1. 연비 향상의 중요성
차량 연비에 대한 인식은 몇 년 전까지만해도, 화석에너지자원의 고갈과 그에 따른 가격상승 등 경제적인 문제에 국한되었다. 그러나, 이제는 지구 온난화로 인한 인류의 생존 자체에 대한 위협 문제라는 방향으로 큰 인식 전환에 이르게 되었다. 그러한 변화에 따라, 주로 자원안보 측면에서 검토되던 세계각국의 연비규제 또한, 최근에는 지구온난화에 대한 사전 대응 차원으로 변화를 겪고 있다.

글 / 김광연 (현대기아자동차)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널

미국의 경우 경기침체와 더불어 연비 규제의 완화 움직임을 보였으나, 오바마 정부 출범 이후 더욱 강화된 연비 규제안을 추진하고 있으며, 우리나라에서도‘녹색성장기본법’에 근거하여 미국과 유럽 등 선진국 수준의 강화된 연비 규제 제정이 검토되고 있다(시장특성을 감안할 때 세계에서 가장 강력한 연비 규제 도입이 예상된다). 따라서, 연비 향상은 자동차 제조사들에게는 제품의 한가지 상품성 개선이 아닌 매우 절박한 문제가 되고 있다.

이에 본 고에서는 승용디젤의 연비 현황과 개선기술 등에 대해 소개하고자 한다.

2. 승용디젤의 현황
디젤엔진은‘루돌프 디젤’이 압축착화방식의 엔진에 대한 특허를 받은 이후부터 높은 열효율로 크게 주목 받아왔으며, 주로 대형/상업용 기관으로 사용되어왔다. 1990년대에 들어서면서 Unit Injector, Common Rail, 고효율 터보차저 등의 기술이 적용되며 대폭적인 소형화∙고효율화가 가능해진 때부터 디젤 승용차의 높은 판매율이 기록되기 시작했다.

디젤승용차의 연비 우수성은 <표 3>에서와 같이 국내 연비 10위 차종 중 7개가 디젤 차량임을 통해서도 확인 가능하다(유종별 연비등급 <표 4>). 이러한 뛰어난 연비 수준을 기반으로 유럽 시장에서는 2000년대 중반부터 전체 승용 판매 물량의 절반 가량을 디젤 차량이 차지하고 있다. 국내에서 승용디젤 발매 초기 시장의 기대는 매우 높았으나 전체 승용 판매물량의 약 17% 수준이다.

이는 디젤의 뛰어난 연비 수준에도 불과하고, 가솔린차량 대비 높은 가격과 유류세제변경, 유종 별 수급상황 등에 의한 디젤연료가격의 상승, 국내 소비자들의 저소음 차량 선호 경향 등이 복합적으로 영향을 미친 것으로 보인다.

따라서, 지구온난화 문제와 연비∙환경규제 등이 더욱 강화되는 현 시점에서 승용디젤의 뛰어난 효율을 기반으로 한 연비 개선과 시장 확대에 대한 추가적인 노력이 강구되어야 할 것이다.

3. 승용디젤 엔진의 연비 기술
승용디젤의 연비 우수성은 앞서 언급한 바와 같이 가솔린대비 높은 열역학적 효율이 가장 크게 기여하고 있다. 특히, 커먼레일 시스템의 도입 이후로는 엔진의 운전조건과 무관하게 연료분사압력/분사시기/파일럿분사 등의 인자를 변화할 수 있게 되어 DOE를 통한 보다 최적화된 연소시스템의 구현이 가능해졌다. 또한, 1,800~2,000bar 이상의 고압, 8개 이상의 분사공을 갖는 분사 시스템 도입은 PM 등 배기가스 저감과 더불어 추가적인 연소 효율 향상을 가능하게 했다. EGR 쿨러의 효율 또한 더욱 높아져서 NOx 부담을 경감시켜주어 연비 개선을 위한 분사 시기 최적화에 기여했다. 특히 NOx 규제강화 대응을 위해 개발된 Low Pressure(LP) EGR 시스템은 뛰어난 NOx 저감 기능으로 인해, 최근에는 연비개선 아이템으로도 검토되고 있다.

엔진 시스템의 연소 효율 향상 기술과 더불어, VGT, VGC(Variable Geometry Compressor), 2-Stage Turbo시스템 등의 도입은 승용디젤 시스템의 고질적인 문제였던 응답성을 대폭 개선하여 차량의 기어비 운용을 보다 유연하게 함으로써 파워트레인 시스템 전체의 효율 개선을 가능하게 했다. 또한, 디젤엔진용 저마찰 엔진오일의 개발, 터보차저 베어링 개선(볼베어링 적용 등), 이황화몰리브덴(MoS2) 등 각종 코팅기술과 체적 가변형 오일펌프(Variable Oil Pump), BSM(Balance Shaft Module)의 최적설계와 같은 각종 마찰계 개선 기술도 최근에는 아주 활발히 개발∙적용되고 있다.

OAD(Over-running Alternator Decoupler)시스템은 알터네이터의 진동 감쇠를 통한 벨트장력 저감을 유도하여 벨트 동력 손실을 저감한다. 쿨링시스템의 열손실 최적화와 워터펌프 구동력 손실 저감을 위한 전자식 워터펌프나 클러치 워터펌프 또한 이미 양산에 적용되고 있으며, 일부 제조사에서는 추가적인 개선 시스템을 양산 적용 검토 중이다.

연비를 중시하는 시장의 경향은 승용디젤 개발의 새로운 트렌드를 이끌어내었다. 기존의 고배기량에 대한 선호가 연비/친환경 위주로 바뀌게 되면서 엔진의 다운사이징을 통한 연비개선 또한 충분한 시장경쟁력을 갖게 된 것이다. 디젤의 경우 다운사이징을 통한 주 운전영역 변화(저부하→고부하)를 통한 고효율 운전의 이점을‘NOx 증가'라는 부작용으로 인해 모두 살려내기가 쉽지는 않다. 따라서, 승용디젤차량의 다운사이징 시에는 중량저감, 주행저항(공기저항 및 구름저항)개선 등 부하저감 기술과 인터쿨러 및 EGR쿨러 효율개선(또는 통합냉각시스템) 등의 조합으로 최고의 효과를 이끌어 내고 있다.

4. 승용 디젤차량의 연비 기술
차량의 연비는 파워트레인과 차량 전 부문의 조합에 의한 최종 산물이다. 따라서, 승용디젤엔진 탑재 차량의 연비 개선을 위해서는 차량 부문의 각종 연비개선기술이 필수적으로 적용되어야만 기관 효율의 우수성을 최종적으로 구현할 수 있다.

연료로 공급된 화학적 에너지는 파워트레인시스템으로부터 기계적인 일로 변환되며, 차량의 중량(운동에너지로의 변환 후 감속 중 브레이킹 손실), 공기저항, 구름저항 및 각종 전달계 효율(마찰 손실 등)에 의해 소모된다. 즉, 차량 부문의 연비 개선 기술은 각종 손실의 제거에 주로 초점을 둔다.

엔진 부가장치의 소모 에너지를 저감하기 위해 가장 널리 적용되고 있는 기술은 MDPS(Motor Driven Power-Steering) 시스템이다. 기존 유압식 파워스티어링시스템은 조타하지 않는 상태(Nonsteering)에서도 기본 유압을 유지하기 위해 불필요한 동력을 소모하는 손실이 매우 큰 시스템 중 하나였다. 그러나, MDPS는 조타시에만 동력(전력)을 소비하며 구조가 유압시스템에 비해 매우 간단하여 레이아웃 측면에서도 우수하다.

최근에 많이 적용되고 있는 ISG(Idle Stop & Go)시스템은 아이들 중 연료 손실을 제거하기 위한 것이다. 디젤 차량의 ISG 시스템은 디젤 특유의 진동특성 때문에 더욱 정교하게 개발되고 부가적인 컨트롤로직이 적용되고 있다. 공기저항 감소를 위한 능동공력제어 시스템은 BMW에서 엑티브 에어프랩(고속 주행 시 차량 전면 공기흡입구를 막아 공기 저항을 최소화하는 기능을 함)을 승용차에 적용하기 시작한 이래 각 제조사에서 유사한 방식의 기술 개발이 활발히 추진되고 있다.

주행저항 중 타이어의 구름저항은 실리카컴파운드 도입 이후 많은 개선이 있어 왔으나, 최근에는 타이어 구조 최적화 및 신컴파운드의 추가 적용을 통해 더 욱 낮은 구름저항 구현이 가능해져 연비 개선에 크게 기여하고 있다. 타이어의 웜업(Warm-up) 특성을 개선하여 연비를 개선하기 위한 노력도 시도 되고 있다.

전장시스템의 소모전력을 줄이기 위한 시스템도 적용되고 있다. 알터네이터의 효율 향상기술과 더불어, 차량 가속 시 발전량을 축소하고, 감속(브레이킹) 시 발전량을 증가시켜 감속 중 에너지 손실을 일부 회수하는 축소된 개념의 에너지회수 시스템이다. 또한, 유사한 개념으로 에어컨컴프레서의 차량 가/감속 연동제어 또한 최근 디젤 승용차량에 적용이 진행되고 있다.

각종 손실저감 기술과 더불어 디젤차량의 하이브리드화에 대해서도 디젤이 시장 우위를 선점하고 있는 유럽 자동차메이커들을 중심으로 많은 논의가 되어왔다. 현재까지도 비용효율적인(Cost-effectiveness) 측면에 대한 논쟁이 계속되고 있지만, 기존 가솔린 하이브리드에서와는 다른 차원의 다양한 기술조합(LTC, HCCI 등 디젤 신연소기술과의 조합등) 및 원가절감방안(플러그인 시스템 도입, Super Capacitor 채용, Mild-HEV 등)에 대해 많은 연구가 추진되고 있으며, 도요타, VW, Audi 등에서 2011~2012년에 발매를 검토하고 있다고 하므로 조만간 시장에서 볼 수 있게 될 것으로 보인다.

승용디젤의 연비 향상을 위한 기술적 접근중 운전자를 연비형 운전으로 유도∙학습시키는방식도시도되고있다.‘ 경제운전알림시스템’이라는 명칭으로 탑재되고 있는 이 시스템은 운전자가 고효율 영역에서 운전할 수 있도록 하는 보조적인 기능을 하여 연비를 향상시킬 수 있도록 유도한다. 또, 단순한 안내 기능에서 더 나아가 운전자가 원할 경우 차량의 각종 제어 방식 자체를 연비형으로 변경할 수 있는 시스템도 적용되고 있다.

앞서 언급한 다양한 기술들 이외에도 많은 아이템들이 개발∙적용 검토되고 있어, 배기열회수 시스템 (Fast Warm-up, Turbo Generator, 열전소자활용 등), 태양전지 등도 실제 양산화될 가능성이 높아지고 있다.

5. 승용디젤 연비기술 개발의 미래
승용디젤엔진은 뛰어난 열역학적 효율을 기반으로 앞으로 더욱 강화될 각종 연비규제와 시장의 친환경요구에 부합할 수 있는 시스템임에 의심의 여지가 없다. 그러나, 가솔린HEV 등 강력한 경쟁 시스템과의 절대적 비교우위 확보를 위해서는 승용디젤엔진의 효율 추가개선과 더불어 앞서 언급한 각종 부가기술들의 조기 개발 및 원가절감, NVH 개선 등에 더욱 많은 노력을 기울여야 할 것이다.