2017년 여름, Mazda는 다음과 같이 발표했습니다. 자동차 회사는 승용차용 압축 점화 가솔린 엔진을 만드는 방법을 찾았습니다. Mazda는 새 엔진이 연비를 20~30% 향상시킬 수 있다고 주장했으며 이는 가솔린 엔진으로서는 상당한 성과입니다.
이 기술에 대해 알아보기 전에 압축 점화 엔진이 새로운 개념이 아니라는 점에 유의해야 합니다. 포뮬러 1 자동차는 압축 점화 엔진을 사용하며 여러 다른 자동차 제조업체는 승용차용으로 상업적으로 실행 가능한 버전을 개발하려고 시도했습니다. 그러나 Skyactiv-X로 명명된 Mazda의 엔진은 이러한 유형의 최초의 대량 생산 및 상용 엔진이 될 것입니다. Mazda의 파워트레인 엔지니어인 Jay Chen 덕분에 HowStuffWorks는 이러한 혁신을 달성한 방법을 배울 수 있었습니다. 하지만 먼저 엔진의 기본 기능을 살펴봐야 합니다.
엔진은 열과 압축이라는 두 가지 방식으로 연료를 점화하여 작동합니다. 스파크 점화 엔진은 대부분의 가솔린 자동차에서 볼 수 있습니다. 이러한 유형의 엔진에서는 점화 플러그가 점화되어 연소실의 연료를 점화하는 동시에 연료와 공기 혼합물도 압축됩니다. 이것은 물론 두 엔진 유형 간의 주요 차이점을 설명하기 위해 프로세스의 매우 단순화된 버전입니다. 스파크 점화 엔진은 주기를 따르고 작동하려면 정확한 타이밍이 필요하지만 일반적으로 다양한 조건에서 안정적입니다[출처:Knight].
압축 점화 엔진은 디젤 엔진처럼 작동합니다. 디젤은 훨씬 더 높은 압축률(더 무거운 구성 요소와 더 강한 구조가 필요함)을 위해 설계되었으며 점화 플러그가 아닌 열원으로 예열 플러그를 사용합니다. 예열 플러그는 압축 챔버를 가열하여 챔버 내의 압축을 증가시킵니다. 연료가 챔버에 추가되면 예열 플러그의 끝 부분에 분사되지만 프로세스는 연료와 플러그의 접촉보다 압축에 더 의존합니다. "스파크"가 없기 때문에 디젤 엔진은 유사한 사양의 가솔린 엔진보다 더 높은 EPA 등급을 획득할 수 있습니다[출처:Stewart].
우리가 가스에 초점을 맞춘다면 디젤 엔진이 어떻게 작동하는지 설명하는 요점이 무엇인지 궁금해 할 것입니다. 간단히 말해서 압축의 중요성을 설명합니다. 가스 엔진을 개선하는 가장 좋은 방법은 압축을 증가시켜 엔진이 연료 공급을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 방법을 찾는 것입니다.
압축 점화 가솔린 엔진은 이러한 프로세스의 가장 좋은 부분을 결합합니다. 엔진은 배기 밸브와 흡기 밸브의 타이밍을 조정하여 엔진 실린더에 공기(일반적으로 엔진 배기)를 가두도록 프로그래밍되어 있습니다. 연료 인젝터는 이 갇힌 배기 가스에 연료를 추가하고, 갇힌 혼합물은 매우 높은 압축을 받기 때문에 상대적으로 적은 양의 연료가 점화될 수 있습니다.
압축 점화 엔진은 두 가지 유형으로 나눌 수도 있습니다[출처:Lindberg].
이 두 엔진의 주요 차이점은 엔진 주기 및 타이밍 조정을 통해 달성되는 연료가 추가되는 과정의 지점입니다. 그렇지 않으면 엔진이 유사하게 작동합니다. 압축이 가장 중요한 요소입니다.
압축 점화 엔진은 몇 가지 장점과 적어도 많은 단점을 가지고 있습니다. 이점은 다음과 같습니다.
Mazda 파워트레인 엔지니어 Jay Chen은 이메일을 통해 "거친 비유로 스파크 점화는 신문의 한 쪽 모서리에 불을 붙이고 불꽃이 점차적으로 종이를 가로질러 올라가게 함으로써 불을 지피는 것과 비슷합니다."라고 설명합니다. "[압축 착화]는 연료와 공기가 임계 압력과 온도에 도달하고 전체 충전량이 동시에 상을 변경하여 한 번에 모든 에너지를 방출하는 자연 연소에 가깝습니다. 모든 에너지를 거의 동시에 방출함으로써 [ 압축 점화]는 동일한 양의 공기에서 더 많은 전력을 추출할 수 있으며(팽창비가 다 소모되기 훨씬 전에 발생하기 때문에) 2~3배 적은 연료를 사용하고 훨씬 더 낮은 연소 온도에서 낭비되는 열 에너지와 배출물 형성을 더욱 줄일 수 있습니다. ."
정말 좋은데요? 문제는 이 엔진이 정말 까다롭다는 것입니다. 설계와 사용이 쉬웠다면 지금쯤 운전했을 것입니다. 디젤 엔진에 대해 잘 알지 못하더라도 최적이 아닌 조건에서는 디젤 엔진이 불편할 수 있다는 말을 들어본 적이 있을 것입니다. 그 중 일부는 매우 추운 온도에서 "겔화"되는 경향이 있는 디젤 연료 자체 때문입니다. 우리는 영하의 조건에서도 액체를 유지하는 가솔린에는 그런 문제가 없습니다. 그러나 압축 점화는 날씨 및 기타 주변 조건은 물론 연료 품질과 같은 기타 요인의 영향을 받을 수 있습니다.
"지금까지 압축 점화식 내연 기관은 안정적인 실험실 조건이나 생산에 적용하기에는 너무 거친 원시 차량 프로토타입에서만 존재했습니다."라고 Chen은 말합니다.
즉, 실린더의 압력과 온도가 잘 유지되지 않으면 프로세스가 작동하지 않습니다. 너무 낮은 온도는 엔진의 민감한 부품을 손상시킬 수 있습니다. 엔진이 너무 뜨거워지면 노킹이 시작될 수 있습니다. 연료-공기 혼합물이 너무 뜨거워지고 잘못된 시간에 폭발하여 연료가 낭비되고 엔진이 제대로 작동하지 않을 때 발생하는 상태입니다. 스파크 점화 엔진도 너무 차가워지거나 너무 뜨거워질 수 있지만 오류 한계가 훨씬 더 높습니다.
압축 점화 엔진이 안정적으로 작동하도록 하려면 정확한 시간에 적절한 양의 열이 가해지면서 완벽한 압축 상태에서 완벽한 비율로 혼합된 공기, 연료 및 배기 가스의 정확한 조합에 달려 있습니다. 우리가 알고 있는 바와 같이, 압축 점화식 가스 엔진을 탑재한 자동차는 아직 아무도 만들 수 없었기 때문에 이 과정을 더욱 정교하게 다듬어야 했습니다.
Mazda의 발표 직후, 자동차 산업 전문가들은 대중 시장의 압축 점화 엔진이 가스 엔진을 "구할" 수 있는지 여부를 추측하기 시작했습니다. 즉, 업계가 하이브리드 및 전기 기술로 이동함에 따라 이 가스 엔진이 실행 가능한 경쟁자가 될 만큼 충분히 효율적일 수 있습니까?
Chen은 Mazda가 "내연 기관이 완성되면 전기화와 함께) 내연 기관의 모든 효율성을 짜내면 금세기에 자동차에 동력을 공급하는 방법을 전달할 수 있다는 믿음에서 동기를 부여받았습니다. 다양한 형태의 화석 연료 기반 발전소에서 동력을 공급받는 순수 배터리 전기 자동차와 같거나 그보다 적은 'well to wheel' CO2 배출량을 생성할 가능성이 있습니다."
다시 말해서, Mazda는 지속적인 혁신을 통해 가솔린 엔진으로 구동되는 자동차가 최소한 전기 자동차만큼 효율적일 수 있으며 아마도 그 이상일 수 있다고 생각합니다. 압축 착화 기술의 이 획기적인 기술이 이전의 기술과 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.
2007년 Motor Trend는 압축 점화 엔진으로 구동되는 Saturn Aura를 운전하여 일반 Aura보다 연료 소비를 15% 줄였습니다[출처:Markus]. 당시 GM은 2015년 압축점화 엔진 탑재 차량을 출시할 예정이었으나 불과 몇 년 만에 새턴 브랜드가 폐쇄되면서 GM은 점차 전기차·플러그인 하이브리드 차량 등으로 눈을 돌렸다. 쉐보레 볼트.
비슷한 시기에 Mercedes-Benz는 DiesOtto라는 압축 점화 시스템을 개발 중이었고 Ford도 개발 중인 프로젝트가 있었습니다[출처:Estrada]. 그러나 두 엔진 모두 생산 승인을 얻지 못했고 현대자동차의 경험이 그 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다 [출처:Markus].
Mazda를 제외하고 현대는 아마도 2013년경에 처음으로 빛을 발한 노력으로 가장 많은 진전을 이루었을 것입니다[출처:Markus]. 이 회사는 목표 출시 날짜가 2023년인 점화 플러그나 예열 플러그가 없는 압축 점화 엔진 버전을 설계했습니다.
유망한 진전에도 불구하고 현대는 2016년에 엔진 구성 요소가 프로세스가 작동하는 데 필요한 압축을 처리할 만큼 충분히 강하지 않다고 밝혔습니다. 물론 블록, 크랭크 및 베어링과 같은 더 강력한 엔진 구성 요소를 설계할 수 있습니다. 그것이 디젤 엔진이 작동하는 방식입니다. 그것은 매우 비싸고 더 강한 구성 요소는 자동차에 무게를 추가하고 전체 효율성을 감소시킵니다. 현대는 출력을 높이고 필요한 압축을 유지하기 위해 터보차저를 사용할 계획을 세웠지만 슈퍼차저도 필요하다는 사실을 알게 되어 예산이 더 많이 낭비되었습니다. 그리고 마지막으로 현대는 이러한 파워트레인에서 발생하는 오염 물질의 양에 만족하지 못했습니다. 결국, 프로젝트는 훨씬 더 비싸고 계획만큼 깨끗하고 효율적이지 않았습니다[출처:Markus].
Mazda의 개발 노력은 거의 경쟁사만큼 계속되었습니다.
"Skyactiv-X는 1세대 Skyactiv가 출시되기 전부터 항상 계획에 있었습니다."라고 Mazda 엔지니어 Chen이 설명합니다. "이 로드맵의 첫 번째 단계는 2009년에 도입된 Mazda의 Skyactiv Technology였습니다. 당시 주요 개선 사항은 전체 엔진 효율성과 파워트레인 성능을 높이기 위해 비정상적으로 높은 엔진 압축비를 적용한 것이었습니다. 이는 다음을 통해 달성되었습니다. (그때까지는) 생산 엔진에서 불가능하다고 여겨졌던 것을 달성하기 위해 함께 적용된 기존 기술의 시너지 조합."
평신도 용어로 "Skyactiv"는 효율성을 높이기 위해 압축을 높이는 Mazda의 전략에 대한 용어이며 Mazda는 곧 출시될 Skyactiv-X를 작동시키기 위해 약간의 수정을 가해야 했습니다. 그 땜질의 결과로 Mazda는 혼합에 점화 플러그를 추가했습니다. 그래서 엔진은 당시 가장 효율적인 것에 따라 압축과 불꽃 점화 사이를 전환할 수 있습니다. 이것은 고압축 엔진 기술의 기본에 어긋나는 것처럼 들릴 수 있지만 Chen은 이것이 효과가 있다고 말합니다.
"우리가 스파크 제어 압축 점화(SPCCI)라고 부르는 이 혁신은 압축 점화 작동 및 제어의 사용 가능한 범위를 크게 확장했을 뿐만 아니라 CI[압축 점화]와 SI[스파크 점화] 간의 원활한 전환을 위한 솔루션을 제공했습니다. 높은 엔진 속도에서 사용되는 연소 모드(Skyactiv-X의 경우)"라고 Chen은 말합니다.
간단히 말해서, 점화 플러그는 엔진이 원활하게 작동하고 다양한 조건에 맞게 조정될 수 있도록 하는 마법의 요소이며 절대적으로 필요할 때만 사용됩니다. Mazda의 엔진은 현재 환경 조건, 자동차가 운전되는 방식, 운전자의 선호도 및 설정과 같은 요인에 따라 자체적으로 모니터링하고 작동을 조정하도록 설계되었습니다[출처:Estrada].
Mazda가 이 아이디어를 낸 후 엔진을 개발하는 데 2년이 더 걸렸고 그 동안 또 다른 중요한 결정이 내려졌습니다. Skyactiv-X 엔진이 장착된 차량에는 마력 사양을 높이는 슈퍼차저가 장착되어 운전 역학을 개선하고 잠재적 구매자가 이 새로운 기술을 사용하도록 설득하는 데 도움이 됩니다[출처:Estrada].
마지막 큰 질문 - 운전자는 언제 그것을 볼 수 있습니까? Mazda의 대변인은 어떤 차량이 Skyactiv-X 엔진을 처음으로 장착할 것인지 또는 언제 출시될 것인지 아직 공개할 수 없다고 말했습니다. 압축 점화 엔진으로 구동되는 차량이 스파크 점화 엔진을 장착한 동급 차량보다 비용이 더 많이 드는지 여부도 알 수 없습니다. 그러나 Mazda가 이 기술을 처음으로 시장에 출시하는 동안 다른 제조업체들도 이를 따를 것이 거의 확실하다고 추측하는 것이 안전합니다.
많은 동료들과 달리 나는 "가스 엔진 절약"에 대해 특별히 걱정하지 않습니다. 비록 그것이 직업 안정성에 도움이 될지라도 말입니다. 그것에 대해 좀 더 이기적이어야 할 수도 있지만 자동차를 더 효율적으로 만드는 데 도움이 될 수 있는 혁신에 흥미가 생겨 압축점화 엔진에 대해 글을 쓰기로 결정했습니다.
이러한 이유로(일반적인 지속 가능성) 압축 점화 엔진이 장착된 차량이 출시되는 즉시 시험 운전을 하고 싶습니다. 하이브리드나 전기차처럼 이 차량들이 충분히 강력할지에 대한 논의가 많을 거라 생각합니다. 솔직히 말해서 보통 사람은 그 차이를 구별할 수 없을 거라고 생각합니다. 자동차를 가능한 한 강력하게 만드는 것 외에도 재미있는 운전을 할 수 있는 방법이 많이 있으며, 바로 이 부분에서 Mazda가 탁월합니다.
