앳킨슨 사이클 엔진 원리에 대해 궁금하셨나요? 이 글에서는 앳킨슨 사이클 엔진 작동 원리에 이어 앳킨슨 사이클 엔진 특징을 살펴본 후 앳킨슨 사이클 엔진 장점과 단점 등 앳킨슨 사이클 엔진 장단점에 이어 앳킨슨 사이클 엔진 차량에 대해 정리하였으니 확인해 보시기를 바랍니다.
1. 들어가는 글
하이브리드 자동차의 특징 중 하나인 뛰어난 연비의 비밀에 대해 자세히 알아보려고 합니다.
토요타 프리우스나 현대 아이오닉 그리고 기아 니로 등의 공통점이 무엇이라고 생각하나요? 바로 전기 모터와 배터리인데요. 게다가 하이브리드 차량에 시동을 걸 때 들리는 조용한 엔진음과 고속도로에서 높은 연비를 자랑하는 가장 큰 원인 중 하나는 바로 앳킨슨 사이클 엔진입니다.
물론 엔진이 거기서 거기라고 생각할 수 있는데 이 글을 끝까지 읽으면 그 생각이 달라질 것입니다. 앳킨슨 사이클 엔진이 왜 21세기의 하이브리드 시장에서 가장 완벽한 파트너라고 불리며 19세기의 발명품이 지금까지도 여전히 현역에서 사용하고 있는지 그 이유를 이해할 수 있을 것입니다.
그렇다면 우선 기존에 사용하던 오토 사이클 엔진은 왜 비효율적인지 그 이유에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
2. 기존의 오토 사이클 엔진이 비효율적인 이유
앳킨슨 사이클 엔진에 대해 알아보기 전에 먼저 일반적으로 가솔린 엔진이라고 부르는 오토 사이클 엔진에 대해 먼저 자세히 알아보도록 하겠습니다.
오토 사이클 엔진은 크게 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4가지 과정으로 작동합니다.
흡입은 피스톤이 내려가면서 공기와 연료의 혼합기를 빨아들이는 과정을 의미합니다.
압축은 피스톤이 올라가면서 혼합기를 강하게 누르는 과정을 의미합니다.
폭발은 점화 플러그가 불꽃을 튀기면서 혼합기를 폭발시키는데 이때 발생한 힘으로 피스톤을 밀어내게 됩니다.
배기는 피스톤이 다시 올라가면서 타버린 배기가스를 밖으로 내보내는 과정을 의미합니다.
이때 중요한 점은 압축비와 팽창비인데 오토 사이클은 구조적으로 피스톤이 올라간 만큼 내려오기 때문에 압축비와 팽창비가 1대1로 같은데 오토 사이클에서 압축비와 팽창비가 같다는 말은 곧 비효율적이라는 것을 의미하는데요.
첫 번째 이유는 에너지 낭비로 폭발 스트로크가 끝나고 배기 밸브가 열릴 때 실린더 안에는 여전히 팽창하려는 압력이 남아 있습니다. 이 때 남은 에너지는 펑 하는 배기음과 함께 열로 빠져나가게 되는데 연료가 가진 에너지를 100% 동력으로 전환하지 못하고 에너지 손실을 발생한다는 단점이 있습니다.
두 번째 이유는 펌핑 손실인데 엔진 출력을 조절하기 위해서 스로틀 밸브가 공기 흡입구를 막게 됩니다. 만약 저속 주행 중에 이 밸브가 거의 닫혀 있다면 피스톤은 진공에 가까운 상태에서 억지로 공기를 빨아들여야 하는데 그로 인해 엄청난 펌핑 손실이 발생하게 됩니다.
그로 인해 오토 사이클 엔진 단점을 보완하기 위해 새로 발명된 것이 바로 앳킨슨 사이클 엔진인데 그렇다면 앳킨슨 사이클 엔진은 무엇이며 앳킨슨 사이클 엔진 작동 원리는 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
3. 앳킨슨 사이클 엔진 원리
1882년 영국의 한 공학자인 제임스 앳킨슨은 기존의 가솔린 엔진이었던 오토 사이클 엔진의 에너지 낭비를 조금 더 효율적으로 개선할 수 있는 방법을 알아냈습니다.
제임스 앳킨슨은 폭발의 힘을 끝까지 못 쓰는 것이 문제이니 폭발의 힘을 끝까지 다 쓰기 위해서 압축한 것보다 더 길게 팽창시키는 방법을 떠올려 냈습니다.
따라서 이 방법으로 만들어진 앳킨슨 사이클 엔진 원리는 팽창 스트로크가 실질적인 압축 스트로크보다 더 크다는 것입니다.
예를 들어 오토 사이클 엔진은 그네를 1미터 뒤로 당겼다고 정확히 1미터 앞으로 밀어주는 방식으로 작동하는데 그네가 앞으로 더 갈 수 있다고 하더라도 정확히 당긴 만큼만 앞으로 가는 것입니다.
반면, 앳킨슨 사이클 엔진은 그네를 0.5미터만 뒤로 당겼다가 앞으로 1.5미터까지 나갈 수 있도록 그네를 끝까지 앞으로 밀어주는 것입니다.
따라서 이렇게 폭발로 인해 발생한 에너지를 피스톤이 끝까지 내려올 때까지 압축하여 이를 에너지로 전환할 수 있습니다. 그리고 배기 밸브가 열릴 때쯤에는 실린더 안의 압력이 사실상 대기압 수준으로 떨어지기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있는데 이것이 앳킨슨 사이클 엔진 작동 원리입니다.
지금까지 앳킨슨 사이클 엔진 특징에 대해 알아보았는데 그렇다고 해서 19세기에 등장한 엔진이 그 모습 그대로 지금까지 사용할 수는 없는데요.
따라서 지금 상황에 맞게 앳킨슨 사이클 엔진의 모습이 많이 변화해 왔는데 어떤 변천 과정에 따라 변화해 왔는지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
4. 앳킨슨 사이클 엔진의 변천 과정
1882년 앳킨슨 사이클 엔진이 처음 탄생했을 땐 다른 스트로크 길이를 구현하기 위해서 크랭크축에 복잡하고 이상한 기계식 링크를 잠깐 사용했습니다.
그로 인해 기계식 링크를 사용한 앳킨슨 엔진은 무겁고 복잡하며 내구성도 낮다는 단점이 있었는데요.
따라서 이런 단점들을 보완하기 위해 토요타와 현대차에서는 VVT 기술이라고 불리는 가변 밸브 타이밍 기술을 사용하고 있습니다.
VVT 기술은 기계 구조는 오토 사이클과 동일하지만 밸브 타이밍이라는 소프트웨어를 접목하여 앳킨슨 사이클을 시뮬레이션하는 방법을 사용합니다.
그렇다면 낮은 흡기 밸브 닫힘이라고 불리는 LIVC에 대해 조금 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 단계는 흡입인데 피스톤이 내려오면서 혼합기를 빨아 당기는 것으로 기존의 오토 사이클과 동일합니다.
두 번째 단계는 압축인데 피스톤이 압축하기 위해 위로 올라가는데 엔진 컴퓨터(ECU)가 흡기 밸브를 일부러 늦게 닫아 밸브 타이밍을 의도적으로 조절합니다.
세 번째 단계는 역류인데 피스톤이 올라가는 처음 1/3 정도는 흡기 밸브가 열려있지만 실린더 내부로 들어왔던 혼합기 중 일부가 흡기 다기관으로 역류하는 현상이 발생합니다.
네 번째 단계는 실질 압축으로 흡기 밸브가 뒤늦게 닫히는데 이 단계부터 진짜 의미의 압축이 시작됩니다.
다섯 번째 단계는 폭발 및 팽창으로 점화가 일어나 피스톤은 실린더의 가장 위에 부분부터 가장 낮은 부분까지 내려갑니다.
여섯 번째 단계는 배기로 배기가스를 밖으로 내보내게 됩니다.
따라서 피스톤은 물리적으로 100mm 압축했지만 혼합기의 역류로 인해 실제로 압축된 혼합기의 양은 70mm일 수 있습니다. 하지만 폭발 스트로크는 물리적인100mm를 모두 다 사용하는데요.
그로 인해 실질 압축 스트로크인 70mm보다 팽창 스트로크인 100mm가 더 크게 되어 에너지 손실을 줄이는 것이 바로 앳킨슨 사이클 엔진 장점입니다.
물론 간혹 이 엔진이 앳킨슨 사이클 엔진이 아니라 정확히 말하면 밀러 사이클 엔진이 아니냐는 의문이 들 수 있습니다.
조금 더 정확하게 말하면 해당 방식은 앳킨슨 사이클 엔진이 아니라 밸브 타이밍을 조절하여 팽창비를 높이는 것은 1940년대에 랄프 밀러가 특허를 냈기 때문에 밀러 사이클 엔진으로 보는 것이 정확합니다.
다만, 자동차 공학계와 제조사 마케팅 쪽에서 하이브리드 차량에 사용되는 고효율 자연 흡기 VVT 엔진을 통상적으로 앳킨슨 사이클 엔진이라고 부르고 있기 때문에 이 글에서는 이해를 돕기 위해서 앳킨슨 사이클 엔진으로 지칭하였습니다.
따라서 앞으로도 밸브 타이밍을 의도적으로 조절하는 방식을 밀러 사이클 엔진이 아니라 하이브리드 차량 업계에서 통상적으로 부르는 앳킨슨 사이클 엔진으로 부를 것이니 이 점 참고하시기를 바랍니다.
하지만 이런 다양한 장점을 지닌 앳킨슨 사이클 엔진도 당연히 단점들이 존재하기 마련인데요.
그렇다면 앳킨슨 사이클 엔진 단점은 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
5. 앳킨슨 사이클 엔진의 단점
가장 대표적인 앳킨슨 사이클 엔진 단점은 출력과 토크가 낮다는 것입니다.
실린더에 혼합기를 가득 채워서 압축해도 모자랄 수 있는데 일부러 역류 과정을 통해 밖으로 뱉어내며 적은 양으로만 압축하기 때문에 당연히 앳킨슨 사이클 엔진 출력이 낮을 수밖에 없습니다.
게다가 운전자가 계속해서 가속 페달을 밟는 저속 주행 구간에서는 힘이 더욱 약할 수밖에 없습니다.
따라서 이런 앳킨슨 사이클 엔진 단점을 보완하기 위해 등장한 것이 바로 전기 모터를 탑재한 하이브리드 차량입니다.
왜냐하면 전기 모터 장점이 바로 출발과 동시에 최대 토크를 낼 수 있기 때문입니다.
하이브리드 차량은 출발 시 저속 가속 구간에서는 전기 모터가 즉각적으로 최대 토크를 내어 차를 강한 힘으로 밀어 주기 때문에 앳킨슨 엔진 단점을 보완할 수 있습니다.
게다가 고속도로 등에서 정속 주행 시 앳킨슨 엔진 장점을 제대로 발휘하여 연비를 높이면서 배터리를 충전할 수 있습니다.
따라서 하이브리드 엔진은 저속 토크에서는 약하지만 효율이 좋은 앳킨슨 엔진과 저속 토크에서는 좋지만 고속에서 효율이 부족한 전기 모터의 장점을 서로 극대화할 수 있으며 동시에 서로가 지닌 단점을 보완할 수 있습니다.
따라서 이것이 바로 하이브리드 시너지라고 부르는 것이며 그로 인해 2025년에도 앳킨슨 사이클 엔진이 하이브리드 전용 엔진으로 사용될 수 있는 이유이기도 합니다.
지금까지 앳킨슨 엔진 장단점에 대해 알아보았는데 아래에서 조금 더 쉽고 자세히 정리해서 앳킨슨 사이클 엔진 장단점에 대해 다시 한번 더 알아보도록 하겠습니다.
6. 앳킨슨 사이클 엔진 장단점
앳킨슨 사이클 엔진 장점은 총 4가지로 높은 연비, 낮은 펌핑 손실, 낮은 폭발 온도, 노킹 현상 감소가 있습니다.
첫 번째 앳킨슨 엔진 장점은 열효율이 높아 연비가 높다는 것으로 연료의 폭발 에너지를 팽창 스트로크에서 끝까지 짜내어 에너지로 변환한다는 것입니다.
게다가 2025년 현재 토요타의 다이내믹 포스 엔진과 같은 최신형 앳킨슨 엔진은 열효율이 41%나 되기 때문에 일반적인 오토 사이클의 열효율이 30%대인 것과 비교하여 엄청나게 열효율이 높다는 것을 알 수 있습니다.
두 번째 앳킨슨 엔진 장점은 펌핑 손실이 낮다는 것인데 오토 사이클이 스로틀 밸브를 공기량으로 조절하는 것에 반해 실린더에 들어오는 공기량을 밸브 타이밍으로 조절하기 때문에 흡입 저항이 적어 엔진이 움직이는 데 필요한 펌핑 손실을 낮출 수 있습니다.
세 번째 앳킨슨 엔진 장점은 폭발 온도가 낮다는 것인데 팽창비가 높기 때문에 폭발 스트로크의 마지막 부분에는 가스 온도가 낮은데 이로 인해 유해 배출가스인 질소산화물 생성을 억제할 수 있습니다.
네 번째 앳킨슨 엔진 장점은 노킹 현상을 줄일 수 있다는 것인데 실질 압축비가 낮기 때문에 압축 스트로크의 마지막 부분의 온도가 오토 사이클보다 낮습니다. 이는 고급 휘발유를 사용하지 않더라도 폭발이 발생할 확률을 줄일 수 있습니다.
하지만 이런 4가지 앳킨슨 사이클 엔진 장점에도 불구하고 3가지 단점이 존재합니다.
앳킨슨 사이클 엔진 단점은 총 3가지로 출력이 낮고 밸브 타이밍이 복잡하며 혼합기 역류로 인해 문제가 발생할 수 있다는 것입니다.
첫 번째 앳킨슨 엔진 단점은 출력과 토크가 낮다는 것인데 실린더에 적은 혼합기를 넣고 폭발하기 때문에 엔진 자체가 내는 리터당 마력이 약할 수밖에 없습니다.
따라서 앳킨슨 엔진은 출력과 토크가 낮기 때문에 이를 보완하기 위해 전기 모터를 함께 사용하는 것이 필요합니다.
두 번째 앳킨슨 엔진 단점은 밸브 타이밍이 복잡하다는 것인데 밸브 타이밍을 정확하게 제어하기 위해서 전자제어 유닛과 고성능 VVT 액추에이터가 필요해서 이에 따라 생산 단가가 올라간다는 단점이 있습니다.
세 번째 앳킨슨 엔진 단점은 혼합기 역류로 인해 각종 문제가 발생할 수 있다는 것입니다.
LIVC 방식은 혼합기가 흡기 다기관으로 역류한다는 단점이 있는데 이로 인해 연소가 불안정해지거나 미세한 소음이 날 수 있다는 단점이 있습니다.
하지만 D-4S와 같이 다중 분사 방식이나 정밀 제어 기술을 사용하여 이런 문제를 해결하고 있습니다.
지금까지 앳킨슨 엔진 장단점에 대해 알아보았는데 이런 앳킨슨 엔진을 탑재한 앳킨슨 엔진 자동차는 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
7. 앳킨슨 사이클 엔진 차량
앳킨슨 엔진은 크게 토요타와 렉서스 그리고 현대 자동차와 기아 자동차에 이어 혼다에서 사용하고 있습니다.
첫 번째 앳킨슨 사이클 엔진 차량은 토요타와 렉서스로 다이내믹 포스 엔진을 사용하고 있는데 캠리와 RAV4 하이브리드 모델 그리고 렉서스 ES300h와 시에나 하이브리드 등에 사용하고 있습니다.
다이내믹 포스 엔진이라는 앳킨슨 사이클 엔진 특징은 열효율이 41%로 매우 높고 고속 연소 기술을 사용하며 직분사와 간접 분사를 합한 D-4S 시스템을 사용한다는 것입니다.
두 번째 앳킨슨 사이클 엔진 차량은 현대 자동차와 기아 자동차로 스마트스트림 하이브리드 엔진을 사용하고 있습니다.
2.0 GDi/MPi 하이브리드 엔진에서는 2025년형 쏘나타 하이브리드와 그랜저 하이브리드 그리고 K8 하이브리드가 있습니다.
또한 1.6 T-GDi 하이브리드 엔진에서는 2025년형 투싼 하이브리드, 싼타페 하이브리드, 쏘나타 하이브리드, 스포티지 하이브리드가 있습니다.
특히 앳킨슨 사이클 엔진 차량 중 하나인 현대차의 대표적인 특징은 1.6 터보 엔진에 연속 가변 밸브 듀레이션이라는 CVVD 기술을 사용하여 더욱 정교하게 구현하면서 출력과 효율이라는 두 마리 토끼를 모두 잡았습니다.
세 번째 앳킨슨 사이클 엔진 차량은 혼다로 e:HEV 시스템을 사용하는 것이 주된 특징이며 2025년형 어코드 하이브리드와 2026년형 CR-V 하이브리드 차량이 대표적인 차량입니다.
또한 독특한 직렬-병렬 시스템을 사용하는데 2.0 엔진이 발전기 역할을 수행하기 때문에 높은 효율을 유지할 수 있다는 장점이 있습니다.
8. 나가는 글
지금까지 앳킨슨 사이클 엔진 원리와 특징 그리고 장단점에 이어 차량에 대해 자세히 알아보았습니다.
물론 1882년 제임스 앳킨슨이 발명한 앳킨슨 엔진은 효율이 높다는 장점이 있지만 출력이 낮다는 이유로 인해 상용화가 되기 어려웠었습니다.
하지만 20세기에는 VVT라는 전자제어 기술로 인해 앳킨슨 사이클 엔진이 다시 상용화되기 시작하였으며 21세기에는 전기 모터를 통해 장점은 극대화하면서 단점은 보완할 수 있게 되었습니다.
따라서 현재 앳킨슨 사이클 엔진은 기존의 가솔린 엔진에서 전기 모터를 이용한 차세대 하이브리드 차량으로 넘어가는 데 있어 굉장히 중요한 역할을 수행하고 있습니다.
만약 앞으로 하이브리드 차량을 이용할 기회가 있다면 가속 페달을 밟을 때 출력이 어떠며 연비는 어떤지 관심을 갖고 귀 기울여보면 좋을 것 같습니다.