이상적인 내연기관 HCCI엔진의 현재(1)
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2006-03-13 05:42:17 |
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이상적인 내연기관 HCCI엔진의 현재(1)
자동차의 동력원인 내연기관에는 크게 가솔린과 디젤 엔진 두 가지가 주류를 이루고 있다. 두 엔진 모두 장단점이 있어 한 마디로 어느쪽이 더 우수하다고는 할 수 없다. 바로 이 두 엔진의 장점만을 취한 이상적인 내연기관이 HCCI다. 이미 스페셜 이슈난을 통해 한번 소개한 바 있는 HCCI의 현재에 대해 살펴 보자.
HCCI는 Homogeneous Charge Compression Ignition의 약자로 번역하자면 예혼합압축자기착화 방식을 응용한 엔진이라고 할 수 있는 신기술이다.
다임러크라이슬러의 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. 폭스바겐의 연구 부문에서는 CCS(Complex 복합 연소방식)라고 실용적인 용어를 사용하고 있다.
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 목표로하고 있다는 점에서는 다르지 않다.
우선 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 예를 들면 점화 플러그에 의해 착화하는 일반적인 가솔린엔진과 달리 디젤 엔진 처럼 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.
연구실 수준, 즉 일정 조건하에서 목표로 하는 이상적인 HCCI방식의 연소를 실현하는 것은 상당히 초기의 단계에서 달성되어 있었다. 그런데 실제로 자동차에 탑재하게 되면 당연히 저회전역에서 고회전역까지 일정하게 진행이 되지 않고 엔진이 회전하지 않는 현상이 발생했다.
이 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 엔진 내의 마이크로 연소상태를 상세히 관찰, 제어하는데 힘을 들여 조금씩 이상적인 연소영역을 넓혀왔다. 착화의 타이밍, 관내 온도와 연료분사조건, 밸브 타이밍 등 세밀하게 세팅해 축적된 정보를 피드백하는 고도의 전자기술이 빠지지 않았다.
그렇게 해서 근래 들어 센서 기술과 전송속도가 높아짐으로써 HCCI는 급속히 실용가능한 단계의 기술로 부각하게 된 것이라고 할 수 있다.
유럽 메이커들은 디젤엔진측에서 HCCI방식에 가까운 연구를 하고 있는 한편 일본 메이커들은 가솔린을 사용한 HCCI엔진을 실현하고자 하고 있다.
HCCI의 설명에 들어가기 전 린 번, 직접분사라고 하는 저연비 가솔린 엔진의 기술을 먼저 살펴 보면 이해가 쉬울 것 같다.
'내연기관의 긴 역사 중에는 출력을 내기 쉬운 이론 공연비(14.7 :1)로 가솔린을 연소시켜왔다. 하지만 연비를 높이기 위해서는 보다 희박한 연료를 연소시키는 기술, 즉 린번(희박연소)가 생겨났다. 피스톤 내의 공기의 흐름을 살려 작은 와류를 만들어 줌으로써 대량의 공기로 희박해진(공연비 20~15) 연료를 빨리 연소시키는데 성공했다.
연비 향상을 위한 기술의 다음 단계는 1996년에 일본 미쓰비시가 시판한 직접분사 가솔린엔진이다. 연료와 공기의 비율을 보면 린번보다 더욱 희박(36.5)하다. 사실은 이것은 점화 플러그의 주변에만 이상적인 혼합기를 모아 연소시키는 것이다. 특히 시내 도로 등에서 하프 스로틀로 달리는 것 같은 상황에서 연비를 향상시키는 것이 가능하다.
‘HCCI는 디젤엔진이 플러그없이 자기착화하는 현상과 가솔린엔진의 노킹과 같은 현상을 엔진 중에서 균일하게 만들어 준다고 하는 기술이다. 그래도 만약 노킹을 무리하게 일으키게 하면 엄청난 압력과 열이 순간적으로 발생해 엔진이 손상되고 만다.’라고 HCCI방식의 어려움을 엔지니어들은 설명하고 있다.
단지 HCCI방식의 엔진을 회전시키는 것만이라면 디젤 수준의 압축비로 극히 희박한 연료를 연소시키는 것은 가능하다. 하지만 거기에는 극히 좁은 영역에서밖에 안정적으로 회전시킬 수가 없다. 역으로 잘 제어가 되면 점화 플러그를 사용한 보통의 가솔린엔진보다 높은 출력을 기대할 수 있다.(계속)
자동차의 동력원인 내연기관에는 크게 가솔린과 디젤 엔진 두 가지가 주류를 이루고 있다. 두 엔진 모두 장단점이 있어 한 마디로 어느쪽이 더 우수하다고는 할 수 없다. 바로 이 두 엔진의 장점만을 취한 이상적인 내연기관이 HCCI다. 이미 스페셜 이슈난을 통해 한번 소개한 바 있는 HCCI의 현재에 대해 살펴 보자.
HCCI는 Homogeneous Charge Compression Ignition의 약자로 번역하자면 예혼합압축자기착화 방식을 응용한 엔진이라고 할 수 있는 신기술이다.
다임러크라이슬러의 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. 폭스바겐의 연구 부문에서는 CCS(Complex 복합 연소방식)라고 실용적인 용어를 사용하고 있다.
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 목표로하고 있다는 점에서는 다르지 않다.
우선 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 예를 들면 점화 플러그에 의해 착화하는 일반적인 가솔린엔진과 달리 디젤 엔진 처럼 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.
연구실 수준, 즉 일정 조건하에서 목표로 하는 이상적인 HCCI방식의 연소를 실현하는 것은 상당히 초기의 단계에서 달성되어 있었다. 그런데 실제로 자동차에 탑재하게 되면 당연히 저회전역에서 고회전역까지 일정하게 진행이 되지 않고 엔진이 회전하지 않는 현상이 발생했다.
이 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 엔진 내의 마이크로 연소상태를 상세히 관찰, 제어하는데 힘을 들여 조금씩 이상적인 연소영역을 넓혀왔다. 착화의 타이밍, 관내 온도와 연료분사조건, 밸브 타이밍 등 세밀하게 세팅해 축적된 정보를 피드백하는 고도의 전자기술이 빠지지 않았다.
그렇게 해서 근래 들어 센서 기술과 전송속도가 높아짐으로써 HCCI는 급속히 실용가능한 단계의 기술로 부각하게 된 것이라고 할 수 있다.
유럽 메이커들은 디젤엔진측에서 HCCI방식에 가까운 연구를 하고 있는 한편 일본 메이커들은 가솔린을 사용한 HCCI엔진을 실현하고자 하고 있다.
HCCI의 설명에 들어가기 전 린 번, 직접분사라고 하는 저연비 가솔린 엔진의 기술을 먼저 살펴 보면 이해가 쉬울 것 같다.
'내연기관의 긴 역사 중에는 출력을 내기 쉬운 이론 공연비(14.7 :1)로 가솔린을 연소시켜왔다. 하지만 연비를 높이기 위해서는 보다 희박한 연료를 연소시키는 기술, 즉 린번(희박연소)가 생겨났다. 피스톤 내의 공기의 흐름을 살려 작은 와류를 만들어 줌으로써 대량의 공기로 희박해진(공연비 20~15) 연료를 빨리 연소시키는데 성공했다.
연비 향상을 위한 기술의 다음 단계는 1996년에 일본 미쓰비시가 시판한 직접분사 가솔린엔진이다. 연료와 공기의 비율을 보면 린번보다 더욱 희박(36.5)하다. 사실은 이것은 점화 플러그의 주변에만 이상적인 혼합기를 모아 연소시키는 것이다. 특히 시내 도로 등에서 하프 스로틀로 달리는 것 같은 상황에서 연비를 향상시키는 것이 가능하다.
‘HCCI는 디젤엔진이 플러그없이 자기착화하는 현상과 가솔린엔진의 노킹과 같은 현상을 엔진 중에서 균일하게 만들어 준다고 하는 기술이다. 그래도 만약 노킹을 무리하게 일으키게 하면 엄청난 압력과 열이 순간적으로 발생해 엔진이 손상되고 만다.’라고 HCCI방식의 어려움을 엔지니어들은 설명하고 있다.
단지 HCCI방식의 엔진을 회전시키는 것만이라면 디젤 수준의 압축비로 극히 희박한 연료를 연소시키는 것은 가능하다. 하지만 거기에는 극히 좁은 영역에서밖에 안정적으로 회전시킬 수가 없다. 역으로 잘 제어가 되면 점화 플러그를 사용한 보통의 가솔린엔진보다 높은 출력을 기대할 수 있다.(계속)
