디젤이야? 휘발유야? '메르세데스 벤츠 DiesOtto Engine'
작성자 : 관리자 | 작성일 : 2007/11/20 13:20 | 조회 : 739
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[STRADA no.88 2007 .11]
 

“아저씨, 휘발유나 디젤 아무거나 만땅이요!” 멀지 않은 미래에는 휘발유와 디젤의 구분이 없어질지 모른다. 스파크 플러그에서 불꽃을 튀겨 착화를 하는 휘발유 엔진과 압축한 공기가 뜨거워지는 현상을 이용한 압축착화 방식 디젤 엔진의 장점을 한 데 모은 휘발유 압축착화 엔진이 개발되고 있기 때문이다.

지난 2007 독일 프랑크푸르트 모터쇼에서 메르세데스 벤츠가 선보인 대형 력셔리 세단 컨셉트 F700에 얹은 휘발유 자연착화 방식 디조토(DiesOtto) 엔진이 그 주인공. 메르세데스 벤츠는 루돌프 디젤의 ‘Diesel’과 니콜라스 A. 오토의 ‘Otto’를 가져와 ‘디조토(DiesOtto)’라고 이름 붙였다.

참고로 오늘날의 휘발유 엔진은 1876년 니콜라스 A. 오토(Nicolaus A. Otto)가 최초로 선보인 4행정 스파크 플러그 점화 방식의 원리를 아직까지도 크게 벗어나지 않고 있다. 그리고 디젤 엔진 역시 1892년 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)이 개발한 압축점화 방식의 엔진 이론을 그대로 사용하고 있다.

 

루돌프 디젤과 니콜라스 오토의 만남

휘발유 엔진은 실린더 안에서 피스톤에 의해 압축된 혼합기가 스파크 플러그 불꽃을 맞으며 폭발하게 된다. 이때의 폭발력은 피스톤을 다시 밀어 내리는 힘으로 바뀌고 크랭크축에 전해진다. 크랭크축에서는 회전력이 발생되고 변속기를 거쳐 자동차를 굴리게 된다. 디젤 엔진은 스파크 플러그 불꽃 대신 자연 발화를 이용한다. 피스톤 압축에 의해 공기 압력을 높이면 온도가 높아지고 이때 고압의 연료를 분사하면 자연스럽게 폭발하는 압축착화다.

디젤 엔진은 구조상 완전 연소가 일어나기 때문에 연비가 좋고 같은 배기량의 휘발유 엔진보다 높은 토크를 생산할 수 있다. 높은 폭발력에 대응하기 위해 피스톤과 실린더가 두껍고 튼튼해서 내구성이 좋고 터보차저 같은 과급도 무리 없이 소화해 낸다. 하지만 그만큼 진동과 소음이 발생하고 엔진 무게도 늘어나게 된다. 또한 폭발력이 워낙 커서 피스톤이 빠르게 움직이는데 제한이 있고 결국 엔진 회전수를 높게 올리지 못한다.

반대로 휘발유 엔진은 피스톤이 움직이는 사이클을 스파크 플러그로 조절할 수 있어 엔진 회전수를 올리고 출력도 높일 수 있다. 디젤 엔진과 비교하여 상대적으로 가볍고 콤팩트한 사이즈 설계가 가능하고 진동과 소음이 줄어든다.

휘발 엔진의 고회전 성능, 디젤 엔진의 높은 토크와 효율적인 연비를 모두 가져온 디조토 엔진 원리는 다음과 같다. 디조토 엔진은 휘발유 엔진으로 시작한다. 휘발유 엔진에서도 피스톤이 올라가고 있는 가운데 폭발이 일어나는 노킹(Knocking) 현상이 있다. 압축비가 높은 엔진이나 터보차저 같은 과급기에 의해 이미 뜨거워진 공기가 실린더로 들어올 때, 또는 폭발하고 남은 뜨거운 배기가스가 빠져나가지 못하고 남아 다시 폭발하며 발생한다.

노킹은 일종의 자연 착화 현상이지만 의도하지 않은 현상으로 피스톤 움직임과 상사점이 맞지 않는 상태에서 폭발이 일어나 피스톤과 헤드에 충격을 주며 심하면 엔진이 부서지는 경우가 발생한다.

디조토 엔진은 휘발유 엔진의 자연착화 현상, 노킹을 적극적으로 활용한다. 휘발유 엔진 사이클을 살펴보면 연료가 실린더 안에서 폭발한 후에 배기밸브가 열리고 배기가스가 배출한다, 이때 배기밸브가 닫히기 전에 흡기밸브가 열리면서 공기가 들어와 나머지 배기가스를 밀어낸다. 하지만 디조토 엔진은 이 과정에서 배기밸브가 조금 빨리 닫히고 흡기 밸브는 늦게 열리며 두 밸브 모두가 닫혀 있는 순간이 생긴다.

이 단계에서, 폭발 후에 뜨거운 배기가스 일부가 미처 빠져나가지 못하고 내부에 남게 되는데 이때 순차적으로 연료를 분사한다. 남아 있던 뜨거운 배기가스와 연료가 만나 작은 규모의 자기착화를 일으키며 불꽃을 일으키게 된다. 즉, 이 불꽃이 씨가 되어 다시 들어온 공기를 피스톤이 압축하고 다시 분사된 연료와 혼합하면서 자연적인 폭발로 유도되는 것이다.
 



가변밸브와 직분사의 타이밍이 핵심기술

압축착화 엔진의 핵심은 온도에 따른 흡배기 밸브 개폐와 순차적인 연료 분사 방법과 타이밍이다. 이미 1970년대부터 자연착화 휘발유 엔진은 개발되었다. 디조토 엔진 과정에서 보았듯이 실린더 내에서 미리 작은 불꽃을 만들기 위해 핫 벌브(Hot-Bulb)라는 장치가 포함된 엔진이 만들어졌으나 당시 기술로 이론에 걸맞은 이상적인 성능을 내기가 힘들었다. 요즘의 가변 밸브 타이밍 기술과 전자 제어가 가능한 드라이브 바이 와이어 기술이 날로 발전하면서 가능하게 된 것이다.

휘발유 압축착화 엔진은 여러 가지 이점을 가지고 있다. 같은 사이즈의 휘발유 엔진보다 출력과 토크가 높고 터보차저 같은 부수적인 장치와 이전의 휘발유 엔진 기술을 그대로 사용할 수 있다. 자연착화가 일어날 때는 공기와 섞이는 연료의 농도를 희박(lean)하게 할 수 있어 연비가 절약된다. 실린더 내부에 고르게 분사되는 완전 연소로 효율도 높고 열 배출에도 효과적이다. 또한 디젤 엔진과 비교해서 연소 온도가 낮아 일반 휘발유 엔진 배기시스템으로 NOx 같은 배출가스를 줄일 수 있다.

다만 디조토 엔진은 자연착화를 만들기 위해서 뜨거운 배기가스를 실린더 내에 유지하고 있어야 한다. 이 때문에 시동을 건 직후나 급출발 직전 같이 엔진의 열이 없는 상태에서는 휘발유 엔진 방식처럼 스파크 플러그를 사용해야 한다. 아직 엔진의 모든 영역에서 사용할 수 없다는 것과 폭발 압력이 높아 휘발유 엔진보다 진동과 소음이 조금 크다는 단점이 있다.

메르세데스 벤츠뿐만 아니라 자연 압축착화 엔진은 GM과 폭스바겐에서도 개발 중이다. GM 오펠과 새턴이 개발 중인 HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 엔진은 E85 에탄올 연료도 함께 사용이 가능하다. 2005년 폭스바겐은 휘발유 엔진과 디젤 엔진에 모두 자연착화 기술을 도입하여 개발했었다. 현재는 휘발 TSI 엔진을 베이스로 시속 40~80km에서 자연 압축착화가 일어나는 GCI(Gasoline Compression Ignition) 엔진을 개발 중이다. 휘발유 압축착화 엔진은 앞으로 기술력이 있는 자동차 메이커를 중심으로 차세대 휘발유 엔진으로 떠오를 것이다.
 

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