스털링엔진, 내연기관 열효율, 구조적인 한계를 극복하기 위한 노력들



 외연기관과 잠수함의 AIP 관련 글을 쓰면서 두어 번 스털링(Stirling) 엔진에 대해 가볍게 다룬 적이 있습니다. 40%의 열효율을 가지며, 외연기관의 특성상 모든 종류의 연료를 이용할 수 있다고 정리하였었지요. 



 특히 폐회로 사이클을 가지는 관계로 잠수함의 AIP (Air independent Propulsion, 공기불요추진)에서 사용되는 중입니다. 





스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?1wikipedia




 오, 효율도 좋고 잠수함에서 쓰는 엔진이라고요? 뭔가 대단한 기관인가 보죠?




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 사실 스털링 엔진 자체는 개발된 지 매우 오래되었습니다. 지금으로부터 약 200년전 1816년 스코틀랜드의 목사 로버트 스털링에 의해 첫 선을 보였습니다. 1800년대 초반은 조선에서는 막 카톨릭이 전파되어 죽이니 살리니 하고 있을 시절인데요. 서양에서는 지금까지 사용하고 있는 엔진의 컨셉을 당시에 만들어 내고 있었던 거죠.



 원리는 간단합니다. 실린더 내부의 공기를 가열합니다. 공기가 팽창하면서 피스톤을 밀고 피스톤은 크랭크와 연결되어 축을 회전 시킵니다. 일을 한 공기는 냉각되면서 수축하고, 피스톤을 잡아당겨 다시 축이 회전됩니다. 



 대표적인 스털링 기관은 크게 세가지, 알파, 베타, 감마로 나뉘는데요.  (감마는 잘 쓰이지 않습니다.)  백문이 불여일견. 이 중 두 가지인 알파와 베타의 작동 원리를 위키에서 발췌하였습니다.




스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?3알파 스털링 - en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine




스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?4베타 스털링 - en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine




 장점으로는 공기를 가열하는데 연료의 제약이 없습니다. 목재, 석탄, 심지어는 지열, 태양열과 같은 청정 에너지원을 사용할 수 있습니다. 온도차를 이용하기 때문에 고열의 에너지원이 필요 하지도 않습니다. 소형 스털링 엔진의 경우 심지어 손바닥 위의 체온으로도 작동시킬 수 있습니다. 이론상 2도씨의 온도차만 있어도 작동 가능합니다. 




https://www.youtube.com/watch?v=O6eEvU5piQg



 열이 발생하는 전자기기의 냉각기에 사용되기도 합니다. 어짜피 그냥 날라갈 열을 냉각기의 구동에 사용하는 것이지요. 폐열을 재활용 할 수 있습니다. 연소를 위한 폭발이 필요 없기 때문에 소음이 적습니다.



 엔진소음은 대부분 폭발음과 주요 부품의 구동음이 차지하는데, 스털링 기관은 구동음만 차단하면 소음을 상당한 레벨로 낮출 수 있습니다. 정숙성이 중요한 현재 스웨덴 고틀란드급, 일본의 소류급의 AIP 기관으로 사용 중입니다.



 그럼 이렇게 좋은 기관을 왜 여태껏 이용하지 않았나요?



 왜냐하면 일정 크기를 넘어가면 효율이 급격히 떨어졌기 때문입니다. 스털링 엔진의 원리는 실린더의 온도차이고, 효율은 온도차가 클수록 좋아집니다.. 팽창부는 엄청 뜨겁게, 수축부는 엄청 차가워야 한다는 소리와도 같습니다. 




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 열교환기쪽의 소재가 고온에 견디어 내야 하고, 동시에 열 전달을 달 할 수 있어야 합니다. 마찬가지로 수축쪽 열교환기는 빠른 냉각이 필요하고, 덕분에 복잡한 라이에이터 시스템을 가져야 합니다. 



 열충격을 견디기 위해 스테인레스 스틸, 세라믹까지도 소재로 활용됩니다. 이론적으로는 간단하나 구현하기 위해 높은 수준의 기술과 비싼 소재가 모두 필요했던 것이지요.



 그럼에도 불구하고, 폐열을 이용할 수 있다는 점은 무척 매력적이었고, 덕분에 다양한 분야에서 꾸준이 사용이 시도되어 왔습니다. 자동차에 적극적으로 도입이 시도되었는데, 1970년대 후반 나사의 주도로 포드에서 차량용 스털링엔진이 개발되기도 했습니다. 




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 특히 나사의 경우는 Mod1과 Mod2 두 단계로 나누어 시험을 했고, AMC에서 이 엔진을 장착한 2도어 쿠페 스피릿이 개발됩니다. 실용외연기관으로는 자동차에 달린 첫 번째 사례이지요. 5만마일의 시험기간을 가졌는데, 12km/L의 당시로는 상당히 높은 고연비를 기록했습니다.




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 엔진 구조를 보면 원리는 외연기관이지만, 기술적으로는 내연기관과의 중간쯤 되는 물건입니다. 얼핏 보면 피스톤에 크랭크축도 유사하고, 흡배기 밸브가 있는 점도 일반 엔진과 비슷한데, 대신 연소실이 엔진 내부가 아니라 열교환기 형태로 엔진 외부에 장착되어 있습니다.




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 스털링의 열효율이 워낙 좋은지라 높은 연비를 기록했지만, 엔진 시동을 위한 웜업 시간이 길었고, 가속, 감속이 즉각적으로 이루어지지 않는다는 단점도 있었습니다. 



 1986년 Mod2를 끝으로 더 이상 개발이 중단되었습니다만, Mod1에서는 AMC Spirit, Concord, Lama가 Mod2에서는 Chevrolet Celebrity이 스털링 엔진을 달고 등장했었지요. 만약 연구가 더 진행되었다면, 단점이 극복되어 외연기관의 끝판왕을 만날 수 있을 뻔 했지 않나 싶습니다.



* 참고로 기존에는 자동차용 스털링엔진에 부정적인 입장이었습니다만, 민박쥔장님께서 공유주신 블로그 자료를 보고 나서 글의 논조를 바꾸었습니다. 스털링 엔진의 가속 및 속도제어에 대해 논문 정리가 되어있는 포스팅이 있으니 더 자세한 내용은 링크를 참고해 주세요. 



 간단히 정리하면, 스털링 엔진을 개발 하는데 에는 여전시 시간과 비용이 필요하나, 가속 감속제어 및 출력 향상을 위한 방법은 이미 확립된 상태라는 내용입니다. 예를 들어 가감속 응답성 향상은 작동기체를 넣거나 빼는 등의 평균압력 제어로 달성이 가능하다고 하는군요.







스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?9ecomodder.com




 특이하게 GM에서는 전기차에 하이브리드엔진으로 스털링 엔진을 장착하는 연구를 했었는데, 배기관의 뜨거운 온도를 이용하는 아이디어였습니다. 전기차 관련 기술 부족으로 상용화 되지는 못했었죠.




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 현재 운송분야에서 활약중인 스털링은 잠수함의 AIP기관이 유일합니다. 디젤연료와 액화산소를 싣고 다니면서 스털링 엔진을 돌리고, 스털링 엔진은 발전기와 연결되어 축전지를 충전합니다. 




스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?11saab.com




 주 추진기관이 모터인데, 전기에너지를 생성하는 스털링 엔진 자체도 정숙해서 현재 스코틀랜드의 고틀랜드, 일본의 소류급이 채택하고 있습니다. Mk3라 불리는 이 기관은 70Kw의 출력에 3,000시간의 수명을 가지고 있다고 알려지고 있습니다. 



 (3,000시간이 아니라 18,000 시간이라는 지적이 있었습니다. 무기의 스팩은 정확한 수치가 공개되지 않기 때문에 정확한 수치가 아닙니다. 다만, 잠수함의 작전시간을 고려할 때 18,000 시간이 더 타당해 보입니다)




스털링 엔진, 외연기관 엔진이 자동차에 달린 적이 있다고요?12www.genomicon.com




 일반적으로 사용되는 스털링 기관은 대부분이 소형 가전에 사용 중입니다. CPU의 폐열을 이용해 쿨러를 돌리기도 하고 (Polo-Tech사의 CPU cooler), 난방용 보일러에서 나온 열을 이용해 전기 발전용으로 스털링 엔진을 사용한 예도 있습니다. (경동나비엔의 하이브리젠 SE), 



 신재생 에너지라는 타이틀로 다양한 분야에서 스털링 엔진의 사용이 점차 확대되고 있는데요. 자동차, 선박은 아니더라도 우리 생활과 밀접한 제품에 속속 파고들어가, 앞으로 자주 만나 볼 수 있지 않나 합니다.





* 낙랑청허님, 소재제보 감사합니다!
민박쥔장님, 오류수정 감사합니다!




Posted by wizard_IRON

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  1. bmw850ci

    오오!! 보일러에 스털링엔진이라니!!!

    2016.02.23 02:33 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 발전용 소형 스털링 엔진이 들어가있더라고요. 경동나비엔 홈페이지 들어가보니 생각보다 다양한 제품군이 있어서 깜놀 했어요 +_+

      2016.02.23 08:54 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. 알 수 없는 사용자

    이제 내연기관의 시대는 가고 외연기관의 시대가 오는 것일까요?
    중국에서도 마이크로터빈을 이용한 전기차 슈퍼카를 선보인다고 하더군요.
    http://www.motorgraph.com/news/articleView.html?idxno=8750

    이런 것을 보면 기술의 발달이 참 놀라운 것 같습니다. ^^

    2016.02.25 22:45 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 80.....80% 라고요? 헉...... 마이크로터빈이라고 하는 걸 좀파봐야 겠어요 +_+

      2016.02.26 08:06 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  3. 익명

    비밀댓글입니다

    2016.02.29 02:31 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 안녕하세요~ 항상 방문주셔서 감사합니다. ^^ 딱히 다른 의미가 있었던 건 아닌데, 제가 생각이 짧았네요. 분명 거부감을 느끼는 분들도 계실테니 바꾸는 편이 맞는 것 같아요. 바로 수정하겠습니다.

      조언 감사드려요~

      2016.02.29 08:19 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  4. 잘보았습니다

    2016.03.10 15:44 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  5. 잠수함용 API를 제작한 Kockums사의 잠수함용 75kW 4-275엔진은 더블액팅 방식 구조로 무보수 운전 기록은 2002년 기준 18,000시간 입니다(NASA 2002. Stirling Engine Assessment 참조). 그 뒤로 갱신되었을지 모르지만, 이후로는 공개적으로 발표된 바는 없읍니다. Kockums 사의 자회사인 USS는 미국과 계약하여 1979년부터 1986년까지 미국의 MTI를 도와 자동차용 스털링 엔진을 개발하였고, 그 결과물이 REDS인 Mod I와 Mod II 입니다. 정확한 프로젝트 명칭은 "자동차용 스털링 엔진 개발 프로젝트" 였고, 세부적인 목표는 최소 30% 이상 개선된 연비의 소형 승용 자동차용 스털링 엔진의 개발 및 미국으로의 스털링 엔진 기술 이전이었으며 부수적인 목표들은 배기가스 기준 만족, 만족스러운 운전용이성 등입니다. DOE와 NASA 공동 계약으로 LeRC가 감독했읍니다. 블로그 본문에서는 마치 Mod II 가 실패했기 때문에 이후에 개발이 되지 않은 듯한 뉘앙스가 있으나 사실과 전혀 다릅니다. 프로젝트는 매우 성공리에 끝났지만, 이후 유가파동등이 안정되어 더이상 진행되지 않았읍니다. 당시 같이 개발되었던 GM의 볼트 역시 같은 운명이었을 뿐입니다. 1986년 프로젝트가 거의 끝나갈 무렵 Mod II가 장착된 차량은 시보레 셀러브리티로 원본 차량은 1500cc급 무연휘발유 내연엔진 차량으로 92마력 13kgm급 토오크의 엔진인데, 같은 셀러브리티에 Mod II가 설치된 사양은 배기량 500cc급, 83.5마력, 21kgm급 토오크로, 차량 무게는 약 1300kg정도 였읍니다. 키온 후 출발 가능 시간은 30초로 여느 디젤 엔진과 별반 차이가 없읍니다. 가속 감속 모두 원활하고, 특히 스털링 엔진 특성상 진동과 소음이 거의 없는 정숙한 운행을 보였습니다. 연비는 도심/고속도로 혼합 연비로 17.5km/, 0-97km 가속성능 12.4초, 열효율 39%, 촉매 변환장치 없이 1986년 켈리포니아 배기가스 제한 조건 만족 등으로 연비성능은 2016년식 현대 소나타 하이브리드 1999 cc 18.2km에 약간 밀리는 정도입니다.(1986. 자동차용 스털링 엔진 Mod II 설계 보고서 외 참조.) 참고로 2016년식 하이브리드가 아닌 소나타 2.0 CVVL의 복합연비는 12.6km/L 168마력, 20.5kgm 토오크 입니다. 굳이 부연설명하자면 Mod II는 아반떼급 이하에 설치되도록 설계가 제한되어 500cc급으로 개발되어 그러할 뿐, 동등한 2000cc급으로 개발되었다면 단순 수식 계산 346마력, 최대 토오크 83kgm급의 슈퍼카용 엔진이 되어버립니다. 특히 스털링 엔진의 강한 토오크는 타의 추종을 불허하는데, 저속 고토오크의 버스, 상용 트럭등에 매우 적합합니다. 물론 여기에 촉매변환장치를 단다면, 향후 2~30년간의 어떠한 배기가스 제한도 통과하는 고효율 고청정 엔진이 될 것입니다. 이 성공했지만 묻혀버린 프로젝트는 유가 움직임과 민감하며, 이후 지속적인 개발만 되었어도 현재의 자동차 엔진은 양상이 매우 다를 것입니다. 해당 프로젝트는 7년간 성공리에 수행되고 만족스러운 결과를 만들었지만, 자동차 산업으로까지의 전파는 실패했는데, 유일한 이유는 당시까지 대량생산되지 못한, 개발이 덜된 이유의 고가의 엔진 때문이었고 결정적으로 해당 시기 이후 유가의 하락이었습니다. 7년간 프로젝트는 총 8천 페이지 이상의 7년간의 반기, 4분기별 보고서, 4천 페이지 이상의 부속 연구 결과 보고서등을 포함하는 막대한 분량과 동시에 완전 공개라는 파격적인 조건으로 미국내의 스털링 엔진 기술 이전을 조건으로 하여, 지금도 해당 정보가 모두 공개되어 있지만, 30년이라는 시간의 경과 속에서 모든 자료를 찾는 것이 미국 내에서도 매우 어렵습니다. 이런 내용을 알고 있는 이유는 현재 찾아낸 4천 페이지 분량 정도를 번역중이기 때문입니다. ^^;; 한가지 덧붙이면, 스털링 엔진이 저 토오크라던가 대형 엔진에서는 효율이 떨어진다던가 하는 것은 낭설입니다. 아직 개발되지 않았을 뿐이며, 기술이 덜 개발 되었기 떄문이며, 효율 역시 그 이상이 충분히 가능합니다. 기본적으로 스털링 엔진은 고 토오크 엔진이며, 필립스에서 실험적으로 선박용 3000마력 엔진 개발을 시도하였지만 더이상 진행되지 않았을 뿐입니다. .

    2016.03.15 03:36 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  6. 본문중에 스털링 엔진 중에서 감마는 잘 쓰지 않습니다라는 표현은 적절하지 않습니다. 형식상 차이일 뿐이며, 각각 특장점에 따라 고루고루 사용되고 있읍니다. 이런 알파 베타, 감마 형식 구분은 별로 명확한 것은 아니지만, 실제로는 델타 타입도 있읍니다. 이해하기 쉽도록 나중에 붙인 이름으로 중요한 것은 아니지만, 그렇다고 해도, 감마는 잘 쓰이지 않는다는 표현은 매우 불합리한데, 이유는 저온도차 영역의 개발된, 그리고 개발중인 대다수의 스털링 엔진이 감마엔진이며, 사실상 논문도 감마 엔진이 가장 많이 발표되어 있읍니다. 동영상에 손바닥 위에서 동작하는 엔진 형식이 굳이 따지면 감마형 저온도차 스털링 엔진이며, 그 아래의 프리피스톤 방식 스털링 엔진도 정확하게는 감마형 프리피스톤 방식 엔진입니다. 프리피스톤 방식 등은 구동장치가 무엇이냐를 따지는 부분인데, 대부분 프리피스톤이 베타형만 있다고 알고 있지만, 실제 프리피스톤 방식은 베타형을 기반으로 발전하여 감마형과 알파형까지 모두 존재 합니다.

    2016.03.15 03:52 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 여러가지 내용이 담겨있는데, 양이 많아서 읽는데 시간이 많이 걸리는군요. 본문에 수정해야 할 내용이 상당한 것 같습니다. ^^;;;

      우선 잘못된 내용의 지적에 감사드리고, 글을 전반적으로 수정하도록 하겠습니다. 제 글은 주로 영문위키에서 가져왔습니다. 반박 내용에 대한 출처를 주셨으면 좀 더 확실히 고칠 수 있을텐데, 일단은 수정+내용 추가 정도로만 정리할께요 ^^

      2016.03.15 07:57 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • 우선 오류수정 대단히 감사합니다. 알파, 베타, 감마에 대한 기초 지식이 부족해서인지 감마관련 잘못된 본문 내용은 수정을 완료했습니다.

      그리고 스털링 자동차 부분에 대해 지적하신 내용은…

      스팩을 무척 구체적인데, 어디셔 가져오셨는지 대단히 궁금하네요. 방대한 자료를 번역하시니 알고 계시겠지만, 말씀하시는 대로 스털링 엔진 관련 내용들은 인터넷에서 찾기 쉽지 않았거든요. 아마 대학교 도서관의 원서정도 뒤져야 나올 법 하더라고요. ^^;;;;

      일단 인터넷에 돌아다니는 영문자료들을 읽어보니 대부분의 논조들이 시대를 잘못 타고났다는 평가가 대부분이었습니다. 그리고 그 논조에 저도 동의하는 편입니다. (제가 개발당시 환경을 모른다는 한계는 명확합니다만)

      예를 들어 지적하신 부분 중에 30초의 예열시간이 디젤과 별로 차이가 나지 않는다고 하셨잖아요? 현재 디젤엔진의 글로우 플러그는 컨트롤러와 세트로 되어 상온에서 1,2초면 예열이 완료되는 스팩을 가집니다. 물론 지금 다시 개발하면 30초는 아니겠지만, 예열없이 시동에서 가속까지 2초가 채 걸리지 않는 가솔린 엔진을 대체하기에는 ‘편의성’이라는 측면에서 많이 부족해 보여요.

      실례로 디젤의 가속이 터보랙 때문에 가솔린의 그것에 비해 약간 늦은 감이 있잖습니까. 필드에서 반응이 느리다는 피드백들이 있는데, 실제 측정해 보면 0.5초 안팎으로 나오거든요. 만약 이 부분, 시동 및 가속 반응성 부분이 극복되어 시동을 2초 내로 해결할 수 있다면, 높은 열효율, 그리고 다양한 연료의 선택 때문에 다시 선택받을 수도 있겠단 생각은 듭니다. (이미 관성 때문에 대세는 전기자동차지만요 -_-;;; )

      그나저나 0 to 60 MPH에 13초 내외라니 생각보다 발군의 가속력에 놀랍기까지 하군요. 다이나모 차트의 토크선도를 볼 수 있으면 좋겠어요.

      2016.03.15 09:08 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  7. 토오크 특성도는 아니지만 출력 특성도 정도는 있읍니다.
    http://blog.naver.com/soclsrnwlsl/220655318955 그외 스펙 자료 있으니 참고 해 보세요. 자료 출처는 맨 처음 댓글에 () 안에 표시된 것이 원문입니다.
    디젤 차량이 1.2초에 시동이 걸리는 것이고, 바로 출발 할수 있지만, 외부 온도에 따라 적당한 시간 예열을 하지 않으면 시동이 꺼지는 등 주행 불량성이 나타납니다. 겨울 뿐 아니라, 봄 가을의 경우에도 심지어 휘발유 차량도 시동후 바로 출발하는 것 보다는 1분 정도 예열후 출발해야 엔진에 윤활유가 제대로 돌아 마모가 줄어듭니다. 스털링 엔진은 개발이 덜된 엔진인데, 현재의 자동차 각사들의 전폭적인 지원하에 10년이면, 현재의 어떤 엔진보다 우수하개 개발 될 것입니다. 문제는 돈과 시간이며 의지의 차이일 뿐인데, 그렇게 하려는 업체가 없는 것이겠지요. 스털링 엔진과 디젤이나 휘발유의 내연 엔진의 싸움은 원래 공정한 대결이 될 수 없는 것이, 지금까지 투자된 연구 자금이나, 인력 시간 등에서 불가 만분에 일도 안될 것이므로 게임이 안됩니다. 그런 열악한 조건에서 스털링 엔진이 훨씬 월등하고 우수한 성능을 보인 것 뿐이겠지요. .

    2016.03.15 10:48 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 와 1,000rpm에서 피크토크가 나온다고요? 이거 대박인데요? Curve weight도 불과 성인한명 정도 차이만 나는데요?

      자본이 집중적으로 투입되었으면, 단점을 커버하는 쪽으로 진화되었겠단 생각이 듭니다. 정말 판도가 바뀌었을 수도 있어보여요.

      잠시만요 일단 댓글 쓰는 건 멈추고, 본문 내용 수정좀 해야 겠어요. 어디를 손대야 할지 모르겠는데, 방대한 자료를 읽는게 먼저겠네요.

      2016.03.15 11:07 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
    • 수정 완료 했습니다! 깊이 있는 댓글 정말 감사드려요. 잘못 알고 있던 상식을 바로 잡게 되어서 기쁘기 그지 없습니다 ^^

      2016.03.15 11:42 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]