로터리 엔진에 대하여

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Mazda RX-8 로터리 엔진

다음은 과학동아 기사 내용입니다.
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최근 환경에 대한 관심이 높아지면서 하이브리드 엔진을 장착한 자동차가 속속 등장해 기존의 피스톤 엔진 차량을 위협하고 있다. 아직까지는 피스톤 엔진이 자동차 엔진을 꽉 잡고 있지만, 그 아성이 언제까지 이어질지는 아무도 모를 일이다. 1960년에도 피스톤 엔진의 맞수가 나타나 그 아성을 거의 무너뜨린 사건이 있었기 때문이다.

피스톤 엔진은 르느아르, 니콜라우스 오토, 고트립 다이믈러 등 여러 기술자들에 의해 개량이 거듭되면서 제2차 세계대전 이후 자동차 엔진의 표준이 돼버렸다. 특히 미국의 헨리 포드사가 자동차 대량 생산 방식을 도입하면서 1950년대 ‘마이카’ 시대가 열리자 피스톤 엔진은 아예 자가용 엔진의 대명사처럼 불렸다.

이런 상황에서 1960년 자동차 생산에 뛰어든 독일의 NSU 모터가 새로운 자동차 엔진 개발에 성공했다고 발표했다. 로터리 엔진이 그 주인공이었다.

피스톤 엔진은 구조적으로 실린더 내에서 움직이는 피스톤과 크랭크 샤프트로 이뤄져 있다. 실린더 내에서 압축된 공기가 연료와 섞이면서 점화 플러그에 의해 폭발할 때 열에너지가 발생하는데, 이 열에너지가 공기를 팽창시켜 피스톤이 상하로 왕복하면서 크랭크축을 회전시켜 자동차를 움직인다.

반면 로터리 엔진에서는 피스톤의 왕복운동이 사라졌다. 회전한다는 뜻의 ‘rotary’라는 이름에서 알 수 있듯이 로터리 엔진은 연료와 공기가 섞여 연소가 일어나는 부분에 위치한 로터면에 열에너지의 팽창력이 전달되면서 로터가 왕복하는 대신 회전하는 방식을 채택했다. 피스톤의 왕복 운동이 필요 없었기 때문에 피스톤 엔진에 비해 소음이 적고 움직임도 원활했다. 구조도 더 간단하게 만들 수 있어 복잡한 부품 생산 비용을 줄일 수도 있었다.

로터리 엔진을 선보인 NSU 모터는 처음에 재봉틀을 만들다가 자전거 제작을 거쳐 자동차 시장에 진입한 회사였다. 자동차 엔진 개발에 전혀 경험이 없었던 NSU 모터가 로터리 엔진을 개발할 수 있었던 것은 순전히 펠릭스 방켈 박사와 손잡은 덕분이었다.

방켈 박사는 한번도 체계적인 기술교육이라곤 받아본 적이 없는 사람이었다. 과학서적 영업사원을 하다가 1924년부터는 독일 하이델베르크에 수선 작업장을 차리고 수선공으로 생계를 꾸려갔다. 바로 그해부터 방켈 박사는 로터리 엔진에 심취해 독자적인 기술 개발에 나섰다. 그는 제2차 세계대전 발발 전까지 BMW, 융커, 다임러 벤츠 등 자동차 기업들의 하청으로 로터리 밸브 제작 등의 일을 하며 로터리 엔진 개발에 매달렸다.

1951년 방켈 박사는 NSU 모터가 자신의 엔진에 관심을 보이자 회사와 손잡고 본격적으로 로터리 엔진 개발에 착수했다. 1960년 드디어 NSU 모터와 방켈 박사는 독일박물관에서 방켈 로터리 엔진의 시연에 성공했다. 이후 신문들은 ‘기적의 엔진’이 출현했다고 떠들어댔고, 주식 시장은 새로운 엔진 시장의 출현을 예상하며 덩달아 상승세를 보였다.

방켈 로터리 엔진을 장착한 최초의 자동차 방켈-슈피더는 그로부터 3년이 지나서야 모습을 드러냈다. 시판에는 1년이 더 걸렸다. 방켈-슈피더가 자동차 경주대회에서 두 차례나 우승을 거두면서 로터리 엔진의 성능은 충분히 입증됐다. 피스톤 엔진에서 고회전시 들리는 소음이 들리지 않았고, 가속도 잘 됐다.

1967년 마침내 자동차의 신기원을 마련할 모델 NSU Ro 80이 탄생했다. Ro 80은 로터리 엔진을 장착했다는 것뿐만 아니라 디자인도 당시 자동차와 확연히 달라 유명인들이 앞 다퉈 구입하겠다고 나설 정도로 순조로운 출발을 보였다. 피스톤 엔진은 더 이상 이전의 명성을 유지하지 못할 것 같은 분위기였다.

하지만 복병이 있었다. NSU 모터는 Ro 80이 완벽하고 앞선 기술을 구현한 로터리 엔진을 장착했다는 것에 초점을 맞춰 시장 공략에 나섰지만 그 전략이 들어맞지 않았다. 피스톤 엔진보다 조용해 소리 없이 가속된다는 로터리 엔진의 장점이 한편으로는 고속주행으로 인해 운전자의 사고를 유발할 수 있었기 때문이었다. 또 계속 가속하다가 별안간 엔진이 멈추는 사고도 종종 발생했다. 로터리 엔진에 대한 기대감이 점차 실망으로 바뀌기 시작했다. 하지만 NSU 모터는 이런 문제점들에 안이하게 대처했고, 로터리 엔진의 장점을 시대에 맞게 적절히 부각시키지도 못했다.

1970년대 들어 환경오염문제가 사회적 이슈가 되면서 로터리 엔진은 재도약의 기회를 잡을 수 있었다. 피스톤 엔진보다 질산화물 방출양이 적어 친환경적이었기 때문이다. 하지만 1973년 세계적으로 석유파동이 닥치자 이런 장점보다는 로터리 엔진의 단점이 부각됐다. 결정적으로 로터리 엔진은 연소실 벽이 불규칙하게 마모돼 연료가 완전히 연소되지 못했기 때문에 연료소비율이 좋지 않았다. 석유파동으로 기름값이 오르자 연료를 많이 소모하는 로터리 엔진은 자연히 큰 타격을 받았다.

결국 로터리 엔진을 장착한 Ro 80은 1977년을 마지막으로 자동차 시장에서 사라졌다. NSU 모터의 미숙한 대응과 석유파동 등 정세 변화로 가볍고 조용한 로터리 엔진 자가용 시대의 도래는 실현되지 못했던 것이다.

이후 마쯔다에서 로터리엔진이 생산되어 많은 자동차에 사용되어 왔으며, 거듭된 개량으로 연료소모율이 아주 좋아져서 요즘은 왕복피스톤엔진보다 더 좋은 연료 소모율을 나타낸다. 단위무게당 높은 출력과 추력당 연료소모율이 왕복엔진 보다 좋아져서 무인항공기에도 로터리엔진이 사용되고 있다.