휘발유 엔진 수명 늘리는 새로운 점화기술
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휘발유 엔진 수명 늘리는 새로운 점화기술
  • 아이오토카
  • 승인 2011.11.11 07:01
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전기자동차는 잊어버리길. 점화기술의 새로운 발전 덕분에 휘발유 엔진의 생명은 더 길어지게 된다


플라즈마, 이온화, 스파크, 코로나…. 마치 공상과학 소설 속의 무기 목록처럼 들리는 단어들이지만, 사실은 이들 모두 연료소비 절감을 약속하는 최신 발명품들의 핵심 요소들이다.

여러분이 왼쪽에서 보고 있는 것은 별것 아닌 스파크플러그에 도입된 최첨단 기술이다. 이른바 첨단 코로나 점화 시스템(Advanced Corona Ignition System), 또는 줄여서 ACIS라고 부르는 이것은 자동차 부품업계의 거물인 페더럴-모걸(Federal-Mogul)이 현재 개발에 착수, 진행되고 있는 기술이다.

가장 중요한 것은, 이 기술이 일반적인 스파크플러그보다 더 혁신적으로 효율적인 작동방식 덕분에 연료소비를 최대 10%까지 줄인다는 점이다. 나아가 만약 이 기술이 성공을 거둔다면, 이는 미래에 설계자들이 엔진 제작 방법을 자유롭게 바꿀 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그 이유를 설명해본다.

기술적인 장점들
일반적인 스파크플러그는 대개 한 군데의 중앙 지점으로부터 엔진의 압축된 연료/공기 혼합물(혼합기)을 점화시킴으로서 제 기능을 한다. 연소는 그 불꽃에서부터 퍼져 나가, 폭발 행정이 제대로 이루어지도록 피스톤이 아래쪽으로 움직이는 것을 가속시킨다. ACIS는 일반적인 스파크플러그의 불꽃을 플러그 끝부분 주변에 코로나 형태의 더 큰 점화 근원을 만드는 시스템으로 대체한다. 이것은 연소실 내의 혼합기를 이온화하고 활성화해 연소를 더 넓은 영역에 걸쳐 더 빠르고 더 효율적으로 시작되게 한다. 이로 인해 만들어지는 극도로 뜨거운 ‘플라즈마’ 덕분에, ACIS는 예를 들어 연료 소비효율이 더 높은 린번 엔진의 것이나 재순환된 배기가스가 섞인 것처럼 쉽게 연소되기 어려운 혼합기도 점화시킬 수 있다.

빠르고 밝은 연소
코로나는 짧게 지속되지만 강력하다. 페더럴-모걸의 파워트레인 에너지 책임자인 크리스타퍼 믹셀(Kristapher Mixell)은 이렇게 말한다. “일반적인 불꽃은 1천분의 2~3초 정도 지속되지만, 이것은 1만분의 1~2초에 가깝습니다. 그리고 단지 한 지점에서만 일어나는 것이 아니라 코로나가 직경 30 또는 40mm 정도까지 생길 수 있습니다. 연소실 전체가 점화가 시작되는 지점이 될 수 있죠” 이렇게 된다면 연소실의 형태는 새롭고 더 효율적인 모습이 될 가능성이 열리지만, 그것은 향후의 일이다.

연소를 더욱 희박하게…
현재의 엔진 설계에 적용하더라도 그 혜택은 분명하다. 연료/공기 혼합기가 더 빠르게 탈수록, 그 연소에 의해 생성되는 팽창 에너지는 피스톤의 폭발 행정이 일어나는 가장 윗부분에서 가장 뛰어나고 효과적으로 활용될 수 있다. 또한 이는 엔진 부하가 더 적은 상태에서도 경제성을 위해 혼합기를 더 희박하게 혼합하더라도 쉽게 점화될 수 있음을 뜻한다. 따라서 고속도로에서 부드럽게 정속주행을 할 때에는 놀랄만한 수준의 경제성을 얻을 수 있게 된다.

…그리고 더욱 친환경적으로
배기가스 재순환(EGR)은 특정한 조건에서 질소산화물 배출을 줄일 수 있도록 흡기되는 혼합기로 배기가스의 일부를 되돌리도록 엔진 설계자들이 사용한 꼼수다. EGR은 연료/공기 혼합기의 연소속도를 늦추고 배기가스 속에 숨어있는 연소되지 않은 탄화수소를 흡수해 없애도록 돕는다. 이는 또한 액셀러레이터를 급하게 많이 밟았을 때 빠르게 반응하도록 혼합기의 연료농도를 진하게 만들 필요를 줄이는 효과도 있다.

하지만 EGR은 혼합기가 점화되기 어렵게 만들 수 있는데, 이 문제를 ACIS가 극복한다. 따라서 ACIS가 쓰이는 엔진은 EGR을 더 적극적으로 사용해 배기가스를 더 깨끗하게 하는 것은 물론 더 효율적으로 만들 수 있다.

디토네이션
ACIS는 디토네이션(노킹의 원인이 되는 폭발적 연소)도 감소시킬 수 있다. 디토네이션은 압축행정 때 압축압력으로 생긴 열 때문에 디젤 엔진처럼 연료/공기 혼합기가 점화되며 일어난다. 만약 디토네이션이 연소실 가장자리나 점화시기 부근에서 시작되면, 두 개의 다른 연소 근원에서 생긴 압력파가 중앙에서 만나 금속성의 날카로운 소리와 함께 갑작스럽고 격렬하며 위협적인 연소실 압력의 상승을 유발할 수 있다. 그러나 ACIS는 더 넓은 면적에서 더 빠르게 연소가 이루어지기 때문에 디토네이션이 일어나기 전에 연료의 연소를 안정적으로 조절할 수 있다.

압축비의 변화
이러한 장점들에 힘입어 ACIS가 쓰인 엔진은 더 높은 압축비에서도 작동할 수 있다. 압축비가 더 높아지면 연소도 더 효율적이 되지만 그렇게 되면 디토네이션이 일어날 가능성도 높아진다. 믹셀의 예측에 따르면 ACIS가 쓰인 엔진의 압축비는 자연흡기 엔진에서는 최대 14:1까지, 터보차저가 쓰인 엔진에서는 12:1까지 높아질 수 있다. ACIS의 더 큰 장점은 이 장치의 교체주기가 더 길어질 수 있다는 것인데, 이는 스파크플러그의 끝부분을 마모시키는 전극의 마모가 없기 때문이다.

어떻게 발전해 나갈 것인가?
현재 ACIS는 ‘최소 2개 이상’의 자동차 메이커와 협력관계를 맺고 연구 및 개발 단계에 있다. 마쓰다는 이미 새로운 스카이액티브 휘발유 엔진에서 14:1의 압축비를 실현했지만 이들 가운데에는 포함되어 있지 않다.

이 시스템은 의도적으로 3극 전극 유닛, 코일과 커패시터(축전기)를 기본 스파크플러그 형태의 뭉치에 조립해 넣을 수 있도록 설계되었기 때문에, ACIS는 현존하는 엔진 구조에 사용할 수 있다.

따라서 이미 나와 있는 자동차의 엔진 성능을 향상시키기 위한 애프터마켓 제품으로 ACIS 키트가 나올 가능성을 높여주지만, 이는 페더럴-모굴의 계획에는 포함되어 있지 않다. “그렇게 쉬운 일은 아닙니다. ACIS는 더 큰 전략에 포함되어야 할 필요가 있습니다” 믹셀의 말이다.


코로나 vs. 스파크

일반적인 점화 시스템은 스파크를 생성하기 위해 대개 30kV 정도의 매우 높은 전압을 사용하지만 가장 최근의 시스템에서는 더 높은 전압이 쓰이기도 한다. ACIS는 공기와 연료 이온을 활성화하는 빠른 공진을 만들기 위해 그만큼 높은 전압을 쓸 필요가 없다.

이온화에 필요한 전류를 만들기 위해, 자동차의 12V 전력 공급장치는 우선 150V로 승압된다. 여기에서부터 시작해, 고주파 변환장치의 스위칭 회로는 유도코일과 커패시터로 전달되는 1kV 구형파를 생성한다. 이렇게 만들어진 공진회로에서는 1MHz 사인파 에너지 형태로 나오는 폭발을 만들어 점화 타이밍이 극도로 정밀하게 제어될 수 있다.

현재로서는, 엔지니어들은 충분히 통제할 수 있는 즉각적인 연소가 이루어질 수 있을 정도에 가까워졌지만 아직 폭발에는 이르지 못했다.


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