밀러 사이클 엔진

왜 배우는가: 밀러 사이클 엔진은 압축비를 낮추고 팽창비는 유지해 연비와 노킹 억제를 함께 노리는 엔진이며, 다운사이징과 배출가스 규제 강화에 맞춰 적용이 늘고 있다. 개요, 적용 이유, 장단점, 적용 사례를 함께 묻는 주제라 원리와 한계를 같이 정리해야 한다.

출제 이력: 제131회 4교시 6번, 제119회 1교시 3번, 제99회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 문장을 쓴다.

밀러 사이클은 흡기밸브를 늦게 닫아 유효 압축비를 낮추고 팽창비는 높게 유지한 내연기관 사이클이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 유효 압축비
• 기하학적 압축비
• 팽창비
• 흡기밸브 닫힘 시기(IVC)
• 과급기
• 노킹
• 펌핑손실
• 앳킨슨 사이클

이 정의에서 핵심은 압축비와 팽창비를 따로 본다는 점이다. 일반 4행정 엔진은 두 값이 같지만, 밀러 사이클은 실제 압축에 쓰이는 체적만 줄이고 팽창 체적은 그대로 두어 두 값을 다르게 만드는 것이 목적이다. 이 구분을 답안 첫 문단에서 밝히면 원리 설명의 근거가 된다.

2. 개념 풀이

밀러 사이클은 4행정 엔진에서 흡기밸브를 일반 엔진보다 늦게 닫아, 압축행정이 시작되는 시점을 뒤로 밀고 실제 압축 체적을 팽창 체적보다 작게 만든 사이클이다. 1957년 미국의 랠프 밀러가 특허를 받았으며, 이론상 2행정과 4행정 모두에 적용할 수 있으나 자동차용은 대부분 4행정 엔진이다.

원리는 다음과 같다. 일반 4행정 엔진은 흡기밸브를 하사점 직후에 닫으므로 압축행정 전체가 실제 압축에 쓰인다. 밀러 사이클은 흡기밸브를 하사점을 지나 압축행정 초기까지 열어 두기 때문에, 피스톤이 올라가는 초기에 혼합기 일부가 흡기 쪽으로 되밀려 나간다. 그 결과 밸브가 닫힌 뒤의 실제 압축 행정이 짧아지고 압축 말의 압력과 온도가 낮아진다.

반면 팽창행정은 배기밸브가 열리기 전까지 피스톤이 하사점까지 내려가 기하학적 행정 전체를 쓴다. 따라서 팽창 체적은 줄지 않고 팽창비가 압축비보다 커진다. 팽창이 대기압 가까이까지 진행되어 배기 시 가스에 남는 에너지가 줄고, 같은 연료로 더 많은 일을 뽑을 수 있다.

식으로 쓰면 다음과 같다.

$ε = (Vs + Vc) / Vc$

$ε_eff = (Vs_eff + Vc) / Vc$

여기서 ε은 기하학적 압축비, Vs는 행정체적(㎤), Vc는 연소실 체적(㎤), Vs_eff는 흡기밸브가 닫힌 뒤 실제로 압축된 체적(㎤), ε_eff는 유효 압축비이다. 밀러 사이클에서는 ε_eff가 ε보다 작고, 팽창비는 ε과 같다.

흡기 충전량이 줄어 출력이 떨어지므로 밀러 사이클은 과급기와 함께 쓰는 것이 일반적이다. 과급기는 흡기 압력을 높여 압축 초기의 낮은 압력을 상쇄하고 출력을 보완한다. 흡기밸브를 행정 중간에서 일찍 닫는 방식도 같은 효과를 내며, 부분부하에서 펌핑손실을 줄이는 데 쓰인다.

팽창비는 기하학적 압축비와 같고, 유효 압축비만 흡기밸브 닫힘 시기로 낮아진다는 점이 핵심이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 유효 압축비: 흡기밸브가 닫힌 뒤 실제 압축이 시작되는 체적으로 계산한 압축비이다. 압축 말 온도와 노킹 여유를 좌우한다.
• 기하학적 압축비: 행정체적과 연소실 체적으로 정해지는 설계상 압축비이다. 밀러 사이클에서도 팽창비를 정하는 값으로 남는다.
• 과급기: 흡기 밀도를 높이는 장치이다. 수퍼차저는 엔진 축으로 구동되고, 터보차저는 배기 에너지로 구동된다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 엔진은 연비와 배출가스 규제가 함께 강화되면서 열효율을 높이는 기술이 요구되고 있다. 미국의 기업평균연비(CAFE) 기준처럼 연비 요구사항이 단계적으로 강화되는 추세가 이 흐름을 뒷받침한다. 엔진 열효율을 높이는 가장 직접적인 방법은 압축비를 높이는 것이다.

그러나 압축비를 높이면 열효율은 오르지만 연소 압력과 온도도 함께 상승한다. 이 상승은 노킹과 질소산화물(NOx) 배출을 동반하므로, 가솔린 엔진은 압축비를 무한정 높일 수 없다. 이 상충 관계가 밀러 사이클이 등장한 배경이다.

밀러 사이클은 팽창비는 유지하고 유효 압축비만 낮춰 열효율과 노킹 억제를 함께 얻으려는 방식이다.

다운사이징이 확산되면서 이 필요는 더 커졌다. 배기량을 줄여 마찰손실을 낮추는 대신 출력은 과급으로 보충하는데, 과급 엔진은 흡기 압력과 온도가 높아 노킹 여유가 더 중요하다. 밀러 사이클은 유효 압축비를 낮춘 상태에서 과급을 쓰므로 노킹 한계를 넘지 않고 과급 효과를 활용할 수 있다.