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차와 자동차 회사/자동차 기술

하이브리드 엔진에 사용되는 앳킨슨 사이클


아르킨슨, 앳킨슨 사이클 (Atkinson Cycle)을 알아보자

 


앳킨슨 사이클을 이해하기 위해서는 먼저 펌핑로스라는 개념을 알아야 합니다.

 


단어 그대로 해석하면 펌프질 하면서 발생하는 손실이란 뜻인데요혼합기 (직분사의 경우 공기만)를 실린더 내로 끌어올 때 생기는 동력손실을 의미합니다



4행정의 경우 흡입 압축 폭발 배기의 순서로 진행되는데, 이 때 폭발단계를 제외하면 모두 에너지를 소모하는 로스가 발생하고, 특히 흡입 때문에 생기는 동력 손실만을 일컬어 펌핑 로스라고 합니다.

 

출처 : blog.shawgmc.com


울처 : nissan-global.com


사람이 숨쉬기 위해 에너지가 필요하듯동력을 만드는 엔진역시 숨쉬기 위해 에너지를 소모한다는 개념으로 이해하시면 쉽습니다여기서 엣킨슨 사이클은 이 펌핑로스를 줄이기 위해 흡기량을 줄이는 컨셉으로 개발됩니다.

 


출처 : www.curbsideclassic.com



전통적인 4사이클 엔진은 피스톤이 항상 일정한 거리만큼 움직이는데 피스톤 이동의 최고점인 상사점 (TDC, Top Dead Center)과 최저점인 하사점 (BDC Bottom)이 항상 일정합니다따라서 압축비와 폭발비가 서로 같은 값을 가지고 있죠.



* 혼합기가 압축되는 부피 = 폭팔 후 부피



그런데 엣킨슨 엔진은 크랭크축을 3점 링크로 특수하게 설계합니다.

 


흡입행정의 하사점을 약간 높게 가져갈 수 있게 하는데요링크의 구조는 다소 복잡하므로 설명대신 그림을 보시는게 더 빠르실 듯자세히 보면 피스톤이 한번은 많이 내려가고 한번은 적게 내려가는 걸 보실 수 있습니다

 


출처 : www.curbsideclassic.com


출처 : thekneeslider.com



이런 구조 덕분에 압축비와 폭발비를 다르게 가져갈 수 있고 줄어든 압축비 덕분에 펌핑로스가 개선되는 효과를 볼 수 있습니다최종 결과는 늘어난 엔진의 열효율 이구요.

 


* 혼합기가 압축되는 부피 < 폭팔 후 부피



하지만 딱 봐도 조가 복잡해 보입니다. 아시겠지만 뭐든지 복잡하면 문제가 많습니다부품도 비싸고, 조립도 힘들고, 고장이 날 확률이 많죠열효율을 높이기 위해 포기 해야하는 게 많다면, 공학적인 입장에서는 바람직 하진 않습니다1882년에 발명된 싸이클 임에도 불구하고 여태까지 시용되지 않은 이유가 여기에 있었습니다.

 


출처 : www.homemodelenginemachinist.com



그런데 1997년 출력따윈 중요치 않아. 우린 무조건 연비임 ㅇㅇ 하며 토요타의 프리우스가 똭! 하고 등장했습니다.



하이브리드 시대의 서막을 알리는 신호탄 이였지요.

 


당시로는 상상도 하기 힘든 30km/l의 연비에 폭발적인 인기를 누렸는데요연비가 너무나 뛰어난 나머지 다른 단점들은 모조리 커버가 가능한 컨셉이었고. 덕분에 엣킨슨 사이클이 다시 사용되기 시작합니다다만, 엣킨슨 엔진의 사이클은 그대로 차용하되발달된 밸브트레인 기술을 이용하여 기존 오토 사이클 엔진에 구현하게 됩니다.



출처 : gipoteza.net



간단히 이해를 돕기 위해서



1. 우선 12이라는 부피를 가진 실린더 내부에 혼합기를 12만큼 주입합니다.


2. 압축이 시작되는 순간 흡기밸브를 조금 더 열어 놓습니다.


3. 실린더 내 2만큼의 혼합기가 다시 인테이크 매니폴드로 돌아가도록 합니다.


4. 최종적으로 10만큼 남은 혼합기로 압축이 시작됩니다.


5. 폭발이 일어나면 피스톤은 다시 12 부피만큼 확장하게 됩니다.


6. 압축비 1:10 / 팽창비 1:12  를 다르게 하는 이 과정으로 펌핑로스는 줄이고,


7. 폭발력은 그대로 유지하게 됩니다.

 


압축비를 적게 가져가는 컨셉 (엣킨슨 사이클)을 구조가 복잡한 엣킨슨 엔진을 사용하지 않고서도 구현하는 방법입니다. 타이밍 관리를 위한 캠페이져만이 조금 복잡해 졌고. 그마저도 현재 CVVT (Continuos Variable Valve Timing, 가변밸브타이밍, 혹은 Cam Phasing 캠페이징)이 개발되어 사용되는 만큼 손쉽게 개발이 가능했습니다.

 


출처 : takemebeyondthehorizon.wordpress.com



물론 늘어난 피스톤 스트로크 덕분에 (큰 팽창비로부터 오는) rpm을 높이는데 한계가 있고, 최대출력 (rpm에 비례) 이 낮아진다는 단점이 있습니다만프리우스를 타보신 분들은 알겠지만 생긴 것 부터가 퍼포먼스와는 거리가 먼 차량입니다.



출처 : en.wikipedia.org



엄청난 연비 메리트 때문에 당시 엔진의 성능은 전혀 문제대상이 아니었고현재 부족한 출력은 CVT의 발전과 모터의 기술개발에 힘입어 어느 정도 보완이 되어있는 상태이지요...  (개인적으로 마지막 버전인 3세대를 시승해 보았는데요. 소형트럭을 모는 묵직함은 차가 튼튼해서가 아니라 도무지 나가질 않아서였습니다. 연비위주의 차량이니 심각하게 문제제기를 할 사안은 아니라고 봅니다.)


 

출처 : www.automobilesreview.com



현재 거의 모든 하이브리드 차량의 엔진에서 엣킨슨 사이클의 컨셉을 활용 중이며, 위키에서 가져온 차량 리스트로 글을 마무리 하겠습니다.

 


포드

Ford C-Max (front wheel drive / US market) hybrid & plug-in hybrid models

Ford Escape/Mercury Mariner/Mazda Tribute electric (front- and four-wheel drive) with a compression ratio of 12.4:1

Ford Fusion Hybrid/Mercury Milan Hybrid/Lincoln MKZ Hybrid electric (front-wheel drive) with a compression ratio of 12.3:1



혼다 어코드

Honda Accord Plug-in Hybrid

Honda Accord Hybrid (front-wheel drive)



인피니티

Infiniti M35h Hybrid (rear-wheel drive)



현대기아

Hyundai Sonata Hybrid (front-wheel drive)

Kia Optima (K5) Hybrid (front-wheel drive)



렉서스

Lexus CT 200h (front-wheel drive)

Lexus ES 300h (front-wheel drive)

Lexus IS 300h (rear-wheel drive)

Lexus GS 450h hybrid electric (rear-wheel drive) with a compression ratio of 13:1

Lexus HS 250h (front-wheel drive)

Lexus RX 450h hybrid electric (four-wheel drive)



마쯔다 (로터리 엔진)

Mazda 3 SkyActiv (front-wheel drive) with a 13:1 compression ratio (12:1 for North America)

Mazda 6 SkyActiv-G 2.5L (front-wheel drive) with a 14:1 compression ratio (13:1 for North America)

Mazda CX-5 (front- and all-wheel drive) with a 14:1 compression ratio (13:1 for North America)



메르세데츠 벤츠

Mercedes ML450 Hybrid (four-wheel drive) electric

Mercedes S400 Blue Hybrid (rear-wheel drive) electric



토요다 (캠리, 프리우스)

Toyota Camry Hybrid electric (front-wheel drive) with a compression ratio of 12.5:1

Toyota Highlander Hybrid (2011 and newer)

Toyota Prius hybrid electric (front-wheel drive) with a (purely geometric) compression ratio of 13.0:1

Toyota Yaris Hybrid (front-wheel drive) with a compression ratio of 13.4:1



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