자동차 엔진 종류별 구동 원리(디젤,가솔린,LPG,하이브리드)

 자동차의 심장 역할을 한다고 할 정도로 움직이는 원동력의 핵심인 엔진.

엔진은 기본적으로 연료를 이용해 내부에서 폭발을 일으켜 나오는 힘을 자동차에 전달해 움직이는 원리를 가지고 있다. 이때 엔진이 작동하는데 사용되는 연료에 따라 엔진의 구조나, 작동 방식이 조금씩 다르다.

연료마다 가지고 있는 성질이 다르기 때문인데, 어떤 차이점이 있고, 그에 따른 장단점은 어떤 것이 있을까?

 

1. 디젤 엔진

디젤 엔진의 구동 원리를 보면

1. 흡입: 실린더 내부에 공기를 흡입시킨다.

2. 압축: 실린더 내부의 공기를 압축해 고온, 고압의 상태를 만든다.

3. 분사: 여기에 액체 연료를 분사하면 자연적으로 발화가 이뤄진다.

4. 폭발: 공기와 연료가 만나 폭발된 에너지를 이용해 피스톤을 움직여 동력을 얻는 것이다.

 

 디젤 즉, 경유는 휘발유에 비해 인화성이 낮고 발화점이 낮은 성질을 가지고 있어 따로 불꽃을 일으키지 않아도 고온으로 강하게 압축된 공기에 연료를 분사하는 것만으로도 발화가 가능해 자연 발화 방식을 이용 할 수 있는 것이다. 이 방식은 공기를 강하게 압축 시켰다가 폭발 시키기 때문에 강한 힘을 만들어 낼 수 있다는 장점이 있다. 그래서 트럭이나 화물차와 같이 강한 힘이 필요한 차량에 많이 사용된다. 또 자연발화 방식으로 인해 연료가 골고루 동시에 폭발을 하게 되어 연소율과 연비가 높아진다.

 반면, 강한 힘을 만들어 내는 과정에서 큰 팽창력이 발생해 소음과 진동이 차량에 크게 전달 되는데, 승차감을 떨어트리는 원인이 된다. 또 강한 힘을 견뎌야 하기 때문에 피스톤의 크기가 커져 엔진의 크기가 커지고 높은 내구성을 요구하기 때문에 그만큼 추가되는 부품, 기술력 등에 의해 차량 출고가가 높아질 수 있다.

 

 

2. 가솔린 엔진

 가솔린엔진 역시 디젤과 비슷한 과정으로 작동하게 되는데 차이점은 가솔린(휘발유)이 경유에 비해 인화성이 높고, 자연발화시 500~550°C 이상의 높은 온도에서만 불이 붙는 성질을 가졌다는 것이다. 그래서 자연 발화 하는 경유와 달리 발화를 위한 불꽃을 강제로 만들어 주어야 한다.

1. 흡입: 밸브가 열리면 공기와 연료가 섞여 실린더 내부로 유입된다.

2. 압축: 밸브가 닫히고 피스톤이 올라가면서 공기, 연료 혼합물이 압축된다.

3. 연소: 내부에 있는 점화 플러그가 불꽃을 일으켜 압축된 혼합물을 연소 시킨다.

4. 폭발: 혼합물의 연소로 팽창된 힘이 엔진의 원동력으로 사용된다.

 

 작은 차이점 같이 보이지만 디젤 엔진 처럼 큰 힘으로 압축할 필요가 없기 때문에 전해지는 진동이나 소음이 그만큼 비교적 작아 승차감이 좋다는 장점이 있다. 또 연료의 압축 시간이 짧고 점화 플러그를 통해 연료를 폭발시키는 과정이 신속하게 이뤄지기 때문에 고속 주행에 유리한 특징을 가진다.

반면, 인공적으로 연료를 폭발 시키는 방법으로 팽창하는 비교적 작아 힘이 약할 수 있다. 또 디젤에 비해 기름값도 높은데, 엔진의 회전수가 빨라 연료를 빠르게 소모하기 때문에 상대적으로 연비가 떨어진다는 단점이 있다.

 

 

3. LPG 엔진

 LPG란 Liquefied Petroleum Gas의 약자로 석유의 정제 과정에서 끓는점 30°C 이하에서 추출되는기체 상태의 탄화수소를 액화 시킨 액화 석유가스라 불리는 연료다.

LPG연료를 사용하는 엔진도 기본적으로 디젤, 가솔린 처럼 흡입~폭발의 과정을 거쳐 엔진이 작동하는데, LPG연료를 기체상태의 연료로 사용하는 것을 LPG엔진, 액체상태의 연료로 사용하는 것을 LPI엔진으로 나뉜다.

 

*LPG엔진

 액화 상태의 가스를 기체로 변화시켜 엔진에 연료를 공급하는 방식이다. LPG연료통(봄베)에 저장 되어있는 LPG연료를 밸브를 통해 베이퍼라이저로 이동한다. 이곳에서 액체 상태의 연료가 기화되어 기체 상태가 된다.

 기체 상태로 변한 연료는 믹서라고 부르는 엔진 스로틀바디로 이동해 공기와 혼합되어 엔진의 연소실에 들어가 폭발하며 엔진이 구동한다.

 

 이 방식의 엔진은 온도가 낮은 환경에서 연료 호스에 남아있는 연료가 얼어 시동이 잘 걸리지 않고 연료 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또 가스 상태의 연료를 공기와 섞어 사용하기 때문에 기체 상태라는 특성상 정확한 제어가 어렵다.

 

*LPI엔진

 LPG연료를 기체로 변환시키는 과정 없이 액체 상태의 연료를 인젝터를 통해 엔진에 공급하는 방식이다. LPG엔진에서 발생되는 문제점을 보완하기 위해 가솔린이나 디젤 엔진처럼 액체상태의 연료를 직접 연소실 내부로 분사하기 때문에 손실 없이 고압축으로 폭발 시켜 출력이 높아지고, 연비가 높아져 가솔린 엔진에 가까운 성능과 연비가 나온다는 장점이 있다.

 

 LPG 차량은 기본적으로 다른 연료보다 세금이 낮아 연료비가 저렴하고 차량 출고가가 저렴하다. 또 연료 폭발 후 완전히 연소하기 때문에 대기오염이 줄어들고, 오일 교환 주기 나 엔진 수명이 길어진다는 점도 장점이다.

 

 하지만 피스톤 압축으로 폭발 후 연소되는 속도가 연료들중 가장 느려 가속력이 뒤쳐질 수 있다. 또 안전상의 이유로 가스를 저장하는 봄베 용량의 최대 85%만 충전을 할 수 있고, 상온에서 불안정한 연료 특성상 부수적인 에너지 손실이 있을 수 있다는 점에서 연료 효율성이 떨어진다. 마지막으로 디젤이나 휘발유처럼 충전할 수 있는 충전소의 수가 많지 않다는 점은 가장 큰 단점이 될 수 있다.

 

 

4. 하이브리드 엔진       

   

 하이브리드란 장점을 부각시키고, 단점에서 오는 문제점을 해결하기 위해 두가지 이상의 요소를 합친 것을 의미한다. 자동차에서는 가솔린 자동차에 전기 자동차의 원리를 접목한 것을 의미한다. 내연기관(열 엔진)과 전기 모터의 조합을 기반으로 하는 하이브리드 엔진은 각 방식을 함께 또는 교대로 작동하면서 엔진의 성능 저하 없이 연료를 절약하고 배기 가스 배출을 줄일 수 있다.

 

일반엔진 옆에 부착되어있는 전기 엔진이 발전기 역할을 해 전기 에너지를 생산, 충전하는 원리로 운전자가 브레이크를 밟을 경우 발생하는 마찰력에서 오는 열에너지를 전기 에너지로 바꿔준다. 이렇게 발생된 전기 에너지를 이용해 배터리를 충전하기도 하고, 전기모터를 돌려 자동차를 움직이는 운동에너지를 생산하는 방식이다.

 

 즉, 운행시에는 전기에너지를 운동에너지로 바꿔 자동차를 움직이는 모터 역할을 하고, 속도를 줄일 때는 발전기 역할을 해 전기에너지를 생산하고 저장하는 역할을 하는 것이다.

 

 하이브리드 엔진은 공회전이나 작은 에너지를 사용하는 상황에서 열에너지 사용을 중단하고 전기에너지를 사용 하여 불필요한 연료 및 에너지 손실을 막을 수 있기 때문에 에너지 효율이 높아 연비가 높아진다. 또 유해 가스 배출량이 적어 환경 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 대신 자동차의 구조가 복잡하고 무겁기 때문에 수리가 어렵고 엔진을 크게 만들 수 없다는 단점이 있다.

 

 연료마다 가지고 있는 특성, 그에 맞는 엔진의 작동 원리 및 장단점을 이해하고 있다면 나에게 맞는 자동차를 구입할 때, 또는 운행중인 자동차를 관리 및 점검할 때 많은 도움이 될 것이다.