HCCI 엔진
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연구 중인 HCCI 엔진
1. 개요
Homogeneous-Charge Compression-Ignition Engine
가솔린 직분사식 압축착화형 엔진. 디조토 엔진(DiesOtto engine)으로도 불린다. 디조토 엔진은 개발사인 메르세데스-벤츠에서 붙인 이름이다. '디젤'과 '오토(사이클)'의 합성어.
가솔린 엔진의 일종. GDI 엔진을 좀더 개량해서 디젤엔진과 같이 점화 플러그 없이도 압축착화로 작동된다. 상황마다 디젤 사이클과 오토사이클의 장점만을 취하겠다는 일종의 하이브리드 사이클 엔진인 셈. 휘발유의 연료특성상 압축착화 방식으로 점화가 힘든 상황을 해결하려 점화 플러그가 들어간다. 추운 날 시동걸기가 어려운 예전 디젤 엔진과 비슷하다.
1.1. 기존 엔진과의 차이점
점화 플러그 없이, 디젤 엔진과 같은 압축 착화로 점화한다. 가솔린의 열량이 경유보다 작고 여러 특성 차이로 인해 상용화에 시간이 걸리고 있다.
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가솔린과 디젤의 압축착화가 되는 압축비가 다르고, 가솔린을 압축착화 했을 때의 성능보다 점화플러그로 전기착화 했을 때의 성능이나 안정성이 훨씬 좋았다. 그래서 지금까지는 개발이 지연되었으나 엔진제어기술과 분사기술등의 발전으로 개발이 다시 시작된 엔진이다.
분사 타이밍 조절로 점화 타이밍을 조절하는 식이다. 다만 온도나 압축비, 각종 변수들에 의해서 새밀한 조정이 필요하여 개발에 난항을 겪고 있다. 실험실 레벨에서는 실현되나, 상용화까지는 아직 멀었다고 하겠다.
그러한 난점 때문에 백업용 플러그가 필요하다. 가솔린이 압축착화하려면 디젤의 압축비보다 더 높아야 되기에 시동이나 공회전/저회전 상황에서 착화되지 않아 엔진이 꺼질 위험성도 있다. 그래서 완전한 압축 착화는 포기하더라도, 점화 플러그는 개입하되 유사한 특성을 보이도록 작동하는 형식도 고려된다.
2. 장점
- 기존 가솔린 엔진보다 약 30% 이상의 연료 효율을 낼 수 있다. 기존 디젤 엔진의 최대 장점인 연료 효율을 그대로 가져오는 셈이다.
- 최근 NOx 와 CO 같은 배기가스 환경규제로 인해 연구는 끊임 없이 이어진다. 그 이유가 이 엔진을 사용하게 되면 고온 고압 상태의 환경이 완화되어 NOx 배출량이 줄어든다. 균일 연소이기 때문에 미연 탄화수소나 탄소 찌꺼기 등이 거의 생기지 않는다.
- 단일 엔진으로 휘발유, 경유 모두 사용할 수 있다. 이를 바이퓨얼(bi-fuel)이라 부른다. 굳이 바이퓨얼 형태로 만들지 않아도 혼유 등의 사고 등에 손쉽게 대처할 수 있음을 의미한다.
- 스로틀링이 거의 없기 때문에 효율을 더 높일 수 있다.
- 자연 발화 방식이라 옥탄가가 낮은 일반유만으로 높은 연비를 실현할 수 있다.
- 압축착화로만 제어가 정확히 어려운 구간에서는 점화 플러그의 힘을 빌린다. 휘발유 엔진의 고유한 장점인 고회전 & 고출력 특성 역시 그대로 가져갈 수 있다.
3. 단점
- 가솔린 자체의 폭발력이 너무 세다. 적당히가 아니라 지나치게 세다. 기존의 가벼운 알루미늄 합금으로 엔진 블럭과 피스톤을 만들다간 엔진이 못 버티기에 디젤처럼 주철로 만들어야하는 상황이 올 수도 있다. 이는 하단에 서술될 높은 압축비와 같은 문제.
- 점화 플러그를 완전히 제거한 엔진에 한해 콜드 스타트 문제가 생길 수 있다.
- 높은 압축비로 인해 엔진이 손상을 입을 수도 있다. 따라서 디젤 엔진처럼 엔진의 구조가 강해져야 한다. 이 과정에서 진동과 소음이 발생할 수 있다.
- 점화 스파크를 이용하는 방식과 경유를 사용한 디젤 엔진과는 다르게 자연 발화를 컨트롤하는 것이 매우 어렵다.
- 낮은 회전수에서의 안정성이 떨어진다. 따라서 기술이 따라주지 않는 한 낮은 회전수에서는 점화 플러그에 의존해야 한다. 자칫하면 힘이 딸려 시동이 꺼질 가능성도 있다.
- 위와 같은 문제로 점화 플러그를 완전히 제거할 수는 없다.
- 기존 가솔린 엔진의 감각은 그대로 이어가기 어렵다. 또한 점화 플러그를 이용해 폭발을 유도하면 연비 면에서 전혀 이득을 보지 못한다.
- GDI보다도 더 높은 압축비 탓에 연료분사압력이 GDI보다도 더 높아져야 하는데, 휘발유는 연료 자체의 윤활성이 떨어지므로 연료분사시스템의 마모 문제가 생길 수 있어 PVD,DLC등의 고가의 코팅처리를 해야한다. 이는 곧 생산비용 상승을 초래한다.
- 개발과 관련된 문제인데, 빠른 시일 내에 양산을 할 수 없게 된다면 물거품인 프로젝트로 남게 된다. 디젤 엔진은 SCR 등의 배기 정화장치의 도움으로 점점 환경 문제에서 멀어지고 있다. 또한 전기자동차, 하이브리드 자동차 기술이 HCCI 엔진 기술의 발전 속도보다 더 빠른 속도로 무섭게 성장하는 추세다. 하지만 혼다에서 이 HCCI 엔진을 결합한 하이브리드 자동차를 개발하고 있다고 하니 완전히 물거품이 되지는 않을 듯. 결국 마쓰다가 2020년에 SKYACTIV-X 엔진을 자사의 준중형 해치백과 준중형 SUV CX-30에 탑재하면서 HCCI 엔진 상용화의 새로운 가능성을 제시했다.
- 연소 온도가 높아짐으로 인해 Thermal NOx가 기존 가솔린 엔진 대비 더 많이 발생하게 된다.
4. 개발 현황
- 2007년, 벤츠에서 디조토 엔진이라 불리는 HCCI 엔진을 장착한 컨셉카(F700)를 2007 프랑크푸르트 오토쇼에서 선보였다. S클래스에 1.8리터의 소형엔진을 장착했는데 보통 3리터 이상의 대형엔진을 사용하는 S클래스에 소형차의 엔진을 붙인 셈이다. 하지만 1.8리터 휘발유 엔진에 HCCI 기술을 적용하고 터보차저를 적용해서 238마력의 힘을 냈다. 또한 휘발유 1리터로 18.7km를 주행하는 연비를 갖췄다. 현재의 S클래스와 비교하면 절반 크기의 엔진으로 두 배의 연비를 기록한 획기적인 엔진.
- 폭스바겐은 두 가지 엔진을 개발하고 있는데 휘발유를 사용하는 HCCI 엔진은 크루징 (고속 정속주행) 시에는 HCCI 방식을 사용하고 가속을 할 때에는 점화 스파크를 사용하는 방식으로 개발하고 있다고 한다. 2015년에 선보일 수 있게 될 것이라고 말했지만 아직까지 아무 소식이 없다. 디젤게이트로 인해 선보여도 믿기 어려울 듯 하다.
- 2013년 11월 현대자동차에서 델파이의 기술을 지원받아 GDCI라는 이름으로 새로운 엔진을 발표했다. 기본적으로 HCCI엔진과 동일한 원리이나 타 메이커와는 다르게 백업용 점화플러그를 완전히 제거하여 차별화를 하였다. 트윈차저를 장착하여 기존의 점화플러그의 도움이 필요한 낮은 배기가스 온도에는 슈퍼차저를, 효율이 중요한 고속출력에는 터보차저를 사용하는 방식이다. 14.8:1의 높은 압축비와 완전한 가변 밸브 타이밍도 추가했다고 한다. 발표 연구원의 말에 의하면 당장 다음세대 소나타에 탑재할지도 모를 만큼 완성도가 높다고 한다. 그러나 이후 신차에 탑재되지도 않고 벤츠와 폭스바겐도 HCCI 개발에 해매는 모습을 보이며 무산되었다는 소문이 돌았다.
하지만 2014년 6월 현대자동차에서 내년 양산을 위해 실차 테스트에 들어갔다는 보도 자료가 나오더니, 결국에는 실차 테스트 기사가 나오고 말았다. 이후 또 소식이 없이 잠잠하다가 2015년 4월 양산 임박 기사가 등장했다. 기사에 따르면 기존 가솔린 엔진 대비 이산화 탄소 배출량을 14%가량 낮췄으며, 8% 가량의 열효율 증대를 확인, 연비는 25% 정도 개선되었다고 한다. 압축비는 14.8:1로 디젤 엔진과 직분사 엔진 사이로 잡았으며 슈퍼차저와 터보차저가 함께 사용된다고 한다. 하지만 그 이후로는 감감 무소식이다.
- 마쓰다에서 2018년내 최초로 양산형 HCCI 엔진을 2019년형 마쓰다 3와 2019년 하반기에 출시되는 CX-30에 얹어 판매하기로 했었으나, 마쓰다 3의 HCCI 엔진 모델은 2018년 내로 출시하지 못하고 연기되어 HCCI 엔진 모델을 2019년 하반기에 출시하기로 하였으나 결국 2020년에 SKYACTIV-X라는 이름으로 출시되었다. 이로써 마쓰다는 세계 최초로 HCCI 엔진을 상용화한 자동차 제조사가 되었다.