COLUMN

이번엔 될까?

새로운 개념의 로터리 엔진이 주행거리 연장 장치로 실현될 수 있을까?

2020.03.09

재규어 C-X75 콘셉트

 

크라이슬러의 시연용 터빈카 50대가 거리에 나선 1963년에는 터빈 엔진으로 굴러가는 차가 금방이라도 성공할 것처럼 보였다. 부품 수가 적고, 유지비는 낮아질 뿐 아니라 부드럽다는 장점을 내세워 판매했지만, 1979년에 효율과 배출가스에 대한 우려로 자동차용 터빈 엔진은 실패로 끝났다.

 

지금은 재규어 C-X75나 미쓰비시 MI-테크 콘셉트카를 통해 마이크로터빈 주행거리 연장형 자동차 개념이 실현되기 시작하고 있다. 나아가 효율은 더 높이고 배출가스는 크게 줄일 수 있도록 터빈 엔진과 피스톤 엔진의 장점을 결합하는 로터리 엔진 개념이 새롭게 등장했다.
전통적인 터빈에서는 연료 연소가 내부에서 이뤄지지 않을 뿐 아니라 크랭크샤프트가 작동하는 데 힘을 쓰지도 않는다. 그보다는 팽창하는 가스가 바람개비 날개에 부딪혀 축을 돌리고, 남는 공기는 냉각에 쓰인다.

 

 

하지만 아스트론 에어로스페이스가 새로 상표 등록한 오메가 원 로터리 엔진은 피스톤 엔진처럼 연소가 일어나 토크를 개선하고 배출가스 제어를 단순화한다. 게다가 부품 수가 적어 크기가 작고 공기로 냉각하며 부드럽게 작동하는 터빈의 장점들을 고스란히 지녔다. 오메가는 주로 항공산업을 염두에 둔 제품이지만 전기차를 위한 주행거리 연장 장치도 함께 개발되고 있다.

 

넓은 톱니 한 개가 있는 톱니바퀴가, 그 톱니에 맞는 홈이 있는 또 하나의 톱니바퀴와 맞물려 도는 것을 상상해 보자. 두 톱니바퀴는 홈이 난 기어 표면과 톱니 바깥쪽 가장자리 표면이 탄탄하게 물리도록(0.025~0.127mm 간격) 가공된 케이스 안에서 회전한다. 측면 판은 각각의 밀폐 공간에서 톱니바퀴들과 같은 작동 유격을 지니도록 마무리됐다. 톱니는 밀폐용 실이 필요 없기 때문에 마찰은 줄어든다.

 

새로운 로터리 엔진 개념은 터빈 엔진과 피스톤 엔진의 장점을 결합할 수 있다.

 

기어 한 쌍에서는 톱니가 흡입과 압축 행정이 일어나는 공간을, 다른 한 쌍에서는 압축과 배기 공간을 분리한다. 압축이 일어나는 부분이 3분의 1 정도 더 크다. 그래서 로터 쌍들 사이에 놓이는 작은 공기 저장 공간이 연소실을 과급하는 효과를 만든다. 터빈과 스로틀 밸브 사이에 있는 블로오프 밸브는 흡기압을 조절한다(예상 범위는 180~320psi이다).

 

압축이 일어나는 공간에서 회전하는 판에 있는 포트가 로터 측면 판에 난 구멍과 나란히 놓일 때 흡입된 공기가 연소실로 들어간다. 압축된 공기가 크고 방해받지 않는 포트로 들어갈 때 회전수가 낮으면 층상 혼합이 이뤄지고(스파크플러그 주변 농도를 짙게 한다), 회전수가 높으면 균일 혼합이 이뤄지도록 포트와 직접 분사장치를 함께 혹은 둘 중 하나를 선택해 연료를 공급한다. 불꽃 점화의 도움을 받아 압축착화 엔진(HCCI)은 최대 1만rpm까지 회전할 수 있다.

 

흡입과 압축 행정은 녹색 부분에서 일어난다. 압축된 공기는 파란색으로 칠한 탱크에 저장되고, 압축과 배기 행정은 빨간 부분에서 이뤄진다. 위쪽에 밝은 파란색으로 칠한 포트들은 압축 로터에서 압축된 공기가 빠져나와 연소 로터로 들어가는 부분이다.

 

일단 연소가 일어나면 팽창하는 가스는 회전 방향을 따라 대부분의 작동 범위에 걸쳐 톱니 뒷면을 민다. 따라서 연료에서 얻은 에너지를 오랜 시간 활용할 수 있다. 배출가스는 톱니가 다시 홈으로 들어가는 부분과 가까운 포트를 통해 나온다. 이 과정에서 톱니의 앞쪽을 밀어 다음 단계로 넘어가게 만든다. 이 포트에는 터보차저와 촉매 변환기를 함께 또는 선택해 달 수 있다.

 

컴퓨터 프로그램상에서 크기가 36×38×58cm인 오메가 엔진은 1만5000rpm에서 최고출력 608마력, 최대토크 138.3kg·m를 발휘하고 80%의 열효율을 달성한다. 바람개비처럼 생긴 터빈에서 나오는 냉각용 공기는 로터 쌍들을 지지하는 대형 중공식 회전축을 통과해 핀이 달린 바깥쪽 케이스를 지난다. 윤활 작용이 이뤄지는 곳은 이 회전축들뿐이기 때문에 연소실은 윤활제에 전혀 노출되지 않는다. 그리고 HCCI의 순간적인 연소와 더불어 작은 연소실 표면적 덕분에 엔진에서 나오는 질소산화물은 공기의 양이 너무 많아지면 작동되지 않는 3원 촉매변환기가 없어도 될 만큼 줄어든다.

 

 

여기까지는 아스트론의 주장에 불과하지만, 로스 알라모스 연구소의 몇몇 사람을 비롯한 똑똑한 사람들은 개념에서 충분한 장점을 확인하고 며칠 만에 벤처기업에 필요한 자금을 모두 투자했다.

 

이제 어려운 부분이 남았다. 개념을 증명할 엔진을 만들고 작동하는 일이다. 비교적 높은 정밀도로 작동하는 로터에서 밀폐용 실이 없고 윤활이 이뤄지지 않는다는 점이 우려된다. 폭넓게 변화하는 온도에 노출되는 부품들이 서로 다른 정도로 팽창하면 간섭이 생길 수 있는 점 또한 걱정이다. 특별한 소재와 높은 정밀도는 값비싼 항공기용 엔진에 쓰기엔 괜찮겠지만, 과연 자동차용 주행거리 연장 장치에 쓰기 적절한 비용으로 만들 수 있을까? 항공기용 엔진의 미래라는 관점에서는 흥미롭고 낙관적으로 보이지만, 자동차용으로서 전망은 조금 불안하다.

 

 

 

 

로터리 엔진, 터빈 엔진, 피스톤 엔진, 자동차, 모터트렌드

페이스북 트위터 링크
CREDIT

EDITOR : Frank MarkusPHOTO : 각 제조사 제공

모터 트렌드 ©motortrendkorea.com, ©motortrendkorea.co.kr 무단 전재 및 재배포 금지