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[오토저널] 내연기관의 현실과 미래

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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com)
승인 2018-08-20 11:57:07

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지난해의 세계 주요 모터쇼에 이어서 올해 초 라스베이거스에서 개최된 CES에서도 주인공은 단연 “전기차(EV)”와 “커넥티드카(Connected car)”이다. 당분간은 그 여세를 몰아갈 것으로 예상된다. 미래의 자동차 산업에서의 새로운 일자리 창출과 친환경성을 생각한다면 어느 누구도 이러한 세계적인 트렌드에 반론을 제기할 사람은 없을 것이다. 물론 평생 내연기관을 전공해 온 필자도 이러한 시대적인 추세에 역행하고자 하는 생각은 추호도 없으며, 우리나라가 자율주행으로 대표되는 미래자동차 기술을 선도할 수 있는 날이 하루라도 빨리 도래하기를 기대하고 있다.

 

본 고에서도 미래 자동차 기술에 대한 새로운 내용을 소개하고 싶은 마음도 있었으나, 최근 많은 사람들이 자동차 동력원에 대한 너무 편향된 지식을 접하는 현실이 안타까웠고, 올해 새로이 파워트레인부문회장 역할도 맡게 되었기 때문에 내연기관의 현실과 미래에 대한 팩트를 전달하고자 한다. 심지어 주유소를 경영하는 분을 만났더니 5년 후에는 내연기관 차량이 없어지므로 다른 분야로 업종을 변경해야 할지를 고민하는 분들이 대다수라는 얘기를 듣고 자동차 동력원에 대한 정확한 정보가 얼마나 중요한지를 다시한번 실감하게 되어서 본 내용이 조금이나마 내연기관의 현황을 파악하는 데에 도움이 되었으면 하는 바람이다.

 

내연기관 분야의 대표저서인 “Internal Combustion Engines Fundamental”의 저자이자 메사추세츠공과대학(MIT) 기계공학과 교수인 존 헤이우드(John Heywood) 박사는 2050년에 경량차량의 60%가 여전히 연소 엔진에 의존할 것이며, 그 일부가 하이브리드 시스템과 터보차저를 탑재할 것으로 전망했다. 순수 배터리 전기차 판매량은 전체의 15% 정도로 추정했으며, 2050년까지도 내연기관이 건재함을 예견하였다. 이 외에도 IEA 자료에서는 “2035년 시점에 내연기관 자동차가 차지하는 비율이 약 84%를 차지할 것”으로 예측하였다.

 

2015년 발생한 폭스바겐 디젤 스캔들로 인하여 배기 규제는 더 강화되었고, 내연기관은 배척 대상이 되기 시작하였으며 그 대신 배터리 전기차(BEV)가 급부상하였다. 그러나 2016년 글로벌 자동차 시장에서 배터리 전기차 판매대수는 플러그 인 하이브리드자동차를 포함하여 76만 1000대에 불과하였다. 세계 신차 판매대수가 9369만대에 달하는 것을 감안하면 실질적으로 점유율은 1% 이하이다. 이와 같은 통계와 예측결과를 보면 향후 가까이는 10년에서 멀게는 20년 사이에도 자동차 동력원의 상당부분은 현재 사용 중인 내연기관이 유지될 것이므로 균형 잡힌 시각에서 향후 자동차용 동력원에 대한 분석이 필요할 것으로 사료된다.

 

최근 스웨덴을 중심으로 하는 북유럽 국가들과 프랑스와 영국 등 서유럽 국가들, 그리고 중국까지도 가까운 장래에 내연기관을 퇴출시킨다는 뉴스를 접하는 경우가 있다. 스웨덴은 자동차 운행대수가 500여만대 정도로 2,000만대가 넘는 우리나라 자동차 운행대수에 비하여 월등히 적은 나라이며, 영국은 자국자본의 자동차 회사가 없는 실정이고, 중국은 아직 엔진 기술력이 현저히 떨어지는 나라이기 때문에 어쩔 수 없이 현재의 내연기관 자동차를 대신하여 전기자동차로 전환을 시도하는 나라들이다. 프랑스의 경우는 원자력 발전 의존도가 높으므로 전기 생산 시의 이산화탄소의 배출이 작아서 전기자동차 수가 많아지더라도 국가 전체의 이산화탄소 증가가 크지 않으므로 나온 정책임을 명심해야 한다.

 

이와 같이 국가나 지역에 따라 에너지 인프라 상황이 다르고, 소비자의 이용환경과 도로사정 등이 다르므로 이런 점을 고려하여 최적한 동력원을 선정하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 그 동안 많은 노력을 경주해 온 결과, 세계 5위의 생산력을 가진 우리의 자동차 산업을 지탱해 온 엔진 기술을 포기하는 것은 매우 위험하고 어리석은 일임은 자명한 사실이다.

 

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자동차 산업의 선진국인 일본과 독일은 전기자동차가 대세임을 인정하면서도 내연기관의 가능성에 여전히 무게를 두고 있다. 이런 가능성의 이유를 웰투휠(Well to Wheel, WTW)로 설명할 수 있다. WTW는 <그림 1>과 같은 에너지 생성 단계부터 소비 단계까지의 효율에 대한 개념이다. 즉 내연기관 자동차 운행을 통해 배출되는 유해배출 가스뿐만 아니라 전기나 수소의 생성 단계에서 발생하는 유해 배출가스까지 고려해야 한다는 것이다. 전기의 생성을 위하여 다양한 종류의 에너지원을 사용하고 있지만, 청정에너지로 분류되는 풍력이나 태양광의 비율은 5% 미만이고, 여전히 화석연료의 비율이 매우 높은 실정이다. 현재의 내연기관 연비를 30% 정도 개선한다면 내연기관 자동차는 LNG(액화천연가스) 발전으로 생산된 전기를 사용하는 전기자동차와 동등한 CO2를 배출한다. 이처럼 내연기관 자동차도 가능성은 있지만, 현재의 기술수준에 만족하고 안주한다면 가까운 시일 내에 다른 동력원에게 자리를 내어주게 될 것임이 명백한 사실이므로 현재도 많은 자동차 회사들은 내연기관 엔진 개발에 많은 비용을 투입하고 있다.

 

그러나 과거와는 달리 대부분의 엔진들이 전동화를 앞세우며 개발에 박차를 가하고 있다는 사실이다. 순수 내연기관 자동차 기술만으로는 한계가 있기 때문에 내연기관을 베이스로 하는 하이브리드 자동차와 플러그 인 하이브리드 자동차 개발에 많은 관심을 두고 있음을 시사하고 있다.

 

최근 전동화의 첫 번째 시도로 48V 시스템이 주목을 받고 있다. 엔진의 크랭크 샤프트에 연결된 벨트나 체인으로 작동되는 많은 부품들(냉각펌프, 오일펌프, 캠 샤프트 등)은 엔진의 구동력을 소비하기 때문에 연비를 악화시키는 경향이 있으며, 특히 벨트 구동 펌프인 경우 원하는 시기에 적절한 유량을 공급하기가 매우 어려운 상황이다. 이를 해결하기 위하여 전기적으로 펌프유량과 밸브 개폐시기를 조절할 수 있는 기술이 필요하지만, 전력소모가 많아져서 기존 12V로는 한계가 발생한다. 따라서 48V 시스템을 이용하여 적절한 시기에 최적한 유량을 공급할 수 있는 전동 펌프와 전기적으로 밸브 개폐시기와 밸브량을 임의로 조절할 수 있는 캠이 없는 전기구동식 밸브시스템을 채택함으로써 엔진의 효율 향상뿐만 아니라 마찰저항도 줄여줄 수 있으므로 기존 엔진의 열효율을 한층 더 향상 시킬 수 있는 가능성이 커졌다고 할 수 있다. 이 외에도 과급시의 지연현상(Turbo lag)을 줄일 수 있는 전동 압축기도 사용이 가능하게 됨에 따라 저속 고부하 특성을 향상시킬 수도 있다.

 

이와 같이 모든 자동차 회사들은 엔진의 효율을 높이기 위한 많은 기술들을 적용하고 있지만, 자동차용 엔진의 열효율 향상을 추구하는 방식은 <그림 2>와 같이 지역마다 다르다고 할 수 있다.

 

유럽의 자동차 회사들은 직접분사방식과 다운사이징 터보차저 기술을 통해 저연비 및 고출력을 지향하고 있다. 반면, 일본은 종래와 같은 자연급기식 포트분사방식을 일반적으로 많이 채택하고 있다. 그 대신 고압축비(13~14:1)와 늦은 흡기밸브 닫힘 시기 및 EGR기술을 적용하여 엔진의 열효율을 향상시키고 있다. 우리나라는 유럽 방식을 따르고 있는 실정이라고 말할 수 있다. 우리나라에서도 주류가 되고 있는 직접 분사식 엔진의 경우, 가솔린 엔진임에도 불구하고 PM배출이 문제가 되고 있으므로 혼합기 형성에 유리한 흡기포트 분사방식을 주로 이용하는 일본의 방식도 눈여겨 볼만한 대목이다.

 

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최근 NISSAN은 가변압축비 엔진을 개발하여 운전 조건에 따라 노킹을 피할 수 있는 최적 압축비를 선정하도록 하여 현재 40%수준의 열효율을 2015년에는 60%까지 끌어올리겠다고 선언하였다. 이는 지금의 배터리 전기차와 유사한 수준의 효율이므로 내연기관의 미래를 밝게 해 주는 기술임에는 틀림이 없을 것이다. BMW는 2015년 연비를 향상시키기 위하여 물 직분사 엔진을 출시하기도 하였다. 물을 분사함으로써 증발잠열에 따른 고압축비화와 충전효율 향상 효과를 이용하는 기술로서 이미 M4차종에 적용을 시작하였고, 소형엔진으로 시장을 확대하고 있는 실정이다.

 

최근에는 가솔린 엔진의 연소방식에는 디젤엔진과 같은 자착화 원리를 적용하고, 반면 디젤 엔진의 열발생 패턴은 가솔린 엔진의 열발생 패턴인 예혼합 연소방식으로 바꾸는 신 연소 기술인 예혼합 압축착화(Homogeneous Charge Compression Ignition, 일명 HCCI)엔진이 주목을 받고 있다. 가솔린 엔진을 자착화시킴으로써 압축비를 높일 수 있고, 희박연소가 가능하며 펌핑손실도 줄일 수 있으므로 가솔린 엔진의 단점을 극복하여 디젤 엔진 정도로 열효율을 향상시킬 수 있게 되었다. 또한 디젤 엔진의 경우는 열효율은 좋지만 확산 연소 원리 상 NOx와 PM의 배출이 문제가 되었으나, 가솔린 엔진과 같은 균일 예혼합 열발생 패턴을 적용함으로써 급격한 온도 상승을 막을 수 있어서 NOx를 줄이고, 균일한 혼합기 형성에 따라 PM도 줄일 수 있는 획기적인 연소기술이라고 할 수 있다. 그러나 이 기술은 착화시기를 제어할 수 있는 기술이 어려워서 상용화에 걸림돌이 되었으나, 최근 착화성이 서로 다른 이종 연료를 사용하거나, 가변압축비(VCR) 기술들이 개발되어 시판 시기를 앞당길 수 있게 되었다. 2019년에는 이러한 기술을 탑재한 엔진이 출시될 것이라는 보도가 나오고 있다.

 

이와 같이 엔진의 연소를 개선하여 효율을 향상시키는 기술 이 외에도 주목을 끄는 기술들이 있다. 엔진에서 발생한 에너지 중 60% 정도가 배기가스와 냉각수 열로 버려지는 문제점에 착목하여 엔진 폐열 회수 시스템에 관한 기술이 각광을 받고 있다. 이 기술은 크게 두 가지로 분류되어 개발이 진행 중에 있다. 하나는 엔진의 배기가스 열을 이용하여 물을 끓인 후 발생되는 증기를 이용하여 터빈을 돌려서 에너지를 발생시키는 랭킨 방식과 열전 소자를 이용하여 직접 전기 에너지를 얻는 방식을 채택하고 있다.

 

두 기술 모두 비용 상승 문제가 있어서 상용화에 시간이 걸리고 있지만, 열효율 향상에는 확실한 효과가 검증되었으므로 하이브리드 자동차에 비하면 비용 상승이 작기 때문에 빠른 시일 내에 시장에 투입될 가능성이 크다고 예상된다.

 

요즘 가장 관심이 큰 4차 산업 혁명의 대표주자라고 할 수 있는 자율주행자동차의 경우, 동력원은 당연히 배터리 전기차라는 인식이 널리 확산되어 있는 실정이다. 물론 제어 측면에서는 전기 모터가 편리할 수는 있으나, 자율주행의 가장 큰 장점인 장거리 주행 시의 편리함을 고려한다면 주행거리 면에서 장점이 많은 내연기관도 충분히 동력원으로서 가치가 있다고 생각된다. 특히 내연기관은 지금까지 축적되어 온 기술들이 많아서 충분한 신뢰성을 가지고 있으며, 특히 자율주행은 일정 속도로 주행하는 경우가 많으므로 가장 효율이 좋은 상태로 엔진을 작동시키기 때문에 열효율 면에서 매우 유리하다고 할 수 있다.

 

한국자동차산업협회에 따르면 2년 연속 수출이 감소되어 이제는 세계 자동차 생산국 5위의 자리도 지키기 어렵다고 한다. 국가 총 수출의 14%(2015년 기준)를 차지하는 자동차 산업은 고용에 미치는 영향도 상당히 크다. 다시 말하면 자동차 산업 침체가 지속할 경우, 고용대란이 빚어질 공산이 크므로 미래의 자동차 기술에 투자를 하는 것도 중요하지만, 현재 우리나라 자동차 수출의 대부분을 차지하는 내연기관의 효율을 높이기 위해 많은 시간과 비용을 투자해야할 시점이라고 생각한다.

 

서두에 얘기한 바와 같이 친환경 자동차로 대표되는 전기자동차와 수소연료 전기차에 대한 필요성은 더 이상 언급하지 않아도 될 만큼 높으며, 자율주행자동차 기술 역시 빠른 시일 내에 확립하여 경쟁력을 높여야 함에는 어느 누구도 반론을 제기하지 않는다. 다만 현재와 가까운 미래에도 주력 동력원으로 역할을 수행해야 하는 내연기관에 대하여 애정과 관심을 가져주기를 바라는 마음이다. 많은 내연기관 엔지니어들은 오늘도 내연기관 효율 향상을 위하여 묵묵히 노력하고 있으며, 우리 학회 파워트레인부문도 내연기관의 위상 정립과 새로운 기술에 대한 방향 설정을 위하여 미력이나마 기여를 하고자 한다.

 

글 / 이기형 (한양대학교)
출처 / 오토저널 18년 3월호 (http://www.ksae.org) 
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