외연기관-스덜링 엔진

[김 쉰들러]

1. 서론 
스텔링엔진은 19세기 초반 영국의 Robert Stirling에 의해 열공기엔진(Hot Air Engine)으로 개발된 외연기관으로, 피스톤과 실린더로 이루어진 밀폐공간내에 헬륨, 수소 등의 작동가스를 밀봉하고 이를 외부에서 가열 냉각시킴으로써 발생하는 피스톤의 운동을 통해 기계적인 에너지를 얻을 수 있다. 


1930년대 네덜란드의 필립스사에 의해 군용발전기로 본격적인 개발이 시작되었으며, 1960년대 수백 kW급에 이르는 다양한 엔진이 개발되었다. 1970년대 필립스 및 포드사에 의해 저공해, 탈석유, 연비향상 등을 위한 차세대 자동차용 엔진을 위한 승용차 탑재용 스텔링엔진으로 개발된 바 있으며, 발전용, 태양열발전, 열펌프, 우주용 등의 목적으로 다양한 형태의 엔진이 개발 적용된 바 있다. 

외연기관인 스텔링엔진은 가스∙액체∙고체 연료를 모두 사용할 수 있으며, 연소조건의 최적화 및 제어를 통해 청정한 연소가 가능하고 배기열손실이 없고 재생열교환기에 의한 열회수로 인해 원리적으로 가장 높은 열효율을 달성할 수 있다. 또한 왕복동방식의 내연기관에 비해 소음과 진동이 현저하게 작아 실내 설치조건에도 적합하여 소형 가정용 열병합발전 시스템의 동력원으로 적합한 것으로 평가받고 있다. 

2. 스텔링엔진의 작동원리 및 구성 
스텔링엔진은 이상적인 열역학사이클인 카르노사이클과 동등한 효율의 스텔링사이클을 기반으로 하며, 스텔링사이클은 등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열의 4개 과정으로 구성된다. 

이상적인 스텔링사이클은 <그림 1>과 같이 두 개의 피스톤과 재생열교환기(Regenerator)로 구성되며, 압축피스톤의 이동을 통해 압축된 작동유체는 압축 및 팽창피스톤의 이동에 의해 재생열교환기를 통과하면서 가열되고, 연속적인 팽창피스톤에 의한 팽창을 통해 고온열원(열교환기)으로부터 열을 흡수한다. 

고온의 작동유체는 팽창 및 압축피스톤의 이동에 의해 재생열교환기를 통과하면서 저온으로 냉각된다. <그림 2>는 이와 같은 4개의 과정을 나타낸 열역학선도(압력-체적, 온도-엔트로피 선도)이다. 실제의 스텔링엔진은 압축피스톤을 팽창피스톤에 대해 90도의 위상차로 구동함으로써 이와 같은 스텔링사이클을 구현한다. 

스텔링엔진은 고온열교환기, 재생열교환기, 저온열교환기의 3종류 열교환기와 복수의 피스톤으로 구성되며, 압축 및 팽창피스톤이 2개의 독립된 실린더에 구성되는 α형, 하나의 실린더에 두 개의 피스톤(동력피스톤, 변위기(Displacer))을 배치하는 β형, 동력피스톤과 변위기가 별개의 실린더에 배치되는 γ형, 다기통화 된 Dual- Acting 형 스텔링엔진 등으로 구분된다. 또한 기계적 구동형의 Kinematic 스텔링엔진과 이를 제거한 자유피스톤을 사용하는 FPSE(Free Piston Stirling Engine)로 분류할 수 있다. 

<그림 4>와 같이 kinematic 스텔링엔진은 피스톤의 선형운동을 회전력으로 변환하여 동력을 출력하며, 회전부가 없어 원리적으로 측력이 발생하지 않아 무윤활의 운전이 가능하고 구동부의 부품이 작아 유지보수 기간에서 장점이 있는 FPSE는 동력피스톤과 변위기를 직선구조로 배치하여 β형 엔진을 구성하여 동력피스톤에 선형발전기(Linear 
Alternator)를 직접 연결할 수 있어, 소형발전용으로 적합한 엔진 형태이다. FPSE는 일반적으로 두 개의 피스톤과 재생기, 열교환기로 구성되며 질량-스프링 시스템의 공진주파수로 운전되며, 변위기 상부에서 연소기로부터의 열전달을 통해 시스템의 압력이 상승되어, 변위기 하부에서의 냉각을 통해 시스템의 압력이 감소한다. 이와 같은 압력의 변화는 동력피스톤의 운동을 발생시키며 동력피스톤과 연결된 선형발전기의 코일 또는 자석의 운동에 따라 전기가 발생된다. 

스텔링엔진의 효율은 고온부의 작동온도, 작동압력에 따라 변화하며 고온의 경우 고온특성이 양호한 소재의 도입이 불가피하여 적절한 온도의 선택이 요구되며 고압의 경우 압력용기 설계의 부담으로 작용하기 때문에 적절한 범위의 작동압력으로의 설계가 요구된다. 스텔링엔진의 작동유체는 고효율을 위해 높은 열전도와 낮은 점도를 가진 수소 및 헬륨 등이 주로 사용되며 이로 인해 누설을 방지하기 위한 고성능의 밀봉기구의 도입이 요구된다. 

한편 스텔링사이클을 기반으로 스텔링냉동기(Stirling Cryocooler)가 개발되어 1950년대 이후 가스액화, 적외선센서 냉각, 우주 등의 극저온 냉동분야에서 상업∙양산화되어 활발히 사용되어지고 있으며 주로 일본을 중심으로 열펌프 응용 분야 등 다양한 냉동분야에 적용 된 바 있다. 

3. 스텔링엔진의 개발동향 
스텔링엔진의 응용을 위해 효율 및 수명 개선, 연료다양화, 저공해, 가격 등의 개선을 통해 열병합발전, 태양열 / 폐열 / 바이오 발전 / 군사 / 우주용전원 등의 다양한 용도의 스텔링엔진이 개발된 바 있으며, <표 1>은 주요 제작사 스텔링엔진의 출력 및 응용분야를 나타내고 있다. 스텔링엔진의 개발은 초기 필립스사의 엔진 및 초기 자동차용 엔진의 개발의 영향으로, 대다수의 스텔링엔진 제작사가 25 kW 이하 출력의 스텔링엔진의 개발에 주력하여 내구 및 신뢰성의 확보를 위해 노력하고 있다. 

특히 소형 열병합발전 시스템은 기존의 전력계통에 비해 이산화탄소 저감 및 에너지효율 측면에서 비교우위를 가지고 있으며, 소형 스텔링엔진은 친환경적이고 고효율 운전이 가능한 차세대 소형 에너지소스로 소형 열병합발전 시스템으로 최근 각광받고 있다. 

<표 2, 3>은 각 제작사의 25kW급 및 1kWe급 스텔링엔진의 사양으로, 25kW급은 주로 4기통의Kinematic 스텔링엔진 형태, 가정용 소형 열병합발전 시스템으로 많이 사용되어지는 1kWe급은 1개의 실린더를 사용하는 FPSE가 많이 적용되고 있다. 

뉴질랜드의 Whisper Tech사는 Dual-Acting 방식으로 4개의 실린더 및 기존의 회전형 모터를 사용할수 있고, 피스톤의 측력(Side Force)을 감소시킬 수 있고 Seal의 마모를 최소화 할 수 있는 Wobble York 방식의 동력전달기구를 채용한 스텔링엔진을 개발하였다. 이 엔진은 헬륨이나 수소를 대신하여 질소를 작동유체로 사용함으로써 엔진의 효율 측면에서는 부정적인 영향을 미치나, 엔진의 가스누설로 인한 성능저하를 방지하여 신뢰성 및 내구성을 향상을 도모하고 있다. 

미국의 Sunpower사는 1974년 FPSE의 상용화를 위해 설립되었으며, 고신뢰성의 비접촉방식 가스베어링(Gas Bearing) 및 플렉셔베어링(Flexure Bearing)을 채용한 자유피스톤 방식의 엔진과 이동자석(Moving Magnet)형 선형발전기를 채택한 수십 W ~ kW급의 FPSE를 개발하였으며, <그림 7>에 나타낸 바와 같이 광범위한 운전영역에서 30%에 이르는 높은 효율을 제시하고 있다. 

미국의 Infinia사는 천연가스, 프로판, 경유, 태양에너지, 방사성 동위원소 등의 다양한 연료원을 사용하는 플렉셔베어링 및 이동철심(Moving Iron)형 선형발전기를 채택한 FPSE를 개발한 바 있으며 50,000시간 이상의 FPSE 수명을 제시하고 있다. 

이와 같은 소형 FPSE 엔진의 효율 및 수명향상은 다양한 분야에서 스텔링엔진의 활용도를 증대키고 있으며, 최근 유럽의 보일러 회사를 중심으로 가정용 스텔링엔진 열병합발전 시스템의 개발 및 실증시험이 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 스텔링엔진 제작사들은 소형 열병합용 스텔링엔진의 열 및 내구성능의 향상을 위한 연구를 활발히 진행할 것으로 예측된다. 

4. 결론 
스텔링엔진은 다양한 연료의 사용이 가능하고 높은 효율과 낮은 소음∙진동 특성으로 자동차, 열병합발전, 태양열, 폐열 발전 등의 다양한 분야에서 활용되거나 검토되어지고 있으며 스텔링엔진의 성능 및 내구성의 향상 뿐만 아니라 대량생산 및 엔진 제조공정 개선을 통해 가격경쟁력의 제고가 절실히 요구되고 있다. 

글/박성제/홍용주(이상 한국기계연구원) 
자료제공 : 한국자동차 공학회/오토저널 2011년 2월호