하이브리드에 사용되는 앳킨슨 사이클이란?

오늘날의 자동차에 쓰이는 내연기관은 전통적인 오토 사이클을 사용하고 있다. 예외가 있다면 바로 하이브리드이다. 프리우스부터 현재 시판되고 있는 모든 하이브리드의 내연기관은 앳킨슨 사이클을 사용하고 있다. 앳킨슨 사이클은 오토에 비해 구조가 복잡하고 고회전이 힘들다는 단점이 있지만 펌핑 로스를 줄여 연비를 높일 수 있다는 장점 때문에 하이브리드에 채택되고 있다.

 

하이브리드 자동차가 많아지면서 이전에는 보기 힘들었던 앳킨슨 사이클의 사용이 많아지고 있다. 하이브리드에 사용되는 내연기관은 오토 사이클이 아닌 앳킨슨 사이클로 움직인다. 앳킨슨 사이클은 1882년 제임스 앳킨슨이 발명했다.

 

하이브리드 자동차의 엔진에 앳킨슨 사이클을 채용하는 가장 큰 이유는 연비를 높이기 위함이다. 하이브리드의 주목적이 경제성이니만큼 연비 개선을 위해 잘 사용하지 않는 앳킨슨 사이클을 동원하고 있다. 그럼 앳킨슨 사이클이 오토 사이클과 다른 점은 무엇인가. 오토와 비교 시 앳킨슨 사이클은 구조와 효율에서 분명한 차이가 발생한다. 앳킨슨 사이클의 역사는 깊고 높은 효율을 인정받긴 했지만 내연기관에서 주류가 된 적은 없다. 오토 사이클에 비해 자동차 엔진으로 쓰이기에는 단점이 더 많기 때문이다.

 

모든 4행정 오토 사이클은 크랭크샤프트가 두 번 회전할 때 흡입-압축-폭발-배기가 일어나지만 앳킨슨은 이 과정이 한 번 회전할 때 발생한다. 이 때문에 피스톤과 크랭크샤프트 간의 연결 구조가 좀 더 복잡해진다. 흡기 밸브가 열려 있는 시간도 오토 사이클 길다.

 

그리고 앳킨슨 사이클은 팽창비를 압축비 보다 높게 가져가는 것이 특징이다. 다른 말로 하자면 엔진 피스톤의 압축 스트로크는 연소 스트로크 보다 짧아지게 된다. 팽창비와 압축비를 다르게 하면서 펌핑 로스를 줄일 수 있고 이 때문에 오토 사이클에 비해 연비가 10% 내외로 좋아진다고 알려져 있다. 디젤이 가솔린 보다 효율이 좋은 것도 펌핑 로스가 없기 때문이다.

 

드물게는 일반 엔진에 앳킨슨 사이클이 쓰이는 경우도 있다. 바로 이전 마쓰다2의 1.3리터 엔진이다. 마쓰다는 앳킨슨 사이클의 단점을 보완하기 위해 수퍼차저를 사용한 적이 있다. 이 엔진은 90년대 중반 밀레니아에 밀러 사이클 엔진이라는 이름으로 선보였다.

 

마쓰다의 1.3리터 엔진은 하이브리드가 아닌 일반 자동차로서는 드물게 앳킨슨 사이클과 비슷한 구조의 밀러 사이클을 사용한다. 즉 출력 보다는 연비를 우선하는 세팅이다. 그래서 마쓰다로는 처음으로 CVT를 적용했고 VVT로 처지는 성능을 보완했다. 기본적으로 이 1.3리터 엔진은 앳킨슨 사이클과 비슷하다. 흡기 밸브의 닫히는 시간을 늦춰 펌핑 로스는 줄이고 열효율은 높였다.

  

일반적인 가솔린의 경우 이론적으로 압축비가 높을수록 토크와 연비가 좋아진다. 하지만 압축비를 높게 가져갈 경우 노킹의 발생 확률이 높기 때문에 일반적인 양산 가솔린은 10~12:1 사이로 세팅한다. 앳킨슨 사이클은 흡기와 압축 행정 사이에 부분적으로 펌핑 로스를 줄여주는 역류 현상이 발생해 5행정 엔진으로 불리기도 한다.

 

프리우스 엔진의 예를 들면 유효 압축비는 8:1이지만 팽창비는 13:1이어서 동일 배기량의 가솔린 엔진 대비 효율이 12~14% 더 높다. 하지만 회전수의 사용 범위가 좁아 최대 출력이 나오는 회전수가 낮아진다. 즉 일반 DOHC 보다 회전수의 한계가 낮아진다. 거기다 저속 토크가 부족하고 리터당 출력이 떨어진다는 단점이 수반된다. 회전수의 한계와 저속 토크가 낮다는 것은 양산 엔진에 있어서는 뚜렷한 약점이기 때문에 앳킨슨 사이클은 선박에 쓰이는 대형 엔진 등에 적용되고 있다.

 

이를 해결하기 위해 CVT가 쓰인다. CVT는 항상 최적의 회전수를 사용할 있도록 기어비가 조절되기 때문에 앳킨슨 사이클의 단점을 보완해줄 수 있다. 그리고 VVT-i(Variable Valve Timing-intelligent)를 적용하면 앳킨슨 사이클의 밸브 타이밍과 기존 밸브 타이밍 사이에서 흡기 밸브를 연속으로 조절해 단점을 커버할 수도 있다. 저속 토크가 모자란 부분은 0 rpm에서부터 최대 토크가 발생하는 전기 모터가 보조한다. 따라서 이론상으로는 앳킨슨 사이클의 하이브리드는 저속에서 전기 모터가 구동력을 제공할 수 있는 스트롱 방식이 성능 면에서 유리하다고 할 수 있다.