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[오토저널] 에너지 방출 측면의 자동차 연비 개선 기술

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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com)
승인 2017-06-02 13:37:05

본문

최근 자동차 업계에서는 에너지 및 환경과 관련된 이슈에 능동적으로 대응하기 위하여 차량의 연료 효율 향상에 많은 노력을 경주해 오고 있다. 실질적으로 수십 년 동안은 연비 관련 이슈들보다는 유해 배출물 저감 규제가 매우 엄격하고 도전적이어서 거의 모든 나라들에서 배출물 저감을 위한 노력이 집중적으로 진행되어 왔다. 이런 이유로 배출물 저감 관련한 새로운 기술들이 시장에 도입될 수 있는 계기가 되었다.
 
이와 달리 자동차 연비 개선은 연료비 상승과 최근의 연비 규제에 의해 주로 이루어져 오고 있는데 실질적인 연비 개선은 매우 도전적인 과제이기도 하다. 최근의 화석 연료 고갈 및 지구 온난화 문제는 자동차 업계의 정책을 바꾸는 계기로 작용하고 있다. 특히 지구 온난화 문제에 대한 적극 적인 대처를 위해 필요한 CO2 저감은 차량의 연료 효율 향 상과 직결되는 사안으로 에너지 효율을 향상시키는 기술 관련된 엔진 및 차량에 대한 기술적인 개선을 가능하게 하는 큰 동력이 될 것으로 판단되고 있다.

 

<그림 1>은 1975년 미국에서 에너지 정책 및 보존 법안 도입된 이후 미국 시장에서의 연비와 다른 차량 특성들 간 경향을 나타낸 것으로 차량 기술의 발전에 의한 연비 개선은 차량의 가속 능력, 성능, 자동차의 무게 및 크기 등과 같은 여타 특성들과 trade-off 관계를 이루어 왔음을 보여 준다.

 

또한 차량 내에서의 연비 개선 효과가 계량화되기 힘들다는 점 때문에 연비 개선을 위한 많은 시도의 효과가 제대로 인식되지 못한 부분도 있음을 나타내고 있다. 따라서 이런 문제점을 개선하기 위하여 차량에서의 에너지 사용과 관련된 체계적인 분석이 연비 개선을 목표로 하는 자동차 업계에서는 매우 중요한 사항이다.

 

본 고에서는 차량의 에너지 사용 중 에너지 방출과 관련된 사항을 간략하게 검토해 보기로 한다.

 

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차량에서의 에너지 관리를 통한 에너지 방출 관련한 이슈들을 살펴보면 크게 차량 및 섀시, 동력계, 엔진의 3가지 접근 방향으로 구분할 수 있다.

 

차량 및 섀시 에너지 방출 관리에는 첫째로 차량 중량을 줄이는 것이다. 차량 중량 감소 설계의 주요한 2가지는 경량화 소재 적용과 섀시 및 프레임 설계 개선이다. 최근 알루미늄 및 마그네슘 합금과 같은 재료들이 중량을 효과적으로 줄이면서도 비용 대비 효과적인 재료로 각광받고 있다. 또한 차량 보디 구조의 변경도 이런 재료들의 적용을 가능하게 하고 있다. <표 1>은 차량의 중량 감소가 연비에 미치는 영향을 나타낸 것이다.

 

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둘째로는 차량 공기역학 측면의 개선이다. 차량 공기 저항 계수를 줄이는 일은 다양한 방안으로 가능하다. 예를 들면 프론트 혹은 리어 스포일러 장착에 의한 개선이 있다. 또한 차량 전체 모양을 유선형으로 설계하는 것도 공기 저항을 감소시키는 데 매우 유리한 방안이다.

 

셋째로는 구름 저항의 감소이다. 구름 저항의 10% 감소를 통하여 1~2%의 연비 개선이 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 차량 중량의 감소도 구름 저항 감소에 일조한다.


넷째로는 능동형 현가장치의 적용이다. 능동형 현가장치는 전자기 센서, 액추에이터, 컨트롤러 등을 적용하여 에너지를 복원하거나 저장하는 기능을 수행하고 차체의 무게중심을 낮게 하고 차량 동력 특성과 공기역학적인 특성을 개선한다.

 

다섯째로는 전동 제동 장치를 들 수 있는데 전기구동 제동 시스템은 전동기계 요소 사용으로 On-demand 기술 적용이 가능해져 엔진에 부과되는 에너지 요구량 감소가 가능하다.

 

동력전달 장치의 에너지 발생 관리는 첫째로 변속기 시스템의 개선이다. 변속기 시스템의 효율을 개선하는 직접적인 방안은 기어의 개수를 늘이는 것이다. 최근 듀얼 클러치 변속기 기존 변속기에 비하여 약 15%까지 연비 개선이 가능하다는 연구도 있으며 8속, 9속 자동변속기도 기존 6속 자동변속기 대비 약 16%까지 연비 개선이 가능하다는 연구 결과가 있다.

 

<표 2>는 차량의 다양한 변속기 시스템에 대한 연비 개선 가능성을 정리하여 나타낸 것이다. 개선된 토크 컨버터와 토크 컨버터 록업 클러치, 펜들럼 댐퍼 등도 토크 컨버터 손실을 줄여 연비를 개선하는 데 기여한다.

 

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둘째는 전동화된 보기류이다. 보기류에 요구되는 부하 증가는 연비에 큰 영향을 미친다. 기존 차량의 경우 에어컨 시스템이 보기류 중 가장 큰 비중을 차지하는 데 그 비중은 약 30%에 이르는 것으로 알려져 있다. 이들 장치의 압축기와 팬 등의 전동화는 On-demand 작동을 가능하게 하여 부하를 감소시키는데 효과적이다. 그 이외에도 전동화가 연비 개선에 효과적인 시스템은 조향 장치이다. 이외에도 추가적인 저감을 구현하기 위해서는 알터네이터의 최적화와 전방 구동 시스템의 무게를 줄이는 일이 요구된다.

 

엔진의 에너지 방출 관리에는 첫째 엔진의 열역학적 특성을 개선하는 방법이다. 이는 주로 연소 특성의 개선을 통한 높은 열효율의 구현을 목표로 하는데, 이를 위한 다양한 연소 기술들이 포함된다. 최근에는 엔진의 다운사이징 기술이 양산 엔진에 많이 적용되고 있는데, 30% 엔진 다운사이징은 토크와 가속성을 향상시키면서도 8~10% 정도 연비를 개선시킬 수 있는 것으로 알려져 있기도 하다.

 

둘째는 엔진과 관련된 마찰 손실이다. 마찰 손실을 줄이는 첫째 효과적인 방법은 엔진의 작동 온도를 높이는 것이다.

 

일반적으로 워업 조건에서의 엔진의 마찰 손실은 정상 상태에서의 마찰 손실의 2배로 알려져 있다. 다른 방법으로는 관련 부품에 크랭크축이나 커넥팅로드에 들어가는 베어링 크기를 줄이고 경량화된  밸브, 로커 암을 적용하는 것 등이 있다. 또한 등 윤활유의 점도를 낮추는 것도 마찰 손실에 중요한 영향을 미친다.

 

셋째는 엔진 열 관리이다. 엔진 냉각 기술은 전동 펌프, 전동 서모스탯, 전동 팬 등의 전기 구동 요소들이 냉각 시스템에 도입되기 시작하며 큰 발전을 이루어 왔다. 이러한 전동 요소들은 주변 장치로부터의 동력 손실을 줄이고 더 나은 효율의 엔진을 구현하기 위한 엔진 온도 제어 등을 가능하게 한다. 냉각수 및 윤활유 온도를 높여 마찰을 줄이는 방법은 엔진 열 관리에 큰 도움이 된다. 또한 On-demand 작동 기능을 가진 부품들의 도입은 열 관리 개선에 일조하고 있다.
 
전동 펌프, 가변 팬, 능동형 그릴 셔터 등이 그 예이다. 능동형 그릴 셔터의 경우 공기역학적 저항을 감소시켜 자동차 연비 개선을 가능하게 하는데 풍동 실험에서 풍동형 그릴 셔터의 그릴 셔터를 적용한 차량의 경우 105km/h에서 공기역학 저항이 3% 감소되는 것으로 알려져 있다.
 
지금까지 자동차 연비 개선을 위한 에너지 방출 관리 측면의 관련 기술을 살펴보았는데 이런 기술들을 차량에 적용했을 때 드는 비용과 얻을 수 있는 효과는 적용된 기술마다 각기 다르다.

 

<그림 2>는 앞에서 언급된 엔진 및 차량 관련 여러 기술들과 그 기술의 단위 연료 소비율 1km/ℓ 저감에 필요한 비용을 제시한 것이다. 냉각 시스템과 관련된 열관리, 최적화된 엔진 냉각 기술, 진보된 엔진 냉각 기술 등이 비교적 작은 비용이 소요됨을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 기술들이 시장 에 CO2 저감과 직결되는 연비 개선에 적용되는 경우 우선순 위 후보가 될 수 있음을 조심스럽게 예측할 수 있다.

 

이와 같은 경향은 <그림 3>에서도 마찬가지로 확인할 수 있다. <그림 3>은 승용 자동차에 대한 여러 관련 기술들의 CO2 저감과 예상 비용의 비율을 비교하여 나타낸 것이다. 여기서 원의 크기는 관련 기술들 간 비용을 상대적으로 표시한 것으로 원의 크기가 작은 기술들에 보다 관심을 가질 필 요가 있는데 열 관리 및 최적화된 냉각이 CO2 저감 측면에 서 가정 적절한 기술이 될 수 있음을 알 수 있다.

 

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본 고에서는 기존 논문 조사를 통하여 자동차 연비 개선을 위한 차량 시스템의 에너지 이용 중 에너지 방출과 관련된 기술 및 관련 기술들의 차량 적용 시 비용을 간략히 살펴보았다. 제시된 다양한 기술들의 비용에 따라 차량 적용에 순위를 결정 하는데 도움이 될 수 있을 것으로 사료되지만 여러 기술들을 차량에 동시에 적용했을 경우 연비 및 CO2 개선 효과가 유사 한 정도로 나타날 것으로 볼 수는 없다고 생각된다. 따라서 여러 기술들을 동시에 적용한 경우 차량의 연비 및 CO2 개선과 관련된 체계적인 연구 진행이 필요할 것으로 판단된다.

 

글 / 주다영 (연세대)
출처 / 오토저널 16년 12월호 (http://www.ksae.org) 
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