자동차엔진의 연비향상 기술개발 동향

1. 서론
불안정한 고유가의 위협으로 인해 자동차 연비는 소비자들이 자동차를 구매할 때 반드시 고려해야 하는 필수 항목이 되었고, 연비 향상은 자동차 제작사들에게 시장 경쟁력 강화와 아울러 이산화탄소 배출량에 대한 규제 강화로 인해 달성해야 하는 의무 사항 중 하나가 되었다.

<그림 1>은 자동차 엔진에서 출력과 관련된 하나의 지표로서 평균유효압력(Mean Effective Pressure)에 대한 흐름도를 나타내고 있는 것으로, 연료가 가진 출력이 최종적으로 나오기까지 5가지 손실을 미연 배출물(Emission), 열전달(Heat Transfer), 배기(Exhaust), 펌핑(Pumping) 그리고 마찰(Friction) 평균유효압력으로 분류하고 있다.

글 / 배충식, 정용진 (한국과학기술원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 1월호

손실에 대한 개선을 연비 향상으로 가정하여 본 고에서는 각 손실을 연소개선, 지능형 냉각, 배기열 회수, 펌핑 그리고 마찰 손실 저감과 관련된 것으로 보고, 이 중에서 <그림 2>와 같이 손실 비율이 가장 큰 배기열의 회수 기술은 별도로 다루기로 하고, 나머지 4가지 손실 개선에 대하여 간략히 알아보고자 한다.

2. 자동차엔진의 연비향상 기술 소개
2.1 연소 개선 - 연료, 공기 관리
연료와 공기의 연소로부터 모든 출력을 얻어야만 하는 자동차엔진에서 연소 자체와 그 개선 여부는 매우 중요하다. 하지만 배기 규제라는 제한을 감안한 연소를 위해 연소는 출력을 잃지 않고 연비를 향상시킬 수 있는 방향으로 발전되어야만 했다. 이러한 연소 개선을 위한 중요 인자를 연료와 공기의 관리로 나누어 볼 수 있는데, 연료 관리와 관련된 기술로는 인젝터(Injector) 구동 방식의 발전과 분사압의 증가 그리고 연소실 형상 최적화를, 공기 관리와 관련된 기술로는 가변 밸브 기구와 가변 압축비 그리고 흡기 포트(Port) 최적화를 그 예로 들 수 있다.

디젤 엔진의 경우, 연소실 내부로 연료를 분사시키고 이를 공기와 혼합시켜 연소에 이르게 하는데, 이 때 혼합은 연소실 내부의 유동 특성과 더불어 분사된 연료의 분사율, 분무의 거시적 형태 그리고 분무의 미립화 특성에 영향을 받는다.

이와 더불어 차량 제작사들은 <그림 3>과 같이 소음 및 배기 저감, 연소 효율 향상, 그리고 후처리 장치를 위하여 다단 분사 전략을 채택하고 있으며, 이러한 분사 전략을 엔진의 각 운전 조건에 맞게 신속하고 정확하게 선택하고 변경하기 위하여 솔레노이드(Solenoid)보다 응답성이 빠른 피에조(Piezo)를 통한 인젝터 구동 방식을 <그림 4>와 같이 채택하고 있다.

가솔린 엔진의 경우, 최근 연소실 내로 직접 분사하는 방식(Gasoline Direct Injection)이 채택되어, 흡기 포트(Port)에 연료를 분사하여 공기와 혼합된 채 연소실로 유입하는 PFI방식에 비해, 분사량 및 분사 시기가 연소에 큰 영향을 미치므로 인젝터의 중요성이 증대되었다. 또한 디젤 엔진과 마찬가지로 다단 분사의 채택은 응답성이 빠른 피에조(Piezo)를 통한 인젝터 구동 방식을 선택하게 만들었으며, 더욱이 성층 연소를 위한 분무 유도식(Spray-guided) 직접 분사는 분무의강성이 더욱 요구되어 인젝터의 중요성은 더욱 증대될 예정이며, 이에 관한 연구도 활발히 진행 중에 있다.

<그림 5>와 같이 분사 압력 증가를 통하여 출력을 증가시키고 연비를 향상시키려 노력하고 있다. 인젝터 구동 방식과 분사 전략은 분무의 형태 및 특성을 변화시키므로 이에 맞는 내부 유동을 유도할 수 있는 연소실 형상 설계의 최적화가 필요하다<그림 6>.
공기 관리 면에서 가변 밸브(Variable Valve) 기구는 흡배기 밸브의 열림과 닫힘 그리고 그 양정(Lift)까지 엔진의 운전 조건에 맞게 최적화하는 기술로서 원활한 공기 및 배기의 흐름을 통하여 출력 향상에 기여한다.

가변밸브 기구는 밸브의 개폐 시기를 조절하는 가변 밸브 타이밍(VVT : Variable Valve Timing), 밸브의 양정을 조절하는 가변 밸브 리프트(VVL : Variable Valve Lift), 밸브의 개폐 시기 및 양정을 함께 조절하는 가변 밸브 작동(VVA : Variable Valve Actuation)으로 발전되어 왔으며, 최근에는 밸브 캠(Valve Cam)이 없어, 밸브의 시기 및 양정에 대해 자유로이 변경 가능한 캠리스(Camless) 가변 밸브 작동 기구가 연구개발 되고 있다.

가변 압축비(VCR : Variable Compression Ratio) 기술은 엔진의 각 운전 조건에 대하여 최적의 압축비를 선택하여 사용하는 기술로서, 주로 부분 부하에서는 고압축비를, 고부하에서는 저압축비를 사용하여 출력 향상 및 질소산화물 저감을 목표로 하고 있다. 이 두 기술은 그 효과를 극대화하기 위하여 <그림 7>과 같이 흡기 포트 최적화가 병행되어야 하며, 최근 예혼합기(Premixed Charge) 연소를 통한 낮은 연소 온도를 이용하여 매연과 질소산화물을 낮추는 신연소 기술의 문제점인 연소상 제어 측면에 영향을 줄 수 있어 그 중요성이 증가하고 있다.

2.2 지능형 냉각
냉각시스템은 최대부하 및 극한의 운전 조건에서도 엔진 부품들, 특히 연소실과 인접한 부품들의 열적 변형 및 파손을 일으키지 않게 만들어져야 한다.

하지만, 실제 차량의 운전은 저부하 및 부분부하에 국한되어 있으며, 냉각 펌핑의 유량은 엔진회전수에 종속되어 구동되기 때문에 외부 온도 및 상황에 적절하고 민첩하게 대응하기가 어렵다. 냉각시스템에 의해 적절한 엔진 온도를 유지하지 못하고 낮은 온도가 유지될 때 연소실 벽면으로의 열전달 손실은 증가하게 되며, 낮은 온도로 인한 엔진 오일의 점도저감은 기계적 마찰의 증가로 나타나기 때문에 냉각시스템은 연비에 직접적으로 영향을 끼치게 된다.

또한 냉시동에서 웜업(Warm-up)시간을 단축시키면 기계적 마찰을 줄이므로 연비 향상에 기여할 수 있으며, 전자식 워터 펌핑과 클러치 워터 펌핑의 사용은 이미 양산되어 적용되고 있다.

<그림 8>은 지능형 냉각시스템(Intelligent Cooling System)을 보여 준다. 전기로 구동되는 워터 펌핑, 엔진회전수와 별도로 회전수가 조절되는 냉각 팬(Cooling Fan)과 열교환기, 냉각 부하에 맞게 냉각 유량을 결정할 수 있는 밸브 그리고 실린더 헤드 가스킷(Gasket)에서의 온도 측정을 바탕으로 전자제어시스템을 이용하여 정밀 제어가 가능하게 구성되어 있다. 이를 통해 엔진 구동력 손실 및 마찰 저감으로 인하여 연비 개선 효과를 기대할 수 있다.

2.3 펌핑 손실 저감
자연 흡기(Naturally Aspirated) 방식의 엔진은 배기와 흡기 행정 동안 불가피하게 펌핑(Pumping) 손실을 유발하는데, 특히 흡기 포트에 연료를 분사하는 방식의 가솔린 엔진은 공기 유량을 조절하기 위한 스로틀(Throttle)로 인하여 펌핑 손실이 크게 나타난다.

이는 앞서 설명한 가변 밸브 기구를 이용하여 흡기와 배기밸브의 열림 및 닫힘 시기와 양정의 조절을 통해서 <그림 9>에서 보는 것과 같이 줄일 수 있으며, 최근 적용되고 있는 가솔린 직접 분사 방식은 흡기 스로틀을 근본적으로 없애 펌핑 손실을 최소화하는데 기여하고 있다<그림 10>.

한편, 가변 밸브 기구는 펌핑 손실을 최소화하는데 비해, <그림 11>과 같이 배기 가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 동축의 압축기를 회전시켜 흡기를 과급하는 장치인 터보차저는 배기와 흡기 행정 동안의 일을 양(陽)으로 만들어 엔진이 하는 전체 일을 증가시켜 출력 증가 및 연비 향상에 크게 기여한다<그림 12>.

또한 터보차저는 그동안 단점으로 지적되어 오던 터보랙(Turbolag) 즉, 각 운전 조건에서 요구되는 흡기량과 압력에 대응하기까지의 시간적 지연을 VGT(Variable Geometry Turbocharger)를 통하여 해결하고, 또한 저속과 고속 영역에서 서로 다른 터보차저를 사용할 수 있는 시퀀셜(Sequential) 방식과 보다 큰 과급 압력을 얻을 수 있는 2단 방식으로 진화하여 출력 증가 및 연비 향상에 없어서는 안될 기술중 하나로 발전하였다.

터보차저를 통한 출력이 증가된 엔진은 동일 출력의 상대적으로 큰 배기량을 가진 자연흡기식 엔진에 비하여 연비 면에서 약 15% 정도 우수한 것으로 알려져 있다. 작아진 배기량을 통하여 연료 소비를 줄이고, 출력은 터보차저를 통하여 보상하여 배기량 대비 출력이 우수한 엔진을 다운사이징(Downsizing)이란 용어로서 설명이 가능한데, 그 개념도가 <그림 13>에 잘 나타나 있다. 최근 대부분의 자동차 제작사들은 터보차저를 이용한 다운사이징을 채택하여 연비 향상과 출력 향상이라는 이상을 실현하고 있다.

2.4 마찰 손실 저감
위의 다운사이징은 비출력이 크므로 엔진회전수가 낮은 영역에서의 운전 즉, 다운스피딩(Downspeeding)을 가능케 한다<그림 12>. 즉, 다운사이징은 터보차저를 통한 출력 보상을 바탕으로 실린더 수 및 배기량을 줄여 낮은 엔진회전수로 운전케 하여 마찰 손실 저감 면에서도 연비 향상에 기여한다. 폭스바겐의 1.4리터 직접분사식 가솔린 엔진을 시작으로 차량 제작사들은 연비와 배기 규제에 유리한 다운사이징된 엔진 생산에 주력하고 있으며, 최근 전 세계적으로 3기통 1리터급 엔진의 확대는 다운사이징의 장점을 잘 반영한다.

<그림 14>은 디젤 엔진에서 기계적 마찰의 정도에 대하여 보여주는데, 그 중에 약 절반을 차지하는 피스톤과 크랭크의 마찰 저항은 크랭크축의 오프셋(Offset)으로 크게 저감시킬 수 있다. 피드백(Feedback) 제어를 하여 전기로 구동되는 오일 펌핑을 사용하여 저/중부하에서 불필요한 구동을 억제하고, 냉각수의 흐름을 원활하게 하거나 모터를 이용한 조향 장치의 구동 및 에어컨 컴프레서와 같은 보기류(Accessories)의 개선은 연비를 향상시킬 수 있다.

2.5 기타 (ISG, CDA, WHR 등)
최근에 많이 적용되고 있는 ISG(Idle Stop & Go) 시스템은 차량이 신호 대기나 기타 조건으로 인하여 공회전할 경우 엔진 시동을 꺼 연료를 근본적으로 차단하여 연비 향상을 꾀하는 기술이다. 인증 시험의 하나인 NEDC Cycle에서 2~3% 정도의 연비 개선 효과가 있는 것으로 알려져 있으며, 부드러운 재시동을 위하여 정교한 제어가 요구된다.

실린더 휴지(CDA : Cylinder DeActivation) 기술은 <그림 15>에서 보는 바와 같이 여유 출력에 해당하는 기통에 연료 분사를 중단하여 연소가 일어나지 않게 하여 연비를 향상시키는 기술이다. 주로 가속을 필요로하지 않는 정속 주행 중에 이루어지며, 혼다의 경우 VCM(Variable Cylinder Management)이란 기술로 이미 상용화하였으며, 조건에 따라 3기통, 4기통 주행을 선택한다.

배기열 회수 기술(WHR : Waste Heat Recovery)은 연소 후의 생성물인 배기 가스의 열을 열교환 시스템에 활용하여 일 또는 전기를 얻는 기술을 말하며, 최근에는 열전소자를 이용하는 등 가장 큰 손실 비율을 차지하는 만큼 그 중요성이 매우 크다. 이 기술에 대해서는 다른 원고에서 자세히 다뤄질 것이다.

3. 결론
<그림 16>은 앞서 언급한 다운사이징 기술을 바탕으로 이를 단계적으로 적용함에 있어 낮아지는 압축비를 진보된 터보차저 기술을 통하여 보상하며 궁극적으로 가변압축비을 이용 연비를 27% 개선한 예로 각 기술들의 적용과 이의 집약을 통한 연비 개선이 이루어졌음을 잘 보여준다. 또한 이 그림에는 적용되지 않았지만, 앞에서 언급한 여러 연비 개선 기술들을 적용한다면 연비는 더 좋아질 수 있을 것이다. 이처럼 자동차엔진의 연비 개선은 각 기술 하나하나가 개발되고 발전되어 나타난 결과이며, 또한 기술들 간의 유기적인 집약도 중요하게 여겨진다. 하지만 아직도 각 기술은 연비를 향상시킬 수 있는 잠재 가능성을 가지고 있으며, 새로운 기술에 대한 개발은 요구되고 있으므로 연구에 노력을 더욱 기울여야 한다. 또한 출력 저하가 없는 가운데 배기규제와 소음 그리고 가격이라는 제한 조건은 갈수록 심화되어 가기 때문에 집약된 연비 개선 기술들의 최적화에도 노력을 기울여야 할 것이다.