가변압축비 엔진

왜 배우는가: 가변압축비 엔진은 연비 규제와 출력 요구가 함께 강해지면서 설계 대안으로 주목받는 기술이다. 고정 압축비의 한계를 설명할 수 있어야 엔진 효율 기술에 관한 문항에 정확히 답할 수 있다. 시험에서 반복해 출제되는 주제이므로 원리, 구성, 장단점을 한 번에 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제132회 1교시 9번, 제122회 3교시 2번, 제89회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가변압축비 엔진은 엔진이 운전되는 동안 연소실 체적을 바꿔 압축비를 부하 조건에 맞게 조절하는 내연기관이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓸 수 있다. 정의의 핵심은 압축비가 설계 단계에서 고정되지 않고 운전 중에 변한다는 점이다. 일반 엔진은 압축비가 하나로 정해져 저부하와 고부하에서 같은 압축비로 운전되므로, 두 조건 모두에서 효율과 출력을 함께 최적으로 맞출 수 없다. 따라서 이 기술은 같은 배기량의 엔진에서 출력과 연비를 함께 얻으려는 목적에서 출발한다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 가변압축비(VCR): 운전 중 상사점 상부 체적을 바꿔 압축비를 조절하는 기술 또는 그 기술을 적용한 엔진이다.
• 압축비: 행정 체적과 연소실 체적의 합을 연소실 체적으로 나눈 값이다.
• 연소실 체적: 피스톤이 상사점에 있을 때 피스톤 위에 남는 공간의 체적이다.
• 노킹: 압축비와 온도가 높아질 때 말단 가스가 스스로 착화하여 생기는 이상연소이다.
• 열효율: 연료가 가진 열에너지 중 기계적 일로 바뀌는 비율이다.
• 부하 대응 압축비 제어: 고부하에서는 압축비를 낮추고 저부하에서는 높이는 운전 방식이다.

2. 개념 풀이

가변압축비 엔진은 피스톤이 상사점에 있을 때 피스톤 위에 남는 연소실 체적을 엔진 운전 중에 바꿔 압축비를 가변으로 만든 엔진이다. 압축비는 피스톤이 밀어내는 행정 체적과 연소실 체적의 비로 정의되며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$ε = (V_h + V_c) ÷ V_c$

여기서 ε은 압축비, V_h는 행정 체적(cc), V_c는 연소실 체적(cc)이다. 행정 체적을 그대로 두고 V_c를 줄이면 압축비가 커지고, V_c를 키우면 압축비가 작아진다. 가변압축비 엔진은 행정 체적을 바꾸지 않고 연소실 체적만 바꾸는 방식이다. 이 점에서 실린더를 끄는 방식으로 배기량을 줄이는 가변 배기량 기술과 구분된다.

압축비와 효율의 관계는 이상 오토 사이클의 열효율 식으로 설명된다.

$η_오토 = 1 - 1 ÷ ε^(κ-1)$

여기서 η_오토는 이상 오토 사이클의 열효율, κ는 비열비이다. 이 식은 이상 오토 사이클에서 압축비가 클수록 열효율이 높아진다는 것을 보여준다. 그러나 실제 엔진에서는 압축비를 높이면 미연소 혼합기의 온도와 압력이 함께 올라가 노킹이 발생하기 쉬워진다. 노킹은 화염이 전파되기 전에 말단 가스가 자발 착화하여 압력파가 충돌하는 현상이다. 노킹이 일어나면 점화시기를 늦춰야 하므로 열효율과 출력이 함께 떨어진다.

고정 압축비 엔진은 노킹 한계 때문에 압축비를 높게 잡지 못하고, 그 결과 저부하에서 효율을 충분히 살리지 못한다. 가변압축비 엔진의 핵심 원리는 이 상충을 운전 중에 푸는 데 있다.

고부하에서는 압축비를 낮춰 노킹을 피하고, 저부하에서는 높여 열효율을 얻는다. 출력과 효율이라는 상충하는 두 요구를 한 엔진에서 함께 만족시키는 것이 목적이다.

양산 사례에서는 피스톤과 크랭크축 사이에 기계식 링크 기구를 두고, 전자 제어기가 가속 페달 입력에 따라 링크 각도를 실시간으로 바꿔 압축비를 조절한다. 인피니티 QX50의 2.0L 직렬 4기통 터보 엔진은 이 방식으로 압축비를 8:1~14:1 범위에서 연속으로 바꾼다. 8:1에서 가장 큰 토크가 나와 가속 성능이 좋고, 14:1에서 연비가 가장 좋다. 즉 같은 엔진이 가속 상황에서는 낮은 압축비로, 순항 상황에서는 높은 압축비로 운전되는 셈이다.

3. 등장 배경과 필요성

고정 압축비 엔진의 한계가 가변압축비 기술이 등장한 배경이다. 압축비를 높이면 열효율은 좋아지지만 노킹 한계가 먼저 나타나므로, 설계자는 노킹이 나지 않는 범위에서 압축비를 정할 수밖에 없다. 그 결과 저부하 영역에서는 열효율이 충분히 살아나지 않는다. 이 타협이 고정 압축비 엔진의 연비를 제약하는 가장 큰 요인이다. 옥탄가가 낮은 연료를 쓰거나 고온 환경에서 운전할 때 이 제약은 더 크게 나타난다.

노킹을 피하려고 점화시기를 늦추는 방법도 있지만, 연소가 상사점 이후로 밀려 열손실이 커진다. 가변압축비는 점화시기를 늦추지 않고 노킹을 피하는 수단을 제공한다는 점에서 의미가 있다. 연비와 배출가스 규제가 강화되면서 자동차 제조사들은 엔진 효율을 높이는 기술을 경쟁적으로 도입하고 있다.