언젠가 당신의 자동차가 100마력을 갖고 갤런당 100마일(리터당 42.5km)을 낼 수 있고 어떤 종류의 연료로도 달릴 수 있는 1기통 엔진을 후드 아래에 장착할 수 있다는 말을 듣게 된다면 어떨까요?
이상하게도 이것이 공상과학 영화에서나 나올 법한 일이라고 생각하거나 현실과는 아직 수십 년이나 떨어져 있는 일종의 먼 개념이라고 생각할 수도 있습니다.
캔자스에 위치한 Grail Engine Technologies의 CEO이자 수석 연구원인 Matthew Riley에 따르면 그렇지 않습니다. 그는 그의 회사의 2행정 Grail Engine이 2~5년 내에 소비자 자동차에 포함될 수 있다고 말합니다. 2012년 2월, 3년 간의 개발 끝에 회사는 첫 번째 작업 프로토타입을 구축했으며 Honda 및 Ford와 같은 대형 자동차 회사는 이미 관심을 보였습니다.
Riley는 Grail Engine이 현재 엔진에 비해 30% 더 나은 연비를 자랑하면서 제작 비용이 50% 저렴할 수 있으며 어떤 연료를 사용하는지에 대해 유연하다고 말합니다. 다양한 응용이 가능하다”고 말했다. 또한 대부분의 다른 2행정 엔진에서 볼 수 있는 오염 및 신뢰성 문제가 없습니다.
실험 엔진을 개발한 경험이 20년 이상인 과학자인 Riley는 "이것은 작동 방식을 바꿀 것입니다."라고 말했습니다. "이 아이디어는 더 나은 수행을 하기 때문에 투스트로크를 만드는 더 좋은 방법이 있어야 한다는 생각에서 비롯되었습니다."
Grail 엔진이 놀라운 이유는 무엇입니까? 흥미롭게도 작업을 완료하기 위해 단일 획기적인 기술에 의존하지 않습니다. 엔진은 다양한 최신 엔진 기술을 하나의 패키지에 통합합니다. "이것은 모두 과거에 사용된 입증된 기술입니다."라고 Riley가 말했습니다.
본질적으로 이것은 강제 유도, 직접 분사 및 인상적인 출력과 효율성을 위한 기타 기술을 사용하는 매우 하이테크 2행정 엔진입니다. 그것은 또한 회사가 "반균질 충전 압축 점화"라고 부르는 것의 선구자입니다. 이 모든 것이 무엇을 의미하는지 잠시 후에 다루겠습니다.
이 기사에서는 Grail Engine이 작동하는 방식에 대해 모두 배우고 가까운 장래에 Grail Engine을 어떻게 사용할 수 있는지 알아볼 것입니다.
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Grail Engine에 대해 배우기 전에 먼저 Grail Engine의 작동 방식을 완전히 이해할 수 있도록 몇 가지 개념을 정의하겠습니다.
2행정 엔진 : 대부분의 최신 자동차 및 오토바이 엔진과 달리 Grail 엔진은 2행정 엔진입니다. 차량에서는 4행정 엔진을 찾는 것이 더 일반적입니다. 이것이 의미하는 바는 다음과 같습니다. 4행정 엔진에서 차량을 움직이게 하는 내연 과정에는 4단계가 있습니다. 공기와 연료의 흡입, 이러한 성분의 압축, 공기와 연료의 점화 피스톤 다운 및 배기 가스 방출.
그러나 2행정 엔진은 동일한 프로세스를 단 두 단계로 완료합니다. 흡기 및 배기 단계는 압축 및 점화 단계와 마찬가지로 함께 결합됩니다. 2행정 엔진은 더 가볍고 강력합니다. 그러나 연료 효율이 좋지 않고 더 자주 분해되는 경향이 있으며 연소 과정에서 오일과 연료가 함께 혼합되기 때문에 많은 배기 가스도 생성합니다. 이것이 2행정 엔진이 일반적으로 소형 레저용 차량 및 야드 장비에만 사용되는 이유입니다.
직접 주입 : DI는 엔진 기술과 관련하여 블록체인의 핫한 신참입니다. 고성능 엔진의 일반적인 기능이 되었으며 점점 더 많은 일상용 자동차에도 적용되기 시작했습니다. DI 엔진에서 연료는 별도의 매니폴드에서 공기와 혼합되지 않고 연소실로 직접 분사됩니다. 이를 통해 공기/연료 혼합물이 더 균일하고 효율적으로 연소되어 출력이 증가하고 경제성이 향상됩니다.
강제 유도: 강제 유도에 대해 들어본 적이 없더라도 슈퍼차저 또는 터보차저에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 둘 다 본질적으로 같은 역할을 합니다. 엔진에 더 많은 공기를 주입하여 더 뜨겁고 강하게 연소시켜 더 많은 출력을 생성합니다. Grail 엔진은 고유한 유형의 강제 유도를 사용합니다(잠시 후에 설명함).
강제 반균질 충전 압축 점화: FS-HCCI라고도 알려진 이 기술은 자동차 제조업체들이 수년간 추구해 온 기술이라고 Riley는 말했습니다. 이 과정은 스파크 점화 없이 거의 스스로 연소할 정도로 공기와 연료를 압축합니다(디젤 엔진이 작동하는 방식과 유사). 그리고 공기/연료 혼합이 점화되면 챔버의 모든 연료가 동시에 연소되어 훨씬 더 나은 효율성을 제공합니다. 이는 더 많은 출력과 더 나은 연비를 의미합니다[출처:Green Car Congress].
500입방센티미터에 불과한 Grail 엔진은 상당히 작습니다. 일반 경제 자동차 엔진 크기의 약 1/4입니다.
언뜻 보기에 회사의 프로토타입은 피스톤 중앙에서 위쪽으로 향하는 커다란 흡기 밸브가 나오는 것을 볼 때까지 일반적인 2행정 엔진처럼 보입니다. 이것은 우리가 잠시 후에 탐구할 중요한 기능을 가지고 있습니다. Grail 엔진은 일반 내연 기관보다 공기 압력을 훨씬 더 많이 사용합니다. 엔진은 다음으로 구성됩니다.
[출처:Grail 엔진 기술]
다른 내연 기관과 마찬가지로 Grail 엔진은 공기와 연료를 태우고 그 결과 폭발을 사용하여 피스톤을 위아래로 밀어 모션을 구동합니다. 그러나 Grail 엔진이 수행하는 방식이 Grail을 매우 독특하게 만듭니다.
피스톤이 위쪽으로 이동함에 따라 피스톤 아래에 진공이 생성되어 단방향 리드 밸브를 통해 신선한 공기를 흡입합니다. 그런 다음 공기는 사전 압축 챔버, 벤트-피스톤 포트 및 피스톤-흡입 포트의 세 가지 챔버를 채웁니다.
피스톤이 이동 경로의 상단에 도달하면 3개의 점화 플러그 덕분에 점화가 발생합니다. 이렇게 하면 피스톤이 아래쪽으로 이동하여 크랭크케이스에 갇힌 공기가 이 지점까지 압축됩니다.
피스톤이 하사점에 도달하면 배기 밸브가 열리고 피스톤 내에 위치한 단방향 밸브를 통해 위에서 언급한 바와 같이 압축 공기가 벤트-피스톤 및 피스톤-흡기 포트를 통해 연소실로 들어갈 때 배기가 실린더를 비웁니다.
압축된 신선한 공기는 소용돌이와 같은 방식으로 위쪽으로 소용돌이치며 실린더에서 배기 가스를 배출하고 실린더에 신선한 공기를 보충합니다. 배기 밸브가 닫히면 연료가 챔버에 직접 분사되어 혼합됩니다. 공기와 연료의 혼합물은 3개의 점화 플러그에 의해 압축되고 점화되어 폭발을 일으켜 피스톤을 아래로 누르고 다음 사이클을 위한 움직임을 만듭니다.
꽤 간단해 보이죠? 전반적으로 Grail 엔진은 압축 공기가 훨씬 더 큰 역할을 한다는 점을 제외하면 일반 2행정 엔진과 매우 유사합니다. 그러나 여기에도 작동하는 몇 가지 고유한 요소가 있습니다. 우선, Riley는 압축 공기와 연료의 소용돌이 혼합이 최적의 연소를 위해 얻을 수 있는 가장 효율적인 공기/연료 분무 혼합물이라고 말합니다. 또한, 그는 다른 어떤 엔진도 연소실로 들어가는 압축 공기를 강제로 유도하는 동시에 피스톤 상단을 공랭식으로 냉각하여 배출물을 낮추는 설계를 가지고 있지 않다고 말합니다.
마지막으로 3개의 점화 플러그가 폭발을 빠르게 일으켜 "강제 반균질 충전 압축 점화" 또는 FS-HCCI를 생성하는 데 도움이 됩니다. 이 과정은 공기와 연료를 거의 스스로 연소할 정도로 압축합니다(스파크 없이). 그리고 연소할 때 챔버에 남아 있는 모든 연료가 동시에 연소되어 훨씬 더 나은 효율성을 제공합니다. 그 결과 더 많은 출력과 더 나은 연비를 얻을 수 있습니다[출처:Green Car Congress, Wojdyla].
따라서 Grail Engine은 매우 효율적인 형태의 내부 연소를 가지고 있습니다. 가볍고 저렴하며 크기에 비해 많은 전력을 생산합니다. 앞서 말했듯이 500cc 프로토타입은 100마력을 생산하면서 갤런당 100마일(리터당 42.5km)을 얻을 수 있습니다. 하지만 다른 무엇을 할 수 있습니까?
Riley는 Grail Engine이 일반적인 2행정 엔진에서 일반적으로 볼 수 있는 많은 단점을 제거했다고 말했습니다. 우선 여기에서 오일과 연료가 섞이지 않으므로 연기 문제가 없습니다. 또한 매우 조용하고 진동이 적습니다.
엔진에는 항상 신선한 압축 공기가 흐르기 때문에 냉각 상태를 유지하는 데 문제가 없습니다. 연소실을 균일하게 냉각시키는 능력은 FS-HCCI를 가능하게 하는 데 도움이 된다고 Riley가 말했습니다. 이것은 열 효율을 높이고 질소 산화물 배출을 줄입니다. 또한 단일 실린더에만 국한되지 않습니다. Grail 엔진은 모듈식으로 설계되었으므로 여러 개를 함께 연결하여 다중 실린더 엔진을 만들 수 있습니다[출처:Wojdyla].
그러나 Riley가 말하기를 좋아하는 것처럼 "잠깐만요. 점점 나아지고 있습니다." Grail 엔진은 가솔린, 프로판, 디젤 및 천연 가스를 포함한 거의 모든 유형의 연료에서 작동하도록 설계되었습니다. 또한 별도의 탱크에 한 번에 여러 유형의 연료를 운반할 수 있습니다. 온보드 컴퓨터가 압축비를 즉석에서 조정할 수 있고 운전자가 다른 연료를 사용하려고 할 때마다 그에 따라 모터를 조정할 수 있기 때문에 엔진이 그렇게 할 수 있습니다.
또한 그 디자인은 현재 연료 전지 자동차에서 볼 수 있는 수소의 오염을 방지하여 이러한 유형의 연료를 그 어느 때보다 실현 가능하게 만듭니다. "이것은 연료 전지를 완전히 새로운 조명으로 만들었습니다."라고 Riley가 말했습니다.
우리는 이미 Grail 엔진이 얼마나 강력한지, 일반 2행정 엔진보다 더 나은 연비와 효율성을 자랑하는 방법에 대해 이야기했습니다. 하지만 어디에서 사용할 수 있었습니까? 음, 거의 모든 곳에서 Riley가 말했습니다.
그는 "자동차에서 항공기, 레저 및 산업용 엔진에 이르기까지 삶의 모든 영역에 적용될 수 있다"고 말했다. "다양한 분야에 관심이 많습니다."
자동차 제조업체 외에도 Riley는 국방부가 관심을 표명했지만 그 프로젝트가 정확히 무엇인지에 대해서는 말할 수 없다고 말했습니다. 또한 이상적인 헬리콥터 엔진을 만들 수 있다고 그는 말했습니다.
현재 프로토타입인 Grail Engine은 500입방센티미터이지만 과학자들은 1,000cc 및 2.5리터 엔진을 포함하여 더 큰 모델을 연구하고 있습니다.
또한 Riley는 자신과 그의 직원들이 부자가 되는 것이 아니라 세상을 더 나은 곳으로 만들고자 하는 열망에 동기가 있다고 말합니다. 그들의 목표는 기존 자동차 회사가 기술의 라이센스 버전을 생산하도록 하는 것입니다. 그는 그것이 또한 더 친환경적인 미래를 위한 길을 열 수 있기를 희망합니다. "우리는 아무도 사업을 중단하게 하고 싶지 않습니다."라고 Riley가 말했습니다. "우리는 사람들을 돕고 싶습니다. 우리는 더 나은 세상을 바꾸고 싶습니다."
Grail Engine Technologies의 디자인에 깊은 인상을 받지 않을 수 없었습니다. 확실히 야심차긴 하지만 기존 기술을 기반으로 하기 때문에 일부 실험용 엔진보다 실현 가능성이 높아 보입니다. 그들은 오염이 없고 대부분의 현재 엔진보다 더 나은 연비로 2행정 엔진의 힘을 얻을 수 있는 방법을 찾은 것 같습니다. 회사가 단순히 이익을 추구하는 것이 아니라 "녹색" 동기를 갖고 있는 것처럼 보이는 것이 흥미롭습니다. 조만간 Grail Engine 자동차를 보게 될 것입니다. 제 생각에는 그리 억지스럽게 들리지 않습니다.
