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자동차 업체들의 오랜 숙제 ‘열효율을 높여라’
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자동차 업체들의 오랜 숙제 ‘열효율을 높여라’
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가솔린 엔진 열효율
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- Summary of article content: Articles about 가솔린 엔진 열효율 이 관계식은 오토사이클이라고 알려진 이상 사이클의 열효율로, 효율을. 향상시키려면 엔진 압축비(ε)를 높이고 희박연소 효과가 발생하도록 하. 면 된다. …
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[보고서]가솔린엔진의 열효율 향상기술
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- Most searched keywords: Whether you are looking for [보고서]가솔린엔진의 열효율 향상기술 최근 에너지 안보문제에 대한 대응과 지구 온난화가 큰 환경문제로 제기되면서 탄화수소계 화석연료를 사용하는 자동차에서의 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 연비의 … ○ 최근 에너지 안보문제에 대한 대응과 지구 온난화가 큰 환경문제로 제기되면서 탄화수소계 화석연료를 사용하는 자동차에서의 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 연비의 규제가 강화되고 있다. 자동차 연비 개선을 위해서는 엔진의 최고 열효율을 높여야 하며, 엔진 열효율을 높이는 방법으로는 아트킨슨(Atkinson) 사이클 엔진 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 활용하는 방법과 과급 희박연소(lean burn)의 적용이 실용화되고 있다.
○ 희박연소 엔진에서는 연소 상태를 안정화시키기 위해 흡입공기의 난류강도를 증가시켜 혼합기의 급속연소를 이루는 것이 필요하다. 따라서 흡기포트의 적절한 설계와 연소실 형상의 최적 설계를 통하여 연소실내에서 강한 스월(swirl) 또는 텀블(tumble) 유동을 발생시키도록 한다. 희박 연소는 과잉 공기공급으로 연소가스의 온도가 낮아지고 비열비가 높아져 엔진의 열효율이 증가되고 연비 향상을 이룰 수 있다.
○ 또한 하이브리드는 전기 모터라는 보조기구를 사용함으로써 엔진에 대한 요구를 줄여주는 시스템이다. 그 좋은 예가 아트킨슨 사이클과 밀러 사이클이다. 이들은 엔진이 약한 영역을 모터로부터 도움을 받고 엔진은 당장에 최대의 효율을 낼 수 있기 때문에 이론적인 열효율에 가까워질 수 있고 연비의 향상과 CO2 배출량의 저감이 가능하게 된다.
○ 현대기아차는 2010년 1월 쏘나타 2.4에 처음으로 GDi 엔진을 적용하였다. GDi 엔진은 고압의 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 정밀하게 연료의 양을 제어할 수 있기 때문에 열효율 향상으로 연비가 좋아지고 배기가스 배출량도 줄이는 등 친환경 엔진으로 부각되고 있다. 현대기아차는 금년 초 미국 자동차전문 기관인 '워즈오토'(Ward's Auto)로부터 소형 엔진인 감마 엔진이 10대 최고엔진에 선정되면서 현대기아차의 엔진 기술이 세계적으로 주목받고 있다.
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가솔린엔진의 열효율 향상기술
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![[보고서]가솔린엔진의 열효율 향상기술](https://scienceon.kisti.re.kr/images/usr/scienceon_og.png)
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엔진 열효율(에너지효율)과 손실 | gcarzon
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전기로 가는 모터가 자동차 엔진보다 더 효율적인가요?
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자동차 업체들의 오랜 숙제 ‘열효율을 높여라’
자동차의 내연기관(엔진)은 연료가 가진 에너지를 동력으로 바꿔 바퀴를 굴립니다. 엔진에 투입한 연료가 전부 동력으로 변환된다면 열효율은 100%가 되겠지만 기계적인 마찰, 배기와 냉각장치로 인한 손실 등으로 인해 현실에서는 가솔린 엔진의 열효율이 보통 38% 정도에 그칩니다.
디젤 엔진의 열효율은 이보다 높은 평균 43%라고 합니다. 연료의 양이 같다면 열효율이 좋은 디젤차의 연비가 더 높을 수밖에 없습니다.
디젤은 태생부터 압축비가 높아 실린더 안에서 더 많이 팽창하고, 더 큰 폭발력을 발휘합니다. 폭스바겐의 디젤차 배출가스 조작 사태가 드러났어도 자동차 업체들이 디젤 엔진을 쉽게 포기하지 못하는 것도 높은 열효율 때문입니다.
엔진을 품은 자동차가 탄생한 직후부터 업체들은 열효율 1%를 끌어올리기 위해 부단히 애썼습니다. 실린더 내 압축비를 높이거나 혼합기 폭발시간을 늘리는 ‘앳킨슨 사이클’, 대용량 배출가스재순환장치(EGR) 등 요즘 적용되는 다양한 방법들이 그 결과물입니다.
높은 열효율은 고연비를 의미하고, 타사와 차별화할 수 있는 기술력의 상징이라 자동차 업체들의 신차 발표 때도 단골 메뉴입니다.
지난해 1월 ‘아이오닉 하이브리드’ 출시 행사에서 현대자동차는 “하이브리드차 전용으로 개발한 신형 카파 1.6ℓ 가솔린 엔진이 세계 최고 수준인 열효율 40%를 달성했다”고 목소리를 높였습니다. 도요타도 지난해 3월 1.8ℓ 가솔린 엔진을 탑재한 4세대 ‘프리우스’를 내놓으며 “최대 열효율 40%를 실현했다”고 강조했습니다.
도요타는 한발 더 나아가 지난해 말 고속연소기술을 적용하고 배기ㆍ냉각계통 손실을 줄여 2.5ℓ 가솔린 엔진의 열효율을 40%, 같은 용량의 하이브리드 엔진은 41%까지 높였다고 발표했습니다. 이 엔진들은 올해부터 도요타 신형 모델에 장착됩니다.
마쓰다는 디젤 엔진의 자연착화방식처럼 점화플러그 없이 압축공기를 폭발시켜 열효율을 높인 가솔린 엔진을 만들었습니다. 인피니티가 20년간 개발해 지난해 10월 파리모터쇼에서 공개한 세계 최초의 양산형 가변압축엔진(VC-터보)은 주행조건에 따라 실린더 압축비를 자동으로 조절해 열효율을 높이는 2.0ℓ 가솔린 엔진입니다.
일본에서는 몇 년 전부터 내각부가 주관하는 공동연구로 고효율 엔진 기술력을 쌓고 있습니다. 가솔린 엔진 열효율을 50%까지 높이는 게 목표로 알려졌습니다. 독일 스웨덴 등에서는 열효율이 60%에 이르는 디젤 엔진도 개발 중이라고 합니다. 배터리로 모터를 돌리는 전기차 시대가 다가왔지만 ‘꿈의 열효율’을 실현한다면 엔진의 수명은 더 늘어날 겁니다.
김창훈 기자 [email protected]
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[보고서]가솔린엔진의 열효율 향상기술
초록
○ 최근 에너지 안보문제에 대한 대응과 지구 온난화가 큰 환경문제로 제기되면서 탄화수소계 화석연료를 사용하는 자동차에서의 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 연비의 규제가 강화되고 있다. 자동차 연비 개선을 위해서는 엔진의 최고 열효율을 높여야 하며, 엔진 열효율을 높이는 방법으로는 아트킨슨(Atkinson) 사이클 엔진 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 활용하는 방법과 과급 희박연소(lean burn)의 적용이 실용화되고 있다.
○ 희박연소 엔진에서는 연소 상태를 안정화시키기 위해 흡입공기의 난류강도를 증가시켜 혼합기의 급속연소를 이루는 것이 필요하다. 따라서 흡기포트의 적절한 설계와 연소실 형상의 최적 설계를 통하여 연소실내에서 강한 스월(swirl) 또는 텀블(tumble) 유동을 발생시키도록 한다. 희박 연소는 과잉 공기공급으로 연소가스의 온도가 낮아지고 비열비가 높아져 엔진의 열효율이 증가되고 연비 향상을 이룰 수 있다.
○ 또한 하이브리드는 전기 모터라는 보조기구를 사용함으로써 엔진에 대한 요구를 줄여주는 시스템이다. 그 좋은 예가 아트킨슨 사이클과 밀러 사이클이다. 이들은 엔진이 약한 영역을 모터로부터 도움을 받고 엔진은 당장에 최대의 효율을 낼 수 있기 때문에 이론적인 열효율에 가까워질 수 있고 연비의 향상과 CO2 배출량의 저감이 가능하게 된다.
○ 현대기아차는 2010년 1월 쏘나타 2.4에 처음으로 GDi 엔진을 적용하였다. GDi 엔진은 고압의 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 정밀하게 연료의 양을 제어할 수 있기 때문에 열효율 향상으로 연비가 좋아지고 배기가스 배출량도 줄이는 등 친환경 엔진으로 부각되고 있다. 현대기아차는 금년 초 미국 자동차전문 기관인 ‘워즈오토'(Ward’s Auto)로부터 소형 엔진인 감마 엔진이 10대 최고엔진에 선정되면서 현대기아차의 엔진 기술이 세계적으로 주목받고 있다.
전기로 가는 모터가 자동차 엔진보다 더 효율적인가요?
[카QA센터-11] 자동차와 전기 모터의 효율은 얼마나 되나요? 열에너지 / 마찰력 관점에서 비교해 주세요.대학교에서 내연기관 전공 수업 기말고사 문제로 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 효율이 어느 것이 더 좋으냐 설명하는 문제가 나왔었습니다. 자동차 연비로 보면 디젤이 더 좋으니 아무래도 디젤이 더 유리하겠죠. 전기차 모터와 엔진을 비교하기 에 앞서 효율에 영향을 주는 요소들을 파악하기 위해 이해하기 쉬운 형태로 한번 설명해 보겠습니다.
디젤과 가솔린 엔진은 연소가 일어나는 형태가 다릅니다. 가솔린은 연료량에 맞는 공기가 들어가고 점화가 되어서 연소가 순차적으로 일어납니다. 디젤은 공기는 늘 충분히 채우고 강하게 압축해서 분사된 연료가 스스로 폭발하는 형태로 일어납니다. 디젤이 가솔린보다 같은 연료량이라면 공기를 항상 많이 받고, 더 크게 압축하고 더 빠른 폭발 과정을 거칩니다. 아래 그래프에서 상대적으로 높고, 더 넓고, 아래쪽에 흡기 과정에서 해줘야 하는 일이 적은 형태입니다.
그래서 공기를 엔진에 주입하는 일을 할 필요가 적고, 폭발하는 과정에서 발생하는 최고 온도는 높지만 또 급격히 식어 열이 전달되는 시간도 짧아 열효율도 좋습니다. 더 많이 압축했다 한꺼번에 밀어주는 힘도 더 세기 때문에 디젤이 가솔린보다 효율이 더 좋습니다. 일반적으로 석유가 가진 열량을 100%라고 하면 가솔린 엔진이 25%, 디젤 엔진이 35% 정도입니다.
하지만 이는 이상적인 조건에서 상대 비교한 값이고, 자동차의 효율을 상징하는 연비는 운전 패턴과 더 큰 연관이 있습니다. 저속으로 갈수록 공기를 빨아들이고, 압축하는 데 힘이 많이 들고, 고속으로 갈수록 관성은 압축 행정은 원활한 대신 고속으로 움직이는 마찰로 손실되는 열 에너지가 커집니다. 그래서 BSFC (Brake Specific Fuel Consumption) MAP이라고 해서 엔진 RPM당 총 Torque에 따라서 동일한 일을 하는데 얼마나 많은 연료가 필요한지가 실험을 통해 측정해 놓은 데이터가 있습니다. 아래 그래프를 보시면 1600 ~ 1800rpm 부근에 최대 토크의 20~30% 지점이 가장 효율이 좋은 것으로 나옵니다.
여러 차속에서 동작해 주어야 하는 엔진의 경우에 되도록 이런 효율 좋은 지점을 유지해 주기 위해서 차속과 엔진 회전수의 비를 조정해 주는 트랜스미션이 존재합니다. 그래서 차량의 연비는 엔진의 효율 / 주행 패턴 / 미션의 종류 / 기어비의 세팅에 따라 달라집니다. 가솔린보다 디젤이, 그리고 엔진의 크기가 작을수록, AT 보다 MT 혹은 CVT나 DCT가 고속 주행보다는 80km/h 정도의 경제속도에서 급 가속보다 정속 주행이 더 연비에 유리합니다.
하이브리드는 이런 내연기관의 특성을 기반으로 모터와 배터리를 통해서, 더 작은 엔진을 적용하고, Braking 중에 바퀴의 움직임으로 배터리를 충전해서, 상대적으로 비효율적인 저속 영역에서 엔진 대신 모터를 활용해서 연료가 사용되는 구간 자체를 줄여 주는 방식을 통해 연비를 개선합니다.
대략적으로 (제 경험에서 나온 사견입니다.) 중형차에서 2.0 가솔린 엔진 AT 차량의 연비가 11km/L이라고 하면 터보를 쓰면서 작은 GDI 엔진으로 바꾸면 15% 개선 (12.6km/L) à DCT / CVT를 써서 전달 효율을 늘려 주면 10% 개선 (13.7km/L) à 비슷한 크기에 디젤 엔진을 적용하면 20% 개선 (16.5km/L – 제 차입니다.) à Hybrid로 배터리에 모터 효율을 더하면 가솔린 대비 40% 개선 (19.5km) 정도입니다. 하이브리드는 엔진 다운사이징 15% / BSFC 최적점 10% / 저속 모드에서 모터 주행이 25% 정도 개선되지만 대신 차량 무게가 더 무겁고, 고속에서는 모터의 마찰력 손실이 더 떨어지기 때문에 10% 정도 효과가 반감됩니다.
전기차는 애초에 연료 자체를 쓰지 않기 때문에 이런 직접적인 비교가 불가능합니다. 충전기에서 배터리에 충전하는 효율 (대략 90%)이 있고, 모터의 전달 효율 (80%)가 일반적이라지만 엔진의 BSFC처럼 주행 조건마다 다를 겁니다. 아무래도 내연기관 차보다 배터리 때문에 더 무겁고, 고속에서는 5000rpm ~ 8000rpm 처럼 고속 회전을 해야 하기 때문에 모터 회전 마찰력이 크게 작동해서 효율이 급격히 떨어질 겁니다. (표가 다 있네요)
실제 같은 연료로 발전하는 효율 / 충전기까지 전달하는 효율 / 충전 효율 / 모터 구동 효율까지 다 더하면 과연 전기차가 동일한 화석 연료를 넣었을 때 더 효율적이라고는 이야기하기 어려울 것 같습니다. 얼핏 가솔린 엔진 정도 될 것 같습니다. 실제 닛산에서 엔진은 전기를 발전시키는 용도로만 쓰고 배터리로 모터를 돌리는 Hybrid 형태도 개발했었는데, 가장 최적 연비 조건에서 발전을 하더라도 그 무거운 차를 움직이게 하는 모터가 더 커야 했고, 엔진 시스템만큼 더 무거운 차를 고속으로 주행할 때의 효율이 가솔린 대비 많이 개선되지는 않아서 대중화되지 못한 케이스가 있습니다.
자동차의 효율은 이렇듯 복합적입니다. 그리고 조금이라도 개선하기 위한 부단한 노력들은 규제와 함께 계속되어 왔습니다. 전기차에 들어가는 모터는 내연기관 대비 발열도 적고, 브레이킹할 때 충전도 하기 때문에 한편으로는 효율적으로 보이지만, 트랜스미션이 없어 고속 주행 시에는 회전 마찰력이 더 커서 상대적으로 비효율적입니다. 배터리 때문에 더 무겁기도 하구요.
앞으로 전기차가 더 보편화되면 내연기관 차량에서 그랬던 것처럼 이 효율을 개선하기 위한 다양한 노력들이 따라올 겁니다. 그리고 환경에 영향을 덜 주는 발전 방법, 전기 전달 방법 보관 방법들도 같이 업데이트되어야 하겠습니다. 이미 경쟁은 시작되었습니다.
카 QA센터 –
자동차에 대한 모든 질문에 답해 드립니다.
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