1. 서론
생물자원으로부터 생산되는 바이오 연료는 이산화탄소 저감을 위한 환경문제 해결과 화석연료 고갈을 대비한 에너지안보의 확보라는 두 가지 측면이 고려되어 전 세계적으로 빠른 보급이 이루어지고 있다. 특히, 수송분야에서 바이오디젤과 바이오에탄올의 보급은 다른 여타 연료와 비교하여 각각 경유, 휘발유를 효과적으로 대체할 수 있으므로 선진국을 중심으로 하는 여러 국가에서 연료의 표준을 재정하여 보급확산에 많은 노력을 기울이고 있다. 식량자원의 연료화에 따르는 도덕적 문제, 수자원 고갈, 이차적인 산림파괴 등 여러 부작용이 있음에도 불구하고 바이오디젤과 바이오에탄올로 대표되는 바이오연료의 확대는 수송분야에서 불가피한 것으로 보인다.

따라서 본고에서는 바이오디젤과 바이오에탄올 두가지 연료를 중심으로 일반적 보급현황 및 전망(오토저널 32권 4호 참조)을 제외한 엔진이용기술에서 현재 이슈가 되고 있는 내용을 중심으로 기술 현황에 대하여 소개하고자 한다.

2. 바이오디젤 엔진기술
바이오디젤은 세탄가가 높으므로 압축착화방식의 내연기관에서 일반디젤을 대체할 수 있는 바이오 연료이다. 바이오디젤은 다양한 원료로부터 생산되고 있으며 이에 따라 엔진연료로써의 특성이 원료에 따라 조금씩 다른 특징을 보이고 있다.

밀도, 동점도, 유동점, 세탄가 등 연료의 물리화학적 성질은 원료가 결정짓는 중요한 물성이다. 일반적으로 자동차연료로서 바이오디젤 연료는 광유계 디젤연료와 혼합되어 사용되므로 바이오디젤은 일반 디젤유 과 비교하면 밀도, 점도, 세탄가는 높으며 열량, 휘발성은 낮은 특성을 보이고 있다. 따라서 바이오디젤을 디젤엔진에 적용할 경우 상이한 물성에 따른 엔진의 기술적 보완이 필요하게 된다.

2.1 엔진성능 및 내구특성
바이오디젤의 주요한 물성 중 발열량이 일반디젤보다 단위부피당 5% 정도 작으므로 바이오디젤 혼합연료의 경우 출력감소와 연료소모량 증가가 필연적이다. 그러나 단위 에너지당 제동열효율은 일반적으로 바이오디젤 혼합연료의 효율이 높은 것으로 나타나고 있다. 현재까지 전 세계적으로 바이오디젤의 혼합율 대부분 10% 이하로 사용하고 있으나 단계적으로 늘려나가는 추세에 있다. 하지만 일부 엔진 제작사에서는 BD20의 사용을 보장하는 엔진을 상용화하고 있다.

미국의 커밍스와 캐터필러사는 공식적으로 BD20의 사용이 가능한 엔진을 판매하고 있다. 미국 Southwest Research Institute에서 수행된 커밍스사의 9리터급 대형 디젤엔진의 1,000시간 내구시험 결과에 의하면 엔진의 동력특성 및 기계적 내구 특성은 일반 디젤을 사용한 경우와 동일하며 BD20의 사용으로 인한 엔진의 열화나 마모는 없는 것으로 발표하였다. 특히 가장 우려되는 후처리장치, 연료분사계의 경우도 문제가 없는 것으로 보고하였다. 미국 NREL(National
Renewable Energy Laboratory)의 연구결과에 의하면 BD20을 사용하는 소형디젤엔진의 경우도 DeNOx 장치 및 DPF(Diesel Particulate Filter)를 사용하는 엔진에서 후분사로 인한 윤활유 희석현상은 문제가 되지 않는 것으로 나타났다. 특히 후분사 빈도가 높은 NOx 저감용 흡장촉매의 경우도 SCR을 사용한 경우와 비교해 바이오디젤 사용으로 인한 윤활유 희석 영향은 허용범위안에서 문제가 없는 것으로 나타났다. 그러나 바이오디젤은 증발온도 및 끓는점이 높기 때문에 바이오 디젤의 함유량이 더 높아질 경우 후 분사가 적용되는 디젤엔진에서 엔진오일 희석 가능성이 더욱 커지게 되므로, 이에 대한 우려는 여전히 중요한 이슈가 되고 있다.

바이오디젤은 점도가 높아 분사된 연료의 미립화에 불리하나 일반 디젤보다 높은 세탄가를 가지기 때문에 착화지연기간(Ignition Delay)이 짧아 예혼합연소는 감소하지만 BD20의 경우에 연소기간은 일반 디젤 과 큰 차이를 보이지 않는다.

바이오디젤은 함산소 연료이므로 실린더헤드, 피스톤, 인젝터팁 주변에 생성되는 카본이 물질의 형성은 일반 디젤보다 크게 감소하는 것으로 알려져 있다.

2.2 배기배출물
바이오디젤은 함산소 연료이므로 입자상 물질의 발생이 일반디젤에 비하여 혼합율에 따라 큰 폭으로 감소하며 불완전 연소로부터 기인하는 일산화탄소(CO) 역시 줄어들게 된다. 미국 EPA 보고서에 의하면 BD20의 경우 대형디젤엔진에서 PM, CO는 10% 이상 감소시킬 수 있으며 미연탄화수소(HC)는 20% 이상 저감이 가능할 것으로 보고하고 있다.

질소산화물(NOx)의 경우는 대부분의 연구에서 소폭으로 상승하는 결과를 발표하고 있다. 바이오디젤에서 질소산화물의 배출이 늘어나는 원인으로는 제어변수, 착화지연, 연소온도, 연료성상 등이 주요 원인이며 각각의 인자들은 엔진의 운전조건에 따라 다르게 작용하지만 결과적으로 바이오디젤의 첨가에 의하여 질소산화물이 증가하는 결과를 보여주고 있다. 확산화염의 비중이 큰 고부하 영역보다 예혼합연소가 중요한 저부하영역에서 바이오디젤 첨가에 의한 질소산화물 배출특성이 크게 영향을 받는다.

최근 미국 Sandia National Laboratories에서 수행된 바이오디젤 혼합연료의 질소산화물 증가 원인에 대한 미시적 연구에 의하면 연소장에서 바이오디젤은 Soot의 생성이 작기 때문에 복사에 의한 열전달이 줄어들고 자발화 영역에서 이론공연비에 가까운 혼합기가 형성되어 연소장의 온도를 높임으로써 질소산화물의 생성을 증가시킨다는 연구결과를 발표하고 있다.

질소산화물과 입자상물질을 동시에 저감하는 저온연소기술을 바이오디젤 혼합연료에 적용하는 연구도 진행되고 있다. 저온연소 기술에서는 연료의 성상보다는 연소제어(Combustion Phasing Control)에 의하여 질소산화물을 감소시킬 수 있으므로 바이오디젤 혼합연료의 질소산화물 증가는 크게 문제가 안되는 것으로 보인다. 그러나 미연탄
화수소, 일산화탄소의 증가 및 입자상물질에서 SOF(Soluble Organic Fraction)의 증가 등은 후처리 장치의 설계 및 제어방식이 달라져야 하는 것으로 나타나고 있다.

3. 바이오에탄올 엔진기술
에탄올은 가솔린 발열량의 67% 정도로 단위에너지밀도가 떨어지지만 옥탄가가 매우 높아 전기점화기관에 사용될 경우 노킹을 억제할 수 있으므로 압축비를 높일 수 있고, 따라서 열효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 에탄올은 단일 성분의 연료로 넓은 범위의 증발온도를 갖는 가솔린에 비하여 냉간시동 성능이 매우 떨어진다. 또한 알데하이드계의 유해배출가스가 증가하는 환경적인 단점도 있다. 일반적으로 특별
한 개조 없이 가솔린 자동차에 10% 에탄올을 혼합하여 사용하는 것은 가능하기 때문에 연료수급의 문제가 해결될 경우 바이오디젤보다도 빠르게 보급될 것으로 보이며 현재 전체 바이오연료 시장의 80% 이상을 차지하고 있다.

3.1 냉간시동 기술
에탄올 연료가 가지고 있는 냉간시동 문제를 시동용 가솔린 보조연료탱크 필요 없이 해결한 첫번째 자동차 폭스바겐 폴로 E-Flex 모델이 2009년에 브라질 시장에 나왔다. 여기에는 보쉬의 Flex-Start 시스템이 적용되었다. 보쉬의 Flex-Start 시스템은 연료라인에 프리히터를 장착하여 낮은 외부온도 상황에서도 엔진시동이 문제 없도록 하고 있다. -5℃까지 작동하기 때문에 브라질 기후 조건에서는 문제가 없을 것으로 알려져 있다.

델파이에서도 바이오에탄올 냉간시동을 위한 연료공급장치가 개발되었는데 보쉬의 시스템과 는 달리 연료분사기를 가열하는 방식을 채택하고 있다. 연료분사기 팁 부분에 열선을 장착하여 초기 냉간시동시 일산화탄소와 탄화수소를 획기적으로 개선할 수 있는 결과를 얻었다.

3.2 바이오에탄올 배기특성
바이오에탄올은 낮은 연소온도 분위기로 인해 알데하이드 계통의 유해배출물질의 증가에 의한 환경오염의 우려를 안고 있다. 알데하이드는 발암물질이면서 오존의 전구체(Precursor) 역할을 하기 때문에 E85가 빠르게 보급되고 있는 미국에서는 에탄올 연료 사용에 대한 문제제기가 계속되어 왔다.

가솔린에 비교한 바이오에탄올의 배기특성은 일관된 연구결 과 를 보여 주지 않았지만 미국 NREL(National Renewable Energy
Laboratories)에서 수행된 연구결과에 의하면 바이오에탄올(E85)의 경우 가솔린보다 연소온도가 낮기 때문에 질소산화물의 발생이 적고 미연탄화수소 및 일산화탄소의 발생도 줄어드는 함산소 연료의 특징을 가지고 있다. 그러나 아세트알데히드, 포름알데히드, 메탄의 생성은 증가하였다.

4. 결론
전 세계적으로 수송분야에서의 바이오연료 사용은 빠르게 증가하는 추세에 있으며 국내에도 2030년경에 는 전체 수송연료의 13% 정도를 바이오연료가 차지할 것으로 예상되고 있다. 이것은 수송연료의 다양화를 의미하므로 이에 맞는 엔진 및 부품기술의 개발이 동반되어야 한다. 바이오디젤은 이미 저온연소와 같은 신연소 기술에 접목하기 위한 연구가 진행 중에 있으며 바이오연료의 혼합율을 높이기 위한 연료공급시스템의
개발은 핵심부품 기술로서 이에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. 바이오에탄올은 높은 옥탄가를 활용하여 다운사이징함으로써 엔진효율을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 보인다. 또한 무수에탄올(Anhydrous Ethanol)의 높은 생산비용을 극복하기 위하여 수분 함량이 높은 유수에탄올(Hydrous Ethanol)을 적용하기 위한 연구가 늘어나고 있다.

수송분야에서 바이오 연료는 에너지, 환경 문제를 직접적으로 해결할 수 있는 수단이므로 온실가스저감과 국가에너지 안보를 위하여 필요하지만 아직 원료수급의 문제가 해결되어야 하는 과제를 안고 있다. 그러나 지속적으로 연구되고 있는 2, 3세대 바이오연료 생산기술과 병행하여 이용기술 또한 꾸준히 개발될 것으로 예상된다.