내연기관 엔진 비교 및 특성

소개글

내연기관 엔진 비교 및 특성에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 가솔린 ∙ 디젤 자동차
(1) 엔진의 구조
(2) 가솔린 ∙ 디젤 엔진의 비교
(3) 오늘날 사용되는 기술

2. 하이브리드 자동차
(1) 엔진의 구조 및 작동 원리
(2) 하이브리드 엔진의 장점과 해결과제

3. 전기자동차
(1) 엔진의 구조 및 작동원리
(2) 전기자동차의 장점과 해결과제

4. 연료 전지차
(1) 엔진의 구조 및 작동원리
(2) 연료전지차의 장점과 해결과제

본문내용

엔진이다. 위의 사진에서 볼 수 있듯이 연소 엔진과 전기 모터가 연결되어 있고 이는 다시 차체 뒤의 배터리와 연결되어 있어, 연소 엔진에 의한 배터리 충전과 배터리를 사용한 전기 모터의 작동이 구현되도록 설계되었다.
작동방식을 보면, 일반 저출력 주행 시에는 전기모터의 힘으로만 작동하고 연소 엔진은 시동이 꺼진 상태에서 운행된다. 주행 중 보다 큰 출력이 필요하거나 배터리의 충전이 필요할 경우에만 연소 엔진이 작동하는 것이다.
(2) 하이브리드 엔진의 장점과 해결과제
- 장점 -
㉠ 불필요한 동력생산을 줄임으로써 일반 엔진에 비해 향상된 연비를 가진다. 또한 ‘디젤엔 진-전기 모터’의 조합을 통해 더 높은 열효율을 통한 연비 향상을 구현할 수 있다.
㉡ 전기 모터와의 조합을 통해 배기가스를 대폭 줄일 수 있다.
㉢ 정속 전기 모터 주행 시 연소 엔진이 작동하지 않음으로써 진동과 소음이 줄일 수 있다.
㉣ 자동차가 감속하거나 멈출 때 운전 중인 자동차의 브레이크를 통한 마찰에너지를 전기에 너지로 회수하여 배터리에 충전됨으로써 에너지 효율이 증대된다.
- 해결과제 -
㉠ 엔진과 모터 모두 탑재하므로 그만큼 차체 중량이 증가되어 연비에 부정적인 영향을 미 친다. 따라서 재료의 개량을 통한 지속적인 경량화가 필요하다.
㉡ 에어컨과 다른 보조동력을 필요로 하는 장치들을 전기 시스템만으로 감당하기에는 기술 적 한계가 있어 내연기관은 이 때 꺼질 수 없다. 이를 해결하기 위한 전기 시스템의 연 구가 필요하다.
㉢ 외부 온도에 따라 배터리의 내부 저항이 발생하여 배터리 작동에 영향을 주므로 배터리 온도 관리 시스템도 중요하다.
㉣ 일반 엔진 탑재에 비해 보다 많은 구성품을 요구하므로 가격이 비싸고 정비가 어렵다.
㉤ 배터리의 수명도 고려해야한다. 배터리가 다 사용되고 버려질 때 환경에 부정적인 영향 을 미칠 수밖에 없으므로 배터리의 수명연장도 지속적인 개량이 필요하다.
㉥ 차체에 비해 엔진 용량이 작아 고출력에 무리가 있다. 따라서 배터리의 출력 향상이 필 요하다.
3. 전기자동차
(1) 엔진의 구조 및 작동원리
전기 자동차는 하이브리드 엔진에서 일반 연소 엔진을 제외한 전기 모터로만 구동되는 자동차이다. 구조 또한 전기 모터와 배터리로 하이브리드 엔진에 비해 간단하다. 배터리는 운행 전 외부에서 충전되어 작동된다.
(2) 전기자동차의 장점과 해결과제
- 장점 -
㉠ 하이브리드 엔진과 달리 배기가스가 발생하지 않아 가장 친환경적이다.
㉡ 소음이 거의 없고 하이브리드 카는 물론, 기존 내연기관차보다 시스템의 단순화가 가능하므로 고장 리스크가 적다.
㉢ 전기로만 운행하므로 운행비용이 가장 저렴하고 값싼 심야 전기를 이용할 경우 비용을 더 낮출 수 있다.
㉣ 다양한 에너지원을 이용하여 전기를 발생시킬 수 있고, 에너지 효율이 높다.
㉤ 차량 디자인 및 부품배치의 자유도가 크고 차량 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
- 해결과제 -
㉠ 하이브리드 엔진과 마찬가지로 자동차 수명보다 배터리의 개량이 필요하다. 즉 이러한 전기 모터를 구동하기 위한 배터리는 안전성, 충전 시간, 전력 전달, 극한 온도에서의 성 능, 환경 친화성, 수명 면에 있어서 지속적인 개량이 필요하다.
㉡ 장거리 주행을 위해서는 급속 충전 스탠드 등의 인프라를 새로이 구축해야 한다.
㉢ 고가의 배터리로 인한 차량가격이 비싸다.
㉣ 한국의 경우 현행법 상 전기자동차의 운행은 제한속도 60km 이내에서만 허용하고 있다. 이러한 관련법 보완도 시급하다.
4. 연료 전지차
(1) 엔진의 구조 및 작동원리
연료전지 자동차는 수소를 기본적인 연료로 사용해 전기를 발생, 이 전기의 힘으로 모터를 돌려 구동시키는 자동차이다. 전기자동차처럼 100% 전기 모터를 사용하지만 전기자동차의 경우 충전식 배터리를 사용하는 반면 연료전지는 충전식이 아닌 수소를 연료로 하는 배터리이다. 연료전지의 구조는 전기를 전달할 수 있는 전해질을 사이에 두고 양극과 음극의 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하고 있다. 연료전지의 양극을 통해 수소가 공급되고 음극을 통해 산소가 공급되며, 양극을 통해 들어온 수소는 백금 등 촉매제(Catalyst)에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 나누어진다. 나뉜 수소이온과 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 수소이온은 연료전지의 중심에 있는 전해질을 통해 양극으로 흘러가고, 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하는 동시에 양극으로 흘러가 산소와 결합해 물이 되는 것입니다. 결국 연료전지의 원리는 수소분자를 수소이온과 전자로 분리한 다음, 분리된 전자가 전기를 만들어내는 것입니다. 이러한 연료전지 외에도 니켈수소나 리튬이온, 리튬폴리머를 주원료로 하는 배터리를 보조동력원으로 사용하여 연료전지에서 만들어진 전기와 함께 더 큰 힘을 발휘하거나 시동전원 등의 보조 역할을 한다. 이러한 구조를 위한 산소는 공기 중에 풍부하게 존재하지만, 수소는 메탄올이나 가솔린 등 탄화수소 연료를 별도의 화학 처리작업을 통해 뽑아내야 하기 때문에 수소가 연료전지차의 연료원이라고 볼 수 있는 것이다. 초기 연료전지차 개발 시에는 차량에 메탄올 등에서 수소를 추출하는 연료변환장치를 장착하는 방식이었지만, 최근에는 주유소처럼 수소 주유소를 건설해 연료 전지차 내부의 수소가스탱크에 고압으로 충전하는 방식이 각광 받고 있다.
(2) 연료전지차의 장점과 해결과제
- 장점 -
㉠ 수소는 자연 에너지 발전의 이용보다 물에서 무한대로 생산 가능하여 지속 가능하다.
㉡ 주행 시 배기가스가 전혀 발생하지 않는다.
㉢ 항속 거리가 충전식 배터리를 가진 전기자동차 보다 길다.
㉣ 알코올이나 가솔린 연료전지 사용 시에는 기존 주유소 인프라를 활용할 수 있다.
- 해결과제 -
㉠ 수소는 다루기 어려운 물질로 폭발의 위험이 크고 한 번에 대량의 수소를 적재하기 어려 우므로 수소의 저장 및 관리 기술 향상이 필요하다.
㉡ 고압 수소 탱크를 탑재해야 하므로 이를 위한 차량 내부 공간이 많이 필요하고 무게 또 한 경량화 시킬 수 있는 연구가 필요하다.
㉢ 고가의 연료 전지 사용으로 인한 차량 가격 상승을 해결할 원가 절감이 필요하다.

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