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자동차 연료의 종류

by 블랙스톤79 2023. 6. 8.


1. 증기기관 
증기기관은 긴 역사를 가지고 있으며, 자동차에 사용된 최초의 엔진 유형 중 하나였다. 증기기관의 핵심은 증기를 발생시키는 역할을 하는 보일러이다. 물통과 화로로 구성된 증기기관에서 화로에 석탄을 태워서 물탱크의 물을 가열하면 고압의 증기가 형성된다. 과한 압력을 방지하기 위해 안전밸브를 이용해 압력을 제어한다. 보일러에서 형성된 증기는 하나의 파이프 또는 증기 라인을 통해 엔진으로 이동한다. 이때 증기는 상당한 양의 에너지를 전달하게 되고 이는 엔진 작동의 원동력이 된다. 엔진은 실린더와 피스톤으로 구성되어있으며 증기가 실린더로 들어가 피스톤을 밀며, 피스톤은 증기의 압력으로 밀고 빠지고를 반복하며 에너지를 기계적 운동으로 변환한다. 이 동작으로 차량의 바퀴를 돌리게 된다. 증기가 피스톤에 힘을 가하면 다시 물로 응축이 되어 재사용이 가능해진다. 응축기는 증기를 식히고 응축시켜 다시 물로 바꾸는 데 사용되고 응축된 물을 모아 다시 보일러로 공급해 재가열한 후 다시 증기로 전환한다. 이것이 콘덴서이다. 석탄을 원료로 사용한 이유는 발열량 때문이다. 발열량이란 일정한 양을 태웠을 때 나오는 열량이다. 나무 발열량은 22.000kcal/kg이지만 석탄 발열량은 34,000kcal/kg이다. 같은 질량을 태웠을 때 석탄이 더 높은 열량을 낸다. 증기기관차는 원리가 간단하며 고장이 적고 취급이 쉬우면서도 큰 힘을 낼 수 있는 장점이 있어서 19세기 후반부터 20세기 초반에 걸쳐 일반적으로 사용되었지만, 석탄과 물을 끊임없이 공급해야 하는 번거로움 때문에 동력 효율이 더 높은 디젤이나 전기 기관차로 바뀌었다. 최근 재생 에너지 및 그린 교통 분야에서 특정 응용 분야의 대안으로 증기 동력을 연구하는 노력이 시작되었다.


2. 가솔린 
가솔린 기관은 휘발유를 사용한다. 4행정으로써 흡입-압축-폭발-배기의 과정을 거쳐 엔진을 구동한다. 핵심 원리는 휘발유에 저장된 화학 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 것이다. 흡입할 때 엔진의 흡기 밸브가 열리고 인젝터에 휘발유를 분사한다. 그러면 분사된 휘발유와 외부로부터 유입된 흡입 공기가 어우러져 혼합기가 될 것이고 이 혼합기가 실린더 내부로 유입된다. 압축하는 동안 피스톤이 위쪽으로 이동하여 혼합기는 고온, 고압이 형성되고 폭발행정으로 넘어간다. 압축된 연료와 공기 혼합물이 가장 가연성이 높은 상태일 때 실린더에 설치된 점화 플러그에 불을 붙여줌으로써 전기 스파크를 발생시킨다. 점화된 연료와 공기 혼합물은 빠르게 연소하며 엄청난 양의 열을 발생하며 고압가스를 생성하고 이 연소 압력은 피스톤을 상당한 힘으로 아래쪽으로 밀어낸다. 피스톤의 하향 운동은 엔진의 크랭크축에 의해 회전 운동으로 변환되어 차량에 동력을 전달하게 된다. 폭발에 의해 내려간 피스톤이 다시 상승할 때 배기밸브를 열어 배기가스를 내보내고 다시 흡입행정을 거쳐 다시 4행정을 순차적으로 진행한다. 


3. 하이브리드 
하이브리드라는 단어는 '두 가지 이상의 기술이 접목됐다'라는 의미로 우리말로 혼합된 자동차라는 뜻이 된다. 하이브리드 자동차는 이중 전원으로 동력을 공급하기 위해 내연기관과 전기 모터 모두 장착되어있는 친환경 자동차이다. 전기 모터가 배터리 팩으로 구동되는 동안 내연기관은 가솔린이나 디젤인 대체 연료로 구동될 수 있다. 전기모터가 감속 또는 제동 중에 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 작동하는 회생 제동을 사용한다. 이 에너지는 나중에 사용할 수 있도록 배터리에 저장되고 전체 효율을 향상하게 시킨다. 내연기관 엔진은 에너지 손실이 60~70%에 달할 정도로 효율이 높지 않다. 전기모터는 가속 중에 내연기관을 보조하면서 추가 동력을 제공함으로써 엔진의 부하를 줄이고 연비 또한 개선한다. 전기모터는 정지, 저속 주행 시에도 독립적으로 작동할 수 있어서 배기가스가 전혀 배출되지 않는다. 내연 기관과 전기 모터의 동력 사용을 최적화하는 에너지 관리 시스템을 통합하는데, 이 시스템은 주행 조건, 배터리 충전 수준과 전력 수요에 따라 가장 효율적인 전원을 선택하며 두 전원 사이를 원활하게 전환한다. 이런 원리로 연료 소비가 줄어들고 내연기관 차량에 비해 연비가 우수하며 전기차에 비해 주행거리도 늘어난다.