오토 기관
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1. 개요
오토 기관은 독일의 발명가 니콜라우스 오토와 오이겐 랑겐이 개발한 내연 기관을 통칭한다. 오토는 1862년 압축 엔진, 1864년 대기압 엔진, 1876년 오토 사이클 기관을 개발했으며, 특히 1876년 개발된 오토 사이클 기관은 오늘날 가솔린 엔진의 기초가 되었다. 오토는 운송 수단보다는 고정식 설치에 사용할 엔진 개발에 집중했고, 고틀리프 다임러와 같은 다른 제작자들이 운송용 오토 기관을 개선했다. 오토 기관은 이후 다임러와 마이바흐에 의해 운송 분야에 적용되었으며, 현대 자동차 산업에 큰 영향을 미쳤다.
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2. 유형
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 오이겐 랑겐은 세 가지 유형의 내연 기관을 설계했다. 이 모델들은 실패한 1862년 압축 엔진, 1864년 대기압 엔진, 그리고 1876년의 오토 사이클 엔진이었다. 1876년 모델은 오늘날 ''가솔린 엔진''으로 알려져 있다. 오토는 운송 수단에는 관심이 없었기 때문에 이 엔진들은 처음에는 고정식 설비에 사용되었다. 이후 고틀리프 다임러와 같은 다른 제작자들이 운송용 오토 엔진을 개선했다.[1][2][3]
3. 역사 (Timeline)
연도 주요 사건 비고 1860년 에티엔 르누아가 복동식 내연 기관 개발 니콜라우스 오토에게 영감을 줌 1861년 니콜라우스 오토, 르누아 엔진 시험 중 압축의 중요성 인식 1862년 오토, 압축 방식 엔진 개발 시도 실패[4] 1864년 오토와 에우겐 란겐, NA 오토 앤 씨(NA Otto & Cie) 설립 및 대기압 엔진 개발 성공[4] 최초의 내연 기관 생산 회사 1869년 회사 도이츠로 이전, 가스모토렌-파브릭 도이츠로 개명[4] 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐 합류[5] 1876년 오토와 랑겐, 압축 방식 4행정 오토 사이클 엔진 개발 성공 현대 가솔린 엔진의 기초 확립
3. 1. 초기 개발
독일의 발명가 니콜라우스 오토는 젊은 시절 식료품 회사의 여행 판매원으로 일했다. 그는 여행 중에 벨기에 출신 장 조제프 에티엔 르누아가 파리에서 만든 내연 기관을 처음 접하게 되었다. 1860년, 르누아는 석탄가스를 연료로 사용하고 점화 플러그로 점화하는 복동식 엔진을 개발하는 데 성공했다. 하지만 이 18리터짜리 르누아 엔진은 효율이 4%에 불과했고, 겨우 2마력의 힘밖에 내지 못했다.
1861년, 오토는 르누아 엔진의 복제품을 만들어 시험하면서 연료와 공기의 혼합물을 압축하는 것이 엔진 효율에 중요하다는 점을 깨달았다. 1862년, 그는 르누아 엔진의 낮은 효율과 신뢰성을 개선하고자 직접 엔진 제작에 나섰다. 오토는 점화 전에 연료 혼합물을 압축하는 방식의 엔진을 만들려고 시도했지만, 엔진이 몇 분 이상 작동하지 못하고 파괴되는 등 실패를 겪었다. 당시 많은 기술자들이 비슷한 시도를 했지만 성공하지 못했다.[4]
1864년, 오토는 기술자 에우겐 란겐과 손을 잡고 세계 최초의 내연 기관 생산 회사인 'NA 오토 앤 씨(NA Otto & Cie)'를 설립했다. 같은 해, 이 회사는 르누아 엔진보다 개선된 대기압 엔진을 성공적으로 개발했다.[4]
사업이 확장되면서 공장 공간이 부족해지자, 1869년 회사는 독일 쾰른의 도이츠 지역으로 이전했고, 회사 이름도 '가스모토렌-파브릭 도이츠(Gasmotoren-Fabrik Deutz, 도이츠 가스 엔진 공장)'로 변경했다.[4] 고틀리프 다임러가 기술 이사로, 빌헬름 마이바흐가 엔진 설계 책임자로 회사에 합류했다. 다임러는 이전에 르누아 엔진 개발에도 참여한 경험이 있는 기술자였다.[5]
이러한 과정을 거쳐 1876년, 오토와 랑겐은 마침내 연소 전에 연료 혼합물을 압축하는 방식의 4행정 내연 기관 개발에 성공했다. 이 엔진은 이전의 어떤 엔진보다 훨씬 높은 효율을 달성하며 현대 가솔린 엔진의 기초가 되었다.
3. 2. 오토와 랑겐의 협력
니콜라우스 아우구스트 오토는 젊은 시절 식료품 회사 판매원으로 일하며 여행하던 중, 벨기에 출신 장 조제프 에티엔 르누아가 파리에서 만든 내연 기관을 접하게 되었다. 1860년 르누아는 점화 가스를 사용하는 복동식 엔진 개발에 성공했지만, 18리터 르누아 엔진은 겨우 2마력의 힘을 냈고 효율은 4%에 불과했다.
1861년 오토는 르누아 엔진 복제품을 시험하며 연료를 압축하는 것이 중요하다는 것을 깨달았다. 1862년 그는 르누아 엔진의 낮은 효율과 신뢰성을 개선하고자 점화 전에 연료 혼합물을 압축하는 엔진을 만들려 했지만, 엔진이 몇 분 만에 파괴되는 등 실패로 돌아갔다. 당시 많은 기술자들이 비슷한 시도를 했지만 성공하지 못했다.[4]
1864년, 오토는 기술자 에우겐 란겐과 손잡고 세계 최초의 내연 기관 생산 회사인 'NA 오토 앤 씨(NA Otto & Cie)'를 설립했다. 같은 해, 그들은 성공적으로 대기압 엔진을 만들어냈다.[4]
회사는 빠르게 성장하여 1869년 공장 부지 부족으로 독일 도이츠 지역으로 이전했고, 회사 이름도 '가스모토렌-파브릭 도이츠(Gasmotoren-Fabrik Deutz)'로 바꾸었다.[4] 이때 고틀리프 다임러가 기술 이사로, 빌헬름 마이바흐가 엔진 설계 책임자로 합류했다. 다임러는 이전에 르누아 엔진 개발에도 참여했던 경험 많은 기술자였다.[5]
오토와 랑겐의 협력은 계속되어, 1876년 마침내 연소 전에 연료 혼합물을 압축하는 방식의 내연 기관 개발에 성공했다. 이 엔진은 이전의 어떤 엔진보다 훨씬 높은 효율을 보여주었으며, 오늘날 가솔린 엔진의 기초가 되는 중요한 발명이었다.
3. 3. 오토 사이클 엔진 개발
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 에우겐 란겐은 세 가지 유형의 내연 기관을 설계했다. 이는 실패한 1862년 압축 기관, 1864년 대기 엔진, 그리고 1876년 오늘날 "가솔린 기관"으로 알려진 오토 사이클 기관이다. 고틀리프 다임러와 같은 다른 업체들은 오토 기관을 수송 용도로 만들었다.
젊은 시절 식료품 회사 판매원으로 일하던 니콜라우스 아우구스트 오토는 여행 중 벨기에 출신 장 조제프 에티엔 르누아가 파리에서 만든 내연 기관을 접하게 되었다. 1860년 르누아는 점화 가스를 사용하는 복동식 엔진 개발에 성공했지만, 효율은 4%에 불과했다. 18리터 르누아 엔진은 겨우 2마력의 힘을 낼 수 있었다.
1861년, 오토는 르누아 엔진의 복제품을 시험하면서 연료 충전 시 압축의 중요성을 깨달았다. 1862년 그는 르누아 엔진의 낮은 효율과 신뢰성을 개선하고자 점화 전 연료 혼합물을 압축하는 엔진을 만들려 했으나, 엔진이 몇 분 만에 파괴되는 실패를 겪었다. 당시 많은 기술자들이 이 문제 해결에 도전했지만 성공하지 못했다.[4]
1864년 오토는 오이겐 랑겐과 함께 최초의 내연 기관 생산 회사인 NA 오토 앤 컴퍼니(NA Otto and Cie)를 설립했고, 같은 해 성공적인 대기압 엔진을 만드는 데 성공했다.[4]
공장 확장을 위해 1869년 독일 도이츠로 이전하면서 회사 이름을 가스모토렌-파브릭 도이츠(Gasmotoren-Fabrik Deutz, 가스 엔진 제조 회사 도이츠)로 변경했다.[4]
고틀리프 다임러가 기술 이사로, 빌헬름 마이바흐가 엔진 설계 책임자로 합류했다. 다임러는 이전에 르누아 엔진 개발에도 참여했던 총포 제작자 출신이었다.[5]
1876년, 오토와 랑겐은 마침내 연소 전에 연료 혼합물을 압축하는 방식의 내연 기관 개발에 성공했다. 이 엔진은 당시까지 개발된 어떤 엔진보다 훨씬 높은 효율을 달성했다.
4. 대기압 엔진 (Atmospheric engine)
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 에우겐 란겐은 1864년 대기압 엔진을 설계했다. 이는 그들이 설계한 세 가지 내연 기관 유형 중 하나였다. 다른 모델로는 실패한 1862년 압축 기관과 훗날 "가솔린 기관"으로 알려진 1876년 오토 사이클 기관이 있다.
오토와 랑겐의 대기압 엔진은 초기 버전에서 에우겐 랑겐이 설계한 플루트형 기둥 설계를 사용했다. 이 엔진은 피스톤의 상향 운동 중 발생하는 동력을 랙 앤 피니언 기구를 통해 회전 운동으로 변환했다. 당시 널리 알려진 르누아 엔진은 연료 혼합물을 압축하지 않고 연소시키는 방식이었으나, 오토와 랑겐의 대기압 엔진은 이보다 훨씬 효과적인 팽창비를 가졌다. 덕분에 효율이 12%에 달했으며, 80 RPM에서 0.5hp의 출력을 냈다. 이는 르누아 엔진의 효율을 크게 앞서는 성능이었다.
이 엔진은 1867년 파리 만국 박람회에서 르누아 엔진과의 경쟁에서 우수성을 인정받아 금메달을 획득했다. 이는 엔진의 상업적 생산과 판매를 가능하게 했고, 추가 연구 자금을 확보하는 계기가 되었다. 초기 설계에는 랙을 안정시키기 위한 프레임이 있었으나, 곧 설계가 단순화되면서 프레임과 플루트형 실린더는 제거되었다. 대기압 엔진은 가스 화염 점화 시스템을 사용했으며, 0.25hp에서 3hp 사이의 다양한 출력 크기로 제작되었다.
1872년, N.A. 오토 & Co.는 가스모토렌-파브리크 도이츠로 개편되었다. 이때 경영진은 고틀리프 다임러를 공장 관리자로 영입했고, 다임러는 8월에 수석 디자이너 빌헬름 마이바흐와 함께 회사에 합류했다.[6] 다임러는 생산성을 향상시켰지만, 오토의 수직 피스톤 설계가 가진 약점과 다임러가 대기압 엔진 방식에 집중하면서 기술 개발은 정체되었다.[7]
대기압 엔진은 상업적으로 성공하여 1875년에는 연간 634개의 엔진을 생산했다.[7] 그러나 최대 출력이 3hp에 불과함에도 불구하고 작동을 위해 약 3.05m에서 약 3.96m 높이의 공간이 필요하다는 기술적 한계에 부딪혔다.[7] 결국 1882년, 총 2,649개의 엔진을 생산한 후 대기압 엔진 생산은 중단되었다. 공교롭게도 같은 해에 다임러와 마이바흐는 회사를 떠났다.[4]
5. 오토 사이클 (The Otto cycle)
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 에우겐 란겐은 1862년 압축 기관, 1864년 대기 엔진, 그리고 1876년 오늘날 가솔린 기관으로 알려진 오토 사이클 기관 등 세 가지 유형의 내연 기관을 설계했다. 이 중 오토 사이클 기관은 고틀리프 다임러와 같은 다른 업체들에 의해 수송 용도로 활용되었다.
오토는 14년간의 연구 개발 끝에 1876년 5월 9일 압축 충전 방식의 내연 기관을 성공적으로 만들었다. 그는 연료 혼합물을 실린더 내부에 층을 이루어 쌓는 '층상 충전'(성층 충전) 방식을 고안하여, 연료가 폭발적으로 연소하지 않고 점진적으로 타도록 했다. 이는 제어된 연소를 가능하게 했고, 이전 엔진들을 파괴했던 폭발 문제 대신 피스톤을 더 오랫동안 밀어낼 수 있게 만들었다. 당시 사용된 연료는 조명 가스였다.
이 엔진은 동력을 얻기 위해 4개의 행정(사이클)을 사용하며, 현재 오토 사이클 엔진으로 알려져 있다. 오토는 고틀리프 다임러가 회사에 영입한 프란츠 링스와 헤르만 슈움의 도움을 받아 4행정 사이클 개발에 집중했다.[7] 우리가 흔히 '오토 사이클'이라고 부르는 것은 오토 & 랑겐 엔진이 아닌, 바로 이 1876년의 '오토 사일런트 엔진'을 가리킨다. 이 엔진은 윌리엄 바넷이 1838년 특허를 낸 실린더 내 압축 기술을 사용하여 상업적으로 성공한 최초의 엔진이었다. 링스-슈움 엔진은 1876년 가을에 출시되어 즉시 큰 성공을 거두었다.[7]
초기 압축 엔진의 실린더는 수평으로 배열되었다. 또한, 당시 신뢰성이 낮았던 전기 점화 방식 대신 '가스 불꽃 점화' 방식과 슬라이더 밸브 제어를 채택하여 레누아르 엔진이 해결하지 못했던 점화 문제를 해결했다. 오토 엔진 개발 이전 15년 동안 내연 기관의 최고 출력은 3마력에 불과했지만, 오토 엔진 개발 이후 몇 년 만에 엔진 출력은 1000마력까지 크게 향상되었다.[4]
오토 사이클 엔진은 시간이 지나면서 리가로인, 휘발유, 그리고 다양한 종류의 가스를 연료로 사용하도록 개량되었다. 특히 제2차 세계 대전 중에는 목재 가스, 석탄 가스, 프로판, 수소, 벤젠 등 62가지가 넘는 다양한 연료로 작동되기도 했다. 다만 오토 엔진은 주로 경질 연료에 사용이 제한된다는 특징이 있으며, 이후 개발된 디젤 엔진은 중질 연료나 오일도 연소할 수 있다는 차이점이 있다.
5. 1. 기화기 및 저전압 점화 시스템 (Carburetor and low voltage Ignition)
1884년, 도이츠는 기화기와 신뢰성 있는 저전압 점화 시스템을 개발했다. 이는 액체 석유 연료를 최초로 사용할 수 있게 했고, 엔진이 수송 분야에 활용될 길을 열었다. 이러한 개발은 고틀리프 다임러와 빌헬름 마이바흐의 연구와 병행하여 이루어졌는데, 그들 또한 다임러 라이트바겐의 초기 열 튜브 점화 장치를 대체하는 기화기와 마그네토 점화 시스템을 개발했다. 이 마그네토 점화 시스템은 로버트 보쉬 주식회사가 생산한 마그네토의 기반이 되었다. 다임러는 수송 분야에서 오토 엔진 개발을 계속한 반면, 도이츠는 디젤 엔진으로 전환했다.6. 고정식 엔진 (Stationary engines)
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 에우겐 란겐은 세 가지 유형의 내연 기관을 설계했다. 이들이 개발한 엔진은 1862년의 실패한 압축 기관, 1864년의 대기 엔진, 그리고 1876년의 오토 사이클 기관으로 발전했으며, 1876년의 오토 사이클 기관은 오늘날 가솔린 기관의 기초가 되었다. 오토와 란겐이 개발한 초기 엔진들은 주로 고정식 동력원으로 사용되었으며, 이후 다임러와 같은 다른 업체들이 오토 기관을 수송 수단에 적용하기 시작했다.
6. 1. 점화 플러그 점화 (Spark plug firing)
오토 기관은 연료 혼합물을 점화시키기 위해 다양한 기계적 설계를 사용했다. 초기 오토 기관은 점화 플러그를 사용하여 작은 전기 스파크를 일으켜 점화하는 방식을 채택했다. 이는 점화 플러그를 사용한 최초의 기관 중 하나였다. 일반적으로 이 방식은 전원 스위치 레버를 짧게 잡고 빠르게 당기는 회전식 트립 암으로 작동했다. 레버를 당겼다가 놓으면 다음 사이클을 위해 원래 위치로 돌아갔다. 이 시스템은 외부 전기 배터리, 점화 코일, 그리고 현대 자동차 엔진과 유사한 전기 충전 시스템을 필요로 했다.이후 개발된 오토 기관들은 엔진에 직접 부착된 소형 마그네토를 사용했다. 이 방식에서는 스위치를 조작하는 대신, 점화 플러그 발화 암이 마그네토 로터에 빠른 회전을 가하고, 로터는 스프링의 힘으로 다시 돌아왔다. 마그네토 코일의 빠른 회전은 짧은 시간 동안 전류를 발생시켜 점화 플러그에서 불꽃을 일으키고 연료를 점화했다. 이 설계는 외부 배터리가 필요 없다는 장점이 있다. 이는 현대의 휴대용 가스 엔진이 작동하는 방식과 유사하며, 마그네토의 자석 부분을 플라이휠에 통합하기도 한다. 현대 휴대용 엔진은 플라이휠이 회전할 때마다 마그네토를 작동시키지만, 엔진의 동력 행정 외에는 불필요한 점화를 막기 위해 캠으로 작동하는 전기 스위치를 사용한다(소모성 스파크 참조).
6. 2. 엔진 속도 조절 (Engine speed regulation)
오토 엔진은 원심 거버너를 이용하여 엔진 속도를 조절한다. 회전하는 공 모양의 원심 거버너는 엔진 속도에 따라 움직이며 속도를 제어한다. 엔진이 느리게 작동할 때는 거버너에 연결된 작은 바퀴가 왼쪽으로 이동하여 근처의 롤러를 밀어 올린다. 이 움직임은 연료 흡입 장치를 작동시켜 엔진이 연료를 받아 한 번 회전하도록 한다.
만약 엔진에 부하가 걸려 있고 속도가 여전히 느리다면, 연료 흡입 캠은 계속 삽입된 상태를 유지하여 매 점화 주기마다 엔진이 연료를 받아 작동하게 한다. 반대로 엔진 속도가 설정된 값 이상으로 증가하면, 거버너는 작은 바퀴를 오른쪽으로 당긴다. 이 경우 연료는 주입되지 않고 엔진은 관성에 의해 자유롭게 회전하지만, 점화 플러그는 실린더 내에 연료가 없어도 계속해서 점화한다.
이러한 속도 제어 방식은 히트 앤 미스(Hit and Miss) 방식으로 불린다. 엔진 속도가 너무 낮을 때는 연료를 주입하고 점화하여 '성공'(Hit)하고, 엔진 속도가 규정된 속도보다 빠를 때는 연료 주입 없이 점화만 하여 '실패'(Miss)하기 때문이다. '실패'하는 주기에서는 연료가 소모되지 않는다.
6. 3. 실린더 냉각 (Cylinder cooling)
오토 기관은 실린더 벽 주위에 워터 재킷을 설치하여 냉각하는 방식을 사용하는데, 이는 현대 자동차 엔진의 냉각 시스템과 유사하다.[1] 서부 미네소타 증기 탈곡기 동호회에 전시된 고정식 오토 기관들의 경우, 건물 외부에 설치된 하나의 큰 라디에이터를 모든 엔진이 공유하는 방식으로 냉각한다.[1] 이러한 중앙 집중식 원거리 열 발산 시스템은 엔진이 설치된 건물을 시원하게 유지하는 데에도 도움을 준다.[1]7. 운송 분야에서의 활용 (First use in transportation)
독일의 발명가 니콜라우스 오토와 그의 파트너 에우겐 란겐이 개발한 오토 사이클 기관은 오늘날 가솔린 기관의 기초가 되었다. 오토 엔진의 발전 방향에 대해 오토와 당시 그의 매니저였던 고틀리프 다임러는 서로 다른 생각을 가지고 있었다. 오토는 주로 고정된 장소에서 사용하는 대형 엔진 생산에 집중하기를 원했지만, 다임러는 운송 수단에 적용할 수 있는 소형 엔진 개발을 중요하게 생각했다.
이러한 의견 차이로 인해 다임러는 1882년 빌헬름 마이바흐와 함께 오토의 회사를 떠나 독자적으로 운송용 엔진 개발에 나섰다.[9] 다임러와 마이바흐는 곧 작고 효율적인 엔진을 개발하여, 1885년 이를 장착한 다임러 라이트바겐을 선보였다. 이는 오토 엔진이 운송 분야에 처음으로 활용된 중요한 사례이다.[10][11][12]
이후 오토의 회사인 도이츠 AG는 대형 정지형 엔진 생산에 주력했고, 다임러는 보트, 비행선, 자동차 등 다양한 운송 수단용 엔진 개발로 사업을 확장했다.[1] 도이츠는 세계에서 가장 오래된 엔진 생산 업체 중 하나로 명맥을 잇고 있으며,[1] 다임러가 설립한 다임러 모토렌 게젤샤프트는 벤츠 & Co.와 합병하여 다임러-벤츠(현 메르세데스-벤츠 그룹)로 발전했다.[13] 오토 사이클 엔진은 오늘날 전 세계 거의 모든 자동차 제조사가 사용할 정도로 보편화되어 현대 운송 시스템의 핵심 기술로 자리 잡았다.[15]
7. 1. 다임러 라이트바겐
니콜라우스 오토와 그의 매니저였던 고틀리프 다임러는 오토 엔진의 미래 활용 방향에 대해 서로 다른 생각을 가지고 있었다. 오토는 주로 고정된 장소에서 사용하는 대형 엔진 생산에 집중하기를 원했지만, 다임러는 운송 수단에 적용할 수 있는 소형 엔진 개발을 중요하게 생각했다. 이러한 의견 차이로 인해 다임러는 1882년 오토의 회사를 떠나면서 빌헬름 마이바흐와 함께 독립했다. 1883년, 다임러와 마이바흐는 작고 효율적인 0.5마력 엔진을 개발하는 데 성공했다.[9]
1885년, 다임러와 마이바흐는 오토의 아이디어를 발전시켜 '할아버지 시계 엔진(Grandfather Clock engine)'이라는 별명을 가진 엔진을 만들고, 이 엔진을 중심으로 이륜차 형태의 프레임을 제작했다.[10] 이 엔진은 최초의 고속 휘발유 엔진이었다.[11] 다임러의 아들인 파울 다임러가 이 엔진을 장착한 이륜차, 즉 다임러 라이트바겐(Daimler Reitwagen)을 처음으로 운전했으며, 이는 역사상 최초의 내연 기관 자동차로 기록된다.[12]
이후 다임러와 마이바흐가 설립한 회사인 다임러 모토렌 게젤샤프트(DMG)는 벤츠 & Co.와 합병하여 다임러-벤츠가 되었고, 자동차 브랜드로 메르세데스-벤츠를 사용하게 되었다.[13]
참조
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서적
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