엔진 | the SARM project

기술 격차 해소

SARM은 기존 기술을 기반으로 한 개선이 아닌,
완전히 새롭게 설계된 엔진입니다.
이를 통해 기존 내연기관의 한계를 해결하고,
이상적인 진화 형태로서 다양한 기술적 이점을
제공합니다.

산업이 전기화로 빠르게 전환되고 있음에도
불구하고, 내연기관은 여전히 고부하 환경,
극한 조건, 그리고 장시간 운용이 필요한 분야에서 대체 불가능한 기술입니다.

또한 차량 전동화가 극대화되는 시나리오에서도, 2030년까지 약 85%의 전기차는 내연기관을 포함한 파워트레인을 유지할 것으로 예상됩니다.

SARM 엔진은 크기, 무게, 무급유 작동이라는 특성을 바탕으로 드론, 로봇 팔, 외골격 장치와 같은 초소형 애플리케이션부터 중장비, 차량, 선박, 발전 시스템에 이르기까지 모든 규모의 산업에 적합한 솔루션입니다.

우리의 목표는 모든 종류의 엔진과 현재 및 미래의 모든 애플리케이션에 적용 가능한 기술의 중요한 진화를 제공하는 것입니다.

내연기관 산업은 지속적인 투자와 성장, 그리고 다양한 적용 분야를 바탕으로 여전히 높은 가치를 유지하고 있습니다.
또한, 대체 기술은 고성능이 요구되는 영역에서 아직까지 신뢰할 수 있는 대안을 충분히 제공하지 못하고 있습니다.
이런 환경은 저희와 같은 기술 개발 팀이 시장에 진입하여 혁신적인 솔루션과 새로운 기술 발전을 제시할 수 있는 중요한 기회를 만들어주고 있습니다.

왜 SARM인가?

더 작고 더 가벼운 설계

동일 성능 대비 최대 50%까지 소형·경량화된 엔진입니다.
디스크 형태의 설계를 통해 보다 다양한 특수 차량 설계 및 애플리케이션에 유연하게 적용할 수 있습니다.

뛰어난 환경 성능

SARM은 수소 연료를 사용할 경우 무배출 운용이 가능하도록 설계되었습니다.
또한 화석연료를 사용할 경우에도 시뮬레이션 결과 최대 80%까지 NOx 배출을 줄일 수 있습니다.

낮은 비용 구조

적은 부품 수와 단순한 구조, 그리고 베어링에 제한적으로만 필요한 최소한의 윤활 요구는 엔진의 높은 성능과 결합되어, 제조부터 운영 및 유지 보수까지 전반적인 비용을 절감할 수 있는 솔루션을 제공합니다.

더 긴 수명

최소화된 설계와 적은 부품 수는 마찰을 줄이고, 이를 통해 최대 30%까지 수명을 연장할 수 있습니다.

높은 호환성

SARM은 현재 모든 내연기관 적용 분야와 직접 호환됩니다.

미래 대응 설계

SARM은 수소 기반 운용을 고려해 설계된 엔진입니다.
또한 구조, 크기, 무게, 그리고 매우 낮은 진동과 소음 특성 덕분에 드론이나 외골격 장치의 주요 동력원 또는 레인지 익스텐더로 이상적인 솔루션입니다.

다양한 연료 호환성

SARM 엔진은 e-fuel, 가스, 수소 등 현재 사용 가능한 모든 연료를 활용할 수 있습니다.

구조 설명

SARM 엔진은 서로 다른 직경을 가진 두 개의 동심형 토로이드 링으로 구성되어 있으며, 엔진 샤프트(출력축)는 두 링의 중심에 위치합니다.

내부 링은 흡입 및 압축 챔버를 형성하고, 외부 링은 연소 및 팽창 챔버를 형성하며, 두 챔버는 중간 챔버를 통해 서로 연결됩니다.
챔버 간 기체 교환은 슬라이딩 포트와 밸브를 통해 이루어집니다.
회전하는 암(또는 디스크)이 피스톤과 엔진 샤프트를 연결하며, 엔진의 모든 구동 부품은 회전 운동만을 수행합니다.
주요 구성 요소로는 연료 인젝터와 점화 플러그가 있습니다.
이 외에도 연료 공급 라인, 전기·전자 제어 시스템, 엔진 마운트 등 다양한 보조 구성 요소가 포함됩니다.
이러한 요소들은 엔진의 작동과 제어에 필수적이지만, 기본 작동 원리와는 직접적인 관련이 없기 때문에 본 설명에서는 생략합니다.

열역학적 관점에서 SARM 엔진은 앳킨슨 사이클을 기반으로 작동하며, 이론적으로 오토 사이클 대비 최대 20% 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다.
앳킨슨 사이클 엔진의 핵심 특징은 팽창비가 압축비보다 크다는 점입니다.
이 열역학 사이클은 이미 왕복 피스톤 엔진에도 적용되고 있으며, 예를 들어 Toyota Prius는 압축비 약 8:1, 팽창비 약 13:1을 사용하고 있습니다.
Toyota의 테스트 결과에 따르면, 앳킨슨 사이클 엔진은 동일한 오토 사이클 엔진 대비 약 12~14% 더 높은 효율을 보이는 것으로 나타났습니다.

기존 왕복 피스톤 엔진에서는 모든 과정이 하나의 실린더(연소실) 내에서 서로 다른 스트로크로 순차적으로 이루어지지만, SARM 엔진에서는 모든
과정이 동시에 서로 다른 챔버에서 진행됩니다. 이러한 구조의 엔진을 스플릿 엔진(split engine)이라고 합니다.
한편, 모든 챔버와 피스톤의 회전, 그리고 샤프트는 동일한 축을 중심으로 배치되어 있으며, 이러한 점에서 SARM 엔진은 가스터빈과 유사한 특성을
일부 공유한다고 볼 수 있습니다. 두 구조 모두 동심형 내연 스플릿 엔진에 해당합니다.
압축 챔버(CPC)와 연소 챔버(CBC) 사이에 위치한 압력 챔버(PC)는 각 열역학적 과정(흡입, 압축, 연소, 팽창)을 독립적으로 최적화할 수 있도록 합니다.
이러한 과정과 공간의 분리는 각 챔버의 형상, 재료, 표면 처리 등을 개별적으로 최적화할 수 있는 높은 설계 유연성을 제공합니다.

동역학적 관점에서 SARM 엔진은 몇 가지 고유한 특징을 가지고 있습니다.
기존의 왕복 피스톤 엔진과 비교했을 때, SARM 엔진은 모든 방향에서의 왕복 운동을 제거하여 진동과 요동을 억제하고, 기계적 손실 및 추가적인
관성력을 줄입니다. 이는 엔진 구성 요소의 두께와 무게를 증가시키는 요인을 효과적으로 줄여줍니다.
또한 SARM 엔진의 동심형 구조는 기존 로터리 엔진에서 발생하는 편심(eccentricity)에 따른 추가적인 관성력을 제거하며, 더 높은 피스톤 속도를
가능하게 하여 출력 밀도를 향상시킵니다.
마지막으로, 피스톤의 대칭 구조는 원심력과 관성력에 의해 발생하는 진동을 상쇄하여 엔진을 자연스럽게 균형 상태로 유지합니다.
반면 기존 왕복 엔진에서는 크랭크샤프트의 균형을 맞추기 위해 별도의 카운터웨이트 시스템이 필요합니다.
이러한 대칭 구조는 기계적 진동을 제거하고 소음 또한 크게 줄여줍니다.

작동 과정

피스톤은 토로이드 형태의 압축 챔버(CPC) 내부에서 3,000~12,000 rpm의 속도로 회전합니다.
피스톤과 슬라이딩 포트(SP)는 CPC를 흡입 챔버와 압축 챔버의 두 영역으로 나눕니다.
외부 공기는 흡입 포트를 통해 흡입 챔버로 유입되며, 피스톤과 SP 사이에 갇힌 공기는 압축됩니다.
SP는 압축 과정 동안 계속 닫혀 있으며, 피스톤이 통과할 때에만 열립니다.
밸브는 SP가 열리기 전에 먼저 열리며, 압축된 공기는 연소 챔버로 전달됩니다.
연소 챔버 내부에서는 연료 분사와 공기와의 혼합이 이루어지며, 점화 플러그에 의해 연소가 시작됩니다.
연소된 혼합기의 팽창은 CBC 피스톤에 힘을 가해 일을 생성하고, 회전하는 암을 통해 이 에너지와 회전 운동이 엔진 샤프트와 CPC 피스톤으로
전달됩니다.
동시에 CBC 피스톤의 반대쪽에서는 이전 연소 사이클에서 발생한 배기가스를 배기 포트를 통해 외부로 배출합니다.
이러한 작동 과정을 통해 SARM 엔진이 기존 왕복 피스톤 엔진 대비 가지는 다양한 구조적·성능적 장점이 드러납니다.

SARM 엔진과 기존 점화식(SI) 엔진(왕복형 또는 로터리형) 간의 가장 큰 차이점은 피스톤의 작동 방식에 있습니다.
기존 4행정 왕복 엔진에서는 하나의 피스톤이 흡입, 압축, 팽창, 배기의 네 가지 과정을 순차적으로 반복 수행하지만, SARM 엔진에서는 각 피스톤이
두 가지 특정 과정만을 지속적으로 수행하며, 동일한 과정이 항상 동일한 방향에서 이루어집니다.
흡입은 CPC 피스톤의 후면에서 이루어지고, 압축은 전면에서 수행됩니다.
마찬가지로 팽창은 CBC 피스톤의 후면에서 이루어지며, 전면에서는 배기가스가 외부로 배출됩니다.
결과적으로 CPC와 CBC 피스톤 한 쌍을 통해 네 가지 과정(흡입, 압축, 팽창, 배기)이 동시에 이루어집니다.
이는 CBC 피스톤이 고압·고온 영역에서만 작동하여 ‘고온 상태’를 유지하는 반면, CPC 피스톤은 저압·저온 영역에서 작동하여 ‘저온 상태’를 유지함을 의미합니다.
이러한 구조는 각 피스톤의 작동 조건에 맞춰 재료를 개별적으로 최적화할 수 있는 추가적인 설계 유연성을 제공합니다.
또한 두 피스톤은 서로 다른 반경에서 회전하기 때문에 더욱 정밀한 설계가 가능합니다.

동심형 설계는 이 로터리 엔진의 또 하나의 핵심적인 특징입니다.
먼저, 회전 운동 기반 구조는 피스톤의 직선 운동을 크랭크샤프트의 회전 운동으로 변환하는 과정에서 발생하는 기계적 손실을 제거합니다.
또한 하나의 주요 구동 부품이 모든 과정을 담당하며, 이 부품은 엔진 샤프트와 동심으로 회전합니다.
이러한 구조는 엔진 부품 수를 최소화하여 복잡성과 무게를 크게 줄입니다.
이와 더불어 SARM 엔진 설계에는 또 하나의 중요한 장점이 있습니다.
연소 및 팽창 과정에서 피스톤에 작용하는 압력은 항상 샤프트와 피스톤을 연결하는 암에 대해 수직으로 작용합니다.
이는 해당 힘이 항상 엔진 샤프트 외부 표면에 접선 방향으로 전달되어, 압력의 100%가 토크 생성에 기여함을 의미합니다.
반면 기존 왕복 엔진에서는 피스톤에 작용하는 압력 중 일부만이 크랭크샤프트의 위치에 따라 토크 생성에 기여합니다.
따라서 동일한 토크를 생성하기 위해 SARM 엔진은 더 낮은 연소 압력만 필요하며, 효율 향상과 함께 더 가볍고 얇은 연소실 구조를 가능하게 합니다.
높은 효율은 연료 소비 감소로 이어지며, 낮은 연소 압력은 온도 또한 낮춰 NOx 생성 감소에도 긍정적인 영향을 줍니다.

차세대 엔진의 주요 장점

왕복 피스톤 엔진 대비 더 단순한 구조와 적은 부품 수. 부품 수 감소는 유지보수 필요성 또한 줄여줍니다.
4행정 왕복 엔진 대비 최대 4배까지 더 작고 가벼운 설계.
왕복 운동을 회전 운동으로 변환하는 과정에서 발생하는 기계적 손실과 관성력이 존재하지 않으며, 왕복 운동이 없기 때문에 진동이 제거됩니다.
피스톤의 운동 방향이 변하지 않기 때문에 기존 엔진에서 상사점(TDC)에서 발생하는 ‘피스톤 슬랩’ 현상이 없으며, 이에 따른 마모와 소음이
감소합니다.
피스톤에 작용하는 압력은 항상 접선 방향으로 전달되어 동력 생성에 100% 활용됩니다. 또한 힘이 유동 방향으로만 작용하기 때문에 피스톤
슬리브를 매우 짧게 설계할 수 있습니다.
동심형 설계를 통해 기존 로터리 엔진에서 발생하는 편심에 의한 관성력을 제거합니다.
압축 및 연소 챔버 내부에 윤활유가 필요하지 않으며, 이는 미연소 탄화수소(HC) 배출 감소에도 기여합니다.
크랭크샤프트 균형을 위한 카운터웨이트가 필요 없으며, 피스톤의 대칭 구조로 인해 자체적으로 균형을 유지합니다.
앞서 설명한 높은 효율을 바탕으로 최대 15%까지 연료 소비를 절감할 수 있습니다.
낮은 연소 온도로 인해 NOx 배출을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가집니다.
또한 압축 챔버는 냉각수(또는 외부 환경)로의 열 방출을 극대화하도록 설계할 수 있으며, 이를 통해 연소 챔버로 유입되기 전 공기의 온도를 낮추고 밀도를 높일 수 있습니다.
주요 엔진 작동 과정의 분리 또한 중요한 특징입니다. 이는 모든 스플릿 엔진의 공통적인 특성이지만, 기존 왕복 피스톤 엔진 대비 큰 장점을
제공하기 때문에 강조할 필요가 있습니다.
앞서 설명한 것처럼 각 과정은 별도의 공간과 피스톤의 특정 면에서 수행되며, 이를 통해 열역학적 최적화뿐만 아니라 각 영역에 맞는 재료 선택 및 개별적인 표면 처리가 가능합니다.