요즘 전기차가 화제입니다. 이제는 한 번 충전으로 300km를 넘게 달릴 수 있는 모델도 있고 정부 보조금을 받으면 가격도 나쁘지 않다고 합니다. 유지비는 다른 자동차들보다 훨씬 적게 드는데 그래서인지 예산이 한정되어 있는 일부 지방자치단체의 경우는 보조금을 받기 위하여 밤새도록 줄을 서는 진풍경이 연출되기도 했답니다.


전기차가 이전에 비해 가까워진 것은 사실이지만 아직 본격적이라고는 할 수 없습니다. 앞서 말씀 드렸듯이 보조금이 없으면 비싼 가격과 번거로운 충전으로 일반 자동차에 비해 큰 메리트가 느껴지지 않기 때문이죠. 플러그 인 하이브리드 모델을 포함하여 배터리를 미리 충전할 수 있는 전기차의 작년 세계 판매량은 77만5천대로 전체 자동차 판매량의 1%가 채 되지 않습니다. 우리 나라는 이보다 점유율이 더 낮아서 0.3% 수준입니다. 


그렇습니다. 아직은 아닙니다. 우리는 아직 – 그리고 앞으로도 최소한 십 년 이상은 – 내연 기관이 이끄는 자동차의 세상을 살 것이라는 뜻입니다. 그만큼 내연 기관은 매력적이고 효율적이며 실용적이기 때문입니다. 하지만 당연히 내연 기관이 처음부터 지금처럼 좋았을 리는 만무합니다. 지난 20세기 내내 자동차와 함께 내연 기관은 꾸준히, 그리고 동시에 빠르게 발전해왔습니다. 그래서 우리는 20세기를 자동차의 세기라고 부르기도 합니다. 그리고 IT의 시대라고 하는 21세기에도 내연 기관의 지위는 여전히 굳건합니다.

 

▲ 내연 기관의 원리


내연 기관이란 내연(內燃)이라는 말에서 알 수 있듯이 이 엔진은 엔진 안에서 연료를 태워서 힘을 얻는 방식입니다. 내연이 있으면 외연(外燃) 도 있겠지요? 외연 기관은 엔진 바깥에서 연료를 태우고 그 열기를 이용하여 엔진을 굴리는 방식을 말하며, 대표적인 외연 기관으로는 증기 기관과 증기 터번 등이 있습니다. 증기 기관은 보일러에서 석탄을 태워서 얻은 열로 물을 끓여서 증기를 만든 다음 그 증기로 피스톤을 밀어내면서 힘을 얻습니다. 원자력 발전소의 증기 터빈도 외연 기관입니다. 이에 비하여 가솔린 엔진과 디젤 엔진 같은 내연 기관은 연소실에서 직접 연료를 태울 때 발생하는 에너지로 직접 피스톤을 아래로 밀어내면서 힘을 얻습니다. 


  


증기 기관은 18세기 말과 19세기에 증기 기관차와 공장 등지에 사용되면서 이미 상당히 발전했습니다. 최초의 자동차가 증기 기관을 사용했던 것은 어쩌면 자연스러운 결과일지도 모르겠습니다. 


도로에서의 자유롭게 움직여야 할 자동차는 기차보다 훨씬 작아야 하지만 증기 기관은 보일러와 물탱크, 석탄 저장고 등이 필요했기 때문에 자동차에 비하여 부피가 너무 크고 컸습니다. 하지만 증기 기관 이외에는 마땅한 동력 기관이 없었기 때문에 증기 기관을 자동차에 사용하려는 노력은 계속되었고 19세기에는 증기 자동차가 버스 크기의 자동차에서는 꽤 실용적인 수준까지 발전합니다. 놀라운 사실은 내연 기관이 이미 실용적인 수준으로 발달한 1920년대에 소형화된 증기 기관을 사용하여 당시의 내연 기관 승용차와 겉모습에서는 거의 구분하기 힘들 정도로 발달한 증기 기관 승용차가 있었다는 점입니다. 




▲ 1924년식 Doble Model E 증기 자동차


내연 기관의 이론적인 기틀도 18세기 말부터 서서히 갖추어집니다. 하지만 내연 기관이 자동차에 적용되는 데에는 거의 100년의 시간이 필요했습니다. 가장 큰 걸림돌은 바로 연료였습니다. 내연 기관은 엔진 안에서 연료를 태웁니다. 따라서 증기 기관처럼 석탄을 태우고 재를 걷어내는 방식은 불가능합니다. 즉 타고 남은 다음에 기체가 되어 사라지고 아무런 찌꺼기를 남기지 않는 연료가 필요했습니다. 하지만 당시에는 지금처럼 원유를 정제해서 휘발유나 경유와 같은 연료를 만드는 기술이 없었습니다. 


그래서 초기의 내연 기관들은 수소와 같은 기체 연료를 사용했습니다. 하지만 기체를 액체 상태로 압축하여 저장하는 기술이 없었던 당시에는 한 번에 싣고 다닐 수 있는 기체 연료의 양은 아주 적을 수 밖에 없었고 주행할 수 있는 거리도 제한적이었습니다. 1860년 벨기에의 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)가 고안한 가스 엔진이 세계 최초로 제품화된 내연 기관으로 알려지고 있습니다.

 


▲ 에띠엔 르누아르(Etienne Lenoir)의 가스 엔진


내연 기관의 역사에도 자동차의 아버지인 벤츠는 역시 빠지지 않습니다. 바로 오늘날 우리가 타는 자동차처럼 액체 연료를 사용하는 내연 기관을 최초로 사용한 자동차가 벤츠가 만든 공식적으로 세계 최초의 자동차인 파텐트모터바겐(Der Patentmotorwagen, 특허자동차)이기 때문이죠. 1886년에 특허를 획득한 이 차에 실린 엔진은 4행정 휘발유 엔진이었습니다. 이 탄생하기까지 칼 벤츠는 휘발유 엔진의 원리를 발명한 니콜라스 오토 Nikolaus Otto, 동업자였던 고트리프 다임러 Gottlieb Daimler, 그리고 빌헬름 마이바흐 Wilhelm Maybach 등과 함께 약 20여 년에 걸쳐 가솔린 엔진의 이론적 배경과 특허, 시제품들을 개발해왔습니다. 

 


▲ 벤츠의 파텐트 모터바겐


이외에도 디젤 엔진, 슈퍼 챠저, 터보 챠저 연료 공급용 캬부레터, 점화 장치 등 내연 기관과 관련된 핵심 기술들은 20세기의 여명기 이전에 이론적 바탕이 거의 완성됩니다. 심지어는 요즘 하이브리드 자동차와 함께 각광을 받는 고효율 가솔린 엔진의 원리인 앳킨슨 사이클도 이미 1882년에 확립된 것입니다. 자동차 기술의 공룡인 로버트 보쉬도 1897년 자석 유도식 점화 장치를 개발하는 것으로 지금의 역사가 시작되었습니다. 

 



이렇듯 내연 기관은 19세기 후반에 정립되어 20세기에서 꽃을 피웁니다. 내연 기관의 비약적 발전에는 크게 세 가지의 동기가 있었습니다. 첫 번째는 자동차 레이스입니다. 1920년대부터 본격적으로 시작된 자동차 레이스는 지금까지도 자동차 성능 향상의 가장 큰 역할을 합니다. 승리를 위해서는 고성능 엔진이 꼭 필요하기 때문이죠. 또한 레이스 전체를 견디어야 하는 내구성, 연료 보급을 최소화하여 시간과 무게를 줄여야 승리할 수 있다는 효율성 등 자동차 엔진의 발전과 레이스는 동반 성장할 수 밖에 없는 숙명의 존재입니다.


두 번째는 전쟁입니다. 세계 대전은 추위에도 얼어 죽지 않는 철마의 수송 능력과 무거운 장갑을 덮고 전장을 누비는 육중한 전차, 하늘을 지배하는 비행기 등 내연 기관의 전천후 성능과 고성능에 집중하였습니다. 전쟁이 역사적으로 기술 발전의 강력한 동기였듯이 내연 기관에게도 이것은 마찬가지였습니다. 비용보다는 성능이 중요한 군사용으로 개발된 기술이 향후 상품성을 갖추면서 일반 대중에게 전파된 예는 무수하듯이 말입니다.


 


세 번째는 1970년대 이후의 오일 쇼크와 환경 오염 문제입니다. 기름값이 폭등하면서 연료 소모율이 중요해졌고, 이산화탄소 온실효과와 대도시의 광학스모그, 미세먼지 등의 오염 문제가 대두되면서 엔진의 배출가스에 관심을 갖게 되었습니다. 20세기 말부터 지구 온난화, 그리고 재작년의 디젤 게이트 등으로 내연 기관들은 이전에 없던 강력한 기준으로 관리 대상이 되었습니다.


요즈음의 전기 모터는 내연 기관을 대체할 만큼 큰 힘을 낼 수 있습니다. 하지만 문제는 연료에 있습니다. 내연 기관은 연료 탱크 하나로 수백 킬로미터를 달리고 단 몇 분만에 재보급이 가능하지만 전기 모터의 연료 탱크인 배터리는 아직은 훨씬 무겁고 비싸며 충전하는 데에 시간이 오래 걸리기 때문에 실용적이지 못하지요. 이 문제를 해결하려는 시도가 교환식 배터리나 수소 연료 전지입니다. 우리는 어쩌면 역사적 전환기에 살고 있는지도 모릅니다. 짧게는 몇 세기, 길게는 수천 년마다 일어나는 동력 기관의 전환기가 우리 인생에 다가올 수도 있기 때문입니다. 하지만 여전히 전기차는 미래이고 현실은 내연 기관입니다.




※ 본 콘텐츠는 집필가의 의견으로, 삼성화재의 생각과는 다를 수 있습니다. 







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