자동차가 만들어진 이래 인류의 역사는 그 기동력에서 예전과 비교할 수 없는 발전을 이루었다. 산업혁명의 큰 동력원이었다. 물론 현재에도 자동차의 중요성은 이루 말할 수 없다. 오히려 과거보다 현재가, 현재보다 미래에 인류들이 더 의존할 것이 자동차이다. 하지만 자동차가 가져온 피해도 엄청나다.

가장 큰 피해가 배기가스에서 나오는 탄산가스와 질소산화물, 황산화물 등이 일으키는 지구 온난화나 산성비 유발이다. 이것으로 인한 피해는 자동차로 인해 편리해진 이상으로 지구 환경의 파괴도 가속화시키고 있다.
그래서 이미 인류는 이러한 위험성을 알고 준비를 하고 있다. 바로 위험한 배기가스를 줄이는 방법이다.

그래서 현재는 황산화물이나 질소산화물의 양은 예전보다 많이 줄였다. 하지만 화석연료를 사용하는 한 탄산가스를 줄이는 것은 불가능하다. 그래서 생각한 것이 연료의 교체이다. 그래서 최근에는 가솔린엔진과 전기자동차의 원리를 동시에 상용하는 ‘하이브리드카’가 상당히 출시되고 있고, 미래에는 수소를 원료로 해서 배기가스는 수증기뿐인 ‘수소연료자동차’의 상용화를 위한 연구가 활발해지고 일부 제작도 되고 있다.

지금부터 자동차의 가장 핵심부인 엔진의 기본적 원리와 가솔린엔진과 디젤엔진을 대체하고 있는 현재와 미래의 기술에 대해 알아보자.



인류는 고대부터 무거운 물체를 운반하기 위해서 바퀴를 이용한 수레를 만들어 사용했다. 물론 처음에는 수레를 움직이는 원동력이 사람의 힘이나 동물의 힘이었다. 그러다 1765년 영국의 제임스 왓트에 의해 증기기관이 발명되면서 본격적인 자동차의 역사가 시작되었다.

그리고 1769년 프랑스인 퀴노가 ‘2기통 증기추진 전륜구동 3륜차’를 개발하여 시속 4km의 주행성능을 가지게 되었다. 하지만 증기자동차는 중량이 많이 나간다는 점과 석탄을 태우면서 나오는 많은 공해물질로 인해 문제점을 배출하면서 퇴화되었고 오히려 증기기관을 이용한 배나 기차가 발달하였다.

시간은 흘러 1876년 독일의 오토가 현재 4사이클 기관의 원형이 되는 내연기관을 만들었고, 1886년 더욱 소형화된 내연기관을 4륜차에 부착하여 현대식 내연기관 자동차의 시작을 알렸다. 한편, 루돌프 디젤은 증기기관의 이론을 개량하여, 1893년 압축착과기관을 제작하여 실용가능한 엔진으로 1897년 완성하였는데 이를 발명자의 이름을 따서 ‘디젤기관’이라고 부르게 된 것이다.


미국의 경우는 1899년 오올즈가 디트로이트에 ‘오올즈 자동차회사’를 설립하였으며, 이것이 미국 최초의 자동차 회사이다. 그리고 1903년 헨리 포드가 ‘포드자동차회사’를, 1908년 듀란트가 ‘제너럴 모터스사’를 설립한 후 지금까지 이어오고 있는 것이다. 그리고 1908년 포드사는 대량생산의 시대를 열며 ‘T형 포드’를 1908~1927년 사이에 1500만대를 생산하였다.

유럽에서는 영국이 자동차 산업의 선발 국가이면서 오히려 기술적으로 침체를 겪고 있고, 독일의 경우는 다이믈러, 벤츠가 가솔린엔진 자동차를 제작한 것을 시초로 상당한 기술적 우위를 확보하고 있다.

일본도 1907년 가솔린 자동차가 제작된 이래 1924년 포드사가, 1927년에는 GM사가 일본에서 조립을 시작했다. 한편, 일본 자동차의 시초는 1917년 현 미쓰비시의 전신인 츠쿠모상회에서 생산한 ‘미스비시 A형’이었고, 그 후 1937년에는 도요타자동차공업주식회사가 설립되었다.

일본차 제1호는 증기자동차로서 1904년에 등장하였으며, 1907년에는 가솔린 자동차가 제작되었다. 그후 1924년에 포드社가, 1927년에 GM社가 일본에서 조립을 시작하였다.


일제시대 외국차 정비에서 시작된 우리나라의 자동차 산업은 그 동안 놀라운 발전을 거듭하였다. 1903년 황실용으로 미국제 포드 승용차가 처음 도입된 이래 1930년까지는 일제의 공업억제 정책으로 발전이 거의 없다가 2차 세계대전의 반발로 일제가 일본의 자동차 회사를 한국에 진출시키면서 자동차부품공업이 발달하기 시작했다. 그 후 1950년대가 되면서 현재 자동차 회사들의 시초가 되는 많은 자동차 조립회사들이 설립되었다.

1960년대가 되면서 근대적 조립라인을 갖추고 외국에서 부품을 수입하여 자동차를 조립하고 부품의 국산화율도 조금씩 높여나갔다. 1970년대가 되면서 국내에서 고유모델을 개발해야 할 필요성을 더욱 느끼면서 1975년 현대가 처음으로 ‘포니’라는 이름을 내걸고 조립단계를 넘어선 국내에선 제조된 자동차를 선보였다. 그리고 이 모델은 중동, 아프리카, 남아메리카 등지에 수출도 되었다.

1980년대가 되면서 자동차산업의 국제화는 더욱 가속화되었다. 외국기업과의 제휴관계가 확대되면서 수출량은 급증했고, 기술개발을 위한 투자도 많아지면서 1990년대에는 자동차 부품의 핵심이라고 할 수 있는 엔진의 국산화도 이루게 되었다. 특히, 국내 자동차 산업의 선두주자인 현대차는 80년대 중반부터 미국이나 캐나다 등 선진국에도 수출을 시작하게 된다. 특히, 소형차 부문에서는 미국 내에서 상당한 수출량을 이루고 있었던 일본의 엔화 환율이 올라가면서 상대적 이득으로 수출물량이 폭발적으로 증가하였다.



엔진이란 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 열기관이라고 할 수 있다. 엔진에 휘발유와 공기를 넣어주면 피스톤에 의해 혼합기가 압축되고 스파크 플러그로 불꽃을 발생시켜 폭발을 일으키면 팽창력으로 피스톤이 밀려가게 된다. 이 에너지는 커넥팅로드를 통해 크랭크축에 전달되어 회전운동으로 바뀌게 된다.

이러한 과정이 연속적으로 반복되면 자동차가 움직이게 된다. 우리는 엔진의 가장 기본 형식인 4사이클 가솔린 엔진과 디젤 엔진에 대해 알아보면서 자동차의 움직이는 동력을 공부해 본다.

기본적으로 흡입, 압축, 폭발(팽창), 배기 4과정을 거치면서 한 사이클을 형성한다. 1)흡입행정(Intake Stroke) 흡입밸브는 열려 있고 배기밸브는 닫힌 상태에서 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강을 하면 실린더 내의 부피가 팽창하면서 압력이 대기압보다 낮아지게 되고 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 실린더 내부로 흡입된다. 2)압축행정 (Compression Stroke) 흡입이 완료되면 흡입, 배기밸브가 닫힌 상태에서 피스톤이 상승을 하면서 혼합기를 압축시킨다. 이때 이 압축과정에서 온도가 급상승해 가솔린이 기화되어 연소하기 좋은 조건이 된다. 여기에서 기화상태를 만드는 것이 상당히 중요한데 추운 겨울 자동차의 시동을 걸기 어려운 것도 온도가 낮아 기화가 잘 되지 않기 때문이다. 그래서 연료를 많이 넣어주어 좋은 연소 조건을 만들어야 한다. 그래서 시동걸때 연료 소모량이 많아지고 불완전 연소된 배기가스가 많이 분출되는 것이다.

또한 연료가 기화하면서 주위 온도를 뺏어 실린더 내부의 온도를 낮추는 역할을 한다. 그래서 연료를 적게 넣어주는 방법도 생각할 수 있는데 그렇게 되면 연비를 좋게 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 반대로 온도가 너무 많이 올라가 점화전에 연료가 연소하는 비정상적 상황을 만들 수 있다. 3)폭발(팽창)행정(Explosion stroke) 압축행정이 완료되기 직전, 점화 플러그의 불꽃에 의해 압축된 혼합기가 폭발하게 되고 그 폭발력으로 피스톤이 하강하면서 커넥팅로드를 통하여 크랭크축을 회전시킨다. 이때 엔진의 성능에 영향을 크게 주는 요인들로 점화불꽃시기, 혼합기비율, 압축압력 등이 있다. 특히, 연료가 연소하는 시간이 중요한데 연소시간이 짧을수록 폭발압력은 커지게 되어 엔진의 회전속도를 증가시키는 것이다. 4)배기행정(Exhaust Stroke) 흡입밸브는 닫히고 배기밸브는 연린 상태에서 피스톤이 상승하면 연소된 가스가 실린더 밖으로 배출된다.

이와 같이 피스톤의 상하 왕복운동으로 커넥팅로드에 연결된 크랭크축을 회전시키면 이 회전력으로 플라이 휠(Fly Wheel)을 돌리고 구동 전달장치를 통해 바퀴에 전달된다.



위에 언급한 엔진의 기본적 사항은 어느 엔진이나 가진 공통점이다. 그래서 엔진의 성능을 우수하게 하기 위한 다른 조건들을 고려해야 한다.
1)가벼워야 한다.
실제 엔진의 질량이 자동차에서 차지하는 비중은 10~15%정도이니 이 양을 줄이는 것은 전체적 질량을 줄이는데 상당한 역할을 할 수 있다. 뿐만 아니라 연료 소모량을 줄여 연비를 올리는 부가 효과가 따른다.
그리고 엔진의 피스톤은 1초에 70~100회 정도의 대단히 빠른 고속회전을 한다.

더구나 피스톤이 상한 하한에 이를 때는 순간적으로 속도가 0이 되므로 엄청난 가속도 운동을 한다고 보면 된다. 결국 이로 인해 상당한 관성력도 발생하는데 엔진 회전을 방해를 할 뿐 아니라 진동을 발생시키는 원인이 된다. 따라서 피스톤이나 커넥팅로드 등의 질량을 작게 함으로써 관성력을 줄일 수 있다.
2)출력을 높여야 한다.
출력 또한 매우 중요하다. 출력이라고 하는 것은 말 그대로 ‘엔진이 내는 힘’이라고 할 수 있다. 힘의 원천은 실린더 내부에서 혼합기의 폭발로 인한 팽창력인데 이것이 크랭크축을 회전시켜 바퀴를 돌게 하는 것이다. 결국 출력이 크게 되면 바퀴의 회전력 또한 커지게 되는 것으로 유추할 수 있다.
출력의 단위로는 보통 ‘마력(Horse Power), W(와트)’를 사용한다. 1마력은 1초간 75kg의 물체를 1m 끌어 올리는 힘을 나타낸다. 또한 1HP=735.4W이다.

하지만 피스톤의 왕복 속도에도 한계가 있어 어느 회전수를 넘으면 파워는 거꾸로 떨어진다. 이렇게 최고로 낼 수 있는 출력을 ‘최고출력’이라고 한다. 승용차용 엔진은 보통 1분에 5,000~7,000회전(단위: rpm)이 한계이다. 보통 주행에서 최고출력을 발생하는 회전영역은 거의 없다. 일반적으로 시가지주행에서 가솔린 엔진은 1000~2000rpm으로 대개 1500rpm에서 최고출력을 나타내며 디젤 기관은 2000~3000rpm으로 대개 2500rpm에서 최고출력을 나타낸다.

3)배기량이 커야 한다.
또 하나, 출력을 높이는데 중요한 부분이 배기량이라고 할 수 있다. 배기량은 실린더의 직경으로부터 계산된 단면적에 상사점으로부터 하사점까지의 길이를 곱하여 구하고, cc로 표기되는 것이 보통이지만 ℓ로 표시되는 것도 있다.

총배기량은 각 실린더 배기량에 실린더 수를 곱하면 나온다. 어찌하였든 배기량이 크면 많은 양의 연료가 연소하므로 당연히 출력이 커지게 되는 것이다.


디젤엔진의 구조는 기본적으로 가솔린 엔진과 같으나 흡입행정과 압축행정에서 가솔린 엔진과 차이가 있다. 가솔린 엔진은 가솔린과 공기의 혼합기를 흡입하여 흡입량의 1/9배로 압축하여 점화시켜 연소시키나, 디젤 엔진은 공기만 흡입한 후 1/20배로 압축하여 수백 도로 가열한 후 경유를 분사시켜 자연 점화시켜 연소시킨다.

따라서 가솔린엔진은 혼합기의 양으로 출력을 조절하고, 디젤 엔진은 경유의 분사 량으로 조절한다. 그리고 연소 최고 압력은 가솔린 보다 높고 압축비도 높으므로 실린더 헤드 및 관련부품의 강도가 더 큰 것이 요구된다. 그리고 연료와 분사하는 형식에 따라 다음과 같이 몇 가지로 분류할 수 있다.
1) 직접분사식(direct injection type)
그림과 같이 피스톤과 실린더 헤드로 둘러싸인 연소실에 분사 밸브로부터 직접 연료를 분사한다. 연소 가스에 와류를 형성하여 혼합 및 연료의 증발을 유도할 수 있도록 피스톤 헤드는 반구형 및 구형 연소실을 만든 것도 있다.
2) 예연소식(precombustion chamber type)
주연소실 외에 예연소실을 가지고 있는 것으로 추울 때 시동을 용이하게 할 수 있도록 예열 플러그를 설치한다. 예연소실로 분사된 연료는 그 일부가 연소하여 예연소실 내의 압력을 높인 후 주연소실로 분출하여 완전 연소시킨다.
3) 와류식(turbulence chamber type)
연료의 증발을 유도하기에는 혼합기가 와류를 형성하면 좋다. 그래서 구형의 와류실을 지난 후 피스톤 면적의 2~3%정도의 통로로 주연소실로 보내진다.
4) 공기식
주연소실 외에 공기실을 두어 연소에너지를 배가 시키는 형식으로 현재는 사용하지 않는다.

석유 자원의 고갈로 국제 유가가 급등하고, 연소 생성물이 일으키는 환경문제로 인해 오래전부터 선진국에서는 자동차 원료로 사용가능한 대체에너지 개발에 주력했다. 물론 차세대 자동차로 하이브리드 자동차나 수소연료 자동차가 대안으로 연구가 많이 되고 있지만 상용화에

는 시간이 많이 필요하기 때문에 현재는 천연가스를 원료로 하는 자동차의 보급이 많아지고 있다.

천연가스의 주성분은 메탄()이다. 이것은 여러 가지 장점이 있다. 일단 황(S)같은 불순물이 적어 연소 생성물이 일으키는 환경오염을 많이 줄일 수 있다. 또한 매장 장소가 석유처럼 어느 지역에 편중되지 않아 우리나라처럼 석유가 전혀 없는 나라에서도 천연가스는 발굴된다.

또한 연료의 안전성도 우수하다. 비슷한 용도로 사용되는 LPG(액화석유가스)는 주성분이 프로판이나 부탄으로서 공기보다 무거워 가스 누출 시 지면에 깔리게 된다. 누출 사고 시 폭발의 위험이 크다. 하지만 메탄은 공기보다 가볍기 때문에 누출 시 가스가 공기 중으로 퍼져나가 폭발위험이 그만큼 줄어든다.

그리고 연소 가능한 공기 중의 연료의 최저농도도 비교적 높다(약 4.5%) 발화점도 비교적 높다. 이러한 성질은 누출사고를 줄일 수 있는 장점이 있다.

1. 연료로서의 특징

일반적으로 옥탄가(노킹현상이 일어나기 어려운 기준. 100을 기준으로 높을수록 노킹이 일어나지 않는다)가 높아(120정도) 가솔린 엔진보다 고압 하에서도 노킹 없이 연소가 가능하다. 따라서 열효율과 출력 향상을 기할 수 있다. 그리고 발화점이 높아 점화 플러그를 사용하는 가솔린 엔진에 그대로 사용할 수 있는 장점도 가지고 있다.

물론 현재 많이 상용되고 있는 CNG(Compressed Natural Gas)는 200~300기압으로 압축해서 사용하기 때문에 가솔린보다 5배 정도의 용적이 필요하지만 LNG상태에서는 1.5배 정도의 용적만 필요하다.
2. 천연가스를 이용한 차량의 종류

1) CNG자동차
천연가스를 200~300 기압으로 압축해서 사용하는 것으로 현재 대부분이 이 방식을 채택하고 있다. 종류는 다음 몇 가지가 있다.

①겸용(Bi-Fuel)
압축천연가스와 휘발유를 동시에 자동차에 저장하고 그 중 한 가지를 선택하여 연료로 사용하는 방식이다. 천연가스 보급초기에 천연가스의 충전 환경이 좋지 않을 때 많이 사용하였다.

②혼소 (Dual-Fuel)
압축천연가스와 경유를 동시에 저장하여 두 가지 연료를 동시에 사용하는 방식이다. 디젤은 엔진시동 및 운전 중에 파이롯 분사하여 점화 원으로 활용하도록 구성되어 있다. 그러나 현실적으로 천연가스의 가격이 디젤가격 대비 가격 경쟁력이 가솔린에 비해 높지 않으므로 많이 보급되지 않고 있는 실정이다.

③전소 (Dedicated)
압축천연가스만을 저장하여 사용하는 방식으로, 천연가스 엔진으로 최적화 할 수 있으므로, 출력성능 및 배출가스저감 능력이 우수하여 전 세계적으로 가장 많이 보급되고 있는 방식이다.

국내에서 개발된 천연가스버스의 배출가스 수준은 G-13모드로 측정한 결과, 디젤과 비교해서 질소산화물은 60%이상, 일산화탄소는 약 46%, 매연과 입사상물질(PM)은 100%감소했다. 출력도 디젤 시내버스와 비교해서 50~65마력 정도 높은 편이며, 연비는 천연가스 버스가 2.0∼2.3㎞/㎥, 디젤 버스가 2.3∼2.5㎞/ℓ로 평균 0∼0.2㎞/㎥ 정도 차이가 있다.

충전시간은 충전기 종류 및 충전 량에 따라 다소 차이가 있으나 약 4~7분 며 1회 충전 때 주행거리는 350km로 현재 국내 시내버스가 1일 평균 약 260km를 운행하고 있는 점을 고려할 때 1일 1회 충전만으로도 운행이 가능하다. 물론 디젤 버스에 비해 점화플러그 등 추가 부품이 소요되어 일부 부품 가격으로 인한 가격 상승 요인은 있으나 장점에 비해서는 미미한 수준이라고 할 수 있다.


2) 액화천연가스(LNG)자동차
이 자동차는 메탄의 끓는점인 -162°C로 냉각 액화한 천연가스(LNG)를 극저온 단열용기에 저장해 연료로 사용하는 방식으로 LNG를 기화기(Vaporizer)에서 기화해서 믹서나 흡기매니폴드에 분사해 연료를 공급하는 방식과 LNG를 액상 그대로 실린더 내로 직접 분사해 실린더내의 점화플러그에 의해 점화시키는 두 가지방법이 있다.

LNG 자동차는 연료 저장 효율이 좋으므로 1회 충전 당 주행거리를 3배 이상 늘릴 수 있는 장점이 있고 우리나라와 같이 LNG상태를 수입하는 경우는 이를 직접 사용할 수 있어 압축시 들어가는 비용을 절감할 수 있는 장점도 지니고 있다.

하지만 단열용기에 전달되는 외부 열원에 의해 끓는점이 낮은 메탄이 증발하게 된다. 이러한 원치 않는 증기 가스는 엔진에 우선적으로 공급하거나 대기 중으로 방출하여야 한다. 이 과정에서 용기 내의 메탄성분은 감소하고 끓는점이 더 높은 연료성분이 농축되는 ‘weathering 현상’이 발생한다. 이것은 엔진의 정밀한 연료공급을 위하여 어려운 기술적 장애요인으로 작용하고 있다.

또한 단열용기가 비싸거나 충전기술의 미흡으로 아직 상용화에는 시간이 필요하다.


3. 엔진 구조
기본적으로 가솔린 엔진과 비교해서 연료장치를 제외하고는 거의 동일한 구조로 되어 있다. 연료계통으로는 가스 레률레이터, 믹서, 트포틀밸브, 연려제어밸브 등의 가스 연료계통이 추가돼 장착된다. 압축천연가스(CNG)를 적정압력으로 감압해 연료·공기 혼합장치 및 트로틀밸브를 거쳐 엔진으로 공급되도록 되어있다. 연소실로 공급된 혼합기는 점화를 위해 연료분사 노즐 위치에 설치된 점화플러그에서 점화되어 연소 폭발한다. 점화계통은 점화코일, 점화케이블 및 점화플러그로 구성되어 있고, 내구력 향상을 위한 밸브 등의 재질변경도 수행되었다.

엔진의 최적운전 제어를 위해 각종 센서를 통해 모니터링한 가스온도 압력, 흡입공기 온도 압력, 냉각수온도, 혼합기 압력, 대기압, 배기가스중의 산소농도 등의 신호를 받아 전자제어장치에서 연료량, 점화시기 등을 전자적으로 제어하도록 구성되어있다.