엔진 내연기관 內燃機關 ｜ Internal Combustion Engine
연료를 내부의 실린더 혹은 연소실 등 에서 연소시켜 동력을 얻는 기관을 가리키는 용어로 외연기관과 함께 열기관의 한 축을 담당한다.
사람의 몸에도 적정 체온이 있듯이 일반 내연기관 차량에서도 엔진의 적정 온도라는 것이 있다. 엔진은 기계와 기계가 서로 맞물려 들어가고 기본적으로 4행정 사이클을 거쳐 열에너지를 운동에너지로 전환하여야 하기 때문에 적정온도를 유지하는 것은 중요한 부분 중에 하나이다.
온도가 너무 높거나 낮게 되면 문제가 생기기 때문인데 일반적으로 내연기관 차량에서는 85도~90도 사이로 알려져 있습니다.
그러나 전기차는 배터리에 저장된 전기에너지를 운동에너지로 전환하기 때문에 전기가 이동하는 데에 따른 저항 때문에 발생되는 열을 제외하곤 많은 열이 나지 않는다. 전기차의 모터는 내연기관 차량의 엔진과 다른 작동 방법과 특성으로 인해 적정 온도를 유지할 필요가 거의 없다. 이로 인해 두어 가지 차이점이 발생하는데 하나는 바로 겨울철 난방과 관련되어 있다.
일반 내연기관 차량은 엔진에서 적정온도를 유지하고 그에 따라 엔진이 정차 시에도 지속적으로 가동이 되어야 한다. 물론 요새 나온 차량들은 정차 시 엔진이 아예 꺼져버리는 기능들이 있지만(ISG) 이것이 과연 좋은 것인가는 의문점을 달 수밖에 없다.
하여튼 그로 인해 차량 운행 시에는 엔진룸의 온도가 상당히 뜨거운 편인데 이 열을 이용해 냉각수를 데우고 그것을 난방에 활용한다. 일반 내연기관 차량에서 히터를 꺼도 약간 더운 바람이 나오는데 이게 바로 엔진의 열이 지속적으로 공기와 기계들을 데우고 있어서이다. 그러나 전기차는 이러한 시스템과는 달리 차량 자체가 엔진열로 인한 히팅이 되지 않기 때문에 겨울철에는 좀 더 춥게 느껴진다.
이러한 것은 겨울철 전기차(BEV)의 주된 난방 부품이 바로 PTC 히터이기 때문인데 이것은 전원을 꺼 버리면 바로 열이 식어버리고 다시 데우려면 최소한 20여 초 이상이 흘러야 다시 뜨거운 바람이 나오기 때문에 내연기관 차량의 히터 시스템과 조금 다르다.
다르게 말하면 전기차는 난방을 하는 데 있어 약간의 딜레이 타임이 있지만 내연기관 차량에서는 엔진 열이 어느 정도 히팅 시스템을 데우고 있기 때문에 히터를 틀면 딜레이 타임 없이 바로 뜨거운 바람이 나온다 이것은 차량이 장시간 서있었을 때 냉간 시에는 전기 차나 내 연기과 차나 같지만 운행 중에는 조금 불편한 상황으로 이어질 수 있는 개연성이 높다.
물론 전기차에도 히트 펌프라는 기술을 적용해 어느 정도 보완을 하고는 있지만 그것이 기존 내연차량의 따듯함? 을 대처하기엔 부족해 보인다. 배터리와 모터에서 나는 열을 모아 재활용해 봤자 내연기관 차량의 엔진에서 나는 열과 비교하기엔 너무 차이가 많이 난다.
다른 시각으로 보면 열이 난다는 것은 에너지의 손실을 의미할 수도 있는데 엔진 안에서 4행정을 반복하면서 일부 에너지는 버리지 게 되는 것으로 볼 수 있다. 그렇다고 해서 전기차는 버려지는 에너지가 없냐? 그것은 또 아니다.
어차피 전기의 이동과 모터의 회전 등으로 열이 발생하긴 하는 데 효율상으로만 따지면 전기차의 효율이 더 좋을 뿐 전기차역시 버려지는 에너지가 없는 것은 아니다. 게다가 전기차는 충전을 할 때 손실률도 있기 때문에 정확한 연구가 이루어져야 어떤 것이 더 좋다 나쁘다를 이야기할 수 있을 것 같다.
두 번째로는 연료의 차이로 인한 부품의 간소화 명령 체계의 단순화로 인한 빠른 응답력과 가속력이다. 우선 응답력에 있어서는 기존 내연차량이 동급 순수 전기차에 비해서 비교할 수준이 되지 못한다. 물론 동급이라고 하기엔 가격차이가 있어 조금 모순된 점이 있지만 성능만 놓고보면 그 위 등급의 차량과 비교하여도 손색이 없고 심지어 두 단계 위 등급과 비교할 정도이니 말이다.
전기차의 가속은 주로 EPCU의 인버터(inverter)라는 부품이 담당을 하게 되는데 배터리에서 직류(DC)로 입력되는 전원을 교류(AC)의 출력 전원으로 변환하는 것으로서 변환 장치라고 볼 수 있다.
이것이 짧은 시간에 직류 전기를 흐르게 하거나 차단하는 것을 반복하면서 교류 파형을 만들어 나간다. 그리고 흐르게 하거나 차단하는 정도를 변화 시킴으로서 전기를 많이 흐르게 하거나(출력을 높여 가속) 조금도 흐르지 않게 함으로써(출력을 줄여 타력 주행) 전기가 파형을 그리며 교류가 되는 것이다.
그러므로 인버터가 출력 조정을 담당하게 되는 것이고 액셀러레이터를 밟게 되면 전류를 많게 또는 전압을 높게 보내어 전기차의 가속을 하게 된다.
이러한 과정이 내연기관 차량의 연료의 이동부터 시작해 4행정 사이클이 돌아가고 배기까지 끝나는데 걸리는 시간과 비교할 수 없을 정도로 단순하고 빠르게 끝나므로 피스톤 활동에 따른 진동도 없고 배기 과정도 없어 응답성이 빠른 것이다.
어떻게 보면 전기차에서는 연료공급(전기)->운동에너지 전환이 끝이다. 기존 내연기관의 엔진과 비교해보면 4행정 사이클이 2행정이나 1행정으로 줄어들고 이러한 것들도 역시 기계적 움직임이 아닌 전기적 신호로 이루어지다 보니 동급 차량과는 비교할 수 없는 정숙성,응답성 등을 가지게 되는 것이다.
모터 Motor
라틴어의 "moto"(움직인다)에서 온 단어로, 원동기를 의미하는 단어다. 에너지를 받아들여 "일"을 하는 기계를 말한다.
형태를 막론하고 에너지를 공급받아 이를 어떤 기계적인 움직임으로 변환하는 장치면 전부 모터라고 부를 수 있다. 공급되는 에너지의 형태는 전기, 열, 압력, 탄성까지 매우 다양해서 전기 모터부터 시작해서 로켓이나 내연기관도 전부 모터라고 부를 수 있다. 반대로 같은 운동에너지를 받아서 방향만 바꿔 출력하는, 예를 들어 물레방아나 풍차와 같은 기계는 기계적인 움직임의 근원이라고 볼 수 없으므로 모터라고 부르지 않는다.
국내에서는 모터라고 하면 십중팔구 전기 모터, 즉 전동기를 가리키지만, 영어 등에서는 자동차를 모터 카(Motor Car)나 모터 비히클(Motor Vehicle), 오토바이를 모터 사이클(Motor Cycle)이라고 부르는 등, 우리나라보다 좀 더 넓은 의미의 원동기로써의 의미를 가지는 경우가 많다.
모터는 계자(스테이터)와 전기자(로터)로 구성되며, 계자와 전기자는 영구 자석 또는 전자석으로 작용하는 코일, 철심 등이 사용되며, 그 조합에 의해서 다양한 모터가 있다.
그중 코나 EV 나 니로 EV에 적용되는 모터는 전기차에 적용되는 모터는 영구자석 동기 모터이다 정확히 말하자면 매입형 영구자석 동기 모터이다(IPMSM)
이러한 모터는 기존의 내연 기관 연료 차량과 작동 방식이나 마력을 내는 방식이 조금 다르다. 일반 엔진은 어느 정도 RPM이 올라가야 제대로 된 토크를 낼 수 있는 반면 모터는 출발하자마자 최대 토크를 발휘할 수 있어 운전자가 느끼는 차량의 출발의 힘 자체가 다르다. 그러나 트랜스미션이 없고 배터리 전압의 한계가 있으므로 일정 수준의 속도에 도달하면 토크가 0에 달하여 더 이상 가속을 할 수가 없다.
일반 내연기관의 엔진과 비교하여 보면 위와 같은 형식으로 나타낼 수 있다. 붉은색 그래프가 미츠비시 I-MiEV의 모터 그래프이고 파란색이 일반 내연기관 엔진의 그래프이다.
이렇듯 일정 속도에서 토크가 0이 되어버리고 내연기관 엔진 해 비해 비교적 중. 고속에서 가속감이 떨어지거나 동등한 수준이 되므로 직선도로에서 레이싱을 한다면 내연기관 차량보다 출발은 먼저 하고 중간지점까지는 빠르게 도착하지만 피니시 라인 통과는 더 늦게 통과하는 결과가 나올 가능성이 높은 것이다.
현실에서도 직접 운전을 해 보면 이러한 것을 느낄 수 있다. 출발은 타이어 슬립이 날 정도로 차량이 튀어나가지만 120이나 130Km 이상에서 가속감이 떨어지고 170이 넘어 한계 속도에 다다르면 풀 악셀을 밟고 있어도 더 이상 답력이 발생되지도 않고 차량이 더 이상 가속되지 않는다.
동기 모터는 인버터 주파수로 제어하면 특성이 뛰어나다고 알려져 있다. 또한 전기 자동차의 경우 모터의 전원은 배터리이기 때문에 전지의 출력에 한계가 있어 그 이상의 전력을 방출할 수 없다. 그래서 어떤 회전수 이상에서는 모터의 출력이 일정하게 되고 회전수가 높아지면서 위의 그래프처럼 토크는 저하한다.
더욱더 회전수를 높여가면 급격히 회전력이 떨어지면서 회전수는 최고에 이르게 되고 이 최고 회전수도 배터리의 한계에 의해 결정된다. 배터리의 전압 이상으로 회전수를 높일 수는 없다. 그러므로 전기차는 모터+인버터+배터리가 하나의 엔진으로 봐야 한다는 시각도 있다.
일반 내연기관 차량에서 고급 휘발류를 넣는다고 해서 차량의 어느정도 성능 향상이 있긴해도 확연히 차이가 나는것이 아니지만 전기차에서는 배터리의 성능이 모터의 성능을 좌지 우지 하기 때문이다.
물론 어느 한쪽만 좋다고 해서 좋아지는것은 아니고 둘다 양쪽의 성능을 배려 해야지만 제대로 된 성능을 낼수 있는것이다 흡사 PC에서 메인보드의 성능과 메모리의 성능이 맞아야 제대로 된 기능을 할수 있는것 처럼 말이다.
그리고 모터의 특성, 배터리 성능과 더불어 최적비를 찾아 감속기 기어를 고정시켜 놓은 것이 바로 최고 속도인데 코나 EV는 175Km/h~178Km/h 가 최고 속력이며 이 이상은 가속을 할 수가 없는 것이다. 니로 EV 역시 비슷한 속도 리밋을 가지고 있으며 볼트 EV는 154Km/h 근방이다.
최근 출시된 아이페이스나 기존 테슬라의 모델S같은 차량들은 200Km/h가 넘는다. 이런차량들은 모터의 스펙이나 배터리의 스펙 체급 자체가 다르다.
일반 내연기관 차량들도 기어비 또는 안전 문제에 따라 최고 속도가 제한되어 있는데 이것은 차량마다 각각 다르다. 하지만 특수차량을 제외하고 거의 모든 차량의 최고 속도가 걸려있다는 것은 웬만한 운전자라면 알고 있는 사실이다.
모터의 회전속도가 급격하게 빨라지거나 고속으로 회전할때 나는 특유의 소리가 있다 이것은 R.C카를 떠올리면 쉽게 이해가 할수 있을것이다. 출발때는 귀에 거슬리는 소리가 크게 나지 않지만 고속으로 달리게 되면 고주파음과 비슷한 소리를 내게 되는데 이것이 사람에 따라서는 조금불편하게 느껴질수도 있다.
하지만 제조회사에 따라서 이 특유의 소리를 다른 소리로 대체 하는 경우도 있다. 몇달전 우리나라에 출시된 재규어 I-패이스의 경우 일정속도 또는 급가속을 할때 일반 내연기관 차량의 배기음을 인공적으로 내기도 하여 전기차 특유의 모터 회전소리를 대체 하였다.
모터는 기존 엔진에 비하면 효율이 높으나 그렇다고 해서 손실이 아예 없다고는 할 수 없다 왜냐하면 회전하는데 역시 열이 발생하고 이 열이 에너지의 손실이라고 볼 수 있기 때문이다.
그래서 일반적으로 기존에 쓰던 냉각 시스템인 공랭식, 수랭식, 유냉식을 쓰고 있다. 코나 EV 모터의 경우에는 수랭식을 적용하고 있으며 그에 따라 냉각수를 제때 보충해 주는 것이 좋다. 볼트 EV에서는 유냉식을 쓰는 것으로 알려져 있다.
모터의 기술력은 우리나라 역시 세계적 수준으로 알려져 있다. LG전자의 경우 쉐보레 볼트 EV의 주요 부품들을 제작하여 납품한 여는데 그중 모터가 포함되어 있다. 물론 설계는 GM에서 한 것으로 알려져 있지만 쉐보레 볼트 EV의 심장인 배터리팩과 주변기기들 또한 LG에서 납품한 것으로서 핵심 부품은 거의 LG에서 만든 것을 사용하고 있다.
현대 역시 모터는 자체 개발하여 장착하고 있으며 기아차에도 자체 제작한 모터를 장착할 것으로 보인다. 이렇듯 우리나라의 모터 제작 기술과 제작 능력은 수준급에 달한 것으로 보인다.