가솔린 압축착화 엔진 HCCI에 대해 알아보자

가솔린을 디젤처럼? HCCI  (Homogeneous charge compression ignition) 엔진

* 현대에서는 GDCI로 부르는군요. 포스팅 작성하고 알았습니다;;; 

  GDCI = 가솔린 직분사 압축 점화(Gasoline Direct Compression Ignition) 

HCCI, 가솔린 압축착화 엔진은 업계의 오랜 떡밥(!) 중에 하나로 가솔린 직분사와 같이 오랜 시간 동안 검토 되어온 신기술 중 하나입니다. 

이론상 구현만 되면 '초'고연비의 실현 가능한데, 기술적인 난제에 막혀 개발이 지지부진한 상태였었죠. (저렴한 가격과, 적당한 내구수준, 고도의 제어기술 등) 

그런데 최근 가솔린 직분사가 상용화에 성공하면서 HCCI에 대한 가능성이 한층 높아졌습니다.

 

출처 : media. gm.com

기조가 고효율 엔진을 선호하는 쪽으로 돌아서면서 단가 상승에 대한 심리적 저항이 많이 낮아졌고, 

규제 때문이지만 한발 앞서 직분사 기술이 개선된 디젤엔진 덕분에 가솔린 직분사도 무리 없이 안착했기 때문인데요. 

기술의 성숙, 효율성을 중시하는 시장 분위기, 가격에 대한 개선된 경제성, 3박자가 맞아 떨어지면서 HCCI를 통해 내연기관의 발전은 정점을 찍어가는 분위기 입니다. 

(전기차가 시장을 지배할 분위기지만, 배터리의 발전이 생각보다 더뎌 최소 20년은 양분하지 않을까 하는게 개인적인 생각입니다. 저는 아직 엔진이 좋아요 ^^)

 

출처 : www.auto-wirtschaft.ch

HCCI의 기본 컨셉은 가솔린을 스파크 이그니션 (불꽃점화)가 아닌 디젤과 같은 압축착화를 하는데 있습니다. 

압축착화를 통해 연료를 절감하고 배기가스 배출을 배출을 획기적으로 줄이게 되지요. 

메이커에서 연구중인 자료들을 검색해 보면 연비가 30% 안팎으로 개선되는 걸로 확인 됩니다.배기가스는 질소산화물 (Nox) 계열이  거의 배출되지 않구요.

 

출처 : cheme.scripts.mit.edu

이렇게 똭! 좋은 컨셉의 엔진을 이때까지 쓰지 않은 건 뭔가 있었기 때문이겠죠? 

디젤이 연료 자체의 에너지가 높아 (분자 구조가 탄소가 더 많습니다.) 연료분사로 압축착화 시점을 제어할 수 있는 반면, 

가솔린은 에너지가 낮고, 온도/압력에 따라 민감한 연소조건을 가지고 있기 때문에 점화 시점을 컨트롤 하는데 애를 먹어왔습니다.

 

경유는 대충 압축하고, 연료를 뿌리면 알아서 폭발하는 수더분한 녀석이라면,

가솔린은 알맞은 온도에 알맞은 압력이 맞추어 져야만 스스로 폭발하는 센치한 녀석이란 말이지요...... 까칠한 가솔린찡 -_-;;;

 

출처 : www.hotrod.com

완벽한 조건이라뇨. 당장 우리나라 대기 온도만 해도 계절에 따라 영하 20도에서 30도를 오르내리는데요. 

엔진의 쿨런트 온도만 해도 대기온도부터 100도씨까지 올라가니,

최악의 경우 130도씨의 갭을 일정하게 맞추어야 하는데요......-_-;;;;

 

출처 : blog.mercedes-benzretailgroup.co.uk

게다가 PV = nRT 아시죠? 온도는 압력에 비례합니다. 혼합기의 온도를 일정하게 맞춰준다 해도 압축 조건에 따라 온도가 다시 바뀌고, 

엔진 상태에 따라 압축 조건은 끊임없이 바뀌니 완벽한 연소조건을 만든다는 건 사실상 하늘의 별따기 와도 같습니다.

 

출처 : everythingbecky.com

그럼에도 불구하고 HCCI의 탁월한(!) 장점 덕분에 버리진 않고 최소한 비슷하게, 안되면 압축착화를 버리자는 방향으로 기술개발이 이루지고 있는 중입니다.

 

우선 가장 중요한 온도 배리언스는 히팅과 쿨링을 통해 맞춰주는 방향으로 개발중입니다. 

히팅은 프리챔버에서 가열된 공기를 혼합기에 사용하고, 쿨링은 불활성 가스 (다 타고 남은 배기가스)를 EGR을 통해 실린더에 재 주입하여 연소온도를 낮춰주는 방법을 사용하지요.

 

출처 : parts.olathetoyota.com

압력은 밸브 타이밍을 조절하여 실린더 내에 들어가는 혼합기 양을 제어하는 쪽으로 하고 있구요. 

전통적인 밸브트레인으로는 타이밍 컨트롤이 힘드니 (CVVT, 가변밸브로는 부족합니다.) 아얘 밸브트레인을 제거하고 캠 샤프트가 필요 없는 밸브 액츄에이터를 도입합니다. 

각 조건 별 밸브 타이밍에 대해 맵을 만들어 콘트롤러에서 관리하겠다는 소리지요. 엔진 캘리브레이션-매핑이 더욱 더 빡세지는 겁니다 -_-;;;

출처 : www.green.autoblog.com

출처 : engfac.cooper.edu

가솔린이라는 연료 자체가 예민하니, 

디젤과 섞어서 공급하는 방법도 시도되고 직분사에, 다중포트 분사로 화염이 균일 생성 되게 한다던지, 

연료 온도를 조절하여 연소 조건를 효과적으로 제어 한다던지 하는 방법으로 연료 컨트롤도 시도되고 있습니다. (...... 간단하게 설명하기 힘들군요 헉헉헉)

 

출처 : parts.olathetoyota.com

HCCI를 위한 다양한 기술이 강구되고 있는데에 비해 현재까지는 린번 (낮은 비율의 혼합기)에 따른 출력저하를 해결하지 못한 상태에다가, 

고속에서의 컨트롤이 쉽지 않아 100km 미만의 속도에서만 시험되고 있는 중입니다. 

전기차 덕분에 연구비 투자를 내연기관에만 무진장 투자하지 못하는 환경도 지지부진한 개발에 한몫 거들고 있는데요. 

최신 자료에 따르면 일반엔진과 HCCI를 결합하여 조건에 따른 선택적 연소가 가능한 방향으로 흘러가고 있는 분위기 입니다. 

 

출처 : ecomodder.com

사실 가솔린 압축착화는 클린디젤, 전기차, 수소엔진등과 경쟁중인 관계로 메이커의 의지, 시장상황에 따라 나올 수도 나오지 못할 수도 있습니다. 

디젤과의 경쟁에서 밀리는 느낌이고 무게중심이 슬슬 전기차로 옮겨가고 있어 미래가 그렇게 발진 않습니다. 

그러나 전기차의 충전 인프라 확대가 생각보다 빠르지 않아 내연기관은 플러그인 하이브리드용으로 살아남을 가능성이 있는데요. 

계속되는 연비 개선 전쟁에서 HCCI의 30%의 연비 향상은 버리기 아까운 메리트임에 분명합니다.

 

출처 : www.carthrottle.com

출처 : alternativefuels.about.com

HCCI의 미래는 과연 어떻게 될까요?

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