[Science] 자동차 엔진은 어떤게 있지?…"휘발유·경유 안쓰는 차도 있네"

최근 원유가가 배럴당 120달러 선을 넘으면서 국내 휘발유와 경유 소매가도 ℓ당 1800원을 넘었다.

지난 22일 0시를 기해 경유가격이 휘발유 가격을 추월하는 사상 초유의 일이 벌어지기도 했다.

전문가들은 5년 내 배럴당 유가가 500달러에 육박할 수도 있다고 경고하고 있다.

특히 유가 상승은 자가 차량을 가진 사람들에게 민감한 부분이다.

유가가 배럴당 200달러를 넘을 경우 휘발유나 경유를 사용하는 자동차가 아닌 전기나 바이오 연료를 사용하는 자동차가 각광받을 것으로 예상되고 있다.

전기자동차나 하이브리드카 등의 신개념 자동차는 기존의 가솔린 엔진과 디젤 엔진이 장착된 자동차와는 무엇이 다른가?

⊙ 가솔린·디젤 엔진의 역사와 특징

우선 가솔린 엔진은 휘발유를 연료로 하는 내연기관이다.

가솔린기관이라고도 하며, 작동방식에 따라 4행정 기관과 2행정 기관이 있다.

4행정 기관의 작동방식은 프랑스 드로샤가 1862년에 원리를 제안하고, 1876년 독일 오토가 처음 실용 엔진을 제작한 것으로 알려져 있다.

가솔린 엔진은 다른 기관에 견줘 단위 중량이나 용적당 출력이 비교적 크고 운전과 관리가 쉽기 때문에 오토바이, 자동차, 비행기, 모터보트 등의 교통기관용 원동기 외에 경운기, 소방 펌프, 발전기 등에도 널리 사용되고 있다.

특히 소음이 적어 승용세단에 많이 쓰이는 엔진이다.

증기기관 이후에 발명된 가솔린 기관은 증기기관보다는 열효율이 높았으나 열효율이 20%에 그치는 단점이 있었다.

이에 보다 높은 열효율을 가진 열기관이 발명되게 되는데 이것이 경유를 연료로 하는 디젤엔진이다.

디젤기관의 발명자 루롤프 디젤(Rudolf Diesel)은 1892년과 1893년에 별도의 점화장치 없이 실린더로 공기를 압축해 연료를 점화시키는 압축착화기관을 발명해 특허를 얻고 1897년 최초의 디젤엔진 제작에 성공했다.

그가 처음 만든 디젤엔진은 무려 높이가 2m에 달했다.

기술 수준이 낮은 시절이라 실린더로 공기를 압축해 발화점이 높은 경유를 점화시키려면 어쩔 수 없이 실린더를 크게 만들 수밖에 없었던 것.

이 엔진은 연료효율이 30%대를 보이는 획기적인 발명품이었다.

디젤엔진도 1912년 기계식 인젝션 시스템 개발로 본격적으로 자동차에 적용되기 시작했으며 1924년 벤츠에서 개발된 디젤엔진이 트럭에 장착됐다.

1927년에는 로보트 보쉬가 디젤 엔진용 연료 인젝션 펌프 개발에 성공해 승용차용 디젤엔진이 벤츠 등에서 개발되기 시작하였으며 1936년에는 다임러-벤츠에서 디젤엔진을 적용한 최초의 승용차를 생산했다.

그러나 자동차 소비자들은 무겁고 승차감이 좋지 않은 디젤엔진을 외면했고 그동안 많은 기술발전이 있어온 가솔린엔진을 탑재한 자동차를 선호하면서 디젤엔진은 트럭, 버스 등의 상용차 및 발전소, 선박 등의 초대형 엔진에 주로 적용되고 있다.

⊙ 휘발유나 경유를 쓰지 않는 엔진의 역사

휘발유나 경유는 원유에서 정제해서 만드는 것이다.

원유의 자원부존량이 한계가 있고 환경오염의 문제가 있기 때문에 지금까지 이를 사용하지 않는 엔진개발이 꾸준히 이뤄져왔다.

휘발유나 경유를 사용하지 않는 대표적인 자동차는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 연료전기 자동차 등이 있다.

우선 전기 자동차다.

전기 자동차가 최초로 보급된 곳은 미국이다.

미국에서는 그 후에도 악취나 연기가 없고 운전과 조작이 쉽다는 이유로 주로 여성용으로써 1920년께까지 보급됐었다.

그후 가솔린기관에 밀려 자취를 감췄으나 가솔린차의 배기가스에 의한 대기오염이 문제화된 1950년대 말께부터 다시 부각돼 현재는 전 세계의 자동차 메이커에서 연구되고 있다.

하이브리드 차는 엔진과 전기모터를 조합시켜 동력원으로 쓴다.

기존 엔진들의 대안으로서 오래전부터 개발이 진행돼 왔다.

첫 테이프는 일본에서 끊었다.

일본의 자동차 메이커 도요타는 1990년대 말 '프리우스'라는 세계 최초의 양산 하이브리드 차를 개발했다.

이후 각국에서 하이브리드 차가 속속 등장했는데 2004년에는 미국에서, 유럽에서도 2006년 하이브리드 차가 선보였다.

우리나라에서도 현대자동차가 지난해 시판용 하이브리드 차를 선보였다.

또 다른 대안으로 떠오르는 것은 연료전지 차다.

연료전지 차는 기름을 태워서 가는 엔진대신 연료전지를 동력원으로 하는 자동차다.

현재 차세대 자동차 중 가장 각광받는 것은 바로 연료전지 차다.

물을 연료로 사용해 공해가 없고 무한정의 연료를 공급할 수 있기 때문이다.

연료전지의 기본 구조는 전기분해 장치다.

물을 전기분해하면 수소와 산소가 생기는데 이 반응을 이용해 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 물을 만들어 내는 것이 연료전지의 원리다.

구조는 건전지와 흡사하나 건전지 같이 에너지가 소모되는 것이 아니다.

수소를 전지 안에 충전시키고 그 수소의 폭발력으로 동력을 얻는 것이다.

현재는 메탄올을 주로 사용해 연료용 수소를 얻고 있다.

수소를 연료로 쓰면 부산물로 물밖에 나오지 않기 때문에 배기가스에 대한 염려가 없다.

즉 환경오염없이 깨끗한 연료라는 뜻이다.

가장 뛰어난 장점은 많은 이점에도 불구하고 구조가 비교적 단순해 만들기가 쉽다는 점이다.

수소를 연료로 사용하면 반응에너지를 전기에너지로 활용하기 위한 기계적 손실이나 열로 손실되는 에너지가 극히 적어 100%에 가까운 에너지 효율을 얻을 수 있다.

현재 수소 자동차나 하이브리드 차 및 전기 자동차는 상용화 단계에 들어섰다.

멀지 않은 미래에는 기름을 넣으러 주유소에 가서 기름값에 마음 졸이는 것이 아니라 집에서 전기코드를 꽂아놓거나 연료전지에 바이오 메탄올을 넣으며 외출 준비를 할 날이 올 수 있을 것이다.

임기훈 한국경제신문 기자 shagger@hankyung.com