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엔진 인캡슐레이션 기술 개발 동향

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-02-26 18:16:56

본문

1. 서론


요즘 자동차업계에서 최고의 화두는 연비 개선이다. 기존의 유해 배기가스 규제에 더해 CO2 규제까지 강화되고 있는 추세이고 이를 만족시키지 못하면 상당한 불이익을 받게 된다. 최근 출시되는 자동차의 평균 CO2 배출량이 130g/km수준인 것을 감안하면 2020년까지 95g/km로 줄여야 하는 유럽의 CO2 규제는 상당히도전적인 과제인 것으로 여겨진다. 더욱이 현재 연비 인증시험에서사용되는 주행모드와 실제 도로 주행모드에서의 연비 차이가 지적되면서 실제 도로 주행 조건을반영하는 방향으로 시험 모드를 변경하고 있어 연비 개선에 대한 부담은 더욱 커지고 있다.

 

글 / 이기수 (자동차부품연구원)
출처 / 오토저널 2014년 12월호


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자동차 제작사들은이에 대응하기 위해 연소 기술 개선, 부품 경량화, 다운사이징(Downsizing) 및 다운스피딩(Downspeeding) 등 다양한방안에 대한 검토 및 기술개발을 진행하고 있다. 특히 최근에는 엔진에서 버려지는 열에너지를 전기에너지, 기계에너지로 변환하거나 또는 열에너지 그대로 활용하는 방식으로 연비개선에 기여할 수 있도록 하는 차량 열 관리에 대한 관심이 높아지고 있다.

본 고에서는엔진에서 버려지는 열에너지를 최소화하고 저장하여 활용하는 개념인 엔진 인캡슐레이션(Engine Encapsulation)에 대한 소개를 하고자 한다.

2. 엔진 인캡슐레이션 개요


엔진은 충분히웜업(Warm-up)이 되어야 효율적인 운전이 가능해진다. 냉시동(Cold Start) 시에는 낮은 엔진 온도로 인해 연소실의온도가 낮아 연소효율이 감소하고 각종 윤활용 오일의 점도가 커서 마찰 손실이 증가함에 따라 연비저하가 나타나게 된다.
 
엔진 인캡슐레이션은엔진 시동이 정지된 후에 엔진에서 발생하는 열에너지가 대기로 버려지는 것을 최소화하고 엔진의 냉각수 또는 오일 등에 저장될 수 있도록 엔진부위를단열재로 감싸는 기술이다. 즉, 시동 정지 후 냉각수 온도와오일 온도를 서서히 떨어지게 함으로써 재시동 시에 온도를 높게 유지하여 냉시동 시 문제가 되는 연비악화 문제를 개선할 수 있는 기술이다.


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한편, 엔진 인캡슐레이션은 엔진 및 변속기 등 엔진룸에서 주요 소음원인 파워트레인을 감싸는 기술인만큼 그로부터 발생하는 소음을 저감시켜 실내 정숙도를 향상시키는 역할 또한 기대할 수 있다.


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이러한 엔진인캡슐레이션은 그 형태에 따라 그림 2와 같이Engine-mounted 방식과 Body-mounted 방식으로 나눌수 있다. Engine-mounted 방식은 엔진 및 변속기에 단열재를 밀착시키는 형태로 상대적으로 감싸는 면적이 작아 단열재가 적게 소모되고 열원 및 소음원과 가깝기 때문에열관리 및 소음 개선 측면에서 더욱 효과적이라는 장점이 있다. 반면,열과 진동에 가까이 노출되어 있기 때문에 이에 대한 내구성을 확보해야 하는 문제가 있으며 엔진 표면에 직접 장착하기 때문에 단열재형상이복잡해지는 단점이 있다. Body-mounted 방식 은 엔진룸 자체를 단열재로 감싸는 기술이기 때문에 열과 진동에 대한문제가 상대적으로 줄어들게 된다. 또한 기존 엔진룸의내벽에 장착하기 때문에 기존 차량 개발공정에 있어서 큰 변화를 줄 필요가 없으며 패키징 측면에 있어서도 큰 부담이 없다. 하지만 인캡슐레이션 면적이 넓기 때문에 소모되는 단열재가 증가하고 발생하는 air leakage를 최소화해야 한다는 단점을지니고 있다.

3. 엔진 인캡슐레이션 개발 동향

엔진 인캡슐레이션기술은 기본적으로 열관리 보다는 소음관리를 위해 개발이 시작되었으며 이미 일부 차량에서는 부분적으로 적용이 되고 있다. 예를 들면, Bodymounted 방식은 기존 엔진룸에 이미 적용이 되는 부품들(Hoodliner,Outer Dash Insulation, Under Engine Shield 등)로 이루어져 있고 이러한 관리용 부품들에열관리 기능(단열)을 추가하는 형태로 개발되고 있다.

반면 Engine-mounted 방식은 열과 진동에 더욱 가까이 노출되는 구조이기 때문에 열적?기계적 내구성을 확보할수 있는 고내열 소재 개발이 필수라고 할 수 있다. 이러한 엔진 인캡슐레이션에 대한 개발은 세계적인 NVH 부품 업체인 Autoneum이 이끌고 있으며 BMW, Mercedez-Benz,Audi 등 유럽의 메이저자동차 제작사들은 이를 차량에 적용함으로써 연비 개선 및 소음 저감을 이루고자 노력하고 있다.
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BMW는 두 가지엔진 인캡슐레이션 방식을 각각 적용한 결과, 열관리 효율이 높은Engine-mounted 방식의 연비와 배기가스 측면에서 우수한 결과를 나타내고 소음측면에서도 뛰어나다고 보고하였다. 엔진의 Warm-up과 Cool-down 시 엔진 인캡슐레이션의 효과를 비교한 결과도 발표된 바 있다.엔진 인캡슐레이션을 장착한 경우 그림 4와 같이Cool-down 시에는 엔진온도가 서서히 떨어지는 효과를 나타내는 반면 Warm-up시에는 엔진온도와 주변온도의 차이가 크지 않기 때문에 엔진 인캡슐레이션에 따른 효과가 거의 나타나지 않는다고 보고하였다.

한편 엔진 인캡슐레이션의적용에 따른 부작용으로 웜업 이후의 냉각부하 증가 문제가 지적되고 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로냉각팬을 더욱 많이 회전시킬 경 우에는 이로 인한 소음이 발생하여 결국 엔진 인캡슐레이션의 소음저감 효과를 상쇄시킨다고 볼 수 있다. 따라서, 효과적인 엔진 인캡슐레이션 적용을 위해서는 반드시 엔진의냉각 성능을 향상시킬 수 있는 방안도 함께 검토되어야 할 것이다.

국내에서는 아직까지통합된 형태의 엔진 인캡슐레이션이 적용된 차량은 없으며 일부 차량에서 부분적으로 적용되고 있다. 현대자동차는 엔진 인캡슐레이션을 디젤 하이브리드 차량에적용하여 기존에 시동 정지 후 엔진온도를 40℃까지 떨어뜨리는데 3시간이소요되었던 것을 14시간까지 연장시켰으며 이를 통해 재시동 시 연비개선 효과(특히, 겨울철)를 거둘수 있다고 보고하였다.

국내 자동차 NVH 부품 전문업체인 NVH코리아는 엔진 인캡슐레이션용 고내열 소재를 개발 중에 있다. 한편아주대학교에서는 엔진 인캡슐레이션 적용 차량의 엔진룸공기유동을 최적화하기 위하여 Active Air Flap을장착하여 엔진룸의 보온 효과와 더불어 주행저항을 개선하는 효과를 거두었다고 보고하였다.

이렇게 엔진인캡슐레이션을 적용한 다양한 사례들을 분석한 결과, CO2 배출량이 약 2~5% 정도 감소되며 소음의경우 3~5dB 정도 수준으로 감소하는 것으로 파악된다.

4. 결론

자동차 연비를향상시킬 수 있는 차량 열관리 기술 중 하나인 엔진 인캡슐레이션의 기술 개발 동향에 대해 살펴보았다. 엔진 인캡슐레이션은 최근 자동차 업계의 최대 관심사인 연비 개선에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 고출력 엔진의등장에 따른 소음 증가 문제를 동시에 해결할 수 있는 매력적인 기술임에 틀림없다. 본 기술이 자동차에성공적으로 적용되기 위해서는 고내열 경량화 단열소재 개발과 엔진 냉각 성능 향상을 위한 냉각시스템 제어기술 등에 대한 지속적인 연구개발이 이루어져야할 것이다. 또한, 자동차 제작사와 부품업체의 끊임없는 관심과 투자가 필요하며 이를 위해서는 정부의 지원이 밑바탕이 되어야 할 것이다.

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