10년 후, 자동차에 사용될 에너지원 ① 가솔린엔진

자동차시대의 서막을 알리며, 수송과 이동수단에 혁명을 일으킨 가솔린자동차

일단, 지금까지 시험 제작조차 이뤄지지 않은 새로운 에너지원이 있다면, 그것은 적어도 10년 안에 양산차량으로 만나기는 힘들 것이라 예상된다. 전기자동차의 역사는 무려 180년이 넘고, 수소 연료전지 자동차 또한 20년이 넘는 역사를 가지고도 자동차 시장에 참여하기 위해 도전을 계속하고 있는데 이런 관점에서 볼 때, 지금까지 양산되었거나 금명간 양산이 예정된 에너지원을 사용하는 자동차만이 10년 뒤, 우리가 일상에서 볼 수 있는 자동차일 것이다. 

올해는(2016년) 자동차가 등장한 지 130년이 되는 해이다. 이때의 자동차는 가솔린엔진의 자동차를 말하며, 앞서 개발된 증기자동차, 전기자동차와 달리 자동차의 외관을 갖추고 실제 도로주행이 가능했다. 

자동차 시대의 서막을 알리며, 수송과 이동 수단에 혁명을 일으킨 가솔린 자동차. 먼저 가솔린의 사전적 의미를 보면 ‘원유를 분별 증류했을 때 30~200℃ 범위에서 끓는 액체 상태의 석유’를 말한다. 가솔린엔진의 기본 원리는 휘발성이 높은 휘발유를 공기와 혼합해 직접 분사, 연소실에 보낸 후 점화 플러그로 만든 전기불꽃으로 점화·연소시키는 방식이다.

 

가솔린엔진

<가솔린엔진. 출처- Britannica Visual Dictionary © QA International 2012.(www.ikonet.com) All rights reserved.>

<가솔린엔진. 사진 출처- Britannica Visual Dictionary © QA International 2012.(www.ikonet.com) All rights reserved>

가솔린기관이라고도 하며, 작동 방식에 따라 4행정(스트로크) 기관과 2행정 기관이 있다. 4행정 기관의 작동 방식은 프랑스 더 로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일 오토가 처음으로 실용 엔진을 제작하였다. 4행정 기관의 작동원리는 2회전·4행정으로 이루어져 있다. 

즉, ① 흡입행정:피스톤이 하강하면서 연료와 공기의 혼합기를 기화기를 통하여 흡입한다.(흡입밸브 열림, 배기밸브 닫힘)

② 압축행정:피스톤이 올라가면서 흡입된 혼합기를 압축한다.(흡입밸브·배기밸브 모두 닫힘).

③ 팽창행정:압축된 혼합기에 전기불꽃으로 점화·폭발시켜 그 가스의 압력으로 피스톤이 내려가면서 동력을 발생시킨다.(흡입밸브·배기밸브 모두 닫힘)

④ 배기행정:피스톤이 올라감으로써 연소 가스가 배출된다.(흡입밸브 닫힘, 배기밸브 열림) 

2행정 기관의 작동원리는 1880년 영국의 D. 클라크가 고안하였는데, 1회전마다 폭발하는 기관이다. 2행정(크랭크케이스 압축식)은 피스톤이 올라갈 때 흡입구에서 크랭크케이스 안으로 흡입하고, 피스톤이 내려갈 때 이것을 압축하여 배기구가 열리는 동시에 실린더 속으로 보낸다. 

<4행정 엔진/4행정 사이클 기관. 사진 출처-Britannica Visual Dictionary © QA International 2012.(www.ikonet.com) All rights reserved>

구조는 공랭식도 있으나 보통 수랭식을 많이 쓴다. 본체는 동력을 발생시키는 부분으로, 실린더·피스톤·연결봉·크랭크축·캠축·흡배기 밸브 기구·플라이휠 등으로 되어 있다. 연료장치 가운데 기화기(카뷰레터)는 가솔린엔진에만 있는 장치이며, 가솔린과 공기를 적당한 비율로 혼합시켜 실린더에 보낸다. 기화기의 스로틀밸브는 개폐에 의해 흡입되는 혼합기의 양을 조절하여 출력을 조정한다. 최근에는 기화기가 없이 연료분사기를 이용하여 공기의 흐름 중에 분사하여 혼합기를 얻거나, 각 실린더 내에 연료를 분사하는 방식이 연비나 배기가스 등의 이유로 많이 사용된다. 이 밖에 연료펌프, 공기청정기, 흡기 다기관 등이 있다. 점화장치는 실린더에 흡입된 혼합기를 점화시키는 장치로, 축전지·감응코일·단속기·배전기·점화플러그·축전기 등으로 되어 있다. 축전지 대신에 자석을 이용한 발전기를 사용하는 것도 있다. 윤활장치는 피스톤이나 각 베어링 부분에 윤활유를 보내는 장치로서, 오일 펌프·오일 청정기·오일 팬 등으로 되어 있다. 냉각장치는 엔진이 과열하지 않도록 온도를 적당히 유지하기 위한 것으로, 공랭식과 수랭식이 있다. 공랭식에는 냉각용 핀을 장치한 것이 많고, 수랭식에는 물 펌프·라디에이터(방열기)·팬·온도조절기 등이 있다. 

<2행정 엔진 사이클/2행정 사이클 기관. 사진 출처-Britannica Visual Dictionary © QA International 2012.(www.ikonet.com) All rights reserved>

2행정 기관은 작고 가벼우며 큰 출력을 낼 수 있고, 일반적으로 흡배기 밸브가 없으므로 구조도 간단하다. 또 1회전마다 폭발하므로 회전이 원활한 장점도 있다. 그러나 흡입의 배기 작용이 완전하지 못하기 때문에 배기 때 혼합 가스의 일부가 배기가스와 함께 배출되므로, 연료 소모가 많아서 대형 기관에는 쓰이지 않는다. 일부 2행정 기관에서는 배기 밸브를 적용하여 연료 효율을 향상시키기도 한다. 이 엔진은 다른 기관에 견줘 중량·용적당 출력이 비교적 크고, 운전과 관리가 쉽기 때문에 오토바이·자동차·비행기·모터보트 등의 교통기관용 원동기 외에 경운기·소방펌프·발전기 등에도 널리 사용된다. 모형 비행기용의 1마력(hp) 이하의 것을 비롯하여 비행기용의 3,500 마력 정도의 것까지 여러 가지가 있다. 

가솔린엔진과 다른 연료 

최초의 가솔린엔진(Gasoline Engine, Spark Ignition Engine)은 1883년 고틀리프 다임러가 개발했다. 그보다 먼저 1876년 니콜라스 오토가 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정 내연기관을 내놓았지만, 석탄가스를 연료로 사용했기 때문에 자동차에 탑재하기에는 적합하지 않았다. 가솔린엔진은 상당히 오랜 역사를 가지고 절대다수의 차량에서 사용되고 있으며 항상 다른 에너지를 사용하는 자동차와 비교 기준 대상이 되고 있다. 오랜 역사만큼이나 관련 기술도 지속적으로 발전하여 충분한 출력을 제공하고 ‘흡입-압축-폭발-배기’의 과정에서 발생하는 소음과 진동에 대해서도 적절한 기술 대응책이 마련되어 있다. 하지만 휘발유를 연소하는 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하기 때문에 온실가스 발생의 주범이 되고 있다. 또한, 엔진룸이라는 용어가 나올 정도로 일정한 부피를 차지하는 엔진과 변속기, 엔진 냉각장치가 필요하다. 연소 기관 가운데 보일러는 열효율이 90% 이상인데 비해 가솔린엔진은 불과 25% 미만에 머물고 있다. 실제로는 운동에너지가 필요하지만, 연소과정에서 절대적인 양이 열에너지가 되어 낭비되기 때문이다. 이 방식의 엔진에 사용되는 다른 연료로는 LPG(액화석유가스)와 CNG(압축천연가스)가 있다. LPG는 우리나라에서 택시를 위주로 사용하고 있으며, CNG는 인도에서 오토릭샤에 즐겨 사용하고 있다. 브라질 등에서는 에탄올을 사용하기도 하는데, 식물을 발효시켜 얻은 에탄올을 자동차에 사용하는 것으로, 그 제법이나 성분이 소주의 원료인 주정과 동일하다. 사람은 주정을 물에 희석하여 소주로 마시고, 자동차는 주정을 그대로 사용하는 재미있는 상황이 벌어지고 있다. E85는 에탄올 85%와 휘발유 15%를 희석한 연료로 미국 등에서 판매하고 있다. E85 또는 브라질에서 사용하는 E100 등 에탄올 함량이 높은 연료를 사용하는 경우 알코올에 의한 부품 부식 우려가 있어 전용부품이 필요하다. 

최근에는 암모니아-가솔린 혼합 연소 자동차를 한국에너지기술연구원에서 세 번째로 개발하였다. 암모니아를 70%, 가솔린을 30% 사용하여 이산화탄소 배출량을 절반으로 줄일 수 있다고 한다. 암모니아는 휘발유와 비교하면 발열량이 44.3% 정도이다. 따라서 실제 암모니아-가솔린 혼합 연소 발열량이 44.3% 정도이다. 따라서 실제 암모니아-가솔린 혼합 연소 발열량 비는 [암모니아:가솔린=31:30]가 되기 때문에 동일한 출력을 기준으로 이산화탄소 감축량은 50% 정도라고 할 수 있다. 기존 가솔린 차량을 일부 개조하고 암모니아 가스탱크를 싣는 것만으로도 사용이 가능하다는 장점이 있다. 반면에 암모니아는 연소가 잘 되지 않는 특징이 있어 차량 배기구를 통해 암모니아가 대기 중으로 방출될 경우 독성 기체인 암모니아가 사람을 비롯한 생물에 악영향을 끼칠 우려가 있어 암모니아 산화촉매가 필요하다.  

재래식 화장실에서는 낮은 농도의 암모니아 가스와 접촉할 수 있는데, 특유의 냄새가 나거나 눈이 따가운 경우도 있다. 20ppm 미만의 낮은 농도에서 일어나는 증상인데 이보다 높은 농도의 암모니아 가스와 접촉하면 인체에 유해하다. 암모니아 저장탱크의 폭발 위험은 다른 종류의 가스와 달리 생화학적인 피해가 발생할 수 있다. 이런 생화학적인 안전 문제에 대한 대비책을 충분히 마련하고 기존 내연기관 자동차나 전기자동차에 비해 부족한 출력을 과급기 장착 등으로 극복한다면 머지않은 미래에 저탄소 친환경 차량으로서 성장할 가능성이 있다. 하지만 암모니아를 생산하는 데 매우 큰 에너지를 소비해야 하는 특징을 감안한다면, 암모니아를 연료로 사용하는 것이 친환경적인가에 대한 판단은 유보해야 할 것이다. 

현 상황에서 암모니아-가솔린 혼합 연소 자동차는 BMW가 의욕적으로 개발하던 수소 직접 연소 자동차처럼 극복해야 할 사항이 많이 있다.

  

환경·규제 때문에 주춤하는 가솔린자동차  

자동차 탄생 후 지금까지 가솔린엔진이 풍부한 석유자원과 맞물려 자동차 산업을 견인해 온 것은 부인할 수 없는 사실이다. 하지만 지구온난화 문제가 전 지구적 이슈로 부각되면서 가솔린의 이산화탄소 배출 문제가 크게 부각되고 있다. 각 정부 규제가 강화되면서 가솔린엔진의 자동차 시장에도 큰 변화가 예고되고 있는 것이다.

가솔린엔진 의존도가 높은 일본의 경우 가솔린엔진이 향후 도태될 것으로 전망하고 대비책 마련에 골몰하고 있다. 일본의 한 업체가 올해 초 실시한 친환경차 시장 전망에 따르면 전 세계 가솔린엔진 차량 비율은 2007년 80%에서 10여 년 후인 2020년엔 44%까지 낮아지고, 그 자리를 전기차와 플러그 하이브리드카(PHV)가 차지할 것으로 내다봤다.

예컨대 일본 시장에서 전기차와 플러그 하이브리드카 비중이 17%(85만 대)에 달하고, 2020년엔 차량용 리튬이온배터리 시장규모가 2조 엔을 상회할 것이란 전망이다. 이처럼 전기차 등 전기 동력 차량이 가솔린엔진 차량의 대체 모델로 각인되고 있으나 실용화까지 넘어야 할 과제가 만만찮다. 고가의 부품 등으로 인해 가솔린엔진 차량보다 가격이 2-3배 비싸고, 충전소 등 기반 시설과 배터리 성능 향상 등 풀어야 할 과제들이 산적해 있기 때문이다.

    

<참고문헌-네이버캐스트 자동차대백과, 두산백과(gasoline engine)>