1. 도입
지난 호에 이어 본 호에서는 최근 일본의 디젤엔진기술동향에 대하여 소개하고자 한다. 최근 일본에서는 디젤엔진에 대한 관심도가 급격히 증가하고 있으며, 이에 발맞추어 2012년부터 7개의 자동차업체 및 국가연구기관, 대학 등이 모여‘승용디젤엔진연구회’를 결성하고, 승용디젤엔진의 보급 및 고효율화를 위한 본격적인 연구개발에 나서고 있다. 본 고에서는 우선 일본승용디젤엔진연구회의 활동 및 연구 내용에 대해서 상세하게 소개한 후, 2013년 자동차기술회 춘계대회에서 주목을 받았던 HONDA의 신형 디젤엔진기술에 대해서 정리해 보고자 한다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 6월호

2. 일본 승용디젤엔진연구회
2.1 연구회의 설립 및 진행상황
유럽의 경우, 자동차 업체들간의 컨소시엄 등을 통해 차세대 엔진기술을 개발하는 예가 많았으나, 일본에는 그러한 예가 적었다. 2008년 리만쇼크 이후 일본 내에서도 컨소시엄을 통한 개발효율성의 증대를 꾀하게 되었다. 이에 더불어 NISSAN X-Trail 및 Mazda CX-5의 출시 이후 일본 내의 디젤엔진 점유율이 증가하고 있는 추세(그림 1)에 힘입어 2012년 4월 연구회가 발족되었다. 연구회가 제시하는 비전은 다음과 같다.

● 일본 산학관의 능력을 집결하고, 장래유망한 원동력의 하나인 승용디젤엔진의 인지도 향상 및 발전을촉진해서 사회에 공헌

● 기업이 직면해 있는 공통과제에 관해 대학 및 연구기관의 기술노하우를 효율적으로 활용하여 문제를 조기 해결함으로써, 산학 쌍방의 기술적 발전을 가속화

● 신진연구자의 육성, 인재교류의 촉진, 연구협력체제의 구축을 통해, 장래 자동차연구의 기반을 세우는데 공헌

2012년 6월 연구회의 첫 공통과제인‘DPF(Diesel Particulate Filter) 내부수송모델의 연구개발’이 와세다대학을 중심으로 하여 시작되었다. 이 공통과제는 자동차업체가 직면해 있는 기술적 과제들에 대한 앙케이트를 통해 선정되었다.

2012년 1개 테마를 시작으로 2013년에는 추가로 7개의 테마를 선정하여 본격적인 스타트업을 위한 작업에 들어가고 있다. 2013년도 본격적인 스타트업이 가시화되고 있는 테마를 (표 1)에 정리하였다.

2.2 공통과제의 상세내용
본 절에서는 <표 1>의 공통과제 중‘DPF 내부수송모델의 연구개발’, ‘EGR침적물 생성메커니즘 규명’, ‘모델베이스 엔진제어’에 관해서 간단히 소개하고자 한다.

2.2.1 DPF 내부수송모델의 연구개발
잘 알려진 바와 같이, DPF는 세라믹 다공체를 이용해서 배기중의 입자상물질(PM : Particulate Matter)을 포집하는 장치이다. 통상 고온의 배기가스 및 배기가스 중의 NO2를 통해 DPF에 퇴적된 입자상 물질을 정상 운전중에 일부 산화시키지만(연속재생), 엔진을 장시간 운전하면 DPF에 퇴적된 입자상물질을 연소시켜 제거하는 이른바 강제재생(Regeneration)을 해주어야 하는데, 이 재생작업 시 퇴적물의 양이 많을 경우 열폭주 등에 의해 세라믹이 파손될 우려가 있다. DPF의 열폭주를 방지하고 재생효율을 높이기 위한 최적재생조건을 결정하기 위해서는, 미립자의 퇴적량, 미립자의 온도, 고온가스의 산소농도 및 유량조건을 명확히 할 필요가 있다. 이를 위해 승용디젤엔진연구회에서는 DPF의 상세수치모델을 작성하고 이를 통해 DPF의 최적운전조건 및 최적재생시기를 결정하는 것을 주목적으로 연구를 진행하고 있다.

와세다 대학을 중심으로 한 본 연구테마의 2012년 연구내용을 (그림 2a)에 정리하였다. 연구는 와세다 대학이 2003년부터 2008년까지 일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 지원 아래 개발한 Mini-Reactor(그림 2b) 및 DPF 수치해석 코드를 기반으로 진행되었다.

기본적으로는 수치해석 코드에 DPF에 유입되는 가스의 조성, 압력, 공간속도 등을 입력하면, DPF 내부의 퇴적량분포, 압력손실, 내부온도분포 등을 대략 계산해 주는 방식이며, 계산에 필요한 여러 정수의 결정은 Mini-Reactor를 이용한 실험 및 평가를 통해서 이루어진다.

와세다 대학은 2013년 해당 해석코드에 대한 강습회를 업체를 대상으로 실시하였으며, 이를 실차 개발에 적용하기 위한 정밀도개선을 2013년도의 목표로 하고 양산업체와의 피드백 작업을 수행하고 있다.

2.2.2 EGR침적물 생성메커니즘의 규명
EGR침적물 생성메커니즘의 규명에 대한 연구는 현재논의가 가장 활발히 이루어지고 있는 테마이다. 이 연구는 제22회 내연기관심포지움에서 HONDA가 발표한‘디젤엔진에 있어서의 EGR침적물 생성메커니즘의 해석’이라는 연구내용을 바탕으로 가시화 되었다.

최근 디젤연소의 NOx 저감 및 DPF의 재생을 위해 다량의 EGR 도입이 요구되고 있다. 더욱이 NSC (NOx storage catalyst) 등의 NOx 후처리시스템에도 유황분제거를 위한 농후연소를 위해 EGR 도입이 필요하다. 그때문에 EGR 시스템에 도입되는 배출 가스 중의 탄화수소 농도가 높아져 침적물이 생성되기 쉬운 환경이 되므로, EGR 시스템의 작동범위 설정에 한층 더 높은 주의가 요구되고 있다. HONDA의 연구발표에서는 3패턴의 연소 조건(후처리시스템을 위한 후분사를 하지 않는 조건(A), NSC의 유황분제거를 위한 농후연소조건(B), DPF재생을 모의한 조건(C))에서 배출 가스성분과 침적물생성을 분석하였다(그림 3a). 분석결과를 통해 침적물 생성메커니즘에 대한 가설을 세우고, 재현성 평가를 통해서 그 가설의 타당성을 증명하였다(그림 3b).

그 결과, 고착성이 있는 침적물의 생성에는 반응성 탄화수소(다환방향족 및 페놀류)와 알데히드, 촉매로서 중합 반응을 촉진시키는 산류, 이 세 가지 요소가 필요하며, 침적물의 생성 반응은 반응성탄화수소가 벽면에 결로하면서부터 본격화 된다고 밝혔다.

따라서 연소 조건에 따라 생성되는 여러 종류의 반응성 탄화수소의 결로점, 증기압곡선 및 이의 농도가 침적물 생성의 유력한 판정 기준이 됨을 밝혔다. 이러한 침적물의 생성을 막기 위해서는 배기 온도를 상승시키고, 반응성 탄화수소를 EGR 밸브 벽면에 부착되지 못하게 하는 것이 유력한 수법임을 강조했다(그림 4).

승용디젤연구회에서는 HONDA의 연구결과를 바탕으로, 배기가스 및 EGR침적물의 조성을 화학분석기법을 통해 상세 해석하고, 정량화 그리고 규격화된 측정시험법을 개발함으로써 EGR침적물의 생성메커니즘을 규명하는 동시에 이를 저감하기 위한 제어메커니즘의 개발 및 표준화 작업에 노력을 기울일 것으로 보인다.

2.2.3 모델베이스 엔진제어 (MBC : Model Based Control)
종래의 맵핑(Mapping)방식을 이용한 엔진제어기법을 개선하여 엔진개발의 소요시간을 단축하고 보다 효율적인 연소를 구현하기 위한 방안으로써 엔진연소예측모델을 이용한 모델베이스제어 방식이 최근 주목받고 있다.

현재 일본에서는 대량 EGR 및 저압축비의 적용, 신흥국연료의 도입 등에 의한 연소안정성 저하 및 연소최적화 변수의 증가가 디젤엔진 개발의 최대과제로 제기되고 있다. 이에 더불어 최근 가솔린 엔진의 열효율이 대폭 향상되고 있는 시점에서 디젤엔진의 경쟁력을 유지하기 위해서는 디젤엔진의 열효율을 대폭 개선시킬 필요가 있다.

종래의 엔진제어방식으로는 이러한 이슈들에 대응하는데 한계가 있기 때문에 MBC에 대한 관심은 더욱 커지고있다.

지난 2012년의 보고에서 저압축비 및 고효율 과급시스템을 이용하여 동급 최고의 효율 및 저배기를 달성한 MAZDA Skyactive-D의 엔진기술에 대해 소개한 바가 있다. MAZDA는 이번 자동차기술회의 포럼에서 기존 Skyactive-D 엔진의 효율을 보다 개선하기 위해 혼합기균질화에 의해 비열비 증대시키고 단열 및 유동제어를 강화할 것을 발표하였다. 또한 이의 구현을 위해서는 엔진제어변수가 대폭 증가하게 될 것이라고 언급했다.

이러한 제어변수의 증가를 기존의 맵핑 방식으로 대응하기에는 효율성의 문제가 있기 때문에 넓은 운전범위에서 보다 정밀하게 연소실 내 혼합기 및 연소상태를 예측할 수 있는 모델의 개발이 시급하다고 밝혔다. 보다 구체적으로는 다양한 제어변수에 대응하는 실린더 내 산소농도, 공연비, 온도, 압력의 예측모델 및 On-board 착화시기제어 모델이 절실히 요구된다고 밝혔다(그림 5).

HONDA 역시 효율적인 연소제어모델의 구축이 디젤엔진의 고효율화를 이루는데 핵심과제임을 밝혔다. 이러한 추세에 따라 승용디젤엔진연구회에서는 연소예측모델을 이용한 모델베이스엔진제어를 자동차업계 전반의 공통과제로 인식하고, 이에 대한 연구를 가속화할 것으로 보인다.

2.3 연구회의 향후 전망 및 과제
이제 2년 째에 접어들어 아직 시작단계인 일본승용디젤엔진연구회는 현재 산학관의 논의를 통해 연구테마를 구체화 하는 등 활발한 활동을 보여주고 있는 듯 하나, 아직은 여러 가지 조율해야 할 과제들이 남아 있는 듯 하다. 초기의 취지와는 달리 와세다 대학을 제외한 일본 내 대학에 대한 지원 및 참여가 아직은 미비한 상황이다. 대학에 대한 연구비 지원이 미비하고, 자동차업체의 수탁연구비가 해외로 많이 빠져나가고 있는 근래의 상황에서 일본 대학의 연구경쟁력 강화를 위해 자동차업체 또는 정부가 향후 어떠한 지원책을 내놓을 것인가 아직 불분명하다. 또한 일본 내의 연구역량을 총 집결시켜 연구의 성과를 극대화시키기 위해서는 각자가 추구하는 목표 및 상황에 따라 입장이 바뀔 수 있는 자동차업체들보다는 정부가 중심적인 역할을 해 주어야 할 것으로 보이나, 이에 대한 내용이 구체화 되지 않고 있다.

그리고 현재 연구회 내에 연구계약 체결 및 연구비관리를 총괄하는 기구가 설립되어 있지 않아, 연구수행기관과 자동차 업체들 간의 계약이 개별적으로 그리고 다자계약 형태로 이루어지고 있어, 연구계약 체결에만 수개월 이상 걸리는 효율성의 문제를 안고 있는 듯 보인다.

아직은 시작 단계이기 때문에 위에 언급한 사항들이 점차 개선되어 나갈 것이라 예상되나, 향후 어떤 방향으로 흘러가게 될 것인가는 아직 미지수이다.

3. HONDA의 신형 디젤엔진기술
지난 2012년에는 MAZDA의 Skyactive-D 엔진기술이 업계 및 학계에 커다란 주목을 받았으며 이에 관해서는 지난 해 이미 보고한 바가 있다. 2013년 자동차기술회의 춘계대회에서는 HONDA의 신형 디젤엔진개발에 대한 발표가 커다란 주목을 받았다. 본 장에서는 2013년 HONDA의 신형 디젤엔진기술에 관해 상세히 소개한다.

HONDA는 기존의 Civic 2.2ℓ디젤엔진의 소형경량화, 고효율화, 저코스트화를 위해 배기량을 1.6ℓ로 변경하였으며, 자동차기술회 춘계대회에서 새로 개발된 엔진의 각 구성요소에 관해서 4건의 논문으로 나누어서 발표했다. EURO5의 저배기성능과 저연비성능을 양립시키는 것을 목표로 하였으며, 이는 배기량저감 및 경량화(제1보), 저압EGR(LP-EGR)과 고압EGR(HP-EGR)의 협조제어구조(제3보), 철저한 기계마찰저감(제4보)을 통해 달성되었다. 이러한 구조 변경에 최적화된 엔진연소를 구현(제2보)하였으며, 이를 통해 NEDC(New European Driving Cycle)에서 동급 최고의 연비(CO2=94g/km)를 달성하는 동시에, EURO5의 배기가스 기준을 충족시켰다고 밝혔다.

배기량의 감소로 인해 연료분무와 연소실 벽면의 거리가 가까워져, 이로 인한 미연 배기가스 및 Soot 배출량의 증가를 막기 위해 노즐의 L/D를 감소시켜 분무도달거리를 억제하는 동시에 미립화를 강화하였다(그림 6). 또한새로운 분무형태에 최적화된 피스톤 캐비티를 개발하여 Soot 배출량을 추가적으로 감소시켰다.

실린더 내 체적이 감소함으로 인해 혼합기의 전체 공기과잉률이 감소하는 것을 보상하기 위해서는 과급을 강화하는 것이 효과적이다. 그러나 이 경우 펌핑손실이 증가하기 때문에 이를 방지하고 충분한 공기유량을 확보하기 위해 유로저항이 적은 흡기매니폴드를 설계하고 스월 조절밸브를 없앴다.

펌핑손실을 최소화하기 위해 저압EGR을 적극 도입하였다. 전체적으로는 저압EGR 및 고압EGR을 모두 채용하였으며(그림 7a), 인터쿨러를 통과하지 않는 고압 EGR은 촉매가 활성화 되기 전에 일산화탄소 및 탄화수소의 배출을 제어하기 위해, 인터쿨러를 통과하는 저압 EGR은 EGR냉각에 의해 질소산화물의 생성을 억제하기위해 적용하였다. 또한 VGT(Variable Geometry Turbocharger)를 소형화하여 통과유량이 적은 영역에서의 컴프레서효율을 향상시키고, 저부하 영역에서의 과급을 강화하는 등의 개선작업을 통해 다량 EGR 도입 시의 펌핑손실 증가를 최소화하면서 배기를 감소시켰다.

저압EGR의 적극 도입에 의한 Soot저감, 연비개선, 공연비 증대 효과는 (그림 7b)에 정리되어 있다. 저압EGR의 적용영역을 확대하여 배기저감 및 연비개선효과를 극대화 하기 위해서는 촉매 활성시간을 최소화시키는 것이 중요한데 이를 위해 산화성능에 특화된 새로운 촉매를 개발하였다. 새로운 촉매를 통해 NEDC 모드에서 저압EGR의 도입개시시간을 반으로 줄였다(그림8). (그림 9)는 지금까지 언급한 각 개선인자의 연비저감에의 기여도를 정리해서 나타내고 있다.

4. 맺음말
지금까지 최근 주목받고 있는 일본승용디젤연구회의 활동 및 전망, 2013년 자동차기술회 춘계대회에 소개된 Honda의 신형디젤엔진기술에 대해서 소개하였다. 2013년 자동차기술회 춘계학술대회에서는 이 외에도 사이클 시뮬레이션에 의한 디젤연소의 과도성능예측(Toyota),연소 및 후처리시스템의 컴퓨터보조(Computer-aided) 캘리브레이션(FEV), 디젤엔진의 다양한 후처리시스템의 성능평가(AVL) 등 연소 및 후처리 제어에 관한 다양한논문발표가 있었다. 또한 Denso로부터는 제4세대 커먼레일시스템의 개발에 관한 발표가 있었다.

2013년 한 해 동안 학회에서 발표된 디젤엔진관련 내용은 다음 번의 디젤엔진관련 보고에서 상세히 다룰 계획이며, 이어지는 호에서는 가스 엔진 및 대체연료엔진 기술의 동향에 대해서 정리해서 보고하고자 한다.