내연기관 엔진의 진화는 계속된다.
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2008-02-14 06:27:02 |
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내연기관 엔진의 진화는 계속된다.
자동차 엔지니어들은 오늘날 내연기관의 발전 정도에 대해 디젤엔진이 85~90%에 달했고 가솔린 엔진은 70% 수준에 머물고 있다고 말한다. 디젤엔진은 메르세데스 벤츠가 선도한 커먼레일 시스템의 도입과 함께 획기적인 발전을 이루었다. 디젤엔진의 아킬레스건인 질소산화물과 매연의 배출도 가솔린 수준으로 낮아진 것은 물론이고 이제는 오히려 가솔린보다 더 깨끗한 ‘클린(Clean)’한 엔진이 등장하고 있다. 이에 대한 외지의 내용을 정리해 본다.
정리/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
반면 가솔린 엔진은 이산화탄소와 탄화수소 배출을 저감하는 것이 관건이다. 그를 위해 메르세데스 벤츠와 폭스바겐 등이 이상적인 내연기관엔진이라고 하는 균질예혼합압축착화(HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition, 폭스바겐에서는 CCS : Combined Combustion System으로 명명)엔진의 개발에 박차를 가하고 있다. 이는 GM과 스탠포드 대학 등 몇몇 자동차 메이커와 국내 중소기업 엔지니어링등에서도 기술적인 근거를 제시한 바 있는 것이다. 에르세데스는 HCCI 방식이 디젤엔진과 가솔린 엔진(오토 사이클)의 사이의 연소방식인 것을 표현하고 있기 때문에 ‘디조토(Disauto)’라는 별칭을 부여하고 있다.
그러니까 디젤은 좀 더 ‘클린(Clean)’한 , 가솔린은 ‘그린(Green)’한 엔진 기술개발을 위해 다양한 방법등이 강구되고 있는 것이다.
우선 주목을 끌고 있는 것은 HCCI다. 이산화탄소 배출로 야기되는 온실가스의 증가, 그로 인한 지구온난화가 초미의 관심사가 되어 있는 상황에서 열 효율이 45%에 달한다고 하는 HCCI는 그 무엇보다 현실적인 대안이 될 것으로 보인다. 2007년 프랑크푸르트모터쇼에 메르세데스 벤츠나 폭스바겐으로부터 이에 대핸 확실하고 구체적인 기술 개발 상황에 대한 발표가 기대됐었다. 하지만 단지 개발이 진행 중이라는 발표에 그쳐 아쉬움을 낳았었다.
일반적으로 이산화탄소오 질소산화물 및 PM(입자상물질)의 배출 저감을 동시에 해결하는 것인 기존 내연기관으로는 어려워 후처리 시스템을 부가하는 방법을 택하고 있다. 바로 그 상식을 뒤엎는 것이 바로 여기에서 언급하는 HCCI엔진이다.
글로벌오토뉴스를 통해 이미 수 차례 이에 대한 내용을 소개한 적이 있는 것이지만 다시 한번 요약해 보자.
이상적인 엔진이라고 하면 점화 직전까지는 타지 않고 점화 후에는 빠르고 완전하게 연소되어 신속하게 배출되는 것이다. 그를 위해 초 희박한 예혼합기를 만들어 자기 착화에 의하 단번에 연소되는 것을 목표로 하고 있다.
공기와 연료의 혼합상태가 균질하면 연소 역시 균질하게 되어 효율은 높아지고 초 희박하면 국소적으로 고온이 되지 않기 때문에 질소산화물을 억제하는 것이 가능하다. 또 자기착화를 실현하면 단번에 연소되어 연소되는 쪽이 균질하게 된다고 하는 것이다.
그냥 이론적으로는 간단하게 들리지만 실제 그것을 실현하는 것은 아주 어렵다. 가솔린 엔진은 예혼합으로 균질하게 하는 것도 가능하다. 하지만 가솔린은 착화하기 어렵기 때문에 플러그로 연소시킬 필요가 있어 균질하기 어럽다. 이론공연비에서는 균질로 할 수 있지만 희박영역(Lean Burn)에서는 착화가 어렵기 때문에 균질로 하기 어렵다고 하는 면도 있다.
한편 디젤엔진은 자기착화방식으로 연소하지만 연료가 분사된 순간에 연소되기 때문에 공기와 연료의 혼합 상태가 균질하지 않아 깨끗하게 연소되기 어렵다.
2010년 실용화 목표로 매진 중
메르세데스 벤츠에 이어 폭스바겐도 2006년 말 자동차 전문기자들을 대상으로 한 테크니컬 세미나를 통해 HCCI엔진을 개발하고 있다고 발표했다. 폭스바겐은 이 기술을 CCS( Combined Combustion System)라고 명명했다.
HHCI는 자기착화가 원칙으로 되는 것으로 폭스바겐에서는 디젤엔진을 기본으로 실용화를 추진하고 있는데 여기에서 포인트는 공기와 연료를 균질하게 혼합한다고 하는 것이다. 그러기 위해서 시간이 필요한데 그것을 해결한 것이 연료분사의 타이밍을 바꾸는 것으로 ‘동시다점자기착화’하기 까지의 시간을 제어하는 기술이다. 자기착화의 시간을 제어해 혼합기를 균질화하도록 한다는 것이다.
또 실린더 내의 공기와 연료를 적극적으로 혼합시키면서 압축하는 것으로 균질화를 위한 기산을 단축해 국소적인 연소온도의 상승을 억제해 이상연소를 실현한다고 한다. 하지만 아직 고부하에서는 혼합기가 균질하게되기 전에 착화하고 말기 때문에 고부하시는 통상의 TDI디젤로 운전한다.
이에 반해 메르세데스 벤츠는 가솔린형 HCCI의 개발을 추진해 오고 있다. 메르세데스 벤츠에서는 이것을 디조토라고 명명하고 있는데 그 커트 모델을 보면 정밀고압분사가 가능한 피에조 인젝터가 실린더의 중앙에 배치되어 마치 BMW의 가솔린 직분엔진과 같다. 자기착화에 더해 플러가그 없다는 점인데 실제는 플러그가 존재한다. 이것은 HCCI로는 대응할 수 없는 부하변동에 대한 것 같다. 역시 아직 완전한 균질예혼합압축착화는 아니라는 것이다.
이 엔진은 1.8리터 4기통 직분 가솔린 유닛에 전동 터보, 가변압축, 가변 밸브제어, 하이브리드 기술을 조합시킨 보기류로 이루어진 엔진이다. 특히 가변압축비라고하는 기술에 의해 자기착화하는 타이밍을 제어하는 것이 가능하게 된 것이 포인트다. 그 자기착화와 플러그 착화의 사진을 비교해 보면 알 수 있는데 자기착화는 전체적으로 저온으로 되어 실린더 내에서 균질하게 연소하고 있는 것을 알 수 있다. 이 엔진의 실제 사양은 238ps/40.8kgm를 발휘한다.
실제로 이 엔진은 이미 S클래스에 탑재되어 주행실험이 이루어지고 있으며 S클래스에 걸맞는 운동성능과 쾌적성을 만족시키면서 미국에서도 가장 엄격한 캘리포니나의 SULEV를 클리어하며 연비도 리터당 17km 이상을 달성하고 있다고 한다.
닛산의 MK연소에 의한 획기적인 클린 디젤
닛산자동차가 2007년 가을 발표한 클린 디젤엔진의 신기술도 주목을 끌고 있다. 혼다도 클린 디젤엔진을 개발했지만 닛산이 발표한 이 디젤엔진 기술은 분명한 차이를 보이고 있다. 미국 캘리포니아규제의 SULEV, 일본의 평성17년도 기준배출가스 75%저감 수준을 달성할 정도로 클린하다.
그렇다면 닛산이 왜 이정도로 클린한 엔진을 개발했을까?
그 포인트는 닛산이 오래 전부터 연구해 온 저온 디젤 기술이다. 닛산에서는 이 새롭고 독자적인 디젤연소를 MK연소라고 칭하고 있는데 이 방식은 HCCI에 가까운 연소방식이라고도 할 수 있는 것이다. 이 디젤엔진은 기존보다 70% 가량 질소산화물의 배출을 저감시켰다고하는데 그것은 이 MK연소와 HCNOx흡착촉매에 의해 실현되고 있다.
폭스바겐과 메르세데스 벤츠의 HCCI와 다른 점은 ‘균질예혼합’이 아닌 ‘저온예혼합’연소라는 것이다. 저온연소로 함으로써 질소산화물의 저감을 실현하고 예혼합연소로 함으로써 PM(일자상물질 ; 매연)을 저감하는데 성공했다고 한다. 그러니까 질소산화물과 매연의 상관관계를 해결했다는 것이다. 저온연소실현의 포인트는 배출가스를 대량으로 환류(EGR)시킨다고하는 것인데 여기에서는 자기착화로 된다. 이것을 어떻게 자기착화시킬 것인가 하는 노하우가 닛산에 있었던 것 같다.
닛산에서는 MK연소를 Modulated Kinetics 라고 설명하고 있는데 MK란 개발담당자 이름의 머릿글자라고 하는 얘기도 있다. 이는 분명 앞으로의 판도에 큰 영향을 줄 획기적인 기술임이 분명하다.
자동차 엔지니어들은 오늘날 내연기관의 발전 정도에 대해 디젤엔진이 85~90%에 달했고 가솔린 엔진은 70% 수준에 머물고 있다고 말한다. 디젤엔진은 메르세데스 벤츠가 선도한 커먼레일 시스템의 도입과 함께 획기적인 발전을 이루었다. 디젤엔진의 아킬레스건인 질소산화물과 매연의 배출도 가솔린 수준으로 낮아진 것은 물론이고 이제는 오히려 가솔린보다 더 깨끗한 ‘클린(Clean)’한 엔진이 등장하고 있다. 이에 대한 외지의 내용을 정리해 본다.
정리/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
반면 가솔린 엔진은 이산화탄소와 탄화수소 배출을 저감하는 것이 관건이다. 그를 위해 메르세데스 벤츠와 폭스바겐 등이 이상적인 내연기관엔진이라고 하는 균질예혼합압축착화(HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition, 폭스바겐에서는 CCS : Combined Combustion System으로 명명)엔진의 개발에 박차를 가하고 있다. 이는 GM과 스탠포드 대학 등 몇몇 자동차 메이커와 국내 중소기업 엔지니어링등에서도 기술적인 근거를 제시한 바 있는 것이다. 에르세데스는 HCCI 방식이 디젤엔진과 가솔린 엔진(오토 사이클)의 사이의 연소방식인 것을 표현하고 있기 때문에 ‘디조토(Disauto)’라는 별칭을 부여하고 있다.
그러니까 디젤은 좀 더 ‘클린(Clean)’한 , 가솔린은 ‘그린(Green)’한 엔진 기술개발을 위해 다양한 방법등이 강구되고 있는 것이다.
우선 주목을 끌고 있는 것은 HCCI다. 이산화탄소 배출로 야기되는 온실가스의 증가, 그로 인한 지구온난화가 초미의 관심사가 되어 있는 상황에서 열 효율이 45%에 달한다고 하는 HCCI는 그 무엇보다 현실적인 대안이 될 것으로 보인다. 2007년 프랑크푸르트모터쇼에 메르세데스 벤츠나 폭스바겐으로부터 이에 대핸 확실하고 구체적인 기술 개발 상황에 대한 발표가 기대됐었다. 하지만 단지 개발이 진행 중이라는 발표에 그쳐 아쉬움을 낳았었다.
일반적으로 이산화탄소오 질소산화물 및 PM(입자상물질)의 배출 저감을 동시에 해결하는 것인 기존 내연기관으로는 어려워 후처리 시스템을 부가하는 방법을 택하고 있다. 바로 그 상식을 뒤엎는 것이 바로 여기에서 언급하는 HCCI엔진이다.
글로벌오토뉴스를 통해 이미 수 차례 이에 대한 내용을 소개한 적이 있는 것이지만 다시 한번 요약해 보자.
이상적인 엔진이라고 하면 점화 직전까지는 타지 않고 점화 후에는 빠르고 완전하게 연소되어 신속하게 배출되는 것이다. 그를 위해 초 희박한 예혼합기를 만들어 자기 착화에 의하 단번에 연소되는 것을 목표로 하고 있다.
공기와 연료의 혼합상태가 균질하면 연소 역시 균질하게 되어 효율은 높아지고 초 희박하면 국소적으로 고온이 되지 않기 때문에 질소산화물을 억제하는 것이 가능하다. 또 자기착화를 실현하면 단번에 연소되어 연소되는 쪽이 균질하게 된다고 하는 것이다.
그냥 이론적으로는 간단하게 들리지만 실제 그것을 실현하는 것은 아주 어렵다. 가솔린 엔진은 예혼합으로 균질하게 하는 것도 가능하다. 하지만 가솔린은 착화하기 어렵기 때문에 플러그로 연소시킬 필요가 있어 균질하기 어럽다. 이론공연비에서는 균질로 할 수 있지만 희박영역(Lean Burn)에서는 착화가 어렵기 때문에 균질로 하기 어렵다고 하는 면도 있다.
한편 디젤엔진은 자기착화방식으로 연소하지만 연료가 분사된 순간에 연소되기 때문에 공기와 연료의 혼합 상태가 균질하지 않아 깨끗하게 연소되기 어렵다.
2010년 실용화 목표로 매진 중
메르세데스 벤츠에 이어 폭스바겐도 2006년 말 자동차 전문기자들을 대상으로 한 테크니컬 세미나를 통해 HCCI엔진을 개발하고 있다고 발표했다. 폭스바겐은 이 기술을 CCS( Combined Combustion System)라고 명명했다.
HHCI는 자기착화가 원칙으로 되는 것으로 폭스바겐에서는 디젤엔진을 기본으로 실용화를 추진하고 있는데 여기에서 포인트는 공기와 연료를 균질하게 혼합한다고 하는 것이다. 그러기 위해서 시간이 필요한데 그것을 해결한 것이 연료분사의 타이밍을 바꾸는 것으로 ‘동시다점자기착화’하기 까지의 시간을 제어하는 기술이다. 자기착화의 시간을 제어해 혼합기를 균질화하도록 한다는 것이다.
또 실린더 내의 공기와 연료를 적극적으로 혼합시키면서 압축하는 것으로 균질화를 위한 기산을 단축해 국소적인 연소온도의 상승을 억제해 이상연소를 실현한다고 한다. 하지만 아직 고부하에서는 혼합기가 균질하게되기 전에 착화하고 말기 때문에 고부하시는 통상의 TDI디젤로 운전한다.
이에 반해 메르세데스 벤츠는 가솔린형 HCCI의 개발을 추진해 오고 있다. 메르세데스 벤츠에서는 이것을 디조토라고 명명하고 있는데 그 커트 모델을 보면 정밀고압분사가 가능한 피에조 인젝터가 실린더의 중앙에 배치되어 마치 BMW의 가솔린 직분엔진과 같다. 자기착화에 더해 플러가그 없다는 점인데 실제는 플러그가 존재한다. 이것은 HCCI로는 대응할 수 없는 부하변동에 대한 것 같다. 역시 아직 완전한 균질예혼합압축착화는 아니라는 것이다.
이 엔진은 1.8리터 4기통 직분 가솔린 유닛에 전동 터보, 가변압축, 가변 밸브제어, 하이브리드 기술을 조합시킨 보기류로 이루어진 엔진이다. 특히 가변압축비라고하는 기술에 의해 자기착화하는 타이밍을 제어하는 것이 가능하게 된 것이 포인트다. 그 자기착화와 플러그 착화의 사진을 비교해 보면 알 수 있는데 자기착화는 전체적으로 저온으로 되어 실린더 내에서 균질하게 연소하고 있는 것을 알 수 있다. 이 엔진의 실제 사양은 238ps/40.8kgm를 발휘한다.
실제로 이 엔진은 이미 S클래스에 탑재되어 주행실험이 이루어지고 있으며 S클래스에 걸맞는 운동성능과 쾌적성을 만족시키면서 미국에서도 가장 엄격한 캘리포니나의 SULEV를 클리어하며 연비도 리터당 17km 이상을 달성하고 있다고 한다.
닛산의 MK연소에 의한 획기적인 클린 디젤
닛산자동차가 2007년 가을 발표한 클린 디젤엔진의 신기술도 주목을 끌고 있다. 혼다도 클린 디젤엔진을 개발했지만 닛산이 발표한 이 디젤엔진 기술은 분명한 차이를 보이고 있다. 미국 캘리포니아규제의 SULEV, 일본의 평성17년도 기준배출가스 75%저감 수준을 달성할 정도로 클린하다.
그렇다면 닛산이 왜 이정도로 클린한 엔진을 개발했을까?
그 포인트는 닛산이 오래 전부터 연구해 온 저온 디젤 기술이다. 닛산에서는 이 새롭고 독자적인 디젤연소를 MK연소라고 칭하고 있는데 이 방식은 HCCI에 가까운 연소방식이라고도 할 수 있는 것이다. 이 디젤엔진은 기존보다 70% 가량 질소산화물의 배출을 저감시켰다고하는데 그것은 이 MK연소와 HCNOx흡착촉매에 의해 실현되고 있다.
폭스바겐과 메르세데스 벤츠의 HCCI와 다른 점은 ‘균질예혼합’이 아닌 ‘저온예혼합’연소라는 것이다. 저온연소로 함으로써 질소산화물의 저감을 실현하고 예혼합연소로 함으로써 PM(일자상물질 ; 매연)을 저감하는데 성공했다고 한다. 그러니까 질소산화물과 매연의 상관관계를 해결했다는 것이다. 저온연소실현의 포인트는 배출가스를 대량으로 환류(EGR)시킨다고하는 것인데 여기에서는 자기착화로 된다. 이것을 어떻게 자기착화시킬 것인가 하는 노하우가 닛산에 있었던 것 같다.
닛산에서는 MK연소를 Modulated Kinetics 라고 설명하고 있는데 MK란 개발담당자 이름의 머릿글자라고 하는 얘기도 있다. 이는 분명 앞으로의 판도에 큰 영향을 줄 획기적인 기술임이 분명하다.
