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내연기관 발전 속도가 연료전지/하이브리드보다 더 빠르다

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2005-11-14 05:51:44

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연료전지/하이브리드보다 내연기관 발전 속도가 더 빠르다

메르세데스 벤츠가 지난 9월 프랑크푸르트모터쇼와 10월의 동경 모터쇼에서 뉴 S클래스 다음으로 강조한 것이 다이렉트(Direct) 하이브리드와 블루테크(Bluetech) 하이브리드였다. 전자는 가솔린 엔진을 사용한 하이브리드 시스템이고 후자는 디젤엔진과 결합한 하이브리드 시스템이다. 실제 이 하이브리드카가 출시되는데는 약간의 시간이 필요하겠지만 그보다 더 눈길을 끈 것은 블루테크 디젤 엔진이었다.

세계에서 가장 깨끗한 디젤이라고 할 수 있는 이 엔진의 가장 큰 특징은 배출가스 중 질소산화물(NOx)를 80% 가량 저감했다고 하는 것. 이에 따라 블루테크 디젤은 배출가스 성능 면에서도 가솔린차보다 뛰어나다는 것을 입증해 보였다.

메르세데스 벤츠가 이 블루테크 엔진을 통해 NOx를 대폭 저감하게 된 비결은 배출가스 중의 NOx를 촉매(SCR)에 저장해 두고 촉매가 가득 차면 요소수(尿素水)를 촉매 내에 분사, 촉매중에 있는 NOx를 환원해 무해한 질소와 물로 분해한다고 하는 메커니즘이다.
이 기술은 트럭과 버스 등에는 이미 채용되어 있지만 승용차에의 탑재는 메르세데스 벤츠가 처음이다. 요소를 내장한 탱크를 탑재할 필요가 있지만 한번 분사가 극기 미량이기 때문에 모델의 수명 내에는 요소의 보충을 기본적으로는 하지 않아도 된다고 한다. 또 보충을 한다해도 그다지 어렵지 않다고 한다.

분사계에는 최신 기술의 피에조 인젝터식의 커먼레일을 채용해 배출가스 성능 이외에도 저소음 등에도 공헌하고 있다. 그런데 메르세데스에서는 이 블루테크 디젤엔진을 하이브리드화해 S클래스에 탑재해 컨셉트카로 발표했다.
참고로 이 컨셉트카의 연비 성능은 12km/리터로 대형 세단이라고는 생각되지 않을 정도로 높은 수준을 보이고 있으며 디젤 특유의 높은 토크를 활용한 주행성도 기대할 수 있다. 최대 토크는 무려 58.7kgm에 달하며 0-100km/h 가속성능은 7.5초라고 한다.

그리고 동경모터쇼를 통해 나타난 또 하나의 주목을 끈 엔진은 다이하츠가 선 보인 “2스트로크 디젤” 엔진. 2스트로크 엔진은 오토바이용 엔진에만 사용되는 것으로 알려져 있으며 자동차에서는 과거 일본의 경차에 일부 채용된 적이 있지만 최근에는 그 모습을 보기 힘들다.
그렇다면 다이하츠는 왜 2스트로크 엔진을 개발했을까? 다이하츠는 컴팩트카에 힘을 쏟고 있는 메이커로 알려져 있는데 작은 엔진을 탑재한 컴팩트카에서는 엔진 단체로 보았을 때의 “중량 대비 출력”이 아주 중요하다. 그리고 이점에 있어 2스트로크가 유리한 것으로 알려져 있다. 왜냐하면 4스트로크가 2회전에 한 번 폭발하는데 대해 2스트로크는 매 회전마다 폭발하기 때문에 단순 계산으로 동일 배기량이라면 토크는 두 배가 된다. 다시 말하면 동일 회전수로 파워는 두 배가 된다는 것이다.
실제로 토파스 CDDI-Ⅱ라고 불리는 이 엔진의 배기량은 1.2리터 인데 2리터와 같은 수준의 토크*23.5kgm)를 발휘한다고 한다.

최근 2스트로크 엔진의 채용 예가 없는 것은 배기가스 규제가 엄격해진 때문인 것으로 알려져 있다. 과거의 2스트로크 엔진의 배출가스가 나빴던 이유는 두 가지. 하나는 소기효율(掃気効率)이 나쁘다는 것. 또 하나는 2스트로크는 연료와 함께 엔진 오일을 연소시키기 때문이다.

그래서 다이하츠는 2스트로크 엔진의 구조를 다시 검토해 최신의 제어기술을 채용함으로써 이 두 가지 문제를 해결했다고 한다. 게다가 다이하츠의 CDDI-II 엔진은 연료를 가솔린이 아닌 디젤로하고 있는 것도 눈길을 끈다. 실은 디젤과 2스트로크의 조합은 성능의 향상을 이끌어 냈다. 왜냐하면 디젤의 약점인 최고출력면에서 유리해지고 또 배기를 효과적으로 잔류시킴으로써 디젤의 약점인 NOx의 배출량을 저감할 수 있었기 때문이라고 한다. 또 자동차 전체적으로 볼 때 경량이면서 파워풀한 2스트로크 엔진은 중량배분 면에서도 뛰어나기 때문에 디젤 컴팩트 스포츠라고 하는 새로운 카테고리의 자동차를 만들 수 있는 잠재력까지 내포하고 있다.

이들 엔진 이외에도 두 차례의 모터쇼장에는 다양한 환경 부하를 저감하는 신기술이 많이 전시되어 있었다. 물론 올 가을에는 독일 메이커들이 하이브리드 개발에 나선다고 발표한 것도 있어 다른 무엇보다 하이브리드에 대한 관심이 고조되었다.
아쉬운 것은 연료전지와 바이오매스 등 우리가 알고 있는 차세대 에너지 및 파워트레인에 대한 기술적인 진보가 보이지 않았다. 그보다는 지금 우리가 사용하고 있는 내연기관 엔진의 혁신폭이 더 컸다고 할 수 있을 것 같다. 다만 소위 말하는 “친환경 자동차”에 대한 관심이 하이브리드나 연료전지에만 쏠려 새로운 방향성을 제시한 내연기관은 크게 부각되지 않았다.

어쨌거나 올 가을 두 번의 모터쇼를 통해 디젤이냐, 하이브리드냐 하는 논란은 자동차회사 수뇌들의 발언으로 인해 더 거세진 감이 있다. 그것이 기술적인 장점에 관한 것이든, 아니면 시장상황에 따라 처한 입장의 차이에 의한 것이든 앞으로 더 뜨겁게 달아 오를 것으로 보인다.

하이브리드는 다른 관점에서 본다면 내연기관 엔진을 보조하는 역할이라고 할 수 있다. 다시 말해 모터라는 보조기구를 사용함으로써 엔진에 대한 요구를 줄여주는 것이 하이브리드라는 얘기이다.
그렇게 되면 엔진은 특정조건에서의 성능을 발휘하면 되기 때문에 그 분야의 기술을 더욱 발전시키고 나머지는 하이브리드 시스템이 한다는 논리다. 그 좋은 예가 최근 거론되고 있는 아토킨슨 사이클과 밀러 사이클이다. 이들은 엔진이 약한 영역을 모터로부터 도움을 받고 엔진은 당장에 최대의 효율을 낼 수 있는 부문에서 힘을 발휘한다는 생각에서 출발한 것이다. 그 결과 이론적인 열효율에 가까워질 수 있고 연비의 향상과 CO2 배출량의 저감이 가능하게 된다. 이런 사고 방식은 전 세계 선진 메이커들 사이에 퍼져 있고 그에 대한 연구가 진행되고 있다.

예를 들면 독일 폭스바겐과 다임러크라이슬러는 연료의 전용화까지 시야에 들어온 초저배출엔진의 연구를 진행하고 있다고 한다. 가정이기는 하지만 그들의 궁극적인 엔진에 모터를 조합시켜 하이브리드화함으로써 에너지 효율을 50%까지 끌어 올릴 수 있을지도 모른다. 다만 하이브리드 시스템의 채용으로 인한 비용과 그만큼의 연비저감 비용 사이에 역학관계 때문에 실현에 대해서는 쉽게 단정하기 어렵다.

에너지 효율 50%라고 하는 것은 연료전지차와도 견줄만한 수치다. 현재의 내연기관의 열효율은 가솔린차가 16%, 디젤차가 23%, 하이브리드카가 26~30%, 연료전지차가 40~42% 정도다.
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