이는 현재 직면한 에너지 및 환경문제를 해결하기 위해 잠시 잊혀져 왔던 내연기관 연구의 중요성이 자동차선진국에서 이전보다도 높게 평가되고 있음을 알리고 싶었기 때문이다.

본 고에서는, 지난 9월 일본자동차기술회지에 소개된 Toyota 스기야마 프로젝트 리더의 인터뷰 내용을 토대로 SIP프로젝트의 발족배경 및 목표에 관해서 소개하고자 한다. 그 후, SIP 홈페이지 및 2015년 6월에 열린 SIP심포지움의 공개자료를 바탕으로 올해 정비된 SIP프로젝트의 연구체제 및 연구개요에 대해서 정리해 보고자 한다.

유럽 자동차시장의 경우 EU의 CO2 규제에 대응하기 위해 Light-duty 디젤승용차가 지속적으로 주목받아 왔으나, 최근에는 CO2 저감효과를 다양한 차종에까지 확대하기 위한 방안으로 과급다운사이징 가솔린엔진이 주목받고 있다. 한편, 일본의 경우에는 한동안 하이브리드 엔진에 초점을 맞춰왔으나, 최근 유럽시장의 흐름에 자극받아, 또한 2020년의 EU의 새로운 CO2 규제(95g/km)에 대응하기 위한 전략의 하나로 과급다운사이징 가솔린엔진 및 디젤터보엔진에 주목하고 있다. 현재 일본의 자동차 메이커들은 과급 다운사이징 가솔린엔진 및 디젤터보엔진의 세계시장도입이 유럽 주도로 이루어지고 있는 것에 큰 위기감을 느끼고 있는 듯 하다.

일본 정부도 이러한 흐름을 잘 파악하고 내연기관 연구를 전폭적으로 지원하는 정책을 추진하고 있으며, 이러한 일본 정부 및 자동차메이커의 인식이 연간 예산 200억원에 달하는 SIP 혁신적 연소기술 프로젝트를 발족시킨 원동력이라 할 수 있다. 사실 SIP는 일본정부가 10년 후의 미래를 준비하는 성장동력 연구분야를 육성하는 프로젝트인데, 여기에 내연기관 연구를, 그것도 필두과제로 내세운 것은 상당히 놀라운 일이라 할 수 있다.

SIP프로젝트의 첫번째 목표는 2018년까지 기존 가솔린 및 디젤엔진의 열효율을 50%까지 끌어올리고 운송기관의 CO2 배출량을 30% 저감하겠다는 것이다. 이러한 일본정부의 목표설정은 대체연료엔진이나 전기자동차의 보급율을 단기간에 끌어올리는 것이 사실상 불가능함을, 그리고 내연기관의 고효율화 및 클린화가 이루어지면 먼 미래에도 내연기관이 자동차엔진의 주류가 될 것임을 인식한 매우 현실적인 것이다. 또한 자동차산업에의 의존도가 매우 높은 일본경제를 감안할 때 일본자동차 메이커의 경쟁력을 높이는 것이 향후 일본경제의 사활을 건 중요한 문제라고 생각했기 때문으로 보인다. 그러나 현재 하이브리드 엔진의 열효율이 대략 40%, 디젤엔진이 42~43%임을 감안할 때 향후 4년안에 50%의 열효율을 달성하겠다는 것은 상당히 도전적인 목표설정이다.

이러한 단기간의 도전적인 목표설정이 자신의 연구분야를 묵묵히 연구해 오던 대학에게는 당혹스러운 일 일수도 있다. 이러한 대학과의 입장차이를 줄이고 성과를 극대화하기 위해, 50% 열효율에 이르기 위해 해명해야 할 내부현상을 자동차메이커가 구체화하여 대학에 제시하고, 현상해명을 통해 구축한 새로운 전략을 엔진에 적용해서 검증하는 과정 역시 자동차메이커가 지원 및 감독하는 시스템을 도입했다.

SIP프로젝트의 또 다른 중요한 목표는 현상의 학술적 이해를 통한 엔진개발모델을 구축하는 것이며, 이것이 다수의 대학을 아우르는 프로젝트를 발족시킨 이유로 보인다. 엔진 내부현상에 대한 이해없이 단순히 방대한 실험 및 시행착오을 통한 엔진개발에는 한계가 있으며, 이러한 방식으로는 50%의 열효율을 단기간에 달성할 수 없고, 극심한 경쟁속에서 장기적으로 살아남을 수 있는 독자기술을 창출해 낼 수 없다는 판단이다.

또한 내연기관기술의 미래를 이어나갈 인재 육성도 중요한 과제로 인식되고 있다. 경제에의 기여도와는 관계없이 겉으로만 화려해 보이는 연구분야에 학생들이 몰려, 내연기관분야에 우수한 인재들이 들어오지 않는 것을 커다란 문제로 보고 있다. 실제로 일본대학 연구실의 대부분을 중국 등 아시아에서 온 박사과정 학생들이 채우고 있는 상황에서 내연기관연구의 차세대 리더를 양성하기는 힘들다고 판단하고 있다.

또한 내연기관 관련 인재의 부족으로 인해 자동차메이커가 다른 분야의 인재를 고용하게 되고, 이로 인해 새로운 인재가 전력이 되기까지 시간이 걸리는 문제도 현실화되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 정부가 나서서 내연기관 연구를 육성하고 대학과 기업이 연계를 강화함으로써 우수한 인재들이 보다 더 내연기관 연구에 관심을 가질 수 있도록 지속적인 노력을 해 나갈 계획이다.

<그림 1>은 SIP 혁신적연소기술 프로젝트의 전체적인 구성을 나타내고 있다. 크게는 가솔린연소팀, 디젤연소팀, 손실저감팀, 제어팀의 4개의 메인팀과 혁신요소기술팀으로 분류되어 있으며, 각 메인팀은 20개 정도의 대학 및 연구기관으로 구성되어 있다. 연간 예산 대부분은 메인팀으로 배정되며, 혁신적 요소기술팀에는 각 대학에 연간 1억 원 정도의 예산이 배정된다. 메인팀은 가솔린 및 디젤엔진의 50% 열효율을 정해진 기간 안에 달성하기 위한 연구를 수행하며, 혁신적 요소기술팀은 당장의 실용화가 아닌 보다 먼 미래를 준비하는 기초연구를 수행하게 된다. 각 메인팀의 구성기관은 서로 데이터 및 정보를 공유하며, 리더대학은 설정된 시나리오 및 목표대로 연구가 진행될 수 있도록 각 구성기관의 연구내용 및 성과를 지도관리한다.

SIP 프로젝트는 일본의 자동차메이커 9사가 공동출자하고 일본정부가 보조금을 지원하여 설립한 내연기관기술연구조합(AICE)의 지원 및 감독 하에 연구를 수행하는데, 각 자동차메이커는 역할을 분담하여 SIP 연구팀에 직원을 파견하고 연구의 방향성을 협의하는 동시에 프로젝트 성과검증용 엔진의 설치 및 시험을 지원한다. 자동차메이커는 프로젝트용 엔진개발에 대해서는 경쟁없이 서로 협력하며, 향후 얻어진 성과 및 전략을 실제로 자신의 양산차량에 구현할 때는 다시 경쟁을 하게 된다.

<표 1>은 각 연구팀의 연구개요를 나타낸다. 또한 <그림2>는 가솔린연소팀의 연구개요를, <그림 3>은 디젤연소팀의 연구개요를 보다 구체적으로 나타내고 있다. 가솔린연소팀은 기본적으로 고압축비 및 초희박연소를 통한 50% 열효율 달성을 추진하고 있다. 다운사이징은 엔진시스템 최적화에 관련된 항목으로 직접적으로는 언급되지 않고 있으며, 우선은 50%의 열효율에 접근할 수 있는 최적의 연소메카니즘을 찾아내고 및 이를 구현하기 위한 제어기술구축을 목표로 하고 있는 듯 보인다. 

고압축비를 실현하기 위해 노킹의 메카니즘을 이해하고 제어하기 위한 연구를 수행하고 있으며, 초희박연소를 구현하기 위해 고난류(텀블)연소기술 및 고난류조건에 대응가능한 점화기술의 개발에 힘을 쏟고 있다. 이 외에도 손실저감에 관한 연구, 최적엔진제어에 관한 연구, 배열회수에 관한 연구도 추가로 진행하고 있다. 디젤연소팀은 엔진운전영역을 두개로 나누어 연구를 진행하고 있다. 저속저부하조건에서는 PCCI(Premixed-charge Compression Ignition) 연소최적화 연구를, 고속고부하 조건에서는 냉각손실 및 후연소를 저감하는 연구를 수행하고 있다.

PCCI 연소의 최적화를 위해서는 초고압펄스분사를 적용해서 연소상을 고도제어하고 연소가 단시간에 급격하게 일어나는 것을 방지하여 소음 역시 저감하겠다는 전략이다. 또한 방사소음의 생성 및 억제메커니즘을 이해하고 엔진구조의 최적화를 통해 이를 적극제어하는 방법을 검토 중이다. 고속고부하 연소조건에서는 분무형태 및 연소실형상을 적극제어해서 벽면열손실을 줄이고, 또한 팽창 행정 중에 일어나는 후연소를 억제하여 모든 열발생이 동력생성에 이용되도록 제어하는 연구도 수행 중이다. 디젤연소팀의 연소전략구현에는 분사기술이 가장 중요한 요소로 인식되고 있으며, 이로 인해 분무형성의 메커니즘 및 이를 지배하는 인자에 대한 기초연구도 중요한 과제로 설정되어 있다.

제어팀은 가솔린 및 디젤연소팀에서 추진하는 연소전략의 구체화 및 미래의 효율적 엔진개발에 기여할 수 있는 모델베이스 엔진개발시스템 및 제어소프트를 구축하는 연구를 하고 있으며, 손실저감팀은 가솔린 및 디젤연소팀과 연계하여 배기손실 및 마찰손실을 저감하기 위한 기초 및 실용화 연구를 진행하고 있다.

혁신적요소기술팀에서는 초희박연소를 구현하기 위한 새로운 점화기술(유전체 배리어방전) 개발, 혼합기조성의 적극제어를 통한 화염전파의 안정화기술 개발, 난류희박 연소의 고도수치해석 및 제어기법 개발, 고효율 열전발전을 위한 새로운 전열모듈 개발, 농후폴리머브러쉬를 이용한 새로운 윤활시스템 개발, 엔진연소시뮬레이션의 고성능 및 고효율화를 위한 차세대 시뮬레이터의 개발에 관한 연구를 수행하고 있다.

본 고에서는 2014년에 발족하여 1주년을 맞은 일본 SIP 혁신적연소기술 프로젝트의 설립배경, 목표, 연구체제 및 개요에 대해서 살펴보았다. 일반에 공개된 내용만을 정리했기 때문에, 또한 광범위한 연구과제의 상세를 일일히 설명하기는 어렵기 때문에 기술적인 부분에 대한 내용이 충분하지 않다는 생각도 들지만, 본 고의 내용이 일본 내연기관 연구의 전반적인 흐름을 파악하는데 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바램이다. 향후, 흥미로운 연구과제에 대해서는 공개된 내용의 한도 내에서 그 상세 기술내용을 별도로 소개하고자 한다.