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닛산, 열효율 50% 하이브리드용 엔진 개발한다

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2021-03-01 10:06:04

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닛산이 2018년 꿈의 기술이라고 평가됐던 가변 압축비 기술을 실용화한데 이어 이번에는 내연기관 자체로는 46%의 열효율을 발휘하며 배터리 효율성 등을 고려한 발전 전용 가솔린 엔진의 열효율이 50%에 달하는 기술을 개발했다고 발표했다. 실용화까지는 아직 시간이 필요하며 2025년 양산을 목표로 하고 있다고 한다. 

가변 압축비 엔진은 3.5리터 V6를 2.0리터로 대체할 수 있을 정도로 성능이 증강됐을 뿐 아리나 효율도 기존보다 27% 가량 향상되어 많은 주목을 끌었다. 저부하시와 고부하시에 압축비를 바꾸는 것으로 린 번에 의한 노킹을 해결한다고 하는 것이 포인트다. 기술적으로는 커넥팅 로드와 크랭크샤프트 사이에 링크 기구를 배치해 피스톤의 스트로크를 가변한다고 하는 것이다. 중점 기술은 피스톤이 도달하는 높이를 자유롭게 조절할 수 있다는 것이다. 이를 통해 실린더 내 압축비를 8:1에서 14:1까지 자유자재로 조절할 수 있다. 여기에 V형 6기통 엔진의 부드러움까지 갖췄으며 경량화와 소형화도 동시에 이루어 냈다.

이번에 발표한 것은 자체의 열 효율 43~46 % 정도를 실현하고 배터리 효율성 등을 고려한 주행 전체 효율 50 %를 달성하는 것이 목표다. 

현재 발표된 엔진 중 열효율이 가장 높은 것은 토요타와 현대차 그룹의 하이브리드 전기차에 탑재되는 2.0리터 엔진으로 41%수준이다. 평균적으로 내연기관 엔진의 열효율은 35% 전후였다. 그러던 것이 지금은 40%선까지 향상됐다. 10여년 전부터 열효율 50%를 목표로 개발이 진행 중이었으나 아직까지 양산에 이른 것은 없다. 특히 최근 내연기관 개발 중단이 속속 이어지면서 기술 개발에 대한 기대는 상당히 약해진 상황이다. 30% 전후의 열효율이 일반 엔진의 경우 38%까지 향상되는데 50년이 넘게 걸린 것을 감안하면 앞으로의 전망은 밝지만은 않은 상황이었다. 

하지만 배터리 전기차의 발전이 정체 상태인 상황에서 그 대안으로 하이브리드와 마일드 하이브리드, 플러그인 하이브리드가 부상하고 있으며 그 조건에 맞은 내연기관 엔진 개발도 피할 수 없다. 그래서 오늘날 등장하는 내연기관 엔진들은 대부분 전동화를 염두에 두고 개발된 것들이다. 내연기관 엔진 개발을 중단한다는 선언이 잇따르고 있지만 적어도 당분간은 2리터와 3리터를 중심으로 전동화 기술이 병용되는 과도기를 거칠 것으로 보인다. 

닛산은 50%에 도달하기 위한 과정을 소개하고 있다. 우선 이론 공연비 조건에서 43%, 희박연소에서 46%, 그리고 폐열회수 등을 추가해 50%에 도달한다는 것이다. 지금은 46% 수준까지 왔다고 한다. 엔진은 1.5리터 직렬 3기통 직분사 터보차저 가솔린으로 압축비는 13.5로 높은 편이다. 터보차저를 채용한 이유는 대량 EGR과 희박연소에 필요한 다량의 공기를 실린더에 주입하기 위함이라고 설명하고 있다. 더불어 폐열회수 효과도 얻을 수 있다고 한다. 

이 엔진을 바탕으로 하이브리드 시스템과 조합을 통해 궁극적인 목표에 도달한다는 것이다. 닛산은 e파워라는 항속거리 연장형 하이브리드 기술을 채용하고 있다. 엔진은 발전기로서의 역할만하고 구동은 전기모터가 하는 방식으로 지금은 단종된 쉐보레 볼트(Volt)과 같은 방식이다. 이 e파워로 인해 열효율 50%가 가능하다고 할 수 있다. 다시 말해 엔진을 구동용이 아니라 발전 전용으로만 사용하면 높은 효율을 이끌어낼 수 있다. 

닛산은 e파워 발전용 엔진 실린더 내에 넣는 공기의 텀블류(종 와류)를 강하게 하고 혼합기의 난류 강도를 높여 압축 점화시까지 유지하는 방법과 와류를 점화 플러그에 정류 유도하여 방전 채널을 최적으로 유지하는 기술을 실용화시켰다고 한다. 이 기술을 닛산은 STARC (Strong Tumble & Appropriately streched Robust ignition Channel) 연소라고 부르고 있다.

STARC 연소로 엔진 열효율 43 %를 달성했으며 2 배 이상 희박 연소를 더해 46 %까지 높였다고 한다. 그리고 나머지 4%는 e파워로 해결할 것이라고 한다. 엔진이 발전과 구동을 모두 담당하는 방식이 아니라 처음부터 발전만 담당하게 해 효율을 높인다는 것이다.

이렇게 해서 50%의 열효율을 달성하면 연비성능이 25% 정도 높아진다고 한다.

닛산은 파워트레인의 미래에 대해 e파워와 배터리 전기차의 비율이 2030년경 각각 절반씩 차지할 것으로 전망하고 있다. 장기적으로는 e파워도 배터리 전기차에게 자리를 내주어야 한다는 생각이다. 배터리 전기차의 보급이 그렇게 단기간에 빨리 점유율을 늘리지 않을 것이라고 보고 그 과정에서 플러그인 하이브리드는 얼라이언스 내 미쓰비시의 것을 차용한다는 방침이다. 

그런 의미에서 발전 전용 내연기관 엔진의 역할은 당분간 더욱 중요해질 것으로 전망하고 있다. 

 

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