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가솔린 엔진의 혁명 과연 실현될 수 있을까?

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2007-10-05 07:10:06

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가솔린 엔진의 혁명 과연 실현될 수 있을까?

2007 프랑크푸르트모터쇼에 균질예혼합압축착화 기술에 관한 획기적인 발표를 기대했던 이들은 적지 않게 실망했다. 메르세데스 벤츠가 스마트를 앞 세운 미니카의 붐을 주도한데 가려 HCCI의 내용은 그다지 주목을 끌지 못했다는 것이다. 그것은 물론 그동안 알려진 내용에서의 큰 진전이 없었기 때문이었다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

이 기술은 메르세데스 벤츠 등은 HCCI(HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition 균질예혼합압축착화)라고 하고 폭스바겐은 CCS(Combined Combustion System 복합연소방식)라고 칭하고 있다. 미국의 GM과 스탠포드 대학 등 몇몇 자동차 메이커와 엔지니어링 그룹 등도 이에 관한 내용을 제시한바 있다. 우리나라 중소기업에서도 이와 같은 개념의 기술을 개발했다고 발표한 적이 있는데 이후 소식은 알 수 없다.

균질예혼합압축착화 기술이란 가솔린을 연료로 사용하면서 디젤과 같은 자기착화방식을 사용한다는 것이다.
일반적으로 내연기관 엔진에 있어 이율배반이라고 할 수 있는 이산화탄소와 NOx, PM(입자상물질)의 배출 저감을 동시에 해결하는 것은 기존 내연기관 엔진으로는 어렵다는 인식이 지배적이어서 후처리를 함으로써 대응해왔다.

바로 그런 기존 상식을 깨트릴 만한 이상적인 내연기관이 바로 지금 기대하고 있는 HCCI(HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition 균질예혼합압축착화) 엔진이다. 이에 대해서는 이미 글로벌오토뉴스를 통해 몇 차례 소개한 바 있다.

메르세데스 벤츠 엔지니어들은 이 엔진에 대해 ‘디조토(Disauto)’라는 별칭을 부여했다. HCCI 방식이 디젤엔진과 가솔린 엔진(오토 사이클)의 사이의 연소방식인 것을 표현하고 있는 것이다.

메이커마다의 이름이 있는 것은 연구가 왕성하게 이루어지고 있는 기술이라고 하는 증거이기도 하다. 혼다와 BMW 등 내연기관에 대해 높은 기술력을 보유하고 있는 메이커들도 연구를 진행하고 있으며 GM은 스탠포드대학과 보쉬와 공동으로 개발하고 있으며 2007년에 자동차에 탑재를 목표로 하고 있다.

HCCI는 ‘균일예혼합압축연소’라고도 번역할 수 있는데 간단하게 말하면 점화 플러그가 없이 사전에 연료와 공기를 균일하게 혼합해 연소실로 보내는 것이 특징이다. 연료에는 가솔린과 경유 외 그 중간의 성질을 가진 합성연료의 응용도 연구되고 있다. 어느쪽이든 연비와 환경성능을 양립할 수 있는 차세대 엔진을 목표로 하고 있다는 점에서는 다르지 않다.

우선 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 예를 들면 점화 플러그에 의해 착화하는 일반적인 가솔린엔진과 달리 디젤 엔진처럼 압축비를 높임으로써 점화플러그 없이 자기착화시킨다. 압축비가 높아지면 실린더 내부의 에너지를 효율 좋게 활용할 수 있기 때문에 고출력과 연비의 개선이 기대되는 것이다.
경유를 사용하는 경우에도 HCCI의 장점은 있다. 점화 플러그가 없는 것은 보통의 디젤엔진과 같지만 균일 예혼합에 의해 부분적으로 연료를 희박한=연소온도가 높은= NOx가 발생하는 것을 막고 배출가스를 저감할 수 있기 때문이다.

HCCI방식의 이론은 오래되어 1970년대에는 엔지니어들 사이에 이상의 내연기관이라고 불리어져 다양한 연구가 진행되었었다. 하지만 실제의 엔진에서 HCCI방식의 연수를 성립시키는 것은 생각보다 어려웠다.

다시 말해 가솔린엔진은 예혼합으로 균질로 하는 것은 가능하지만 가솔린은 착화하기 어렵기 때문에 플러그로 연소시키는 장치를 만들 필요가 있어 균질화가 어렵다. 이론공연비에서는 균질로 할 수 있지만 희박영역(린 번)에서는 착화가 어렵기 때문에 균질로 하는 것이 어렵다고 하는 면도 있다. 이와는 달리 디젤엔진은 자기착화가 가능하지만 연료가 분사되어 순간적으로 연소되기 위대 공기와 연료의 혼합 상태가 균질로 되지 않아 깨끗한 연소가 불가능하다.

바로 그 두 가지 문제를 해결할 수 있는 것이 바로 균질예혼합압축착화라는 기술로 머지 않아 실용화될 수 있다는 꿈에 부풀어 있다.

우선 2006년 말 폭스바겐은 디젤형 HCCI를 개발했다고 발표했다. 폭스바겐은 이 기술을 CCS(Combined Combustion System)라고 부르고 있다.

HCCI는 자기착화가 원칙으로 되어 있기 폭스바겐에서는 디젤엔진을 기본으로 실용화를 추구하고 있는데 여기에서 큰 포인트로 되는 것이 공기와 연료를 균질로 혼합한다고 하는 것. 그를 위해서는 시간이 필요한데 그것을 해결한 것이 연료분사의 타이밍을 바꿈으로써 ‘동시다점자기착화’로 하기까지의 시간을 제어해 온합기를 균질화한다고 하는 것이다. 또 실린더 내의 공기와 연료를 적극적으로 혼합하면서 압축함으로써 균질화를 위한 시간을 단축하고 국소적인 연소온도의 상승을 억제해 이상연소를 실현한다고 한다. 하지만 아직 고부하에서는 혼합기가 균질로 되기 전에 착화되어버리기 때문에 고부하시는 통상의 TDI 디젤로 운전한다.

메르세데스 벤츠는 가솔린을 사용하는 HCCI의 개발을 추구하고 있다. 메르세데스 벤츠에서는 이것을 디조토라고 부르고 있는데 그 커트 모형을 보면 정밀고압분사가 가능한 피에조 인젝터가 실린더의 중앙에 배치되어 마치 BMW의 가솔린 직분 엔진과 같다. 자기착화는 플러그가 없어야 하지만 실제로는 플러그가 존재한다. 이는 HCCI로는 대응할 수 없는 부하변동에 대응하기 위한 것이다. 역시 아직 완전한 균질예혼합자기착화라고는 할 수 없다.

이 엔진은 1.8리터 직렬 4기통 직분 가솔린 유닛에 전동 터보, 가변압축, 가변밸브제어, 하이브리드 기술을 조합시킨 보기류로 이루어진 것이다. 특히 가변압축비라고 하는 기술에 의해 자기착화하는 타이밍을 제어하는 것이 가능해진 것이 포인트다. 그 자기착화와 플러그 착화의 사진을 비교해 보면 알 수 있는데 자기착화는 전체적으로 저온으로 되고 실린더 내에서 균질로 연소하고 있는 것을 알 수 있다. 이 엔진의 실제 사양은 238ps/40.8kgm의 파워를 발휘한다. 참고로 현재 E200k에 탑재된 1.8리터 엔진의 사양은 최고출력 184ps/5,500rpm, 최대토크 25.5kgm/3,500~4,000rpm을 발휘한다.

실제로 이 엔진은 이미 S클래스에 탑재되어 주행실험이 진행되고 있으며 S클래스에 걸맞는 운동성능과 쾌적성을 갖추면서 동시에 미국에서 가장 엄격한 캘리포니아주의 SULEV(극초저배기가스규제)를 클리어하며 연비는 17km/리터 이상을 달성하고 있다고 한다.

HCCI 엔진이 지금의 디젤엔진 이상의 클린 및 그린화를 실현해 새로운 혁명을 주도할 날은 언제쯤일까?


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