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감속기

enffl — Tue, 7 Sep 2021 15:22:35 +0900

1.감속기?

내연기관 자동차는 8단 변속기, 7단 변속기, DCT 등등 여러 방면으로 효율을 높이며 자동차를 홍보하지만 전기자동차에서는 이런 홍보 문구나 내용을 들어본 적이 없을 것이다. 전기차를 구매하기 위해 알아본 사람이라면 알고 있겠지만, 일반적인 전기차에는 우리가 흔히 말하는 변속기가 없다. 정확하게 말하면 다단 변속기가 아닌 1단 감속기(사실 변속기라고 말해도 차이는 없다. 다만, 변속기는 현재 주행 상황에 따라 최적의 토크, 속도 값을 내도록 만들어 연료의 최대 효율과 주행 성능을 책임지고자 만들었기 때문에 속도를 올렸다 내렸다 하지만 전기차에서는 이 변속기가 감속의 기능만 하고 있기 때문에 감속기라고 불린다.)가 장착된 전기자동차가 주류를 이루고 있다. 물론 2단 감속기라고 해서 포르쉐에서 전기차로 출시한 타이칸에는 전기차 전용 2단 변속기를 적용하는 경우도 있다. 매우 드문 경우지만 스포츠카처럼 빠른 속도로 달리고 퍼포먼스가 중요한 차량에서는 고속에서 더 세밀한 조정이 필요하다고 생각해 2단으로 감속할 수 있게 만든 것일 뿐 그 기능에서 차이는 없다.

감속기란 동력원인 모터에 결합하여 출력 회전수를 감소시켜 높은 회전 출력 토크를 얻을 수 있도록 하는 모터 부속 부품이다. 이 정의를 잘 생각하고 원리, 필요한 이유 등에 대해서 알아보자

2. 감속기의 원리

위의 사진을 보면 굉장히 많은 기계부품이 감속기 하나를 이루고 있고 기어에 대한 내용은 없지만 헬리컬, 스퍼, 피니언 기어 등 감속기의 구조와 주요 기능에 따라 여러 부품이 활용된다.

위 그림에서 보면 한 쌍의 기어가 맞물려 돌아가고 있다. 이 사진을 보면 감속기의 원리를 이해하기가 쉬운데 감속기는 구동축과 피동축의 원주 속도는 항상 같다라는 원리를 이용한다. 구동축과 피동축의 기어 크기가 같다면 구동축이 10을 돌았을 때 피동축도 10을 돌아야 한다. 하지만 구동축보다 피동축의 기어가 크다면 구동축이 10을 돌 때 피동축은 기어비에 따라 10보다 적게 돌아야 원주 속도가 같게 되는 것이다. 그래서 감속기에는 위의 사진처럼 한 쌍의 기어가 맞물려서 돌아간다. 감속비는 전기자동차에 달려있는 모터와 출력 토크에 따라서 달라질 것이기 때문에 생략한다. 그러면 피동축이 구동축보다 적게 돌면 어떤 일이 발생할까? 감속비가 2:1 인경우를 생각해 봤을 때 구동축이 10바퀴를 돌면 피동축은 5바퀴를 돌게 되므로 자동차의 속도는 감소하지만 토크가 커져 큰 힘을 얻을 수 있다. 그러면 이게 왜 필요할까?

전기자동차의 경우 모터는 엑셀을 밟는 동시에 최대 출력을 만들어 낼 수 있다. 이 말이 언뜻보면 대박이다 라고 생각할 수 있지만 자동차 입장에서는 절대 그렇지 않다. 먼저 엑셀을 밟았을 때 모터가 곧바로 최대 출력을 내면 타이어에는 휠 slip ratio라는게 있는데, (ABS, TCS 편을 보면 알 수 있다.) 지나친 구동력으로 인해 타이가 접지력을 잃고 공회전하는 휠 스핀 현상이 발생하게 되기 때문이다. 이러한 공회전 현상 때문에 자동차는 움직이지 못하게 되므로 자동차의 역할을 할 수 없다고 보면 된다. 이게 전기자동차에 감속기가 꼭 필요한 이유이다. 이 외에도 여러 이유가 있지만 감속기의 주 목적은 속도를 줄이고 토크를 높여 힘을 얻고자 하는데 있다고 생각하면 될 것 같다.

물론 전기차에도 변속기가 필요 없는 것은 아니다. 전기모터도 회전수가 고회전 영역으로 올라가면 필요 전류량이 높아지면서 효율이 급격하게 떨어진다. 그리고 전기 모터의 회전수도 한없이 올릴 수 없고, 결국 토크도 감소한다. 이런 이유로 인해 일반적인 전기차는 최고속도가 높지 않다. 하지만 일반적인 전기자동차는 변속기를 제거해서 얻는 이득이 크고 실용 영역에서 1단으로도 충분하기 때문에 1단 감속기를 사용하고 있는 것이다. 예전에 4단 이상의 변속기는 효율 측면에서 필요 없다는 이야기가 있었는데 앞으로 전기자동차의 기술 발전이 이뤄지면 현재 내연기관에서 사용되는 변속기가 전기자동차에 적용될 수도 있을 것 같다.

3. 감속기의 종류

1) 유성기어: 태양기어(sun gear), 행성기어(planet gear), Internal gear 이렇게 3가지로 구성되어 있고 단위 체적당 동력 전달 비율이 매우 큰 제품 중 하나이다. 태양기어와 행성기어의 이름은 태양 기어를 중심으로 행성기어가 공전하는 형태처럼 보여서 붙여진 이름입니다. 일반적으로 같은 크기의 기어 대비 큰 동력을 전달할 수 있고 구동축과 피동축을 동심으로 하고 다양한 감속 비를 갖고 있기에 일반 산업용 감속기부터 자동차, 항공기 등 다양한 곳에 사용되고 있습니다.

2) 웜 기어 감속기: 상호 간에 직각으로 교차하지 않는 2축이 존재하는 감속기로 큰 감속비의 회전을 전동 하는 데 사용되는 기어 장치이면서 나사형 웜과 이것에 맞물리는 웜 휠로 이루어져 있고 나사형 웜에 동력을 입력하여 웜 휠로 회전 토크를 출력하는 방식으로 사용됩니다. 고감속, 고출력으로 연속 동력전달에 주로 사용되고 백래시가 커 제어용으로 사용하지는 않는다.

3) 하모닉 감속기: 강성체의 휨을 이용하여 유성치차 물림을 원리로 하는 감속기로 기본 감속비가 크고 백래시가 거의 없어 고강성, 고출력 등 기계장치의 소형화에 유리하게 사용되고 있다. 특히 초정밀 위치기구, 다관절 로봇 등에 사용된다.

4) 하이브리드 감속기: 고감속, 편의성 목적 등으로 기어의 종류를 이중으로 적용한 감속기이다. 헬리컬+웜 기어, 베벨+헬리컬, 하이포오드+헬리컬, 웜 기어+유성기어 등의 조합 방식이 있다.

이외에도 그 기능과 필요한 회전 토크의 사양이 달라지기 때문에 정말 다양한 감속기가 존재한다.

제동장치(ABS, TCS)

enffl — Tue, 7 Sep 2021 14:11:09 +0900

지난번에는 자동차의 브레이크 시스템에 대해 알아보았고 이번에는 최근에 나오는 모든 차량에 빠질 수 없는 ABS, TCS에 대해 알아보고자 한다.

1.ABS (Anti-lock Brake system)?

ABS(Anti-lock Brake System)란 휠이 잠겼을 때 브레이크를 걸었다가 풀었다가를 반복하며 해당 문제를 해소하는 시스템을 의미한다. 그렇다면 휠 락(Lock), 휠이 잠긴다는 것은 어떤 것을 의미하는 것일까? 캘리퍼가 디스크를 강하게 잡은 상태로 휠이 노면 위에서 접지를 잃고 미끄러진다. 이 때 휠은 조향이 불가능해지고 쭈우우욱 미끄러진다. 즉 슬립이 발생한다. 이렇게 휠이 잠기게 되면 조향이 불가능해지고 차량이 미끄러지며 매우 위험한 상태가 된다. ABS는 이름에서도 알 수 있듯이 브레이크를 밟았을 때 작동하는 시스템이다. 특히 운전자가 당황해 패닉 브레이크를 밟았을 때, ABS는 운전자의 안전을 지키는 중요한 시스템이다.

ABS의 가장 큰 2가지 특징을 이야기해보면

1. 패닉 브레이크, 풀 브레이크를 밟았을 때, 휠이 잠기는 현상을 방지하여 회피 조향을 가능하게 한다.

2. 타이어와 지면 사이의 마찰, 최적의 휠 슬립을 적절히 이용하여 제어한다.

ABS를 이해하기 위해서는 우선 슬립률(Slip ratio)에 대한 이해가 필요하다.

Slip ratio란 타이어가 노면 위에서 얼마나 미끄러지는 가를 표현한 수치로써, 차속과 휠속으로 표현할 수 있다.

슬립은 차량의 구동과 제동 시 모두 발생한다. 차량이 구동을 하는 상황인가 제동을 하는 상황인가에 따라 슬립을 나타내는 식이 상이하다.

V는 차속을 의미하고 r x ω 는 휠의 원주속도를 의미한다. 휠이 잠기면, 즉 휠의 각속도가 0이 되거나 굉장히 작아지면 Slip ratio는 1에 근접해진다. Slip ratio가 1이 되면 휠이 잠겨 차량이 미끄러지고 있는 상태를 의미하며... 큰일났다는 의미가 된다.

위의 X축은 차속과 휠속의 관계식을 통해 만들어지는 슬립률을 의미하며, Y축은 타이어와 노면 간의 마찰계수라 생각하면 된다. X축의 왼쪽으로 갈수록 타이어가 노면 위에서 1도 미끄러짐 없이 가는 것을 의미하며, 오른쪽으로 갈수록 바퀴가 잠기는 것을 의미한다. 그래프를 보면 알 수 있듯이, 슬립률이 약 0.2일 때 최대의 마찰력을 만들어내는 것을 알 수 있다. 즉, 휠속과 차속이 20% 정도 차이가 날 때 최대 마찰력을 만들어 낼 수 있다. 슬립률 0.2 지점에서 최대의 제동력을 만들어낼 수 있는 것이다. 따라서 ABS 제어를 할 때, 차속과 휠속을 컨트롤하여 이 최대 마찰력 영역을 계속 유지시키는 것에 주안점을 두어야 한다.

정리하자면 최대의 마찰력을 만들어낼 수 있는 슬립률 0.2 근처에서 휠의 거동을 유지시키기 위해 사용하는 장치가 ABS이다. 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟은 시점부터, 휠의 증압과 감압을 반복하며 매 순간마다 차속과 휠속을 계산하고 슬립률 0.2를 유지시킨다. 이 과정을 끊임없이 반복하며, 차속을 계속 떨어뜨려 차량을 멈추게 한다.

위의 이미지를 보자. 운전자는 브레이크를 강하게 밟은 후에 유지시키고 있음에도 브레이크가 걸렸다가 풀렸다가를 반복한 증거를 볼 수 있다. 그렇다면 위급한 상황에 운전자가 브레이크를 밟았는지 자동차는 도대체 어떻게 아는 것일까? 이러한 조건을 걸어주는 파라미터들이 존재한다. 여러 실험법과 다수의 테스트를 통해 임계값을 설정한다. 예를 들자면 시속 100 이상에서 브레이크 압력이 (Pedal simulator sensor에서 들어오는 값) 몇 bar 이상인 것이 인식이 되면 ABS 로직이 작동하게 된다.

차량의 계기판 클러스터에 ABS 경고등이 떴다면, 즉시 수리를 받으러 가야 한다. ABS는 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟았을 때 터지는 기술이므로 기존 브레이크에는 문제가 없으니 당황하지 말고 안-전하게 운전해서 근처 센터로 가시면 된다.

2. TCS (Traction Control system)

자갈밭에서 운전을 해 본 경험이 있는가? 자갈밭에서 엑셀을 밟을 시에 RPM이 올라가는 소리와 함께 차가 조금씩 나아가는 것을 겪은 적이 있을 것이다. 혹은 폭설이 온 후에 눈길에서 운전을 해 본 경험이 있는가? 엑셀을 아무리 밟고, RPM을 아무리 높게 쳐도 차가 빠져나오지 못하는 경험을 해본 적이 있을 것이다. 이 두 가지 모두 TCS가 작동한 상황이라 볼 수 있다.

ABS는 브레이크 페달을 밟았을 때 작동한다. 패닉 브레이크나 풀 브레이크를 밟았을 때 과도한 휠의 압력을 풀어줌으로써 문제 상황을 해결하는 기술이 ABS이다. 반대로 TCS는 브레이크를 밟은 것과 상관이 없다. 오히려 엑셀을 밟았을 때 과도한 구동력을 해결하는 기술이 TCS다.

TCS를 이해하기 위해서는 휠스핀을 먼저 알아야 한다. 휠스핀을 막기 위한 기술이라 봐도 무방하기 때문이다. 지식백과에서는 휠스핀 현상을 다음과 같이 설명한다. '타이어가 지나친 구동력으로 접지력의 한계를 넘어 공전하는 것으로, 타이어의 공전은 다시 접지력을 잃게 하여 방향성을 나쁘게 만든다.' 즉, 지나친 구동력으로 인해 바퀴가 헛도는 것을 의미한다. 바퀴가 헛돌게 되면 타이어가 접지를 잃고 차량은 앞으로 나아가지 못하고, 조향 안정성이 떨어지게 된다. 어떤 인자들이 구성이 되어 TCS가 작동하게 되는 것일까?

ABS에서 본 관계식과 비슷하면서도 다른 것을 알 수 있다. TCS에서도 차속과 휠속은 차량을 제어하는 중요한 파라미터가 된다. (당연한 이야기일테지만 수식을 보면 한 가지 사실을 알 수 있다. 구동 시에는 차속이 휠속을 넘어설 수 없다. 반대로 제동 시에는 휠속이 차속을 넘어설 수 없다.)

제동 시의 슬립률과 마찰력 사이의 관계는 구동 시에도 동일하게 적용된다. 0.2 지점에서 최대 마찰력을 만들어낼 수 있기 때문에 차량이 0.2 근처 영역에서 놀 수 있도록 제어해야 한다. 제동, 구동 두 가지 상황에서의 슬립률과 마찰력의 상관관계를 확인해보면 다음과 같다.

결론적으로 ABS와 TCS 모두 최적의 슬립률을 만들어내서 차량을 제어하는 방법은 동일하다. ABS는 브레이크를 밟는 상황에서 구현되는 기술이기 때문에 브레이크를 통해서만 제어를 한다. 반면에 TCS는 엔진이나 모터의 출력을 이용해서 제어하는 것(ETCS라 하겠다)과 휠의 압력을 통해 제어하는 것(BTCS)가 있다.

제동 장치(브레이크 시스템)

enffl — Wed, 28 Jul 2021 17:12:24 +0900

지난번에는 자동차의 동력 전달 장치 중 LSD에 대해서 얘기했고 이번에는 제동 시스템 중 브레이크에 대해 알아보고자 한다.

1.자동차의 제동장치?

제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있는 장치를 말한다. 또한, 운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는 마찰력을 이용하여 자동차의 운전에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하는 장치를 말한다.

자동차의 주행 성능 향상, 환경 친화적 부품 사용, 서스펜션 기술의 진보에 따라 기존의 단순한 제동력 뿐 아니라 안전성 및 신뢰성, 내구성 등의 제동장치에 대한 요구 성능이 엄격해지고 있기 때문에 제동장치는 안전성 관련 핵심부품으로 작동이 확실하고 제동효과도 커야 한다.

2. 제동장치 종류

자동차의 제동장치라고 하면 많은 사람들은 브레이크를 떠올리게 될 것이다. 하지만 브레이크에도 종류가 많고 작동방식 또는 사용목적에 따라 세분화되어 있다. 아래 사진은 브레이크 시스템의 종류를 보여준다.

위의 브레이크를 분류하기 위해 용도에 따라 먼저 분류해 보면,

1) 주 브레이크: 주 브레이크(service brake)는 풋 브레이크(foot brake) 또는 상용 브레이크라고도 하며, 주로 주행 중인 자동차를 감속시키거나 정지시킬 때 사용되는 것으로, 브레이크 페달을 밟아서 작동시킨다.

2) 주차 브레이크: 주차 브레이크(parking brake)는 주차 중에 차량의 움직임을 방지하기 위한 것이 주된 용도이고, 주 브레이크 고장시에 비상 브레이크로도 사용된다.

3) 감속 브레이크: 차량의 대형화·고속화에 따라 마찰 브레이크를 보호하고, 제동 효과를 높여서 긴 경사로를 내려갈 때나 고속 주행에서 감속하기 위하여 사용하는 브레이크로서 배기 브레이크, 와전류 브레이크, 엔진 브레이크 등이 있다.

4) 비상 브레이크: 주 브레이크 고장 상태에서 작동하는 것으로, 예를 들면 압축 공기를 사용하는 공기 브레이크에서 공기 계통에 고장이 생겼을 때 스프링의 장력을 이용하여 자동적으로 제동하도록 하는 브레이크이다.

이렇게 크게 분류할 수 있고 작동원리, 구조에 따라 분류할 수도 있다. 작동원리는 크게 유압식과 기계식으로 나뉘는데 브레이크 시스템의 작동 방식을 설명하면서 함께 설명하려고 한다.

3. 브레이크의 작동원리

브레이크의 작동원리를 이해하기 위해서는 작동 순서를 알아야 한다. 위 사진에서 보는 과정을 따라 작동되는데 크게 설명하면 페달을 밟고, 배력장치에 그 힘이 전달되고 마스터 실린더를 거쳐 디스크 브레이크에 도달하는 방식이 일반적이다. 현재 대부분의 차량의 경우 유압식을 많이 사용하기 때문에 유압식 브레이크의 작동원리에 대해서 설명하고자 한다.

1) 배력장치: 페달을 밟는 힘(답력)을 증폭시켜주는 장치로 위 사진에서 파란색 부분에 해당된다. 브레이크 페달을 밟지 않은 상태에서는 배력장치 내부에서 밖으로 공기를 배출해 내부는 진공 상태에 가까운 상태를 유지하게 된다. 그림에서 보면 피스톤으로 넘어가기 전에 막대기처럼 그려진 막이 있는데 이 막을 격막이라고 한다. 이 격막을 기준으로 뒤에는 진공 밸브가 앞에는 공기 밸브가 있는데 두 밸브의 진공 포트가 열려 있는 상태이다. 그렇게 해서 내부가 진공 상태를 유지할 수 있게 된다. 이 때 브레이크 페달을 밟으면 진공 포트가 닫히고 대기 포트가 열리면서 격막의 뒤에는 진공이, 격막의 앞에는 대기압이 작용하게 된다. 아직 진공과 대기압의 압력차가 크지 않아 진공실의 격막을 누르는 힘이 크지는 않다. 이 과정에서 격막 뒤의 스프링이 압축되는 만큼 힘이 전달되어 1차 스프링이 압축된다. 이 후 진공 포트는 완전히 닫히고, 대기 포트는 완전히 열려 있는 상태가 되는데 진공실과 대기실의 압력차가 최대가 된다. 이에 따라 진공실의 스프링이 최대로 압축되고 압력차에 의해 페달 답력이 배가되고 마스터 실린더의 1차 피스톤에 이 힘이 전달된다.

2) 마스터 실린더: 마스터 실린더는 위 그림에서 1차 피스톤과 2차 피스톤을 포함하고 있는 장치이다. 답력을 유압으로 변환하는 장치이며 내부에 브레이크액이 있는데 브레이크 액에 압력을 생성시켜 휠에 전달하는 역할을 한다. 마스터 실린더는 두 개의 피스톤이 같이 움직이는데 브레이크를 밟아주면 피스톤이 왼쪽으로 움직이면서 핑크색 부분에 압력을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 압력이 디스크 브레이크로 전달되는 것이다.

3) 디스크 브레이크: 위 그림에서 정면 사진을 보면 Front disc Brake 라고 적혀 있는데 위에 보면 Caliper라고 하는 패드가 있다. 마스터 실린더의 브레이크 액에서 형성된 압력이 이 캘리퍼로 전달되고 캘리퍼의 패드가 디스크를 잡아 마찰을 발생시키고 여기서 발생된 열 에너지를 방출하면서 제동력을 만들어내는 원리이다.

4. 기계식 브레이크

요즘에는 유압식 브레이크가 주 브레이크로 활용되고 있기 때문에 기계식 브레이크는 주차 브레이크로 많이 활용되고 있다.

1) 주차 브레이크: 파이프 또는 유연한 금속호스 속에 삽입된 강철 케이블을 사용하여 수동으로 주차브레이크를 작동시킨다. 케이블은 마찰을 감소시키고, 빙결 및 부식으로부터 보호하기 위해서 대부분 플라스틱으로 코팅한다.

2) 관성 제동 브레이크: 피견인차에 사용되는 브레이크다. 견인차를 제동하였을 때, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 견인차를 향해 밀려간다. 이때 견인차에 직결된 풀-로드는 피견인차의 관성력에 대항해서 압축스프링을 압착하면서 피견인차 쪽으로 밀려간다. 이에 의한 풀-로드의 운동이 리버싱 레버를 거쳐서 브레이크 케이블을 당기게 된다. 즉, 피견인차는 자신의 관성력에 의해 제동되며 오버런 브레이크라고 불리기도 한다.

오늘은 전통적으로 많이 사용된 기계식 브레이크 유압식 브레이크를 보았고 그 특징들에 대해서 간단히 정리했다. 다음번에는 전자 제어식으로 최적의 제동력을 발휘할 수 있도록 도와주는 보조 시스템과 그 장치들에 대해서 설명하고자 한다.

LSD

enffl — Mon, 19 Jul 2021 20:47:52 +0900

지난번에는 자동차의 차축과 구동방식에 대해서 얘기했고 이번에는 디퍼런셜 기어의 단점을 보완해주는 LSD에 대해 알아보고자 한다.

1.LSD (Limited Slip Differential) – 차동 제한장치

LSD의 차동 제한장치라는 말에서 알 수 있듯이 차동기어를 제한하는 장치이다. 왜 제한해야 할까? 차동기어로 인해 양쪽 바퀴의 마찰력이 극단적인 경우 한쪽 타이어가 공회전을 하고 반대쪽 타이어는 돌지 않아 움직일 수 없는 그런 상황이 생길 수 있기 때문이다. 그래서 LSD는 한쪽 바퀴가 미끄러지거나 헛돌고 있을 때 해당 바퀴에만 구동력이 쏠리지 않도록 막아주고, 좌우 바퀴에 같은 동력을 전달해주는 장치이다.

LSD는 일반적으로 전자식과 기계식 2가지로 나누기도 하고 토크 감응형과 회전차 감응형 2가지로 나누기도 하는데 이렇게 나누는 기준과 그 특징에 대해서 포스팅 하고자 한다.

2. 토크 감응형 LSD – 다판 기계식 LSD

다판식 LSD는 좌우 바퀴의 노면 상태나 하중의 변화로 트랙션에 차이가 발생하면 그로 인해 발생되는 저항으로 디퍼런셜의 피니언 기어에 힘이 가해지면서 내부의 프릭션 디스크와 프릭션 플레이트가 붙으면서 마찰력을 발생시켜 차종을 제한하는 방식을 취하고 있다.

이 때 프릭션 디스크와 플레이트 디스크의 재질이나 개수에 따라 작동 질감과 성능에서 차이가 발생한다. 또한, 피니언 기어에 전달되는 저항에 의해 위상이 바뀌면서 디스크를 밀어주는 캠의 위상을 작동 방향에 따라 다르게 함으로서 1웨이, 1.5웨이, 2웨이 같은 LSD의 특성이 만들어질 수 있다.

쉽게 말해서 1Way는 한쪽 방향으로만 차동제한이 작동하는 방식이고, 2Way는 양뱡항으로 차동을 제한하는 방식이며, 1.5Way는 양뱡향으로 차동을 제한하되 양측의 제한 특성에 차이를 두는 방식을 말한다.

여기서 말하는 양방향이란 회전하는 방향을 말하는 것이 아니라 구동 토크가 나오는 상태와 코스트 상태를 말하는데 여기서 구동 토크가 나오는 상태는 악셀을 밟는 상황이고, 코스트 상태는 악셀을 뗀 상태이다.

초기의 다판식 LSD는 주로 2Way가 주로 사용되었지만 지금은 대부분 1.5Way가 주류를 이루고 있다. 또한, 일반적인 주행 중에는 회전차를 어느정도 허용해 주어야 부드러운 주행이 가능하기 때문에 피니언에 걸리는 양측 바퀴의 반력 차가 적을 때에는 오픈 디퍼런셜처럼 차동제한을 하지 않고 회전차를 허용하게끔 하고 있습니다. 이런 특성을 설계하기 위해 다판식 LSD에는 이니셜 토크를 제어할 수 있는 프리로드 스프링의 강성으로 조절을 하기도 하고, 디스크를 밀어주게 되는 프레셔 링의 캠 각도를 설계하기도 한다.

3. 토크 감응형 LSD – 토르센 타입 LSD

토르센 A 타입의 LSD는 기본적으로 앞서 설명한 다판 기계식 LSD와 달리 디스크 구조물이 없고 대신, 독립적으로 설치된 사이드 기어의 양측에 반력 차이가 커지면 회전차가 발생하면서 엘리먼트 기어를 역방향으로 회전시키면서 기어에 걸리는 힘에 의해 반력이 높은 쪽으로 동력을 전달하는 특성을 가지고 있습니다.

그러나 엘리먼트 기어가 고정되어 있지 않고 좌우 바퀴 사이에 반력 차이가 발생하면 사이드 기어가 엘리먼트 기어를 회전시키려는 힘이 발생하면서 두개의 엘리먼트 기어가 서로 반대 방향으로 회전을 하면서 사이드 기어를 상대적으로 회전속도가 느린 쪽으로 밀면서 차동을 제한하는 토르센 B 타입도 있다.

그리고 4륜구동에서 센터 디퍼런셜로 사용되는 경우의 토르센 C 타입 LSD는 플래니터리 캐리어 전체를 회전시키는 동력에 의해 모든 기어를 일정한 속도로 회전시키도록 하면서 선기어와 링기어의 회전차이에 의해 플래니터리 캐리어와 플래니터리 기어 사이에 마찰력이 발생하면서 차동 제한 기능을 수행하게 된다.

4. 회전차 감응형 LSD – 비스커스 커플링 타입 LSD

비스커스 커플링 타입의 LSD는 앞서 소개한 토크 감응형과 달리 회전차 감응형으로 비스커스 커플링 자체가 실제 기어의 결합이 없기 때문에 토크를 전달하는 매개가 필요하게 된다.

비스커스 커플링 구조에서 토크를 전달하는 역할을 하는 매개체로는 실리콘 오일 같은 점성 유체가 사용되는데, 내부에 얇은 플레이트를 여러 장 겹쳐 놓고 그 사이에는 높은 점도를 가진 실리콘 오일을 채워 넣어서 입력 축에 연결된 플레이트가 회전하면 플레이트 사이에 채워진 오일에 의해 플레이트를 돌리는 회전력이 전달되어 마지막 출력 축에 연결된 플레이트를 회전시켜 동력을 전달하는 방식이다.

이 때 토크 전달력은 오일의 점도와 내부 충진률 그리고 플레이트의 재질에 따라 차이가 생기게 된다. 비스커스 커플링은 가혹하게 사용될 경우 내부 오일의 온도 상승이나 충진률에 따라서는 내부 공기의 팽창으로 효율이 저하될 수 있기 때문에 이를 해결하기 위해 사양에 따라서 오일의 점도와 충진률, 플레이트의 재질과 형상을 다르게 설계하게 된다.

비스커스 커플링은 그 자체가 LSD는 아니기 때문에 기계식 LSD에 비스커스 커플링을 클러치팩으로 결합한 구조로 설계하여 LSD로 사용하고 좌우 바퀴의 회전차가 발생할 때 단순히 비스커스 커플링의 토크 전달에만 의지하지 않고 펌프 디스크를 이용해서 유압을 증대식 차동제한 성능을 높이는 경우도 있습니다.

5. 전자식 LSD (e-LSD)

2017년도부터 양산되고 개발된 전자식 LSD가 최근에 출시되는 차량에 보편화 되어있다.

전자식 LSD의 가장 큰 장점은 간단한 구조에서 높은 성능을 낼 수 있다는 점과 다양한 응용을 통해 스마트한 동력배분이 가능하다는 점이다. 전자식 LSD에는 디퍼런셜 내부에 제동을 걸기 위한 기구가 추가되는데 초기에는 액츄에이터와 솔레노이드가 디퍼런셜 외부에 설치되었지만 최근에는 디퍼런셜 내부에 탑재되고 있다.

필요에 따라 솔레노이드가 작동하면 차동기능이 활성화되고, 작동하지 않을 때에는 오픈 디퍼런셜이 되는 방식인데 오픈 디퍼런셜과 LSD의 장점을 모두 이용할 수 있다. (오픈 디퍼런셜은 디퍼런셜기어, 즉 차동 기어를 말한다) 게다가 전자식 LSD의 록을 제어하기 위해 정밀한 계산과 수행이 가능한 컨트롤러와 정밀한 알고리즘을 가진 소프트웨어가 탑재되며 이를 적절하게 수행하기 위한 다양한 센서들이 탑재되면서 차동제한 기능을 수행하게 되고 이를 통해 매우 안정적이고 뛰어난 트랙션과 주행 퍼포먼스를 낼 수 있게 되었다.

이런 전자식 LSD가 개발되고 발전하면서 뛰어난 응답성, 높은 탑재성, 폭넓은 적용 범위, 이질감 없는 주행성능, 범용성 및 전체적인 성능면에서 기계식 LSD를 거의 완벽하게 대체하고 있다. 아직도 기계식 LSD의 원초적인 퍼포먼스 때문에 사용하는 경우도 있지만 기계식과 전자식 LSD를 같이 사용하는 경우가 많다.

이렇게 해서 동력 전달 장치에 대한 포스팅을 끝내고 다음부터는 제동 장치에 대해 글을 써보고자 한다.

동력전달장치(차축, 구동 방식)

enffl — Thu, 10 Jun 2021 20:44:59 +0900

지난번에는 자동차의 동력 전달 장치 중 클러치와 변속기에 대해서 얘기했고 이번에는 차축과 구동방식에 대해 알아보고자 한다.

1.차축?

차축은 바퀴를 통하여 차량의 중량을 지지하는 축이며, 구동축과 유동축이 있다. 구동축은 종감속 기어에서 전달된 동력을 바퀴로 전달하는 노면에서 받는 힘을 지지하는 일을 한다. 차량의 구동 방식은 전륜 구동(FWD), 후륜 구동(RWD) 4륜 구동(4WD, AWD) 이렇게 3가지 방식으로 나눌 수 있다. 이름에서 알 수 있듯이 순서대로 전륜, 후륜, 전륜·후륜이 구동축이 되고 다른 축은 유동축이 된다. 4륜 구동의 경우 앞, 뒤 차축이 모두 구종축에 해당되기에 유동축이라고 굳이 나눌 필요 없이 두 차축이 모두 구동축이면서 동시에 유동축이 된다.

2. 전륜 구동 방식(FWD: Front Wheel Drive)

앞바퀴를 굴리는 자동차의 구동방식을 통칭하는 용어이다. 일반적으로 대부분 자동차의 스티어링 시스템은 전륜이기 때문에 앞 차축의 구조가 뒷 차축보다 구조가 복잡하다.

전륜 구동방식은 실내 공간의 확보와 악천후에도 주행 안정성이 뛰어나다는 장점 때문에 우리가 흔히 사용하는 승용차의 경우 대부분 전륜 구동방식을 선택하고 있다. 엔진의 위치에 따라 FF(Front Engine Front Wheel Drive), MF(Middle Engine Front Wheel Drive), RF(Rear Engine Front Wheel Drive) 이렇게 3가지 방식으로 나눠지지만 실내 공간 확보에 유리한 FF방식을 많이 사용하고 있다. 또 다른 장점으로는 구동력의 전달 거리가 짧고 자동차의 무게를 줄일 수 있기 때문에 연비가 우수하고 후륜구동 방식보다 부품이 적어 생산 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

단점으로는 구동축의 구조가 복잡한데 특히 현가장치가 복잡해진다. 앞바퀴가 구동과 조향의 역할을 담당하기 때문에 성능이 우수한 항속 조인트를 사용하게 되고 방향전환을 할 때 미끄러질 수 있다. 또, 구조상 차체 앞쪽에 하중이 쏠리므로 효율적인 중량 배분이 어렵고 전륜 타이어의 마모가 심해 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

3. 후륜 구동 방식(RWD: Rear Wheel Drive)

말 그대로 엔진에서 뒷바퀴로 동력을 전달해 구동하는 방식이다. 주로 엔진을 앞에 배치하여 뒷바퀴를 굴리는 방식인 FR 방식이 많이 이용되지만, MR, RR 등 다양한 방식의 자동차도 존재한다.

FR 방식은 후륜 구동의 차량 중 대부분을 차지한다. FF차량에 비해 전후 간 무게 배분의 밸런스가 좋아 코너링이나 고속 주행 및 가속 시 차량의 운동성능이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 엔진룸에 구동계의 간섭이 없어 탑재 가능한 엔진 크기에 대한 제약이 덜하며, 직관적인 스티어링 휠의 조작이 가능하다. 하지만 전륜 구동에 비해 실내공간이 좁고 구동축에 가해지는 하중이 상대적으로 작기 때문에 빗길이나 눈길 들 극단적인 노면환경에서는 노면에 대한 접지력이 떨어진다. 이러한 단점에도 불구하고 FR방식은 우수한 승차감의 장점으로 고급 브랜드의 세단 차량에 많이 사용되고 있다.

MR 방식 차량은 흔히 미드쉽 차량이라고 불리는데 엔진이 차체의 중앙에 위치한 차량으로 접지력과 차체의 밸런스가 매우 뛰어나 다는 장점을 가지고 있다. 코너링에서의 높은 한계차와 성능 등 운동성능 부분에서의 뛰어난 이점으로 인해 레이싱카에 주로 사용되는 방식이다. MR 방식은 엔진룸 커버를 미려한 유리로 디자인하여 엔진 자체를 하나의 미적인 요소로 사용하는 방식으로 차량의 고성능을 표현하기도 한다. 하지만 차체의 중간에 엔진이 위치하기에는 실내 공간의 확보에 불리하며 엔진의 열과 소음이 실내로 유입된다는 단점이 있다.

RR 방식을 체택하는 차량이 많지는 않은데 뒷바퀴의 강한 접지력으로 뛰어난 가감속과 스포츠 드라이빙이 가능하다는 장점이 있지만 반대로 앞바퀴의 그립력이 약해 운전이 어렵다는 단점이 있다. 대표 차량으로는 포르쉐 911이 있다.

4. 4륜 구동 방식(AWD: All Wheel Drive)

4WD라고도 불리는 AWD 차량은 모든 바퀴가 동력을 전달하는 방식이다. AWD는 높은 출력의 엔진을 필요로 하며, 연비가 다소 떨어진다는 단점이 있지만 비포장 도로나 눈길 등 노면의 접지력이 떨어지는 곳에서 성능이 뛰어나다. 이러한 이유로 AWD 차량은 오프로드에서 주행 시 SUV나 트럭 등에 널리 사용되다가 최근에는 세단에도 점점 확대되고 있다. 그 이유로는 크게 2가지가 있는데 하나는 주행 안정성이 뛰어나다는 점이고 내연기관 차량의 경우 AWD 방식으로 개발하고자 하면 많은 기계부품과 추가되는 축으로 인해 기계적 효율이 떨어지고 연비가 매우 나빠진다는 단점이 있는데 최근에 하이브리드, 전기자동차의 개발이 가속화되고 있어 보다 쉽게 AWD 방식을 채택할 수 있기 때문이다.

5. 최대 등판각도

자동차에는 최대 등판각도라는 것이 있다. 쉽게 말하면 자동차가 큰 각도의 경사진 길을 달릴 수 있냐 없냐를 판단하는 기준이 되는 수치이다. 앞에서 언급했던 전륜, 후륜, 4륜 구동 중 어떤 자동차가 최대 등판각도가 더 클까? 상식적으로 생각해봤을 때 4륜 구동의 차량이 가장 클 것이라는 것에 모두 동의할 것이다. 그러면 후륜과 전륜의 차량 중 어떤 차량이 더 경사진 길을 오를 수 있을까?

위 그림은 자동차가 임의의 각도 θ만큼 기울어진 경사길을 올라갈 때의 자동차의 모습이고 이 때 힘이 작용하는 작용점과 힘의 종류에 대해서 FBD(자유물체도)를 그린 것이다. 하나하나 다 언급하기에는 너무 많아서 대충 D는 공기저항, W는 무게, F는 마찰력으로 생기는 구동력, Rx는 구름저항, Rh는 견인력, Wf, Wr은 수직반력을 나타낸다. 물리를 배우지 않았던 사람들에게는 생소한 내용이기에 과정은 생략하고 구름저항, 공기저항, 견인력을 무시했을 때 모멘트 평형식을 이용해 정리하면,

위의 그림에서 보는 식이 나오게 된다. 뭔지 모르겠다라고 생각이 들 수 있는데 쉽게 설명하자면 최대등판각도 θ는 전륜 차축에 걸리는 하중 Wf 와 후륜 차축에 걸리는 하중 Wr과 무게중심으로부터 앞차축까지의 거리, 뒷차축까지의 거리의 비와 노면으로부터 무게중심의 높이를 변수로 나타낼 수 있다. 물론 실제 상황에서는 여러 변수들이 더 존재하기 때문에 이렇게 간단한 식으로 나타낼 수 없다.

위 식에 맞춰서 계산을 해보면 전륜 구동방식이 후륜 구동방식보다 최대 등판각도가 낮다는 결론을 도출해낼 수 있다. 사실 이러한 계산은 우리가 자동차를 사용하는데 있어 의미가 없다고 생각한다. 왜냐하면 시중에 나와있는 자동차들은 웬만한 각도의 경사진 길을 오를 수 있기 때문이다. 다만, 오프로드 주행이나 험준한 산을 오를 때는 전륜 혹은 후륜 보다 4륜 구동 차량을 타는게 좋다는 얘기는 할 수 있다.

6. 차동 기어(Differential gear)

차동 기어도 동력 전달 장치의 하나이다. 일반적으로 자동차를 좋아하는 사람이라면 디퍼런셜 기어라고 알고 있는 부품이 차동 기어이다. 왜 차축에 대해 포스팅 하면서 차동 기어를 같이 넣었는지 의아할 수도 있지만 차동 기어는 구동축의 차축에 달려 있는 부품으로 차동 기어가 없는 자동차는 내가 알고 있는 한 없다. 그만큼 중요한 부품인데 왜 사용할까?

위의 그림은 자동차가 선회할 때의 모습을 보여준다. 그림에서 코너링 포스라고 표시되어 있는 화살표를 보면 코너 안쪽에 있는 바퀴의 반경이 바깥쪽에 있는 바퀴의 반경보다 짧다는 것을 알 수 있다. 이 말은 양쪽 바퀴의 회전 반경이 다르다는 것을 의미하고 두 바퀴가 같은 속도로 회전하면 자동차는 원활한 선회운동을 할 수 없다. 이런 이유로 차동 기어가 필요한 것인데 쉽게 말하자면 양쪽 바퀴에 걸리는 구동력을 다르게 해주는 장치, 즉 구동력을 분배하는 장치인 셈이다. 만약에 위의 상황에서 차동 기어가 없다면 어떻게 될까? 아마도 극심한 언더스티어 현상이 발생하거나 양쪽바퀴 모두 슬립하면서 매우 불안정해질 것이다.

이처럼 자동차에 꼭 필요한 부품이지만 단점도 가지고 있다. 차동 기어는 양쪽 바퀴의 마찰력의 차이가 극단적일 경우 타이어가 공회전을 하면서 접지력을 잃고 움직이지 못할 수도 있다. 예를들어 눈길이나 늪지대 같이 접지력이 상시적으로 변하는 험로를 간다거나 차량 한쪽바퀴만이 웅덩이나 빙판에 빠졌을 경우에 빠지지 않은 바퀴는 가만히 있고 웅덩이나 빙판에 빠진 바퀴만 헛돌면서 차량이 출발하지 못하는데 이 현상들은 차동 기어 때문에 발생한다. 이유는 차동 기어의 작동 원리와 관계되어 있는데 차동 기어는 바퀴에 걸리는 마찰력이 작은 쪽에 더 큰 구동력을 전달하는 원리이기 때문에 이런 형상이 발생한다. 이를 보완하기 위해서 자동차는 많은 제어 장치들을 추가하게 되는데 이 뒤부터는 다음에 포스팅 하기로 한다.

증발기

enffl — Thu, 10 Jun 2021 15:46:04 +0900

1.증발기

증발기는 냉동장치의 본래의 목적인 냉각작용이 이루어지는 일종의 열교환기이고 등온, 등압과정이다. 저온 저압의 액 냉매가 증발작용에 의하여 주위의 냉동부하로부터 열을 흡수하여 냉동의 목적을 달성시키는 기기이다.

2. 건식 증발기

팽창밸브를 나온 냉매액과 가스가 코일 내를 동시에 흐르면서 냉매액이 증발하는 방식으로 냉매액이 증발기 상부에서 하부로 공급된다. 증발기 내 냉매액이 25%, 냉매가스가 75% 존재한다.

- 증발기 내에 냉매액보다 가스가 많으므로 전열이 불량하다.

- 냉매액의 순환량이 적어 액분리가 필요없다.

- 냉매공급이 위에서 아래로 공급되므로 오일 회수가 용이하여 오일 회수장치가 필요없다.

- 주로 공기냉각용으로 많이 사용한다.

3. 반만액식 증발기

건식과 만액식의 중간 정도 되는 장치로 증발기 내 냉매액이 50%, 냉매가스가 50% 존재한다.

- 증발기 내에는 어느 정도의 액이 유지될 수 있도록 냉매액이 주로 증발기 하부에서 공급된다.

- 전열효과는 건식보다 좋고 만액식에는 못 미친다.

- 냉매액이 건식보다 많아 전열이 양호하다.

- 프레온 냉매 사용 시 냉각관에 오일이 체류할 수 있으므로 오일 회수에 유의하여야 한다.

4. 만액식 증발기

증발기 내는 냉매액으로 항상 가득 차 있으며, 증발된 가스는 액 중에서 기포가 되어 상승하여 분리된다.

- 증발기 내에 액을 가득 채우기 위해서는 액면제어장치가 필요하며 또 액과 증기를 분리시키는 액분리기가 필요하 다. 그러나 프레온 냉동장치의 경우 충분한 능력의 열교환기 설치 시에는 액분리기를 설치하지 않아도 된다.

- 증발기 내 냉매액이 75%, 냉매가스가 25% 존재한다.

- 암모니아 냉동장치에서는 액압축을 방지하기 위해 액분리기가 필요하다.

- 냉매액량이 많으므로 전열이 양호하다.

- 액체 냉각용에 주로 사용한다.

5. 액순환식 증발기

증발기에 냉매액을 액펌프를 써서 강제적으로 순환시키므로 증발기 내에 오일이 고일 염려가 없고 구조가 복잡하고 냉매펌프가 필요하기 때문에 제작비가 비싸나 타 증발기 보다 전열이 양호하여 최근에 많이 사용한다.

- 증발기 출구에 냉매액이 80%, 가스가 20% 존재한다.

- 액 펌프를 이용하여 증발기에서 증발하는 냉매량의 4~6배의 냉매액을 간제 순환시킨다.

- 냉매액을 강제순환시키므로 오일의 체류 우려가 없고, 다른 형식의 증발기보다 순환되는 냉매액이 많으므로 전열 이 가장 우수하다.

- 증발기가 여러 대라도 팽창밸브는 하나면 된다.

- 저압축 수액기가 있어 압축기에서의 액압축이 방지된다.

- 냉매량이 많이 소요되며 액펌프, 저압수액기 등 설비가 복잡하다.

6. 공기 냉각용 증발기

1) 관코일식 증발기: 증발기 튜브 표면에 핀이 부착되지 않은 나관을 사용하므로 전열이 불량하고 관이 길어져 압력강하가 크다. 냉장고 및 쇼케이스에 많이 이용된다. (증발기의 기본형으로 공냉식에 주로 사용)

2) 핀튜브식 증발기: 프레온용에는 동관에 종 또는 알루미늄 핀을 부착하고 암모니아용에는 강 또는 알루미늄 핀을 부착한다. 주로 소형 냉동기나 에어컨용으로 이용한다.

3) 캐스케이드 증발기: 냉매액을 냉각관 내에 순차적으로 순환시켜 도중에 증발된 냉매가스를 분리하면서 냉각한다. 충분한 용량의 액분리기가 있어 압축기에서의 액압축은 방지할 수 있으나 암모니아 냉동장치에서는 과열 우려가 있다. 벽코일 또는 동결 선반용으로 사용되며 만액식이다.

4) 멀티피드 멀티석션 증발기: 공기 동결실의 동결 선반용으로 사용되며 암모니아 냉동기에 주로 사용된다. 캐스케이드 증발기와 기능이 비슷.

5) 플레이트식 증발기: 암루미늄이나 스테인리스관 2장을 압접하여 그 사이에 통로를 만들어 냉매가 통과하도록 한 구조로 가정용 냉장고, 쇼케이스, 콘택트 프리저에 주로 사용한다.

7. 액체 냉각용 증발기

1) 만액식 셸&튜브식 증발기: 셸 내에는 냉매, 튜브 내에는 브라인이 통과된다. 냉매가 암모니아인 경우 제빙용으로 가장 많이 사용되고 있으며 프레온인 경우는 공기조화장치, 화학공업, 식품공업 등의 브라인 냉각에 사용한다.

2) 건식 셸&튜브식 증발기: 프레온용으로 셰 내에는 브라인, 튜브 내에는 냉매가 흐르고 건식이므로 냉매량이 적어 열통과율이 나쁘므로 전열을 양호하게 하기 위해 Inner Fin Tube를 사용한다. 소형에서 대형까지 사용 가능

3) 셸&코일형 증발기: 프레온 소령 냉동장치로서 음료수 냉각용으로 사용하며 코일 내에는 냉매, 셸 내에는 브라인이 흐른다. 큰 부하가 걸리는 곳에 적당하다.

4) 보델로 증발기: 튜브 내 냉매, 튜브 외측에 피냉각물이 흐르고 대기식 응축기와 구조가 비슷하다. 냉각관이 스테인리스로 제작되어 위생적이므로 물 또는 우유 등을 2°C 이하의 저온으로 냉각할 때 사용한다. 냉각관 청소가 용이하고 습식 팽창형이다.

5) 탱크형 냉각기(헤링본형): 만액식 증발기로서 상부에는 가스 헤더, 하부에는 액헤더를 설치하고 그 사이에 다수의 냉각관을 붙여 전열이 양호하며 주로 암모니아 냉동기의 제빙용에 사용된다.

8. 증발기의 안전관리

1) 증발압력 저하 원인

- 팽창밸브가 적게 열렸을 때

- 냉매 충전량이 부족할 때

- 증발 부하가 감소하였을 때

- 증발기 냉각관에 유막 및 성에가 덮었을 때

- 액관에 플래시 가스가 발생하였을 때

- 팽창밸브 및 액관 부속품이 막혔을 때

영향

- 증발온도 저하

- 압축비 증대로 압축기 소요동력증가

- 실린더 과열로 토출가스 온도 상승

- 오일의 열화 및 탄화

- 흡입가스 비체적 상승으로 체적효율 및 냉동능력 감소

- 냉매순환량 감소로 흡입가스 과열

방지대책

- 팽창밸브 열림 조절

- 증발기 성에 발생 시 성에를 제거하고 오일을 배출시킨다.

- 냉매충전량과 부하상태 점검

- 액관부속품의 관지름 및 배관계통의 막힘 여부 점검

- 액관 단열 및 과냉각 등으로 플래시 가스 발생 방지

2) 플래시 가스 발생 원인

- 액관이 심하게 솟아 있거나 길 때

- 스트레이너, 드라이어 등이 막혔을 때

- 액관 지름이 심하게 가늘 때

- 전자밸브, 스톱밸브, 드라이어, 스트레이너 등의 지름이 가늘 때

- 수액기나 액관이 직사광선에 노출되었을 때

- 액관을 보온없이 고온 장소에 통과시켰을 때

- 심하게 응축온도가 낮아졌을 때

영향

- 냉매 순환량 감소로 냉동능력 감소

- 증발압력이 낮아져 압축비 상승 및 냉동능력 감소

- 흡입가스 과열로 토출가스 온도 상승

- 실린더 과열로 윤활유 열화 및 탄화

- 냉장실 온도 상승

방지대책

- 열교환기를 설치하여 냉매액을 과냉각시킨다.

- 냉매 배관의 길이 및 지름에 주의한다.

- 주위온도가 높은 경우 단열처리를 철저히 한다.

- 대용량일 경우 액펌프를 설치한다.

동력 전달 장치(클러치, 변속기)

enffl — Fri, 4 Jun 2021 19:44:54 +0900

이전까지는 자동차의 엔진과 관련된 내용을 포스팅했고 이번에는 자동차의 동력 전달 장치에 대해 알아보고자 한다.

1.클러치?

클러치는 작동 설정과 해제가 자유로운 회전 전달 장치이다. 좀 더 쉽게 말하자면 동력 전달은 멈추고 헛돌게 하거나 동력 전달을 하도록 만드는 것을 자유롭게 해준다는 의미이다. 그래서 보통 엔진과 기어를 연결할 때 기어비를 바꿀 목적으로 사용하고 수동변속기 차량에서 많이 사용된다.

2. 클러치의 작동 원리

클러치의 작동 원리를 알아보기 위해서는 클러치와 연결된 부품을 알아야 한다. 위의 그림과 같이 플라이 휠이 존재하는 경우 마찰 클러치라고 말하는데 클러치 판 간의 마찰을 이용하는 것으로, 흔히 자동차에 사용된다. 물림 클러치라고 하는 클러치도 있는데 이는 축과 축의 점속에서 저속이거나 정지해 있을 때만 사용 가능하므로 자동차에 사용되지 않기에 다루지 않을 것이다.

마찰 클러치는 플라이 휠과 클러치 판의 마찰력에 의해 엔진의 동력을 전달하는 장치이다. 클러치 페달을 놓으면 클러치 압력판 스프링에 의해 클러치 판이 플라이 휠에 압착되어 크랭크 축과 클러치 축이 함께 회전하므로 엔진의 동력이 전달된다. 크랭크 축은 전 포스팅에서 말한 엔진의 압축기에 연결되는 기계 부품이다. 또한 클러치 페달을 밟으면 릴리스 베어링이 릴리스 레버를 누르게 되어, 압력판이 변속기 쪽으로 이동하여 플라이 휠과 접촉되지 않으므로 동력이 전달되지 않는 차단된다. 이 때 자동차에서는 원동기 즉, 엔진을 정지하지 않고도 기어비를 변환하거나, 피동축을 정지, 변경시킬 수 있다.

3. 클러치 구성요소

일반적으로 클러치에 사용되는 구성요소는

클러치 디스크: 클러치 판이라고도 한다. 플라이 휠, 압축판 사이에 들어가며 둘과 직접 마찰하며 동력의 전달/차단 시 완충 역할과 엔진-변속기의 회전수를 동조한다.

압력판: 통칭 삼발이로 불리고 평상시에는 클러치 디스크에 압력을 주어 플라이 휠과 함께 접촉하여 동력을 전달한다. 힘을 받으면 내부가 뜨게 되면서 클러치 디스크와 플라이 휠, 압력판이 떨어지며 동력을 일시적으로 차단하게 해준다.

릴리스 베어링: 압력판에 균일한 힘을 전달해 원활히 동력이 차단될 수 있도록 한다.

릴리스 포크: 힘을 릴리스 베어링으로 전달한다.

추가적으로 클러치 페달, 클러치 마스터 실린더, 릴리스 실린더 등이 있지만 클러치의 주요 동작은 위의 4개 부품이 담당하고 있다.

4. 상용차에 수동변속기를 사용하는 이유

일반적으로 우리가 아는 승용차 또는 SUV 차량에는 자동변속기가 장착되어 클러치를 사용할 일이 없지만 1종 보통 면허를 취득하신 분들이라면 알 것이다. 상용차라고 하면 사업에 사용되는 자동차를 통칭하는 말로 트럭, 승합차, 버스 등을 말하는데 이런 차량은 모두 수동변속기로 클러치 페달을 밟으며 주행해야 기어를 변경하고 불필요한 엔진의 회전을 없앨 수 있다.

그러면 일반 승용차에는 클러치가 없을까? 그건 아니다. 운전자의 운전 조작으로 부터 미세한 조작을 필요로 하는 클러치 조작을 없애고, 엑셀을 밟는 만큼 출력과 변속이 되도록 만든 장치가 자동 클러치이며 이러한 자동 클러치를 적용한 차량은 자동변속기를 사용한다고 보면 된다.

그렇다면 왜 상용차량에는 사용자한테 불편한 수동변속기를 사용함으로써 운전자가 클러치 페달 조작에 능숙해야 하는 것일까? 여러 이유가 있을 수 있겠지만 가장 큰 이유는 수동변속기가 동력전달 효율이 좋다는 것이다. 구조가 간단하고 저렴해 기계적 부품이 많고 복잡한 자동변속기보다 수동변속기가 동력전달 효율이 좋다고 쉽게 이해하면 된다. 자동차는 차의 무게에 따라 연비가 크게 달라질 수 있는데 상용차량은 무게가 톤 단위를 넘어가면서 자동변속기를 쓰면 연비가 매우 떨어지게 되고 이는 곧 돈으로 연결된다. 특히나 산업에 이용되는 차량이기에 같은 거리라도 연비가 떨어지면 제품의 가격이 올라간다는 큰 단점이 존재하기 때문에 거의 모든 사용차는 수동변속기를 사용하게 된다.

5. 변속기(Transmission)

각종 동력원의 동력을 속도나 환경에 맞추어 필요한 회전력으로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 사람들이 자동차의 기어라고 부르는 부품이 바로 이 트랜스미션이다.

6. 변속기가 필요한 이유

자동차에 이용되는 내연기관의 경우 특정 RPM에서 최대 토크가 나오게 되고 다른 RPM에서는 최대 출력이 나온다. 이에 따라 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때는 속도보다는 토크를 중요시하고, 주행시에는 속도의 증가에 맞춰 회전속도를 높이는 역할을 한다. 좀 더 쉽게 설명하기 위해 자전거를 생각해보자. 자전거로 경사길을 올라가 본 경험이 한번쯤은 있을 것이라 생각한다. 이때 단수를 낮추면 내가 페달을 회전시키는 힘에 비해 자전거의 바퀴는 느리게 회전하지만 쉽게 오를 수 있다. 반면에 평지에서는 단수가 높을 때 내가 페달을 회전시키는 힘 보다 바퀴가 빠르게 회전하면서 높은 속도를 낼 수 있다. 자동차도 이처럼 저단에서는 엔진의 회전수에 비해 차량의 속도가 느리고 고단에서는 동일 회전 수 대비 빠른 속도를 낼 수 있다. 그래서 자동차의 최고 속도는 기어비, 즉 변속기에 의해 좌우된다.

이게 어떤 의미를 갖는지 잘 이해가 안되는 사람들도 있을 수 있으니 좀 더 쉽게 설명하자면 큰 토크가 필요한 상황이 있고 토크는 작지만 큰 속도가 필요한 상황이 있다. 자동차의 경우 오르막길에서 저단으로 바꾸는 이유가 같은 회전 수로 큰 토크를 만들기 위해서기 때문이다. 따라서, 변속기는 토크가 필요한 상황, 속도가 필요한 상황 이 2가지에 맞춰 기어를 바꿔가며 최적의 운전 조건을 맞추는 역할을 하는 것이다.

7. 변속기의 종류

변속기는 수동변속기와 자동변속기가 존재한다. 물론 여러 가지 이름으로 양산되어져 나오고 각각의 제품마다 장단점을 가지고 있지만 크게 본다면 수동과 자동으로 나뉜다.

수동변속기: 일반적으로 사람들에게 스틱이라고 불리는데 여기서 스틱은 위 그림의 기어시프트 또는 패들시프트라고 한다. 수동변속기의 가장 큰 장점은 컴퓨터가 아닌 자신이 직접 자동차의 움직임을 통제할 수 있는 범위가 늘어난다는 점에 있다. 사실 이 말은 자동차를 잘 아는 사람들에게만 한정되는 말이다. 사람들이 말하는 ‘운전의 재미’가 여기에 해당되는데 우리가 아는 F1 경기에서 사용되는 슈퍼카, 스포츠카는 모두 수동 기어를 사용함으로써 사용자에게 운전의 재미를 더해주는 차량들이다. 또, 구조가 단순해 정비가 쉽고, 비용이 적게 들고 동력전달 효율이 높아 자동변속기보다 연비가 높아진다는 장점이 있다.

다만 아까 말했듯이 자동차를 잘 아는 사람에게만 해당되는 장점이 큰 만큼 운전자 스스로 공부를 해야 한다는 단점이 있다. 또, 수동변속기는 운전 도중 클러치를 밟았다 때는 과정이 많은 만큼 운전자에게 피로감을 주기도 하고 자동차를 잘 모른다면 오히려 안좋은 운전습관으로 연비가 떨어질 수 있다는 단점이 있다.

자동변속기: 자동변속기는 클러치를 밟은 뒤 원하는 단으로 기어를 바꾸는 변속동작에서 오는 수고를 없애자 라는 발상에서부터 시작되었다. 그만큼 조작 편의성과 승차감이 좋다는 강점이 있다. 상용차 운전 경력이 적은 사람의 경우 기어를 변속하는 순간에 동승자는 덜컹 하는 느낌을 받게 되는데 변속하기 위한 RPM까지 충분히 올라가지 않았기 때문에 이런 일이 자주 발생한다. 자동변속기는 이러한 타이밍을 맞추지 않아도 된다는 점에서 사용자에게 편리함을 주기 때문에 현재 거의 모든 차량에서 자동변속기를 사용한다. 하지만 수동 변속기보다 부품의 수가 많고 구조가 복잡하여 동력전달의 효율이 낮으며, 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다.

8. 수동변속기 변속 원리

동력은 플라이휠에서 시작해 클러치, 변속기 순으로 전달되며, 클러치가 엔진과 변속기 사이에서 동력을 연결하거나 차단한다. 클러치 페달을 밟고 있을 때는 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크가 떨어지면서 동력을 전달하지 않는다. 그리고 클러치 페달에서 발을 떼면 엔진의 플라이휠과 클러치 디스크, 클러치 압력판이 결합하면서 엔진의 회전력을 변속기로 보내주게 됩니다.
변속기는 각 엔진의 특성에 맞게 자동차의 성능과 효율을 높이는 방향으로 발전했는데요. 수동변속기는 연비가 뛰어나다는 장점을 살리면서 조작 편의성을 키우는 새로운 변속기 탄생으로 이어졌다. SAT(반자동변속기: Semi Automatic Transmission)에서 AMT(자동화 수동변속기: Automated Manual Transmission) 그리고 DCT(듀얼클러치변속기: Dual Clutch Transmission)로 변하고 있다. SAT는 클러치 페달은 없으나 기어 변경은 수동과 같은 시스템이고 AMT는 클러치 조작과 기어 변경 자동화를 통해 자동변속기와 같은 운전자 조작을 가능하게 하는 시스템이다. 그리고 DCT는 변속할 때 2개의 클러치를 교차시키며 동력을 전달해 AMT의 단점인 변속 시 울컥거리는 현상을 보완했다.

9. DCT(Dual Clutch Transmission) 원리

DCT 변속기는 현대와 기아 자동차에서 볼 수 있는 대표적인 변속기이다. 여기서 7단 DCT는 수동변속기의 장점에 자동변속기의 장점을 더한 기술이라고 할 수 있다. 엔진의 동력을 전달받아 주행하는 자동차는 언덕길을 올라가거나 고속도로를 주행하는 등 갖가지 상황을 맞닥뜨리게 된다. 주행상황과 운전자의 의지에 따라 필요한 속도와 구동력이 다르므로 그에 맞게 기어를 변경하게 된다. 이때 DCT는 두 개의 클러치를 사용한 연속적 변속으로 부드러운 주행과 빠른 변속을 가능하게 한다. 또한 수동변속기 구조를 기반으로 하기 때문에 연비 및 가속 성능 또한 우수하다.

DCT의 핵심 기술은 총 세 가지로 제어로직과 더블클러치, 액추에이터가 있다. 제어로직은 변속기에 지령을 내리는 두뇌 역할을 하며, 홀수 기어를 담당하는 클러치와 짝수 기어를 담당하는 클러치가 동시에 적용된 더블 클러치는 자동차의 상황에 맞게 재빨리 동력을 전환한다. 액추에이터는 고효율 전기 모터를 적용해 기어와 클러치의 변속을 자동으로 해주는 장치로 DCT는 더블클러치와 액추에이터를 사용해 제어로직에 의해 자동으로 변속 되는 자동화 수동변속기라고 볼 수 있다.

10. 자동변속기 작동 원리

자동변속기는 엔진 회전, 차량 속도 등을 감지해 차량 부하에 따라 자동으로 변속하는 방식으로 토크컨버터, 오일펌프, 유압 클러치, 유성 기어세트, 회전 센서, 감속 기어, 밸브 바디 및 TCU로 구성되어 있다. 유성 기어 시스템과 습식 다판 클러치, 브레이크의 조합으로 변속단이 구성되어 있다. 각 변속단에 해당하는 클러치, 브레이크를 유압 시스템으로 결합하고 해제하면 연결된 유성 기어가 작동한다. 그렇게 되면 해당 변속단과 변속비를 구현하게 된다. 변속기 탑재 방식에 따라 전/후륜 자동변속기로 구분되는데, 자동변속기의 기본적인 구조는 같지만, 전륜 자동변속기는 엔진룸에 레이아웃을 구성하기 때문에 좌우 전장의 제약이 커 바퀴로 구동력을 전달하기 위해 다축의 구조를 사용하게 된다. 반면 후륜 자동변속기는 동일 축상에 부품을 구성하여 후륜 측으로 구동력을 전달한다.

연료전지

enffl — Wed, 26 May 2021 14:05:02 +0900

이번에는 미래 자동차 중에서 가장 친환경 자동차로써 그 기대가 큰 수소전기차의 연료전지에 대해 알아보고자 한다.

1.수소연료전지?

수소를 이용해 전기에너지를 생성하는 발전 장치를 말한다. 일반 화학전지와 달리 공해물질을 내뿜지 않기 때문에 친환경 에너지에 속하며, 소음이 없다는 장점이 있다. 연료전지라고도 불리는데 말 그대로 연료(수소)를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로 3차 전지라고 불리기도 한다. 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등으로 나뉜다.

2. PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자 전해질 연료전지)

고분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 전해질 막을 이용하는 연료전지이다. 구조는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 이루어져있다. 수소가 공급되었을 때 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질 막을 통해 서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라 이동하면서 전류가 발생한다. 위의 사진에서 Anode와 Cathode라고 불리는 부분이 있는데 Anode는 전자를 방출하거나 산화반응이 이루어지는 곳을 말하고 Cathode는 전자를 얻거나 환원반응이 이루어지는 곳을 말한다. 따라서, 연료인 수소가 공급되는 곳은 항상 Anode라고 불리고 산소가 공급되는 부분은 항상 Cathode가 된다. PEMFC 방식의 장점은 간단한 구조와 제작 방식으로 부식 문제가 거의 없어 40,000시간 이상의 긴 시간동안 무리 없이 작동되고 저온에서 반응이 일어난다는 특징으로 활용 범위가 넓다. 현재 수소전기차용 연료전지로 가장 많이 활용되고 있는 연료전지이다.

고분자 전해질 막에는 몇 가지 조건이 필요한데 선택적 투과 능력이 가장 중요하다. 수소 이온은 전해질로 통과시키고 이 막으로 전자는 통과되지 못해 도선으로 흘러야 하기 때문이다. 따라서 전해질 막의 높은 수소 이온 투과능력과 전자 절연 능력이 매우 중요하다. 또, 이 막을 사이에 두고 각각 반쪽반응이 일어나게 되는데 이 반쪽반응이 독립적으로 일어나는 것이 중요하기 때문에 이 막에 대한 수소와 산소의 투과율이 낮아야 양쪽 전극에서 일어나는 반응을 완벽히 분리할 수 있다. 여기서 반쪽반응은 쉽게 말하면 산화 환원 반응 중 하나만 일어나는 반응을 말한다.

3. PEMFC의 단점과 개선 방향

연료전지의 능률을 좌우하는 두 가지 물질이 전극을 코팅하는 촉매와 선택적 투과성을 가진 전해질이다. 그러나 이 물질의 가격이 비싸서 상용화에 어려움이 있다. 그래서 촉매와 전해질로 쓰일 높은 효율을 가지고 있고 보급화 될 수 있는 물질을 찾는 것이 중요하다. 또, 발전 비용이 비싸 금전적 효율이 낮고 물의 함량 조절도 중요한 부분이다. 이러한 부분들이 개선된다면 미래의 전기 생산자로 막중한 역할을 할 수 있을 것이다.

4. SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지)

산소 또는 수소를 투과시킬 수 있는 고체 전해질을 사용하는 연료전지이다. 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700°C~1000°C)에서 작동한다. 모든 구성 요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않고 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 작동 온도가 700°C가 넘는 다는 점에서 수소전기차의 연료전지로 활용될 가능성은 매우 낮아 보인다.

5. MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산염 연료전지)

통상 2세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 열효율과 환경친화성이 높고 모듈화가 특성되었으며 설치공간이 작다는 장점을 갖는다. 또, 650°C의 고온에서 운전되기 때문에 PEMFC 또는 PAFC와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 장점을 가지고 있다. 고온에서 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능하게 하며 경제적인 생산이 가능하다. 그리고 백금 촉매를 사용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저 니켈 전극을 이용함으로써 수성가스 전환반응을 통해 연료로 이용할 수 있게 한다. 하지만 이 또한 높은 작동온도를 필요조건으로 함으로 자동차용 연료 전지로 활용하기는 힘들다.

6. 수소전기차의 특징

석유, 석탄, 천연가스 등 자원에 대한 고갈 우려와 환경 오염으로 인해 지속 가능한 친환경 에너지 자원에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 이러한 관점에서 본다면 수소는 친환경 에너지임과 동시에 고효율 에너지로써 미래 기술력의 원동력을 공급할 수 있는 최적의 연료인 셈이다. 전기차와 비교했을 때 수소전기차 내의 고성능 에어필터로 인해 공기청정 효과까지 볼 수 있다는 점에서 앞으로 더 주목받는 친환경 자동차가 될 것이다.

현재 전기자동차의 문제점으로 꼽히는 것 중 하나가 최대 주행거리에 있다. 500km라고 제원에 표시되어 있지만 실제로 주행을 하다 보면 500km만큼 가지 못하고 배터리의 80%이상을 소모하게 되면 주변의 전기충전소를 찾아봐야 할 정도로 아직까지는 불편한 점이다. 하지만 수소전기차는 수소라는 고효율 에너지원을 사용함으로써 3~5분의 짧은 충전시간에도 500km이상을 주행할 수 있다는 점에서 전기자동차와 비교된다. 하지만 비싼 연료전지와 연료전지의 내구성을 위해 온도 유지, 진공 센서, 외부 충격에 버틸 수 있는 설계 등 고려해야 할 부분이 많으며 여기에 들어가는 비용이 만만치 않다는 단점이 있다.

앞으로 수소전기차가 상용화 되려면 수소 충전 인프라뿐만 아니라 가격적인 측면에서도 보완점이 필요해 보인다는 생각이 든다.

이번에는 미래 자동차 중에서 가장 친환경 자동차로써 그 기대가 큰 수소전기차의 연료전지에 대해 알아보고자 한다.

엔진(친환경)

enffl — Thu, 20 May 2021 16:24:16 +0900

이번에는 앞으로 자동차 산업이 주력하고 있는 하이브리드 자동차, 전기자동차의 엔진 즉, 파워 트레인의 종류와 형태를 살펴보고자 한다.

1. 하이브리드 자동차?

하이브리드(Hybrid)란 이중, 혼합이라는 사전적 의미를 가지고 있는데 하이브리드 자동차는 미래 자동차의 원동력으로 떠오르는 전기와 기존의 내연기관인 가솔린을 혼합해서 사용하는 자동차를 말한다

2. 왜 하이브리드 자동차를 개발했을까?

1) 환경오염

가장 첫번째 이유는 환경오염일 것이다. 사실 기업의 입장에서 본다면 환경오염은 제품을 개발하는 단계해서 크게 고려하지 않았던 문제였을 것이다. 하지만 교토 의정서, 파리 기후변화 협약 등 지구 온난화와 관련되어서 세계 강대국들이 기후 변화 협정을 맺고 최근에는 2050년까지 탄소중립을 하겠다며 공표한 나라들이 적지 않다. 이는 자동차 업계가 유럽, 미국에 자동차를 수출하기 위해서는 해당 나라의 배출 가스 규제를 따라야 한다는 말이기 때문에 기존의 내연기관으로는 한계를 느꼈다고 볼 수 있다.

첫 번째 사진은 독일에서 자동차의 배출 가스 종류와 양에 대해서 년도별로 그래프로 만든것이다. 그래프에서 알 수 있듯이 자동차 개발 초기 단계인 1900년대에는 엔진 후 처리 과정도 미흡하고 연비도 좋지 않아 배출 가스의 양이 상당했던 것을 볼 수 있고 시간이 지나면서 엔진에 카탈리스트, EGR 등 배기 가스 후 처리 과정을 포함시키면서 배출 가스의 양이 줄어든 것을 볼 수 있다. 두번째 사진은 EU가 제시하는 자동차의 배출가스 규제에 대한 도표이다. 2005년에는 km당 NOx는 0.25g, PM은 0.03g으로 넓게 허용했지만 갈수록 강화되서 2014년에는 각각 0.1, 0.01에도 못 미치는 규제를 제시했다. 최근에는 더 강화된 것으로 아는데 이는 휘발유를 동력원으로 사용하는 내연기관 차량으로는 지키기 힘든 법규이고 앞으로는 배출가스 0을 목표로 개발되어야 한다는 필요성에 자동차 기업들이 하이브리드 자동차뿐만 아니라 전기자동차 개발에 힘쓰고 있는 이유이다.

2) 연비

하이브리드 자동차가 초기에 각광받았던 이유 중 하나는 단연 연비일 것이다. 기존의 내연 기관과 다르게 전기도 동력원으로 함께 사용하기 때문에 연비가 좋았기 때문인다. 일반적으로 내연기관 자동차는 엔진이 시동을 걸고 초기에 출력을 내기 위해서 일정 온도 이상의 조건을 갖추어야 하는데 자동차 엔진의 온도를 높이기 위해서는 가솔린이 사용되기 때문에 연비가 떨어진다는 것이다. 하지만 하이브리드 자동차의 경우 저속에서는 전기를 동력원으로 모터를 작동시켜 구동하는 자동차들이 대부분이다. 이 때문에 기존의 내연기관처럼 온도를 높일 필요성이 없고 집 근처 운행이 잦거나 고속도로를 많이 달리는 자동차가 아니라면 사용자는 내연기관에 비해 높다고 느낄수 밖에 없다. 이런 이유로 하이브리드 자동차 매뉴얼에 나와있는 연비는 참고용으로 활용하고, 어떤 목적으로 사용할지에 따라 연비 좋은 내연기관 차량과 별반 다르지 않을 수 있다는 것을 알고 있어야 한다.

위의 2가지 이유는 하이브리드 자동차의 개발 이유지만 전기자동차의 개발 이유이기도 하다.

3. 하이브리드 자동차의 종류

하이브리드 자동차는 크게 풀 하이브리드, 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드 3가지 종류로 나눠져 있고 풀 하이브리드 안에는 직렬 방식, 병렬 방식, 직병렬 방식 3가지 방식으로 나눠져 있다.

1) 풀 하이브리드

풀 하이브리드 자동차는 엔진이 완전히 꺼진 상황에서 모터의 힘 만으로도 움직일 수 있는 자동차를 말한다. 이 말은 엔진만으로 구동 될 수 있고 엔진과 모터가 함께 사용될 수 있다는 말이기도 하다. 최근에 출시되는 하이브리드 자동차는 대부분 여기에 속해 있는데 이유는 엔진의 부담이 적어 연료 소비를 30~50% 정도 감소시킬 수 있기 때문이다.

직렬 방식(Series): 엔진과 인버터, 모터가 직렬로 이루어진 시스템으로 엔진은 발전기 역할만 하며 모터의 힘만으로 달리는 하이브리드 자동차이다. 전기자동차에 발전용 엔진을 넣었다고 하면 쉽게 이해할 수 있는데 그래서 전기자동차의 장점을 많이 가지고 있다. 배터리 충전량이 충분하다면 엔진이 돌지 않아 소음이 적고 처음부터 최대 토크를 낼 수 있는 모터의 특성상 가속 성능이 좋다. 충전과 모터 구동이 동시에 가능하며 엔진과 바퀴가 직접 연결될 필요가 없어 변속기가 없거나 2단 정도로만 채택되는 경우가 많다. 또, 엔진의 RPM에 따라 효율이 다른데 여기서는 엔진이 발전기 역할만 하므로 항상 최대 효율 구간에서 작동한다는 장점이 있어 연비가 좋다. 하지만 내연기관 자동차와는 그 구조가 다르기 때문에 기존에 개발한 플랫폼을 활용할 수 없고 엔진의 힘을 그대로 이용하지 않고 전기로 변환하는 과정을 거치기 때문에 차량의 전체적인 에너지 효율은 떨어진다.

병렬 방식(Parallel): 현대자동차그룹의 주력 하이브리드 자동차로 일반적으로 엔진과 변속기 사이에 모터를 넣는 구조이다. 출발할 때나 저속에서는 모터로 가속하고 일정 속도 이상이 되면 엔진 클러치가 붙어 엔진이 힘을 더한다. 기존 자동차와 파워트레인 레이아웃이 비슷해 개발비를 아낄 수 있고 직병렬 하이브리드에 비해 구조가 단순하고 무게도 가벼우며 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 엔진과 변속기 사이에 모터를 위치시키는 설계로 인해 모터의 크기를 일정 수준 이상 키울 수 없는 구조적 문제가 있어 직병렬 하이브리드에 비해 모터 출력이 낮아 모터만으로 가속 가능한 속도가 낮고 모터만으로 주행 가능한 거리도 짧다. 또, 하나의 모터만 탑재되기 때문에 이것이 발전기 역할도 겸하므로 발전기로써 배터리를 충전하면 모터로 사용할 수 없고 그 반대도 마찬가지이다. 그래도 순수 내연기관보다는 연비가 좋고 최근에는 모터의 출력이 좋아지고 최적화해서 효율이 개선되었다.

직병렬 방식(Series & Parallel): 직렬과 병렬 방식의 혼합이다. 병렬 하이브리드처럼 엔진이 직접 운전에 관여할 수 있고 직렬 하이브리드처럼 모터의 힘만으로 움직일 수 있다. 병렬 하이브리드와 달리 2개의 모터가 들어가며 시스템에 따라 구동용, 발전용 모터가 각각 들어가나 구동과 발전을 모두 할 수 있도록 만들어진다. 주로 별도의 변속기는 필요로 하지 않고 2개의 모터가 변속기를 대신해 엔진속도를 조절하는 방식으로 이것을 토요타에서는 e-CVT라고 부른다. 단점으로는 무게가 무겁고 시스템이 복잡해 단가가 비싸다.

2) 마일드 하이브리드

엔진 동력이 기본이 되고 모터는 보조만 하는 방식의 하이브리드 자동차이다. 마일드 하이브리드에서는 전기 모터는 그저 거들 뿐 홀로 작동하지 않는다. 그래서 연비 향상은 내연기관에 비해 약 15% 정도이지만 저렴하고 설계가 간편하다는 장점이 있어 방식에 따라 생산비 100달러 정도로 연비 5% 정도를 상승시켰다고 한다. 마일드 하이브리드는 기존에 에어컨이나 히터와 같은 공조 시설, 편의 시설에 필요한 동력을 엔진이 부담했던 것과 달리 모터의 전기로 부담하기 때문에 설계 시 엔진의 최대효율 구간을 상대적으로 유연하게 설정해 연비를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 주로 디젤 하이브리드 차량에 적용되는데 그 이유는 디젤 기관은 가솔린 기관에 비해 크기가 크기 때문에 구조가 간단하고 작은 마일드 하이브리드를 적용 시 효율이 높다.

3) 플러그 인 하이브리드(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

대용량 배터리와 외부 충전 장치를 가지고 있어 전기만으로도 일정 거리를 달릴 수 있는 하이브리드 자동차이다. 전기자동차의 단점인 충전소의 문제를 해결하기 위해서 전기차와 하이브리드의 혼합 형태로, 크게 2가지로 나뉜다. 하나는 기존 하이브리드 차량에 추가로 배터리를 장착하거나 펌웨어를 트윅하여 EV주행거리를 더 확보한 형태이다. 다른 하나는 전기차의 파워트레인에 항속거리 증가를 위해 발전용 엔진을 단 것이다. 일반적으로 전자가 PHEV라고 불리고 후자는 EREV(Extended Range Electric Vehicle)라고 불려 주행거리 연장 전기차라고 말한다. 하지만 한국에서는 두 가지 경우 모두 PHEV라고 말한다. 플러그 인 하이브리드 자동차는 전기자동차에 비해 EV모두 주행거리가 짧고 배터리 무게 증가로 인한 연비 감소와 가격 상승이라는 단점을 가지고 있다.

4. 전기자동차(EV: Elctric Vehicle)

말 그대로 전기를 동력원으로 삼아 움직이는 자동차를 말한다. 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고 오로지 배터리와 모터에 의해 자동차를 움직이는 자동차다. 원래 1830년대에 엔더슨이라는 사람에 의해서 전기자동차의 시초라 할 수 있는 세계 최초의 원유전기마차가 발명되었고 1835년에 크리스터포 베커에 의해 작은 크기의 전기자동차가 개발되었다. 이후 1873년에 가솔린 차량보다 먼저 제작되었으나 배터리 무게가 무겁고 충전 시간이 너무 긴 문제 때문에 실용화 되지 못했다가 1990년대에 들어서면서 배기 가스, 유가 상승과 같은 이슈로 전기자동차의 개발이 본격적으로 시작된다.

5. 전기자동차의 특징

1) 안정성

전기자동차의 배터리 무게는 약 500kg 정도로 내연기관의 파워트레인 무게인 100~200kg을 훌쩍 넘는 수치이다. 이는 내연기관에서 전기자동차로 바뀌면서 내연기관 대비 부품의 수가 약 40%정도 줄었다고 하지만 기존의 내연기관 자동차보다 무게가 많이 나간다는 것을 의미한다. 일반적으로 전기자동차의 무게는 약 2톤정도 나가는데 20%에 해당하는 무게가 자동차의 중앙 아래에 있는 배터리가 차지하게 된다. 이 말은 자동차의 무게중심이 낮아지고 주로 앞에 위치했던 내연기관의 파워트레인에 비해 전륜과 후륜의 무게 배분을 비슷하게 가져갈 수 있다는 말이다. 이는 자동차의 안정성과 크게 관련 있는데 차량은 선회시 횡방향 가속도로 인해 롤링 현상이 발생하게 되는데 낮은 무게 중심으로 인해 좋은 선회성을 확보할 수 있다는 말이기 때문이다.

하지만 배터리의 화재 위험으로부터 자유롭지 못 하다는 것이 안정성을 해치는 요인 중 하나이다. 현재 쓰이고 있는 리튬 이온 배터리의 경우 양극과 음극 사이에 액체 전해질을 활용함으로써 이온의 이동을 도와 높은 이온 전도도를 얻고 이를 전기로 활용한다. 이 액체 전해질이 화재로 이어지는 원인이다. 이를 막기 위해 일정 온도 이상 올라가지 못하도록 이온의 이동을 강제로 막는 기전이나 분리막 활용, 배터리 냉각 시스템 등 여러 방면에서 노력하고 있지만 액체 전해질을 사용하는 전기차의 경우 폭발 관련 이슈에서 완전히 자유로울 수는 없다. 그래서 고체 전해질을 활용하는 리튬 폴리머 배터리, 황화물계 배터리 등 전고체 배터리에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 전고체 배터리가 탑재된 전기자동차가 상용화된다면 아마 전기자동차의 배터리 화재 위험은 더 이상 논쟁거리가 되지 않을 것이다.

2) 비용

전기차의 동력인 전기를 이용해 움직이는 만큼 가솔린에 비해 경제적이다. 가솔린 1L로 약 9.7kWh의 에너지를 만드는 반면 전기 기관을 이용하는 경우 2.7kW의 전기에너지로 가솔린 1L에 상응하는 에너지를 만들어 낸다. 이러한 관점에서 싼 전기가 1L에 1600원에 임박하는 가솔린보다 자동차를 유지하는데 있어 경제적이다. 기술력이 점점 좋아져 배터리 교체 주기가 길어지고 있어 최근에 나오는 전기자동차는 내연기관의 파워트레인의 수명을 따라잡고 있다.

하지만 전기자동차의 문제점으로 많이 언급되는 것 중 하나가 최대 주행거리이다. 전기 충전소 인프라가 잘 갖춰져 있지 않으면 500km를 달리는 전기자동차라도 충전하기 위해 목적지까지 돌아가는 경로를 선택하게 될 수 있다는 말이다. 이는 사용자에게 큰 부담이다. 여기서 전기차의 배터리 용량을 늘리면 되지 않느냐는 말이 있는데 전기차의 용량을 2배로 늘렸다고 해서 최대 주행거리가 2배가 될 수 없다. 배터리의 무게로 인해 연비가 떨어지고 배터리의 용량이 배터리 개수를 늘린 만큼 커지지 않기 때문에 비효율적이고 가격이 비싸서 부담이다.

6. 전기자동차 전용 플랫폼

기존의 내연기관은 샤시에 동일한 플랫폼을 활용함으로써 생산성을 향상시키고 자동차 가격을 낮추는데 큰 역할을 했다. 서로 다른 차종이라 하더라도 같은 생산 라인을 거쳐 비슷한 샤시 구조를 가지고 다른 바디를 입히고자 하는 것이 플랫폼을 만든 이유인데 이는 여러 개의 부품을 하나로 묶는 모듈화를 통해서 부품의 수를 최소화했고 현대 모비스가 샤시 모듈, 칵핏 모듈 등 모듈 사업에서 뛰어난 성과를 보여주며 글로벌 자동차 부품 업계 7위로 도약했을 정도로 자동차 산업에서는 중요한 부분이다.

이처럼 전기자동차도 전용 플랫폼을 활용해 생산성을 높이고 단가를 낮추고자 많은 기업들이 노력하고 있다. 기존의 내연기관 플랫폼 활용은 안되는 걸까? 라는 의문을 가질 수 있는데 구조적으로 많은 차이를 보여서 비효율적이다. 일단 전기자동차는 내연기관과 다르게 차량 전방에 엔진룸을 둘 이유가 없어졌다. 복잡했던 가솔린 기관의 파워트레인 대신 모터, 인버터 등 몇 개 안되는 부품으로 파워트레인을 구성할 수 있기 때문이다. 그래서 내연기관에 비해 여유 공간을 확보하게 되면서 실내 공간을 넓히기 위해 휠베이스를 넓게 가져가고 프런트 오버행을 짧게 가져가는 전기차가 많이 출시되었다. 현재 전기차 시장 점유율 1위를 가져가고 있는 테슬라의 경우 이러한 전기차 전용 플랫폼을 통해 지금의 성과를 얻었다고 해고 과언이 아니다. 실제로 모델 S, E, X, Y 모두 휠 베이스를 2900mm이상으로 가져가면서 승차감 향상에 기여하고 지상고를 낮춰 무게 중심을 낮추는 등 전기자동차의 이점을 잘 활용하고 있다. 이에 폭스바겐은 MEB, 현대차는 E-GMP와 같은 전기차 전용 플랫폼 개발에 힘쓰고 앞으로 전기차 시장에 나오게 될 아이오닉 5도 E-GMP를 기반으로 만들었다고 한다.

첫 번째 사진이 폭스바겐의 MEB, 두 번째 사진이 현대차의 E-GMP의 구조를 보여준다. 실제로는 이것보다 훨씬 복잡하지만 두 개 모두 배터리를 중앙 아래로 배치함으로써 무게 중심을 낮추고 앞 뒤 모두 모터, 인버터를 장착함으로써 무게 앞 뒤 바퀴에 걸리는 하중도 비슷하게 분배할 수 있다. 또한, 모터로 인해 변속기가 없는 것이 하나의 특징이라고 할 수 있고 일반적으로 전기차는 감속기어 하나만을 장착하는 방식으로 제작하고 있다.

7. 수소전기차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)?

수소전기차는 연료전지로 전기 모터에 전력을 공급하여 주행하는 자동차로 일반적으로 연료전지자동차, 연료전지차라고 불린다. 현대자동차그룹이 2013년 최초로 수소전기차 양산에 성공한 이후 도요타, 혼다, GM, BMW 등 많은 자동차 업계가 개발을 추진하고 있다. 아직 상용화 되기에는 이른 감이 있는데 수소 충전소 인프라가 턱 없이 부족해 이용하기에는 불편하다. 수소전기차가 개발 대상이 되는 이유는 극한의 친환경차라고 불리기 때문이다. 수소 전기차의 연료전지에서는 화학 반응을 통해 순수한 수소를 얻어내는데 이때 대기중의 공기를 흡입해 화학 반응을 일으킨다. 대기중의 공기는 오염도가 높기 때문에 이를 걸러줄 고성능 필터가 필요하게 되고 화학 반응의 부산물로 물이 배출되기 때문에 공기도 정화하고 배출 가스도 없는 궁극의 친환경차라는 이야기이다. 또, 수소전기차의 장점으로 전기차에 비해 3~5분이라는 짧은 충전 시간과 적은 연료전지 용량으로도 높은 에너지 효율을 얻을 수 있어 1회 충전 500km이상의 주행거리를 확보할 수 있다는 점이 있다. 이러한 이유로 현재는 대형 트럭과 같은 자동차에 사용되고 있고 기술이 발전하게 된다면 연료전지를 활용하는 일반 승용차가 거리에 많이 보이게 될 것이라 생각한다.

수소전기차의 안정성에 대해 걱정하는 목소리가 많은데 삼중수소, 중수소 와 같이 핵융합 반응에 쓰여 수소폭탄을 만드는 수소와는 분자구조가 다르고 이를 반응시키기 위해서 1억도 이상의 온도와 수천 기압의 압력이 조건으로 필요한데 이는 자동차 내부에서 발생할 수 없는 조건이기 때문에 수소가 스스로 폭발할 가능성은 제로에 가깝다. 다만 충격에 의한 폭발이나 수소 탱크로부터 수소가 새어 나가지 않게 여러 안전장치가 필요해보이기 때문에 이런 부분이 갖춰진다면 미래의 친환경 자동차로 각광받는 자동차는 전기자동차보다 수소전기차가 되지 않을까 생각한다.

엔진(내연기관)

enffl — Mon, 17 May 2021 21:35:12 +0900

1. 자동차 엔진이란?

자동차 엔진은 자동차에 동력을 공급하는 기관으로 크게 4행정 사이클의 휘발유 엔진(SI), 경유 엔진(CI)과 최근에 개발되고 있는 전기 엔진과 하이브리드 엔진으로 나눌 수 있다.

2. 4행정 사이클

자동차의 쓰이는 내연기관은 모두 4행정 사이클 엔진을 이용하며 기통 수에 따라 4, 8, 12 기통 엔진으로 나눌 수 있다. 위 그림에서 알 수 있듯이 흡입-압축-폭발-배기의 과정을 거쳐 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 엔진을 4행정 사이클 엔진이라고 부른다.

1행정-흡입: 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하는 행정. 크랭크 축의 회전 관성으로 피스톤을 당겨 연소실 부분을 진공으로 만들고 흡기 밸브를 열면서 공기가 들어오는 과정. 공기가 들어오면서 인젝터에서는 연료가 분사되고 공기와 연료가 혼합되어 혼합 가스의 형태로 되는 과정.

2행정-압축: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하는 행정. 열려있던 흡입 밸브가 닫히고 혼합 가스는 완전 밀폐된 상태로 연소실에서 압축되기 시작. 혼합 가스를 압축하는 이유는 혼합 가스의 온도와 면적당 밀도를 높여 화염 전파 및 연소를 쉽게 하기 위함이며, 연소 가스의 압력을 최대로 높이기 위함이다. 노킹 및 이상 점화가 일어나는 시기이며, 엔진 제작 과정에서 가장 복잡한 경우의 수로 시뮬레이션의 과정을 거치는 행정.

3행정-폭발: 피스톤이 상사점에서 하사점으로 하강하는 행정. 피스톤이 압축 과정에서 상사점에 도달하기 바로 직전에 혼합 가스에 점화가 되는 시점부터 하사점으로 도달하는 과정을 포함한다. 상사점에 도달하기 바로 직전에 점화하는 이유는 화염의 전파 속도 때문인데 완전한 상사점에 도달할 경우 혼합 가스의 압력은 최고점에 이르나 스파크 플러그에서 점화가 일어나 폭발력이 발생하는 시간이 피스톤 운동 시간과 맞지 않아 동력 손실이 발생하기 때문인다. 그로 인해 상사점에 도달하기 직전에 점화를 시킴으로써 화염 전파가 최대치로 될 때, 최대의 폭발력을 얻는 시기와 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하는 순간을 맞추게 된다. 이것을 점화 타이밍이라고 한다. 점화된 혼합 가스는 연소하여 연소실에서 발생된 힘을 피스톤에 전달하여 기계적 에너지로 바꾼 후 크랭크축을 회전시켜 유효한 힘을 발생시키는 행정이며, 동력행정이라고 부르기도 한다.

가솔린(휘발유)의 경우 스파크 플러그를 통한 전기 불꽃 점화인데, 경유(디젤)의 경우 자기 착화 점화 방식으로 차이가 있다.

4행정-배기: 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하는 행정. 배기 밸브가 열리고 피스톤의 이동에 의해 연소 가스를 연소실 밖으로 밀어내는 행정으로 배기가스를 외기로 몰아내기 위해 2행정(배기-흡입)동안 배기 밸브는 열려 있다. 이 순간을 밸브 오버랩구간이라고 해서 흡입 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려 있는 구간인데 두 개의 밸브가 동시에 열려 있으므로 해서 흡입 과정이 좀 더 원활하게 할 수 있도록 한다. 연소실 내부와 외기의 압력 차이로 인한 자연스러운 이동이기 때문에 흡입과 배기 밸브가 동시에 열려 있는 순간 흡입 과정이 잘 이루어진다. 실린더 밖으로 배출된 배기가스는 배기 매니폴드를 거쳐 촉매, 머플러를 통하여 대기 중으로 방출되게 된다. 일반적으로 배기가스의 온도는 600~700°C이다.

3. 가솔린(휘발유, SI: Spark Ignition) 엔진

위의 그림에서 보는 것이 가솔린 엔진이다. 일반적인 자동차에는 4행정 사이클의 가솔린 엔진이 사용되고 2행정 사이클 엔진은 주로 오토바이나 스쿠터 같은 소형 차량에 쓰인다. 가솔린 엔진에서 연료 분사 방식은 크게 2가지로 나뉘는데 포트 분사식(PFI: Port Fuel Injector)과 직접 분사식(GDI: Gasoline Direct Injector)가 있다.

포트 분사식(PFI): 80년대 이후부터 등장했고 현재 거의 모든 가솔린 기관에서 쓰이는 방식으로 흡기 포트에 연료 분사기(인젝터)를 장착하여 실린더에 도달하기 직전에 공기와 연료를 혼합시키는 방식. 분사 압력은 3~5bar 정도이고 액적 크기는 80~100 μm이다.

직접 분사식(GDI): 이론 자체는 오래되었지만 혼합비가 매우 낮아 잘 사용하지 않다가 1996년 미쓰비시 자동차가 일반 승용차용으로 처음 양산하고 나서 여러 회사에서 여러가지 이름의 전자식 직접 분사식 엔진이 탑재된 차량을 출시했다. 포트 분사식과 다르게 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 방식으로 실린더에 혼합 가스가 아닌 공기를 많이 집어넣어 적은 연료로 많은 공기를 태워 불완전 연소를 막기 위해 개발된 엔진이다. 일반적으로 혼합 가스의 형태로 실린더로 보내면 제대로 혼합되지 않은 경운 불완전 연소가 발생해 연비와 출력이 떨어진다는 단점이 있는데 이를 보완한 방식이다. 기존의 14.7:1의 공연비에서 22~23:1의 공연비를 가능하게 했다. 분사 압력은 40~150bar 정도이고 액적 크기는 10~30 μm로 매우 작다.

가솔린 엔진의 4행정 과정을 오토 사이클이라고 표현하는데 이론상으로 위의 그림에서 볼 수 있듯이 2개의 정적 과정과 2개의 단열 과정으로 이루어져 있으며 사이클의 열효율은 압축비와 비열비에 의해서 결정된다.

4. 디젤(경유, CI: Compression Ignition) 엔진

구조 자체는 가솔린 엔진과 크게 다르지 않다. 디젤 엔진은 CI 엔진이라는 이름에서 알 수 있듯이 압축하면서 혼합 가스가 자연 발화하는 엔진으로 인위적으로 전기 불꽃을 만들지 않는다. 엔진은 압축비가 높으면 효율이 좋아 연비가 높아지지만 가솔린 엔진의 경우 압축비를 크게 하면 연료와 공기가 같이 흡입되는 구조이기 때문에 일정한 압축비를 넘어서면 점화 플러그가 작동하기 전에 폭발해버리는 문제점이 생겨서 14나 15정도가 한계였다. 하지만 디젤 엔진의 경우 공기를 흡입하고 압축하는 과정에서 피스톤이 상사점에 도달할 때쯤 연료를 높은 압력으로 분사하는 방식으로 압축비를 높여 사이클의 효율을 증대시키고 연비를 좋게 만든 기관이다. 일반적으로 오토 사이클이 디젤 사이클 보다 열 효율이 좋다고 말하지만 같은 압축비, 비열비를 갖는 경우 오토 사이클의 효율이 더 좋다 단지 디젤 사이클의 경우는 압축비를 크게 가져갈 수 있기 때문에 연비가 좋은 것이다.

디젤 엔진의 경우 크게 간접 분사식(IDI: InDirect Injection) 방식과 직접 분사식(DI: Direct Injection) 2가지로 나뉜다.

간접 분사식(IDI): 간접 분사 방식은 프리챔버라는 예연소실을 만들어 프리챔버에 분사하여 먼저 연소시키고 이를 주 실린더 내로 전파하는 방식이었다. 80년대와 90년대에 포드와 쉐보레가 이러한 방식을 사용했는데 직접 분사 방식에 비해 효율이 좋지 않다.

직접 분사식(DI): 대부분의 디젤 엔진이 사용하고 있는 방식. 배전기 펌프 직접 분사식과 커먼레일 직접 분사식으로 나눌 수 있는데 배전기 펌프 직접 분사식은 로터리 펌프를 사용하여 간접 분사식과 비슷했다. 인젝터가 실린더 위에 존재하고 별도의 챔버가 없다는 점에서 다르고 이 방식은 소음도 크고 매연이 많이 나온다는 단점이 있다. 간접 분사식에 비해 연료를 15~20%가량 적게 소모한다는 장점으로 사용했다. 이 방식은 전자식으로 연료를 분사하게 되면서 성능이 많이 향상되었는데 분사 타이밍, 연료량, 배기 가스 재순환 등 모든 것이 전자식으로 제어되면서 시장의 주류로 인정받는다. 커먼레일 직접 분사식은 고압펌프를 사용하여 연료를 연료 레일에 고압으로 압축하였다가 분사시기에 맞춰 인젝터를 통해 각각의 실린더에 분사하는 방식으로 모든 실린더의 인젝터가 하나의 연료레일에 연결되어 공유한다는 의미이다. 하나의 레일을 공유하기 때문에 실린더 마다 분사하는 압력에서 조금씩 차이를 보인다.

디젤 엔진은 이름 그대로 디젤 사이클이라고 표현하고 2개의 단열 과정, 1개의 정압 과정, 1개의 정적 과정으로 이루어져있다. 여기서 체절비는 폭발 행정에서 연료가 분사되어 연소가 시작되는 시점에서 일정하게 압력이 유지되면서 피스톤이 하강하는 구간이 있는데 이때의 부피비를 체절비라고 한다. 디젤 사이클은 오토 사이클과 달리 압축비와 비열비에 체절비가 포함되어 열 효율이 계산된다.

5. 엔진의 노킹(Knocking) 현상

엔진 점화가 적절하지 않은 시점에서 일어나는 현상으로 이상 점화 현상이라고도 한다. 연료의 연소를 제어할 수 없는 현상으로 이 때 나는 소리가 노크 소리와 비슷해서 붙여진 이름이다. 신차 엔진의 경우 이상현상을 감지하면 강제로 시동을 꺼 엔진과 기어박스를 보호하기 때문에 잘 발생하지 않지만 연식이 오래된 중고차나 수동 기어를 사용하는 차량에서 주로 발생하는 현상이다.

노킹의 원인에는 여러가지가 있다. 엔진 과열, 과도한 연료 압축, 연료실 내 불순물, 옥탄가가 맞지 않을 때 등이 있다.

엔진 과열: 엔진에서 발생하는 열이 비정상적으로 높아지면서 연료 압축이 일어나기 전에 열에 의해 폭발하는 현상이 일어나게 된다. 또는 냉각수 순환이나 냉각수에 문제가 생겨 엔진의 온도가 비정상적으로 높아졌을 수도 있다.

과도한 연료 압축: 높은 출력을 얻기 위해 압축비를 높이는 장치를 사용하시는 분들이 있는데 무리하게 압축비를 높이게 되면 피스톤이 상사점에 도달하기 한참 전부터 연소가 발생하면서 노킹 현상이 발생할 수 있다.

연료실 내 불순물: 연소실 내에 불순물이나 연료 찌꺼기가 남아 있는 경우에도 노킹 현상이 발생할 수 있다. 오래된 엔진이나 저품질의 연료 사용 시 이러한 원인으로 노킹 현상이 일어난다. 엔진 내부에서 폭발한 연료가 불순물과 만나면서 카본 슬러지로 변하는 경우가 있는데 아주 작은 입자로 실린더, 밸브, 점화 플러그 등에 붙어 있다가 그 크기가 점점 커지면서 압축을 방해하고 실린더 내부 온도를 불규칙하게 만들어 노킹을 유발한다.

옥탄가가 맞지 않을 때: 옥탄가(Octane Rating)은 엔진에 연료로 사용되는 휘발유의 특성을 수치로 나타낸 수치로 노킹에 대한 저항성을 의미한다. 고급 휘발유를 주유해야 한다고 안내하는 차량들이 있는데 이런 경우 옥탄가가 맞지 않는 휘발유를 사용하면 노킹 현상이 발생할 수 있다. 최근에 생산된 엔진들은 연료 혼합비나 폭발 등 엔진의 움직이는 조건들을 ECU가 학습하면서 시간에 따라 운전자가 사용하는 연료에 맞춰가는 경우가 대부분이지만 그럼에도 압축비가 높고 회전수가 높은 경우에는 고급 휘발유가 아닌 경우 제대로 된 성능을 발휘하지 못하거나 노킹 현상이 발생해 엔진에 문제를 일으킨다.

디젤 엔진과 가솔린 엔진의 경우 점화 방식에 차이가 있기 때문에 노킹 현상이 발생하는 시점이 달라지게 된다.

가솔린 엔진: 피스톤이 상사점까지 올라와 압축행정을 끝내기도 전에 자연 착화가 발생해 연소압력이 급격하게 높아지면, 올라오던 피스톤을 아래로 밀어 피스톤은 실린더 벽을 때리게 되고(노킹) 피스톤과 크랭크축은 데미지를 입게 된다.

디젤 엔진: 디젤 엔진은 피스톤이 상사점에 도달하고 연료가 분사되어 자연 착화하는 방식으로 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 노킹현상이 발생할 수는 없다. 그래서 디젤은 정해진 착화시점에 착화 조건이 충족되지 않아 착화가 지연될 경우 피스톤이 하사점에 도달할 때쯤 착화조건이 충족되면서 피스톤이 실린더를 때리게(노킹) 되는 경우가 있다.

오늘 포스팅에서는 내연기관을 주제로 엔진에 대해서 알아보았고 다음 시간에는 앞으로 많이 개발될 하이브리드 엔진과 전기 엔진에 대해서 알아보고자 한다.