4행정 엔진

피스톤이 춤추는 4단계 박자

주사기 손잡이를 뒤로 당기면 물이 쏙 빨려 들어오듯이, 엔진 속 피스톤도 아래로 내려가며 공기와 연료를 실린더 안으로 들이마셔요. 이 첫 번째 동작을 '흡입'이라고 불러요.

그다음은 공기를 꽉 쥐어짜는 '압축' 단계예요. 밸브를 모두 닫고 피스톤이 다시 위로 올라가면서 방금 마신 공기와 연료를 원래 부피의 10분의 1 수준으로 바짝 눌러 담아요. 이렇게 꽉 짓눌린 혼합기는 온도와 압력이 치솟아 아주 작은 불씨에도 거대하게 터질 준비를 마쳐요.

바로 이때 점화 플러그가 번쩍 불꽃을 튀겨요. 순식간에 불이 붙으며 가스가 무섭게 팽창하고, 이 거대한 압력이 피스톤을 아래로 힘껏 내리꽂아요. 이 '폭발' 단계에서 자동차를 움직이는 진짜 힘이 탄생해요.

마지막으로 피스톤이 다시 위로 밀고 올라오며 다 타고 남은 찌꺼기 가스를 배기구로 밀어내요. 이 네 번째 동작이 '배기'예요. 이 4단계가 1초에 수십 번씩 쉴 새 없이 반복돼요.

4번 움직여서 딱 1번 힘을 냅니다

신기하게도 네 번의 움직임 중에서 엔진이 스스로 힘을 내는 순간은 '폭발' 단계 단 한 번뿐이에요. 나머지 세 단계는 에너지를 만드는 게 아니라 오히려 에너지를 쓰면서 다음 폭발을 준비하는 과정이에요.

그렇다면 힘을 받지 못하는 나머지 세 번의 움직임은 어떻게 멈추지 않고 이어질까요? 비밀은 엔진 끄트머리에 달린 무거운 쇠바퀴에 있어요. 폭발할 때 얻은 강한 힘으로 이 쇠바퀴를 휙 돌려놓으면, 팽이가 계속 돌듯 무거운 쇠바퀴의 관성 덕분에 피스톤이 저절로 오르내리며 다음 순서를 진행해요.

피스톤이 위아래로만 직선 운동을 하면 바퀴를 굴릴 수 없겠죠. 그래서 피스톤 아래에는 꺾인 막대 모양의 '크랭크축'이 연결되어 있어요. 자전거 페달을 발로 위아래로 밟으면 바퀴가 둥글게 굴러가듯이, 피스톤의 오르내림을 둥근 회전 운동으로 바꿔주는 핵심 장치예요.

조금 더 정확히 말하면: 왜 4행정을 쓸까요?

조금 더 정확히 말하면, 세상의 모든 엔진이 4단계를 거치는 것은 아니에요. 오토바이나 예초기처럼 작고 가벼운 기계에는 피스톤이 두 번만 움직여도 한 번 터지는 '2행정 엔진'을 쓰기도 해요.

하지만 2행정 방식은 공기를 들이마시는 동시에 배기가스를 내보내기 때문에, 아직 타지 않은 기름이 밖으로 새어 나가 매연이 심하고 연비가 떨어져요. 반면 4행정 엔진은 들어오는 문과 나가는 문이 철저히 따로 열려서 연료 효율이 매우 높고 배기가스가 깨끗해요.

오늘날의 승용차는 거의 예외 없이 4행정 엔진을 선택하고 있어요. 최근에는 컴퓨터가 밸브가 열리고 닫히는 타이밍을 1000분의 1초 단위로 제어하면서, 한 방울의 기름으로도 더 멀리 부드럽게 달릴 수 있도록 발전하고 있어요.