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[오토저널] 내연기관의 터보 컴파운딩 기술

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-10-19 15:28:07

본문

지구 온난화에 따른 기후 변화가 급격하게 진행되면서 전 세계적으로 온난화의 주범으로 지목되고 있는 CO2의 저감 기술 중 내연기관의 터보 컴파운딩 기술에 대해서 소개하고자 한다.


내연기관의 배기 에너지 활용 기술은 버려지는 에너지의 형태와 회수 방식에 따라 터보 컴파운딩(Turbo Compounding)기술, 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 기술, 열전(Thermo Electric Generator) 기술로 대별되며, 각 기술이 갖는 연비향상 효과, 가격, 중량, 레이아웃 구성 및 제어기술의 난이도 등에 따라 다양한 분야에서 적용되고 있다.

 

이 중 터보 컴파운딩 기술은 내연기관에서 버려지는 배기가스 운동 에너지를 회수하여 에너지 효율을 향상시키는 기술이다. 본 기술은 오늘날 거의 모든 엔진에 장착되고 있는 터보차저(Turbocharger)의 확장 개념으로 이해하면 된다. 터보차저의 경우 배기관으로부터 폐기되고 있던 배기가스의 에너지를 이용해 터빈을 고속 회전시켜, 그 회전력으로 동축으로 연결된 원심식 압축기를 구동하여 압축한 공기를 엔진 내부로 보내는 구조로 되어 있다<그림 1>.


이것에 의해, 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입·폭발시키는 것을 통해 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻어 엔진 다운사이징이 가능하게 되었다. 그러나 일반적으로 내연기관 회전수가 특정 rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압할 수 있다. 결국 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는데 이를 터보랙(Turbo-lag)이라 한다. 이 현상이 발생되는 이유는 과급기에서 과급이 되는 정도까지 배기가스를 공급해 줄 때만 터보의 기능을 하기 때문이다.


또한 터빈 설계 회전수 이상으로 배기가스 운동에너지가 배출될 경우 엔진 손상을 방지하기 위해서 터보차저에 웨이스트 게이트를 설치하여 잉여 에너지를 대기중으로 버리게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 2단/다단/트윈 터보 등 다양한 방식의 터보차저가 개발되어 적용되고 있다. 터보 컴파운딩 기술도 이러한 기존 터보차저의 문제점을 극복하기 위한 대안으로 부상하고 있는데, 배기 에너지를 이용하여 연소용 공기의 압축과 기계 또는 전기 에너지로 재생하는 두가지 역할을 수행하기에 Compounding이라는 용어가 사용된다.


터보 컴파운딩 기술은 동력재생 방식에 따라 기계적인 방식과 터빈 회전축에 연결된 발전기에 의해 전기 에너지로 재생되는 전기식 방식으로 구분되며, 배기 에너지를 회수하는 타 기술에 비해 패키징이 쉽고 저가의 장점이 있다. 터보 컴파운딩 기술 중 기계적인 방식은 배기가스에서 에너지를 회수하기 위하여 터빈을 사용하고 터빈에서 생성된 파워는 터빈 축과 기어 시스템을 통하여 엔진 크랭크샤프트로 전달되는 구조로 초기의 항공기용 디젤엔진에서 출발하여 스카니아 및 볼보 등에서 대형 상용 트럭 디젤엔진용으로 상용화 적용되고 있는 추세이다.

 

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볼보 D12 엔진의 경우 터보 컴파운딩의 적용으로 피크 파워가 10% 증가하여 엔진 출력은 기존 400마력에서 440마력으로 운전이 가능하고, 최종 연비 개선율은 5~10%로 보고되고 있다. 단, 디젤엔진 내 배기압 증가와 펌핑 로스 증가로 효율은 다소 감소하고 터빈 출력축은 기어 트레인에 의하여 크랭크샤프트에 연결되어 감속이 이루어지며 터빈에서 70,000rpm이 크랭크샤프트에서 1,800rpm으로 감소한다.

 

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기계적인 방식의 장점으로는 높은 파워 밀도, 전 부하 조건에서의 연비 개선량 우수, 엔진반응 우수, 운전성 향상 등 이고, 또한 배기압력이 흡기압력보다 높아지므로 높은 EGR 유량을 확보할 수 있어 NOx 감소를 유도할 수 있다. 그러나 극복해야할 과제로는 기어, 유체 커플링, 터빈 등이 추가되므로 중량 및 시스템의 복잡도 증가와 부분부하 조건에서는 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다.

 

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전기식 터보 컴파운딩 기술은 터빈회전에 의해 생성되는 동력이 흡입 공기 압축에 필요한 압축기 설계 동력보다 높을 때는 잉여 에너지를 터빈에 동축으로 연결된 발전기 모듈에 의해 전기 에너지로 전환하여 저장하거나 장비의 전동식 보기류의 추가 동력원으로 활용할 수 있다. 또한 저속 구간에서 내연기관의 배기가스 에너지가 낮아서 터빈 동력이 압축기 요구 동력보다 부족할 경우에는 저장된 전기 에너지를 이용하여 압축기에 동축으로 연결된 모터를 구동시켜 압축기 동력을 보조하여 엔진 출력을 향상시킬 수 있다.


이러한 전기식 터보 컴파운딩 기술은 캐터필러 및 미쯔비시에 의해 가장 활발히 연구되고 있으며 연비 향상은 평균 5%, 최대 10%까지 개선된다고 알려지고 있다. 미쯔비시의 전기식 터보 컴파운딩 운전 전략은 엔진의 저속 구간에서는 Motor assist에 의해 흡입공기 부스트를 증가시키고 엔진의 고속 구간에서는 터빈의 잉여 에너지를 전기에너지로 발전하는 개념이다.

 

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전기식 터보 컴파운딩 시스템 중 압축기와 터빈을 분리하여 터빈에서는 전기 에너지만 회수하는 역할을 수행하고 압축기는 고속 전동식으로 하여 터빈과는 독립적으로 제어되는 시스템도 있다. 고속 터빈 발전기와 고속 전기식 공기 압축기 및 에너지 저장장치로 구성되어 있는데 터빈과 압축기는 터보차저와 같은 역할을 하며 전동 모터는 고속으로 회전하면서 압축기를 구동하게 된다.


John Deere에 의해서 개발된 전기식 터보 컴파운딩 시스템은 터빈과 압축기가 분리된 구조를 가지며 배기관에 추가적으로 설치된 터빈이 회전하면서 소형 발전기를 구동한다. 터빈과 크랭크샤프트 사이의 기계적인 연결이 없다는 장점이 있으며, 이에 따라 터보 시스템의 유연한 운전이 가능하게 된다.


현재까지 배기 에너지 회수 기술 중 기계식 터보 컴파운딩 기술만이 상용화된 적이 있으며 나머지 기술들은 아직 개발단계에 있다. 국내에서는 중대형 상용차 및 건설장비용 내연기관의 경우 터빈과 압축기의 휠/베어링 설계 및 제조 기술 측면에서의 기술적 한계로 터보차저 자체도 국산화를 이루지 못하고 있는 실정이다.


전기식 터보 컴파운딩 기술은 터보차저 기술에서 더 나아가 압축기의 운전 제어를 위한 모터/발전기의 제어, 전기적 안정성 확보, 고속 터빈 및 압축기에 대응하는 고속 모터 기술 및 전체 시스템에서의 전기 에너지 제어 문제가 중요한 기술로 대두되는바 조기 기술 개발을 통한 기술 확보가 필요한 상황이다.


국내에서는 두산인프라코어에서 6L급 디젤엔진을 대상으로 기존 터보차저의 효율 향상 뿐만 아니라, 고속 구간의 배기가스 잉여 에너지를 회수하여 발전/저장, 저속 구간에서는 회수된 전기 에너지로 모터를 이용하여 압축기를 보조할 수 있는 전기식 터보 컴파운딩 기술 개발을 진행하고 있다.

 

글 / 유한성 (건설기계부품연구원)
출처 / 오토저널 18년 4월호 (http://www.ksae.org) 
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