가솔린, 디젤, HCCI엔진 - 자동차 엔진 이야기

신차가 나오면 엔진을 살펴봅니다. 이전보다 바뀐 것은 없는지 마력은 어떻고 토크는 어떤지를 살펴보고 나서 성능에 대해 이야기합니다. 흔히 휘발유를 사용하는 가솔린엔진은 조용하고 부드러운 대신 기름값이 비싸고 연비가 나쁘다고 이야기합니다. 반면에 경유를 사용하는디젤엔진은 기름값이 저렴하고 연비가 좋아 경제적이라고 합니다. 또한 힘도 좋아서 시끄럽고 덜덜거리는 진동만 제외한다면 참 좋은 엔진이라고 합니다. 가솔린과 디젤엔진 가솔린엔진과 디젤엔진의 가장 큰 차이는 연료를 압축해서 폭발시키느냐 혹은 점화 플러그를 통해 강제 폭발시키느냐입니다. 이런 차이는 주로 열효율에서 나타납니다. 일반적으로 가솔린 엔진은 약 25%, 디젤엔진은 약 35%의 효율을 가집니다. 즉 100이란 열이 엔진을 통해 약 25~35%의 운동에너지로 변환된다는 것입니다. 대신 65%~75%의 열은 운동에너지로 변하지 못하고 사라집니다. 이것을 잡아내는 것이 자동차 엔진기술의 목표입니다.

GM의 HCCI엔진 비교 가솔린엔진과 HCCI엔진을 비교한 그림. 좌측이 기존 가솔린엔진이고 우측이 HCCI엔진이다. <제공:GM>

두 엔진의 효율 차이가 나는 가장 큰 이유는 폭발 방식 때문입니다. 가솔린엔진은 공기와 연료를 섞은 혼합기에 점화장치가 불꽃을 터뜨려 폭발시킵니다. 디젤엔진은 보통 20:1 정도의 고압에 연료를 안개처럼 뿌려서 자체 폭발을 유도합니다. 경유를 비롯한 디젤연료들은 400~500도의 온도에서 자체 폭발을 일으키기 때문에 가능한 일입니다. 자체 폭발을 일으키면 골고루 동시에 폭발을 하게 됩니다. 따라서 연료의 연소율이 높아지고 결과적으로는 연비가 좋아지는 효과를 가져 옵니다. 우리나라에서는 가솔린 엔진에 쓰는 휘발유가 디젤엔진에 쓰는 경유에 비해 가격이 비싸기 때문에 열효율이 좋고 저렴한 디젤엔진이 상용차에 많이 쓰이고 있습니다. 가솔린 엔진은 진동과 소음이 적어서 승용차의 엔진으로 많이 쓰입니다. HCCI엔진의 도입 앞서 말씀드린 내용처럼 두 엔진의 가장 큰 차이는 연료 폭발 방식입니다. 가솔린엔진은 점화장치를 사용하고 디젤엔진은 압축을 이용해 폭발시킵니다. 그리고 압축을 이용해 폭발시키는 것이 효율도 좋습니다. 그래서 최근에는 가솔린엔진에서도 압축폭발 방식을 도입하고 있습니다. 좀 더 정확히 말하자면, 두 가지 엔진의 장점만 모은 엔진을 만들고 있습니다. 바로 HCCI(Homogeneous Charge Compression)엔진입니다. 압축착화-점화겸용엔진이라고 부릅니다. 말 그대로 압축을 통해 폭발을 일으키기도 하고 점화를 통해 폭발을 일으키기도 하는 엔진입니다. HCCI엔진은 1970년대부터 연구가 시작됐습니다. 휘발유를 사용해 저온 압축착화를 만들어내는 것이 목표였습니다. 당시 실험실에서는 HCCI엔진의 시연을 성공했습니다. 하지만 엔진의 회전과 부하가 일정하지 않은 자동차의 주행 조건에서는 엔진이 불완전했습니다. 주변 환경에 따라 압축만을 이용해 폭발이 일어나지 않은 것입니다. 이것을 성공시키면 가솔린엔진과 디젤엔진의 장점을 모은 이상적인 엔진이 됩니다. 예를 들면 휘발유를 사용하면서 연비는 디젤엔진에 버금가는 엔진이 탄생할 수 있게 되는 것입니다. 다만 일반 가솔린엔진보다 압축을 많이 하기 때문에 진동이 조금 더 큽니다. 결국 모든 환경에서 휘발유 압축폭발로 작동되는 엔진은 아직 개발되지 못했습니다. 지금의 기술은 압축폭발이 가능한 구간에서는 열효율이 높고 압축폭발이 불가능한 곳에서는 점화장치를 이용해 강제 폭발을 시킵니다. 마치 기존의 가솔린엔진과 똑같이 말입니다.

세상 밖으로 나온 HCCI엔진

기술의 한계로 인해 한동안 실험실에서 잠자고 있던 HCCI엔진이 다시금 세상 밖으로 나온 것은 지난 2007년의 일입니다. 프랑크푸르트모터쇼에서 메르세데스 벤츠는 디조토(Diesotto)라고 불리는 HCCI와 하이브리드를 결합한 콘셉트카를 선보였습니다. 벤츠의 고급 세단 S클래스에 디조토 엔진을 장착했는데 불과 1.8리터의 소형엔진입니다. 보통 3리터 이상의 대형엔진을 사용하는 S클래스에 소형차의 엔진을 붙인 셈입니다. 하지만 1.8리터 휘발유 엔진에 HCCI 기술을 적용하고 터보차저를 적용해서 238마력의 힘을 냈습니다. 또한 휘발유 1리터로 18.7km를 주행하는 연비를 갖췄습니다. 현재의 S클래스와 비교하면 절반 크기의 엔진으로 두 배의 연비를 기록한 획기적인 엔진이었습니다. 메르세데스-벤츠의 엔진은 HCCI 기술 외에도 가변밸브타이밍, 트윈 가변 터보차져, 가변압축기술, 연료직분사 등 다양한 기술이 적용됐습니다.

메르세데스 벤츠 F700의 엔진 HCCI와 하이브리드 기술을 결합한 콘셉트카. <제공:메르세데스 벤츠>

  

또한 14kw의 전기 모터를 장착해 하이브리드 기술도 적용했습니다. 이 엔진은 메르세데스-벤츠의 F700모델 콘셉트카에 장착됐습니다. GM역시 HCCI엔진을 프로토타입으로 내놨습니다. GM 새턴 아우라에, 오펠 벡트라에 HCCI엔진을 얹어서 테스트를 진행했는데 2.2리터 엔진으로 180마력을 냅니다. 연비도 역시 15%정도 향상됐는데 이 테스트에서는 시속 88.5km까지는 HCCI모드 즉 압축폭발 방식을 사용하고 그 이상의 속도나 급가속을 할 경우에는 점화 플러그를 사용한 방식으로 엔진이 움직입니다.

디젤박사와 오토박사

1893년 디젤엔진을 개발한 독일의 기계기술자 루돌프 디젤.

사실 메르세데스-벤츠의 디조토(Diesotto)는 가솔린엔진과 디젤엔진의 결합에 대한 일종의 오마주(hommage)같은 뜻을 지녔습니다. 1892년 최초의 디젤엔진 특허를 받고 1894년 최초의 디젤엔진을 발명한 독일의 기계기술자 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)과 1864년 4행정 가스 기관을 만들어 내연기관의 시초로 불리는 독일의 기계기술자 니콜라우스 오토(Nicolaus Otto)박사의 이름을 따서 디조토(Diesotto)라는 이름을 쓰게 된 것입니다. 즉, 디젤박사와 오토박사의 발명이 합쳐진 엔진이 바로 메르세데스-벤츠의 디조토인 것입니다. 루돌프 디젤 박사가 1894년 디젤엔진을 발명하자 높은 열효율에서 오는 뛰어난 경제성 덕택에 내연기관의 혁명을 일으킵니다. 디젤 박사는 독일 왕실학교에서 강력한 공기 압축력을 통해 불을 일으키는 기구를 발견하고 디젤엔진의 아이디어를 얻었습니다. 그래서 벤츠나 다임러가 발명한 휘발유를 사용하는 가솔린엔진 대신 공기의 압축을 통해 높아진 열로 연료를 폭발시키는 디젤엔진을 개발하게 됩니다. 하지만 전해오는 이야기에 따르면 당시 증기엔진과 가솔린엔진 제조업자들과 경쟁을 해야 했고 회사 내부의 재산에 관련된 암투 등으로 정신 착란이 심해져 1913년 9월 영국으로 가는 배에서 바다로 투신했다고 합니다.

19세기 경쟁관계에 있던 가솔린엔진과 디젤엔진이 21세기에는 장점만 모은 HCCI로 거듭나게 됩니다. 이 외에도 자동차의 열효율을 높이기 위한 기술은 다양하게 발전하고 있습니다. 현대자동차가 최근 도입한 GDI엔진을 비롯해 전기모터를 활용하는 하이브리드엔진까지 여러 분야로 연구가 진행 중이고 새로운 기술을 적용한 차가 등장하고 있습니다. 또한 얼마 전 일본의 마쯔다가 발표한 SKY엔진도 HCCI 기술을 적용해 화제를 모았습니다. GDI엔진이나 하이브리드에 대한 이야기는 다음 기회에 다시 정리해보겠습니다.