압축 공기를 이용한 하이브리드 자동차 엔진 개발 | |
KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-12 | |
기존의 휘발유-전기 하이브리드는 제동하는 동안에 얻어진 에너지를 저장하기 위해 배터리를 사용하는데, 그렇지 않은 경우 브레이킹은 열로 낭비된다. 하이브리드 차량은 나중에 차량의 휘발유 엔진을 조력하기 위해 전기 모터를 구동하기 위한 에너지로 이용된다. 그러나 배터리들의 고 비용, 그리고 두 가지 형태의 추진력- 전기 모터와 가솔린 엔진-을 포함하기 위한 부가 비용은 하이브리드 차량의 가격을 높게 만든다. 이는 하이브리드 차량의 도입을 늦추고 전체 차량의 온실 가스 배출량에 미치는 영향을 제한해왔다. Lino Guzzella(Swiss Institute에 기계 공학의 교수)는 배터리나 전기 모터가 필요없는 하이브리드를 개발하고 있다. 대신에, 그것은 공기를 압축하기 위하여 엔진의 피스톤을 사용함으로써 에너지를 공급한다. 공기는 나중에 피스톤들을 작동시키고 차량을 추진하기 위하여 사용될 수 있다. Guzzella는 하이브리드 전기자동차들에 요구된 부가적인 부품들의 비용이 원래 비용의 200%까지 증가할 수 있는 반면, 이 시스템이 일반적인 엔진의 비용에 대략 20%만 증가할 것이라고 말한다. 컴퓨터 모의설험 결과 이 설계는 연료 소모를 32%까지 감소시킬 수 있는데, 이는 휘발유-전기 하이브리드의 연료 절약의 약 80%에 해당하는 것이라고 그는 말한다. 초기 실험은 이 설계가 구현할 수 있음을 증명하였다. 공기(또는 기압) 하이브리드의 아이디어는 새로운 것은 아니지만 이들을 효율적으로 만드는 것이 문제였었다. "움직이는 공기와 관련된 에너지 손실을 잡는 것은 어렵다. 특히 그 양이 적은 경우는 더욱 그렇다"고 공기 하이브리드들의 개발에 참여한 또 다른 MIT의 기계 공학의 교수인 John Heywood는 말했다. 더욱이, 압축 공기 탱크는 배터리에 비해 아주 적은 에너지만을 저장하여, 일반적인 공기-하이브리드 설계에서의 연료 절감을 심각하게 제한한다고, Virginia Tech의 기계과 교수인 Doug Nelson은 말한다. 이것이 압축 공기만으로 동작하도록 설계된 차들의 가장 큰 단점 중의 하나이다. Guzzella의 새로운 공기 하이브리드 설계는 진보된 제어 시스템을 이용하여 더욱 정교하게 공기의 흐름을 제어하여 전체적은 효율을 개선한다. 제한된 저장 용량을 극복하기 위해, 설계는 다른 하이브리드 방식에 비해 제동으로부터 에너지를 얻는 것에 의존도를 줄이고 에너지를 절약하기 위한 또 다른 방식에 더 많이 의존한다. 즉, 공압을 더 작고 보다 효율적인 가솔린 엔진의 성능을 키우기 위해 사용하는 것이다. 기존의 차량들은 순항을 위해 필요로 한 것보다 훨씬 더 많은 힘을 제공할 수 있는 엔진을 사용한다. 이 초과되는 힘은 가속하는 동안과 매우 높은 속도를 유지하는 동안에 사용된다. 그러나 이러한 엔진들은 특히 대부분의 시간에 실제 설계된 것보다 훨씬 더 낮은 부하에서 동작하기 때문에 비효율적이다. 테스트 엔진은 압축 공기의 형태에 에너지를 저장할 새로운 디자인을 증명한다. 엔진으로부터 연결된 두 개의 파이프는 공기 탱크와 엔진간의 압축 공기를 전달하는 역할을 수행한다(그림1). Guzzella의 디자인은 2리터 가솔린 엔진을 순항 속도에 적합한 매우 작은 750밀리리터 엔진으로 대체한다. 이것은 가속을 위한 힘의 증강을 제공하기 위해 압축 공기를 사용한다. 응집된 압축 공기는 보통 때보다 더 많은 양의 연료를 연소하기 위해 필요한 산소를 제공하는데, 이러한 기술은 supercharging이라고 한다. 비슷한 방식은 이미 몇몇 생산 차량에 사용되었는데, 여기서 배기 가스가 터보 차저를 구동시킨다. 그러나 터보차저는 "터보 랙(turbo lag)"이라고 불리는 문제점-가속기가 약화되어 추가적인 힘이 가해졌을 때 간의 현격한 시간 지연-으로 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 지연은 터보차저 내의 터빈이 충분히 빠르게 회전하기 시작하기까지 걸리는 시간에 의한 결과이다. Guzzella는 자신의 시스템은 그러한 지연 없이 즉시 추가 파워를 공급한다고 말한다. 이것이 이 기술을 소비자에게 더욱 어필하게 만든다고 Uiversity of Michigan의 기계 공학 교수인 Zoran Filipi는 말한다. 그는 이 연구에 관여하지 않았다. Guzzella의 시스템의 약 80% 효율 향상은 소형 엔진에 기인한다. 그외는 제동으로부터 에너지를 얻는 것과 이를 가속에 이용하는 것으로부터 온다. - 단거리의 경우 차량은 연료를 전혀 사용하지 않고 압축 공기만을 이용하여 추진될 수 있다. 연료는 또한 최적화된 효율로 동작하도록 유지하도록 엔진 부하를 조절하여 절약되는데, 피스톤의 일부가 공기를 압축하게 함으로써 부하를 증가시키거나, 반대로 압축된 공기를 이용해 몇몇 피스톤에 추진력을 가함으로써 부하를 감소시킬 수 있다. 최종적으로, 압축 공기는 엔진을 재시작하기 위해 사용될 수 있는데, 이는 차량이 설 때마다 공회전 대신에 엔진을 꺼버림으로써 이 기술을 실용적으로 만들어준다. Guzzella의 효율과 성능은 컴퓨터 모델을 근거로 한다. 그러나 그는 또한 테스트 엔진에서 설계의 기본 부품을 증명했다. 테스트 설정은 압축 공기를 이용하여 피스톤에 추진하고, 수퍼 차징을 제공하고, 엔진을 시작한다. 다음 단계는 컴퓨터 모델들에 의해 예상된 효율 수준을 달성하기 위한 시도로 엔진을 최적화하는 것이다. 그러나 Guzzela의 하이브리드 콘셉트는 연료 효율을 향상시키기 위해 고안된 다른 기술들과 치열한 경쟁을 겪을 것이다. 터보차저는 좋아져가고 있고, 다른 새로운 기술은 터보 랙 문제를 해결하기 위한 희망을 보여주고 있다고 Argonne National Laboratory의 에너지 시스템 부서의 연구원인 Michael Duoba는 말한다. 그는 가장 중요한 것은 어느 특정 기술의 성능이 아니라 어떻게 그 기술이 효율을 개선하기 위해 현재 도입되고 있는 다른 기술들(직접 분사 또는 향상된 전동 장치 등)과 결합할 수 있는가라고 말한다. 그러나 Duoba는 Guzzella의 시스템이 명백한 이득을 갖는다고 언급한다. 그것은 압축 공기와 공기탱크를 관리를 위한 추가 밸브를 위한 제어 기능이라는 아주 작은 추가 장비만을 필요로한다. 현재 사용되는 엔진이 나머지 역할을 수행한다. 언제든 사용자는 동일한 장비로 더 많은 것을 할 수 있다면서 "그것은 아주 좋은 것이다"라고 그는 말한다. ![]() Technology Review |