최근 미세먼지 문제 및 배출가스 조작파문 등으로 인해 고효율이란 장점을 배경으로 급격히 부상했던 디젤엔진에 대한 관심도가 다소 주춤하고 있는 듯하다. 물론 각국의 엔진기술수준, 에너지 상황 및 정책, 배기규제 등의 복잡한 변수가 작용하고, 또한 디젤엔진의 클린화가 상당히 진행되어 있기 때문에 가솔린과 디젤엔진 중 어느 쪽이 나은 선택인지는 간단히 결론 내릴 수 없는 문제이다.

최근 일본에서는 가솔린엔진의 효율을 디젤엔진 수준으로 끌어올리기 위한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 일본 내각청의 ‘SIP혁신적연소기술’ 프로젝트에서는 가솔린과 디젤엔진의 50% 열효율 달성을 목표로 하고 있는데, 현재 가솔린엔진의 열효율이 디젤엔진에 근접하고 있는 상황이다.

본 고에서는, 가솔린엔진의 초고율화를 위한 최근 일본의 연구동향에 대해서 살펴보고자 한다. 우선 45%의 열효율을 실현했다고 발표하여 주목을 끌었던 SIP 혁신적연소기술 가솔린연소팀의 연구내용에 대해 소개한다. 그 후 한결같이 가솔린엔진에 주력해 왔던 도요타자동차의 45% 열효율 실현전략에 대해서 소개하고자 한다.

SIP 가솔린 연소팀의 연구동향

<그림 1>은 SIP 가솔린 연소팀의 최종목표인 50% 열효율 을 달성하기 위한 전략을 개략해서 나타내고 있다.❶ 해당 내용은 2015년 11월호에 이미 소개한 바 있다.
 
가솔린연소팀의 기본전략은 강력점화시스템 및 고난류 유동을 이용하여 공기과잉률(λ) 2의 초희박 조건에서 안정적이면서 빠른연소(슈퍼린번: Super lean-burn)를 구현하고, 이를 통해 냉각손실을 최소화하여 엔진열효율을 끌어올리겠다는 것이다. 또한 엔진노킹을 억제하여 가솔린엔진의 압축비를 15까지 끌어올리는 것도 하나의 전략으로 설정되어 있다.

SIP 가솔린연소팀은 지난 JSAE 춘계대회 및 SIP 공개심포지움에서 2015년도 목표인 최대열효율 45%를 달성했다 고 발표했다<그림 2>.❶❷ 이는 앞서 언급한 기본전략 중 슈퍼린번의 구현에 의한 것이라고 밝혔다. 성과테스트에 단기통 엔진을 이용했고, 제시된 지표가 제동열효율이 아닌 도시열효율이기는 하나, 부가적인 시스템의 도입 및 최적화 작업없이 슈퍼린번의 구현만으로 기존엔진 대비 4%의 열효율 개선효과를 얻어냈다는 점은 주목할만하다고 생각된다.

<표 1>은 SIP 가솔린연소팀의 성과테스트에 이용된 단기통엔진의 제원을 나타낸다. 압축비 13의 고압축비를 이용하고, 연소실의 S/V(Surface-to-volume ratio) 감소에 의한 냉각손실저감 및 실린더 내 유동강화를 위해 롱스트로크(Long-stroke) 개념을 적용했다(상세와 3장 참조).

슈퍼린번의 구현을 위한 첫번째 전략은 실린더 내 유동강화이다. 흡기포트에 텀블어댑터를 적용하여 실린더에 유입되는 공기유동의 텀블비(Tumble ratio) 및 난류운동에너지(TKE : Turbulence Kinetic Energy)를 대폭 강화하였다 <그림 3>. 슈퍼린번의 구현을 위한 두번째 전략은 고에너지 점화시스템의 적용이다. 10개의 점화코일을 직렬 2개, 병렬 5개로 배치하여 엔진에 적용하였다. 테스트 결과 실린더 내 유동이 강화되고 점화에너지가 증가할수록 연소속도가 증가하고 희박한계가 확장되며, 그 결과 열효율이 증대된다고 밝혔다.

<그림 4>는 텀블유동강화 및 고에너지점화를 적용하여 슈퍼린번을 구현하였을 때의 엔진열효율, 배기특성, 출력안정성(COV : Coefficient Of Variance) 결과를 나타낸다. SIP 가솔린 연소팀은 앞서 언급한 전략을 적용함으로써 λ=2의 조건에서 최대 47.6%의 도시열효율을 얻어냈으며, 이 때의 THC 배출량은 이론공연비 조건과 비슷하나 COV가 약간 증가한다고 밝혔다. 또한 슈퍼린번의 구현으로 인해 NOx의 배출량이 대폭 감소함을 밝혔다. 한편, 테스트 엔진에는 터보챠저가 장착되지 않았는데, 터보챠저의 장착에 의한 열효율 감소(배압증가)를 고려하면, 실제로 얻어낼 수 있는 최대 효율은 45% 정도라고 밝혔다.

향후, SIP 가솔린연소팀은 연소개선만으로 50%의 열효율을 이뤄내기 위해 λ>2의 조건에서 안정된 연소를 구현하기 위한 연구, 노킹억제를 통한 압축비 15의 도입, 대량의 Cooled EGR 도입을 추진할 듯하다. 이와 더불어, SIP 손실저감팀과의 협력을 통해 엔진 냉각손실, 펌핑손실, 마찰손실 저감기술을 새로운 연소전략과 조합해 열효율 개선효과를 극대화해 나갈 전망이다.

사실, SIP 가솔린연소팀에서 추진하고 있는 전략은 도요타가 2015년 SAE에서 발표한 45% 열효율 달성전략과 상당 부분 흡사해 보인다.❸ 또한 여타 자동차 메이커들도 이와 유사한 전략을 이미 도입하고 있는 것도 사실이다. SIP는 이러한 기술경쟁 속에서 절대적인 우위를 점하기 위해 현상의 철저한 이해를 바탕으로 하는 연구개발(사이언스와 기술의 융합)을 추진하고 있는데, 이를 위해 초희박, 고난류, 고EGR 조건에서의 화염전파, 방전 및 점화, 노킹 및 벽면 열전달 등에 관한 현상해명 및 이론모델구축에 힘을 쏟고 있다. 이러한 총체적인 노력의 성과가 단기간에 나타날 수 있을지 주목된다.

도요타의 45% 열효율 달성 전략

도요타는 2015년 SAE 및 2016년 JSAE 춘계대회에서 가솔 린엔진의 45% 열효율 달성을 위한 전략을 발표했다.❸~❺ <그림 5>는 2015년 SAE에 발표된 도요타의 가솔린엔진 열효율 개선전략을 나타낸다. 현존 양산모델의 열효율 개선전략의 핵심은 Atkinson 사이클(펌핑손실저감), Cooled EGR(펌핑손실 및 냉각손실저감), 마찰저감기술의 적용이며, 이를 통해 40%의 열효율을 이미 달성했다.

최근에는 기존 기술에 추가로 열효율을 45%까지 끌어올리기 위한 새로운 전략을 세웠는데, 이를 간략히 요약해 보면 다음과 같다.

•롱스트로크를 이용한 S/V저감을 통한 냉각 손실 저감
• 롱스트로크 및 흡기어댑터를 이용한 실린더 내 유동강화 및 EGR 적용한계 확장
•린번과 Cooled EGR의 조합
•점화플러그의 방전전류 증대

기술의 상당부분이 SIP가솔린팀의 그것과 겹치나 그 상세 내용을 조금 더 살펴보고자 한다.

<그림 6>은 보어(Bore)와 스트로크(Stroke)가 S/V에 및 실린더 내 난류강도에 미치는 영향에 관한 도요타의 연구결과를 나타낸다. S/V가 감소할수록, 실린더 내 유동이 강화될 수록 열효율 개선효과가 커지는 엔진결과를 바탕으로, Bore 75mm, Stroke 113mm(Stoke/Bore=1.51)를 엔진에 적 용하였다.❸ 또한 새로운 흡기어댑터를 개발하였으며, 이를 통해 실린더 내 유동의 텀블비 및 난류강도를 대폭 증대시 켰다).❹❺ 도요타는 또한 엔진실험을 통해 린번과 Cooled EGR이 엔진노킹 및 열효율에 미치는 영향을 조사하였다. 결과를 통해 린번에 의한 엔진노킹의 억제효과는 크지 않음을 확인하였으며, 따라서 점화진각 및 압축비 상승, 냉각손실저감에 의한 열효율 증대를 꾀하기 위해서는 린번과 Cooled EGR과의 최적조합이 필요하다는 결론을 얻었다.❸ 또한, 점화플러그의 방전전류(Discharge current) 및 방전시간이 화염전파 및 엔진성능에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 결과를 통해 방전전류 및 시간이 증가할수록 화염의 전파속도 및 희박한계가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 유동이 강화될수록 방전전류 및 시간이 연소에 미치는 영향이 상대적으로 커지는 것을 확인하고, 고난류 유동의 경우 고점화에너지의 적용이 반드시 필요하다는 결론 을 얻었다.❸ <그림 7>은 앞서 언급한 기술들의 최적화를 통해 얻은 프로토타입 엔진의 열효율 및 NOx 배출량을 나타낸다. 양산엔진기술에 새로운 기술을 조합함으로써 압축비 13에서 45%의 제동열효율을 달성하는 동시에 NOx 배출량을 대폭 저감하였다고 밝혔다.❸ 또한 향후 50%의 열효율에 도달하 기 위한 전략을 제시하였는데, 이는 1) 노킹 방지기술의 고도화, 2) 압축비의 증대, 3) 냉각손실저감 및 열매니지먼트(단열 및 배열회수)로 요약할 수 있다.

본 고에서는 최근 일본의 초고효율 가솔린엔진기술의 동향에 대해 살펴보았다. 자료조사를 하면서 느낀 점은, 지난 수십년간 내연기관의 열효율이 10% 정도 개선된 것을 고려하면 최근의 개선 속도는 참으로 놀랄만 하다는 것이다. 하지만 이를 다른 관점에서 바라보면, 현재 내연기관의 열효율 개선이 자동차 산업의 중요한 과제이고, 이를 위한 국가 및 자동차메이커 간의 경쟁이 급박하게 진행되고 있음을 의미한다. 이러한 숨막히는 경쟁 속에서 기술적 우위를 점하기 위해서는 누가 독자적인 원천기술을 확보할 수 있는가가 중요하며, 이를 위해서는 시스템의 최적화를 진행하는 동시에 사이언스에 바탕을 둔 선행 연구를 게을리하지 않는 것이 매우 중요하다고 생각된다.