4행정 기관(four-stroke engine) 또는 4사이클 엔진(four-cycle engine)은 내연기관의 일종으로, 내연기관 중 가장 널리 사용되는 방식이다. '행정'(行程)은 실린더 안의 피스톤이 위 또는 아래의 한 방향으로 움직이는 것을 의미한다. 4행정 기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 네 가지 행정을 거쳐 1사이클을 완료하는 형식이다. 4행정 기관이 1사이클을 완료하면 크랭크축은 2회전, 캠축은 1회전하며, 실린더의 흡기밸브와 배기밸브는 각각 1회 열리고 닫힌다.
작동 순서
-
흡입(Intake): 피스톤이 상사점(TDC)에서 하사점(BDC)으로 하강하면서 실린더 내부의 압력이 낮아지고, 이에 따라 공기가 흡기다기관으로 유입된다. 공기는 연료와 혼합되어 혼합기가 되며, 이 혼합기가 흡기밸브를 통해 실린더 내부로 들어간다. 직접 분사식 가솔린 엔진(GDI) 방식과 디젤 엔진에서는 공기만 흡입한다.
-
압축(Compression): 흡기밸브와 배기밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 혼합기를 압축한다. 이 과정에서 크랭크축이 1회전하게 된다. 가솔린 기관의 압축비는 약 11:1에서 13:1 수준이며, 압축 착화 방식인 디젤 엔진은 더 높은 압축비를 가진다.
-
폭발(Ignition): 실린더 내부의 혼합기가 연소되면서 생성된 연소 가스의 압력으로 피스톤을 밀어내리며, 이 과정에서 동력이 발생한다. 가솔린 기관은 점화플러그를 통한 스파크 점화로 연소하며, 디젤 엔진은 연료를 분사하면서 압축 압력으로 점화하여 연소한다.
-
배기(Exhaust): 배기밸브가 열리면서 피스톤이 상사점으로 상승하며 연소 가스를 실린더 밖으로 배출시킨다. 여기까지의 과정에서 크랭크축은 총 2회전을 한다.
역사
4행정 기관은 독일의 니콜라우스 오토(Nikolaus Otto)에 의해 개발되었다. 1860년에 에티엔 르누아르가 2행정 기관을 개발한 이후, 오토는 1861년부터 2행정 기관을 토대로 새로운 엔진을 연구하였다. 1864년에는 세계 최초의 엔진 제조사인 'N. A. 오토 앤 시에'(N.A. Otto & Cie)를 설립하였고, 1869년에는 독일 쾰른의 Deutz로 이전하여 'Deutz Gasmotorenfabrik AG'로 사명을 변경하였다. 1876년 오토의 회사에서 실용적인 4행정 엔진 제조에 성공하였다. 이후 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐가 1885년 4행정 기관을 탑재한 최초의 자동차를 생산하였다.
최초의 4행정 기관인 오토 기관은 점화 불꽃으로 연료를 점화하는 방식이었으나, 이후 루돌프 디젤이 점화 불꽃 없이 압축 압력만으로 연료를 점화하는 압축 점화 엔진 기술을 연구하여 디젤 엔진을 개발하였다.
장점과 단점
4행정 기관의 장점은 각 행정의 작동이 완전하게 구분되어 있어 연소 과정이 명확하다는 점이다. 흡기 행정 시간이 충분하여 블로바이 현상이 적고 연료 소비율을 줄일 수 있으며, 배기량 대비 효율이 높다. 또한 흡입 행정에서의 냉각 효과로 인해 각 부분의 열 부하가 적고, 저속에서 고속까지 회전 속도 변화의 범위가 넓다.
단점으로는 밸브 개폐기구로 인해 구조가 복잡해지고, 진동이나 기계적인 소음이 증가하며, 같은 출력의 2행정 기관에 비해 마력당 무게가 무겁다는 점이 있다. 또한 피스톤이 두 번 왕복하는 과정에서 폭발 시의 회전력과 압축 시의 회전력이 같지 않아 회전력이 일정하지 못하며, 실린더 수가 적으면 폭발 행정이 제대로 이어지지 못해 작동이 원활하지 않을 수 있다. 질소산화물의 배출량이 많다는 점도 단점으로 지적된다.
이러한 특성 때문에 4행정 기관은 일반적으로 최소 2기통 이상의 엔진을 장착하는 경우가 많으며, 각 실린더의 폭발 시점이 교차하도록 설계하여 진동과 회전력의 불균형 문제를 해결한다. 기통이 많을수록 진동이 적고 부드러운 운행이 가능하다. 무거운 무게와 다기통 구조의 특성상 소형 및 중형 이상의 차량에 주로 사용된다.
열역학적 분석
실제 4행정 기관의 열역학적 분석은 복잡한 작업이지만, 공기 표준 가설을 적용하면 오토 사이클(Otto cycle)로 단순화하여 분석할 수 있다. 이 분석 결과는 실제 작동 조건과 매우 유사한 것으로 알려져 있다.
