1. 자동차 발달사

◆ 동력을 이용하는 자동차의 시초(始初)는 1705년 영국사람 토머스 뉴코먼(Thomas Newcomen)이증기기관을 발명, 제작함 으로서 시작되었다. 1760년 제임스 와트(James Watt)가 증기기관을 개량함으로써 1769년에는 증기기관을 탑재한 증기자 동차가 탄생하였다. 그 후 자동차의 기관, 차체에 대한 수많은 발명이 있었다. 그러나 오늘날의 자동차의 시작은 1876년 독일사람 니콜라스 오토(Nicholas Otto, 1832∼1891)에 의한 4사이클 내연기관의 발명이 그 시초라는 것이 통설이다.

                                                        오토 내연기관

◆ 1600년 : 네덜란드 사람 시몬 스테핀(Simon Stevin)이 풍력 범주차(帆走車)를 발명하여 28명의 승객을 태우고 시속 34㎞로 2시간 동안 주행하였다고 전해지고 있다.

◆ 1633년 : 영국 사람 요한 하우리시(Johan Haurish)가 태엽식 자동차를 시작(試作) 하여 시속 1.5㎞로 주행하였으나 실용에는 이르지 못하였다.

◆ 1769년 : 프랑스 사람 죠지프 퀴뇨(Joseph Cugnot)가 세계 최초의 증기 추진 앞1륜, 뒤 2륜의 3륜 자동차를 제작하여 약 3.5㎞/h로 주행하였다. 이후 약1 세기 동안 여러가지 증기 자동차가 제작되었고, 속도와 주행시간도 개선되어 전성기를 이루었다.

                      제임스 와트의 증기기관                                              퀴뇨의 증기 자동차

◆ 1839년 : 영국 사람 듀갈드 클러크(Dugald Clerk, 1854∼1932)가 2 사이클 기관을   발명하였다. 이것은 현재 소형 자동차나 단차(單車) 등에 널리 사용되고  있다.

◆ 1885년 : 2륜 자동차 (니콜라스 오토)

◆ 1886년 : 3, 4륜 자동차 (독일 다임러, 벤츠) 가솔린 기관 이용  가솔린 기관 원동기 시초

◆ 1873년 : 영국 사람 데이비드슨(R. Davidson)이 자동차의 원동기로서 납·아연 축전지를 사용하는 전기 자동차를 시도하였다.  1900년에는 영국 사람 하드 가 자동차의 각 바퀴에 전동기를  붙여 시속 80㎞로 달릴 수 있는 전기 자동차를 만들  었는데 세계 최초의 4 륜 구동차였다.

◆ 1885년 : 독일 사람 고틀리브 데임러 (Gottlieb Daimler, 1834∼1900)가 최초로 기화기를 발명하여 2륜차에 탑재하였다.

◆ 1893년 : 미국 사람 헨리 포드(Henry Ford)가 포드자동차 제 1호를 만들어 자동차 제작의 선도역할을 하였다. 1903년에는  A형 포드, 1908년에는 T형 포드를 발표하였다.

◆ 1897년 : 독일의 루돌프 디젤(Rudolf Christian Karl Diesel, 1858∼1913)이 압축 점화기관을 발명하여 년 실용화하였다. 지금의 디젤기관으로서 석유, 경유, 방카 C유 등의 값싼 저질 연료를 사용할  수 있고 열효율도 오토(otto) 기관보다  좋아 현재 트럭이나 버스 등의 대형 자동차에 널리  사용되고 있다.

2. 미래의 자동차 기관   

1) 환경 친화성을 높이는 기술

     세계 각국은 자국의 환경보호를 위하여 자동차 배기가스 규제를 강화하고 있으므로 새로운 환경에 적응하는 저공해, 무공해 자동차의 개발이 진행되고 있다. 환경을 보전하고 연료소비 율을 감소시켜 사용에너지를 절약화 경량이 기술이  활발하다. 알루미늄, 엔지니어링 플라스틱 시래믹스  (ceramics) 재료 등 신소재가 사용된다.

①차체 구조물 :  플라스틱 복합재료(폴리에스터, 에폭시 비닐에스터, 우레탄 등의 혼합수지에 흑연등을 섞어 강도를 높인다)로 차체를 만들면 여러 부품을 하나로 사출 할 수 있으므로 조립시간 단축 등으로 생산성이 향상되고 무게가 30%정도 가벼워져 연비가 향상된다. 이것은 구조물 단위로 교환함으로 정비가 쉬워진다. 미국 듀퐁사는 플라스틱 복합재료를 사용한 자동차로서 MARKⅡ  프로젝터  카를 만들어 놓고 있다.

② 세라믹스(ceramics) 기관 : 실린더 블록의 재료를 내열성이 강한 시래믹스 재료를 사용하면 냉각장치(라디에이터, 워터재킷)와 윤활 장치가 없어도 내마모성이 좋고, 고온에 견딜 수 있으므로  열효율을 30%정도 높일 수 있다. 그러나 가공이 어렵고 재료에 미세한 결함이 있으면 쉽게 파손되는 결점이 있어 아직 실용화가 되지 않고 있다.

2) 대체 연료를 사용하는 기관

     에너지 절약과 환경보호를 위하여 청정 에너지(clean energy)를 사용하는 저공해, 무공해 자동차의 개발이 진행되고 있다.

① 수소연료 기관(21세기의 자동차) :  인류의 미래는 수소에 달려있다 할만큼 수소는 중요한 에너지 자원이다. 수소는 물에서 무한정 얻을 수 있으며, 이것을 기관에서 연소시키면 연소배출 물은 모두 수증기로 되기 때문에 청정 에너지라고 한다. 수소는 고온 연소할 때 공기중의 질소와 결합하여 약 간의 질소 산화물(NOx)이 배출되나 연소 조건의 개선으로 문제가 되지 않는다. 사용 방법으로서 저압 분사방식은 수소가스를 연소실내에 직접 분사하며, 고압 분사방식은 액체수소를 기화시켜 실린더 내에 분사하는데 높은 출력을 얻을 수 있다.

② 알코올연료 기관 :  알코올 연료는 자체가 산소를 가지고 있으므로(공기에 3.5%정도 산소를 더 공급한다) 배기가 깨끗해진다. 그러나 발암 물질인 포름알데히드가 배출되는 결점이 있다. 알코올 연료는 곡물을 증류하여 에탄올을 제조하고, 석탄 및 천연가스로부터 메탄올을 제조한다. 발열량이 휘발유보다 떨어져 많은 량의 연료가 필요하며, 제조 비용은 휘발유보다 2배 더 든다. 또한 기관을 부식시키며, 큰 출력을 얻기 위하여 연소장치를 약간 크게 해야한다.

3) 천연가스(LNG) 연료 기관

    영하 162°에서 액화하면 부피가 1/60으로 줄어듦으로 저장과 운반이 쉽고, 발열량이 휘발유 보다  높아서 LNG 디젤기관을 개발하고 있다. 러시아, 이태리, 아르헨티나, 뉴질랜드, 미국 등에서 약 100만 대의 자동차가 운행되고 있다. 현대 자동차는 지난 2000년 출시한 천연가스 시내버스에 2003년  고급좌석  천연가스 버스』를 개발, 시판에 들어갔다.

① CNG(Compressed Natural Gas) 기관 :  이 기관은 천연가스를 고압(200-250기압)으로 용기에 충전하여 사용한다.

② LNG(Liquified Natural Gas) 기관 :  상온(常溫), 상압(常壓)의 기체상의 천연가스를 -162℃에서  액화한 후, 단열용기에  저장하여 사용한다. 이것은 용기제작이 어렵고, 기화할 때 연료 공급장치가  얼기 때문에 사용되지 않고 있다.

4) 2cycle 기관을 이용한 열효율 향상

    휘발유 기관을 2cycle로 제작하여  대형 승용차에 설치함으로서 열효율을 약 1.5배 더 높혔다. 프랑스의 푸조 자동차는 3000cc 급의 기관, 미국의 포드, 호주의 오비털사 등이 2cycle 대형 기관을 제작 하였다.

3) 전기자동차

    배터리의 전기는 자동차를 구동시킬 뿐만 아니라 야간 운행시의 등화장치, 공기조화장치, 부수 장치들의 동작 등에 많은량이 소비되어 아직 실용화되지 못하고 있다. 대량의 자동차가 소비하는 전 력을 공급하기 위하여 태양열 발전소가 있어야 한다는 조건이 필요하다. 미국의 클리브랜드 루이스 연구센터는 집광식 태양열 발전장치로 효율을 10%에서 20%로 높였다.  자동차에서 휘발유 50ℓ에 해당하는 에너지를 얻으려면 배터리가 2ton정도 있어야하고 자동차 무게까지 3∼4ton이 되므로 고성능 배터리의 개발이 필요하다. 배터리는 니켈아연전지, 염소아연전지, 나트륨 유황전지, 리튬염소전지, 플라스틱 배터리등이 개발되고 있다. 미국의 GM사는 한번 충전으로 88km/h의 속도로 192km를 주행하였다. 우리나라의 현대와 대우자동차 는 니켈수소전지장치 자동차를 개발하여 실용화를 준비하고 있다.  미래의 배터리 전기는 물에서 2중수소, 리튬에서 3중수소를 대량추출(무한정)하여 2중, 3중수소의 핵융합 발전을 하면 싼값으로 대량생산할 수 있으며, 이것으로 축전지를 충전 하게되면 지금의 주유소는 축전지 교환장소가 된다.

1) 연료전지 자동차 :  휘발유에서 수소를 얻어 움직이는 전기 자동차이다. 연료 탱크의 휘발유를 연소시키지 않고 휘발유에서 수소를 추출하고 이것을 백금촉매에 의하여 공기중의 산소와 결합시키는 화학반응을 일으키면 물이되면서 직류 전기를 발생한다. 이것을 교류로 바꾸어 전기 모터를 움직이는 방식이다. 미국의 크라이슬러사는 휘발유에서 수소를 뽑아내는 기술을 이용하여 휘발유 1ℓ로 34km의 거리를 주행하는 연료 전기 자동차를 디트로이트 모터쇼에 출품하였다. 우리나라의 현대자동차도 시작(試作) 차를 만들었다.

2) 하이브릿드 기관(hybrid engine) :  전기 자동차는 지속적 전기에너지 공급이 부족하기 때문에 휘발유 기관을 병용하는 복합기관이 개발되고 있다. 출발이나 시내의 저속운전에는 전기를 이용한 모터 주행을 하고, 보통 때는 휘발유 기관을 사용하며 최고속도를 낼 때는 전기모터와 휘발유 기관을 같이 사용하는 방식이다. 휘발유기관의 작동 시나 감속 시에 충전이 되므로 외부충전이 필요 없다. 이렇게 하면 CO, HC, NOx(질소산화물)가 1/10로 감소되고 탄산가스(CO2)가 1/2로 감소된다.  일본의 도요타 자동차는 휘발유 1ℓ로 28km 거리를 주행할 수 있는 시작 차(試作 車)를 만들었는데  현재보다 연비가 2배 높다. 현대와 기아자동차는 95년 서울 모터쇼에 출품하였는데 전기로만 154km 주행, 휘발유와 전기를 같이 사용하여 620km를 주행 하여 15%의 에너지를 절약할 수 있었다.

3. 자동차 공업

1)  자동차와 사회발전

① 수송수단 : 육상, 해상, 항공수송

② 육상수단 : 철도, 자동차

③ 자동차 수송의 장점 : 수송하는 목적이나 질에 알맞도록 수송구간, 구간경로  시간, 승차인원, 물자   적재량 등을 자유롭게 선정.

④자동차 수송의 단점 : 교통정체, 사고, 소음, 진동, 환경오염

2)  자동차 환경

① 대기오염의 고정 발생원 : 공장, 화력 발전소, 쓰레기 소각장 이동 발생원 : 자동차, 항공기, 선박

② 발생되는 오염물질 : 황 산화물(SO_X), 이산화 탄소(CO), 질소 산화물(NO_X),  분진 매연(흑연비)

③ 광화학 smog 현상 : 눈이나 목의 점막자극, 두통, 손발마비, 농작물과   가로수 잎의 변색 등을 일의 킨다.

3)  자동차 공업의 특징

① 대량생산  ② 다양한 수요 ③ 종합공업