인간이 운송 효율의 정점에 있을까요? 우리는 기계적 생산성의 한계에 도달한 것일까요? 우리는 과거 50년간 차량에서, 특히 일상 운송 수단이라는 측면에서, 놀라운 발전을 이룩했습니다. 하지만 아직 달성해야 할 것이 있습니다. 이제 자동차 산업에서 전자 기술의 수용이 인간의 운송 효율과 그러한 효율을 가능하게 하는 차량 전자장치 적용을 획기적으로 개선했는지 살펴보겠습니다.
석기시대에서 Ford Model T까지: 운송의 혁신
거의 340만 년 동안 첨단 도구는 돌로 만들어졌습니다. 기원전 3,000년이 되어서야 도구가 청동과 같은 합금으로 만들어지 시작했고, 보다 효과적인 도구(예: 바퀴)를 만드는 인간의 능력이 발전했습니다. 청동은 기원전 1300년에 이르러 급속히 철과 강철로 대체되어 이러한 도구는 그 어느 때보다 강성과 탄성이 향상되었습니다. 사람들은 더 멀리, 더 빠르게 여행할 수 있었습니다. 중세시대에는 금속 도구, 기계, 무기, 탈것이 삶의 거의 모든 측면을 혁신했습니다. 1,000년의 중세시대에 이룩한 발전은 이전 340만 년의 그것보다 획기적이었습니다.
몇 세기 만에 산업혁명을 거친 제조 공정은 대량 생산이 가능하게 되었습니다. 대량 생산의 시작과 함께 도구 및 기계 효율에서 또 한 번 획기적 도약을 맞이했습니다. 제조에 설계 공차(제조된 제품의 크기 및 형태 차이의 한계)라는 개념이 매우 중요해지고, 가공 기술은 구성품을 대규모로 호환 가능하도록 만들었습니다. 자전거와 자동차는 대량 생산 덕분에 대중들이 구매할 수 있게 되었습니다. 최초로, 장단거리 여행 능력이 세상을 작게 만들었습니다. 또는 적어도 그렇게 느끼게 되었습니다.
Ford Model T가 1908년부터 도로를 달리기 시작했을 때 장착된 내연 기관은 가솔린 1갤런당 거의 21마일을 주행할 수 있었습니다. 이제 인간은 화학 및 기계 시스템을 사용하여 대규모로, 그것도 저렴하고 확장 가능한 이동할 수 있게 되었습니다. 중세시대를 석기시대와 비교했을 때와 매우 비슷하게, Model T 출시 이후 한 세기 동안 지난 5,000년을 뛰어넘고 그 전 300만 년과는 거의 비교할 수 없는 성장을 거두었습니다.
그러나 Model T가 선보인 지 거의 50년 동안 자동차에는 획기적이라 할 만한 변화가 없었습니다. 자동차가 더 커지고 빨라졌지만 1908년에 세상을 뒤바꾼 효율과 혁신은 정체 상태였습니다. 석기시대부터 20세기 초반까지 이어진 기하급수적인 도구 효율 향상이 끼익거리며 멈추는 듯 보였습니다.
차량 연비 표준: 차량 효율의 탄생
미국에서의 연비는 Model T 이후 반세기 동안 보다 강력한 차량에 대한 수요가 증가하면서 실제로 악화되었습니다. 미국 의회가 1975년 기업평균연비(CAFE) 규정을 제정하고 나서야 "자동차"에서 "효율"을 고려하기 시작했습니다. 1960년대부터 1970년대 초까지 유명한 미국 머슬카 시대 이후 자동차는 속도뿐 아니라 연비까지 좋아야 하는 새로운 도전에 직면한 것입니다.
미국 자동차 제조사는 자동차가 내외부 모두에서 작동하는 방식을 바꿔야 했습니다. 1980년에 전자 및 컴퓨터 기술이 자동차의 구원투수로 등판하여 자동차 산업을 핵심에서 흔들기 시작합니다. 전자장치는 빠르게 화학 및 기계 분야와 결합되어 새로운 운송 혁신을 열어나갑니다.
연료 효율적 차량: 전자식 기화기와 그 너머
전자장치는 1970년대 이전부터 자동차에 사용되었지만 엔지니어들은 대부분 보다 강력한 시스템을 구축하고 차량 가속 성능을 높이기 위해 이를 활용했습니다. 그러나 1980년대 말에는 럭셔리 슈퍼카에서 미국에서 가장 저렴한 자동차에 이르기까지 효율이 자동차 산업의 핵심 화두가 되었습니다. 이러한 우선순위 변화로 자동차 산업의 핵심에서 파워와 머슬이 배제된 것은 아니었습니다. 오히려 엔지니어들은 더 효율적으로 작동하는 자동차를 개발하는 데 집중했습니다.
1985년, Chevrolet Sprint는 고속도로 연비 53MPG(갤런당 마일), 도심 연비 44MPG를 자랑했습니다. 이는 10년 전 자동차의 평균 연비의 4배에 달하는 것이었습니다. 그 비결은 전자 제어식 기화기와 콤팩트하면서도 강력한 정밀 제작 엔진이었습니다.
자동차 산업에서 자동차 자체만 전자 기술의 수혜를 받은 것이 아닙니다. 가공 및 제조 공정도 새로운 전자 제어 시스템을 도입한 덕분에 점차 정밀해져 이러한 경량이면서도 강력한 엔진을 생산할 수 있게 되었습니다. 산업혁명 이후 최초로 제조에서의 발전이 기하급수적으로 가속되었습니다. 자동차 전반에 걸친 정밀한 부품 가공으로 열 활용 및 에너지 전달 효율이 전반적으로 향상되었습니다.
과거 평균 MPG
미국 환경보호청(EPA)은 1975년 이후 자동차 평균 연비를 추적하고 있습니다. 아래 이미지에서 CAFE 규정 도입 이후 연비와 이산화탄소 배출량이 거의 두 배 개선된 것을 볼 수 있습니다.
출처: EPA Automotive Trends Report
전자장치는 현대 차량의 거의 모든 측면을 제어하는 데 필수적입니다. 차량에서 가장 고가의 구성요소 몇 가지는 전자 시스템 자체가 되었습니다. 몇 가지 예를 들어보겠습니다.
- 기계식 센서(예: 속도계)가 전자식으로 변화
- 기화기가 전자 제어식 연료 분사 시스템으로 대체
- 사용자가 무선 센서 및 송신기를 사용하여 타이어 공기압을 모니터링
전기차 혁신
1975년~1985년 사이의 연비 붐 이후, 자동차 산업은 Model T와 1970년대 초 사이에 겪은 것과 비슷한 정체기를 맞습니다. 1980년대 중반부터 2000년대 초까지 자동차 연비는 정점을 기록하고 약간 하락했습니다. 이 정체는 출력을 극대화하기 위해 새로 구현된 기술을 활용한 때문일 수 있었습니다. 전자장치 추가로 인해 자동차 중량이 증가했습니다. 방대한 배선 하네스와 새로운 전자 시스템은 무거웠기 때문에 궁극적으로 자동차 평균 연비에 악영향을 미쳤기 때문입니다. 그러나 2000년대 초에 새로운 유형의 자동차가 자동차 산업의 혁신을 약속합니다. 전기차입니다.
전기차(EV)는 구성이 다양합니다.
- 풀 하이브리드 전기차(FHEV)
- 플러그인 전기차(PEV)
- 순수 전기차(FEV)(배터리 전기차(BEV)라고도 함)
당연히 대체 에너지원을 사용하는 자동차는 ICE 차량과 관련된 이산화탄소 배출을 저감합니다. 또한 평균 연비를 높이고, 따라서 산업 전반에 걸친 효율도 증가합니다. 지난 15년간 하이브리드 및 순수 전기차의 증가로 오늘날 가장 영향력 있는 자동차 회사 중 일부는 기록적인 효율을 달성하고 있습니다.
출처: EPA: 세계 13대 자동차 제조사 평균 연비
전자 기술과 연비: 미래를 위한 기술
자동차 산업은 역사상 가장 효율적 수준이고, 다음과 같은 발전으로 효율을 계속 개선하고 있습니다.
- 컴퓨터를 활용한 공기역학적 설계
- 정밀 튜닝된 엔진
- 하이브리드 기술
- 순수 전기차
- 이산화탄소 배출 저감
제조사는 지속적으로 내연 엔진의 열 효율을 개선하고 있고, 자동차에서 더 많은 부분을 전력에 의존하고 있습니다. 전자 시스템은 급속히 자동차 산업을 알아볼 수 없는 상태로 혁신할 수 있습니다.