반켈 엔진

영어: Rotary Engine
독일어: Wankelmotor

1 소개


반켈엔진의 예시[1]
독일의 기술자 펠릭스 반켈(Felix Wankel)이 1951년에 고안한 엔진으로, 흔히 로터리 엔진 이라고 부른다.

반켈이 설립한 NSU(아우디의 전신)에서 생산을 개시하여 자동차에 얹히기 시작했다. 나중에는 자동차만이 아니라 모터보트와 중장비 등에도 반켈 엔진을 넣으려고 했고, 시트로엥과 GM 등의 다른 업체들도 여기에 관심을 보였지만 연비와 배기가스, 내구성 등의 여러가지 문제로 인해 점점 도태되어, 현재 개발해서 일반 자동차에 탑재하는 회사는 일본의 마쓰다와 독일 아우디社 둘 뿐이며, 2015년 기준 생산차종은 아우디 A1 E-Tron뿐이다.[2][3]

바이크계에서도 이용되었었으나 현재는 거의 이용하지 않지만, 최근 노튼이 600cc가 채 안 되는 로터리 엔진을 복각하여 레이싱 머신을 발표했다.

최근 신소재 개발로 엔진 내구성 문제가 과거에 비해 크게 향상되면서 반켈 엔진의 내구성도 90년대와 비할 수 없이 향상되었다. 다만 특허 문제로 일반 브랜드에서 귀찮게 구지 생산하지 않는게 정설이다. 아직도 내구성이 극악이라고 이야기하는 사람은 90년대 엔진 지식을 가진 사람이다

로터리 엔진은 구조의 간단성 때문에 부품수가 일반 엔진에 비해 몇분의 일 수준까지 줄어들어 엔진 경량화와 소형화 그리고 부품 정비면에서 현저히 우수하다. 엔진 경량성와 소형성 그리고 구조상 원천적 진동 억제성 때문에 스포츠카에 가장 적합한 형태의 엔진이라고 할 수 있지만 그동안은 유일한 단점이라고 할 수 있는 엔진 내구성 문제로 널리 상용화되지는 못했다. 스포츠카에 낮은 연비는 단점이 아니다 하지만 2010년대가 된 지금 엔진 소재에서도 비약적인 발전과 연구가 축적되어 기존의 장점을 발휘시킬 환경이 조성되고 있는 상황에서 마쓰다도 2018년경을 목표로 차세대 RX-7의 출시를 예고하고 있다.

엔진은 실린더와 피스톤으로 구성되어있던 기존의 엔진 형태에서 벗어나 챔버와 로터로 구성된 간단한 구조로 이루어져 있으며, 작동원리는 다음과 같다.

1. 공기와 연료의 챔버 내 주입
2. 로터의 회전에 의한 압축, 착화
3. 폭발로 인해 팽창된 가스가 로터를 돌려 동력 발생
4. 로터가 돌면서 배기밸브를 열고 배기가스 방출.
(이 때, 완전연소되지 않은 가스는 챔버 내의 사이클을 다시 돌게 된다).

옆의 모식도를 보면 알겠지만 "배기행정중에 폭발가스로 로터가 돌아가고 있으며, 흡기쪽에선 흡기가 이뤄진다.

즉, 동력의 발생을 일으키는 폭발 행정이 거의 끊임없이이어지는 특유의 구조로 인해 배기량에 비해 고출력을 낼 수 있으며, 마쓰다의 엔진은 1회전에 1번의 폭발행정[4]이 있기 때문에 4행정 기관엔진에 대비해 약 2배 정도의 출력을 자랑하며, 피스톤 엔진의 왕복과정이 필요 없기 때문에 일반 엔진에 비해 진동이 자연스럽게 억제되어 있으며 상대적으로 엔진의 고속회전이 가능해서 고회전에서 출력을 쉽게 짜 낼수 있다. 단적으로, 혼다 S2000의 VTEC 엔진이 극한으로 쥐어 짜내는 9,000rpm은 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 장치 자체가 없는 로터리엔진에게는 어려운 일이 아니다.

하지만 구조상 기밀상태를 유지하기 힘들기 때문에, 피스톤 역할인 삼각형상의 로터의 끝부분에는 실링을 위해 패드와 장력이 강한 스프링이 장착되어 있으며, 스프링의 장력으로 패드를 밀어내서 기밀성을 확보했기 때문에, 이로 인해 장기간 사용시 실린더 역할인 챔버의 내벽을 마모시켜 성능이 점점 저하된다. 이 경우 새 부품으로 교환해주는 리빌트[5]가 필요하거나 심한경우 아예 엔진을 새걸로 얹어야 하게 되어 엄청난 유지비가 문제시 되었으며[6], 1회전에 3회정도 일어나는 폭발행정으로 배기량에 비해 출력은 막대하지만 그만큼 연료를 많이 소모하기 때문에 [7], 시장 주류로 안착하지 못했다. 이 연비는 보통 달릴때마다 배기구에서 500원짜리가 줄줄이 새어나간다는 표현을 쓰기도.[8] 다만 적은 배기량에 높은 출력을 실현하는 이 엔진의 특성상 같은 배기량의 차량과 연비를 비교한다는 것은 스스로 무식을 드러내는 짓에 가까우며, 동급출력의 스포츠카와 비교할 경우 연비에 별 차이가 없다는 것을 알아야 한다.

현재 일반 자동차용으로 유일하게 생산 중인 마쓰다에선 1967년부터 이 기술을 이용해서 "Mazda Cosmo"시리즈의 프로토타입에 최초로 탑재했는데, 이때 399cc 짜리 챔버 2개를 직렬배치하여 총 배기량 798cc, 마쓰다 측 표기로는 399cc x2[9]인 L8A라는 명칭을 이용한다. 하지만 이는 대량생산은 하지 않았고, 최초로 대량 생산된 것은 10A(491cc x2, 982cc)형으로, L10A형 "Mazda Cosmo Series I"에 탑재된다. 10A 엔진에서 점점 개량과 대배기량화를 통해 SA형 RX-7에 12A타입 이 탑재되었고, 이는 1146cc(573cc x2)의 배기량으로 100마력을 냈다. 그 이후 점점 개선되어 FC3S와 FD3S RX-7시리즈에는 13B계열이, 거기에 현재엔 13B를 개량한 13B-MSP RENESIS 엔진이 RX-8에 탑재되어 있다.

현재 2000년대 모델인 RX-8의 경우 메이커에서 권장하는 리빌트 기한은 약 15만km 전후. 연비는 3천~4천cc대의 대형차의 연비에 근접해졌다.

대한민국 내 자동차 세법의 특성상 배기량으로 세금을 매기기 때문에 소형차 등급의 세금이 나온다. 국토해양부 당시 자동차세 정산 기준을 연비로 바꾸려는 계획이 있었으나 무산되어서 한국에서 극소수이긴 하지만 이 엔진이 달린 차량을 운전하는 사람들은 지못미가 되는 건 면했다.

4기통 로터리 엔진의 경우 현재 승용차와 비슷한 크기의 엔진이 1600마력이 나오고, 로터리 디젤엔진은 제작 난이도가 극한에 달하진 않지만, 압축비가 낮고 인젝션이 까다로워 별로 만들어지진 않았다. 롤스로이스의 엔진이 1990년대에 있었으면 현대에 와선 yanma의 산업용 반켈, DARPA 가 실험해보는 것들이 있다. 작은 크기의 고출력을 요하는 분야에 많이 쓰이는 듯 한데, 실제 경비행기나 초소형 원동기에 많이 장착된다.

인도의 DRDO(Defence Research and Development Organisation)사와 NAL(National Aerospace Laboratories)사가 소형 UAV에 사용할 목적으로 배기량 324cc, 최대 출력 55마력/8,000rpm의 소형 로터리 엔진을 공동 개발하고 있다.

2 레이싱에서

1991년 59회 르망24시에서 로터리 엔진을 얹은 787B가 우승한 바 있다.[10] 하지만 검차가 용이하지 않은 엔진 구조로, 규정이 빡빡한 레이싱에서는 활용하기 어려웠다.

종종 이때의 로터리 엔진이 높은 성능으로 인해 견제 혹은 저격을 당해 쓰지 못하게 되었다, 라는 주장이 종종 있는데, 이는 사실이라고 할 수 없다. 이에 대해서는 마하님 블로그 포스팅을 참고할 것.

3 참고 링크

  1. ↑ 마쓰다 13B-REW 엔진으로 280ps 32kgm을 발휘한다. 654cc 로터가 2개에 터보차저 조합이다
  2. ↑ 그나마 아우디의 A1 E-트론에서 반켈엔진은 배터리 충전용으로 사용되며, E트론 자체가 개념 실증의 의미가 강하기 때문에 판매량도 극히 적다
  3. ↑ 마쓰다의 RX-8은 2012년에 단종됐다. 하지만, 최근 마쓰다에서 후속모델 컨셉카와 개발의사를 밝혀서 마쓰다의 로터리 명맥은 이어질것으로 보인다. 뭐 컨셉카 RX-비전이 등장했으니 말 다한 셈이지만 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
  4. ↑ 로터 1회전에폭발 3회, 출력축 3회전
  5. ↑ 로터리 엔진 이야기가 아니지만 하이브리드카도 일정 주기가 되면....충전지를 갈아야 한다고 한다. (배터리는 소모품이다.) 거의 충전 계통을 리빌트한다고 보면 된다.
  6. ↑ 90년대 모델인 RX-7의 엔진 리빌트주기는 피스톤-실린더 방식의 엔진에 비해 극악하게 짧기로 유명하다. 대략 6만~9만 km선
  7. ↑ SE3P형 RX-8에 실린 13B-MSP를 기준으로 7.4km정도.
  8. ↑ 이보다 안 좋은 연비를 지닌 차량은 얼마든지 있지만, 대부분 고급 차량이고 그정도 유지비를 감안할 수 있는 수익을 낼 수 있는 반면, RX-7은 당시 국내 중고차 거래가가 가장 높은게 1500 가량. 이것도 각종 튜닝을 내새운 가격일 정도로 차덕후 사이에선 가난한 자의 스포츠카였지만, 악명 높은 연비로 인해 꺼려하는 분위기였다. 해서 슈퍼카들이 가끔 배기구에서 지폐가 떨어진다라는 농담을 하는 동안 RX-7은 모양새 빠지게 동전이 샌다라는 표현을 쓰게 된 것이다.
  9. ↑ 이 이후의 로터리엔진에는 "챔버 배기량x개수"를 배기량표기로 이용
  10. ↑ 이 우승은 일본 메이커의 유일한 르망24시 우승이다. 1991년에는 마이클 슈마허도 C11로 참전했었고 가장 빠른 차라는 평가를 받았지만... 내구레이스는 항상 가장 빠른 차가 우승하는 것은 아니다.