자동차기술의 현재와 미래-3. 자동차엔진 기술동향
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2008-08-21 17:23:58 |
본문
1. 서론
산업의 발달과 기술력 증진으로 인해 자동차의 동력원으로 사용되는 엔진기술은 큰 발전을 이루었다.그러나 인류생활의 질적 향상의 크기만큼이나 자원고갈과 환경오염 문제의 부작용이 대두되면서 최근 자동차 엔진기술은 단순히 고효율∙고출력뿐만 아니라 배기가스 규제에 관한 사항을 동시에 요구하고 있다. 특히 범세계적인 지구 온난화 방지대책회의를 통해 주요 온실가스로 분류되는 CO2 가스의 배출저감이 규제화 되고 있으며, 또한 한정된 에너지의 고갈에 대한 우려가 심화됨에 따라 연비 향상 기술에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
글 / 이기형 (한양대학교)
이와 같은 요구조건을 만족하기 위해 현재 연비 향상 및 환경보전의 측면에서 활발하게 개발이 진행 중인 엔진기술 동향을 살펴보면, 기존의 동력시스템을 발전시킨 기술로서 직접분사식 가솔린엔진과 커먼레일식 초고압 디젤엔진 및 신 연소기술로 구분된다. 현재 자동차의 주류를 이루고 있는 가솔린엔진과 디젤엔진기술에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.
2. 가솔린엔진
가솔린엔진은 인화성이 좋은 연료를 공기와 혼합시킨 후, 이 혼합기를 전기불꽃을 이용해 엔진 내에서 연소시키는 방식으로서 현재 자동차의 동력원으로 가장 널리 적용되고 있으며 엔진의 정숙성과 경량성 및 저공해 특성으로 가장 많은 시장수요를 차지하고 있다. 그러나 유류비용 인상 등은 새로운 대체에너지 엔진기술을 요구하고 있으며, 향후 가솔린엔진이 차지하는 비중에 많은 영향을 미칠 것으로 보여진다. 특히 최근 낮은 CO2 배출과 고효율 특성을 갖추고 시장을 잠식하고 있는 디젤엔진의 압박이 커짐에 따라, 이에 대응할 수 있는 대책으로 저배기∙고연비 기술 개발이 가장 중요하게 인식되고 있다. 이러한 요구에 대한 대응기술로는 가솔린 직접분사(Direct Injection Spark Ignition, DISI)기술, 가변밸브기구, 가변압축비기술, 가변배기량기술, 흡입공기 과급기술, 엔진 경량화 등의 다양한 분야가 각광받고 있으며, <그림 1>과 같이 여러 분야에 걸쳐 연구가 진행 중에있다.
1) 가솔린 직접분사엔진
최근 가솔린엔진 시장을 위협하는 고효율 디젤엔진기술에 대항하기 위한 기술로는 가솔린 직접분사방식 엔진이 가장 적합한 기술로 대두되고 있다. 한때 GDI (Gasoline Direct Injection - DISI의 다른 이름)로 불렸던 기술은 당시 미흡한 기술력으로 인하여 엔진의 출력저하와 기대에 미치지 못하는 연비특성의 불명예를 안게 되었으나, 최근 <그림 2>의 (b)와 같은 벽류 형성을 최소화할 수 있는 연료공급 시스템의 개발을 통하여 이 분야의 연구가 다시금 크게 활성화 되고 있다.
DISI 엔진기술은 연료를 직접 연소실에 분사하고 정밀한 연소제어에 의하여 매우 희박한 혼합기에서도 고효율의 연소를 가능하게하므로 <그림 3>과 같이 연비 저감과 고출력이라는 두 가지 상충되는 요소를 동시에 만족시킬 수 있다. DISI 엔진이 연비를 크게 향상시킬 수 있는 이유는 저부하 영역에서 발생하는 흡기행정 중의 펌핑 손실을 대폭 저감시킬 수 있기 때문이다. 또한, 초희박 상태에서 연소되기 때문에 연소온도가 낮아서 냉각손실이 크게 줄어든다는 장점도 갖게 된다. 이 외에도 실린더로 직접 분사된 가솔린은 흡기 및 실린더 냉각제로서의 기능을 발휘하여 체적효율이 향상되고 압축비를 높이는 것이 가능하므로 출력향상에도 기여를 하게 된다.
그러나 초기의 DISI 기술이 기대 이하의 연비나 유해가스 배출 및 고장율과 그에 따른 유지보수 비용등이 단점으로 지적되었기 때문에, 최근에는 이러한 단점들을 보완하기 위하여 미립화용 인젝터와 가변밸브기술을 포함한 연소실 형상 최적화 및 흡장형 NOx 촉매기술 등과 같은 최신 기술들을 적용하여 저연비와 저배기를 양립시킬 수 있는 DISI 엔진기술들이 등장하고 있는 실정이다.
또한, 가솔린엔진이 가지고 있는 이론공연비 연소에 따른 연비 악화와 낮은 압축비에 기인하는 열효율 저하 등의 문제를 동시에 해결한 새로운 연소기술인 CAI(Controlled Auto Ignition) 방식도 가솔린직접분사의 한 방법이다. 이는 실린더 내에 직접 분사된 연료와 흡입된 공기를 균일∙희박하게 형성한 후 자착화에 의해 연소시키는 방식으로 아직 상용화에는 이르지는 못하였으나, 가솔린엔진의 청정성과 디젤엔진의 고효율 특성의 장점을 모두 갖춘 엔진으로 각광을 받고 있다. 현재 가솔린엔진의 특정운전 구간에 적용되는 연구가 완성단계에 와 있으며, 가까운 시일 내에 상용화가 될 가능성이 높은 엔진기술이라고 할 수 있다.
2) 가변밸브기구
가솔린엔진의 효율 향상을 위한 또 다른 대표적인 기술로는 VVT (Variable Valve Timing)와 VVL(Variable Valve Lift) 기술을 들 수 있다. 엔진의 흡∙배기 밸브가 열리고 닫히는 시기는 캠의 형상과 위상각에 의해 조절되는데 엔진 내의 흡∙배기를 최적화하기 위해서 엔진은 속도에 따라 적절한 밸브 타이밍이 필요하다. 여기서 VVT는 캠이 열리고 닫히는 시기를 변화시킴으로써 흡∙배기 밸브가 동시에 열려 있는 밸브오버랩 기간을 조절하며, VVL은 밸브 리프트의 높이를 조절함으로써 흡입되는 공기를 조절하게된다. <그림 4>에 나타낸 혼다자동차에서 개발한 VTEC(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) 시스템의 경우는 두 가지 모두를 제어하는 방식의 하나라고 할 수 있다.
또한 유럽의 경우 스로틀 밸브를 폐지하여 펌프 손실을 저감시키고, 밸브의 가변동작을 통해 흡입공기량을 제한하여 연비 향상을 도모하는 신 개념의 가변밸브기구를 연구 중에 있다. 이 외에도 42V 전원체제가 사용될 것으로 예상되는 Hybrid 자동차의 경우 전자기력을 이용하여 밸브를 구동하는 EMV(Electro- mechanical Valve) 시스템의 적용을 시도하고 있으며, 이는 밸브운동과 크랭크축 회전 사이의 기구학적 관계가 없기 때문에 밸브운동을 완전히 독립적으로 제어함으로써 최적의 밸브 개폐를 가능하게 하고, 밸브운동에 다양한 변화를 줄 수 있어 최적의 엔진 성능 향상을 기대할 수 있는 선진 기술로 평가되고 있다.
이와 같은 기술들은 엔진의 출력을 향상시킴은 물론 밸브 개폐시기 조절로 실린더 내에 잔류하는 배기가스(내부 EGR)를 이용해 질소산화물을 저감시키거나, 흡기관 부압을 완화시켜 펌프 손실을 줄여서 연비를 향상시킬 수 있는 기술이기도 하다. 따라서 엔진의 고효율화와 배출가스 저감에 대한 요구가 점차 강화될 것으로 예상되는 가운데 가솔린엔진의 핵심기술로서 가변밸브기구에 대한 기대가 보다 증가될 것으로 보인다.
3) 가변압축비엔진
가솔린엔진의 배출가스를 감소시키고 연료효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 최근 가변압축비(VCR : Variable Compression Ratio) 기술이 주목을 받고 있다. 가변압축비엔진이란 엔진이 운전되는 도중에 연소실의 체적을 변화시켜 압축비를 변경할 수 있는 시스템으로서, 낮은 부하에서는 높은 압축비를 사용하여 높은 효율을 얻고, 부하가 증가하면 압축비를 저하시켜 노킹 방지와 내부 열전달을 원활하게 하는 역할을 한다. 결과적으로 작은 배기량의 엔진으로 보다 큰 배기량의 엔진과 동일한 출력특성을 얻을 수 있으며, 대표적인 가변압축비 엔진으로는 <그림5>와 같은 SAAB에서 개발한 SVC (SAAB Variable Compression) 엔진이 있다. 이 외에도 독일계 엔진 설계회사인 Gomecsys의 경우 간단한 메커니즘을 적용하여 연료소비율을 향상시킬 수 있는 GoEngine이라는 가변압축비기술도 개발하였다.
또 다른 특징으로는 최근 많은 관심을 불러일으키는 대체연료의 사용이 가능하다는 사실이다. 가변압축비 기술은 연료에 대한 유연성을 획기적으로 향상시켜 주었으며, 압축비를 연료의 특성에 맞게 조절할 수 있기 때문에 사용하는 연료에 가장 적합한 압축비로 운전이 가능하다. 그러나 사실상 가변압력이 엔진 성능에 미치는 영향은 약 3~4%에 불과하므로 가변압축비의 장점이 충분히 발휘될 수 있도록 하기 위해서는 배기량의 축소와 높은 연소실 압력이 결합되어야 한다.
4) 가변배기량 (실린더) 엔진
가변배기량엔진이란 실제 차량 주행 시에 많이 사용되는 저속 저부하 운전영역에서 실린더의 일부를 연소과정 없이 운전시키고, 동력을 유지하기 위한 나머지 실린더만을 계속적으로 운전시키는 방식이다. 예를 들어 6기통 엔진의 경우 저부하 영역에서 최소한의 동력을 위해 3개의 실린더는 정상적으로 작동하고 나머지 3개의 실린더는 운전되지 않고 비활성화(Deactivation)되어 연료를 절약하게 된다. 이를 구현하기 위한 방법으로는 V-TEC 기술과 같은 밸브 구동기구를 이용해 밸브의 운동을 정지시키는 방법과 밸브는 계속 구동시키되 연료분사와 점화를 정지시키는 방법이 있다. 즉, 엔진에 부하가 크게 작용하는 고부하 영역에서는 모든 실린더를 연소시켜 엔진에서 고출력을 얻지만 정속구간과 같은 저부하 영역에서는 실린더 일부에 연료분사와 점화를 차단함으로써 연료 소비를 절감하는 시스템이다.
Honda의 VCM (Variable Cylinder Management) 기술은 i-VTEC라고 부르는 가변 실린더 시스템을 사용한 V형 6기통 엔진에 적용되어 있으며, 이 엔진은 파워나 토크를 필요로 하지 않을 경우 3개의 실린더를 정지시킴으로써 연료의 불필요한 사용을 줄인다.
또한 실린더 당 4개의 밸브를 사용하며, 흡∙배기용의 로커암이 부착되어 있는 혼다 특유의 엔진 기구를 가지고 있다. 이 엔진은 스로틀개도 센서나 쉬프트 포지션 센서 및 유압과 냉각수 온도 센서 등과 같은 각종 센서로부터 입력되는 신호에 의하여 실린더를 제어하는데, 결국 이러한 기술들은 연비 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 저속영역에서 엔진의 배기량을 줄여 배기성능을 향상시키는 특징도 있다.
이처럼 특정한 실린더를 강제로 정지시켜 배기량을 가변적으로 조정하는 시스템은 사실 오래전부터 사용되어 왔으며, Honda의 경우 최근 가솔린 Hybrid 자동차에 이와 같은 기술을 적용하여 추가적인 연비향상 효과를 얻고 있다.
3. 디젤엔진
지금까지 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 소음과 진동이 심하고, 가격도 비싼 편이므로 주로 버스와 트럭과 같은 비교적 대형자동차에 적용되어져 왔다. 그러나 최신 기술을 도입한 디젤엔진은 이러한 결점을 극복하고 연비의 장점만을 부각시킬 수 있게 되어 승용차용 엔진으로서도 주목을 받고 있다.
디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 고압축비로 인한 높은 열효율과 펌프 손실이 적을 뿐만 아니라 희박연소를 하므로 연료소비율이 약 30% 정도 적기 때문에 에너지 고갈 문제와 이산화탄소에 대한 규제를 동시에 해결할 수 있는 핵심기술로 주목받고 있다.
1) 예혼합 압축착화 연소기술
최신 기술의 적용을 통하여 디젤엔진의 성능이 획기적으로 개선되었으나, 기존의 디젤엔진은 입자상물질과 질소산화물의 동시 저감이 어렵고 촉매 장치의 경우 고비용의 문제를 동반하고 있어 기술 개발의 한계가 있기 때문에 새로운 연소기술에 대한 필요성이 증대되고 있다. 대표적인 신 연소기술로 예혼합 압축착화연소와 저온연소가 있으며 현재 이에 대한 기술 개발이 한창 진행 중이다.
이러한 예혼합 압축착화 엔진기술을 디젤엔진에 적용할 경우, 고압축비 운전으로 인하여 열효율이 높을 뿐 아니라 부분부하에서의 희박연소를 통한 연비성능의 우월성을 보이는 기존 디젤엔진의 장점을 유지할 수 있다. 또 다른 HCCI 엔진의 장점은 융통성이 매우 큰 엔진이라는 점이다. 예혼합 압축착화 엔진은 압축착화를 기본으로 하고 있기 때문에 기상과 액상의 모든 연료에 대한 적용이 가능하며, 연료의 종류로는 가솔린, 디젤, 수소, 일반가스 연료, DME 및 기타의 압축착화가 가능한 모든 종류의 연료를 적용할 수 있는 연소원리를 가지고 있다. 따라서 향후의 대체연료 엔진의 개발 시 연료 개발의 융통성을 크게 높여줄 수 있는 연소원리라고 할 수 있다.
2) 고압연료 분사기술
현재 보편화되고 있는 직접분사식 디젤엔진은 연소실 내부로 분사된 연료와 공기가 혼합되는 속도에 의해서 연소상태가 결정되므로 공기와 연료의 혼합이 효과적으로 이루어지도록 연소실 내부의 유동특성과 아울러 연료의 분사율, 분무의 거시적인 형태 그리고 분무의 미립화 특성을 최적화해야 한다. 연료분사장치는 위와 같은 목적을 달성할 수 있도록 연료를 충분히 미립화시켜서 기화 및 공기와의 혼합을 통하여 완전한 연소를 이루도록 충분한 연료분사압력과 빠른 응답특성 및 정밀도를 갖춘 분사기를 이용하여 정확하게 제어되어야 한다. 최신의 연료분사시스템은 연료분사압력, 분사시기, 분사율 및 분사량을 최적으로 제어할 수 있도록 커먼레일(Common-rail)과 유닛인
젝터(Unit Injector) 등을 주축으로 전자식으로 제어되는 고압분사시스템이 대부분을 차지하고 있다.
현재 대부분의 승용 직접분사식 디젤엔진에 적용되고 있고 있는 커먼레일시스템은 분사시기, 분사압력, 분사율의 제어가 엔진의 운전 회전수와 부하에 독립적이어서 기계식 펌프시스템에 비하여 자유도가 높고 고압분사를 가능하게 하여 더욱 높은 성능과 낮은 연료 소비율을 가능하게 한다. 1997년부터 사용되기 시작한 커먼레일시스템은 <그림 9>와 같은 발전을 걸쳐 현재 4세대가 사용되고 있으며, 좀 더 가볍고 응답성이 빠른 피에조 인젝터를 이용하여 다단분사가 가능하고 최대 2,000bar로 연료분사가 가능하게 되었다. 이 외에도 응답성이 빠른 동축가변노즐(Coaxial Vario Nozzel)을 갖춘 솔레노이드밸브 인젝터를 이용하여 최대 2,200bar 이상까지 연료분사압력을 높이고 다단분사가 가능하게 될 것으로 예상된다.
3) 과급기술
과급기술은 흡입공기량을 늘려 출력을 증대시키는 기술로서, 국내에서는 고출력을 요구하는 대형 트럭과 버스에 장착되어 있으며 최근에는 4륜구동 RV 자동차에도 많이 장착되고 있다. 이러한 과급기술은 작은 배기량으로 큰 출력을 얻을 수 있는 기술이므로 무게가 무거운 단점을 가진 디젤엔진의 소형화(Down-sizing)에도 기여를 하고 있는 중요한 기술이다. 따라서 소형 디젤엔진에 과급기를 설치하면 출력을 확보함과 동시에 마찰저감과 펌프손실 저감에 의한 연료소비를 줄일 수 있다. 과급기술 중 하나인 터보차저의 단점인 터보지연을 해결하기 위해 VGT를 적용하는 경우에 회전속도가 적은 영역에서는 터보지연을 어느 정도 해소할 수 있지만, 극복할 수 없는 지연시간과 운전영역이 존재하므로 이에 대한 좀더 적극적인 방법으로 <그림 10>, <그림 11>과 같은 Electric Booster와 2 Stage 터보차저 시스템이 적극 도입되는 추세이다. 2 Stage 터보차저와 Electric Booster는 엔진 소형화로 인한 출력 저감을 흡기 가압으로 보상해주며, 장착의 용이함, 효율 상승, 마찰 마력의 저감, 촉매 활성을 위한 배기온도의 상승 등 다양한 장점을 가지고 있다.
4) 배기가스 재순환기술
EGR (Exhaust Gas Recirculation)은 디젤엔진의 유해 배출물 중 하나인 NOx를 저감시키기 위하여 보편적으로 사용되는 기술의 하나이다. 혼합기의 희석효과를 통해 전체적인 질소산화물 배출량을 감소시키는 기존의 배기가스 재순환 기술을 발전시키기 위하여 유량 및 온도 제어가 용이하고 내열성이 좋은 EGR시스템에 대한 개발이 진행중에 있다. EGR 가스를 그대로 흡기계로 재순환하는 Hot EGR은 EGR 가스온도가 높아서 기체밀도를 감소시켜 체적효율이 감소되므로 이러한 역효과를 배제하기 위하여 EGR 가스를 냉각시키는 Cooled EGR을 사용하고 있다. 또한 EGR을 적용하는 방법에 따라서 HPL(High Pressure Loop) EGR과 LPL (Low Pressure Loop) EGR로 나눌 수 있다.
그러나 LPL EGR 시스템에서는 EGR 가스가 압축기를 통과하기 때문에 EGR 가스내의 오염물이 엔진의 내구성에 영향을 줄 위험성이 있으며, EGR 가스가 실린더로 가기까지의 걸리는 시간이 길기 때문 에 응답성이 저하되는 단점이 있다. 최근에는 LPL EGR과 HPL EGR의 장단점을 보완하기 위하여 운전 상황에 따라 선택이 가능한 Hybrid EGR 시스템이 큰 이슈로 부각되고 있다.
5) 4밸브 연소실 형상 최적화
연소실 내에 최적의 혼합기를 형성하기 위해서는 흡기유동 및 피스톤 보울(Piston Bowl)의 형상이 최적화되어야 하며, 인젝터도 연소실 중앙에 위치하여야 한다. 이를 위하여 4밸브와 가변스월제어(Variable Swirl Control) 시스템등이 이용되고 있다. 이와 같이 흡기포트와 연소실 형상이 디젤엔진의 성능을 결정짓는 중요인자이기 때문에 <그림 13>과 <그림 14>에서 나타낸 바와 같이 유동해석을 통하여 공기와 연료의 혼합기 형성에 최적한 연소실을 설계하기 위한 노력들이 진행되고 있다.
4. 결론
향후 디젤엔진을 비롯한 대체연료엔진의 비중이 증가할 것으로 예상되나, 당분간은 가솔린엔진이 승용차용 엔진의 주류를 차지할 것으로 전망되므로 가솔린엔진의 저연비와 저배기 기술개발에 보다 적극적인 지원과 노력이 요구된다.
디젤엔진은 근래에 들어 강화되고 있는 CO2 규제에 대응하기 위하여 수요가 증가하고 있다. 그러나 NOx와 PM 배출을 저감할 수 있는 청정 디젤엔진의 개발이 필수적이며, 이러한 디젤엔진이 실용화된다면 향후 자동차 동력원의 가장 유력한 후보가 될 것으로 기대된다.
<이기형 교수 : hylee@hanyang.ac.kr>
산업의 발달과 기술력 증진으로 인해 자동차의 동력원으로 사용되는 엔진기술은 큰 발전을 이루었다.그러나 인류생활의 질적 향상의 크기만큼이나 자원고갈과 환경오염 문제의 부작용이 대두되면서 최근 자동차 엔진기술은 단순히 고효율∙고출력뿐만 아니라 배기가스 규제에 관한 사항을 동시에 요구하고 있다. 특히 범세계적인 지구 온난화 방지대책회의를 통해 주요 온실가스로 분류되는 CO2 가스의 배출저감이 규제화 되고 있으며, 또한 한정된 에너지의 고갈에 대한 우려가 심화됨에 따라 연비 향상 기술에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
글 / 이기형 (한양대학교)
이와 같은 요구조건을 만족하기 위해 현재 연비 향상 및 환경보전의 측면에서 활발하게 개발이 진행 중인 엔진기술 동향을 살펴보면, 기존의 동력시스템을 발전시킨 기술로서 직접분사식 가솔린엔진과 커먼레일식 초고압 디젤엔진 및 신 연소기술로 구분된다. 현재 자동차의 주류를 이루고 있는 가솔린엔진과 디젤엔진기술에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같이 정리할 수 있다.
2. 가솔린엔진
가솔린엔진은 인화성이 좋은 연료를 공기와 혼합시킨 후, 이 혼합기를 전기불꽃을 이용해 엔진 내에서 연소시키는 방식으로서 현재 자동차의 동력원으로 가장 널리 적용되고 있으며 엔진의 정숙성과 경량성 및 저공해 특성으로 가장 많은 시장수요를 차지하고 있다. 그러나 유류비용 인상 등은 새로운 대체에너지 엔진기술을 요구하고 있으며, 향후 가솔린엔진이 차지하는 비중에 많은 영향을 미칠 것으로 보여진다. 특히 최근 낮은 CO2 배출과 고효율 특성을 갖추고 시장을 잠식하고 있는 디젤엔진의 압박이 커짐에 따라, 이에 대응할 수 있는 대책으로 저배기∙고연비 기술 개발이 가장 중요하게 인식되고 있다. 이러한 요구에 대한 대응기술로는 가솔린 직접분사(Direct Injection Spark Ignition, DISI)기술, 가변밸브기구, 가변압축비기술, 가변배기량기술, 흡입공기 과급기술, 엔진 경량화 등의 다양한 분야가 각광받고 있으며, <그림 1>과 같이 여러 분야에 걸쳐 연구가 진행 중에있다.
1) 가솔린 직접분사엔진
최근 가솔린엔진 시장을 위협하는 고효율 디젤엔진기술에 대항하기 위한 기술로는 가솔린 직접분사방식 엔진이 가장 적합한 기술로 대두되고 있다. 한때 GDI (Gasoline Direct Injection - DISI의 다른 이름)로 불렸던 기술은 당시 미흡한 기술력으로 인하여 엔진의 출력저하와 기대에 미치지 못하는 연비특성의 불명예를 안게 되었으나, 최근 <그림 2>의 (b)와 같은 벽류 형성을 최소화할 수 있는 연료공급 시스템의 개발을 통하여 이 분야의 연구가 다시금 크게 활성화 되고 있다.
DISI 엔진기술은 연료를 직접 연소실에 분사하고 정밀한 연소제어에 의하여 매우 희박한 혼합기에서도 고효율의 연소를 가능하게하므로 <그림 3>과 같이 연비 저감과 고출력이라는 두 가지 상충되는 요소를 동시에 만족시킬 수 있다. DISI 엔진이 연비를 크게 향상시킬 수 있는 이유는 저부하 영역에서 발생하는 흡기행정 중의 펌핑 손실을 대폭 저감시킬 수 있기 때문이다. 또한, 초희박 상태에서 연소되기 때문에 연소온도가 낮아서 냉각손실이 크게 줄어든다는 장점도 갖게 된다. 이 외에도 실린더로 직접 분사된 가솔린은 흡기 및 실린더 냉각제로서의 기능을 발휘하여 체적효율이 향상되고 압축비를 높이는 것이 가능하므로 출력향상에도 기여를 하게 된다.
그러나 초기의 DISI 기술이 기대 이하의 연비나 유해가스 배출 및 고장율과 그에 따른 유지보수 비용등이 단점으로 지적되었기 때문에, 최근에는 이러한 단점들을 보완하기 위하여 미립화용 인젝터와 가변밸브기술을 포함한 연소실 형상 최적화 및 흡장형 NOx 촉매기술 등과 같은 최신 기술들을 적용하여 저연비와 저배기를 양립시킬 수 있는 DISI 엔진기술들이 등장하고 있는 실정이다.
또한, 가솔린엔진이 가지고 있는 이론공연비 연소에 따른 연비 악화와 낮은 압축비에 기인하는 열효율 저하 등의 문제를 동시에 해결한 새로운 연소기술인 CAI(Controlled Auto Ignition) 방식도 가솔린직접분사의 한 방법이다. 이는 실린더 내에 직접 분사된 연료와 흡입된 공기를 균일∙희박하게 형성한 후 자착화에 의해 연소시키는 방식으로 아직 상용화에는 이르지는 못하였으나, 가솔린엔진의 청정성과 디젤엔진의 고효율 특성의 장점을 모두 갖춘 엔진으로 각광을 받고 있다. 현재 가솔린엔진의 특정운전 구간에 적용되는 연구가 완성단계에 와 있으며, 가까운 시일 내에 상용화가 될 가능성이 높은 엔진기술이라고 할 수 있다.
2) 가변밸브기구
가솔린엔진의 효율 향상을 위한 또 다른 대표적인 기술로는 VVT (Variable Valve Timing)와 VVL(Variable Valve Lift) 기술을 들 수 있다. 엔진의 흡∙배기 밸브가 열리고 닫히는 시기는 캠의 형상과 위상각에 의해 조절되는데 엔진 내의 흡∙배기를 최적화하기 위해서 엔진은 속도에 따라 적절한 밸브 타이밍이 필요하다. 여기서 VVT는 캠이 열리고 닫히는 시기를 변화시킴으로써 흡∙배기 밸브가 동시에 열려 있는 밸브오버랩 기간을 조절하며, VVL은 밸브 리프트의 높이를 조절함으로써 흡입되는 공기를 조절하게된다. <그림 4>에 나타낸 혼다자동차에서 개발한 VTEC(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) 시스템의 경우는 두 가지 모두를 제어하는 방식의 하나라고 할 수 있다.
또한 유럽의 경우 스로틀 밸브를 폐지하여 펌프 손실을 저감시키고, 밸브의 가변동작을 통해 흡입공기량을 제한하여 연비 향상을 도모하는 신 개념의 가변밸브기구를 연구 중에 있다. 이 외에도 42V 전원체제가 사용될 것으로 예상되는 Hybrid 자동차의 경우 전자기력을 이용하여 밸브를 구동하는 EMV(Electro- mechanical Valve) 시스템의 적용을 시도하고 있으며, 이는 밸브운동과 크랭크축 회전 사이의 기구학적 관계가 없기 때문에 밸브운동을 완전히 독립적으로 제어함으로써 최적의 밸브 개폐를 가능하게 하고, 밸브운동에 다양한 변화를 줄 수 있어 최적의 엔진 성능 향상을 기대할 수 있는 선진 기술로 평가되고 있다.
이와 같은 기술들은 엔진의 출력을 향상시킴은 물론 밸브 개폐시기 조절로 실린더 내에 잔류하는 배기가스(내부 EGR)를 이용해 질소산화물을 저감시키거나, 흡기관 부압을 완화시켜 펌프 손실을 줄여서 연비를 향상시킬 수 있는 기술이기도 하다. 따라서 엔진의 고효율화와 배출가스 저감에 대한 요구가 점차 강화될 것으로 예상되는 가운데 가솔린엔진의 핵심기술로서 가변밸브기구에 대한 기대가 보다 증가될 것으로 보인다.
3) 가변압축비엔진
가솔린엔진의 배출가스를 감소시키고 연료효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 최근 가변압축비(VCR : Variable Compression Ratio) 기술이 주목을 받고 있다. 가변압축비엔진이란 엔진이 운전되는 도중에 연소실의 체적을 변화시켜 압축비를 변경할 수 있는 시스템으로서, 낮은 부하에서는 높은 압축비를 사용하여 높은 효율을 얻고, 부하가 증가하면 압축비를 저하시켜 노킹 방지와 내부 열전달을 원활하게 하는 역할을 한다. 결과적으로 작은 배기량의 엔진으로 보다 큰 배기량의 엔진과 동일한 출력특성을 얻을 수 있으며, 대표적인 가변압축비 엔진으로는 <그림5>와 같은 SAAB에서 개발한 SVC (SAAB Variable Compression) 엔진이 있다. 이 외에도 독일계 엔진 설계회사인 Gomecsys의 경우 간단한 메커니즘을 적용하여 연료소비율을 향상시킬 수 있는 GoEngine이라는 가변압축비기술도 개발하였다.
또 다른 특징으로는 최근 많은 관심을 불러일으키는 대체연료의 사용이 가능하다는 사실이다. 가변압축비 기술은 연료에 대한 유연성을 획기적으로 향상시켜 주었으며, 압축비를 연료의 특성에 맞게 조절할 수 있기 때문에 사용하는 연료에 가장 적합한 압축비로 운전이 가능하다. 그러나 사실상 가변압력이 엔진 성능에 미치는 영향은 약 3~4%에 불과하므로 가변압축비의 장점이 충분히 발휘될 수 있도록 하기 위해서는 배기량의 축소와 높은 연소실 압력이 결합되어야 한다.
4) 가변배기량 (실린더) 엔진
가변배기량엔진이란 실제 차량 주행 시에 많이 사용되는 저속 저부하 운전영역에서 실린더의 일부를 연소과정 없이 운전시키고, 동력을 유지하기 위한 나머지 실린더만을 계속적으로 운전시키는 방식이다. 예를 들어 6기통 엔진의 경우 저부하 영역에서 최소한의 동력을 위해 3개의 실린더는 정상적으로 작동하고 나머지 3개의 실린더는 운전되지 않고 비활성화(Deactivation)되어 연료를 절약하게 된다. 이를 구현하기 위한 방법으로는 V-TEC 기술과 같은 밸브 구동기구를 이용해 밸브의 운동을 정지시키는 방법과 밸브는 계속 구동시키되 연료분사와 점화를 정지시키는 방법이 있다. 즉, 엔진에 부하가 크게 작용하는 고부하 영역에서는 모든 실린더를 연소시켜 엔진에서 고출력을 얻지만 정속구간과 같은 저부하 영역에서는 실린더 일부에 연료분사와 점화를 차단함으로써 연료 소비를 절감하는 시스템이다.
Honda의 VCM (Variable Cylinder Management) 기술은 i-VTEC라고 부르는 가변 실린더 시스템을 사용한 V형 6기통 엔진에 적용되어 있으며, 이 엔진은 파워나 토크를 필요로 하지 않을 경우 3개의 실린더를 정지시킴으로써 연료의 불필요한 사용을 줄인다.
또한 실린더 당 4개의 밸브를 사용하며, 흡∙배기용의 로커암이 부착되어 있는 혼다 특유의 엔진 기구를 가지고 있다. 이 엔진은 스로틀개도 센서나 쉬프트 포지션 센서 및 유압과 냉각수 온도 센서 등과 같은 각종 센서로부터 입력되는 신호에 의하여 실린더를 제어하는데, 결국 이러한 기술들은 연비 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 저속영역에서 엔진의 배기량을 줄여 배기성능을 향상시키는 특징도 있다.
이처럼 특정한 실린더를 강제로 정지시켜 배기량을 가변적으로 조정하는 시스템은 사실 오래전부터 사용되어 왔으며, Honda의 경우 최근 가솔린 Hybrid 자동차에 이와 같은 기술을 적용하여 추가적인 연비향상 효과를 얻고 있다.
3. 디젤엔진
지금까지 디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 소음과 진동이 심하고, 가격도 비싼 편이므로 주로 버스와 트럭과 같은 비교적 대형자동차에 적용되어져 왔다. 그러나 최신 기술을 도입한 디젤엔진은 이러한 결점을 극복하고 연비의 장점만을 부각시킬 수 있게 되어 승용차용 엔진으로서도 주목을 받고 있다.
디젤엔진은 가솔린엔진에 비하여 고압축비로 인한 높은 열효율과 펌프 손실이 적을 뿐만 아니라 희박연소를 하므로 연료소비율이 약 30% 정도 적기 때문에 에너지 고갈 문제와 이산화탄소에 대한 규제를 동시에 해결할 수 있는 핵심기술로 주목받고 있다.
1) 예혼합 압축착화 연소기술
최신 기술의 적용을 통하여 디젤엔진의 성능이 획기적으로 개선되었으나, 기존의 디젤엔진은 입자상물질과 질소산화물의 동시 저감이 어렵고 촉매 장치의 경우 고비용의 문제를 동반하고 있어 기술 개발의 한계가 있기 때문에 새로운 연소기술에 대한 필요성이 증대되고 있다. 대표적인 신 연소기술로 예혼합 압축착화연소와 저온연소가 있으며 현재 이에 대한 기술 개발이 한창 진행 중이다.
이러한 예혼합 압축착화 엔진기술을 디젤엔진에 적용할 경우, 고압축비 운전으로 인하여 열효율이 높을 뿐 아니라 부분부하에서의 희박연소를 통한 연비성능의 우월성을 보이는 기존 디젤엔진의 장점을 유지할 수 있다. 또 다른 HCCI 엔진의 장점은 융통성이 매우 큰 엔진이라는 점이다. 예혼합 압축착화 엔진은 압축착화를 기본으로 하고 있기 때문에 기상과 액상의 모든 연료에 대한 적용이 가능하며, 연료의 종류로는 가솔린, 디젤, 수소, 일반가스 연료, DME 및 기타의 압축착화가 가능한 모든 종류의 연료를 적용할 수 있는 연소원리를 가지고 있다. 따라서 향후의 대체연료 엔진의 개발 시 연료 개발의 융통성을 크게 높여줄 수 있는 연소원리라고 할 수 있다.
2) 고압연료 분사기술
현재 보편화되고 있는 직접분사식 디젤엔진은 연소실 내부로 분사된 연료와 공기가 혼합되는 속도에 의해서 연소상태가 결정되므로 공기와 연료의 혼합이 효과적으로 이루어지도록 연소실 내부의 유동특성과 아울러 연료의 분사율, 분무의 거시적인 형태 그리고 분무의 미립화 특성을 최적화해야 한다. 연료분사장치는 위와 같은 목적을 달성할 수 있도록 연료를 충분히 미립화시켜서 기화 및 공기와의 혼합을 통하여 완전한 연소를 이루도록 충분한 연료분사압력과 빠른 응답특성 및 정밀도를 갖춘 분사기를 이용하여 정확하게 제어되어야 한다. 최신의 연료분사시스템은 연료분사압력, 분사시기, 분사율 및 분사량을 최적으로 제어할 수 있도록 커먼레일(Common-rail)과 유닛인
젝터(Unit Injector) 등을 주축으로 전자식으로 제어되는 고압분사시스템이 대부분을 차지하고 있다.
현재 대부분의 승용 직접분사식 디젤엔진에 적용되고 있고 있는 커먼레일시스템은 분사시기, 분사압력, 분사율의 제어가 엔진의 운전 회전수와 부하에 독립적이어서 기계식 펌프시스템에 비하여 자유도가 높고 고압분사를 가능하게 하여 더욱 높은 성능과 낮은 연료 소비율을 가능하게 한다. 1997년부터 사용되기 시작한 커먼레일시스템은 <그림 9>와 같은 발전을 걸쳐 현재 4세대가 사용되고 있으며, 좀 더 가볍고 응답성이 빠른 피에조 인젝터를 이용하여 다단분사가 가능하고 최대 2,000bar로 연료분사가 가능하게 되었다. 이 외에도 응답성이 빠른 동축가변노즐(Coaxial Vario Nozzel)을 갖춘 솔레노이드밸브 인젝터를 이용하여 최대 2,200bar 이상까지 연료분사압력을 높이고 다단분사가 가능하게 될 것으로 예상된다.
3) 과급기술
과급기술은 흡입공기량을 늘려 출력을 증대시키는 기술로서, 국내에서는 고출력을 요구하는 대형 트럭과 버스에 장착되어 있으며 최근에는 4륜구동 RV 자동차에도 많이 장착되고 있다. 이러한 과급기술은 작은 배기량으로 큰 출력을 얻을 수 있는 기술이므로 무게가 무거운 단점을 가진 디젤엔진의 소형화(Down-sizing)에도 기여를 하고 있는 중요한 기술이다. 따라서 소형 디젤엔진에 과급기를 설치하면 출력을 확보함과 동시에 마찰저감과 펌프손실 저감에 의한 연료소비를 줄일 수 있다. 과급기술 중 하나인 터보차저의 단점인 터보지연을 해결하기 위해 VGT를 적용하는 경우에 회전속도가 적은 영역에서는 터보지연을 어느 정도 해소할 수 있지만, 극복할 수 없는 지연시간과 운전영역이 존재하므로 이에 대한 좀더 적극적인 방법으로 <그림 10>, <그림 11>과 같은 Electric Booster와 2 Stage 터보차저 시스템이 적극 도입되는 추세이다. 2 Stage 터보차저와 Electric Booster는 엔진 소형화로 인한 출력 저감을 흡기 가압으로 보상해주며, 장착의 용이함, 효율 상승, 마찰 마력의 저감, 촉매 활성을 위한 배기온도의 상승 등 다양한 장점을 가지고 있다.
4) 배기가스 재순환기술
EGR (Exhaust Gas Recirculation)은 디젤엔진의 유해 배출물 중 하나인 NOx를 저감시키기 위하여 보편적으로 사용되는 기술의 하나이다. 혼합기의 희석효과를 통해 전체적인 질소산화물 배출량을 감소시키는 기존의 배기가스 재순환 기술을 발전시키기 위하여 유량 및 온도 제어가 용이하고 내열성이 좋은 EGR시스템에 대한 개발이 진행중에 있다. EGR 가스를 그대로 흡기계로 재순환하는 Hot EGR은 EGR 가스온도가 높아서 기체밀도를 감소시켜 체적효율이 감소되므로 이러한 역효과를 배제하기 위하여 EGR 가스를 냉각시키는 Cooled EGR을 사용하고 있다. 또한 EGR을 적용하는 방법에 따라서 HPL(High Pressure Loop) EGR과 LPL (Low Pressure Loop) EGR로 나눌 수 있다.
그러나 LPL EGR 시스템에서는 EGR 가스가 압축기를 통과하기 때문에 EGR 가스내의 오염물이 엔진의 내구성에 영향을 줄 위험성이 있으며, EGR 가스가 실린더로 가기까지의 걸리는 시간이 길기 때문 에 응답성이 저하되는 단점이 있다. 최근에는 LPL EGR과 HPL EGR의 장단점을 보완하기 위하여 운전 상황에 따라 선택이 가능한 Hybrid EGR 시스템이 큰 이슈로 부각되고 있다.
5) 4밸브 연소실 형상 최적화
연소실 내에 최적의 혼합기를 형성하기 위해서는 흡기유동 및 피스톤 보울(Piston Bowl)의 형상이 최적화되어야 하며, 인젝터도 연소실 중앙에 위치하여야 한다. 이를 위하여 4밸브와 가변스월제어(Variable Swirl Control) 시스템등이 이용되고 있다. 이와 같이 흡기포트와 연소실 형상이 디젤엔진의 성능을 결정짓는 중요인자이기 때문에 <그림 13>과 <그림 14>에서 나타낸 바와 같이 유동해석을 통하여 공기와 연료의 혼합기 형성에 최적한 연소실을 설계하기 위한 노력들이 진행되고 있다.
4. 결론
향후 디젤엔진을 비롯한 대체연료엔진의 비중이 증가할 것으로 예상되나, 당분간은 가솔린엔진이 승용차용 엔진의 주류를 차지할 것으로 전망되므로 가솔린엔진의 저연비와 저배기 기술개발에 보다 적극적인 지원과 노력이 요구된다.
디젤엔진은 근래에 들어 강화되고 있는 CO2 규제에 대응하기 위하여 수요가 증가하고 있다. 그러나 NOx와 PM 배출을 저감할 수 있는 청정 디젤엔진의 개발이 필수적이며, 이러한 디젤엔진이 실용화된다면 향후 자동차 동력원의 가장 유력한 후보가 될 것으로 기대된다.
<이기형 교수 : hylee@hanyang.ac.kr>
