진보의 변두리에 머문 기묘한 엔진들

방켈 엔진, 스털링 엔진, 그리고 다양한 형태의 터보 동력 장치는 자동차 주류 시장에 진입하지 못했습니다. 마쓰다부터 GM, 메르세데스부터 볼보에 이르기까지 여러 유명 기업들이 수십 년간 이 기술들을 연구했습니다. 소규모 기업과 개인 발명가들도 끈질기게 도전을 이어갔습니다. 그러나 각각의 대안적 설계에는 처음 예상보다 훨씬 많은 함정이 숨겨져 있었습니다. 그렇다고 해서 비관적인 동력 장치의 개발이 불가능하다는 뜻은 아닙니다. 열정적인 이들은 다양한 아이디어를 계속 발전시키고 있으며, 이 글에서는 지금까지 만들어진 가장 독특한 엔진 개념들을 소개합니다.

분리 사이클 엔진: 두 개의 실린더, 하나의 파워 스트로크

일부 엔진 설계자들은 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크샤프트로 이루어진 고전적인 조합이 100년이 넘는 세월 동안 그 가치를 입증해 왔으며, 내연기관의 개선은 처음부터 재발명하는 것이 아니라 특정 측면을 조정하는 방식으로만 가능하다고 결론지었습니다. 목록의 첫 번째 사례는 미국 기업 Scuderi Group이 개발한 엔진으로, 흡기·압축·폭발·배기라는 고전적인 행정을 유지하면서도 이를 두 개의 별도 실린더로 분리합니다:

• 냉각(압축기) 실린더 — 흡기 및 압축 담당
• 고온(작동) 실린더 — 파워 스트로크 및 배기 담당

작동 실린더에서 가스가 팽창하는 동안, 냉각 압축기 실린더에서는 흡기 행정이 이루어집니다. 작동 실린더가 배기를 할 때, 압축기 실린더는 압축을 수행합니다. 압축 행정 말미에 두 피스톤이 상사점에 가까워지면 혼합기가 우회 채널을 통해 냉각 실린더에서 고온 실린더로 이동하여 점화됩니다. 본질적으로 수정된 오토 사이클에 해당하는 이 분리 사이클은 2006년에 특허를 받았으며, 2009년에 Scuderi Group은 시제품인 Scuderi Split Cycle Engine을 제작했습니다.

압축기 실린더와 작동 실린더는 서로 다른 지름과 피스톤 행정을 가질 수 있어 엔진 파라미터를 유연하게 조정할 수 있으며, 추가적인 가스 팽창을 통한 밀러 사이클의 아날로그로 기능합니다. 두 실린더 사이의 채널에 밸브와 고압 탱크를 추가하면, 제동 시 에너지를 회수하고 가속 시 이를 활용할 수 있습니다. 그러나 수년간 Scuderi Group의 활동은 시제품 제작과 무역 박람회 출품에 그쳐 있습니다. 실제 효율 향상이 이 설계의 상당한 복잡성을 정당화하지 못하고 있습니다.

크로아티아 기업 Paut Motor도 분리 작동 사이클을 채택했습니다. 이들의 공간 분리형 설계는 여러 이유로 주목을 받았습니다:

• 기존 엔진 대비 움직이는 부품 수가 현저히 적음
• 마찰 손실 감소
• 작동 소음 저감
• 컴팩트한 치수: 7리터 용량에 500×440×440 mm
• 중량 약 135 kg — 동일 배기량의 기존 엔진의 약 절반 수준

크랭크케이스에 오일이 없어 외부 윤활 탱크가 필요하지만, 발명가들은 이를 수용 가능한 절충안으로 보았습니다. 여러 시제품이 제작되었지만 최종 출력은 공식적으로 확정된 바 없습니다. 마지막 시제품은 2011년에 조립되었으며, 이후 프로젝트는 중단된 상태입니다.

Bonner 2행정 엔진: 극도의 복잡성, 야심찬 목표

Bonner 2행정 엔진(후원사인 Bonner Motor의 이름에서 유래)은 2006년 미국에서 Walter Schmid가 발명한 것으로, 기계적 복잡성을 한층 더 극단으로 끌어올립니다. Paut Motor와 마찬가지로 실린더가 X자 형태로 배치되어 있으며, 크랭크샤프트가 기어 시스템을 통해 유성 운동을 수행합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 가스 분배를 위한 실린더 하단의 밸브와 모터 본체의 회전 스풀 밸브
• 가변 압축비를 제공하기 위해 유압으로 약간 이동할 수 있는 외부 피스톤
• 높은 출력 대비 중량비를 주요 설계 목표로 설정

이론적으로 Bonner 엔진은 매력적으로 보입니다. 그러나 실제로는 수년간 이 프로젝트에서 별다른 소식이 전해지지 않고 있으며, 기대에 부응하지 못한 것으로 보입니다.

축방향 엔진: 리볼버처럼 배열된 실린더

또 다른 발명가들은 내연기관의 작동 사이클은 그대로 유지하면서 구성 요소의 물리적 배치를 새롭게 재구성했습니다. 한 세기 이상의 역사를 가진 축방향 엔진이 대표적인 사례입니다. 세부 사항은 다양하지만 공통된 원리를 공유합니다: 실린더가 출력축과 동축을 이루는 리볼버 드럼의 탄창처럼 배열됩니다. 경사 핀과 테이퍼 와셔 등 다양한 메커니즘이 피스톤의 왕복 운동을 축 회전으로 변환합니다.

뉴질랜드의 Duke Engines 프로젝트는 주목할 만한 사례 중 하나로, 3리터 배기량의 5기통 4행정 축방향 엔진입니다. 동일 용량의 기존 엔진과 비교할 때 Duke 엔진은 다음을 제공했습니다:

• 19% 낮은 중량
• 36% 더 컴팩트한 패키징
• 자동차, 선박, 항공 분야에 걸친 다양한 응용 가능성

광범위한 채택에 대한 야심찬 약속이 있었지만, 세상을 정복하겠다는 꿈은 꿈으로 남았습니다.

캐나다 기업 Reg Technologies의 RadMax 엔진은 축방향 개념을 한 단계 더 발전시킵니다. 개별 실린더 대신, 얇은 블레이드를 사용해 공통 드럼 내부에 12개의 구획을 형성합니다. 로터 슬롯에 장착된 플레이트는 로터가 회전함에 따라 블레이드를 따라 이동하며, 드럼 끝단의 곡면이 블레이드 궤적을 정의하고 가스 교환을 제어합니다. 주요 특성은 다음과 같습니다:

• 여러 연료 유형에 호환 가능하며, 초기에는 디젤이 주요 초점이었음
• 2003년 시제품은 지름과 길이 모두 152 mm에 불과하지만 42마력을 생산 — 동일 크기의 기존 엔진보다 훨씬 높은 출력
• 이후 시제품은 127마력과 380마력에 도달한 것으로 알려짐

이러한 유망한 수치에도 불구하고 모든 RadMax 활동은 실험 단계에 머물러 있는 것으로 보입니다.

토로이달 엔진: 실린더가 도넛이 될 때

현재는 사라진 캐나다 기업 VGT Technologies의 VGT 엔진(가변 형상 토로이달 엔진)은 이론이 실제를 앞서는 또 다른 사례 연구입니다. 2005년에 처음 테스트된 이 엔진은 기존의 실린더를 토로이드 — 도넛 형태의 챔버 — 로 대체하며, 그 안에서 한 쌍의 피스톤이 부착된 로터가 회전합니다.

피스톤용 절개부가 있는 얇은 분배 디스크가 벨트 드라이브를 통해 토로이드를 가로질러 회전하며, 압축 행정과 파워 스트로크 동안 연료-공기 혼합기를 제한합니다. 2009년 미국 기업가 Gary Kelley와 Rick Ivas는 캐나다 설계와 매우 유사한 토로이달 엔진을 독자적으로 개발했습니다. 이들의 추정에 따르면 직경 0.5미터의 토로이드가 다음을 제공할 것이라 했습니다:

• 230마력
• 약 1,000 N·m의 토크
• 불과 1,050 rpm에서

이들의 회사 Garric Engines는 현재 웹사이트에 단 한 줄의 메시지만 표시되어 있습니다: “관심을 가져주셔서 감사합니다. 이 페이지는 향후 업데이트될 수 있습니다.”

뉴테이팅 엔진: 피스톤 대신 회전하는 디스크

2006년 미국인 Leonard Meyer가 발명한 뉴테이팅 엔진은 다소 더 유망한 운명을 맞이할 수도 있습니다 — 적어도 여러 개의 작동 모델이 제작되었습니다. 이 이름은 라틴어 nutatio(끄덕임 또는 흔들림)에서 유래했습니다. Meyer의 설계는 모터 본체와 피스톤 역할을 하는 좌우로 흔들리는(뉴테이팅) 디스크 사이에 가변 부피의 네 개의 작동 챔버를 형성합니다. 디스크는 지름을 따라 반으로 절개되어 Z자형 출력축에 연결되며, 본체의 채널과 밸브가 가스 교환을 관리합니다.

시제품은 Baker Engineering과 자매 회사 Kinetic BEI가 제작했으며, 인상적인 결과를 얻었습니다:

• 102 mm 단일 디스크: 7마력
• 203 mm 이중 디스크: 120마력
• 2디스크 엔진 치수: 길이 500 mm, 지름 300 mm, 배기량 3.8리터
• 출력 대비 중량비: 2.5~3 hp/kg (대량 생산 자연흡기 엔진의 1~2 hp/kg 대비)

리터당 출력은 그다지 인상적이지 않지만, 출력 밀도는 주목할 만합니다. Baker와 Kinetic은 설계를 계속 개선하고 있는 것으로 보이지만, 웹사이트의 활동은 여전히 제한적입니다.

LiquidPiston: 안팎이 뒤집힌 방켈 엔진

로터리 엔진 개념은 친숙한 피스톤-실린더 방식에서 벗어나는 것 자체가 더 나은 성능을 약속하는 것처럼 혁신가들을 계속 매료시킵니다. 구소련 출신 엔지니어로 미국으로 이주한 Nikolay Shkolnik과 그의 아들 Alexander는 방켈 엔진을 안팎으로 뒤집은 형태의 엔진을 개발했습니다. 방켈과 동일한 기본 기하학 구조를 가지지만 — 삼각형 챔버 내에서 땅콩 모양의 로터가 회전 — 결정적으로 밀봉재가 로터가 아닌 챔버 벽에 고정됩니다.

Shkolnik 부자는 이 개념을 발전시키기 위해 LiquidPiston을 설립했으며, 다음과 같은 잠재적 활용을 위해 DARPA로부터 공동 자금을 유치했습니다:

• 경비행기 및 드론
• 휴대용 발전기
• 하이브리드 차량 파워트레인

23 cm³ 시제품은 이미 20%의 열효율을 달성했으며 — 해당 배기량 등급에서 인상적인 수치입니다. 팀은 현재 약 13 kg 무게에 40마력을 생산하는 디젤 시제품을 목표로 하고 있으며, 예상 열효율은 45%까지 상승할 것으로 전망됩니다.

스윙잉 피스톤 엔진: 사각형으로 가다

리뷰의 마지막 엔진은 평평하고 컴팩트한 유닛의 매력이 실재하며, 로터만이 이를 실현하는 유일한 방법이 아님을 증명합니다. Pivotal Engineering의 스윙잉 피스톤 엔진은 단순히 기존의 피스톤을 사각형으로 만들어 실린더가 위에서 봤을 때 직사각형이 되도록 합니다. 이 2행정 설계는 수년간 존재해 왔으며, 그동안 다수의 시제품이 오토바이와 항공기 모두에 적용되었습니다.

회사는 주로 항공 분야를 목표로 하고 있으며, 이 설계는 몇 가지 실질적인 장점을 제공합니다:

• 높은 출력 대비 중량비 및 출력 대비 크기비
• 피스톤의 고정 축을 통과하는 액체 냉각 채널로 가능해지는 뛰어난 강제 흡기 잠재력 — 기존 엔진 구조에서는 구현하기 어려운 방식
• 사각형 로터를 매우 얇게 만들 수 있어 실현되는 평평한 폼 팩터

알아두어야 할 기타 독특한 엔진 개념들

여기에서 다룬 것들 외에도 주목할 만한 독특한 엔진 설계들이 많이 있습니다. 몇 가지 명예로운 언급:

• 12로터 방켈 엔진 — 마쓰다의 로터리 개념을 극단으로 끌어올린
• 나이트 슬리브 밸브 엔진 — 포핏 밸브와 잠시 경쟁했던 100년 전 설계
• 대향 피스톤 엔진 — 하나의 실린더를 두 피스톤이 공유하며, 실린더 헤드가 없음
• 가변 압축비 엔진 — 부하 조건에 따라 효율을 최적화하기 위해 실시간으로 압축비 조정 가능
• 5행정 엔진 — 연소 가스에서 더 많은 일을 추출하기 위한 전용 팽창 실린더 추가
• 로터리 블레이드 엔진 — 로터 구성 요소가 수렴·발산하는 가위 날처럼 움직이는

대안 엔진은 왜 대량 생산에 이르지 못하는가?

비전통적인 내연기관 설계를 간략히 살펴보는 것만으로도 눈에 띄는 패턴이 드러납니다: 수십 가지의 기발한 아이디어, 그러나 매우 적은 수의 양산 차량. 반복적으로 나타나는 장애물은 일관됩니다:

• 밀봉재 마모 — 로터리 설계는 시간이 지남에 따른 에이펙스 밀봉재 열화로 인해 자주 실패함
• 교번 기계 하중 — 로터리 블레이드 개념은 블레이드-축 연결부의 피로 파괴에 취약함
• 제조 복잡성 — 독특한 기하학적 형상은 대규모 생산이 비싸고 어려움
• 신뢰성 및 내구성 — 비전통적인 엔진은 100년 이상 개선된 기존 피스톤 엔진의 내구성 기록에 좀처럼 필적하지 못함

대안 엔진이 어려움을 겪는 두 번째 이유는 기존 내연기관 기술이 정체되어 있지 않다는 점입니다. 밀러 사이클을 사용하는 최신 가솔린 엔진은 터보차저 없이도 최대 40%의 열효율을 달성합니다 — 대부분의 가솔린 엔진이 20~30%, 디젤 엔진이 30~40%(대형 선박용 디젤은 최대 50%)에 그친다는 점을 고려하면 놀라운 수치입니다.

가장 중요한 것은, 내연기관의 글로벌 대안이 이미 도래했다는 점입니다: 전기 모터와 연료 전지 동력 장치. 이 독특한 발명품들 뒤에 있는 발명가들이 기술적 과제를 매우 빠른 시일 내에 해결하지 못한다면, 그들을 기다리는 시장이 더 이상 존재하지 않을 수도 있습니다 — 전기차가 이미 도로를 점령해버릴 것이기 때문입니다.

이 글은 번역본입니다. 원문은 여기에서 읽을 수 있습니다: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html