가솔린 엔진 vs 디젤 엔진

가솔린 엔진

• 동작 원리 

가솔린 엔진의 기본 원리는 "점화" 입니다. 공기와 가솔린 연료를 혼합한 혼합기체를 연소실로 흡입한뒤에, 피스톤으로 압축을 한다음, 전기 스파크를 발생시켜서 점화를 합니다. 이 때 가솔린이 연소가 되면서 피스톤을 밀어내는 힘이 발생이 되고요, 피스톤의 직선 운동은 크랭크 샤프트를 통해서 원운동으로 바뀝니다. 전기 스파크를 통해서 점화를 시키면 점화 플러그의 근처부터 서서히 불이 붙기 때문에 엔진 피스톤을 매우 부드럽게 밀어낼 수 있습니다. 그래서 가솔린 엔진은 진동 & 소음이 별로 없는 정숙한 엔진의 성격을 가집니다.급격한 폭발이 없기 때문에, 엔진을 조금 더 작고 가볍게 만들 수 있는데, 자동차의 성능에서 무게라는 것은 매우 중요한 요소입니다. 예를 들어, 엔진의 힘이 좋아지면 가속 성능이 좋아지지만, 차를 가볍게 만들면, 가속/감속/회전 성능 모두가 좋아집니다. 

• 문제점

가솔린 엔진의 가장 큰 문제는 노킹 현상입니다. 엔진에서 공기를 압축하는 단계에서 온도가 급격하게 상승합니다. 그리고, 가솔린은 특정한 온도까지 상승을 하면 전기 스파크 없이도 스스로 불이 붙어 버립니다. 약 500도가 되면 가솔린이 스스로 불이 붙게 됩니다. 이런 현상을 이상 폭발 (detonation) 이라고 부르는데요, 폭발을 하듯이 강한 힘이 발생합니다. 문제는 이것이 피스톤이 혼합기체를 압축하는 도중에 폭발이 발생하게 된다는 점입니다. 피스톤의 움직임과 반대 방향으로 강한 힘이 발생을 하기 때문에 엔진에 큰 무리를 주게 됩니다. 이런 현상을 엔진 노킹 현상이라고 합니다.

엔진 노킹 현상을 방지하기 위해서는 가솔린이 스스로 착화할만큼 압축을 하면 안됩니다. 따라서, 가솔린 엔진은 대개는 10:1 이상으로 압축을 하지 못합니다. 그 이상 공기를 압축을 하면 온도가 500도가 넘어가기 쉽습니다. 보통 압축을 많이 할 수록 엔진의 효율이 좋아집니다. 엔진 토크가 좋아지고 연비가 좋아진다는 뜻이죠. 가솔린 엔진은 압축을 많이 못하기 때문에 엔진의 토크가 나쁘고, 연비가 나쁩니다. (효율이 떨어집니다.)

가솔린 엔진의 압축비를 높여서 엔진의 효율을 높일 수 있는 방법이 몇가지 있습니다. 

1. 유연휘발유: 가솔린 연료에 납을 섞어 넣은 것을 유연휘발유라고 합니다. 납을 넣으면 500도가 넘어도 가솔린이 스스로 불이 붙지 않는다고 합니다. 문제는 유연휘발유는 이제는 대부분의 국가에서 더 이상 판매를 하지 않습니다. 인체와 환경에 유해하기 때문입니다. 
2. 고급휘발유 : 옥탄가 (octane rate) 가 높은 고급 휘발유를 사용하면 됩니다. 옥탄가가 높을 수록 가솔린 연료가 스스로 불이 붙는 현상이 줄어듭니다. 고급휘발유는 납을 사용하지 않고 다른 화학적인 방식으로 유연휘발유와 동일한 효과를 내는 휘발유입니다. 가장 비싼 고급휘발유의 경우 착화점이 거의 700도 정도가 된다고 합니다. 고급 자동차의 경우 압축비가 높은 효율이 좋은 엔진을 사용하는 경우가 많으로 고급휘발유를 사용하는 것이 필수입니다.
3. 직분사 엔진 : 직분사 엔진은 순수한 공기만 먼저 흡입한 후에 압축을 합니다. 연료가 없는 상태이기 때문에 압축을 많이 해도 불이 붙지 않겠죠. 그리고, 압축이 끝나면 차가운 가솔린 연료를 직접 연소실로 분사를 합니다. 공기가 많이 압축되어 있긴 하지만, 차가운 가솔린 덕분에 온도가 내려가는 효과도 있습니다. 직분서 엔진의 경우 12:1 수준의 압축비율을 가지는 엔진을 만드는 것도 가능합니다.

• 특징

연비가 나쁘기 때문에, 더 많은 연료를 태워야 하고 결과적으로 환경에 해로운 이산화탄소 배출량이 많습니다. 하지만, 가솔린 엔진은 구조상 분당 회전수를 매우 높게 만들 수가 있습니다. 7,000 rpm 은 쉽게 달성이 가능하며, 경주용 자동차의 경우는 10,000 rpm 보다 훨씬 높은 수준으로 엔진을 빠르게 동작시킬 수 있습니다. 즉, 엔진이 한번 점화할때 발생하는 토크는 나쁘지만, 엔진을 더 빠르게 동작시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 더 높은 최고출력 (마력) 을 만들어 낼 수 있습니다. 

디젤엔진 

• 동작 원리 

디젤 엔진의 기본 원리는 "폭발"입니다. 디젤 엔진은 착화점 (스스로 불이 붙는 온도) 이 350도 정도로 낮은 편이기 때문에, 연료를 압축된 뜨거운 공기에 분사를 하면 전기 스파크가 없어도 그 즉시 폭발을 해버립니다. 이게 디젤 엔진의 동작 원리 입니다. 가솔린 엔진의 경우 폭발이 발생하는 것을 막기 위해서, 압축비율을 10:1 이상으로 만들기가 쉽지는 않지만, 디젤 엔진의 경우는 어차피 기본 동작 원리가 폭발입니다. 따라서, 엔진 압축 비율을 걱정할 필요가 없습니다. 디젤 엔진은 20:1 정도로 압축을 하는 경우도 많습니다. 결과적으로 엔진의 압축비가 높기 때문에 엔진의 효율이 좋아지고, 토크가 좋고, 연비가 좋다는 것이 장점입니다. 

디젤 엔진이 연비가 좋은 이유는 압축비가 높기 때문이기도 하지만, 디젤 연료의 특성에도 이유가 있습니다. 동일한 부피의 가솔린에 비해서 디젤 엔진이 더 높은 열량을 가지고 있기 때문입니다. 

• 문제점

디젤 엔진은 토크가 높지만, 엔진을 빠르게 동작시킬 수가 없습니다. 보통 4,000~5,000 rpm 정도가 디젤 엔진의 최고 회전수 한계입니다. 토크가 좋지만, 엔진의 동작이 느리다보니, 결과적으로 엔진의 최고출력 (마력) 은 나쁩니다. 

동일한 실린더 크기에서 디젤 엔진이 더 높은 토크 (충격)을 발생할 수있기 때문에, 결과적으로 디젤 엔진은 더 큰 충격에 견딜 수 있도록 더 크고 무겁게 만들어집니다. 무거운 엔진은 언제나 자동차의 운동 성능에 단점으로 작용합니다.  또한 폭발시 발생하는 진동과 소음이 크기 때문에 엔진의 정숙성이 나쁩니다.

• 특징

연비가 좋기 때문에 당연히, 환경에 해로운 이산화탄소 배출량이 줄어듭니다. 하지만, 인체에 해로운 분진과 산화질소등의 물질들이 배출되는 단점이 있습니다.

또한 엔진의 발열이 적기 때문에 디젤 엔진의 수명은 가솔린 엔진보다 더 좋은 편입니다. 

간략히 요약을 하면 이렇습니다.

• 가솔린 엔진의 상대적인 장점

출력이 좋다.

정숙성이 좋다.

가볍다.

• 디젤 엔진 상대적인 장점

토크가 좋다.

연비가 좋다.

환경에 덜 해롭다.

각 엔진별로 어울리는 자동차는 다음과 같습니다.

• 가솔린 엔진인 어울리는 자동차들.

1. 경차 : 경차는 시내 주행을 목적으로 만들어진 자동차입니다. 시내 주행의 경우 엔진의 효율보다는 정차시 발생하는 연료 낭비가 더 중요한 부분입니다. 따라서, 디젤 엔진을 사용한다고 해도 시내에서는 크게 연비의 이득을 보는것이 쉽지 않기 때문에, 차라리 가벼운 가솔린 엔진을 사용하는 것이 더 좋은 선택입니다.
2. 스포츠카 : 스포츠카는 연비보다는 높은 출력과 가벼운 무게가 더 중요하기 때문에, 당연히 출력과 무게에서 장점을 가지는 가솔린 엔진이 좋은 선택입니다. 하지만 르망 24시와 같은 특별한 자동차 경주에서는 연비를 고려해서 디젤 엔진을 선택하는 경우도 있습니다.
3. 컨버터블 : 컨버터블은 실용성보다는 즐거움을 위한 자동차 입니다. 컨버터블의 특성상 차체가 무겁고 실내 공간도 부족할 수 밖에 없기 때문이죠. 컨버터블의 지붕을 내린 상태에서는 엔진 소리가 더 크게 잘 들릴 수 밖에 없으므로, 엔진 소리가 아름답지 않은 디젤 엔진은 아무래도 컨버터블에 어울린다고 볼 수는 없겠군요.
4. 고급 세단 : 롤스로이스, 벤틀리와 같이 실용성 보다는 안락함을 더 중시하는 럭셔리 세단의 경우 진동이 적은 가솔린 엔진이 더 좋은 선택이 될 것입니다.

• 디젤 엔진이 어울리는 자동차들

1. 국도 / 고속도로를 주로 달리는 자동차 : 디젤 엔진의 높은 연비는 정차를 하지 않고 계속 주행을 하는 도로 상황에서 그 진가를 발휘합니다. 따라서 차가 막히지 않는 국도 / 고속도로를 자주 이용하는 경우라면 디젤 엔진이 적합합니다.
2. 트럭 / SUV : 짐을 잔뜩 싣고 천천히 달리는 트럭, 또는 오프로드에서 경사가 높은 등판을 하는 SUV의 경우 최대 출력보다는 저속에서 큰 토크를 내주는 디젤엔진이 운전하기에 훨씬 쉽고 편합니다.