승용디젤엔진의 연비개선을 위한 다운사이징

1. 서론
2008년 한 때 140$/bbl을 넘어섰던 유가의 고공행진은 전 세계가 에너지 위기의 심각성을 재인식하고 이에 대한 대책을 강구하게끔 하였다. 다른 한 편으로는 온실가스가 주원인으로 생각되는 지구온난화 문제에 대해 범지구적인 CO2 저감 계획 및 규제가 실행되면서 자동차의 연비 향상이 중요하게 생각되고 있다. 자동차 등 수송 분야에서 배출되는 CO2는 국내의 경우 전체배출량의 20% 이상을 차지하므로, 자동차에서의 연비 향상은 타 분야에 비해 해당산업에 미치는 부정적 영향을 최소화하면서 CO2를 저감할 수 있어 국가 차원의 CO2 저감 항목 중 가장 실효성이 높은 분야다.

글 / 최회명, 민경덕 (차세대융합기술연구원)
제공 / 한국자동차공학회

디젤 차량은 예로부터 높은 토크 특성 및 신뢰성으로 산업 및 화물용으로 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 고압분사기술, 터보차져기술, 배기가스의 청정화 기술이 비약적으로 발전함에 따라 승용 및 Light Duty 차량에 활발히 적용되고 있으며, 유럽지역에서는 2007년의 경우 승용차 시장의 53%를 차지할 정도가 되었다. 디젤 차량은 국내의 경우에도 2000년대에 RV 차종을 중심으로 활발히 보급되어 2008년 상반기 신규 등록된 차량의 18.7%가 디젤엔진을 장착하고 있다. 디젤 차량의 중요한 장점 중 하나는 우수한 연비인데, 국내에서 시판중인 승용차와 RV의 경우 디젤 엔진을 장착했을 경우 가솔린 엔진 대비 17~42% 우수한 연비를 나타내고 있다.) 1) 이러한 연비 차이를 CO2로 나타내더라도 4~19% 디젤 차량이 우수한 것으로 나타나므로, CO2 저감 차원에서도 디젤 차량의 보다 많은 보급이 바람직하다.

디젤 엔진의 압축착화 연소 방식은 가솔린 엔진의 연소에 비해 원리적으로 높은 열효율을 가지나, 분사 제어, 과급 능력 및 배기가스 제어 등 여러 가지 제약이 있어 디젤 차량의 연비에는 향상의 여지가 크게 남아 있다. 따라서 최근 디젤 차량의 연비 개선이 집중적으로 이루어지고 있어, 자동차 업체들은 매년 열리는 각종 모터쇼마다 획기적으로 향상된 연비 선도차를 경쟁적으로 발표하고 있다. 본고에서는 승용디젤차량에서의 이러한 최근 연비개선기술 중 다운사이징에 대해 소개하려 한다.

2. 디젤엔진의 연비 개선 항목
차량의 연비에 관계된 주된 인자를 개략적으로 구분하면, (1) 차량중량, (2) 공력저항, (3) 구름저항, (4) 동력계(Powertrain) 효율 등으로 나눌 수 있다. 이 중 (1)~(3) 항목은 엔진 종류에 상관 없이 모든 차량에 해당하는 것이고, 동력계는 크게 엔진과 변속기로 나눌 수 있다. 승용디젤엔진에서의 연비 개선 인자는 <그림 1>과 같이 연소 개선, 운전영역 변경, 마찰 개선, 에너지 관리 등으로 구분이 가능하며, 이 중 연비 개선 항목으로 최근 가장 주목받고 있는 것은 다운사이징(Down-sizing)이다.

3. 다운사이징의 개념
최근 디젤엔진차량에서의 가장 뚜렷한 연비개선 움직임은 다운사이징이다. 다운사이징의 기본 원리는 엔진 배기량을 줄여서 효율이 좋은 고부하쪽 운전 영역을 사용하는 개념이다. <그림 2>는 일반적인 직접분사식 승용디젤 엔진의 연비맵인데, 중속 고부하 영역에서의 연비가 가장 우수하므로 이 영역을 적극적으로 이용하면 차량 연비의 개선을 기대할 수 있다.2) 다운사이징과 같이 운전영역의 변경을 통해 연비를 향상시키는 방식으로는 다운스피딩(Down-speeding)이 있는데, 기어비 변경을 통해 <그림2>에서 표시된 것처럼 운전영역을 고부하 및 저회전수 영역으로 이동시켜 역시 연비 향상을 도모하는 방법이다.

일반적으로 엔진 배기량이 줄어든다고 해서 동일 BMEP 상의 엔진 자체 연비가 좋아진다고 기대할 수는 없다. 오히려 연소실 크기가 작아지는 경우 열전달 손실이 증가하는 등 불리한 측면이 있어 <그림 3>과 같이 동일 BMEP 상에서는 연비가 다소 나빠질 수 있으나, 차량조건에서는 동일 토크가 요구되므로 배기량이 줄어드는 만큼 동일 차량운전조건에서의 엔진 BMEP는 증가하여 배기량 감소 전의 BMEP 조건에서의 연비에 비해 향상된 연비를 기대할 수 있는 것이다.

4. 다운사이징시의 엔지니어링
연비 향상을 위해서 다운사이징을 실시할 때에 첫 번째로 유의해야 할 점은 다운사이징 전보다 고부하로 운전되기 때문에 NOx 배출이 증가한다는 것이다. 디젤차량은 정해진 배기규제를 만족시켜야만 하는 제약 속에서 개발되므로, 다운사이징과 더불어 배기가스 배출 수준을 조절하기 위한 재매핑􀓈􀓈)이 필수적이다.

디젤 엔진에서 연소 매핑을 진행할 때, 필수적으로 동시에 고려해야 하는 것은 NOx, PM으로 대표되는 배기가스 배출 수준과 연비, 그리고 연소음이다. 연료분사 압력 및 시기, 다중 파일럿(Pilot) 분사, 후 분사(Post-injection), 과급압력, EGR율 등의 연소제어인자의 조합에 따라 연비, 배기가스, 연소음의 수준이 운전조건 전 영역에서 최적화되어야 한다. 승용디젤차량의 규제 및 상품성 측면에서 이 세 가지 요소 중 어느 하나도 제외할 수 없으므로, 연비의 향상만을 위해 다른 요소를 희생시킬 수는 없는 것이다. 다만, 운전영역에 따라 배기규제시험모드의 운전영역에 해당하는 영역은 배기가스 배출 수준이 우선적으로 고려되고, 그 외의 영역은 연비 및 연소음을 우선적으로 고려한다는 등의 전략이 사용된다.

다운사이징으로 인해 새로이 배기규제시험모드에 포함되게 된 고부하 영역에서, 다운사이징 전에는 중요하게 고려되지 않았던 배기가스 배출수준에 대해 재매핑이 필요한데, 이러한 재매핑 과정에서 애초에 기대되었던 연비 향상분의 일부가 배기가스 저감 목적으로 사용되면서 연비 향상 효과가 다소 감소하는 것이 일반적이다. 이 때, 다운사이징과 함께 엔진의 연소 시스템 자체를 개선하면 연비 향상을 극대화할 수 있는데, 예를 들어 연비와는 상관 없이 단지 NOx를 추가 저감시킬 수 있는 기술이 적용된 경우에, 결과적으로 NOx 배출량의 여유분을 연소제어인자 변경을 통해 연비 향상으로 전환시킬 수 있는 디젤 엔진의 특성을 이용하여 차량 연비 향상을 꾀할 수 있는 것이다. <그림 4>는 터보 사양 최적화로 2,000rpm, 6.5bar(BMEP)에서 연비와 NOx를 개선한 예인데2), 이처럼 연소시스템을 개선하면, 매핑 전략에 따라 연비 향상과 배기가스의 저감을 선택하여 최적화할 수 있다. 최근의 승용디젤엔진 기술 동향을 살펴보면, 인젝터를 포함한 분사 시스템 개선, LP(Low Pressure) EGR 적용, 연소실 형상 최적화, 압축비 감소, EGR 쿨러(Cooler) 및 인터쿨러(Intercooler) 성능 향상 등 연소계를 개선함으로써 연소제어인자의 자유도를 확대하여 배기규제를 대응하면서 동시에 연비 향상을 꾀하는 방법이 다운사이징과 동시에 적용되고 있다.

다운사이징을 적용할 때에 유의해야 할 또 하나는 작아진 엔진의 최대토크 및 출력이 다운사이징 전의 엔진에 필적해야 한다는 것이다. 이를 만족하지 못할 시에는 다운사이징에 의해 차량의 동력성능이 저하되므로 상품성에 손실을 가져온다. 따라서 최근의 다운사이징 사례를 보면, 이단 터보(2-Stage Turbocharger)를 사용하여 저속을 비롯한 전 회전수에서 충분한 동력성능을 확보할 수 있도록 하는 것이 대부분이다. <그림 5>는 2.2L 엔진으로 3.0L 엔진을 다운사이징하는 경우에 이단 터보를 사용하여 전 영역 토크를 향상시킨 예이다. 이단 터보를 적용한 결과 3.0L 엔진 대비 중속 영역의 토크는 약 10% 미달하나 기존 2.2L 엔진보다는 크게 향상되었으며, 저속과 최고속에서는 3.0L 엔진과 동등한 토크 수준을 나타낸다.

이단 터보를 사용하는 효과는 엔진의 전부하 성능에만 나타나는 것이 아니라, 부분부하에서 운전 조건에 따른 HP/LP(High/Low Pressure) 터보의 제어로 충분한 과급압 제공은 물론 EGR 제어 범위를 확장함으로써 전체적인 연소시스템 성능의 향상을 가져온다. 따라서 적절한 제어 전략을 통해 터보로 인한 직접적인 연비, 배기가스 개선을 기대할 수도 있으므로, 이단 터보의 도입은 향후 강화되는 배기가스규제 대응을 위해서도 중요하다고 할 수 있다.

5. 다운사이징의 예
다운사이징을 실시함에 있어 다운사이징의 정도, 변속기와의 조합, 엔진의 토크 및 출력 향상, 동력성능과의 조화, 엔진 연소 시스템의 배출가스 특성, 연소음 수준 등 다양한 변수들이 최적화되어야 하는 전제조건이 있으므로, 실제 다운사이징 과정에서 획득할 수 있는 연비향상 정도는 그 편차가 매우 커서 일반적인 수치를 제시하기가 어렵다. 최근에 자동차 제작사 등에서 발표하는 다운사이징에 의한 연비 향상 결과를 살펴보면, 디젤차량의 연비가 동등한 동력 성능 및 배기배출 수준에서 비교해야 한다는 것을 감안하고, 다운사이징 시 추가적인 연소시스템의 개선이 이루어지는 경우가 많은 것과 발표되는 차종 중 일부는 동력성능 수준이 일반 대중차와는 상이한 것을 고려하면, 실제 단순 다운사이징에 의한 연비 향상 효과는 10% 내외 정도로 생각된다. 여기에 각종 연소 시스템 개선이 더해지고 시스템 최적화가 이루어지면 추가적인 연비 개선이 가능하다.

<그림 6>은 AVL사에서 제시하는 다운사이징 예이다. 차량 동력성능이 동등한 조건에서 2.2L→1.6L 다운사이징을 위해서는 비출력과 비토크가 지나치게 높은 엔진이 필요하며 연비 향상이 2% 정도 밖에 되지 않으나, 2.0L → 1.6L 다운사이징 시에는 적당한 비출력의 엔진으로 동등한 차량 동력성능과 약 8%의 연비 향상을 달성할 수 있었다.5) FEV사는 2.0L 엔진을 1.6L로 다운사이징하여 약 9%의 연비를 향상시켰는데, <그림 7>의 공력, 구름저항, 차량중량 각 20% 감소에 의한 연비개선이 2.8~6.8%인 것보다 큰 수치이며, 추가적으로 이단 터보, LP EGR, 흡기유동 최적화 등을 통해 연비개선 효과를 17%가지 증가할 수 있었다. BMW는 현재 전 차종에 대해 다운사이징을 진행하고 있는 중이며, 이를 통해 10%의 연비를 개선하는 목표를 가지고 있다. 국내의 현대기아자동차그룹 역시 다운사이징 등을 통해 2012년까지를 목표로 10%의 연비를 개선하는 과정을 진행중이다.

6. 연비 개선과 비용
이상에서 살펴본 다운사이징은 승용디젤엔진의 최근 연비 개선 노력 중 그 효과가 가장 큰 기술로서, 이단 터보 등 연소 시스템 개선과 결합될 경우 그 개선 폭이 더욱 커질 수 있다. 다만, 승용디젤엔진에서 항상 고려해야 하는 것은 연비 향상에 대한 비용의 증가이다. 엔진의 내구성 확보와 고가의 고압연료분사장치 등의 이유로 이미 현재의 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 2배 가까운 가격을 지니고 있는 상태에서 연비 개선 및 강화되는 배기규제의 대응을 위해 늘어나는 비용을 어떻게 최소화하는가는 쉽지 않은 문제이다. 그러나 <그림 8>에서 알 수 있듯이 승용디젤엔진은 비용 대비 연비 향상 효과가 하이브리드 등 다른 시스템에 비해 상대적으로 우수하므로7), 여전히 상당 기간 동안 자동차 연비 향상의 주된 역할을할 것이 분명하다.

7. 결론
이상에서 살펴본 바와 같이 현재 다운사이징을 통해 승용디젤엔진 차량의 연비를 향상시키는 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 다운사이징에는 단순한 엔진 배기량 축소뿐만이 아니라, 이단 터보, LP EGR, 분사 시스템 등의 연소 시스템의 개선이 필수적인데, 비용을 포함한 엔진 시스템의 최적화가 성공적인 개발 및 보급의 관건이다. 또한 연소 시스템과 관련한 핵심 기술 및 부품을 대부분 해외에 의존하고 있는데, 자동차 관련 기술의 육성 및 CO2 저감 차원에서 관련 핵심 기술 및 부품의 국산화에 정부의 R&D 지원이 확충되기를 기대한다.