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내연기관 엔진 기술 발전, 아직도 무한하다.

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2004-10-20 13:33:18

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내연기관 엔진 기술 발전, 아직도 무한하다.

열 에너지를 동력 에너지로 전환하는 것을 총칭해 열기관이라고 한다. 그중에서 승용차용으로 가장 일반적이면서 또한 편리한 내연기관이 가솔린 엔진이다. 가솔린 엔진이 오늘날처럼 널리 보급되기까지에는 어떤 길을 걸어왔을까. 그 기술적인 도전의 목표와 그 흐름을 알아보자.

가솔린 엔진은 유럽에서 태어났다. 오토(Auto)가 1876년에 고안한 것으로 흡입, 압축, 폭발, 배기라고 하는 사이클을 피스톤 상하 2왕복분의 4행정(4스트로크/크랭크샤프트 2회전)으로 수행하는 열기관이다. 수증기의 압력을 이용하는 열기관인 증기기관은 그보다 더 오랜 역사를 갖고 있다. 영국의 제임스 와트가 1775년에 고안한 것이다. 이 증기가관이 주역이었던 영국에서는 순식간에 동력의 근대화가 진행되었다. 이것이 산업혁명이다. 그때까지 사람과 가축의 힘을 사용해왔던 많은 일들이 열기관에 의해 대체되었던 것이다.
1886년이 되자 독일에서 두 사람의 엔지니어가 가솔린 엔진을 탑재한 자동차를 고안했다. 그 한 사람이 고트리프 다임러, 또 한 사람은 칼 벤츠였다. 그때까지 다임러는 자동차를 만들지는 않았었고 증기기관을 l용한 선박 등의 다양한 분야에서 가솔린 엔진을 이용하는 것을 생각했었다. 한편 칼 벤츠는 자동차 그 자체로 마차를 대신하는 탈것으로 하는 것에 대해 연구했다. 바로 이 두 사람의 천재적인 엔지니어에 의해 20세기 인류 최대의 발명품이라고 하는 자동차 문명이 꽃을 피우게 되었던 것이다.
많은 가솔린 엔진의 기본 기술은 1930년대까지 다양한 형태로 고안되었다. 또 아이디어는 있었지만 그 생각이 실용화로 진행되는 것이 지연된 기술도 있었다. 예를 들면 1912년 푸조는 자동차용으로서 세계 최초로 1기통당 4밸브의 DOHC 방식을 발명했다. 이 7.6리터의 4기통 레이싱 엔진은 1913년 인디500레이스에서 우승을 차지할 정도로 뛰어난 성능을 자랑했다. 이것을 기회로 인디 레이스에서 유명한 4기통 엔진 ‘오펜자우버’가 탄생했다. 하지만 4밸브 DOHC방식이 일반 승용차에 보급된 것은 1980년대였다.
가솔린 직접분사 기술은 실은 1954년에 메르세데스 벤츠 300SL에 처음으로 탑재되었던 기술이다. 메르세데스는 르망 24시간 레이스에서 우승하기 위해 고출력을 발휘하는 직접분사기술을 이용한 것이다. 나아가 터보차저와 수퍼차저도 항공기 기술로 만들어진 것으로 자동차 세계에서는 우선 모터스포츠를 통해 실용화가 진행된 것이다.
많은 선진 자동차기술이 모터스포츠의 세계에서 개발되었으며 유럽에서는 ‘가솔린엔진의 사명은 속도에 있다.’고 하는 패러다임이 주류를 이루었다.
하지만 자동차산업은 1970년에 큰 변환기를 맞는다. 캘리포니아에서 시작된 배기가스규제로 인한 것이다. 이후 각 나라에서도 엄격한 규제를 도입하기 시작했고 그로 인해 가솔린 엔진의 클린화가 진행되었다. 그리고 70년대의 석유파동는 연비향상이라고 하는 요구를 높이게 되었고 자동차 메이커들은 새로운 가솔린 엔진 기술의 개발이 매진하게 되었다. 그 후 지금까지 약 30여년 사이에 가솔린 엔진은 클린으로, 그리고 보다 효율이 좋은 엔진으로 진화하게 된 것이다.
무엇보다 속도를 추구하는 데 좋았던 가솔린 엔진은 환경성능과 양립하면서 그 성능도 높앚져왔다. 이러한 고성능화는 엔진의 기본이 되는 연소기술과 제어기술의 진화에 의한 것이 컸다.
가솔린을 실린더 내부에 직접분사하는 소위 ‘가솔린 직분’은 스로틀 밸브를 필요로 하지 않는다. 그 때문에 흡입시의 펌프 손실이라고 하는 저항을 저감할 수 있어 엔진의 열효율이 비약적으로 높아졌다. 그런데 가솔린 직분에는 연료를 고압으로 분사하기 위해 발생하는 세밀한 노즐(인젝터)의 ???문제가 있다. 품질이 나쁜 연료에서는 특히 이런 문제가 발생하기 쉽다. 그 때문에 세계 시장에서 가솔린 직분 엔진 탑재 모델이 판매되는 것은 어렵다고 생각되어 왔다. 그 상식을 뛰어넘은 것이 아우디와 폭스바겐이었다. FSI라고 하는 가솔린 직분엔진은 골프 Ⅴ에 탑재되어 있고 아우디는 앞으로 모든 엔진을 FSI로 한다는 전략을 갖고 있다.
마찬가지로 스로틀 밸브가 불필요하다고 하는 의미에서는 BMW의 밸브트로닉 기술도 간과할 수 없다. BMW는 이미 4기통 dspwls과 V8 엔진에 밸브트로닉 기술 기술을 실용화해 세계 시장에 판매하고 있으며 신세대의 직렬 6기통 엔진에도 채용하고 있다. 이 밸브트로닉 기술은 흡기밸브를 컨트롤하는 것으로 스로틀 밸브의 역할을 담당하고 있다. 또 롤스로이스의 V형 12기통은 밸브트로닉+직접분사라고 하는 최강의 가솔린 엔진이다.
그런데 가솔린 엔진이 클린하다고 하는 것은 틀림이 없다. 하지만 열효율이라고 하는 내연기관에 있어 중요한 측면에서 보면 가솔린 엔진은 디젤엔진에 뒤진다. 또 현재의 수준 이상으로 연비를 향상시키는 데는 하이브리드 등의 기술을 응용하지 않으면 어렵다고 할 수 있다. 그처럼 100년여에 걸쳐 진화를 거듭해온 가솔린 엔진이지만 아직도 발전의 여지가 많다는 것, 또 그 존재가 위태롭다는 것 또한 사실이다.
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