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자주 묻는 질문
전기 엔진이 주류로 자리 잡아가는 시대에 엔지니어 팀이 새로운 내연기관(ICE)을 개발했다는 사실은
많은 의문을 불러일으킬 수 있습니다.
이에 따라 자주 묻는 질문에 대한 명확한 답변을 제공하기 위해 본 FAQ 페이지를 제작하였으며,
새로운 질문이 반복적으로 발생할 경우 지속적으로 업데이트할 예정입니다.
내연기관은 (a) 장시간 운용이 필요하거나 (b) 고부하 작업을 수행해야 하거나 (c) 다양한 환경에서 작동해야 하는 경우,
전기 엔진보다 훨씬 효과적인 솔루션입니다.
전기 엔진의 가장 큰 한계는 배터리에 있습니다.
배터리는 장시간 운용, 다양한 환경, 또는 고부하 작업이 요구되는 차량이나 장비를 충분히 지원하기 어렵습니다.
전 세계적으로 매년 약 1억 대의 차량이 생산되며, 이 중 98% 이상이 내연기관을 탑재하고 있습니다.국제청정교통위원회(ICCT)에 따르면 2050년까지 약 30억 개의 엔진이 추가로 사용될 것으로 예상되며, 이에 따라 내연기관을 지속적으로
생산하고 더욱 친환경적이고 효율적으로 개선할 필요성이 여전히 큽니다.
열효율은 엔진의 회전 속도에 따라 달라집니다.
이는 Savvas의 박사 과정에서 수행된 ANSYS Fluent 기반의 정밀 3D 시뮬레이션을 통해 계산되었습니다.
SARM 엔진이 사용하는 앳킨슨 사이클의 경우 압축비에 대한 엄격한 상한이 없기 때문에, 압축비를 높일수록 효율 또한 향상될 수 있습니다.
압축비 13 기준에서 SARM 엔진은 기존 점화식(SI) 엔진 대비 약 19% 더 높은 효율을 보였습니다. (관련 논문: Numerical simulation of a novel rotary engine compared to conventional reciprocating engine cycle, Shanghai 2017 Global Power & Propulsion Forum)
실제로 Mazda Skyactiv 엔진은 압축비 14를 달성했으며, 16 이상으로 확장하는 것을 목표로 하고 있어 SARM 엔진의 효율 향상 가능성은 더욱 큽니다.
SARM 엔진의 열효율은 100~5,000 rpm 구간에서 약 36~42% 수준으로 나타났습니다.
해당 결과는 ANSYS Fluent 기반의 정밀 3D 시뮬레이션을 통해 도출되었으며, 다음과 같은 모든 작동 과정을 포함합니다: 흡입, 압축, 분사, 기화, 점화, 연소, 팽창, 배기.
다만 동적 메시(dynamic mesh)의 복잡성과 계산 시간 문제로 인해 연속된 두 사이클만 시뮬레이션에 반영되었습니다.
두 번째 사이클에서 첫 번째보다 높은 효율이 나타났으며, 이는 시스템이 점차 안정화되기 때문입니다.
압축기 실험 경험에 따르면 초기 사이클과 안정화 이후 사이클 간에는 상당한 차이가 발생할 수 있습니다.
이에 따라 향후에는 ConvergeCFD를 활용한 추가 시뮬레이션이 진행될 예정입니다.
목표는 열역학적 조건이 안정화될 때까지 5~30회의 연속 사이클을 시뮬레이션하는 것입니다.
이후 1,000~15,000 rpm 구간에서 최적의 설계 파라미터를 도출하는 것이 목표입니다.
CFD 시뮬레이션 결과, 기존 엔진 대비 높은 난류로 인해 연소 속도가 훨씬 빠른 것으로 나타났습니다.
난류가 클수록 연소 완료 속도가 빨라집니다.
이러한 특성은 Toyota의 Dynamic Force Engine에서도 확인되며, 강한 난류 흐름을 통해 약 30% 빠른 연소와 낮은 에너지 손실을
달성한 것으로 보고되었습니다.
일반적으로 난류 증가가 냉각 손실 증가로 이어질 수 있다는 우려가 있지만, 실제로는 연소 속도가 더 빠르기 때문에 이러한 영향은 상쇄됩니다.
SARM 엔진은 반켈 엔진과 달리 apex 씰이나 사이드 씰을 사용하지 않습니다.
대신 래버린스(labyrinth) 씰링 구조를 적용하며, 이 씰링의 효율은 엔진 회전 속도와 크기에 따라 달라집니다.
엔진 회전 속도가 높을수록, 래버린스를 통해 누설되는 작동 유체의 양은 감소합니다.
또한 엔진 크기가 클수록 누설 경로는 길어지고, 상대적으로 간극은 더 작아져 누설이 줄어듭니다.
시뮬레이션 결과, 최대 93.5%의 압축 등엔트로피 효율을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다.
이는 이상적인 등엔트로피 압축 과정에서 얻을 수 있는 압력의 약 93.5% 수준까지 실제 압력을 확보할 수 있음을 의미합니다.
(참고: D. Vogiatzis, Z. Samaras 석사 논문)
또한 피스톤과 압축 챔버 간 씰링에 대해서는 K. Zoumpourlos의 3D CFD 기반 석사 연구에서 관련 결과가 도출되었습니다.
높은 표면적 대비 체적 비율(S/V)로 인해, 많은 사람들이 기존 엔진보다 냉각 손실이 훨씬 클 것이라고 예상합니다.
이러한 가정은 반켈 엔진 또한 높은 S/V 비율을 가지며, 이로 인해 연소 과정에서 이른바 “콜드 플레임(cold flame)” 현상이 발생하기 때문에
충분히 합리적인 판단입니다.
이는 반켈 엔진의 낮은 열효율의 주요 원인으로 알려져 있습니다.
그러나 SARM 엔진의 연소 과정은 3도 이하의 크랭크 각도에서 완료되며, 이는 일반 점화식(SI) 엔진의 15~35도에 비해 매우 빠른 수준입니다.
또한 이 연소는 연소 챔버의 S/V 비율이 구형(sphere)과 유사한 상태에서 이루어집니다.
따라서 압력 손실은 매우 제한적이며, 기존 왕복 엔진보다도 더 낮은 수준으로 유지됩니다.
팽창 과정에서는 최대 압력 도달 이후 압력과 온도가 감소하고, 동시에 S/V 비율은 증가하게 됩니다.
이에 대한 보다 자세한 내용은 앞서 언급한 SAE 논문을 참고하실 수 있습니다.
한편, 팽창 과정에서는 작동 유체가 냉각 시스템에 노출되는 표면적은 크지만, 유체와 외부 환경 간의 압력 차(ΔP)와 온도 차(ΔT)는 상대적으로 작습니다.
초기 연소된 가스의 빠른 팽창은 기존 엔진(70~100 bar, 2000K 이상)에 비해 더 낮은 최대 압력과 온도(약 50 bar, 1150K)를 형성합니다.
결과적으로 팽창 과정에서도 다른 엔진 대비 더 낮은 압력 차와 온도 차를 유지하게 됩니다.
네, 낮은 진동 및 소음 수준에 대한 부분은 아직 정량적으로 계산되지는 않았습니다.
해당 추정은 완전한 대칭 구조와 동심형 설계를 기반으로 하며, 이는 오토 엔진, 디젤 엔진, 반켈(편심 구조) 엔진과 같은 기존 엔진에서 발생하는 진동과 소음을 근본적으로 줄일 수 있는 구조적 특징에 근거합니다.
다만 100% 대칭 및 동심 구조를 갖추고 있음에도 불구하고, 진동이 거의 없는 수준이라고 주장하지는 않습니다.
이는 이상적으로 완벽한 균형 구조에서 기대되는 수준과는 다르게, 연소 과정 자체에서 발생하는 큰 힘이 존재하기 때문입니다.
소음은 주로 연소 과정, 흡입 과정, 그리고 배기 포트를 통한 배기가스 배출 과정에서 발생합니다.
엔진 회전 속도가 높아질수록 소음 또한 증가합니다.
그러나 기존 왕복 엔진과는 완전히 다른, 보다 부드러운 특성의 소음을 발생시킵니다.
참고로 반켈 엔진 역시 왕복 엔진보다 상대적으로 소음이 적은 편입니다.
낮은 비용 구조 역시 예상되는 장점이지만, 아직 정량적으로 계산되지는 않았습니다.
SARM 엔진은 더 단순한 구조와 적은 부품 수를 가지고 있으며, 엔진 온도가 낮기 때문에 냉각 시스템 또한 더 낮은 출력(kW)으로 설계할 수
있습니다.
또한 엔진의 상당 부분에서 윤활 시스템이 필요하지 않습니다.
높은 출력의 다기통 내연기관은 빠른 가속이나 무거운 하중 견인과 같은 요구를 충족하기 위해 필요할 수 있습니다.
그러나 실제 일상 주행에서는 대부분 최대 출력의 25% 이하로 운용됩니다.
예를 들어 고속 주행 시에도 공기 저항, 구름 저항, 에어컨 등 부가 장치를 고려하더라도 약 40hp(30kW) 이하의 출력이면 충분합니다.
하지만 가솔린 엔진이 부분 부하 상태에서 작동할 경우, 실제 유효 압축비는 설계상 압축비보다 훨씬 낮아집니다.
이는 스로틀이 완전히 개방되지 않기 때문이며, 그 결과 각 흡입 과정에서 실린더로 유입되는 공기량이 감소하게 됩니다.
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