2행정 엔진의 단면, 피스톤 상부 폭발 과정과 간소화된 크랭크 구조로 경량·고출력 특성을 갖고 있다.(오토헤럴드 DB)

[오토헤럴드 김흥식 기자] 자동차 기술에서 퇴출된 것으로 여겨졌던 2행정 엔진이 다시 무대 전면에 등장할 수 있을까. GM이 최근 미국 특허청에 2행정 엔진의 구조적 한계를 해결할 수 있는 새로운 기술을 출원한 것으로 알려지면서 관심이 쏠리고 있다. 

GM은 이번 특허에서 기존의 2행정 방식이 가진 연료 누설과 배출가스 문제를 전자제어 기술로 해결하고 하이브리드 파워트레인, 특히 발전용 엔진으로 활용할 수 있다는 가능성을 강조한 것으로 전해졌다.

2행정 엔진은 구조가 단순하고 구성 부품이 적어 무게가 가볍고 제작 비용이 낮은 데다 같은 배기량에서도 4행정보다 폭발주기가 두 배 빨라 출력 밀도가 높다는 장점을 갖고 있다. 2행정 엔진은 오토바이, 스노우모빌, 잔디 깎기 등 소형 장비에 지금도 사용되고 있다.

하지만 흡기와 배기 포트가 동시에 열리는 오버랩 과정에서 미연소 연료가 그대로 배출되고 탄화수소 배출량이 급증하는 문제가 있었기 때문에 엄격한 환경 규제를 통과하지 못하고 점차 퇴출됐다. 주류 자동차 기술이 4행정 중심으로 재편되면서 2행정 엔진은 사실상 자동차 시장에서 자취를 감췄다.

GM은 이번 특허를 통해 기존 2행정 엔진의 구조적 결함을 전자식으로 보완하려는 기술적 접근을 취했다. 피스톤과 실린더 벽 사이에 이동식 슬리브 타입 밸브를 삽입하고 이를 전자기 혹은 기계식 제어장치로 독립적으로 조절해 흡기와 배기 타이밍을 제어하는 방식이다.

포트 개폐를 피스톤 위치에 의존하지 않고 전자적으로 정밀 제어하면서 기존에 발생하던 연소 과정의 손실과 배출 문제를 해결하려는 시도다. 특허 도면에는 엔진의 열 관리와 타이밍 제어 방식이 등장하며 전통적인 기계식 구동을 전자 통제 방식으로 전환했다. 

흥미로운 점은 이러한 기술이 차량 주행을 위한 엔진이 아니라 전기차 기반의 하이브리드 시스템에서 발전 용도로 활용될 가능성이 있다는 것이다. GM은 특허 내용에 해당 방식의 엔진이 하이브리드 시스템과 결합될 수 있음을 명시했고 이를 통해 소형 고회전 엔진이 전기 에너지 공급원으로 활용되는 구조를 시사했다.

이 경우 2행정 엔진은 차량 구동이 아닌 전력 생산을 담당하며 전기 모터가 직접 구동을 맡는 레인지 익스텐더(EREV, 주행거리 연장용) 방식 또는 고성능 기반 플러그인 하이브리드 시스템에 적용될 수 있다. 내연기관을 ‘발전용 유닛’으로 활용하는 방식으로, 주행거리 연장형 전기차에 특히 적합한 구조다.

GM이 출원한 2행정 엔진 특허 도면으로, 하이브리드 차량 내 엔진 위치와 흡·배기 포트 제어 구조를 보여준다. (출처:미 특허청)

2행정 엔진은 제작이 간단하고 무게가 가벼워 패키지 효율이 높고 고회전에 유리하다는 면에서 전기화 시대에도 소형 고성능 발전 유닛으로 활용될 수 있는 잠재력을 지닌다. 반면 고회전 내구성과 열 관리, 윤활 방식 개선 등 해결해야 할 기술적 과제와 환경 규제를 충족해야 할 관문은 여전히 남아 있다.

그럼에도 불구하고 전기차 중심으로 경향이 흐르는 상황에서 일부 제조사가 내연기관 기술을 보완 재활용하려는 움직임이 나타나고 있다는 점은 눈여겨볼 만하다.

최근 전기차 판매 성장세가 둔화되고 배터리 생산 비용 부담이 커지면서 일부 제조사들은 전기차 단일화 대신 다양한 전동화 방식에 대한 전략적 접근을 시도하고 있다. GM의 이번 특허는 내연기관을 완전히 배제하는 것이 아닌 “필요할 때 정확한 방식으로 활용”하려는 기술적 타협이기도 하다.

2행정 엔진이 당장 상용화로 이어지기는 어렵지만 기술적 방향성을 제시했다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 2행정 엔진 기술이 현대적인 제어 방식과 결합해 발전 유닛이나 고성능 하이브리드 구성 요소로 재탄생할 경우, 내연기관의 존재 방식이 완전히 바뀔 수 있다.

전기차가 모든 것을 해결하지 못하는 상황에서 효율이 높고 구조가 단순한 내연기관을 보조 동력 시스템으로 활용하는 접근은 충분히 현실적인 해법이 될 수 있다는 점에서 2행정 엔진이 어떤 역할을 할 수 있을지 기대감을 높이고 있다. 

김흥식 기자/reporter@autoherald.co.kr

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