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[Tech Review] 고정관념에서 탈피한 내연기관들

2014-09-29 오전 1:58:33
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우리가 알고 있는 내연기관 엔진은 흡입-압축-폭발-배기 과정을 거치면서 동력을 만들어낸다. 이 과정을 만들어내기 위해 실린더 블록이라는 4각형의 박스가 필요하고 이 안에서 피스톤이 상하 왕복 운동을 하면서 동력이 생성되고 있다.

지금은 아주 당연하게 받아들여지고 있는 이 4행정 내연기관의 개념은 1876년 최초로 소개됐다. 니콜라스 오토(Nikolaus August Otto)를 중심으로 고트립 다임러(Gottlieb Daimler)와 빌헬름 마이바흐(Wilhelm Maybach)가 함께 개발했고, 니콜라스 오토의 이름을 본따 오토 사이클(Otto cycle)이라고도 부르고 있다.

시간이 지나면서 내연기관을 기초로 하는 다양한 변형 엔진도 사용되고 있다. 실린더 블록을 납작하게 눕히거나(수평대향) V형 블록을 2개 붙기도(W형 엔진) 했다. 효율을 높이기 위해 압축비보다 팽창비를 높이는 기술(밀러 사이클, 앳킨슨 사이클)도 발명됐으며, 가솔린의 압축착화(HCCI) 기술도 연구되고 있다. 생김새가 가장 특별한 엔진으로는 흔히 로터리 엔진이라고 부르는 방켈 엔진(Wankel Engine)이 대표적이기도 하다.

그럼에도 흡입-압축-폭발-배기 과정, 그리고 피스톤이 왕복운동을 한다는 기본적인 개념은 크게 바뀌지 않았다. 최초의 4행정 기관 발명 이후 138년이 지났음에도 말이다.

이유는 간단하다. 그 동안 쌓인 기술 축적 정도를 단번에 넘어설 만큼 획기적인 기관이 발명되지 않았기 때문이다. 제조공정을 비롯해 출력 발휘, 연료 소모, 소음, 내구성, 정비성, 부품의 완성도 까지 모든 부분이 완성 단계에 이르렀다는 것이다.

하지만 아직 수많은 연구기관들은 고정관념을 깬 새로운 엔진 개발에 몰두하고 있다. 이중에는 우리가 생각하는 엔진과 전혀 다른 모습도 있다. 기존의 고정관념을 탈피한 새로운 개념의 내연기관을 모아봤다.

5 & 6행정 엔진(5 Stroke & 6 Stroke Engine)



F1 엔진 개발에도 관여하고 있는 영국 일모어 엔지니어링(Ilmor Engineering)이 제안한 새로운 엔진은 5행정 방식을 사용한다

3개의 실린더를 사용하는 이 엔진은 중앙을 기준으로 양 옆 실린더가 4행정 방식으로 운영된다. 대신 중앙 실린더는 양 옆 실린더의 배기가스를 받아들여 팽창 에너지를 재활용한다. 여기에 과급 시스템이 추가되면 양 측면 실린더의 배기량을 낮춰도 중앙 실린더의 팽창 에너지는 동일하게 유지할 수 있다.

일모어가 개발한 프로토타입 5행정 엔진은 3기통 700cc의 배기량을 갖는다. 여기에 터보차저가 추가되어 130마력과 16.9kg.m의 최대토크를 발휘한다. 1.8리터 자연흡기 사양과 비슷한 수준이다. 리터당 출력이 185마력 수준이지만 같은 배기량 4행정 엔진보다 5%이상의 효율을 갖기도 하다.


5행정에 이어 6행정 엔진도 연구되고 있다. 미국 브루스 크로워(Bruce Crower)가 제안한 6행정 엔진은 기존 4행정에 증기기관의 2행정을 추가한 개념이다. 우선 흡입-압축-폭발-배기 행정은 동일하게 작동한다.

차이점은 이후 과정에 물이 실린더 내로 분사된다는 것이다. 실린더 내로 분사된 물은 곧바로 수증기로 변해 부피가 최대 1,600배로 팽창하게 된다. 이 힘을 활용해 추가적인 운동에너지를 만들어내는 것이다. 이 개념을 활용하면 동일한 출력과 엔진회전수를 유지하면서 연비를 40%까지 상승시킬 수 있다.


6행정 엔진 중에는 피스톤 헤드와 피스톤 헤드가 서로 압축하는 방식도 있다. 4+2 행정 혹은 비어 헤드(Beare Head) 엔진이라고 불리는 이 엔진은 실린더 헤드에 2행정 피스톤을 추가한 개념이다. 기존 4행정 엔진의 실린더 헤드가 움직이지 않는 벽과 같은 역할을 했다면 4+2 행정 엔진은 폭발의 힘을 서로 다른 방향으로 활용해 효율을 높이는 방식이다

스쿠데리 엔진(Scuderi Engine)



미국 스쿠데리(Scuderi)社가 개발한 엔진으로 일반 4행정 엔진처럼 생겼지만 압축 행정과 팽창(폭발) 행정을 각기 다른 실린더에서 구현했다는 점이 다르다. 엔진 구동 행정이 분리되어 작동하기 때문에 분리 사이클 엔진이라고 부르기도 한다.

스쿠데리 엔진은 압축 실린더 내에서 압출된 공기가 고압의 가스관을 통해 연소를 위한 팽창 실린더로 전달된다. 압축 행정은 일반 디젤 엔진보다 10% 이상 길게 이뤄지며, 압축된 공기는 팽창 실린더로 주입되어 연료와 혼합되고 점화되어 연소된다. 압축과 팽창과정이 분리됐기 때문에 연소실이 일정한 온도를 유지하는 장점이 있다.

이론적으로 실린더 내 가스들이 머무는 시간은 일반 엔진 대비 10~100배 수준이다. 그만큼 완전연소 비율이 높아지기 때문에 오염물질 발생도 최소화 시킬 수 있다. 특히 연소 온도를 약 1,400도 이하를 유지하면서 질소산화물 발생을 억제할 수 있다는 점이 특징이다.

현재 이 엔진은 혼다와 다임러 AG, 피아트 그룹, PSA 그룹과 비밀유지계약(non disclosure agreements)이 이뤄진 상태다.

파우트 엔진(Paut Engine)



파우트 엔진은 서로 90도로 엇갈린 피스톤으로 구성된다. 특히 피스톤이 상사점과 하사점 모두 폭발이 이뤄지는 양면 피스톤이 사용된다. 위아래로 폭발 행정이 이뤄지면서 절반 수준의 배기량으로도 동일 출력을 발휘할 수 있다.

양면 피스톤은 부품 수를 줄일 수 있고 이에 따른 경량화도 가능하다. 일반 엔진이 2실린더 구조를 갖는다면 2개의 피스톤과 2개의 커넥팅 로드, 1개의 크랭크 샤프트가 필요하다. 반면 파우트 엔진은 양면 피스톤 1개와 크랭크 샤프트 구성만으로 2실린더 구조를 구현시킬 수 있다.

파우트 엔진은 폭발 행정이 양 끝에서 이뤄지기 때문에 일반 엔진과 같이 실린더와 실린더 사이에 열 간섭에서 자유롭다. 그만큼 냉각 시스템의 크기도 축소할 수 있다. 또 부품 개수가 줄어드는 만큼 마찰도 감소시켜 효율을 높일 수 있다. 로터리 엔진과 같이 블록을 옆에 추가시켜 배기량을 늘릴 수 있기 때문에 부피 증가대비 배기량을 크게 확대할 수 있기도 하다. 또 엔진의 부분 해체만으로도 피스톤과 실린더를 분리할 수 있기 때문에 정비 면에서도 유리하다.

로터리 베인 엔진(Rotary Vane Engine)



산업용으로 널리 사용되고 있는 로터리 베인 진공 펌프(Rotary Vane Pump)를 내연기관화 시킨 엔진이다. 펌프의 경우 일종의 날개(Vane)를 사용해 압축공기를 만들어내지만 엔진의 경우 날개 대신 피스톤 헤드를 사용해 압축과 폭발 행정을 갖는다는 점이 다르다. 피스톤이 돈다고 하여 스윙 피스톤 엔진(Swing Piston Engine)이라고도 불린다. 미국의 엔젤 연구소(Angel Labs)는 비슷한 개념의 엔진을 개발해 MYT(Massive Yet Tiny) 엔진이라고 이름 붙이기도 했다.

로터리 베인 엔진은 작지만 강력한 힘을 발휘하는 점이 특징이다. 이론상으로 한 개의 로터리 베인 엔진에서 445마력까지 발휘할 수 있다. 한 개의 로터리 베인 엔진의 크기는 직경 70cm에 깊이 30cm 수준이며, 무게는 140kg에 불과하다. 디젤 엔진이 동일한 출력을 발휘하기 위해서는 배기량만 14리터에 무게는 1.36톤에 이르게 된다.

높은 출력을 발휘함과 동시에 효율도 뛰어나다. 이론상 연비는 28.5km/L 수준이다. 또 일반 로터리 엔진처럼 로터리 베인 엔진 역시 블록을 결합해 더욱 강력한 출력을 발휘할 수 있다. 5개 블록을 결합한 로터리 베인 엔진은 3,450마력까지 발휘할 수 있다.

듀크 엔진(Duke Engine)



일반 엔진은 피스톤의 왕복 운동을 커넥팅 로드와 크랭크 샤프트를 통해 회전 운동으로 바꾸는 방식을 사용한다. 왕복 운동을 화전 운동으로 바꾸는 과정에서 손실이 발생하기 때문에 피스톤의 움직임 자체가 회전 운동을 만들어낼 수 있도록 고안한 것이 듀크 엔진이다.

1993년부터 개발되기 시작한 듀크 엔진은 3세대까지 발전했다. 현재는 5개의 실린더와 3.0리터의 배기량을 갖고 있다. 피스톤 자체가 회전을 하면서 각 행정을 진행하기 때문에 한 개의 피스톤당 흡기 및 배기 밸브와 점화 플러그가 필요치 않는다. 점화플러그의 경우 3개만 사용된다.

실린더 블록을 동그랗게 말아 넣은 형상을 갖추기 때문에 전체적인 부피도 감소했다. 3.0리터 듀크 엔진의 부피는 89리터에 불과하다. 3.0~3.5리터 배기량의 일반 가솔린 엔진의 부피가 275~326리터에 이르는 것을 생각하면 70%까지 부피가 감소한 것이다. 엔진의 무게도 100kg 수준에 불과하다.

듀크 엔진은 압축비를 14:1에서 최대 25:1까지 활용한다. 가솔린 엔진의 경우 10:1~14:1 수준의 압축비를 사용하기 때문에 효율을 20% 이상 향상시킬 수 있다는 설명이다. 확장성도 높아 가솔린은 물론 디젤과 메탄올, 에탄올, LPG, 바이오 디젤 등의 연료에 대응할 수 있다.

상하 운동을 회전운동으로 변환하지 않고 엔진 자체에서 회전운동이 이뤄지기 때문에 NVH에서도 이점이 있다. 또 고 rpm 대응도 가능하다. 3.0리터 자연흡기 가솔린 듀크 엔진이 목표로 하는 출력은 410마력이며, 허용 회전수는 8,000rpm이다.

터보컴뷰션 엔진(Turbocombustion Engine)



큰 수레바퀴를 돌리는데 중심 부분을 잡고 돌리려면 큰 힘이 필요하게 된다. 반대로 수레바퀴 가장자리를 잡고 돌리면 큰 힘을 들이지 않고 돌릴 수 있다. 이러한 아이디어에서 출발한 엔진이 터보컴뷰션 엔진이다.

터보차저처(Turbo Charger)처럼 동그란 하우징 속에서 연소(Combustion)가 발생한다고 해서 터보컴뷰션 엔진이라는 이름이 붙었다. 일반 엔진이 수레바퀴의 중심에 해당하는 크랭크 샤프트를 돌려 운동에너지를 만들어낸다면 터보컴뷰션 엔진은 수레바퀴의 가장자리에 해당하는 터빈 부위를 돌려 운동에너지를 만들어내는 방식이다. 터빈이 돌아가면서 크랭크 샤프트를 함께 돌리는 것이다.

터빈 내부에는 일반 엔진과 동일하게 피스톤과 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드가 자리한다. 공기를 흡입하고 압축해 폭발시키는 과정도 동일하다. 차이점은 배기과정이다. 폭발하면서 발생하는 팽창력을 커넥팅로드에 전달하지만 배기가스가 터빈을 돌려 크랭크 샤프트를 함께 돌려준다.

배기가스가 터빈을 돌리기 때문에 팽창 용적은 250%를 활용할 수 있다. 또 이론적으로 연료 소비 효율을 80%까지 향상시킬 수 있기도 하다.

오토뷰 | 김선웅 기자 (startmotor@autoview.co.kr)
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전체의견 7개가 있습니다.
  • eryuxiel 님 (eryu****)

    좋은글 잘 보았습니다.
    관건은 하이브리드에 가장 잘 맞는 엔진이 어떤것인지가 되겠네요.
    전기모터의 과도기가 될 것인지 전기 모터를 뛰어넘는 효율을 자랑할 것인지 궁금합니다.

    2014-09-30 오전 09:46
  • 86 님 (netd****)

    굉장히 흥미롭게 잘 봤습니다!! 물리와 화학이 이렇게 재밌는 줄은 중고등학교 때는 몰랐다죠^^

    2014-09-29 오후 07:04
  • asrundream 님 (asru****)

    좋은 기사 잘보았습니다. 동영상으로보니 상당히 이해가 잘되네요

    2014-09-29 오전 12:55
  • Torque 님 (rock)

    와 내연기관의 발전은 끝이 없는 것 같습니다. 끝없는 효율성의 싸움... 대단하네요. 이 중에 기술을 조합해서 효율을 더 끌어올릴만한 것도 보이네요. 내연기관의 기술 만으로 50km/l의 연비를 달성할 날이 멀지 않은 것 같습니다.

    2014-09-29 오전 11:46
  • ockje 님 (ockj****)

    물을 분사하는 경우에 문제점은 내구성이 되겠지요...금속이 그런 온도변화를 견뎌주느냐...

    2014-09-29 오전 09:44
    • morikeiichi 님 (mori****)

      저도 그생각 했었습니다. 온도가 갑자기 변화하면, 소재가 무리가 가는건 당연한데...
      열팽창이 가장 적고, 내구성 좋은 소재가 관건이네요.

      2014-09-29 오후 02:39
    • kimwj715 님 (kimw****)

      실린더 내에 물을 분사하는 아이디어는 2차대전때의 전투기에도 이미 쓰였습니다. 고고도에서 수퍼차저가 기본인 항공기용 엔진의 출력도 올리고 냉각효율도 올려서 압축비를 끌어올리는 효과도 있었는데, 노킹 문제 때문에 공중전 상황에서 일시적인 오버부스트 개념으로만 이용되었었죠. 현대의 자동차용 엔진이라면 이러한 단점을 극복하고, 저공해와 효율에 촛점을 새로 맞추어야 할겁니다.

      2014-09-30 오전 10:43

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