HCCI 엔진

연구 중인 HCCI 엔진[1]

1. 개요

1.1. 기존 엔진과의 차이점

2. 장점

• 가솔린 엔진의 가장 큰 적인 노킹이 없다. 사실상 수많은 무리수에도 불구하고 HCCI 엔진이 연구되어온 가장 큰 이유.
• 이론적으로 기존 가솔린 엔진보다 약 30% 이상의 연료 효율을 낼 수 있다. 기존 디젤 엔진의 최대 장점인 연료 효율을 그대로 가져오는 셈이다.
• 최근 NOx 와 CO 같은 배기가스 환경규제로 인해 연구는 끊임 없이 이어진다. 그 이유가 이 엔진을 사용하면 고온 고압 상태의 환경이 완화되어 NOx 배출량이 줄어들기 때문이다. 균일 연소여서 미연 탄화수소나 탄소 찌꺼기 등이 거의 생기지 않는다.
• 단일 엔진으로 휘발유, 경유 모두 사용할 수 있다. 이를 바이퓨얼(bi-fuel)이라 부른다. 굳이 바이퓨얼 형태로 만들지 않아도 혼유 등의 사고 등에 손쉽게 대처할 수 있음을 의미한다.
• 스로틀링이 거의 없어서 효율을 더 높일 수 있다.
• 옥탄가가 낮은 일반유만으로 높은 연비를 실현할 수 있다. 전기자동차 충전소 찾듯이 고급유 취급하는 주유소 찾으러 다닐 필요가 사라진다.[2]
• 압축착화로만 제어가 정확히 어려운 구간에서는 점화 플러그의 힘을 빌린다. 휘발유 엔진의 고유한 장점인 고회전 & 고출력 특성 역시 그대로 가져갈 수 있다.

3. 단점

• 가솔린 자체의 폭발력이 필요 이상으로 지나치게 세다. 그래서 기존의 가벼운 알루미늄 합금으로 엔진 블럭과 피스톤을 만들다간 엔진블로우 확정이다. 결국에는 디젤처럼 주철을 깎아서 만들어야 하는 상황이 오거나 획기적인 신경량합금이 개발되지 않는 이상 난제로 남는다. 이는 하단에 서술될 높은 압축비와 같은 문제.
• 점화 플러그를 완전히 제거한 엔진에 한해 콜드 스타트 문제가 생길 수 있다.
• 높은 압축비로 인해 엔진이 손상을 입을 수도 있어 디젤 엔진처럼 엔진의 구조가 강해져야 한다. 이 과정에서 진동과 소음이 발생할 수 있다.
• 점화 스파크를 이용하는 방식과 경유를 사용한 디젤 엔진과는 다르게 자연 발화를 컨트롤하기가 매우 어렵다.
• 낮은 회전수에서의 안정성이 떨어진다. 따라서 기술이 따라주지 않는 한 낮은 회전수에서는 점화 플러그에 의존해야 한다. 자칫하면 힘이 부족해 시동이 꺼질 가능성도 있다.
• 위와 같은 문제로 점화 플러그를 완전히 제거할 수는 없다.
• 기존 가솔린 엔진의 감각은 그대로 이어가기 어렵다. 또한 점화 플러그를 이용해 폭발을 유도하면 연비 면에서 전혀 이득을 보지 못한다.
• 개발과 관련된 문제인데, 빠른 시일 내에 양산할 수 없게 된다면 물거품인 프로젝트로 남게 된다. 디젤 엔진은 SCR 등의 배기 정화장치의 도움으로 점점 환경 문제에서 멀어지고 있다. 또한 전기자동차, 하이브리드 자동차 기술이 HCCI 엔진 기술의 발전 속도보다 더 빠른 속도로 무섭게 성장하는 추세다. 하지만 혼다에서 이 HCCI 엔진을 결합한 하이브리드 자동차를 개발하고 있다고 하니 완전히 물거품이 되지는 않을 듯. 결국 마쓰다가 2020년에 SKYACTIV-X 엔진을 자사의 준중형 해치백과 준중형 SUV CX-30에 탑재하면서 HCCI 엔진 상용화의 새로운 가능성을 제시했다.
• 연소 온도가 높아져 Thermal NOx가 기존 가솔린 엔진 대비 더 많이 발생한다.

4. 개발 현황

• 2007년, 벤츠에서 디조토 엔진이라 불리는 HCCI 엔진을 장착한 컨셉트 카(F700)를 2007 프랑크푸르트 오토쇼에서 선보였다. S클래스에 1.8리터의 소형엔진을 장착했는데 보통 3리터 이상의 대형엔진을 사용하는 S클래스에 소형차의 엔진을 붙인 셈이다. 하지만 해당 엔진에 HCCI 기술과 터보차저를 적용해서 238마력의 힘을 냈으며 연비는 18.7km/L로, 현재의 S클래스와 비교하면 절반의 배기량으로 두 배의 연비를 기록한 획기적인 엔진이다.
• 폭스바겐은 두 가지 엔진을 개발하고 있는데 휘발유를 사용하는 HCCI 엔진은 크루징 (고속 정속주행) 시에는 HCCI 방식을 사용하고 가속을 할 때에는 점화 스파크를 사용하는 방식으로 개발하고 있다고 한다. 2015년에 선보일 수 있게 될 것이라고 말했지만 아직까지 아무 소식이 없다. 또한 폭스바겐이 그 유명한 디젤게이트를 일으킨 주범으로서 디젤 엔진과 관련해 크게 신뢰도를 잃으면서[3] 실제로 HCCI 엔진을 선보이게 될지라도 이미 돌아서버린 대중들의 지지를 다시 받기에는 제법 어려울 듯하다...
• 2013년 11월 현대자동차에서 델파이의 기술을 지원받아 GDCI라는 이름으로 새로운 엔진을 발표했다. 기본적으로 HCCI 엔진과 동일한 원리이나 타 메이커와는 다르게 백업용 점화플러그를 완전히 제거했다. 트윈차저를 장착하여 기존의 점화플러그의 도움이 필요한 낮은 배기가스 온도에는 슈퍼차저를, 효율이 중요한 고속출력에는 터보차저를 사용하는 방식이다. 14.8:1의 높은 압축비와 완전한 가변 밸브 타이밍도 추가했다고 한다. 발표 연구원의 말에 의하면 당장 다음세대 소나타에 탑재할지도 모를 만큼 완성도가 높다고 한다. 그러나 이후 신차에 탑재되지도 않고 벤츠와 폭스바겐도 HCCI 개발에 해매는 모습을 보이며 무산됐다는 소문이 돌았다.

• 마쓰다에서 2018년내 최초로 양산형 HCCI 엔진을 2019년형 3, 2019년 하반기에 출시되는 CX-30에 탑재하기로 했었다. 그러나 마쓰다 3의 HCCI 엔진 모델은 2018년 내로 출시하지 못하고 연기되고 2019년 하반기에 출시하기로 했고, 결국 2020년에 SKYACTIV-X라는 이름으로 출시됐다. 이로써 마쓰다는 세계 최초로 HCCI 엔진을 상용화한 자동차 제조사가 됐다.