자동차 엔진

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1. 개요

자동차 엔진은 자동차에 동력을 제공하는 장치로, 내연 기관이 주를 이루었으나, 환경 문제로 인해 전기 자동차 엔진의 비중이 증가하고 있다. 초기에는 증기 기관이 사용되었으나, 20세기 내연 기관이 등장하며 가솔린 엔진이 널리 사용되었다. 이후 디젤 엔진, LPG 엔진, 전기 모터, 하이브리드 엔진 등 다양한 종류가 개발되었다. 현재는 4행정 기관이 일반적이며, 다운사이징 엔진, 가변 밸브 타이밍, 직접 연료 분사, 엔진 제어 장치 등 기술 발전을 통해 연비 향상과 배기가스 저감을 이루고 있다.

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현대 알파엔진은 현대자동차에서 생산한 직렬 4기통 가솔린 엔진 시리즈로, 다양한 배기량과 기술이 적용되어 1990년대부터 2000년대 초반까지 여러 현대 및 기아 자동차에 탑재되었다.
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자동차 엔진

2. 역사

초창기에는 증기 기관과 전동기가 시도되었지만 성공은 제한적이었다. 20세기에 들어 내연 기관(ICE)이 지배적이 되었다.^[3] 2015년 현재, 내연 기관은 여전히 가장 널리 사용되고 있지만, 배출 가스 문제로 인해 전기 자동차가 다시 주목받고 있다.

2017년 기준으로 미국 자동차의 대다수는 가솔린으로 구동된다. 1900년대 초, 내연 기관은 증기 기관, 전동기와 경쟁했으나, 곧 가장 인기 있는 자동차 엔진이 되었다.^[4] 내연 기관은 실린더 내에서 탄화수소를 연소시켜 발생하는 폭발 압력으로 피스톤을 미는 방식으로 작동한다.^[3] 당시 제조된 자동차 중 약 1/4만이 내연 기관 자동차였다. 19세기에 루돌프 디젤은 압축만으로 가열된 공기에 액체 연료를 분사하는 새로운 형태의 내연 기관을 발명했다.^[3]

2. 1. 초창기 자동차 엔진

역사상 가장 초기의 자동차들은 증기 기관을 사용하여 동력을 얻었다.^[3] 증기 기관은 1700년대 후반에 발명되었으며, 엔진과 증기 기관차에 동력을 공급하는 주요 방법이었다. 가장 인기 있는 증기 자동차 중 하나는 "스탠리 스티머"였는데, 낮은 오염, 강력한 출력, 그리고 빠른 속도를 제공했다.

그러나 증기 자동차는 신뢰성이 부족하고, 복잡하며, 빈번한 사고를 동반했다.^[5] 시동 시간은 최대 45분이 걸릴 수 있었는데, 이는 더 빠른 운송 수단의 목적에 부합하지 않았다. 증기 자동차가 개선되었을 무렵에는, 가솔린 자동차에 비해 제조가 복잡하여 수익성이 떨어졌다.^[5] 1900년대 초, 애브너 도블은 효율성 면에서 포드 모델 T를 능가할 잠재력을 가진 증기 동력 자동차를 미국에 소개했다.^[8] 증기는 매우 효율적인 연비를 가지며 고출력의 원천으로 알려져 있었지만, 운전자가 보일러와 증기 기관에 대한 완전한 지식을 갖추어야 한다는 주요 단점이 있었다. 운전자가 이를 소홀히 할 경우 엔진에 치명적인 손상을 줄 수 있기 때문이었다.^[7]

초창기에는 증기 기관과 전동기가 시도되었지만 성공은 제한적이었다. 20세기에 들어 내연 기관 (ICE)이 지배적이 되었다.^[3]

2. 2. 내연 기관의 등장과 발전

19세기 후반, 가솔린 엔진이 발명되면서 자동차 엔진의 역사는 새로운 전기를 맞이했다. 초기에는 증기 기관과 전동기가 시도되었지만 성공은 제한적이었다. 20세기에 들어 내연 기관(ICE)이 지배적이 되었다.^[3] 내연 기관은 특정 폭발의 압력에 의해 피스톤이 밀리는 개념으로 작동한다.^[3] 이 폭발은 엔진의 실린더 내에서 탄화수소를 연소시키는 것이다. 당시 제조된 모든 자동차 중 약 1/4만이 실제로 내연 기관으로 간주된다. 그 후 몇 년 안에, 내연 기관은 가장 인기 있는 자동차 엔진이 되었다.^[4]

휘발유(가솔린)는 점화 착화 방식으로 동력을 얻으며 주로 높은 회전수를 요구하는 기관에 사용된다. 소형 발전기부터 승용차, 모터사이클(오토바이) 등에 사용되는 것이 일반적이다.

19세기에 루돌프 디젤은 압축만으로 가열된 공기에 액체 연료를 분사하는 개념을 사용하여 새로운 형태의 내연 기관을 발명했다.^[3] 경유(디젤)는 압축 착화 방식을 이용하여 동력을 얻으며 낮은 엔진 회전수에서 높은 토크를 얻으므로 주로 대형 기관, 버스, 트럭 등에 이용되었으나 최근에는 분사 기술의 발달로 소형 승용차까지 널리 사용되고 있다.

2. 3. 친환경 자동차 엔진의 부상

20세기 후반부터 내연 기관 배출 가스 배출에 대한 우려가 커지면서 전기 자동차의 부활이 예상된다.^[3] 1900년대 초, 내연 기관은 증기 기관과 전동기와의 경쟁에 직면했지만, 얼마 지나지 않아 가장 인기 있는 자동차 엔진이 되었다.^[4] 19세기에 루돌프 디젤은 압축만으로 가열된 공기에 액체 연료를 분사하는 개념을 사용하여 새로운 형태의 내연 기관을 발명했는데,^[3] 이는 자동차, 특히 대형 트럭과 같은 대형 차량에 사용되는 현대식 디젤 엔진의 전신이다.

3. 자동차 엔진의 종류

자동차 엔진은 연료와 작동 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다.

역사상 초기의 자동차들은 증기 기관을 사용하여 동력을 얻었다. 1700년대 후반에 발명된 증기 기관은 애브너 도블에 의해 포드 모델 T를 능가할 잠재력을 가진 증기 동력 자동차로 미국에 소개되었다.^[8] 증기는 효율적인 연비와 고출력을 제공하여 19세기와 20세기 초반까지 널리 사용되었으나, 보일러와 증기 기관에 대한 전문 지식이 필요했고, 관리 소홀 시 엔진에 치명적인 문제가 발생할 수 있었다.^[7]

토요타 자동 직기는 엔진을 가솔린과 디젤 두 종류로 분류하고,^[12] 연소실은 "직분사" (가솔린 직분사 엔진, 2행정 기관, 4행정 기관)와 "와류실식 디젤 엔진"^[13]으로 분류한다.^[12] 각 엔진에 따라 최고 출력과 최대 토크는 다르다.^[12]

내연 기관 연료로는 디젤, 가솔린, 액화석유가스(LPG), 에탄올 등이 사용된다.

전기 자동차는 배터리의 전기를 전동기에 공급하여 동력을 얻는다. 초기에는 충전 용량 한계로 주행 거리가 짧아 사라졌지만, 축전지 기술 발달로 친환경 동력으로 다시 주목받고 있다.

하이브리드 엔진은 둘 이상의 동력원을 이용하며, 현재는 휘발유+전기 모터 방식이 주를 이루지만, 디젤+하이브리드 방식도 개발되어 점차 범위가 넓어지고 있다.

3. 1. 내연 기관

현대의 자동차 엔진은 대부분 4행정 기관이다. 4행정 기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정에 의해 한 주기를 끝내는 내연기관으로 왕복운동 엔진의 가장 일반적인 예이다. 내연기관은 연료를 공기 중의 산소와 완전 연소가 이루어지도록 잘 혼합된 상태에서 압축을 한 다음 연소를 시킬 때 발생하는 열에너지를 직접 이용해 운동에너지를 얻는다.^[7]

역사상 가장 초기의 자동차들은 증기 기관을 사용하여 동력을 얻었다. 내연 기관에는 디젤, 가솔린, 액화석유가스(LPG), 에탄올 등 다양한 종류의 연료가 사용된다.

3. 1. 1. 가솔린 엔진

휘발유(가솔린)를 주 연료로 하여 점화 착화 방식으로 동력을 얻으며 주로 높은 회전수를 요구하는 기관에 사용된다. 소형 발전기부터 승용차, 모터사이클(오토바이)등에 사용되는게 일반적이다.

가솔린 엔진은 제조업체와 소비자 모두에게 빠르게 선택받게 되었다. 초기의 거친 시작, 시끄럽고 더러운 엔진, 그리고 어려운 기어 변속에도 불구하고, 생산 라인과 엔진의 발전과 같은 새로운 기술은 가스 자동차의 표준 생산을 가능하게 했다. 이것은 1876년 가스 자동차의 발명에서 1890년대의 대량 생산 시작에 이르는 시작이다. 헨리 포드의 포드 모델 T는 자동차 가격을 더 저렴한 가격으로 낮추었다. 동시에 찰스 케터링은 전기 시동기를 발명하여, 기계식 수동 크랭크 없이 엔진을 시동할 수 있게 했다.^[5] 풍부한 연료는 가스 자동차가 매우 유능하고 저렴하게 만들었다. 가솔린 수요는 1919년 에서 1929년 약 로 증가했다.^[6]

내연 기관은 탄화수소 가스 연료의 연소로 생성된 가스의 팽창에 의해 구동된다.^[7] 좀 더 자세히 설명하자면, 내연 기관은 주입된 탄화수소 연료에 의해 생성된 연소의 열을 사용하여 기계적 운동을 생성한다. 1900년대 초, 목재 알코올은 프랑스와 독일 자동차의 인기 있는 연료였지만, 정부가 생산에 대한 높은 세금을 부과하면서 목재 알코올의 가격이 가솔린 가격보다 높아졌다. 그 결과 가솔린 엔진이 인기를 얻게 되었고, 내연 기관은 일반적으로 가솔린 엔진으로 알려지게 되었다. 가솔린 엔진은 인기를 얻었지만, 폭발을 일으킬 수 있는 연료 누출의 위험으로 인해 특히 바람직하지 않았다. 따라서 많은 발명가들이 그 결과로 등유 연소 엔진을 만들려고 시도했다. 이것은 자동차 사용에 적용하는 데 성공적인 시도가 아니었다. 내연 기관에는 다양한 종류의 연료가 있다. 여기에는 디젤, 가솔린, 에탄올이 포함된다.

3. 1. 2. 디젤 엔진

경유(디젤)를 주 연료로 하여 압축 착화 방식을 이용하여 동력을 얻으며 낮은 엔진 회전수에서 높은 토크를 얻는다. 주로 버스, 트럭 등 대형 기관에 이용되었으나, 최근에는 분사 기술의 발달로 소형 승용차까지 널리 사용되고 있다.

3. 1. 3. LPG 엔진

LPG 엔진은 액화석유가스(LPG)를 연료로 사용하며, 가솔린 엔진과 유사한 방식으로 작동한다. LPG 엔진은 연료비가 저렴하고, 배기가스 배출량이 적다는 장점이 있다. 현대자동차는 2010년 LPG와 전기 모터를 결합한 LPG 하이브리드 자동차를 세계 최초로 양산하기도 했다.^[5]

3. 2. 전기 모터

전기 자동차는 배터리에 전기를 저장하여 전동기에 전원을 공급하는 방식으로 작동한다. 전기 모터는 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 방식을 사용한다. AC 모터는 일반적으로 더 저렴하지만, 컨트롤러 및 인버터와 같이 전기 자동차에서 작동하는 데 필요한 부품 때문에 DC 모터보다 더 비싸다. 전기 자동차는 크랭크축과 같은 가솔린 자동차 부품을 사용하지 않아 가솔린보다 훨씬 빠르게 전력을 생성하고, 더 빠른 가속이 가능하다.^[9]^[10]

초기에는 축전지의 충전 용량 한계로 인해 주행 거리가 짧아 시장에서 사라졌지만, 축전지 기술이 발달하면서 친환경 동력으로 다시 주목받고 있다. 1800년대 초에 처음 발명되었으며, 1890년경 윌리엄 모리슨(William Morrison)이 시속 14마일을 주행하는 최초의 전기차를 만들면서 실행 가능한 운송 수단이 되었다. 전기 자동차는 가솔린 자동차와 달리 낮은 공해와 소음 없는 주행을 제공했지만, 재충전 없이 약 20마일을 주행할 수 있는 짧은 주행 거리가 문제였다. 당시 배터리의 부피 때문에 제조업체는 배터리 수를 늘릴 수 없었고, 전기 자동차 구매에 대한 인센티브도 없었기 때문에 가솔린 자동차가 가장 실행 가능한 옵션이었다.^[5]

1970년대에는 1973년 OPEC 석유 금수 조치로 인해 전기 자동차가 다시 등장했다. 이전에는 풍부한 가솔린이 차량의 주요 연료원이었지만, 부족 사태 이후 제조업체들은 다시 전기 자동차를 찾기 시작했다. 1800년대의 향상된 기술에도 불구하고, 전기 자동차는 제한된 주행 거리와 속도와 같은 유사한 기술적 결함에 직면했다. 당시 전기차는 시속 45마일까지 주행할 수 있었고 약 40마일의 주행 거리를 가졌다.^[11]

3. 3. 하이브리드 엔진

둘 이상의 동력원을 이용하여 차량을 구동하는 방식이다. 현재에는 휘발유+전기 모터 구동 방식이 주를 이루고 있으나 대형 트럭을 시작으로 디젤+하이브리드 방식도 개발되어 점차 그 범위가 넓어지고 있다. 2010년에 현대자동차에서 LPG+하이브리드라는 기술을 아반떼 LPi 하이브리드에 적용하여 양산한 사례가 있다.

4. 자동차 엔진의 특징

현대의 자동차 엔진은 대부분 4행정 기관이다. 4행정 기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정으로 한 주기를 끝내는 내연기관으로 왕복운동 엔진의 가장 일반적인 예이다. 내연기관은 연료를 공기 중의 산소와 완전 연소가 이루어지도록 잘 혼합된 상태에서 압축한 다음 연소할 때 발생하는 열에너지를 직접 이용해 운동에너지를 얻는다.

자동차 엔진의 주요 특징은 높은 출력 대 중량비이며, 이는 높은 회전 속도를 통해 얻을 수 있다. 자동차 엔진은 때때로 해양 용도로 개조되어 선박용 자동차 엔진을 형성하기도 한다.

5. 최근 기술 동향

최근 자동차 엔진 기술은 친환경, 고효율, 고성능을 목표로 발전하고 있다. 유럽 국가와 일본은 전자 엔진 제어 장치 같은 고기술을 사용하는 첨단 설계에 많은 투자를 하였다. 그 결과 2013년 기준으로, 개발 예산과 관련 기술력이 부족했던 중국 자동차 제조업체 및 부품 공급업체에 비해 우위를 점하고 있었다.^[2]

5. 1. 다운사이징 엔진

다운사이징 엔진은 엔진의 배기량을 줄이면서도 터보차저, 슈퍼차저 등 과급기를 통해 출력을 유지하거나 향상시키는 기술이다. 다운사이징 엔진은 연비를 개선하고, 배기가스 배출량을 줄이는 데 효과적이다.

5. 2. 가변 밸브 타이밍 (VVT)

가변 밸브 타이밍은 엔진의 흡기 및 배기 밸브 개폐 시기를 조절하여 엔진의 효율을 높이는 기술이다. 가변 밸브 타이밍은 연비 개선, 출력 향상, 배기가스 저감 등 다양한 효과를 얻을 수 있다.

이 절에 대한 추가 설명이 필요하다.

5. 3. 직접 연료 분사 (GDI)

직접 연료 분사(GDI, Gasoline Direct Injection)는 연료를 연소실 내부에 직접 분사하여 연소 효율을 높이는 기술이다. 이 방식을 통해 연비 개선, 출력 향상, 배기가스 저감 등의 효과를 얻을 수 있다.

5. 4. 엔진 제어 장치 (ECU)

유럽 국가와 일본은 전자 엔진 제어 장치(ECU)와 같은 고기술을 사용하는 첨단 설계에 막대한 투자를 하였다. 그 결과, 2013년 기준으로 개발 예산이 적고 고기술 엔진 및 파워트레인 설계를 위한 부품 생산 능력이 부족했던 중국 자동차 제조업체 및 부품 공급업체에 비해 이점이 있었다.^[2]

6. 참고: 엔진 종류에 따른 분류 (토요타)

토요타 자동 직기의 공식 웹사이트에 따르면, 엔진은 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 두 종류로 분류되며^[12], 연소실은 직분사 방식( 가솔린 직분사 엔진, 2행정 기관, 4행정 기관 <4행정 기관의 해설은 연소실#디젤 엔진의 연소실도 참조>)과 와류실식 디젤 엔진^[13]으로 분류된다^[12]。 각 엔진에 따라 최고 출력과 최대 토크가 다르다^[12]。 토요타 중앙 연구소는 "와류실식 디젤 엔진의 연소 개선에 의한 배기 정화"라는 제목으로 연구 보고서(논문)를 공표하였다^[14]。

참조

_[1] 뉴스 Trucking Industry Is Set to Expand Its Use of Natural Gas https://www.nytimes.[...] 2013-04-22
_[2] 뉴스 Propulsion systems The great powertrain race Carmakers are hedging their bets on powering cars https://www.economis[...] 2013-04-20
_[3] 논문 Early IC and Automotive Engines Carnot Press 1976
_[4] 서적 Steam Engines Cavendish Square Publishing 2006
_[5] 웹사이트 The History of the Electric Car https://energy.gov/a[...] 2017-03-28
_[6] 웹사이트 Automobile and the Environment in American History: Energy Use and the Internal Combustion Engine http://www.autolife.[...] 2017-03-28
_[7] 서적 Lee's American Automobile Handbook https://play.google.[...] Laird & Lee 1902
_[8] 간행물 Full Steam Ahead 2017
_[9] 웹사이트 AC versus DC charging - what is the difference - Plug In America https://pluginameric[...] 2017-04-11
_[10] 웹사이트 How Do Battery Electric Cars Work? http://www.ucsusa.or[...] 2017-04-11
_[11] 웹사이트 Alternative Fuels Data Center: How Do All-Electric Cars Work? http://www.afdc.ener[...] 2017-04-09
_[12] 웹사이트 自動車用エンジン https://www.toyota-s[...] 豊田自動織機 2024-09-07
_[13] 웹사이트 渦流室式燃焼室 https://car.motor-fa[...] 三栄 2024-09-07
_[14] 웹사이트 渦流室式ディーゼルエンジンの燃焼改善による排気浄化 https://www.tytlabs.[...] 豊田中央研究所 2024-09-07