COLUMN


친환경 엔진의 미래는?

기술 발전에 힘입어 가솔린 엔진은 적어도 수십 년간은 제 몫을 톡톡히 해낼 것이다

2021.07.16

 

엔진이 곧장 사라지진 않을 거다. 설령 사라진다 해도 전통적인 내연기관이 순식간에 멸종할 일은 없을 것이다. 특정 운송 산업이나 작업 환경은 전기나 수소로 달리는 이동 수단에 의존하지 않는다. 150년간 이어져온 기술의 발달은 엔진의 효율성을 크게 증가시켰다. 지금의 엔지니어들은 연료 분자에서 훨씬 더 많은 것을 추출하는 동시에 유해 물질을 더 적게 배출하는 묘책을 갖고 있다. 여기, 아주 적지만 우리가 주시해야 할 엔진 기술을 복잡함과 구현 비용 순서로 정리했다.

 

 

옥탄가 98 표준 가솔린
15:1 이상 압축하는 엔진을 설계하면 열역학적 효율성과 출력밀도가 크게 오르고 엔진 크기를 줄일 수 있다. 이를 위해서는 고옥탄 연료가 필요하며 RON 기준 옥탄가 98이 가장 적합하다. 그 이상의 옥탄가로 연료를 생산·정제하는 데에는 많은 에너지가 필요하다. 따라서 유전부터 자동차까지 가솔린이 전달되는 과정에서 에너지와 이산화탄소 배출량에 대한 이점이 감소한다.

 

 

스마트 실린더 비활성화 기술
실린더 비활성화 기술은 일상적인 주행 상황에서 실린더 몇 개만 작동하고 나머지는 정지시켜 효율성을 높인다. GM의 V8 5.3ℓ, 6.2ℓ 엔진에 적용된 다이내믹 퓨얼 매니지먼트는 실린더를 일부 또는 전체 정지시켜 EPA 기준 연비를 12%나 개선한다. 툴라 테크놀로지와 이턴도 장거리용 디젤 엔진을 위한 비슷한 시스템을 개발했다. 이 방식은 촉매 유지에 필요한 배기 온도를 유지하면서 1.5~4% 더 적은 연료를 태워 질소산화물 배출을 줄인다.

 

첨단 점화시스템
연료를 태우는 데에는 시간이 걸린다. 스파크 플러그는 피스톤이 위로 이동하는 사이 점화했기 때문인데, 이 방식은 역효과를 낳았다. 하지만 더 많은 양의 혼합기를 동시에 점화하면 하향 행정에서 연소가 빠르게 진행된다. 포드는 연소실에서 다중 시점 점화를 하기 위해 근적외선 레이저를 개발했다. 아직 비용과 안전성 문제가 남아 있다. 트랜시언트 플라스마의 삽입식 스파크 플러그 대체 기술은 저온 플라스마 시트를 주입해 초희박 혼합기를 낮은 온도에서 빠르게 점화한다. 이를 통해 연비를 10~15% 높이고 질소산화물을 대폭 낮춘다. 마세라티의 새로운 프리체임버 이중 연소 시스템은 점화 가속기로 활용할 수 있다.

 

혁신적인 블로어
엔진의 힘은 흡입할 수 있는 공기의 양으로 결정된다. 각각 크랭크축과 배기가스로 움직이는 슈퍼차저와 터보차저가 한 세기 이상 전에 개발된 건 이런 이유 때문이다. 볼보 드라이브 E와 메르세데스 벤츠 M256, 그 밖에 여러 엔진의 전기식 터보차저는 회생 에너지 전력을 사용한다. 이 방식은 터보차저에 모터와 발전기를 더해 힘을 쓰는 상황에서 터보 지체 현상을 없애고 순항 중에는 에너지를 얻는다. 크랭크 구동식 슈퍼차저와 관련해서는 두 가지 흥미로운 기술이 있다. 하나는 무단변속기를 사용해 공기량에 맞춰 작동 속도를 일치시키는 토로트랙 V-차지 원심 블로어(실린더에 공기를 불어 넣는 송풍기)다. 다른 하나는 한센 엔진 코퍼레이션의 리솔름 타입 블로어다. 공기압력 수요를 맞추기 위해 열거나 닫을 수 있는 덮개가 있는데 슈퍼차저의 반응 속도와 터보차저의 효율성을 모두 챙겨 동력 손실을 최소화한다. 

 

가변 압축비
성능과 효율성, 두 마리 토끼를 모두 잡는 이 기술은 스로틀을 적게 여는 순항 중에는 압축비를 높이고 터보차저가 작동할 때 압축비를 낮춘다. 닛산의 복잡스러운 복합체로 된 커넥팅 로드 장치가 엔진 행정을 다르게 해 8:1에서 14:1 사이의 압축비를 바꾼다. 그러나 우리는 닛산·인피니티의 VC-터보 엔진의 성능과 효율성에 큰 감동을 받지 못했다. 그래서 FEV의 편심 커넥팅 로드가 얼마나 더 단순하고 잘 작동할지 궁금하다. 이 방식은 크랭크축을 거치는 오일 압력이 피스톤 끝부분에서 편심 베어링을 회전시킨다. 그리고 8:1에서 12:1까지 더 좁은 범위에 걸쳐 행정을 바꿔 연료의 5%를 아낀다. 

 

압축착화엔진(HCCI)
가솔린 엔진 수준의 배출가스와 디젤 엔진의 효율성! 이게 바로 압축에 의해 희박한 가솔린 혼합기를 점화하려는 HCCI의 장점이다. GM, 메르세데스 벤츠, 현대차 등이 장래성 있는 HCCI 프로그램을 갖고 있다. 하지만 오직 마쓰다가 HCCI를 양산했다. 어느 정도 말이다. 마쓰다의 스카이 액티브X 엔진은 때때로 스파크 플러그를 사용하며 여전히 북미에서 판매하기에 너무 비싸다. 노틸러스 엔지니어링은 피스톤 윗부분에 작은 피스톤을 포함하는 HCCI 콘셉트를 선보였다. 그들의 피스톤은 행정이 정점에 달한 소형 고압축 실린더를 압축 발화시킨다. 하지만 우리는 그들이 자동차 제조사와 계약을 맺었다는 소식을 듣지 못했다.

 

에너지 회생 시스템
엔진은 높은 열과 많은 진동을 발생시킨다. 왜 이것들을 사용해 증기력이나 열전기 또는 압전기 에너지를 만들지 못할까? BMW가 제안했던 터보스티머 시스템과 다른 여러 기술은 비용과 무게 때문에 버려졌다. 고체 상태의 열전 발전기는 일반적으로 배기가스 구성 요소의 열을 전기로 직접 변환할 수 있다. 듀크대학 연구원들은 전압과 함께 팽창해 연료 인젝터를 작동시켜 진동 발생 시 전력을 생성하는 압전기 결정체를 개발 중이다.

 

인사이드 아웃 방켈 엔진 콘셉트

 

완전히 새로운 엔진 콘셉트
아카테스 파워는 최근 미 육군으로부터 3기통, 대향 6기통, 트윈 크랭크축, 2행정 엔진을 계속 만들기 위한 500만 달러의 추가 보조금을 받았다. 소문에 따르면 279마력과 112.1kg·m의 힘을 만드는 4.9ℓ 슈퍼·터보차저 프로토타입 엔진이 포드 F시리즈에 쓰이는 6.7ℓ 파워 스트로크 터보 디젤 엔진의 효율성을 20% 앞질렀다. 스쿠데리와 프리마비스는 각각 다른 작업에 맞게 설계된 별도의 실린더에서 흡기·압축·연소·배출 사이클을 실행하는 스플릿 사이클 엔진을 선보여왔다. 그들의 방식을 이용하면 엔진 온도를 낮출 수 있다. 그러나 스쿠데리는 투자자들과 법적인 문제에 부딪혔다. 프리마비스는 자그마한 2행정 엔진을 주로 주행거리 연장용으로 구상했다. 그들의 이론은 정상처럼 보이지만 두 회사 모두 최근에 의미 있는 뉴스를 만들지 못했다. 리퀴드 피스톤의 X-1 콘셉트는 인사이드-아웃 방켈 로터리 엔진이다. 이 엔진은 3개의 연소실이 있는 모호한 삼각형 하우징을 흔들며 통과하는 방켈 하우징 모양의 로터가 특징이다. 고정된 하우징에 오일 실을 장착하면 윤활이 용이해진다. 다만 이 기술은 주행거리 연장용으로 개발 중이다.

 

 

탄소 중립을 약속하는 친환경 연료

 

 

바이오연료 
식물로부터 연료를 만들기 위해 친환경 에너지를 사용하는 것은 이론적으로 이산화탄소가 발생하지 않는다. 하지만 옥수수에서 만든 순수한 에탄올로 달리는 것은 그렇지 않다. 왜냐하면 옥수수가 자라던 땅은 연료든 옥수수 시럽이든 같은 양의 이산화탄소를 변환해왔기 때문에 결과적으로 탄소 발생을 피할 수 없다.

 

바이오연료는 옥수수 줄기, 억새풀 등 아무것도 성장하지 못했거나 성장할 수 없었던 곳에 심어진 새로운 작물들처럼 셀룰로오스를 함유한 공급 원료로 만든다. 현재 셀룰로오스 물질이나 심지어 쓰레기를 에탄올, 메탄올, 부탄올로 변환하기 위해선 수많은 과정이 존재한다. 여러 해조류가 바이오 디젤이 되는 과정도 확인됐다. 하지만 안타깝게도 이것들은 모두 너무 비싸서 값싼 가솔린과 경쟁할 수 없다.

 

탄소 직접 포집 
공기 중에서 이산화탄소를 끄집어내고 수소화해 탄화수소 연료를 만드는 몇 가지 계획이 있다. 프로메테우스 퓨얼스는 이산화탄소로부터 가솔린을 만드는 것을 계획 중이다. 아우디와 선파이어는 친환경 전기를 이용해 이산화탄소와 물에서 각각 추출한 탄소와 수소를 결합해 창조해낸 합성 원유인 ‘블루 크루드’로부터 디젤을 만들려고 한다.

 

캐나다의 브리티시컬럼비아에 위치한 카본 엔지니어링은 2022년까지 상업용 규모의 양산품을 만들 계획이다. 다양한 탄화수소 연료로 정제될 수 있는 리액트 웰의 바이오원유 오일 변환 공정과 이산화탄소를 에탄올로 변환하기 위한 오크리지 국립 연구소의 공정이 합쳐진다는 좋은 소식이 들려올지도 모른다. 

 

글_프랭크 마커스 

일러스트레이션_라이언 루고

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 친환경 엔진, 가솔린 엔진, 내연기관 

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CREDIT

EDITOR : 김선관PHOTO : 모터트렌드

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