최적의 내연 기관으로 이산화탄소 배출 절감

최적의 내연 기관으로 이산화탄소 배출 절감

롤프 레온하르트 (Dr. Rolf Leonhard) 박사
보쉬그룹 디젤 시스템 사업부 개발 수석 부사장
제 60회 보쉬그룹 자동차 사업부 미디어 브리핑
2011년 6월 복스베르크
여러분!
내연 기관은 미래의 개인 이동 수단으로서 꾸준히 중요한 역할을 하게 될 것이며 세계 기후 보호 및 제한된 화석 연료의 보존을 위해 기여해야 할 것입니다. 이것이 세계 자동차 시장의 발전에 대해 내부 시장 조사단과 외부 전문가들이 수행한 연구의 결과입니다.

우리의 예측에 따르면 2020년까지 자동차와 소형 트럭의 수요는 1억 4백만 대에 이릅니다. 이 중 겨우 3백만 대 만이 전기차 또는 플러그인 하이브리드 차가 될 것입니다. 그 외 6백만 대는 내연 기관과 더불어 전기 드라이브가 장착된 하이브리드 차가 될 것입니다. 즉, 이는 2020년까지 내연 기관으로 구동되는 차량이 1억대가량 판매될 것을 의미합니다.
뿐만 아니라, 2020년에는 작년에 우리가 판매 했던 7100 만대보다 3천만 대나 더 많은 내연 기관 자동차가 판매될 것으로 예측하고 있습니다. 다시 말해, 내연 기관 자동차 시장은 향후 10년 내에 적어도 40% 이상 성장할 것임을 의미입니다.

그렇다면 이러한 상황에서 우리는 어떠한 방식으로 사회적 목표인 환경 보호와 화석 연료 보존을 이룰 수 있을까요? 사실 그 해답은 쉽게 도출할 수 있습니다. 전기차와 플러그인 하이브리드 차가 탄소 배출 감소에 기여하는 바는 이들의 예측 시장 점유율의 3%에 비례한 수준이 될 것입니다. 그렇기 때문에 나머지 97%에 달하는 내연 기관 자동차의 역할이 매우 결정적입니다. 더불어 향후 10년 동안 이산화탄소 배출 목표 수치가 전 세계적으로 더욱 엄격해짐에 따라 엔지니어들의 부담은 증가할 것입니다.

오늘날, 전 세계의 많은 국가들은 이산화탄소 배출의 협약 목표 수치 또는 법적 규제 수치를 가지고 있습니다. 2009년, 유럽의 승용차는 평균 1km당 146g의 이산화탄소를 배출했습니다. 유럽 위원회는 회원국의 2015년 배출 목표 수치를 기존 대비 11% 줄인 130g까지 낮추어 설정했습니다. 2020년이 되면 95g까지 추가적으로 줄여 2009년 수준 대비 35%를 줄이게 됩니다. 2025년 유럽 위원회의 신차 평균 탄소 배출 목표는 1 km 당 70g입니다. 이는 100km 당 약 3ℓ의 가솔린, 2.6ℓ의 디젤을 소비하는 것과 동일하며, 오늘날 평균 수치보다 50% 이상 적은 수치입니다. 즉, 가솔린 엔진으로는 갤런 당 78 마일, 디젤 엔진으로는 90마일을 갈 수 있는 수치입니다. 또한 위원회는 2020년, 3.5미터 톤 이하 급 소형 트럭에 대한 탄소 배출 목표 수치를 1 km 당 147g로 설정했으며, 이는 기존 대비 약 30%가 절감된 수치입니다.

지역 상황에 따라, 탄소 배출량 감소를 위해 집중하고 있는 기술은 다양합니다. 예를 들어, 브라질에서는 이중 연료 기술 (flex-fuel technology)에 힘을 쏟고 있습니다. 브라질 토지의 많은 부분에서 재배되고 있는 사탕수수는 후에 에탄올로 전환됩니다. 이렇게 생성된 에탄올은 원유 추출 연료의 대안이 됩니다. 재생 가능한 원료를 바탕으로 연료를 생산하는 것은 탄소 배출량에 있어 매우 긍정적 영향력을 발휘합니다. 미국의 경우, 최대 85%의 에탄올과 혼합한 가솔린으로 움직이는 이중 연료 차량의 등록대수가 점차 증가하고 있습니다. 기타 국가 및 지역에서도 화석 연료인 가솔린 및 디젤에 5~20%의 혼합율로 유기 연료를 섞어 친환경 효과의 이점을 취하고 있습니다. 미래에는 유기 폐기물을 기반으로 한 합성 연료가 중요하게 자리매김 할 것입니다.

유럽에서는 운전자와 자동차 업계 모두가 디젤을 해결방안으로 여기고 있으며 전체 이동수단의 절반이 연비 효율이 높고 따라서 저탄소 배출 기술인 디젤을 이용하고 있습니다. 인도 역시 튼튼한 디젤 시장입니다. 미국에서는 디젤 엔진 자동차를 선호하는 운전자들의 수가 증가하고 있지만 아직 그 수가 미비하기 때문에 가솔린 엔진 파워트레인이 주류가 될 것입니다. 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 자동차 시장인 중국에서는 현재 새로 등록된 자동차의 99%가 가솔린 자동차입니다. 소형 버스의 경우 단 3%만이 디젤 엔진인 반면, 새로 등록된 상업용 소형 차량은 3/4이 디젤 엔진을 갖추고 있습니다. 비록 중국 정부가 선호하는 기술을 명시하고 있지는 않지만 탄소 배출량이 적은 이동수단을 목표로 하고 있기 때문에 전체적으로 전기차 증가 및 디젤 엔진으로의 이동이 기대됩니다.
가장 친환경적인 차량용 연료가 무엇인가에 대한 관점이 세계적으로 다양할지라도 추구해야 할 길은 단 하나뿐입니다. 2025년을 목표로 설정한 탄소 목표 배출량에 도달하기 위한 열쇠는 내연 기관에 있습니다. 하지만 동시에 하이브리드 파워트레인 개념도 점차 중요해지고 있습니다.

2009 자동차 사업부 브리핑에서 보쉬는 다음 사안을 자세히 다루었습니다. 바로 중단기적으로 내연 기관의 연료 소비, 탄소배출은 가솔린 엔진과 디젤 엔진 양 쪽에서 모두 30%가량 감소할 것이라는 사실입니다. 하이브리드 파워트레인은 연료 소비와 이산화탄소 배출을 추가적으로 10%까지 절감 할 수 있는 기회를 제공합니다. 저항력이 낮은 타이어, 경량 구조 그리고 항력 감소 등, 자동차 자체에 자동차 제조회사들이 실시하고 있는 개조를 고려해 볼 때, 이는 곧 연료 소비와 탄소 배출을 현재 평균 수준의 약 절반까지 절감할 수 있다는 것을 의미합니다.

다시 말해서, 내연 기관을 갖춘 자동차는 2020년 유럽의 탄소 배출 목표인 1km당 95g이 실현 가능하다는 의미입니다. 이것이 바로 오늘 우리가 강조하고자 하 는 요지입니다. 보쉬는 디젤 엔진과 가솔린 엔진 모두에서 요구되는 연료소비와 탄소배출 절감을 가능하게 하는 자동차 산업용 기술 패키지를 제공합니다.

유럽 시장에서 신차들의 표준 소비량을 자세히 살펴 보면 많은 차량들이 이미 2015년 탄소 제한 수치에 부합한다는 사실을 발견 할 수 있습니다. 여기에는 중형차량도 일부 포함되어 있습니다. 예를 들어, 컴팩트 등급에서는 77 kW 가솔린 엔진과 121g의 탄소 배출량을 가지고 있는 폭스바겐 골프 TSI가 100km 당 5.2ℓ의 연료를 소비합니다. 동일한 골프라도 디젤 엔진 모델은99g을 배출, 3.8ℓ를 소비합니다. 볼보 C30D역시 84 kW 엔진에서 99g의 탄소를 배출합니다.

하지만 그보다 큰 중형 세단에 속하는 BMW 5 시리즈는 135kW엔진 출력으로 겨우 4.9ℓ를 소비, 129g의 탄소를 배출합니다.

폭스바겐 파사트는 138g을 배출하는데 반해, 가솔린으로 움직이는 푸조508은 144g을 배출합니다. 도요타의 가솔린 하이브리드 소형차는 모델에 따라 약 90g 정도의 탄소 배출을 기준으로 하고 있습니다. 보쉬의 하이브리드 기술을 갖춘 푸조 3008 등 그보다 상위 등급의 새로운 디젤 하이브리드 모델은 2020년 탄소 배출 목표량을 만족시킨다고 밝혔습니다.

이 수치를 자세히 들여다 보면, 가솔린 하이브리드의 표준 소비량이 그와 비슷한 디젤 차량의 수치에 가깝다는 사실을 알 수 있습니다. 이 두 기술 모두 2020년을 위해 세운 목표치를 오늘날 이미 달성할 수 있습니다.

오늘날의 자동차 산업에 대한 흥미로운 예시들은 우리의 예측이 현실적이라는 사실을 보여줍니다. 현재 양산되고 있는 대부분의 엔진 디자인은 우리가 바라는 플리트 한도를 궁극적으로 충족시킬 수 있는 연료 소비 및 탄소 배출을 절감시키는 기술을 적용할 기회를 충분히 제공합니다. 더하여, 우리가 2009년 설명했던 기술적 개선 방안은 여전히 남아있습니다. 심지어 제가 방금 말씀 드린 특히 낮은 연료 소비량을 가진 차량들에도 기술적 개선 방안은 남아있습니다.

엔진 자체에 대한 가장 효과적인 방법은 크기를 줄이는 것입니다. 배기량과 실린더 수를 줄이는 것은 마찰에 의한 손실을 줄일 수 있고 무게가 더 가벼워진다는 것을 의미합니다. 이런 엔진은 열 손실도 줄일 수 있습니다. 엔진 성능은 유지, 향상시키면서 적합하게 실린더의 수나 배기량은 줄이는 것이 엔진 개발자의 역할입니다.

실린더의 수나 배기량을 줄여도 엔진 자체적으로 끌어 들일 수 있는 공기 보다 더 많은 공기를 엔진에 연소 주기마다 공급해 주면 엔진의 성능을 유지할 수 있습니다. 이는 깔끔한 연소를 위해 필요한 공기 양을 엔진에 공급해 주는 터보 차징을 통해 가능합니다.

2011년 말부터, 보쉬의 합작회사인보쉬 말레터보시스템 (Bosch Mahle Turbo Systems) 은 승용차와 상용차용 가솔린 및 디젤 엔진 컨셉을 위해 특별히 고안된 현대 터보차저 시스템을 생산할 계획입니다. 우리는 이 합작회사가 2015년에는 앞서 말씀 드린 성능이 최적화된 터보차저 100만대를 생산할 것으로 기대하고 있습니다.

실린더의 수나 배기량의 축소 한도는 정해져 있지 않습니다. 결국에는 엔지니어들이 연료 효율성, 비용, 성능 그리고 편의 간 균형을 맞추면서 효율성을 증대할 수 있도록 해야 합니다.

이는 다운사이징을 통해 가능하며, 배기량 1 ℓ당 성능 향상을 목적으로 합니다. 가솔린 엔진의 경우, 연료가 통제 불가능한 상태로 연소되며 엔진에 피해를 입힐 수도 있는 ‘낙 리밋’ (knock limit)이라 알려진 상태를 해결해야 합니다. 엔지니어들은 연소 챔버를 식히 는 동시에 가스 교환 주기 내에 연료 손실 없이 깨끗하게 청소할 수 있도록 가솔린 직접 인젝션을 사용할 수 있습니다. 이런 방법을 통해, ‘낙 리밋’을 더 높은 부하와 과급 (supercharging) 온도로 밀어 올릴 수 있습니다. 그 결과, 낮은 엔진 스피드에서도 굉장한 토크 수를 얻을 수 있는데 이전에는 디젤 엔진에서만 가능했던 일입니다.

디젤 엔진의 경우에도, 감축의 가능성은 여전히 존재합니다. 터보 차저를 통과하는 기압이 올라가면, 개발자들은 커먼 레일 시스템의 분사압도 높일 필요가 있습니다. 높은 분사압은 많은 이점을 가지고 있습니다. 높은 분사압은 더 많은 디젤 연료를 동시에 주입할 수 있게 하므로 디젤 엔진의 특정 전력이 증가하여 더 나은 전력 출력이 가능하게 합니다. 그렇지 않으면, 엔진 개발자들은 엔진 전력은 유지하면서 인젝터 내의 노즐 구멍의 직경을 줄일 수 있습니다. 그렇게 하면 다수의 전?후 주입들과 결합되어 연소 챔버 내 혼합 형태를 개선하고 연료를 절약하며 보다 깨끗한 배기가스를 배출하게 됩니다. 이 방법은 질소 산화물의 배출을 감소하는데 특히 효과적입니다.

또한 엔지니어들은 높은 터보 차징 상태의 최고 배기가스 온도와 상승하는 실린더의 압력이 엔진 디자인에 부담을 주는 것을 높은 분사압을 이용하여 막을 수 있습니다.

보쉬는 올해 승용차용 최초 2200bar 커먼 레일 시스템의 양산을 시작할 계획입니다. 보쉬 엔지니어들은 이미 2500bar 커먼 레일 연구에 착수했습니다. 공간 및 중량의 증가나 유압의 효율성 손실 없이 앞서 말한 발전을 이루기 위해서는 그 어느 때보다 훌륭한 기술력이 필요하지만, 우리의 엔지니어들은 심지어 높은 분사압력이라는 조건 하에서도 기술적 난관에 부딪치지 않고 있습니다.

커먼 레일 시스템의 분사압이 더 상승해도, 오염을 줄이는 이 방법이 모든 엔진에서 필요한 것은 아닙니다. 엔지니어들은 매연 저감 장치 (DPF)와 더불어 질소산화물 배출을 줄이는 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 최초의 승용차용 시스템은 미국에서는 2008년부터, 유럽에서는 2009년부터 양산에 들어갔습니다. 이 디젤 차량들은 2015년부터 적용될 유로6 기준을 이미 준수하고 있습니다.

이들 DeNOx 시스템은 1600bar 분사압에서 향후 더 높아질 배출 규제에도 적합할 수 있게 합니다. 견고하면서도 적합한 가격대의 솔루션을 필요로 하는 아시아의 신흥 시장에서 커먼 레일 시스템의 사용이 증가함에 따라 1400~1800bar의 분사압을 가지고 있는 시스템들이 중국과 인도에 등장하게 될 것입니다.

디젤 승용차의 경우, NOx 배기 가스 처리장치도 내연 기관의 연료 소비를 5%까지 절감하는데 이용될 수 있습니다.

보쉬 엔지니어들은 보다 효율적인 보조 시스템들을 사용하여 가솔린과 디젤 엔진에 직접적으로 적용되는 모든 기술적 장치들을 보완하고 있습니다. 정말로 필요할 때만 작동하고 사용되는 수요 주도형 시스템들을 제작하면 추가적으로 탄소 배출 수준을 개선할 수 있게 됩니다. 코스팅(Coasting)시 우선적으로 배터리를 충전하는 전기 구동 워터 펌프, 전기 파워스티어링과 발 전기는 자동차의 전반적인 효율성을 개선시켜 줍니다. 효과적인 한 예로 보쉬의 스타트 스톱(start-stop) 시스템 을 들 수 있습니다. 이 시스템은 빨간 불일 때 엔진을 멈추고 신호등이 초록색으로 바뀌면 안전하게 재가동됩니다. 이 시스템은New European Driving Cycle기준에서 4%가량을 절감시키고, 시내 주행 시 최대 8%까지 절감시킵니다.

요약 및 개요
보쉬는 오늘날 자동차 산업에 경제적인 드라이빙과 탄소 배출 감소에 크게 기여하는 모든 부품과 시스템을 제공하고 있습니다. 이 같은 목적 하에 정책 입안자들이 설정한 목표에 매우 근접한 현대식 내연 기관을 탑재한 자동차들이 이미 생산되고 있습니다. 즉, 현대 기술로도 2020년 플리트 소비 목표를 달성할 수 있다는 의미입니다.

유럽의 일반적인 연간 마일리지와 현재 연료 가격을 기초로, 2010년 일반적인 차량의 연료 소비를 2020년에 생산될 차와 비교한 결과, 3년 간 연료 비용이 1000~1500 유로가 절감된다는 사실을 확인 할 수 있었습니다. 즉, 더욱 경제적인 차량의 운용을 위해 2020년 그들이 구입해야 할 모든 부가적인 기술들의 구매 비용을 충분히 확보하고도 남을 만큼 운전자들의 운용 비용이 절감된다는 의미입니다. 정상적인 차량의 수명을 12년 정도로 생각할 때, 이는 4000~6000유로의 연료를 절감할 수 있고 6~11 미터 톤의 탄소 배출을 줄일 수 있는 양입니다.

현존하는 수많은 연료 소비 및 탄소 배출 절감 기술들을 넘어, 보쉬 엔지니어들은 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에서 추가적인 절감 방법을 찾는데 몰두하고 있습니다. 그들은 연소 챔버의 압력 센서를 이용한 연소 조절 장치 등 디젤엔진과 가솔린 엔진을 위한 장치들을 연구하고 있습니다. 더불어, 오늘날 가솔린 엔진에서만 구현이 가능한 가변 밸브 제어를 디젤 엔진에 적용하는 방법도 연구 중입니다. 또한, 자동차 시스템의 효율성 증가를 위한 변속기나, 배기가스 열을 통한 에너지 재생 및 쿨링 필요성 절감 등의 분야도 연구하고 있습니다.

엔지니어들이 도출해 낸 창의적인 아이디어가 무엇이든지, 우리 는 선도적인 파워트레인 기술 발전을 통해 우리가 얻은 경험들을 바탕으로 1km 당 70g이라는2025년 탄소 배출 목표를 이룰 수 있다고 자신 있게 말씀드릴 수 있습니다. 우리는 내일의 기술을 연구함으로써 우리의 전략적 요구사항인 “생활 속의 기술”을 지켜 나가고 있습니다.

경청해 주셔서 감사합니다.

Original article available here: http://cleandiesel.co.kr/infor/research_read.asp?id=58