앳킨슨 사이클 엔진의 작동 원리

앳킨슨 사이클 엔진은 기본적으로 오토 사이클과 거의 같은 4행정 사이클을 따르는 내연기관입니다. 다만 출력이 낮다는 단점이 있습니다. 반면 연료를 더 잘 활용하여 더 나은 연비 수치를 얻을 수 있습니다.

원래 방식은 지금과 달랐습니다. 앳킨슨 사이클 엔진은 흡입, 압축, 팽창, 배기의 네 행정을 크랭크축 한 바퀴에 모두 수행했습니다. 오토 사이클 엔진은 같은 행정을 수행하기 위해 크랭크축을 두 바퀴 돌려야 합니다.

현재는 이 개념이 수정되었으며, 오토 사이클 엔진과 앳킨슨 사이클 엔진의 주요 차이점은 압축 행정의 일부(약 절반) 동안 흡기 밸브가 계속 열려 있다는 것입니다. 이는 흡기 캠샤프트의 흡기 캠을 변경하여 구현되며, 혼합기 압축으로 인한 엔진 손실이 크게 줄어드는 장점이 있습니다.

앳킨슨 사이클 엔진의 작동 방식

앳킨슨 사이클 엔진 역시 가솔린 엔진의 네 행정을 갖추고 있으며,

흡입, 압축, 폭발, 배기로 이루어집니다. 그러나 이 유형의 엔진은 압축 과정에서 흡기 밸브를 늦게 닫기 때문에 실제 압축비가 낮아집니다. 실제 압축은 흡기 밸브가 완전히 닫힌 후에야 효과적으로 시작되므로, 전통적인 4행정 오토 사이클에서 밸브가 더 일찍 닫히는 경우에 비해 이 압축비가 절반 가까이 줄어들 수 있습니다.

이 변경으로 인해 압축 행정(흡입된 공기와 연료의 혼합기를 압축하는 순간) 동안 흡기 밸브가 열려 있어 혼합기의 일부가 흡기 매니폴드로 되돌아갑니다.

엔진의 압축비는 압축 행정의 공기 부피에 연소실의 공기 부피를 더한 값을 연소실의 공기 부피로 나눈 값입니다.

이러한 비대칭성 때문에 작동 사이클이 끝나고 배기 밸브가 열리려 할 때, 실린더 내부 압력은 대략 대기압과 같습니다. 반면 일반 가솔린 엔진에서는 이보다 약간 높습니다. 즉, 피스톤을 아래로 밀던 힘을 전부 활용하지 못한 것입니다.

또한 상승하는 피스톤의 움직임이 흡기 매니폴드를 채우면서(흡기 밸브는 행정의 약 절반까지 열려 있다는 점을 기억하십시오) 내부 압력이 높아집니다(항상 대기압보다 낮기 때문입니다). 이는 다른 실린더의 충전을 돕고 가스 역류로 인한 손실을 최소화합니다.

앳킨슨 사이클 엔진의 기계적 부담은 오토 사이클 엔진보다 적습니다. 압축비가 낮아 기계 부품의 수명이 더 길어지기 때문입니다.

또한 생산 비용은 일반 가솔린 엔진과 비슷합니다. 무게, 소음, 유해 배출가스 측면에서도 비싼 비용, 무게, 소음이 큰 디젤 엔진과 거리가 있습니다.

앳킨슨 엔진의 단점

지금까지는 이 엔진의 장점만 강조했습니다. 이제 왜 이 엔진이 하이브리드가 아닌 모델에는 장착되지 않는지 설명하겠습니다.

가장 큰 단점은 압축하는 혼합기의 양이 적기 때문에 점화 순간 피스톤 헤드에 가해지는 밀어내는 힘이 일반 엔진보다 작다는 것입니다. 이로 인해 출력이 낮은 엔진이 됩니다. 예를 들어 3세대 Toyota Prius의 1.800 cm§h39Fordh40§ 엔진은 100 CV의 출력만 냅니다.

행정 구성 때문에 이 엔진의 최대 회전수는 약 5.000 rpm으로 제한되며, 비출력(배기량 대비 출력)이 낮습니다. 따라서 이 엔진은 배기량이 더 작은 엔진과 같은 출력을 내게 되고, 운전자는 자동차에 힘이 없다고 느끼게 됩니다.

그러나 하이브리드 자동차에서는 이런 느낌이 들지 않습니다. 출력감은 전기 모터와 엔진을 최적 회전수로 유지하는 CVT 변속기(무단 변속기)에서 나오기 때문입니다.

앳킨슨 사이클을 사용하는 이유

앳킨슨 사이클 엔진은 하이브리드 자동차의 도입과 상용화 이후 널리 알려지게 되었습니다. 하이브리드란 내연기관과 전기 모터를 결합하여 작동하는 방식을 말합니다.

오토 사이클을 기반으로 하는 앳킨슨 사이클은 하이브리드 자동차에서 매우 많이 사용되는 방식입니다. 전체 효율을 높여 낮은 연료 소비를 달성하기 때문입니다. 그러나 더 발전된 기술이 도입되면서 밸브 타이밍을 수정하여, 1882년 James Atkinson이 개발한 메커니즘과 같은 방식으로 작동하도록 만들었습니다.

그 결과 압축비가 더 높아지며, 오토 사이클보다 혼합기가 훨씬 일찍 폭발하여 열역학적 효율이 높아집니다. 앞서 언급했듯이 이는 흡기 밸브 닫힘을 늦춤으로써 달성되며, 가스가 다시 연소실 안으로 흐르도록 하여 더 높은 압축비를 가능하게 합니다.

현재 이러한 파워트레인 구성을 사용하는 자동차 목록에는 Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra, KIA Forte 등이 있으며, 한국 기업들은 점점 더 많은 차량 라인업에 이 방식을 과감하게 도입하고 있습니다.