자동차가 기름(가솔린/디젤)을 필요로 하는 근본적인 이유는 내연기관의 에너지 변환 과정에 있다. 열에너지를 기계적 동력으로 전환하기 위한 필수적인 에너지원으로서, 다음과 같은 과학적 메커니즘으로 작동한다.
에너지 변환의 물리적 과정
내연기관은 연소 반응을 통해 화학에너지를 기계적 에너지로 변환하는 시스템이다. 가솔린의 경우 옥탄(C₈H₁₈)이 산소와 반응하면 다음과 같은 화학 반응이 발생한다.
2C8H18+25O2→16CO2+18H2O+에너지(약 47.5MJ/kg)
이 반응에서 방출된 열에너지는 실린더 내 기체를 급격히 팽창시켜 피스톤을 하강시키며, 커넥팅로드와 크랭크축을 통해 회전 운동으로 전환된다. 디젤 엔진은 압축착화 방식으로 공기만 먼저 고압축(압축비 14:1~25:1)한 후 연료를 분사하여 자발적 연소를 일으킨다.
| 엔진 유형 | 점화 방식 | 압축비 | 열효율 |
|---|---|---|---|
| 가솔린 | 전기 점화 | 8:1~12:1 | 25~35% |
| 디젤 | 압축 착화 | 14:1~25:1 | 35~45% |
4행정 사이클의 필수 요소
기름은 표준 4행정(흡기-압축-폭발-배기) 사이클에서 핵심적인 역할을 수행한다:
- 흡기 행정: 기화된 연료-공기 혼합기(가솔린) 또는 순수 공기(디젤) 흡입
- 압축 행정: 혼합기 압축(가솔린 8~18bar, 디젤 30~50bar)
- 폭발 행정: 점화플러그(가솔린) 또는 고압축(디젤)에 의한 연소
- 배기 행정: 연소 생성물 배출
"현대 가솔린 엔진의 공연비(공기:연료)는 이론적으로 14.7:1로 최적화되어 있습니다. 이 비율에서 완전연소가 이루어지며, ECM은 산소센서 데이터로 이 비율을 실시간 조정합니다."
대체 연료 시스템과의 비교
전기차는 배터리와 모터로 기계적 에너지를 직접 생산하므로 기름이 필요 없지만, 내연기관 차량에서는 다음과 같은 이유로 기름이 필수적이다:
- 고에너지 밀도(가솔린 46MJ/kg vs 리튬이온배터리 0.5MJ/kg)
- 급속 에너지 공급 가능(주유 5분 vs 충전 30분~8시간)
- 기존 인프라와의 호환성
수소엔진의 경우 기존 내연기관을 개조해 사용할 수 있지만, 현재는 연료전지 방식이 더 효율적(60% 이상)으로 평가받고 있다. 그러나 여전히 대부분의 자동차는 기름 기반의 에너지 변환 시스템을 사용하며, 이는 열역학 제1법칙(에너지 보존)에 따른 에너지 공급의 실용적 선택이다.