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첨단자동차엔진에는 다(多)밸브, 가변기구, 전자제어장치, 소음장지장치 등이 장착돼 있다.

1970년대의 석유위기와 세계각국의 배기가스 규제강화로 자동차엔진에 관한 연구는 연료소비율을 개선하고 배기가스를 줄이는 데 중점을 두어 왔다. 특히 1975년 이후 미국과 일본의 엄격한 배기가스 규제조치로 촉매의 장착, 연료소비율 개선, 전자제어시스템의 적용 등 많은 연구개발이 이루어져 왔다.

또한 미국과 일본에서 연료소비 율 규제를 실시하게 되면서 연료소비율을 좋게 하는 대책이 여럿 마련됐다. 예컨대 소형화, 경량화, 가변가구의 도입, 고(高)압축비화, 희박연소 시스템의 개발 등 새로운 기술들이 검토돼 지금은 여러 부문에서 실용화되고 있다.

1980년대에 들어서면서 미국과 일본의 에너지정책으로 석유수요가 줄어들고 비(非)OPEC(석유수출국 기구) 국가들의 원유 생산능력이 커져 석유의 안정공급이 계속되면서 자동차산업이 국내외적으로 크게 신장 되었다.

이러한 자동차산업의 성장과 더불어 자동차에 대한 사회적 요구가 다양한 형태로 나타나면서 자동차 엔진의 기술개발도 활기를 띠게 되었다. 그 결과 다(多 )밸브(multivalve)화, 과급기, 가변기구, 전자제어시스템 등의 도입이 증가하는 경향을 보이고 있다. 이에 관한 최근의 기술개발과 미래의 자동차 앤진개발 동향을 중점적으로 알아 보자.

배기가스의 규제에 따라

자동차 대수의 증가와 함께 자동차에서 배출되는 유해 배기가스 성분인 탄화수소(THC) 일산화탄소(CO) 질소산화물(${NO}_{X}$) 등에 의한 환경오염이 심각한 문제로 떠오르고 있다. 미국의 CARB(California Air Resource Board)에서는 태양광선에 의해 화학반응이 일어나 광화학스모그(Smog)가 생성되는 탄화수소의 규제치를 1992년부터 0.41gpm(gram per mile)에서 0.29gpm으로 조정할 예정이다. 또한 1995년부터는 종래의 5만 마일 보장에서 10만마일 보장으로 변경하는 등 보다 엄격한 규제방침을 검토하고 있다. 유럽지역에서도 산성비문제를 계기로 최근 배기가스 규제 움직임이 활발하게 일고 있다.

일본은 질소산화물 규제강화를 최근 발표하면서 배기가스를 줄이는 대책을 종전보다 훨씬 꼼꼼하게 세웠다. 엔진에서 생성된 배기가스를 촉매 (3-way catalyst)등 정화 장치를 이용, 억제하는 방식은 이제 구식에 속한다. 최근에는 엔진 자체에서 발생하는 배기가스를 제거하는 방식인 부연소실 성층 급속연소방식을 택한 엔진도 등장하고 있다. 혼다(Honda)사의 CVCC엔진이 그 실용화된 예다. 또 연소실의 일부에 TGP(Turbulence Generating Port)라 불리는 부실을 설치한 TGP연소방식도 선보였다. 도요타(Toyota)와 니산(Nissan) 자동차회사가 이 방식을 개발했다. 이밖에도 마즈다(Mazda)사의 고 와류(high swirl) 안정연소방식, 연소실 내에 추가된 제트 밸브로부터 강한 선회류를 생성하는 MCA-제트방식(MMC) 등 연소개선을 위한 많은 노력을 기울여 왔다.

미국도 승용차와 경량 트럭에 3-방향 촉매를 장착하고 있다. 유럽의 자동차도 배기가스 규제강화 움직임 탓인지 최근에는 금속지지촉매(metal supported catalyst)가 개발돼 배기장치에 쏠린 공해반대론자의 압력을 줄여주고 있다. 그에 따라 엔진의 성능이 향상되고 소형화가 가능해졌으며 내열성 및 강도가 좋아졌다.

1985년 12월 OPEC이 증산계획을 발표함으로써 1986년 여름에는 원유가격이 일시에 1배럴에 10달러로 떨어졌다. 그후 OPEC이 가격회복을 위해 감산에 합의, 석유시장은 회복세에 접어들게 되었다. 1987년에는 1배럴당 18달러라는 고정가격제를 도입, 1년간은 안정가격을 유지했다. 또한 1970년대의 에너지 위기로 미국 일본 등 여러 국가들이 국가적 차원의 에너지정책을 실시하게 되면서 그리고 비OPEC 산유국들의 원유생산능력 증대로 1988년에도 기름값은 하락했지만 비교적 안정세를 유지했다.

현재 미국 영국 등 비OPEC산유국들의 생산력이 거의 최고에 달한 실정이기 때문에 최근 중동사태에 휩싸여 있는 OPEC 산유국 의존도가 높아질 전망이다. 따라서 장기적으로 석유공급의 불안정을 초래할 가능성이 높다. 이 점은 자동차 엔진의 개발 방향에 결정적인 영향을 준다.

압축비를 높일수록

자동차에 대한 다양한 사회적 요구를 반영한 대책도 꾸준히 마련되고 있다. 예를 들면 배기량의 증대, 다 밸브화, 가변기구 전자제어화 그리고 경량화 컴팩트(compact) 화 등 연구·개발이 활발히 진행되고 있다.

그중 밸브의 수를 늘이는 다 밸브화 연구가 어떻게 진행되고 있는지 알아 보자.

고속과 중저속의 영역에서 엔진의 힘, 즉 토크(torque)를 향상시키려면 흡(吸)·배(排)기밸브의 통로면적을 대폭 넓혀 흡·배기의 저항을 감소시켜야 한다. 또한 점화 플러그가 연소실 중앙에 위치하게 하고 연소실 형상을 밀도있게 설계해야 한다. 그러면 연소실에서의 화염 전파거리가 단축되기 때문에 연소개선이 이루어져 노킹(knocking) 발생을 억제하고 그 효과로 압축비(比)를 높이는 일이 가능하게 된다.

이렇게 압축비를 높이면 두마리 토끼를 모두 잡을 수 있게 된다. 출력은 높이고 연료소비율은 낮추는 '모순'을 양립시켜 주는 것이다. 아무튼 이 기술은 전자제어기술의 발달과 더불어 최근 급격히 그 활용처가 확대되고 있다. 특히 DOHC(Double Over Head Camshaft) 4밸브엔진의 설계기술은 급속히 발달, 신개발 엔진들은 모두 DOHC 4밸브 엔진이라 해도 지나치지 않을 정도다.

일본의 MMC는 세계 최초로 미니카용 5밸브엔진(5백48cc)을 개발하는데 성공했다. 이 5밸브엔진은 저·중속 영역에서 DOHC 4밸브엔진에 비해 좋은 성적표를 받았다. 특히 체적효율이 좋아져 출력과 토크가 7% 정도 향상되었다.

엔진의 배기효율을 향상시키는 방안도 꾸준히 검토되고 있다. 마즈다사 JE형 엔진의 듀얼 이그저스트 시스템(Dual Exhaust System)과 닛산사 VG형 및 VG 30 DETT 형 엔진의 트윈 이그저스트 시스템(Twin Exhaust System)이 그 예다.

엔진이 실제적으로 사용되는 저·중속 영역에서의 토크를 향상시키고 연료소비율을 개선할 목적으로 가변제어시스템을 장착하는 경향이 늘고 있다. 즉 저·중속 영역에서의 출력을 높이고 연료소비율 줄이기 위하여 가변인테이크(intake)시스템, 가변와류(swirl)시스템, 가변밸브타이밍시스템 등 각종 가변기구가 인기를 얻고 있다.

예컨대 관성 및 공명 과급효과를 얻기 위해 마즈다사 JE형엔진은 진공식 액추에이터(actuator)를 소형컴퓨터로 ON OFF 제어, 흡기구에 장착된 제어 밸브를 개폐시킴으로서 흡기관의 길이를 변화시키는 가변인테이크시스템을 적용하고 있다.

또한 혼다는 1988년 4월에 B16A(1.6 L DOHC 16밸브)를 발표했다. 이 엔진은 가변밸브타이밍과 가변밸브리프트(lift)를 채택하고 있는 것이 특징이다. 밸브 타이밍도 흡·배기 모두에 적용하고 있는 획기적인 시스템인 것이다.

가변터보(turbo)시스템은 제조업체마다 이름이 달라 가변기하학(Varlable Geometry) 제트터보(Jet-Turbo) 트윈 스크롤(Twin-Scroll) 윙 터보(Wing Turbo) 등으로 불리고 있다. 이 시스템은 저속에서 고속까지 넓은 전(全) 운전영역에서 높은 토크를 얻고자 하는 것이 그 목적이다. 대표적인 것으로 혼다의 레젠드(Legend)가 있다. 이것은 가변기구를 갖춘 터보차저(turbo charger)를 장착하고 있다. 터보차저 엔진의 최대 과제인 터보레그(turbo lag)를 적게 해 저속에서 고속까지 광범위한 영역에서 높은 토크를 발휘하고 있다.
 

노킹조절도 가능해져

배기가스 정화와 연료소비율에 관한 법적 규제와 사회적 요청에 따른 해결책으로 등장한 소형컴퓨터에 의한 엔진의 전자제어는 그동안 착실히 진보와 발전을 거듭해 왔다. 특히 엔진의 전자제어 중 EFI(Electonic Fuel Injection)는 대기오염을 방지하고 연료소비율을 낮추며 출력을 높여주기 때문에 최근 급격히 그 보급이 확대되고 있다. 일본의 경우 가솔린 승용차의 거의 절반이 EFI를 채택하고 있다. 미국차도 약 90%가 EFI를 사용하고 있다. 또한 전자제어기술에 대해 약간 보수적인 경향을 보이는 유럽에서도 자동차에 촉매를 장착한데 이어 EFI, 노킹 컨트롤 등 엔진의 전자제어기술이 빠른 속도로 확산되고 있다.

연료분사방식에 있어서 흡입 공기량의 정확한 측정은 가장 중요한 관건이다. 여기에는 가변 날개(Vane)식, 카맨-보텍스(Karman-Vortex)식, 핫 와이어(hot wire)식 등과 같은 직접 측정방식이 있다. 또 엔진회전수와 반도체 압력센서로 측정한 흡기관 압력으로부터 공기량을 구하는 간접 측정방식도 활용되고 있다. 1천5백cc 이하 소형엔진의 흡입공기량 산출에는 속력밀도(speed density)방식이 비교적 많이 채택되고 있다.

노킹조절을 할 수 있는 능력을 가진 엔진도 날로 늘어나는 추세다. 일본의 경우 고급가솔린을 사용하는 엔진, 과급 엔진 및 6기통 2천cc 이상의 최신 엔진에는 거의가 노킹조절방식을 채택하고 있다. 미국의 89년형 승용차도 45% 정도 이 방식이 적용되고 있는 것으로 알려져 있다.

최근에는 압축비가 높아지고 터보차저 슈퍼차저 등 과급기를 장착한 차가 늘어남과 더불어 고급 가솔린(premium gasoline)을 사용하는 자동차가 증가하고 있다. 따라서 제어내용의 고도화와 다기능화가 요구되면서 미국 일본에서는 자동차의 전자제어에 16비트 소형컴퓨터를 사용하기 시작했다.

차량의 실내공간을 확보하고 차량의 공기 저항계수를 낮추기 위해, 엔진을 보다 컴팩트화시키는 연구도 이뤄지고 있다. 아울러 각 차량의 구성에 가장 적합한 형상이 고안되고 있다. 또한 엔진 탑제방법의 대폭적인 변경과 그에 따른 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 엔진의 경량화는 새로운 재료의 응용과 엔진의 구조변경을 통해 달성될 수 있다. 신재료 응용의 예로 실린더 블럭과 라디에이터의 알루미늄화를 들 수 있다. 또 밸브를 알루미늄합금과 소결금속으로 제조하는 일 등이 이미 일부 엔진에서 시행되고 있다.

한편 소음 해석의 발전에 따라 엔진에서 발생하는 소음의 수준을 현저히 낮출 수 있게 되었다. 구체적으로 말하면 실린더 블럭과 크랭크 축의 재질이 강해지고, 피스톤의 열변형을 막을 수 있게 되는 등 엔진의 설계기술 및 생산기술의 진보로 소음은 크게 줄어들게 되었다. 특히 도요타사의 카리나(Carina)에 탑재되어 있는 4A-E형 엔진은 소음이 거의 없다시피 한다. 크랭크축의 강성을 향상시키고 균형을 잡아줌으로써 엔진소음을 감소시키고 있는 것이다.

또한 베어링 캡을 서로 연결시켜, 실린더 블럭 주변부의 소음발생을 억제하는, 예컨대 진동을 없애는 방법도 고안돼 있다. 이미 닛산 마즈다 혼다의 양산차에 적용되고 있어 곧 국산차에도 활용될 것으로 전망된다.

메탄올엔진이 유망해

그러면 미래의 엔진으로 어떤 것을 꼽을 수 있을까.

먼저 2-스트로크엔진(stroke engine)을 들 수 있다. 2-스트로크엔진은 연료소비율과 배기가스 등의 문제로 오랫동안 겨우 오토바이 엔진이나 선박용 엔진으로 쓰였을 뿐이다. 그러나 최근 들어 연료를 미립(微粒)화할 수 있는 연료 인젝터(injector)를 장치한 직접 연료분사방식이 등장하고 소기장치가 개선됨에 따라 연료소비율과 배기가스 문제를 동시에 해결할 수 있게 되었다. 그 결과 2-스트로크엔진의 장점인 엔진중량 절감, 배기량 감소, 엔진 크기 감소 등을 이용하기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.

특히 일본의 도요타사에서는 도요타 S-2(슈퍼차저 2-스트로크 엔진)형 엔진을 개발하고 있다. 도요타 2-스트로크 엔진은 DOHC 4밸브엔진과 기본적으로 같은 구조로 되어 있다. 종래의 2-스트로크 엔진의 슈퍼차저를 이용, 소기작용을 강제적으로 행하는 것이 특징이다. 그 결과에 따르면 최고 출력 80 PS/L, 최대 토크 17.Okg·m/L 의 성능이 얻어지고 있다. 또한 미국의 GM 포드사도 오비털사(Orbital)와 기술계약을 체결해 피스톤에 의해 조작되는 흡·배기구(氣口)를 갖는 오비털엔진을 개발중에 있다.

희박연소엔진(lean burn engine)도 주목되는 차세대엔진이다. 연료소비율을 개선하고 배기가스양을 줄여주기 때문이다. 가솔린 엔진의 희박연소시스템에 관한 연구개발은 오래 전부터 여러 자동차 메이커에 의해 진행되고 있다. 특히 최근 전자제어시스템의 발달로 MPI(Multi Point Injection)를 적용하게 되면서 연비가 일정하게 되고 응답성이 개선되었다.

이를 바탕으로 도요타사에서는 세계 최초의 희박연소엔진인 4A-ELU엔진을 개발하였다. 이 엔진은 흡기구에 SCV(Swirl Control Valve)를 장착, 흡입공기에 와류를 줌으로써 성층화 연소 및 급속연소를 가능하게 한 것이다. 이로써 10~15%의 연료소비율 개선을 이룬 것으로 알려지고 있다. 또한 도요타사는 이 희박연소시스템을 유럽시장에 수출하고 있는 뉴 카리나(New Carina Ⅱ)에 탑재된 4A-FE에 적용, 연비를 높이고 있다.

아울러 3-방향 촉매 대신 산화촉매만을 사용, 원가절감 효과까지 보고 있다. 그러나 최근 강화되는 배기가스 규제를 만족시키고 승차감을 향상시키려면 더 많은 연구개발이 필수적이다.

끝으로 대체 연료엔진에 대해 알아보자.

대기오염방지를 위한 대체 연료엔진이 속속 개발되고 있다. 이는 메탄올(methanol) CNG(농축천연가스) 수소연료엔진 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있음을 반영하는 결과다.

대체연료로 가장 큰 기대를 모으고 있는 메탄올엔진의 실용화를 위한 연구개발은 국내외에서 꾸준히 진행되고 있다. 메탄올 연료는 옥탄가가 높기 때문에 연소속도가 빠르고 가연범위가 넓다는 특성을 갖고 있다. 이러한 메탄올 연료의 특성을 이용, 희박연소화에 따른 연소개선도 시도되고 있다.

그러나 메탄올 연료는 기화잠열이 가솔린의 세배 정도고, 단일성분이기 때문에 기온이 떨어지면 시동 걸기가 어렵다. 따라서 흡기가열, 연료의 기화, 연료의 미립화 등 날씨가 추워져도 시동이 잘 걸리게 하는 연구개발이 필요하다. 또 메탄올연료는 부식 작용이 강하기 때문에 연료공급계 부품의 내식성 및 신뢰성이 커져야 한다. 또한 메탄올 연료의 연소생성물이 윤활유를 희석시키고 열화를 유발하기 때문에 실린더 밸브 밸브시트 등의 부품은 현재보다 월등한 내마모성을 가져야 한다.

2000년대의 대체연료로 액화수소연료도 주목받고 있다. 이는 액화수소 연료가 공기와 연소할 때 생성되는 배기가스가 질소산화물(${NO}_{X}$)을 제외하고는 거의 무공해가스라는 장점을 갖기 때문이다. 그러나 이 액화 수소연료를 사용하는 자동차는 기존의 자동차에 비해 세배가 넘는 연료탱크가 필요하게 되므로 이에 따른 무게의 증가 및 여유 공간의 축소 등과 같은 문제점을 극복해야 한다. 아울러 안전한 연료탱크의 개발과 연소실에서의 전(前) 점화(pre ignition) 및 흡기계로의 역화(逆火, backfiring) 등을 해결하기 위한 연구개발이 선행돼야 할 것이다.

최근 엔진은 DOHC 또는 SOHC로 4밸브나 5밸브를 채택, 흡기계의 효율 향상을 꾀하고 있다. 그러나 고속성능에 중점을 두고 엔진제원을 설정하게 되면서 실용영역인 저속구간에서의 토크 저하를 초래하는 경우가 많아지고 있다. 앞으로는 이러한 문제의 해결에 많은 노력이 기울여질 것으로 전망된다. 또한 전자기술의 발전과 자동차에 대한 적용기술이 향상됨에 따라 앞으로 가변인테이크시스템, 가변밸브타이밍, 가변터보, 가변 기통수, 가변압축비 등 가변 기술의 연구개발이 더욱 활발히 이루어질 것이다.