벤츠의 엔진 이전에 어떤 일들이 있었을까?

카를 벤츠의 1886년 특허-모토르바겐(Patent-Motorwagen)은 역사에 자동차의 탄생으로 기록되었습니다. 하지만 그 전설적인 엔진에 이르는 길은 완전한 끈기와 시행착오의 이야기였습니다. 1806년 드 리바스의 수소 자동차, 1826년 새뮤얼 브라운의 언덕 오르기, 르누아르의 히포모빌, 그리고 오토의 4행정 사이클이 없었다면 벤츠의 가솔린 엔진은 결코 탄생하지 못했을 것입니다. 지금부터 그 연쇄의 처음부터 끝까지 이야기를 소개합니다.

폭발로 피스톤을 밀어내는 아이디어는 어떻게 탄생했을까?

증기 기관은 19세기 초에 어디에나 있었습니다. 공장과 배, 심지어 최초의 도로 차량까지 움직이고 있었습니다. 하지만 문제가 있었습니다. 증기 보일러는 무거웠고 가열하는 데 몇 시간이 걸렸습니다. 그렇다면 연료가 보일러 밖이 아니라 실린더 안에서 연소된다면 어떨까요? 바로 내연기관의 아이디어는 정확히 이 질문에서 탄생했습니다. 다시 말해 불을 엔진 자체로 옮기는 것은 냄비를 화롯대에 올리는 대신 화롯대를 냄비 아래에 놓는 것과 같은 셈입니다.

이 아이디어를 처음으로 진지하게 실현한 인물은 포병 장교 프랑수아 이삭 드 리바스였습니다. 무기와 화약의 세계에서 온 사람에게 폭발이 피스톤을 밀어낼 수 있다고 생각하는 것은 전혀 어렵지 않은 일이었습니다. 실제로 대포도 그렇게 작동했으니까요. 1804년부터 연구해 온 그의 엔진을 1807년에 한 대의 차량에 장착했고, 역사상 최초의 내연기관 자동차는 짧은 거리를 주행했습니다.

수소는 풍선에, 점화는 볼타 전지에

드 리바스의 엔진은 오늘날의 관점에서 놀라울 정도로 현대적인 개념을 담고 있었습니다. 연료로는 수소, 점화에는 전기 스파크를 사용했습니다. 수소-산소 혼합물은 풍선에 저장되었고, 볼타 전지가 스파크를 일으켰으며, 피스톤이 위로 튀어 올랐습니다. 이후 과정은 기계적으로 번거로웠습니다. 밸브를 손으로 열고 닫아야 했고 타이밍 메커니즘이 없었습니다. 내려온 피스톤은 래치가 달린 도르래 시스템을 통해 바퀴를 회전시켰습니다.

프랑스계 스위스 발명가인 그는 1807년 1월 30일 파리에서 731호 특허를 받았고, 발레 주에도 등기를 했습니다. 집착에 가까운 엔지니어처럼 개발을 계속했고 1813년에는 거대한 기계를 만들어냈습니다. 길이 6미터, 지름 2미터의 바퀴를 가진, 무게 약 1톤의 차량이었습니다. 베베에서 300킬로그램의 짐과 4명의 승객을 싣고 9% 경사의 도로에서 26미터를 주행했는데, 속도는 시속 3킬로미터 였습니다. 한 스트로크당 겨우 4-6미터밖에 전진하지 못했으니, 차에서 내려 걷는 편이 더 빠르겠다고 말하지 않는 것이 오히려 어려웠습니다.

더 나쁜 것은 아무도 그를 진지하게 받아들이지 않았다는 점입니다. 당시 과학계는 내연기관이 결코 증기기관을 앞지르지 못할 것이라 주장했습니다. 역사는 누가 옳았는지 증명해 보였지만, 그에는 반세기가 필요했습니다. 한 가지 참고 사항: 같은 해인 1807년에 Niépce 형제는 물 분사로 배를 운항할 수 있던 Pyreolophore 특허를 받았습니다. 어느 설계가 진정한 첫 번째인지는 오늘날까지도 논쟁 중입니다.

Samuel Brown과 오르막에 대한 불굴의 도전: 1826년의 가스 엔진

다음 단계는 영국에서 나왔습니다. 엔지니어 Samuel Brown은 1823년 12월 4일 내연기관에 대한 특허를 받았습니다. 그의 접근 방식은 Rivaz의 것과 달랐습니다. 그는 오래된 Newcomen 증기기관을 가스 연료로 작동하도록 개조했습니다. 그의 엔진은 수소로 작동했으며 별도의 연소실을 사용했는데, 어떤 면에서 진공에 기반한 가스-진공 방식의 설계였습니다.

Brown의 시연은 엔진 역사상 가장 대담한 마케팅 쇼 중 하나였습니다. 1826년 5월 27일, 그는 엔진을 마차에 장착하고 런던의 Shooter's Hill을 오르막으로 올라갔습니다. 오늘날에는 차를 몰고 사진을 찍고 언덕 위에 멈추는 것처럼 보이지만, 당시에는 그와 유사한 것이 전혀 없던 성과였습니다. 그럼에도 Brown의 차량은 실용적인 자동차로 간주되지 않습니다. 그것은 하나의 시연이자 증명 시도였습니다. 하지만 증명은 완료되었습니다. 연소가 실린더 내부에서 일어나면 차량은 정말로 움직일 수 있었습니다.

Étienne Lenoir: 첫 상업적 성공과 Hippomobile

이 시점부터 상황이 진지해집니다. 벨기에 출신 프랑스 엔지니어 Étienne Lenoir는 1858년에서 1860년 사이에 개발한 엔진으로 최초의 상업적 성공을 거둔 내연기관을 만들었습니다. 압축 없이 점화 플러그로 점화하는 2행정 가스 엔진이었으며, 1860년은 Lenoir의 엔진이 최초의 내연기관으로 인정받은 해가 되었습니다. 파리에서는 이러한 엔진에 대한 실제 수요가 있었고, 1865년까지 약 143개의 엔진이 판매되었으며, 일부 계산에서는 차량용이 아닌 엔진을 포함해 총 판매 수를 350-400개로 추정합니다. 그 차이의 원인은 무엇을 세느냐에 있습니다. 차량 엔진인지, 아니면 모든 Lenoir 가스 엔진인지입니다.

하지만 Lenoir를 역사에 새긴 것은 엔진보다 그 위에 탑승한 차량이었습니다. 1863년에 그는 Hippomobile을 선보였습니다. 자체 엔진을 탑재한 3륜 차량이었습니다. 엔진은 단일 실린더에, 2543 cc 배기량이었고 겨우 1.5 hp 출력이었습니다. 초기 버전의 연료는 물의 전기분해로 생산된 수소였습니다. 이후 석유계 연료로 전환되었고 원시적인 카뷰레터가 추가되었습니다. 심지어 논란의 여지가 있음에도 불구하고 최초의 자동차로 간주되기도 합니다. 한편 연료 전환은 흥미로운 아이러니입니다. 최초의 수소 차량 아이디어는 1806년으로 거슬러 올라가고, Lenoir는 이후 휘발유 연료로 돌아섰으며, 오늘날 수소 엔진이 다시 논의되고 있습니다. 역사는 때때로 완전한 원을 그립니다.

문제는 처음부터 명백했습니다. Lenoir 엔진은 비효율적이었습니다. 압축이 없어 연료 대부분이 낭비되었고, 거의 절반 가까이 버려졌습니다. 이렇게 생각해 보세요. 내부 점화라는 아이디어는 옳았지만 점화 전에 혼합기를 압축해야 합니다. 그렇지 않으면 폭발력이 약해집니다. 이 문턱을 넘을 인물은 반대편에 있었고, 이미 쾰른에서 일을 시작한 상태였습니다.

Otto와 Langen: 효율성 혁명과 4행정 사이클

1864년 Nicolaus Otto와 Eugen Langen은 쾰른에서 세계 최초의 내연기관 회사인 N. A. Otto & Co.를 설립했습니다. 3년 뒤인 1867년, 이들은 자유 피스톤 대기압 엔진을 선보였습니다. 이 엔진의 작동 원리는 꽤나 독창적이었습니다: 연소가 피스톤을 위로 튀어 오르게 하고, 피스톤은 이후 진공 효과로 내려가는 동안 일을 했습니다. 1867년 파리 만국 박람회에서 대상을 수상했고, 그때까지의 가장 효율적인 가스 엔진이라는 타이틀을 얻었습니다. 또한 성공적으로 양산에 들어간 최초의 엔진이기도 했습니다 - 약 0.5마력 버전 중 하나가 아직도 작동 가능한 상태로 남아 있는데, 이것만으로도 하나의 공학적 승리입니다.

하지만 Otto의 머릿속에는 더 큰 아이디어가 있었습니다. 1861년에 첫 엔진을 만들었고, 그해 말까지 4행정 사이클이라는 생각에 도달했습니다. 1876년에 마침내 연료를 압축하는 최초의 내연기관을 실현했는데 - 오늘날에도 그의 이름으로 불리는 오토 사이클입니다. 차이점은 무엇일까요? 혼합기를 압축하면 폭발의 힘이 배가됩니다. 간단한 비유를 들자면: 같은 풍선을 살짝만 부풀리는 대신 끝까지 부풀려서 터뜨리는 것과 같습니다. 초기 테스트에서 엔진은 몇 분 만에 고장 났고 Otto-Langen 파트너십도 해체되었지만, 그 아이디어는 자리 잡았습니다. 압축 없는 구식 설계들은 빠르게 버려졌습니다; Lenoir 이후 이어져 온 비효율 문제가 해결된 것입니다.

Delamare-Deboutteville: 네 바퀴로 넘어간 초기 시도들

1876년 이후에는 이 엔진을 차량에 제대로 장착할 차례였습니다. 프랑스인 Édouard Delamare-Deboutteville은 1881년 Lenoir와 Otto의 연구를 검토하며 자신의 첫 4행정 내연기관을 만들었습니다. 1883년에는 Léon Malandin과 함께 Otto의 4행정 엔진에 기반한 연소 엔진을 개발했고, 같은 해 가솔린으로 구동되는 내연기관 차량을 설계했습니다.

일이 항상 순조롭게 진행된 것은 아니었습니다: 첫 시도에서 자동차가 두 동강 났습니다 - 그렇습니다, 문자 그대로요. 하지만 프랑스에서는 오늘날 이 두 사람이 최초의 네 바퀴 자동차의 발명가로 불립니다. 이는 선구자 논쟁이 얼마나 미묘한지를 보여줍니다: 이름과 특허를 갖는 것과 실제로 세상에 나와 사용 가능한 상태가 되는 것 사이에는 상당한 차이가 있습니다.

Benz의 특허로 이어진 마지막 걸음: 1886

Karl Benz의 이야기는 사실 1886년보다 7년 앞서 시작됩니다. 그의 최초의 고정식 가솔린 엔진은 단기통 2행정 엔진이었고, 처음으로 1879년 새해 첫날 작동했습니다. 가솔린이라는 아이디어가 어떻게 탄생했는지에 관해서는, 그 이야기가 무척 일상적이면서도 완벽합니다: Benz가 장갑을 닦던 중 벤젠이 담긴 그릇이 불꽃에 점화되는 것을 보고, 이 휘발성 액체를 연료로 사용할 수 있을 것이라고 생각했습니다. 주방에서의 사고가, 자동차 시대를 연 연료를 발견한 셈입니다.

Benz Patent-Motorwagen 를 위해 1886년 1월 29일 가스 엔진으로 구동되는 차량의 특허 출원이 이루어졌고 특허를 취득했습니다. 단기통 4행정 가솔린 엔진은 약 0.55 kW (0.75마력)을 생산했으며, 최고 속도는 16 km/s 였습니다. 숫자들은 Rivaz의 3km/s에 비하면 혁명적이지만 오늘날의 기준으로는 입을 삐뚤게 할 수준이 아닙니다; 진짜 문제는 속도가 아니라 그 조합이었습니다. 가벼운 섀시, 강력하지만 작은 엔진, 석유 기반 연료 - 그리고 엔진의 출력이 플라이휠과 균형을 이루는 것. 이 모든 것이 한데 모이면서 처음으로 실용적인 자동차가 탄생했습니다. 대부분의 역사가들은 이 특허를 자동차의 탄생으로 봅니다. 곧이어 Gottlieb Daimler도 무대에 합류했는데, 많은 이들이 그를 실용적인 내연기관을 만든 최초의 인물로 여기며, 1889년에 V형 2기통 4행정 엔진을 발명하여 한 걸음 더 나아갔습니다.

이 연쇄 전체를 놓고 보면 무엇이 보이나요?

모든 이름은 하나의 다리를 짊어지고 있었습니다: de Rivaz는 불꽃을 실린더 안으로 넣었고, Brown은 움직일 수 있음을 증명했으며, Lenoir는 팔릴 수 있는 엔진을 보여주었고, Otto는 효율성을 해결했으며, Delamare-Deboutteville은 네 개의 바퀴로 옮겨갔고, Benz는 그 모든 것을 한 대의 차 안에 담았습니다. 어느 하나가 없었다면 모두 실패했을 것입니다 - 특허 기록에 한 발명가의 이름이 남아 있더라도, 그 엔진은 사실 80년간의 집단적 노력의 산물이었습니다.

그렇기에 다음에 자동차 키를 돌리고 엔진이 도는 소리를 들었을 때 잠시 멈추고 생각해 보세요: 그 소리는 1807년 수소 풍선으로 시작된 아주 긴 이야기의 마지막 고리입니다. 여러분은 이 연쇄에서 어떤 단계가 가장 용감했다고 생각하시나요? 저는 Benz가 벤젠이 담긴 그릇 사고에서 휘발유 연료 아이디어를 꺼내온 것이 마음에 듭니다 - 하지만 아무런 진지한 주목도 받지 못한 de Rivaz의 수소 자동차 역시 무시하기에는 아깝습니다.

출처

• 드 리바 엔진
• 사무엘 브라운 (엔지니어)
• 사무엘 브라운 (브롬턴 출신)
• 최초의 자동차 | 우리 천재성의 엔진들 - 휴스턴 대학교
• 이포모빌
• 에티엔 르누아르
• 아이디어의 탄생: 에티엔 르누아르와 내연기관
• 오토 엔진
• 오토-랑겐 대기압 엔진
• 오토 (1832) - 에너지 키즈
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