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일본엔진기술, 50% 열효율을 향한 도전

작성자
acl
작성일
2015-06-24 21:10
조회
1428
1. 도입

2050년에 이르러도 내연기관이 파워트레인의 대부분을 차지할 것이라는 것은 국제에너지기구(IEA: International Energy Agency) 등의 보고서를 통해 이미 잘 알려져 있는 사실이다. 최근 전기 및 수소자동차 등 탄소연료를 이용하지 않는 에너지원에 대한 관심 및 지원이 증가하고 있기는 하지만, 이들이 탄소연료를 이용하는 내연기관을 단기간에 대체하기는 힘든 상황이기 때문에, 당장 직면하고 있는 환경문제 및 규제에 대응할 수 있는 기존 내연기관의 열효율 향상기술이 보다 현실적이고 중요한 과제로 인식되고 있는 추세이다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 오토저널 7월호

이러한 추세에 더불어 2014년 일본 정부는 내연기관기술에 대한 새로운 비전을 제시하였는데, 이는‘내연기관의 혁신적 제어를 통해 향후 5년 안에 기존 엔진의 열효율을 50%까지 끌어올릴 수 있는 요소기술을 개발하고, 이를 통해 내연기관에서 발생하는 CO2 양을 2011년 대비 30% 저감하겠다는 것을 목표로 하고 있다. 이의 실현을 위해 기초기술부터 응용, 사업화 기술에 이르는 폭넓은 연구에 대해‘혁신적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)’이라는 대형 국가프로젝트 안에서 지원할 것이라 밝혔다. 이러한 정부의 정책흐름에 맞물려 일본의 자동차업계 및 연구소, 대학 등은 50% 열효율 달성이라는 화두를 바탕으로 다양한 형태의 연구회 및 컨소시엄을 구성하고 있다.

본 고에서는 50%의 열효율 달성을 위해 구축되고 있는 최근 일본의 연구협력체제 및 각 체제에서 거론되고 있는 주요연구과제에 대해 소개하고자 한다. 아직은 방향성이 정립되어 있지 않고 성과가 가시화되지 않은 상태이기 때문에 이 시점에서 다루기에는 시기상조이지 않을까 하는 생각도 하였으나, 최신 동향을 보고하는 것이 본 고의 주목적임을 감안할 때 흥미로운 주제가 될 수 있다고 판단하였다.

2. 가솔린엔진 기술 (내연기관공동연구추진위원회)

일반적으로 가솔린엔진의 열효율은 디젤엔진보다 낮기 때문에 50% 열효율 달성을 위해서는 디젤엔진이 보다 유리한 선택이 아닐까 생각할 수도 있다. 그러나 디젤엔진은 고압정밀분사시스템, PM 및 NOx 규제를 맞추기 위한 후처리 장치를 필요로 하는 등 시스템이 점점 고도화되고 복잡해지고 있기 때문에 가솔린엔진 대비 차량가격이 대폭 상승할 우려가 있다.

2013년 3월호에 소개한 바와 같이 다양한 열효율 향상기술(직분희박연소, 고압축비, 다운사이징, 아이들링스톱등)을 통해 가솔린엔진의 열효율이 40%에 근접해 가고 있
는 상황에서, 차세대 고효율 엔진의 핵심엔진으로서 가솔린엔진의 중요성이 재조명되고 있는 듯 하다.

가솔린엔진의 열효율 향상기술개발은 일본자동차기술회(JSAE)의‘내연기관공동연구추진위원회’를 주축으로 이루어지고 있는데, 내연기관공동연구추진위원회의 주요위원회 및 분과회는 표 1과 같이 구성되어 있다.

내연기관공동연구추진위원회는 2014년 일본자동차기술회(JSAE) 춘계대회의 GIA(Government-Industry- Academy)포럼에서, ‘가솔린엔진의 50% 열효율 달성을 위한 주요과제 및 전략’에 관해 발표했다.

내연기관공동연구추진위원회는 현재 가솔린엔진의 가장 큰 문제점으로서, 화염전파불량, 노킹(Knocking), 열손실, 냉간시동 시의 PM 생성 그림 1a 등을 들었으며, 이를 해결하기 위해 표 1에 나타난 다양한 분과회를 조직/운영하고 있다. 열효율 향상을 위한 핵심전략으로는 스파크점화 연소예측모델 구축을 통한 화염전파 최적화, 노킹방지, 열손실 최소화 그림 1a, 직접분사 및 과급을 통한 희박연소구현, 직접분사엔진의 PM생성 원인규명 및 방지기술확립, 저마찰윤활유의 개발을 통한 엔진 마찰손실 저감 등을 들었다. 도요타 자동차는 각 기술요소들이 열효율 개선에 기여하는 정도 및 열효율 50% 달성의 상세전략을 정리하여 나타내었는데, 그 내용은 그림 1b에 나타나 있다.

위의 기술들을 실현하기 위해서는 무엇보다 기초부터 확실히 이해해 나가는 것이 중요하다고 내연기관공동연구추진위원회는 인식하고 있다. 현존하는 시스템의 궁극적인 최적화를 이루어 내고자 하는 것이기 때문에 엔진연소를 지배하는 모든 요소들에 대한 물리적 이해는 필수일 것이다. 빠른 시일 내에 성과를 이루어 내기 위해 그 동안 중요성이 잊혀져 왔던 기초연구가 지금과는 다른 차원의 열효율을 이루어 내기 위해 다시 재조명 되고 있는 흐름이다.

이를 위해 내연기관공동연구추진위원회는 엔진 내 분무거동의 고도해석을 통한 분무모델 및 벽면충돌 모델의 재정립, 피스톤 벽면온도 및 열유속 계측기법의 개발 및 모델화, 피스톤 흡착 액막두께와 PM 배출량의 연관성 규명 등 기초연구에 비중을 두어 연구를 진행하고 있다고 밝혔다.

3. 디젤엔진 기술 (승용디젤엔진연구회)

디젤엔진의 열효율 향상 및 클린화 기술은 JSAE 승용디젤엔진연구회를 주축으로 이루어지고 있다. 승용디젤엔진연구회 역시 내연기관공동연구추진위원회와 마찬지로 기초연구에 큰 비중을 두고 있으며, 엔진성능 및 배기만을 평가하는 단순한 방식의 연구는 지양하는 분위기이다.

그림 2는 승용디젤엔진연구회의 주요 연구과제들을 정리해서 나타내고 있다. 엔진연소 관련해서는‘혁신연소’및‘연소제어모델’이라는 과제가 형성되었는데, 이들 과제는 고도연소제어를 통해 연소속도를 개선시키는 동시에 열손실을 최소화는 것을 목표로 삼고 있다. 또한 어떤 연소가 가장 최적화된 연소인가를 판단하기 위해 분무 및 연소모델의 재정비을 통한 고정밀 엔진시뮬레이션 기법을 개발하고, 예측정밀도가 높아진 시뮬레이션 기법을 통해 엔진제어의 응답성 및 정확도를 향상시키는 이른 바‘모델베이스엔진제어’에도 힘을 쏟을 계획이다.

엔진후처리기술관련해서는가장많은과제가형성되고있다.‘ EGR침적물’이라는과제를통해EGR 밸브등에 침적물이 발생하는 원인을 규명하고 이를 최소화 할 수 있는 전략을 수립하여, 엔진에 적용할 수 있는 EGR의 최대량을 증대시킬 계획이다. 또한‘DFP모델’이라는 과제를 통해 DPF 내 입자상 물질의 퇴적량을 예측하여 최적재생시기를 결정하고, 정화효율을 극대화시키는 연구를 진행 중이다. 이 밖에 산화촉매의 HC 피독에 의해 발생하는 백연을 최소화시키는 기술개발을 진행 중이며, 저온부터 고온의 폭넓은 온도영역에 걸쳐 높은 정화효율을 내면서 귀금속의 이용량을 최소화한 슈퍼촉매의 개발에도 힘쓸 예정이다.

엔진마찰저감 관련해서는‘저마찰윤활’이라는 과제를 통해 엔진 내 윤활메커니즘을 규명하고 윤활성능의 향상을 도모하는 한편, 마찰이 적은 새로운 윤활유를 개발하여 구동시스템의 마찰 저감에 힘쓸 예정이다.

4. 통합엔진연구체제의 발족 (자동차용내연기관 기술연구조합)

2014년 5월 19일, 앞서 언급한 내연기관공동연구추진위원회 및 승용디젤엔진연구회를 아우르는 통합엔진연구체제인‘자동차용내연기관 기술연구조합(AICE : The Research Association of Automotive Internal Combustion Engines)’이 새롭게 발족하고, 도쿄에서 기자회견 및 발족식을 가졌다. 필자도 참가한 이 발족식에는 연구조합의 관계자 뿐 만 아니라 정부의 고위관료들도 참여하여 범국가적인 연구체제의 발족을 알렸다.

그림 3에 나타난 바와 같이 AICE는 일본의 양산업체 8사와 2개의 연구기관을 중심으로 결성되었다. 결성의 주요 목표는 양산업체가 직면하고 있는 공통의 문제점들에 대해 서로 경쟁하면서 시간과 비용을 낭비하기 보다는 서로 협력하여 풀어나가 일본의 대외경쟁력을 향상시키고자 하는데 있다. 현재는 10개기관으로 시작하였지만 향후 일본의 주요대학을 참가시켜 본격적인 연구조직을 구축할 계획이다.

AICE는 기본적으로 독일 FVV 등 유럽의 연구협력체제를 롤모델로 하고 있으며, 향후 5년 안에 유럽의 연구협력모델을 따라잡는 동시에 보다 효율적인 일본모델을 구축하여 중장기적으로 엔진기술을 선도할 새로운 전기를 마련하는 것을 또 하나의 목표로 삼고 있다.

2014년부터 일본정부가 추진하는 SIP프로젝트의 시작에 즈음하여 결성된 AICE는 향후 SIP와 연계하여 추진하는 등 여러 가지 논의가 이루어지고 있으나, 아직은 구체적인 연구테마 및 추진방식이 결정되지 않고 있다. 현재 AICE 및 SIP의 연구체제 및 테마에 관한 논의가 활발하게 이루어지고 있으며, 조만간 상세 추진전략이 발표될 것으로 보인다.

5. 맺음말

본 고에서는 최근 50%의 열효율 달성을 위해 구축되고 있는 일본의 연구협력체제 및 각 연구협력체제에서 거론되고 있는 주요연구과제에 대해 살펴보았다.

이제 막 걸음을 뗀 단계이기 때문에 어떠한 성과를 이루어 낼 수 있을지 아직 미지수이고, 또한 추진하고 있는 요소기술들이 지금까지 논의되어 왔던 것과 크게 다르게 보이지는 않는다. 하지만, 내연기관의 50% 열효율을 달성하기 위해 정부, 양산업체, 대학의 역량을 집결시키고자 하는 노력을 시작했다는 것이, 또한 내연기관 연구에 대한 지원에 인색했던 일본 정부가 자세를 바꿔 이를 주도하고 있다는 것이 주목할 만한 변화라고 보여진다.

이러한 일본의 새로운 움직임이 5년 후 일본 및 세계의 자동차 시장에 어떠한 변화를 가져올 지 주목하고 지켜볼 일이다. 필자는 새로 결성된 통합연구체제(AICE 및 SIP)의 연구성과에 대해 향후에도 지속적으로 보고하고자 한다.

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