼 때 타이어의 앞쪽을 뒤쪽보다 좁게 한다.

    자동차가 주행 중에 캠버에 으하여 바깥쪽으로 벌어지는 것을 토인의 작용으로 상쇄시켜 직진하도록 보정하는 역할을 하며 주행할 때 두 바퀴를 평형하게 하여 타이어의 마모를 줄여 준다.

    토인은 승용차 2~3mm, 대형차 4~8mm

   

   ㉡ 캠버(camber) : 핸들의 조작을 쉽게 하기 위한 것으로, 앞바퀴를 정면에서 보았을 때 바퀴의 윗 부분을 바깥쪽으로 약 2°정도 기울인다.

   

   ㉢ 캐스터(caster) : 자동차가 주행할 때 직진성과 복원성을 갖게 하는 것이다.

[6] 제동 장치

  뜻 : 주행하는 자동차의 속도를 마찰을 이용하여 감속 또는 정지시키거나 정지 상태를 유지하는 장치다.

 ① 브레이크 종류

   ㉠ 핸드 브레이크 : 손으로 조작하며, 주차용으로 사용한다.

   ㉡ 풋 브레이크 : 발로 조작하고, 대개 유압식이며, 주행중에 사용한다.

 ② 유압식 브레이크 :  

  ㉠ 작동 원리 : 페달을 밟으면 마스터 실린더의 유압 상승 → 브레이크 파이프를 통해 각 휠 실린더에 유압 전달 → 브레이크 라이링이 브레이크 드럼에 밀착되어 제동 → 페달을 놓으면 유압이 내려가 리턴 스프링의 힘에 의해 되돌아온다.

  ㉡ 장점 : 모든 바퀴에 제동력을 균등하게 전달하고, 작은 힘으로도 조작이 가능하며, 마찰 손실이 작다.

③ 디스크 브레이크 : 브레이크 드럼과 라이닝 대신에 디스크와 패드를 사용한다. 회전하는 디스크에 휠 실린더의 유압으로 패드를 사용한다. 회전하는 디스크에 휠 실린더의 유압으로 패드를 밀어 붙여 제동한다.

④ ABS : 자동차의 급제동 시 바퀴가 미끄러지면서 방향성을 잃는 것을 방지하는 장치다.