이렇게 내연기관이 재탄생하고 있습니다

자동차 업계에서는 내연기관을 ‘퇴출’시키기 위한 다양한 주체와 기술이 등장하고 있습니다. 그러나 Bosch나 Mahle 등 일부 제조사는 혁신적인 내연기관을 개발하고 있을 수도 있습니다.

지난 100년간 많은 내연기관 설계 혁신을 이끌어 온 독일 기업 Mahle은 Mahle Jet Ignition(MJI)이라는 연소 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 이미 한 주요 Formula 1 팀의 엔진에 사용되고 있으며, 가솔린 하이브리드 전기차의 생산을 촉진할 것으로 기대되는 새로운 모듈형 하이브리드 파워트레인에도 적용될 예정입니다.

MJI 시스템의 작동 방식은 다음과 같습니다. 일반적인 가솔린 엔진에서는 연료가 유입 공기와 함께 흡기 포트에 분사되거나(간접 분사), 연소실에 직접 분사됩니다(직접 분사). 새로운 MJI 기술에는 능동형과 수동형 두 가지 유형이 있습니다. 능동형은 두 가지 분사 방식을 모두 갖추고 있습니다. 포트 인젝터는 일반적인 방식으로 작동하지만, 직접 인젝터와 점화플러그의 끝부분은 주 연소실 바로 위의 작은 예연소실에 배치됩니다.

흡기 행정이 일어날 때 포트 인젝터는 연료의 95%를 흡기 포트로 분사하고, 이 연료는 주 연소실로 흘러 들어간 뒤 평소처럼 피스톤에 의해 압축됩니다. 이 과정에서 나머지 5%의 연료가 예연소실에 분사되어 점화플러그의 불꽃으로 점화됩니다.

https://www.youtube.com/watch?v=n6Eutw0WU3U

Mahle 신형 MJI 시스템의 작동 원리

점화되면 부분적으로 연소된 뜨겁고 고압인 연료와 공기의 분출이 예연소실 바닥의 작은 구멍들을 통해 밀려 나오며, 점화플러그 근처 한 지점이 아니라 전체 주 연소실 혼합기를 동시에 점화합니다. 이로 인해 연소가 더 빠르고 균일해지며, 압력이 더 빠르게 상승하여 에너지를 더 신속하게 생성합니다. 전 과정이 균질하게(연료와 공기가 고르게 섞인 상태) 이루어지며, 출력이 적게 필요할 때는 초희박(연료 대비 공기량이 훨씬 많은 상태)으로도 작동할 수 있습니다.

최신 ‘수동형’ 버전(F1에 사용)은 직접 인젝터를 제거하고 예연소실에 점화플러그만 둡니다. 이것은 새로운 아이디어가 아닙니다. Honda은 1970년대 초 첫 세대 Honda Civic을 위해 복합 와류 제어 예연소실을 개발했지만, 그 구현은 Mahle의 수동형 MJI보다 더 복잡했습니다.

연료와 공기 혼합기가 흡기 포트를 통해 연소실로 유입되어 압축되면, 주 혼합기의 일부가 노즐을 통해 예연소실로 밀려 들어갑니다. 그곳에서 점화플러그에 의해 점화되고, 연소된 고압의 연료와 공기 분출이 노즐을 거슬러 주 혼합기 쪽으로 되밀려 나가며 이전과 같이 이를 점화합니다.

노킹(pinking)이 위협이 되기 전까지 일반보다 높은 압축비를 사용할 수 있으며, 이는 연비를 더욱 향상시킵니다. 배기가스 재순환과 희박 연소 중의 차가운 공기는 연소 온도를 낮추고, 엔진 작동 범위의 초희박 영역에서 NOx를 99% 크게 줄입니다. 탄화수소 배출량은 일반 포트 분사 가솔린 엔진과 동등하며, 입자상 물질 수준은 포트 분사와 직접 분사의 중간 정도입니다.

두 가지 MJI 버전 모두 사실상 모든 가솔린 엔진에 적용할 수 있으며, 엔진의 전체 작동 영역에서 기능할 수 있습니다. 이를 고려하여 Mahle은 여러 자동차 제조사와 고급 협상을 진행 중이니 이 분야를 주목해 보시기 바랍니다.

하이브리드 차량에도 적합

Mahle은 또한 가솔린 엔진에 ‘수동형’ Mahle Jet 점화 방식을 사용하는 모듈형 하이브리드 파워트레인(MHP)을 발표했으며, 이는 자동차 제조사들에게 거의 턴키 방식의 파워트레인 솔루션을 제공할 것으로 예상됩니다. 2기통 또는 3기통 터보차저 엔진과 1단, 2단 또는 4단 변속기로 구성할 수 있습니다. 이 덕분에 MHP는 세그먼트 B 자동차부터 더 큰 세그먼트 J SUV까지 모든 차량에 맞게 규모를 조정할 수 있습니다.