자동차 · 엔진 원리

4행정 엔진이 돌아가는 원리: 흡입, 압축, 폭발, 배기

가속 페달을 밟으면 엔진 소리가 커지고 차가 앞으로 나갑니다. 그 사이 엔진 안에서는 피스톤이 1분에 수천 번 오르내리며 같은 네 단계를 되풀이합니다. 이 글은 그 네 단계와 점화 순서, 토크와 출력의 관계를 설명합니다.

두비킷 스튜디오 · 발행 2026.11.05

실린더, 피스톤, 크랭크축

자동차 가솔린 엔진의 기본 구조는 단순합니다. 원통 모양의 실린더 안에서 피스톤이 위아래로 움직이고, 피스톤은 커넥팅 로드로 크랭크축에 이어져 있습니다. 자전거 페달이 다리의 위아래 움직임을 바퀴의 회전으로 바꾸듯, 크랭크축은 피스톤의 직선 운동을 회전 운동으로 바꿉니다.

실린더 위쪽 헤드에는 공기와 연료가 들어오는 흡기 밸브, 타고 남은 가스가 나가는 배기 밸브, 불꽃을 튀기는 점화 플러그가 있습니다. 밸브는 크랭크축과 벨트나 체인으로 이어진 캠축이 정해진 때에 밀어서 엽니다.

피스톤이 가장 높이 올라간 지점을 상사점(TDC), 가장 낮게 내려간 지점을 하사점(BDC)이라고 부릅니다. 피스톤이 상사점에서 하사점까지 한 번 움직이는 것을 행정(stroke)이라고 합니다.

네 개의 행정, 크랭크축 두 바퀴

4행정 엔진은 이름 그대로 행정 네 번으로 한 사이클을 마칩니다. 행정 하나에 크랭크축이 반 바퀴(180°) 돌기 때문에, 한 사이클에는 크랭크축 두 바퀴(720°)가 듭니다. 1876년 니콜라우스 오토가 실용화해 오토 사이클이라고도 부릅니다.

흡입: 흡기 밸브가 열리고 피스톤이 내려갑니다. 실린더 안의 압력이 낮아지면서 공기와 연료가 섞인 혼합기가 빨려 들어옵니다.
압축: 두 밸브가 닫히고 피스톤이 올라가 혼합기를 좁은 공간으로 누릅니다. 요즘 가솔린 엔진은 부피를 10분의 1 안팎까지 줄입니다(압축비 10:1~13:1 정도).
폭발(팽창): 피스톤이 상사점 근처에 왔을 때 점화 플러그가 불꽃을 튀깁니다. 혼합기가 타면서 생긴 높은 압력이 피스톤을 세게 밀어 내리고, 이 힘이 크랭크축을 돌립니다. 네 행정 가운데 힘을 만드는 것은 이 행정 하나뿐입니다.
배기: 배기 밸브가 열리고 피스톤이 다시 올라가며 타고 남은 가스를 밀어냅니다. 이 가스가 배기관을 지나며 우리가 듣는 배기음이 됩니다.

나머지 세 행정은 폭발 행정이 만든 회전 관성, 그리고 다른 실린더의 폭발 행정이 이어 줍니다. 크랭크축 끝의 무거운 플라이휠이 이 관성을 저장해 회전을 고르게 합니다.

실린더가 여러 개인 이유와 점화 순서

실린더가 하나뿐이면 두 바퀴에 한 번만 힘을 받으니 회전이 울컥거립니다. 그래서 자동차 엔진은 실린더를 여러 개 두고 폭발 시점을 엇갈리게 맞춥니다. 직렬 4기통이라면 크랭크축이 180° 돌 때마다 어느 한 실린더가 폭발합니다.

직렬 4기통의 점화 순서는 보통 1-3-4-2입니다. 1번과 4번, 2번과 3번 피스톤은 늘 같은 높이에서 함께 움직이지만 행정은 서로 다릅니다. 이웃한 실린더가 연달아 터지지 않게 순서를 섞어 크랭크축이 받는 힘을 고르게 나눕니다. 6기통·8기통으로 갈수록 폭발 간격이 촘촘해져 회전이 부드럽고 소리도 낮게 이어집니다.

엔진룸 앱에서 엔진 종류를 바꾸면 같은 RPM에서도 소리 결이 달라지는 이유가 여기에 있습니다. 실린더 수와 배치가 다르면 1초에 배기관으로 나오는 압력 펄스의 수와 간격이 달라집니다.

RPM과 소리의 관계

RPM은 크랭크축이 1분에 도는 횟수입니다. 4행정 엔진은 실린더 하나가 두 바퀴에 한 번 폭발하므로, 1초 동안의 폭발 횟수는 다음과 같이 계산합니다.

초당 폭발 수 = RPM ÷ 60 × 실린더 수 ÷ 2

직렬 4기통이 3,000RPM으로 돈다면 3,000 ÷ 60 × 4 ÷ 2 = 초당 100번입니다. 배기음의 기본 높이가 대략 100Hz라는 뜻입니다. 같은 3,000RPM이라도 8기통은 200Hz가 되어 한 옥타브 높은 기본음을 냅니다. 회전수를 올리면 음이 높아지는 것도 같은 원리입니다.

토크와 출력은 무엇이 다른가

엔진 사양표에는 늘 토크(Nm)와 출력(마력, kW)이 함께 적혀 있습니다. 토크는 크랭크축을 비트는 힘의 크기이고, 출력은 그 힘으로 1초에 얼마나 많은 일을 하는지입니다. 둘은 회전수로 이어집니다.

출력(kW) = 토크(Nm) × RPM ÷ 9,549

토크가 같아도 회전수가 높으면 출력이 커집니다. 그래서 회전수를 높게 쓰는 스포츠 바이크 엔진은 토크가 크지 않아도 높은 마력을 냅니다. 반대로 트럭용 디젤 엔진은 낮은 회전수에서 큰 토크를 내도록 만듭니다. 토크 곡선은 보통 중간 회전수에서 가장 높고, 출력 곡선은 그보다 높은 회전수에서 정점을 찍습니다. 엔진룸 계기의 토크·출력 그래프에서 두 곡선을 함께 볼 수 있습니다.

참고로 1마력(PS)은 약 0.735kW입니다. 영미권의 마력(hp)은 약 0.746kW로 조금 다릅니다.

참고 자료

Heywood, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals, 2nd ed. McGraw-Hill, 2018.