1. 서론
가솔린이 아니라 알코올을 사용하는 레이싱 엔진은 가혹한 상황에 노출되는 장치에 대체연료를 사용하는 이유는 특성차이나 정책적인 추진 외에도 여러 가지 요인이 있습니다. 여기서는 연료특성에서 오는 운전상태의 차이에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
2. 알코올은 기화잠열이 높고 옥탄가가 높아서 이론공연비가 작습니다.
아메리칸 오픈 휠 모터스포츠의 최상위 카테고리와 알코올 연료의 관계는 1930년 전후로 가솔린에 첨가제로서 메탄올을 사용한 기록이 남아 있을 정도로 오래되었습니다. 알코올 연료가 가진 높은 옥탄가, 즉 항노킹성 향상을 기대한 채택이었는데, 바로 성능향상을 위해서 사용하였습니다.
1969년부터는 메탄올 100% 사용이 의무화되었습니다. 가솔린에 인화되는 화재가 계속해서 발생했기 때문으로, 알코올 연료는 발화할 때 불길이 잘 안 보인다는 결점이 있긴 하지만, 물로 소화시킬 수 있다는 점을 중시해 채택하게 되었습니다. 또한 발화온도가 높아 자기 착화가 힘들다는 점도 한 몫했습니다. 2006년 당시의 최상위 카테고리였던 인디 레이싱 리그는 이 해에 메탄올 90%과 에탄올을 10%를 혼합한 연료 사용을 의무화하였으며, 다음 해인 2007년에는 에탄올을 100%로 규정하였습니다. 정확하게 말하면 에탄올 98%에 2%의 가솔린을 혼합하고 있습니다. 가솔린을 섞는 것은 음용을 막으려는 목적과 발화했을 때 불질이 보이도록 하기 위해서입니다.
당시 미국은 재생가능한 대체연료로서 바이오에탄올의 생산 및 소비를 장려하고 있었습니다. 옥수수나 사탕수수, 목재 등을 원료로 하여 생산한 에탄올을 '가솔린 90%+에탄올 10%' 나 '가솔린 15%+ 에탄올 85%' 형태로 해서 주유소에서 판매하기도 했습니다. 1990년 이후로 생산된 시판 자동차는 '가솔린 90% + 에탄올 10%'에 대응했으며, '가솔린 15%+에탄올 85%'는 가솔린과 에탄올 모두 사용 가능한 Flex Fuel Vehicle로 이용할 수 있었습니다. '가솔린 90% + 에탄올 10%' , '가솔린 15% + 에탄올 85%'의 이용을 장려하는 광고수단으로 IRL이 일익을 담당한 것입니다. 2006년부터 2008년 동안 사이드 푼툰 측면에 Ethanol 로고를 배치한 에탄올 머신이 미국 각지의 서킷을 누비고 다녔습니다.
광물에서 추출한 메탄올과 식물에서 추출한 에탄올 사이에도 성질 차이는 있지만, 가솔린과 비교했을 정도의 큰 차이는 없습니다. 1994년부터 아메리칸 오픈 휠의 최상위 카테고리에 참전했던 혼다는 그래서 별 다른 어려움 없이 메탄올에서 에탄올로 변화하는 과정에 적응할 수 있었습니다. 광물에서 유래했든 식물에서 유래했든 상관없이 알코올은 친수성이 있는 산소함유 연료이기 때문에, 금속에 대한 부식작용이나 고무 등과 같은 수지계통 재료에 대한 팽윤작용이 문제가 됩니다. 고무부품이 팽윤 하면 팽창과 경화를 통해 탄력성이 없어지고 실성을 상실하기 때문에 연료가 새는 원인이 됩니다. 그 때문에 표면처리에 대한 배려가 필요합니다. 연료가 직접 닿는 부위의 실에는 팽윤대책의 일환으로 불소계 O링을 사용합니다.
부식대책으로는, 철 재료 같은 겨우는 SUS계통을 사용하고, 알루미늄의 경우는 경질 알루마이트 처리재를 사용하는 것이 일반적입니다. 짧은 기간에 정비가 가능한 경우 표면처리 재료를 사용하지 않아도 문제 되지 않지만, 며칠이고 방치해 두어야 할 경우는 가솔린으로 엔진을 작동시키고 알코올로 씻어내는 작업을 합니다. 알코올은 가솔린에 비해 윤활성이 떨어지는 것도 특징 중 하나입니다. 실린더로 공급된 연료 일부가 타지 않고 남는 것은 가솔인이나 알코올 모두 마찬가지이지만, 가솔린은 그 자체가 어느 정도 윤활성을 가지고 있는데 반해, 알코올에는 그런 것이 없습니다. 오히려 오일을 씻어내는 효과가 있기 때문에 피스톤 냉각용 오일 제트에 윤활기능을 갖게 하는 경우도 있었습니다.
3. 알코올 계통 엔진의 구조
이런 알코올 일반에 대한 대책이 갖추어져 있으면, 가솔린에서 알코올계통 연료로 바뀌었다 하더라도 구조면에 있어서는 특단의 배려를 필요로 하지 않습니다. 내연기관으로서의 구조는 동일합니다. 다만 연소는 다릅니다. 알코올계통 연료와 가솔린에서 가장 두드러지게 다른 것은 이론공연비와 발열량, 옥탄 가격입니다. 이론 공연비는 가솔린이 14.7인데 비해 에탄올은 9입니다. 같은 배기량과 회전속도의 엔진을 작동시키는데 에탄올은 가솔린에 비해 약 1.6배의 연료를 공급해야 합니다. 바꿔 말하면 대용량 인젝터를 필요로 합니다.
알코올은 기화잠열이 큰 것도 특징으로, 인젝터에서 분사되면 기화하면서 급격하게 주위의 열을 빼앗습니다. 흡기 온도를 대폭 낮추기 때문에 항노킹성은 향상됩니다. 옥탄가가 가솔린보다 높다는 점과 더불어 점화시기를 진각시킬 수 있어서 토크 향상으로 이어집니다. 또한 알코올은 연소 온도가 가솔린보다 낮아 냉각손실이 적습니다. 기호잠열에 의한 흡기의 냉각효과나 고옥탄가 덕분에 압축비를 높일 수 있다는 점 등, 일반적으로 높은 열효율을 얻을 수 있습니다. 2세대 프리우스 엔진을 이용해 실행한 실험에서는 에탄올 농도를 높일수록 토크가 향상됨으로써, 열효율이 높다는 것을 확인한 바 있습니다. 일반 가솔린에서 31.7%였던 열효율은 에탄올 100%에서 39.6%까지 올라갑니다.
기화잠열에 따른 흡기의 냉각효과는 체적효율을 향상하는 측면에서도 반가운 현상이지만, 반대로 반갑지 않은 현상도 나타납니다. 즉 '에어 블로킹 현상'인데 극격하게 냉각되어 팽창한 혼합기가 실린더로 들어오려고 하는 흡기를 밀어내는 현상을 말합니다. 기화시키는데 열중하다 보니 원래 들어와야 했던 공기가 못 들어오게 되는 것입니다. 포트분사의 경우, 인젝터 방향이나 위치를 개선함으로써 기호상태를 조정했다고 합니다.
4. 마무리하며
2015년 시점에서의 아메리칸 오픈 휠의 최상위 카테고리는 인디카 시리즈로서, 2012년 이후에는 2.2리터, V6 직접 분사 터보로 경쟁했습니다. 변함없이 알코올계통 연료를 사용하고 있지만, 에탄올 100%가 아니라 '가솔린 15% + 에탄올 85%'입니다. 충전소에서 살 수 있는 연료로 사용함으로써, 레이스와 일반 차량이 가까운 관계에 있다는 것을 적극적으로 알리기 위해서입니다.
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