하이브리드가 앳킨슨 사이클을 사용하는 이유는?
 By Ka폐人

현대적인 자동차 엔진은 모두 전통적인 오토 사이클을 사용합니다. 여기서 벗어나는 예는 극히 드물죠. 100%라고 할 수 있을 정도로 우리가 타는 자동차는 4행정으로 이뤄지는 오토 사이클을 이용합니다. 하지만 어느 틈엔가 우리에게 다가온 하이브리드 자동차는 앳킨슨이라는 다소 생소한 사이클을 사용합니다. 하이브리드가 앳킨슨 사이클을 사용하는 이유가 있겠지요. 

 

새로운 하이브리드가 나올 때마다 들리는 앳킨슨 사이클은 무엇일까요. 토요타 프리우스부터 혼다 인사이트, 최근의 현대 아반떼 LPI까지 모든 하이브리드는 앳킨슨 사이클을 사용합니다. 즉 전기 모터와 매칭되는 하이브리드의 엔진은 앳킨슨 사이클로 움직인다는 것이죠.

앳킨슨 사이클의 역사는 상당히 거슬러 올라갑니다. 처음 발명된 때는 1882년으로 제임스 앳킨슨이라는 사람이 발명했습니다. 앳킨슨 사이클은 분명 높은 효율을 인정받았지만 자동차의 내연기관에서 주목을 받은 적은 없습니다. 자동차에 쓰이기에는 오토 사이클의 장점이 더 컸기 때문이지요.

4행정 오토 사이클은 크랭크샤프트가 두 번 회전할 때 흡입-압축-폭발-배기가 끝나지만 앳킨슨은 이 과정이 한 번 회전할 때 이뤄집니다. 이 때문에 피스톤과 크랭크샤프트 간의 연결 구조는 복잡해지고 흡기 밸브가 열려 있는 시간도 오토 사이클 보다 늘어납니다. 또 다른 특징은 팽창비를 압축비 보다 높게 설정하는 것입니다. 다른 말로 하자면 엔진 피스톤의 압축 스트로크는 연소 스트로크 보다 짧아지게 되고 팽창비와 압축비를 다르게 하면서 펌핑 로스를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 이 때문에 오토 사이클에 비해 연비가 10% 내외로 좋아진다고 알려져 있죠. 디젤이 가솔린 보다 효율이 좋은 것도 펌핑 로스가 없기 때문입니다. 앳킨슨 사이클은 흡기와 압축 행정 사이에 부분적으로 펌핑 로스를 줄여주는 역류 현상이 발생해 5행정 엔진으로 불리기도 합니다.

 

물론 앳킨슨 사이클이 꼭 하이브리드에만 쓰이는 것은 아닙니다. 마쓰다2의 4기통 엔진에 쓰이는 밀러 사이클은 실질적으로 앳킨슨이라고 할 수 있습니다. 흡기 밸브가 닫히는 시간을 늦춰 펌핑 로스를 줄이고 있습니다. 마쓰다2가 구형 보다 연비가 20% 좋아진 것은 차가 가벼워진 것도 있지만 밀러 사이클의 덕도 있습니다. 90년대의 밀레니아에 첫 선을 보인 밀러 사이클은 앳킨슨의 단점을 보완한 것으로 당시에는 수퍼차저를 사용했죠. 하지만 마쓰다2는 이런 단점을 CVT로 메웠습니다. 

 

프리우스의 경우 유효 압축비는 8:1이지만 팽창비는 13:1이어서 동일 배기량의 가솔린 엔진 대비 효율이 12~14% 더 높은데 회전수의 사용 범위가 좁아 최대 출력이 나오는 회전수가 낮아집니다. 즉 DOHC로서는 회전수의 한계가 낮죠. 거기다 저속 토크도 부족하다는 단점이 있습니다. 바로 이 회전수의 한계와 저속 토크가 낮다는 이유 때문에 내연기관에서 주목을 받지 못했습니다.

그래서 부족한 저속 토크는 CVT로 해결합니다. 앞전의 마쓰다2부터 프리우스, 그리고 다른 하이브리드가 CVT를 쓰는 이유가 이것이죠. CVT는 영리하게 초반 기어비를 높이 잡을 수 있어 그런 단점을 어느 정도는 커버해줄 수 있고 가변 밸브 타이밍까지 적용하기도 합니다. 그리고 잘 알다시피 전기 모터가 있습니다. 전기 모터의 출력 특성은 0 rpm에서 최대 토크가 나와 회전수가 높아지면서 점진적으로 감소합니다. 엔진과는 반대인 것이죠. 이론상으로 본다면 앳킨슨 사이클의 엔진은 전기 모터가 초반부터 구동력을 더할 수 있는 방식의 하이브리드 시스템이 채용되어야 더 효율이 좋다고 할 수 있겠죠.

출처 : 오토씨 블로그 (http://autocstory.tistory.com)