행정엔진의 개발과 배경에 대해 알아보자

행정엔진을 탑제한 차량을 시승할 예정인 사람

행정 엔진 개발 현황

지금까지의 행정 엔진은 대부분 선박이나 산업용의 대형 디젤엔진이나 모터사이클용의 소형으로만 사용되어 왔으며 자동차용에는 아직 실용화되어 있지 못하다. 지금까지 주로 4-행정 엔진에만 연구투자가 집중되어 왔기 때문에 2-행정 엔진 기술은 4-행정 엔진에 비해 20년 이상 뒤져 있는 것으로 보고 있다.

 

최근 들어 자동차 배출가스 규제가 계속하여 강화되면서 자동차 동력의 주종인 4-행정 엔진에 대한 근본적인 검토가 이루어지고 있으며 이와 동시에 기본원리 면에서는 4-행정 엔진 비해 유리하나 세부 기술면에서 해결하기 어려운 문제가 많았던 2-행정 엔진에 대해 새로운 각도에서 가능성을 검토하고 있다.

 

최근의 2-행정엔진 기술은 연소실내 연료 직접분사방식을 채용한 Orbital 기술을 시발점으로 미국의 Ford와 GM 자동차가 연구에 참여하고 있으며, 유럽은 IFP, AVL 등의 연구소와 VW, 르노 등의 자동차 회사들이 관심을 보이고 있다. 기존 2-행정 엔진 기술을 개량한 crankcase scavenging이나 port scavenging (uniflow 등) 방식을 사용하며 주로 가솔린 엔진의 연구에 집중되고 있다.

 

한편, 2-행정 디젤엔진의 경우 도요다 자동차의 S-2 디젤엔진이 가능성이 높은 것으로 평가되고 있다. 이 기술은 기존의 2-행정 엔진 기술의 연장선에 있는 개념이 아니라 종래의 4-행정 엔진 기술을 2-행정 엔진으로 접목하는 새로운 접근 방식으로 2-행정 엔진의 근본적인 문제점들의 많은 부분이 해결되었다. 소기시스템의 기본 개념은 Ricardo의 Flagship과 유사한 면이 있으나 실용화 기술면에서 앞서 있다고 볼 수 있다.

 

도요다 자동차 발표를 인용하면 2-행정 디젤엔진의 경우, 4-행정 디젤엔진에 비해 NOx는 1/3 수준이며 다른 배출가스는 비슷하다. 또한 2-행정 엔진의 단점은 대부분 해결되었고 소음, 진동도 매우 양호하여 승용차용으로 개발되고 있다. 이미 2.5L와 1.2L급 S-2 디젤엔진을 개발하여 기술 자체는 거의 상용화 수준에 와 있다고 판단하고 있으나 양산을 위한 설비투자 때문에 연구를 중단하였다. ∙2-행정 디젤엔진에 대한 기대와 연구투자는 아직도 상당히 굴곡이 심하나 기술개발을 집중할 경우 2000년대 자동차용 엔진의 주종으로 부상할 가능성이 전혀 없는 것은 아니다.

 

현재까지는 낮은 관심과 투자 부족으로 인하여 다른 엔진에 비해 개발 수준이 낮은 것이 사실이지만, 세계적인 관심이 되고 있는 자동차 배기 문제의 해결을 위하여 2-행정 디젤엔진이 진지하게 재검토되고 있다.

 

행정 엔진의 기술특성

일반적으로 알려진 2-행정 엔진의 기술 수준과 장단점 및 대책을 살펴보기로 한다.

① 작동 면에서의 장점으로 폭발 횟수가 4-행정 엔진에 비해 2배이며, 따라서 배기량당, 엔진 중량당 토르크와 출력이 크며 엔진을 콤팩트하게 설계할 수 있어 차량의 설계에 유리하며, 기어비를 증대할 수 있으며, 총합적인 연비저감을 가져온다. 또한 토르크 변동이 적어 원활한 운전과 주행 승차감을 향상하기 때문에 승용차용 디젤엔진에 유리하다.

② 구조가 간단하여 경량화와 제조비용 절감의 이점이 있으나 각종 보조장치의 설치에 따라 콤팩트의 장점은 감소하고 있다.

③ 2-행정 가솔린 엔진의 경우 연소 실측에 흡입된 혼합기가 연소 전에 배기 측으로 섞여 나가기 때문에 HC가 증가되며 이의 방지를 위해 연소실내의 직접분사방식을 채용하여 공기를 흡입하고 배기 출구가 닫힌 후에 연료를 분사 혼입 한다. 그러나 짧은 시간에 분사된 연료의 양호한 혼합기 형성이 어렵다. 또한 연소실 내 신기와 잔류가스의 혼합 상태가 일정하지 않아 매 사이클 변동과 연소 불안정의 원인이 되며 고정도의 공연비 제어(feedback)가 어려워 삼원 촉매 사용이 곤란한 문제점이 있다. 저부하 시 가스 교환이 불량하여 실화나 공회 젓 시 불안정 현상이 발생할 수도 있다.

④ 엔진 오일 소모와 관련하여 wet-sump와 dry-sump 방식의 엔진 윤활 방식이 사용되고 있으나 각각의 장단점이 계속 검토되고 있다. Dry-sump는 소음과 내구성, 가격 면에서 불리하나 구조가 간단하고 중량과 효율 면에서 유리한 것으로 검토되고 있다. 엔진오일 소모 및 내구성 문제를 근본적으로 개선하기 위하여 poppet valve 방식의 소기시스템이 사용되고 있다.

⑤ 소 기효율 향상을 위하여 turbocharger나 supercharger를 이용하는 외 부소기 방식이 대부분이며 port timing 가변 기구도 사용하고 있다.

⑥ 사이클당 폭발 회수가 많아 열부하에 의한 영향이 크기 때문에 냉각 및 열전달에 대한 고려가 필요하다. 5.3.3 2-행정 엔진의 소 기방식

 

행정 엔진의 장단점 알아보기

소기(scavenging) 유로에 따라 일반적으로 횡단(cross) 소기 식, 유니플로(uniflow) 소기 식, 루우프(loop) 소기 식, 역 루우프 소기식으로 구분된다. 또한 압축공기를 공급하는 충진(charging) 방식으로 크랭크케이스(crankcase) 압축, 터보챠져(turbocharger), 슈퍼 챠져(supercharger), 터보 인터쿨러(turbo inter- cooler) 방식 등이 있다.

 

또한 소기 및 배기가스 통로 방식에 따라 포트(port) 방식과 포핏 밸브(poppet valve) 방식으로 구분되며 윤활 방식으로는 건식(dry)과 습식(wet)의 두 종류로 나누어진다. ∙이상으로 살펴본 방식들은 서로 혼합되어 설계되며 각각 다른 특징과 장단점을 갖고 있다. -횡 단소기 식(cross scavenged)은 소‧배기 구멍이 실린더 하부에 대칭으로 위치하기 때문에 소기 통과 손실이 많고, 소 기효율이 나쁘나 구조가 간단한 장점으로 인하여 소형 기관에 많이 사용되고 있다.

 

루우프소기식(loop scavenged)도 대칭소기의 결점이 있으나 횡 단소기 식에 비해 소 기효율이 높다. 그러나 이 방식은 소기구멍 면적을 충분하게 넓힐 수 없는 구조적 제한을 갖고 있다. -유니플로 소 기방식(uniflow scavenged)은 소‧배기 혼합이 적고 소 기효율이 높으며 비대칭 소기형으로 후급기를 할 수 있고 소‧배기 구멍을 실린더 원주에 만들 수 있어 구멍의 높이를 낮게 함으로써 유효 행정을 적게 할 수 있는 장점이 있어 소 기방식으로는 가장 좋은 방식이나 구조가 복잡한 결점과 포터 방식의 문제점을 함께 갖고 있다.

 

역루우프소기식은 포핏 밸브 방식에 사용되며 소비 시스템을 개선을 위한 연구가 계속되어야 하고 구조가 복잡한 문제점이 있으나, 기존 4-행정 엔진 기술을 대부분 그대로 접목하여 사용할 수 있고 포터 방식의 구조적 결점인 윤활과 내구성(durability)을 특별히 다른 대책 없이도 해결할 수 있는 등 자동차용 엔진으로 사용할 수 있는 강점이 많다. 이 방식은 일본 도요다 자동차의 S-2 엔진에서 채용하고 있으며 영국의 Ricardo와 일본의 시바우라 공대에서도 상당한 연구가 진행되고 있다.