피스톤(Piston) - 연소 에너지를 운동 에너지로

피스톤 - 연소 에너지를 운동 에너지로

피스톤은 엔진에서 연료를 연소시켜 발생하는 에너지를 운동 에너지로 전환하는 핵심 부품입니다. 당연히 모든 엔진에서 사용되고 아주아주 중요한 부품이죠. 이 글에서는 피스톤에 대해서 간단하게 살펴보는 시간을 가져보려고 합니다.

 

목차

• 피스톤의 역할
• 피스톤의 구조
• 피스톤의 재료와 특성
• 피스톤 고장 증상
• 피스톤 수리 비용
• 마치며

 

피스톤의 역할

엔진에서 피스톤이 없다면 엔진은 그냥 무거운 철 덩어리에 불과할 것입니다. 실질적으로 움직이는 장치이다 보니 아주 중요하죠. 피스톤의 역할은 바로 이런 움직이는 역할 그 자체입니다. 폭발력을 받아내서 상하운동을 하면서 크랭크 샤프트를 돌리는 역할을 하는 것이죠.

연료의 폭발력을 피스톤이 상하운동으로 전환하고 이것을 크랭크 샤프트가 회전운동으로 전환하면서 바퀴가 굴러가는 것입니다.

또한, 피스톤은 실린더 내부의 압력을 유지해주는 역할을 합니다. 피스톤에 있는 피스톤 링이 실린더 벽과 밀착하여 가스를 차단하고 압축과 연소과정의 효율성을 높여주는 것이죠. 이렇기 때문에 피스톤의 재질이나 형상 표면처리 등등 엔진 기술에서 피스톤은 아주 중요한 역할을 차지하고 있습니다. 특히 엔진이 고성능일수록 피스톤이 움직임이 더 많아야 하기에 그 설계에 더더욱 신중히 처리해야 합니다.

 

피스톤의 구조

겉보기에 피스톤은 단순한 원통처럼 생겼지만 여러 개의 구성요소가 하나로 합쳐져 있는 구조입니다. 피스톤은 크게 4가지 구조로 볼 수 있죠.

• 피스톤 헤드(Piston Head) - 연소실과 직접 닿아 있는 부분으로 폭발력을 받는 부분이죠, 당연히 고온과 고압에 견뎌야 하기 때문에 내열성과 강도가 가장 중요시되는 부분입니다.
• 피스톤 링(Piston Ring) - 실린더 벽과 피스톤 사이의 작은 틈을 메워서 밀폐성을 유지하도록 도와주는 부품입니다. 이 링에는 2가지가 있는데요. 하나는 연소 가스가 오일룸으로 넘어가지 않게 하는 압축 링, 다른 하나는 오일이 연소실로 넘어가지 않게 하는 오일링입니다.
• 피스톤 스커트(Piston Skirt)- 피스톤이 실린더 내에서 직선 운동을 할 때 균형을 유지하도록 돕는 부분입니다. 마찰과 마모가 심할 수 있기 때문에 코팅 처리가 필수적입니다.
• 피스톤 핀(Piston Pin)- 피스톤과 커넥팅 로드(피스톤과 크랭크축을 연결하는 부품)를 연결하는 부품입니다. 역시 강한 충격이 가해지는 부분이고 계속되는 회전운동을 견뎌야 하기에 재료가 아주 중요하죠

 

피스톤의 재료와 특성

앞서 설명한 것처럼 피스톤은 항상 고온, 고압, 그리고 회전 같은 극한의 운동환경에 놓여있습니다. 그러다 보니 제일 중요한 것이 내열성과 내구성이죠. 그렇지 않으면 엔진이 달리다가 부서질 것이 뻔하니까요.

• 알루미늄 합금 - 알루미늄 합금은 열전도율이 높고, 경량화에 유리합니다. 덕분에 빠른 열 방출에 이점이 있고, 연료 효율성이 상승하죠. 하지만 내구성이 낮습니다.
• 주철 - 강도 내구성이 모두 뛰어난 재료입니다. 마모 저항성도 높은 편이죠. 하지만 무겁습니다. 그래서 연비 면에서 단점이 있죠.
• 단조 알루미늄 - 강도도 좋고 가벼운 장점이 있습니다. 고성능 엔진에 많이 쓰이죠. 하지만 역시나 비쌉니다.

 

피스톤이 고장 증상

피스톤이 손상되면 당연히 주행이 힘들어집니다. 그럼 손상에 원인을 잠깐 알아보죠.

• 카본 - 엔진 연소실에서 연소가 되면 필수적으로 카본이라는 찌꺼기가 생기게 됩니다. 이 찌꺼기는 피스톤에 쌓이게 되죠. 그럼 엔진 출력과 연비가 떨어지게 됩니다. 연소실에 방해물들이 있으니까요. 만약 피스톤에 카본이 쌓여서 출력이 줄어들고 연비가 안 좋아 지면 전용 세척제를 사용하고, 연료 품질을 올려주면 해결될 수 있습니다.
• 피스톤 링 - 사실 피스톤에서 직접적인 고장이라고 한다면 피스톤 링일 것인데요. 피스톤 링이 마모되어 고장이 나면, 압축이 잘 되지 않아 출력이 감소하고 오일 소모가 증가합니다. 엔진오일 소모가 증가해서 엔진에 데미지를 줄 수도 있죠. 이를 방지하려면 엔진 오일을 주기적으로 확인하는 습관을 가지는 것이 중요합니다. 그게 힘드시면 엔진오일을 주기적으로 교환하면 정비사분이 봐주겠죠.
• 크랙 - 피스톤 문제에서 가장 심각한 고장입니다. 크랙이 가기 시작하면 엔진 작동이 이상해지고 폭발도 제대로 되지 않아서 엔진 부하가 심해집니다. 결과적으로 엔진 부조가 일어나게 되죠. 피스톤 크랙은 과열이나 과부하로 인해 발생할 가능성이 높으니 냉각수 시스템을 엔진오일 교체 할 때마다 확인해보는 것이 도움이 됩니다.

 

피스톤 수리 비용

고장 증상	예상 원인	수리 방법	수리 비용
엔진에서 ‘딸깍’ 또는 ‘두두둑’ 소리	피스톤 핀 마모 또는 피스톤 슬랩 현상	피스톤 및 커넥팅로드 교체	80만 ~ 150만
시동 후 흰색 연기 다량 발생	피스톤 링 마모 → 오일 연소	피스톤 링 교체 or 엔진 오버홀	100만 ~ 250만
출력 저하 및 엔진 떨림	피스톤 손상(스크래치, 파손 등)	피스톤 교체 + 실린더 가공 or 오버홀	150만 ~ 300만
엔진오일 급격한 감소	피스톤링 마모 또는 피스톤 크랙	오버홀 또는 엔진 교체	200만 ~ 400만
엔진 과열 + 압축 저하	피스톤 크랙 또는 융착(Seizure)	엔진 완전 오버홀 또는 리빌트 교체	300만 ~ 600만
엔진 완전 고착 (시동 불가)	피스톤 파손 + 크랭크축 손상 포함 가능	중고 엔진 교체 or 리빌트 엔진 교체	400만 ~ 800만 이상

추산 적인 표이며 실제론 다를 수 있습니다.

마치며

오늘은 피스톤에 대해서 알아보았는데요. 피스톤은 사용처에 따라서 생긴 모양이나 주된 재료들이 다르고 그 종류도 많습니다. 동력을 전달하는 핵심 부분이니만큼 신경을 많이 써야 하는 부분이지만, 사실상 일상생활에서 피스톤까지 신경 쓰면서 사시는 분은 없을 것이라고 생각합니다. 그래서 앞서 말씀드린 것과 같이 엔진오일을 교체할 때 한 번씩 기본적인 것을 확인하시어 큰 사고를 예방하는 것이 가장 중요할 것 같습니다!

 

엔진의 뼈대 – 엔진 블록(Engine Block)

 

엔진의 핵심 부품 – 실린더 헤드(Cylinder Head)

 

밸브(Valve) - 차가 숨 쉬는 법