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유럽의 자동차기술 개발동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-05-15 06:12:50

본문

1. 최적화된 가솔린엔진 및 디젤엔진에 기초한 구동 장치 컨셉트의 가능성

향후 수십 년 동안에도, 내연 기관은 도로 교통의 CO2 절감이라는 문제에서 주도적인 역할을 계속 수행할 것이다. 기술 개발에 따라 최적화된 가솔린엔진 및 디젤엔진에 기초한 새로운 유형의 구동 장치 컨셉트가 아직 막대한 가능성들을 제시하고 있다. 그러나 이러한 가능성을 도출해 내는 데에 많은 노력이 따르게 된다.

글 / 강대건 (탈리스테크)
출처 / 오토저널 2월호

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스웨덴 자동차 제작사 볼보사의 엔진 전문가들은 오늘날의 기술 수준에 대한 예시로서 자사의 새로운 4기통 엔진 라인업을 발표하였다. 이러한 연료 소모가 적은 엔진 그룹은 근본적으로 새로운 아키텍처, 소위“Volvo Engine Architecture (VEA)”에 기초하고 있으며, 직분사형 가솔린 시스템 및 커먼 레일 디젤엔진으로 구성되어 있다. 이러한 플랫폼의 가솔린엔진 및 디젤엔진들은 동일한 실린더 간격을 갖고 마찬가지로 보어와 행정도 동일하다. 이에 따라 이 스웨덴 업체는 88kW 내지 169kW의 출력(디젤)과 103kW 내지 221kW의 출력(가솔린)을 갖는 엔진들을 제공한다. 스웨덴의 Skovde 엔진
공장에서 제조되는 엔진들은 기존에 제공되던 3개의 상이한 플랫폼 상의 8개의 엔진 아키텍처들을 단계별로 대체하게 된다.

1.1 다운사이징 구동 장치 컨셉

또한 Meta, ika 및 fka는 특히 경차 및 소형차의 CO2 배출량 절감을 위한 다운사이징 구동 장치 컨셉트를 발표하였다. 이 경우, 엔진측에서 2기통 엔진은 천연 가스에 의한 작동 시에 파워트레인의 안정을 위한 새로 개발된 능동형 시스템 및 왕복 피스톤 과급기와 조합된다. 차량측에서 이러한 컨셉트는 주행 저항의 최적화와, 시동-정지(Start-Stop) 기능의 통합과 에너지 회수를 통해 완성된다.

1.2 대안적인 연료 전지 차량

반면 Daimler의 연료 전지 시스템 구동 장치 개발 분야의 책임자인 Dr. Christian Mohrdieck는 먼 미래를 내다본다. Mohrdieck박사는 언제쯤 저렴한 연료 전지식 전기차를 기대할 수 있을지를 언급했다. 즉, 그는 왜 다임러 사의 연료 전지 차량의 양산이 벌써 수 차례 연기되어, 결국 2015년에서 2017년으로 연기 되었는지에 대해 다음과 같이 답하였다.

“기술만으로 볼 때 우리는 목표했던 년도인 2015년에 이미 최종목표에 도달할 수 있을 것입니다만 매우 중요한 몇몇 효과들을 고려하여 2017년으로 연기 했습니다.
그것은 한편으로 우리의 견해에 의하면 2017년이 되어서야 인프라 구조가 적절히 형성될 것이고, 다른 한편으로 우리는 다른 모든 자동차 제작사들과 마찬가지로 연료전지 차량개발을 위한 투자자금의 어려운 상황을 겪었기 때문입니다. 따라서 우리는 2015년에 우리 혼자 달성할수 있는 것보다 훨씬 더 많은 생산 대수를 달성하기 위해 포드 및 닛산과 새로운 협력 관계를 맺었습니다. 양 사들은 이 기간에 고유한 양산차를 목표로 해왔습니다.”

2. 열전 발전기에 의해 폐열을 사용 가능하게 하다

실험 결과에 따라, 차량 내 열전 발전기에 의해 배기가스 손실열로부터 전기 에너지를 얻는 것이 가능한 것으로 밝혀졌다. 과연 이러한 원리가 마찬가지로 대량 생산
에 적합하고 두드러진 연료 절감에 적합한가?

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약 200년 전부터 열전 물질의 특성이 알려져 왔다. Thomas Seebeck과 Jean Peltier는 19세기에 열적 효과와 전기적 효과 간의 상호 연관성을 증명하였다. Seebeck이 몇몇 재료들에서 온도 기울기를 주면 전압이 발생함을 발견한 것이다. 온도차가 크면 클수록 발생 전압은 더 커진다. 1960년대부터 우주 탐사선에서 전기를 생성하기 위해 제벡 효과(Seebeck Effect)가 이용되어 왔다. 우주 비행시 열전 발전기(TEG)를 사용하는 널리 알려진 예로서 화상 탐사 로봇“Curiosity”가 있다. 여기서 방사성 동위 원소 열전 발전기는 필요한 전체 전기 에너지를 생성한다.

열전 발전기가 도로 주행 차량의 배기가스로부터 전력을 충분히 얻을 수 있다는 증거는 미국 에너지국(Department of Energy, DOE)으로부터 지원되는 프로젝트의 테두리 내에서 도출되었다. 2004년 가을부터 2011년 가을까지 진행된 이 프로젝트는 BMW 및 Ford 와의 공동 작업으로 수행되었다. 이 프로젝트에 의해 이러한 구조컨셉트는 자동차 밑면의 배기가스 시스템에서 전형적으로 나타날 때와 같이 까다로운 열역학적 부하가 가해지는 상태에서도 적합하다는 것이 증명되었다.

프로토타입들이 후속 프로젝트에서 추가로 개선될 것이다. 이전 프로젝트의 성공에 기초하여 2011년 10월에는 새로운 DOE 프로젝트가 시작되었다. 이 후속 프로젝트의 목표는 승용차의 양산에 적합한 구조컨셉트에 의해 두드러진 연료 절감이 이루어질 수 있음을 증명하는 것이다. 이러한 프로젝트의 연구 그룹은 BMW 및 Ford, Tenneco, Gentherm(프로젝트 주도)로 구성된다. 이를 위해 Skutterudite에 의한 소재의 대체와 더 양호한 실린더형 카트리지 구조 방식과 양산 적합성이 연구되고 있다. 최신의 열전 발전기 시험품은 2014년 초에 제공 가능하다고 한다.

3. 차체 경량 구조 시장 2025년까지 5배 증가

지속 가능한 모빌리티(Sustainable Mobility)를 위한 경쟁에서 중량을 절감한 차량들에 초점이 맞춰지고 있다. 이에 따라 차체 경량 구조를 위한 시장은 2025년까지 거의 1,000억 유로로 5배 증가하게 된다. 그러나 경량구조라고 해도 매우 무거울 수 있어 진정한 부품생략과 세그먼트별로 특화된 해결책에서 비결을 찾아야 할 것이다. 차량용 경량구조 컨셉트를 말할 때는 차량에서 질량을 가지는 시스템 및 부분 시스템을 의미한다. 그렇지만 이러한 경우 대개는 차량 구조(차체)가 주가 된다. 이러한 차량 구조가 전체 중량에서 약 35~40%로서 주된 부분을 차지한다는 사실이 놀랍지 않다. 이에 상응하여 다른 조립 섹션과 비교했을 때도 절감 가능성은 가장 크다. 미래에 확실히 예상되는 에너지 및 배기 가스(CO2) 절감은 차체 경량 구조가 CO2 목표치를 달성하기 위한 전략적도구로서 이전보다 더욱 많이 사용되도록 동기를 부여한다.

3.1 차체 경량 구조 : 1000억 유로 규모 시장의 형성

이러한 배경에서 매니지먼트 컨설팅 사‘Berylls Strategy Advisors”는 차체 경량 구조의 세계 시장이 평균적으로 연간 약 15% 성장할 것으로 예측한다. 이러한 시장은 2025년까지 거의 1,000억 유로로 5배 증가하게 된다.

중국은 유럽과 더불어 차체 경량 구조에 대한 주요 시장이 될 것이다. 유럽이 계속해서 크게 성장할 지라도, 중국에서 생산한 차량들은 2025년까지 성장의 거의 30%를 차지할 것이다. 이와 더불어, NAFTA 지역의 중요성은 매우 커질 것이다.

연구에 따르면 고강도강 및 초고강도강은 2025년의 미래 소재 시장에서 약 45%의 시장 점유율을 갖게 된다. 이에 상응하게 종래 방식의 강철은 밀려나게 된다. 알루미늄은 차체 적용 분야에서 틈새 시장을 벗어나 중형 차량 내지 대형 차량에서 20~50%의 시장 점유율을 달성할 것이다. 대량 생산에서의 두드러진 비용 절감을 통해, 장기적으로 탄소섬유강화플라스틱도 프리미엄 세그먼트에서 돌파구를 찾게 된다.

3.2 상위로부터 하위로 : 세그먼트에 기초한 경량 구조 기술의 확산

자동차 경량 구조를 위한 사용상의 강조 및 지속 가능성상의 강조를 이야기할 때도, 경량 구조라는 수단은 수지 타산이 맞아야 한다. 고객들의 경제성 고려, 생산지의 국제화에 대한 압박, 모델 제작 키트의 표준화 및 플랫폼의 감축은 경량 구조를 위한 연구 노력의 난제가 된다.

따라서 차체 구조의 경량 구조 컨셉트를 중기적으로 차량 세그먼트에 상응하게 계층화된다고, ‘차량 기술의 경량 구조’라는 이름의 책의 챕터‘현재와 미래의 경량구조 컨셉트’에서 저자들 Ellenrieder, Friedrich 및 Kienzle은 예측한다. 이들 저자에 의하면 소형차(Small-Car), A세그먼트 및 B세그먼트의 차량에 대하여 비용을 절감하는 모든 경량 구조 수단이 고갈되는 상태에서는 오늘날의 밴치마킹에 근거하면 차량 중량이 30~40kg 감소된다는 예측을 할 수 있다.

어느 정도의 가격 탄력성을 전제로 하여 C세그먼트의 차량은 80~100kg의 중량 감소를 달성할 수 있다. 이 경우 또한 철강을 널리 사용하는(Steel Intensive) 경량 구조는 바디셸 컨셉에 지배적인 영향을 미친다. 150~300kg의 중량 절감이 D세그먼트/E세그먼트의 차량에 대해 예상된다. 여기서의 표제는‘철강을 널리 사용하는 다중 재료 경량 구조’이다. 알루미늄, 마그네슘, 그리고 미량의 섬유 강화형 복합 재료가 차체 영역에 더 많이 사용됨으로써 구동 장치측 및 섀시측에서의 2차 효과를 통한 주목할 만한 가능성이 얻어질 것이다.

상위의 S 세그먼트 및 럭셔리 세그먼트는 극한의 경량구조 컨셉을 위한 실험장이 된다. 알루미늄을 널리 사용하는 다중 재료 경량 구조와 더불어, 오늘날 슈퍼스포츠카(Supersportwagen) 영역에서 매우 소량만 존재하는 탄소섬유강화플라스틱을 널리 사용하는 차체 컨셉의 마케팅 기회도 주어진다. 크기에 기초한 전통적인 세그먼트에는 없는, 예를 들어 BMW의 프로젝트 i3와 같이 전기구동이라는 특별한 도전을 통한 새로운 실험의 장도 나타나고 있다. 중간 가격 세그먼트에서 탄소섬유강화플라스틱차량의 트렌드가 나타날지, 저자들은 감히 정확히 예측하지 못한다. 그러나 장기적으로 경량 구조 기술은 상위 세그먼트로부터 하위 세그먼트로 확산될 것이라고 저자들은 설명한다. 이러한 개발 연구는 CO2 배출을 2020년까지 평균 95g/km로 낮추는 엄격한 목표치를 통해 가속도가 붙고 있다.

4. 섀시의 미래모습은 어떠할 것인가

스마트 섀시(Smart Chassis)와 X-by-wire-시스템 : 미래의 섀시는 기본적으로 오늘날과는 다르다. 어떠한 기술 혁신이 미래의 섀시에 영향을 줄 것인가?

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섀시는 다양한 요건들에 적합해야 한다. 한편으로, CO2 배출량 및 연료 소모량의 추가적인 감소를 위한 조치들이 취해지고 있는데, 이러한 조치들은 섀시 개발에ㅡ큰 영향을 미친다. 다른 한편으로 안전성, 쾌적성 및 구동 다이내믹과 관련한 고객의 요구사항은 많아지고 있다. 어떻게 하면 점점 더 중요해지고 있는 이러한 요건들이 실현될 수 있는가? 어떤 기술 혁신이 미래의 섀시 개발에 뚜렷한 영향을 남기는가? 슈프링어(Springer)의 저자 모임은‘섀시 편람’의 챕터‘섀시의 미래 aspect’에서 가장 주요한 트렌드를 제시하고 있다.

4.1 연료 소모량

섀시는 차량의 연료 소모량을 감소시키는데 점점 더 많은 기여를 하고 있다. 한편으로, 섀시의 중량은 감소하고 타이어의 롤링 저항은 줄어들 수 있다. 섀시의 중량은 예를 들어 구성 요소 최적화를 위한 CAx-메소드 및 지능형 재료 혼합(Intelligent Material Mix)의 사용을 통해 최대 20% 감소할 수 있다. 경량형 주행 타이어를 통해 이미 오늘날 연료 소모량은 최대 8% 감소할 수 있다.

4.2 섀시 내 전자 장치

혁신의 페이스 메이커로서 섀시 내 전자 장치의 사용은 점점 더 크게 늘어나고 있다. 차량 주행 안전성 제어장치(Electronic Stability Program)와 같은 시스템들은 비상 제동 보조장치(Emergency Brake Assist)나 적응형 속도 제어장치(Adaptive Speed Controller)와 같은 점점 더 많이 추가되는 기능들에 의해 풍부해지고, 이들 기능과 네트워킹 된다. 조향 장치에서 전기 기계식 조향장치(Electromechanical Steering)가 더 널리 채용된다. 또한 많은 새로운 운전자 보조 시스템들이 전기식 조향 장치에 의해 구현된다.

반면 개별적으로 조향되는 4개의 휠을 구비한 총륜 조향 장치(All Wheel Steering)가 미래의 형태로 통한다고 저자들은 설명한다. 뒷차축에 대해 Brake-by-wire 기
능을 구비한 전기식 브레이크를 채택하는 경향이 나타난다. 반면 앞차축에서 유압식 브레이크는 아직 오랫동안 기초 기술을 형성할 것이다. 제동 에너지의 회생은 중요성을 갖게 되고, 전기 구동 장치는 제동 임무의 일부를 맡게 될 것이다.

장차 타이어는 에너지 절감 면에서 도움이 될 뿐만 아니라, 공기량이 손실될 때도 계속 사용 가능하고, 전천후로 사용될 수 있을 것이다. 장차 타이어에는 센서 및 식
별용 칩의 형태로서 더 많은 지능이 적용될 것이다. 장차 저소음 타이어에 의해 롤링 소음이 확연히 감소할 것이다. 그러나 공기 주입식 타이어는 아직 오랜 시간 동안 유일한 해결책으로 남아 있을 것이다.

4.3 단 2개의 섀시

이중적인 가격 세그먼트화가 이루어지는 동안, 장차단 2개의 상이한 섀시가 제공될 것으로 슈프링어의 저자들은 예측하고 있다.

하위 가격 세그먼트의 섀시는 더 간단하고 더 가벼우며 더 견고하고 더 저렴해질 것이다. 비용 압박은 제작사들이 점점 더 표준형 섀시를 사용하도록 만들 것이다. 이러한 표준형 섀시는 훨씬 더 적은 컴포넌트 부품으로 충분하고, 더 많은 생산 대수로 제작되며, 여러 모델에 일반적으로 사용될 뿐만 아니라 여러 브랜드에도 일반적으로 사용된다. 그러므로 이러한 가격 세그먼트의 섀시는 판매자의 강조점으로서는 역할을 하지 못한다.

반면 고가 세그먼트에서는 완전히 다른 양상이 나타난다. 이러한 세그먼트에서 섀시는 쾌적성, 안전성 및 주행의 재미에 미치는 영향이 크기 때문에 판매자의 강조점으로서 더 확실히 활용된다. 따라서 이는 기술적으로도 하이테크 수준으로 계속 개발된다. 멀티 링크 서스펜션과 이의 유도 작용은 이러한 세그먼트에서 전방에서뿐만 아니라 후방에서도 기준축을 형성할 것이다. 능동형 네트워킹 섀시 시스템은 이러한 세그먼트에서 완전히 효과를 발휘한다. 지능형 섀시, 소위 스마트 섀시는 점점 더 구현 가능해진다.

저자들에 따르면 중간 가격 세그먼트는 역할을 하지 못하게 된다. 양 카테고리 사이에 있는 섀시는 요구되지 않는다. 미래의 섀시 기술에서의 가장 큰 변화는 한편으로 하이브리드 및 전기 구동 장치의 기술을 통해 야기될 것이다. 다른 한편으로 이러한 변화는 능동형 시스템 및 X-by-wire-시스템과 같은 전자식 섀시 제어를 통해 야기될 것이다.

5. 어떻게 변속기는 파워트레인을 더 효율적으로 만드는가

최근의 변속기는 토크 매니저이다. 이러한 변속기는 엔진과 휠 사이의 토크를 가능한 효율적이면서 쾌적하게 분배해야 한다. 요컨대, 최근의 변속기는 파워트레인을 더 효율적으로 만들어야 한다. 이것이 어떻게 가능한지를 게트락(Getrag)과 제트에프(ZF)는 보여주고 있다.

지속 가능한 모빌리티, 적은 연료 소모량 및 전동식 구동 장치 : 자동차 산업은 변화하고 있다. 이로 인해 변속기 개발자들도 새로운 도전에 직면하게 된다. 변속기 기술은 차량의 연료 소모량, 운전성(Drivability), 중량 및m비용에 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 최근에 이러한 특성들은 점차 더 중요해졌다. 전체 파워트레인 및 전체 차량과의 상호 작용에 있어서 변속기는 점점 더 중요해지고 있다.

까다로운 CO2 목표치를 충족시키기 위해 특히 더블클러치 변속기가 널리 알려진 연료 효율성 때문에 미래의 파워트레인의 훌륭한 기초가 된다. 따라서, 예를 들어 게트락은 신형 PowerShift 7DCT300을 개발하였다. 이 더블클러치 변속기는 미래의 시장 요건을 충족시킬 뿐만 아니라 높은 목표 소비량도 충족시킬 것이다.

5.1 Getrag의 PowerShift 7DCT300

PowerShift 7DCT300는 최대 300 Nm의 토크를 위한 중형 및 준중형 세그먼트(Mittelklasse-und Kompaktsegment) 차량의 전륜형 가로 배치를 위해 개발되었다. 기어 시프팅은 시프트 드럼을 통해 전기 기계식으로 이루어진다. 이에 따라 시동-정지 시스템(Start-Stop-System), 세일링 기능(Sailing Function) 및 하이브리드화를 위한 필수 조건도 갖추어진다고 게트락은 설명한다. 습식 클러치는 전기 유압식으로 작동한다. 새로운 전기 유압 장치는 필요에 따라 작동하고, 매우 적은 전기 에너지를 필요로 한다.

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7개 변속단의 최대 8.6의 높은 기어 스프레드율(Gear Spread Ratio)은 마찬가지로 적은 연료 소모량에 기여할 것이다. 7DCT300은 세계 시장을 위해 중국과 독일에서 생산되며, 2015년 초부터 복수의 차량 제작사들의 새로운 차량을 위해서 양산에 들어간다.

5.2 고회전수를 위한 ZF의 전기식 축 구동모듈

또한 전기자동차 및 하이브리드 자동차에 의하여 새로운 과제들이 변속기에 제기된다. 예를 들어 ZF의 전기식축 구동모듈(Electric Axle Drive Module)은 순수 전기자동차에 적합할 뿐만 아니라 내연 기관을 구비한 전륜구동 자동차를 위한 부가적인 뒷차축 하이브리드 모듈로서도 적합하다. 이때 개발자들의 우선 목표는 최대로 효율적이면서도 비용면에서 유리한 전기 구동 장치를 통하여 배터리에 기인한 이동 거리의 한계를 늘리는 것이었다. 이러한 모듈은 고회전수 컨셉트의 비동기 모터(Asynchronous Machine)와, 2단 변속기와, 일체형 차동 장치로 구성된다. 이러한 모듈의 비동기 모터는 21,000/min의 회전수를 낼 수 있도록 설계되었으며 희토류 금속 없이 구성된다. 이러한 고회전수 컨셉트는 16:1의 축평행 입력부의 변속비를 갖는 일체형 2단 변속기에 대해서 음향적으로 특별한 조건을 요구한다. 시스템 인터페이스와 기어 매개변수의 목표에 적합한 매칭을 통해 소음 개선이 달성될 수 있다.
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