출력*효율 높이고 공해 줄이는 내연기관 자동차 엔진의 가변기술 [이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑰]
출력*효율 높이고 공해 줄이는 내연기관 자동차 엔진의 가변기술 [이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑰]
  • 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장
  • 승인 2019.06.10 09:40
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환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈 : 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장] 최근의 자동차 엔진에는 다양한 가변(variable) 기술이 적용되고 있다.

자동차 엔진은 주행중에 회전 속도와 부하가 끊임없이 변화하면서 가동된다.

하지만 성능과 관련된 여러 부품들은 기계적으로 고정되어 연동하고 있어 운전상태에 최적인 조건을 맞출 수 없었다.

그런데 최근의 엔진은 여러 가변기술이 적용되어 출력과 연비, 배출가스등 제반 성능을 최적화하도록 진화하고 있다.

종래의 엔진은 흡배기 밸브의 개폐시기가 고정되어 있었다.

이 때문에 저속에 맞춰 고정하면 고속 회전 때는 혼합기의 배출이 늦어지고, 고속에 맞추다보면 저속회전 때에 혼합기의 압축이 늦어져 결국 엔진의 효율이 떨어지게 된다.

하지만 가변 밸브기구는 공기를 흡입하고 연소가스를 배출하는 흡배기 밸브를 고정된 캠 기구에서 가변 가능한 구조로 변경한 기술이 적용됐다.

이로 인해 개폐 시기를 바꾸는 VVT (variable valve timing), 개폐 높이를 바꾸는 VVL (variable valve lift), 이들을 조합한 VVTL (variable valve timing & lift) 등으로 발전해 출력 향상, 연비 개선, 배출가스 저감 등 최적의 엔진 성능을 실현하는데 기여할 수 있게 됐다.

터보 차저는 근래 가솔린엔진에도 많이 적용되는데 출력과 효율을 높일 수 있어서 최근 유행인 엔진 다운사이징의 핵심 기술이다.

터보 차저는 엔진의 버려지는 배기에너지로 터빈을 돌리고 이와 연결된 컴프레서로 공기를 고압으로 압축해 엔진에 보내 출력과 효율을 높인다.

그러나 터빈의 날개가 고정되어 있기 때문에 고속에서는 효율적이지만 초반 가속이나 저속에서는 배기가스 압력이 낮아서 고압이 발생하는 시간이 지체하는 소위 터보 랙(turbo lag)이 발생하는 문제 등이 있다.

디젤엔진에 주로 사용되는 가변 터보차저(VGT : Variable Geometry Turbocharger)는 엔진 부하에 따라 터빈의 날개 각도를 변화시켜 터빈에 유입되는 배기가스 양과 속도를 효율적으로 조절해 부하 변화에 맞춰 최적의 압축공기를 보낸다.

저속 영역에서는 배기유로를 축소해 배기가스 흐름을 빨리 해서 최대 토크를 향상시키고, 고속 영역에서는 배기유로를 확대해 배기유량을 크게 해서 최대출력을 상승시킨다.

가솔린엔진의 경우에는 트윈스크롤 터보라고 해서 터보 하우징에 유입되는 통로를 2개로 만들어 저속 영역에서는 하나의 경로를, 고속 영역에서는 2개의 경로를 모두 사용해서 배기가스를 더 많이 보내는 기구를 주로 사용한다.

가장 최근의 양산 엔진에 적용된 가변기술은 인피니티 QX50에 적용된 가변 압축비 기술이다.

올해 초 국내에서도 출시된 이 엔진은 개발에 20년이 걸렸다고 할 만큼 닛산의 회심작이다.

엔진의 압축비란 피스톤이 가장 아래 있을 때와 상단에 있을 때의 연소실의 체적 차이를 말한다.

피스톤이 가장 아래에 있을 때의 연소실 체적이 10이고, 피스톤이 최상단에 도달했을 때의 체적이 1 이라면, 압축비는 10이다.

일반적으로 압축비가 높을수록 엔진의 열효율이 높아진다.

따라서 압축비는 가능한 높이는 게 좋지만 너무 높으면 이상연소 즉 노킹 현상이 발생한다.

따라서 일반적인 가솔린엔진은 압축비를 통상 10 부근으로 제작한다.

그러나 노킹이 일어나는 운전조건은 사실 한정되어 있다.

예를 들어 엔진에 걸리는 부하가 높은 가속 시에는 노킹이 일어나기 쉽지만 정속 주행 등 부하가 낮은 영역에서는 노킹이 일어나기 어렵다.

따라서 노킹이 일어나기 어려운 조건에서는 가능한 압축비를 높여서 엔진 효율을 높이고 노킹이 일어나기 쉬운 조건에서만 압축비를 낮춘다면 효율 개선에 효과적이다.

이 엔진은 첨단 멀티링크 기구를 사용해 피스톤이 맨 위에 도달할 때의 위치(상사점 위치)를 가변해 고성능을 발휘하는 8:1에서 고효율을 제공하는 14:1까지 차량의 주행조건과 운전자의 의도를 감지해 즉각적으로 가장 적합한 압축비로 가변한다.

그 외에 엔진의 회전속도나 부하 상태에 따라 공기를 흡입하는 흡기다기관의 길이나 단면적을 가변해 저속에서 고속 운전영역까지 흡입 효율을 향상시켜 엔진의 출력을 높이는 가변흡기시스템 기술이 사용되고 있다.

가변 배기량이라고 해서 저부하에서는 엔진의 일부 실린더를 연소시키지 않는 실린더 휴지(cylinder deactivation) 기술도 상용화되어 있다.

자동차 파워트레인이 내연기관에서 전동화로 변천하는 상황에서도 성능, 효율, 배출가스 개선을 위해 내연기관은 꾸준히 진화하고 있다.