Fig.1 광부의 친구
농업이 확산하고 인구가 증가하면서 연료와 집을 지을 재료로 사용되던 목재는 점점 고갈되기 시작했습니다. 특히나 잉글랜드가 상황이 좋지 않았는데요. 이에 영국 의회는 목재 채취를 제한하는 법을 제정합니다. 목재의 고갈과 채취 규제는 석탄의 수요를 늘리고, 석탄의 수요 증가는 탄광의 깊이를 더 깊어지게 했죠. 탄광의 깊이가 깊어지자, 탄광에 차오르는 물이 문제가 되었습니다. 사람과 말의 힘만으로 탄광 속 물을 퍼내는 데는 한계가 있었거든요.
1698년, 토머스 세이버리Thomas Savery 는 이를 해결하기 위해 증기기관을 이용한 펌프 "광부의 친구”를 개발합니다. 이 펌프는 밀폐된 용기에 물을 채우고 가열하여 스팀의 힘으로 물을 배출했죠. 그리고 물이 빠진 용기를 찬물로 식혀 용기 내에 있는 수증기가 응축하면서 진공을 만들면 그 힘으로 탄광의 물을 다시 빨아들였죠. “광부의 친구”는 최대 15미터까지 물을 퍼낼 수 있었습니다. 출력은 1마력에 불과하고 고장도 잦았지만, 로열티로 막대한 금액을 받습니다. 세이버리의 성공은 많은 발명가들이 증기기관 개발에 뛰어들게 만드는 계기가 됩니다.
Fig.2 열효율 1%의 트레비식 엔진
세이버리의 엔진이 가동되고 있던 주석 광산에 지하수가 범람하는 사건이 벌어집니다. 이를 본 토마스 뉴커먼Thomas Newcomen 은 세이버리 엔진이 무언가 잘못되었다고 생각하죠. 그리고 1705년 증기압을 조절하는 곳과 상하 운동이 일어나는 곳을 분리한 증기기관을 완성합니다.
뉴커먼 엔진의 작동 원리는 다음과 같습니다. ①보일러로부터 저압의 스팀을 실린더 안으로 끌어들인 뒤 밸브가 닫히고 ②분사된 찬물에 의해 스팀이 응축하며 진공이 발생하며 ③이때 대기압이 피스톤을 밀어 내려 펌프를 올리는 힘을 얻습니다.
뉴커먼의 엔진은 과정마다 찬물로 피스톤과 실린더를 식히고 다음 과정에 들어오는 스팀으로 다시 가열시켜야 하므로 효율이 매우 낮았습니다.(열효율이 약 1퍼센트 정도) 그럼에도 스팀의 응축하는 힘을 이용해 산업적으로 사용된 최초의 기계였다는 점에서 역사적으로 중요한 의미를 가집니다.
Fig.3 제임스 와트가 증기기관을 대표하게 된 이유
엔진을 연구하던 제임스 와트James Watt 는 뉴커먼 엔진의 열 손실 약 80%가 찬물을 뿜어 식게 된 실린더를 도로 데우는 데서 발생한다는 것을 파악합니다. 그래서 실린더를 식히는 대신 별도의 응축기를 고안해 1765년 분리응축식 증기기관을 완성합니다. 하지만 당시 대장간 수준의 철 가공 기술로는 와트가 필요로 하는 정밀도의 부품을 얻는 것은 매우 어려웠습니다. 와트가 개발 중인 엔진에서는 증기가 새어 나왔죠.
이 문제는 존 윌킨슨John Wilkinson 을 만나면서 해결됩니다. 윌킨슨은 최초의 공작기계를 만들어 균일하고 정교한 철제 장비를 만들어 냈거든요. 이 과정에 막대한 자본이 들어가 투자자였던 제철업자 존 로벅John Roebuck 이 파산하는 일도 있었지만 1776년 마침내 와트의 증기기관이 완성됩니다. 와트의 엔진은 뉴커먼의 엔진보다 75퍼센트나 적은 양의 석탄을 사용했죠.
와트의 엔진이 증기기관을 대표하게 된 데에는 1781년에 만들어진 회전형 증기기관의 덕이 큽니다. 이 회전형 증기기관이 등장하면서 수차를 대체할 수 있게 되었고, 증기기관은 광산의 물을 퍼올리는 데만 쓰이는 것이 아닌 거의 모든 공장의 동력원이 되거든요.
그리고 사실 증기기관의 개발에는 많은 사람들이 뛰어들었지만, 와트가 특허권을 독점하고 있었기 때문에 두드러진 활약을 할 수 없었습니다. 와트는 특허가 만료되는 1800년까지 여러 차례 특허 침해 소송을 벌였습니다. 이를 보고 한 연구자는 와트를 당대 최고의 특허 전문 변호사라고 비꼬기도 합니다.
Fig.4 폭발하는 고압 스팀 엔진와트의 증기기관은 부피와 중량이 거대했기 때문에 운송수단에는 사용되지 못했습니다. 중량을 줄이고 출력을 높이기 위해서는 보다 고압 스팀을 이용했어야만 했는데요. 당시 스팀 보일러는 안전밸브가 없어 폭발 사고가 빈번했죠. 따라서 증기기관 엔진 특허를 대부분 보유하고 있던 와트는 고압 스팀 사용을 반대했습니다. 참고로 당시 와트의 증기기관은 약 3기압의 압력을 사용했는데요. 이는 오늘날 발전용 터빈에 사용되는 스팀 압력의 약 7%에 해당하죠.
리처드 트레비식Richard Trevithick 은 1800년경 와트의 분리 응측기 특허를 피하기 위해 증기 엔진을 개조한 고압 스팀 엔진을 개발합니다.그의 엔진은 수직 파이프를 통해 배기 증기를 직접 배출하여 와트의 특허 침해 가능성을 피했습니다. 트레비식은 이를 이용해 1801년 도로용 증기차를 제작하는데요. 운전자가 잠시 술집에 들른 사이에 폭발하고 맙니다. 1803년 그리니치에서는 트레비식 엔진이 폭발하여 4명이 사망하는 사고가 발생하죠.
그럼에도 불구하고 트레비식은 고압 스팀 엔진을 이용해 1804년 세계 최초의 증기기관차 페니다렌Pen-y-Darren 호를 제작해 페니다렌의 광업용 궤도에서 주행하는데요. 이를 바탕으로 1808년 런던에서 기관차 캐치-미-후-캔Catch-Me-Who-Can 호를 시연했지만 당시 주철로 만든 선로는 기관차의 무게를 견디지 못하고 파괴됩니다.
Fig.5 자동차의 서막, 내연기관증기기관은 기관 외부의 열을 이용한 외연기관인데요. 반대로 기관 내부의 열, 연소실에서 연소되어 기체가 팽창하는 힘을 이용한 내연기관도 있었습니다. 내연 기관의 시초는 1675년 경 윈저 성에 물 공급을 개선하기 위한 프로젝트에 참여한 사무엘 몰랜드Samuel Morland 가 만든 화약을 이용한 물 펌프로 알려져있죠.
이후 1800년 프랑수아 이자크 드 리바즈Francois Issac de Rivaz 가 수소와 산소에 의한 내연기관을 만들었고, 1824년에는 프랑스의 물리학자 사디 카르노Sadi Carnot 가 이상적인 엔진에 대한 열역학 이론을 수립합니다. 카르노의 이론에 따르면 압축행정은 필수적인 것이었죠.
실질적으로 사용된 내연 기관은 1859년 에티엔 르누아르Etienne Lenoir 가 제작한 석탄가스와 점화플러그를 이용한 엔진이었습니다.이 엔진은 압축 행정이 없는 2사이클식 엔진이었죠. 이후 르누아르는 가솔린을 연료로 하는 엔진을 만들어 1863년 1.5마력을 내는 엔진을 장착한 삼륜차 '히포모빌Hippomobile'을 제작합니다. 히포모빌은 10km를 90분에 걸쳐 성공적으로 운행합니다. 이는 사람이 뛰는 것보다 느렸지만, 사람들의 주목을 받았죠.
Fig.6 엔진 엔지니어 올 스타 : 오토 / 다임러 / 마이바흐 / 벤츠니콜라오스 아우구스트 오토Nicolaus Otto는 1860년 르누아르의 가스 엔진을 보고 비슷하게 엔진을 따라 제작합니다. 이를 1861년 특허 신청하지만 거부되죠. 그 뒤로도 4행정 엔진 제작을 시도하지만 잘 되지 않습니다. 이후 1864년 칼 유진 랑겐Carl Eugen Langen 과 파트너십을 맺고 내연기관 전문 생산 회사 NA Otto & Cie를 차리게 되는데요. NA Otto & Cie는 1875년까지 연간 634개의 엔진을 생산하면서 상업적으로 성공합니다.
1872년 NA Otto & Cie는 도이츠 가스 엔진 공장Gasmotoren Fabrik Deutz(현재 Deutz AG)으로 재편되는데요. 이때 경영진은 다임러Gottlieb Wilhelm Daimler 를 기술책임자로 발탁합니다. 그해 8월에 합류한 다임러는 마이바흐Wilhelm Maybach 를 수석 설계자로 영입하죠. 한 회사의 각각의 기술책임자가 된 오토와 다임러는 엔진 개발에 집중합니다.
당시 Deutz AG의 엔진은 대기 엔진(피스톤을 되돌리는 힘이 대기압에서 나오는 엔진)이었는데요. 대기 엔진은 기술적으로 출력의 한계가 있었습니다. 이에 오토는 자신이 1862년에 실패했던 4행정 사이클에 다시 주목합니다. 결국 1877년 기체 연료, 압축 충전 4행정 사이클 엔진을 개발하는데 성공합니다. 이 엔진은 출시 즉시 성공을 거두죠.
오토는 4행정 사이클 엔진 특허를 받을 때 다임러의 이름을 제외합니다. 이것이 계기가 되어 둘은 불화를 겪죠. 결국 1880년 다임러는 회사에서 쫒겨나고, 마이바흐 역시 사임하고 다임러를 따라 갑니다.
도이츠에서 독립한 다임러와 마이바흐는 1883년 당시 새로운 자원이었던 석유 나프타(리그로인)를 이용한 엔진을 개발합니다. 이 엔진은 당시 다른 엔진보다 작고 가벼웠으며 성능도 좋았는데요. 이를 이용해 1885년에는 최초의 오토바이인 '다임러 승용차Daimler Reitwagen'를 제작하고 1886년에는 자동차를 제작하죠. 1890년 다임러는 자신의 엔진 사업인 다임러 모터 회사Daimler Motoren Gesellschaft (DMG)를 설립합니다. 물론 마이바흐가 수석 엔지니어였죠. DMG는 1892년부터 자동차를 판매하기 시작합니다.
그리고 우연히도 다임러 승용차가 출시한 1886년, 칼 벤츠Carl Friedrich Benz 도 석유 나프타(리그로인)을 이용한 엔진으로 자동차 벤츠 페이턴트 모터바겐Benz Patent-Motorwagen 을 제작합니다. 벤츠는 1886년부터 자동차를 판매하고, 그의 회사Benz & Cie 는 1899년 572대를 생산한 세계 최대의 자동차 회사가 되었습니다. 다임러가 사망한지 26년이 지난 1926년, 벤츠는 다임러의 DMG와 합병해 다임러-벤츠를 설립해 오늘날까지 이어오고 있죠.
Fig.7 효율을 75% 높인 디젤 엔진 루돌프 디젤Rudolf Diesel 은 1880년 대학을 졸업하자마자 지도교수인 카를 폰 린데Carl Von Linde 를 도와 새로운 냉각기와 얼음 공장을 짓는 일을 도왔고 일 년 후 공장의 책임자가 됩니다. 디젤은 암모니아 증기로 작동하는 스팀 엔진을 만들어 시험하던 중 폭발 사고로 거의 목숨을 잃을 뻔하는데요. 이때 병원에 있으며 디젤 엔진에 대한 아이디어를 구상하고 1893년 「현재의 스팀 엔진과 내연기관을 대체할 수 있는 합리적 열 엔진의 이론과 제작법」이라는 논문을 발표합니다.
당시 엔진의 효율은 10~15%정도였는데요. 디젤은 자신의 논문을 바탕으로 보다 더 효율적인 엔진을 개발하고자 노력합니다. 디젤의 해결책은 연소실에서 공기를 압축해 연료와 접촉하게 하는 것이였죠. 이러면 내부 온도는 더 높아지고 더 빠르게 팽창하게 됩니다. 이로써 디젤의 엔진은 연료 효율이 기존 10%보다 75%나 더 높았죠. 마침내 1897년 디젤 엔진 Motor 250/400이 성공적으로 테스트 되며 디젤 엔진이 시장에 선보이게 됩니다. 디젤 엔진은 제조 산업의 혁신을 일으켰고 디젤은 로열티로 막대한 부를 얻었죠.
Reference.
김기태. (2020). 엔진의 역사. 지성사
사이먼 윈체스터. (2020). 완벽주의자들. 북라이프