글로벌오토뉴스

상단배너

  • 검색
  • 시승기검색
ä ۷ιλƮ  ͼ  ī 󱳼 ڵδ ʱ ڵ 躴 ͽ ǽ ȣٱ Ÿ̾ Auto Journal  Productive Product

유럽의 자동차기술 개발동향

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-07-12 23:39:45

본문

1. BMTS의 저(低)관성모멘트 배기가스 터보차저

Bosch Mahle Turbo Systems(BMTS)는 낮은 관성모멘트를 가지는 고효율 배기가스 터보차저를 개발하여 낮은 엔진회전수에서 Low-end-Torque를 높이는 것을 가능하게 한다. 낮은 회전수범위에서 배기가스 터보차저의 응답특성을 좋게 하기 위해서는 터빈의 관성모멘트를 낮추는 것이 결정적인 역할을 한다.

글 / 강대건 (탈리스테크)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 6월호

이 목적을 달성하기 위해 Bosch와 Mahle는 휘발유엔진을 위해 액시얼터빈과 래디얼터빈의 중간인 다이아고 날터빈(Diagonal Turbine)을 개발하였다. 다이아고날터빈은 월등한 유량통과 능력을 갖추어 터빈의 지름을 작게 만드는 것이 가능하고 따라서 임펠러의 관성모멘트가 적어진다. 또한 임펠러의 다이나믹 특성이 좋아지고 증가된 유량통과 능력은 엔진의 고회전 영역에서 우수한 엔진출력을 의미한다.

36765_1.jpg

디젤엔진의 경우 개발자들은 터빈 임펠러에 인코넬 대신에 티탄알루미나드(TiAl) 소재를 사용한다. BMTS 기술자에 의하면 이렇게 하여 질량관성모멘트가 50%까지 줄어든다고 한다. 엔진의 응답특성이 좋아지고 또한 회전모멘트형성이 좋아진다. 높아진 차지압력 다이나믹에 의하여 디젤연소의 배기가스 생성이 줄어든다. 또한 티탄알루미나드는 높은 비강도로 인하여 터빈임펠러의 설계를 최적화할 수 있는 가능성을 제공한다.

배기가스 터보차저의 응답특성과 다이나믹을 좋게하기 위한 방법으로 기계적 마찰을 줄여 기계적 효율을 높이는 것을 들 수 있다. 이 목표는 종래의 액시얼-래디얼 베어링을 사용하는 대신에 세라믹 볼을 채택한 경사볼베어링(Angular or Inclined Ball Bearing)과 베어링카트 리지를 적용하여 도달될 수 있다. 낮아진 마찰은 특히 냉간시동이나 낮은 엔진출력범위에서 현격한 연료소비감소 효과를 가져온다. 위의 장점들은 관성모멘트의 개선으로 인하여 더욱 효과가 높아진다.

이런 방법으로 배기가스 터보차저의 다이나믹이 월등히 개선되고 부수적으로 엔진의 회전모멘트와 연료의 절감에도 좋은 효과가 생긴다. 낮은 엔진출력범위에서도 높은 차지압력이 가능하여 배기가스가 저감되고 그로 인하여 증대된 산소주입량 때문에 배기가스 재순환특성이 또한 좋아진다. 낮은 엔진회전범위에서 엔진의 회전모멘트가 증가하고 다이나믹이 개선되어 특히 실제 운전상황에서 배기가스를 줄이고 연료의 소비를 줄이는 가능성을 내포하고 있다.

2. 새로운 더블코일 점화시스템

독일의 바덴뷔르템베르그주의 루드비히스부르그에 본사를 둔 보그워너베루시스템즈(Borg Warner Beru Systems) 는 현재 더블코일 점화시스템(Double Coil Ignition System, DCI)을 개발하고 있다. 새로운 기술 DCI는 두 개의 코일을 가지며 기존의 점화코일과 유사하게 Plug-top 방식으로 각각의 실린더와 직접 연결된다.

36765_2.jpg

새로운 기술의 적용으로 점화시간의 지연이 줄어 더욱 정확한 점화시기의 조절이 가능하므로 엔진의 모든 회전영역과 모든 출력범위에서 정확한 점화시기의 조정이 가능하다. Multi-Spark 점화와 비교하여 DCI는 연속적이고 흩어지지 않는 점화불꽃을 만드는 두 번째의 코일을 가지고 있어 점화특성, 에너지소비, 전극마모에서도 장점을 가진다. 이 새로운 시스템은 연소특성의 개선에 도움을 주고 배기가스의 절감에도 이바지 한다.

기본적으로 DCI는 두 개의 종래의 코일이 병렬로 연결되는 구조를 가지며, 이들은 일차측에서 서로 연결되나 이차측에서는 서로간의 간섭을 피하기 위해 비병렬적으로 연결된 고전압 다이오드페어에 의해서 서로 분리된다. 고전압 케이블은 고전압 다이오드페어의 서로 연결된 부분에서 점화플러그로 이어진다. 첫 번째 코일은 엔진제어기의 신호에 의하여 차지(Charge)되고 점화에 필요한 임계전압을 생성하는데 필요한 에너지는 코일의 자기장내에 중간 저장되어 점화 시에 전압을 공급하고 디스차지(Discharge)된다. 이 Charge & Discharge 과정은 미리 정해진 점화지속시간이 도달될 때까지 반복된다. DCI의 개발과정 중에 이 새로운 시스템을 종래의 점화시스템을 가지는 엔진에도 손쉽게 적용할 수 있도록 노력하였다.

Borg Warner Beru Systems의 사장 Brady Ericson에 의하면, 이 새로운 시스템은 엔진의 성능향상과 배기가스저감을 위한 Lean Burn과 높은 배기가스 역순환비율(High EGR Rate)을 가능하게 하도록 적용될 것이라고 한다.

기존의 점화시스템과 비교하여 DCI시스템은 훨씬 짧은 점화지연시간을 가능케 하여 엔진의 모든 회전범위에서, 특히 저출력범위에서, 연소과정의 안정화를 높인다. 또한 엔진의 빠른 가스교환 또는 다양한 엔진회전범위에서 특히 높은 배기가스 역순환비율에서도 점화시기를 더욱 정확하게 조절하여 대응할 수 있다. 시장의 요구에 대응하기 위하여 Borg Warner Beru Systems는 DCI system을 12V, 40V 또는 50V용으로 제공하는 것을 계획하고 있다. DCI System은 현재 전 세계 자동차 회사들에 의하여 시험과 개발과정을 거치고 있다.

3. 자동차 조립라인에 경량로보트 적용

원래 우주선의 작업에 필요한 용도로 개발된 경량로보트가 앞으로는 자동차 조립라인에서 제3의 손역할을 하며 작업자의 업무를 도와주게 될 것이다. 독일 Stuttgart의 Daimler가 발표한 내용에 의하면 Daimler와 KUKA가 자동차 조립라인에 경량로보트를 적용하기 위하여 전략적으로 협력하기로 최근에 결정하였다.

36765_3.jpg

이 파트너쉽의 주안점은, 작업자와 경량로보트가 함께 미세한 조립작업을 수행하여 생산을 담당하는 직원뿐만 아니라 생산프로세스도 최적화 하는 인간과 로보트의 협업이다. 현장실험에서 두 회사의 개발진들은 조립공정과 나사체결 공정을 연구하고 또한 인간과 로보트의 안전한 협업을 위한 설비콘셉트를 개발한다.

인간과 로보트의 직접적인 인터페이스는 작업자에게 제3의 손을 마련해 주는 미래 지향적인 생산콘셉트의 수립을 가능케 한다. 독일항공우주센터(Das Deutsche Zentrum fur Luft- und Raumfahrt, DLR)에 의해 개발된 경량로보트는 민감한 모터장치의 도움으로 물체를 만져서 감지하고 어려운 일을 정확히 수행한다.

DLR의 연구원들은 이 로보트가 작동하는 기능을 Soft Robotics라고 칭한다. DLR 연구소장 Alin Albu-Schaeffer에 의하면 경량로보트는 미리 교시된 경로를 그대로 따라가지 않고 센서를 통하여 주변상황을 파악하고 반응하며 외부의 사정에 순응할 수도 있다. 이렇게 하여 로보트로부터의 위험이 없이 인간과 로보트가 긴밀히 협업을 할 수 있다.

DLR연구소의 실험실에 있는 경량로보트 Justin그림3>은 자신의 육감인지 기능을 증명한다. 두 개의 경량로보트 팔은 자동차 생산에 적용될 경량로보트와 동일한 구조이다. 센서를 통하여 경량로보트는 인간과의 모든 접촉을 감지하고 큰 어려움 없이 인간에 의해 부드럽게 조종되도록 허용한다. 로보트가 움직이는 중간에 장애물을 만나면 즉시 운동을 정지하고 로보트팔은 순응적으로 변하여 주위환경에 위험하지 않도록 한다.

DLR의 연구과제에서는 로보트가 주변상황에 반응하는 것이 중요하다고 Albu-Schaefer는 강조한다. 조립공정에서의 로보트는 복잡한 과제를 수행해야 하고 익숙하지 않은 환경에도 잘 적응해야 하며 작업자의 지시에 안전하게 대응할 수 있어야 한다.

DLR의 경량로보트기술을 KUKA에 이전한 후에도 DLR은 Daimler와 지속적으로 협력하여 가능한 최고의 안전성을 확보한 인간과 로보트의 협업기술을 개발할 예정이다. 지금까지 자동화가 이루어지지 않은 작업조건에서 경량로보트는 작업자의 업무를 지원할 수 있다.

Daimler에서는 경량로보트의 그리퍼를 활용하여 머리위의 작업과 같은 어려운 작업을 수행하도록 한다. 경량로보트는 이미 첫 번째 테스트를 통과하였는데, 2009년 이래 파일로트테스트에서 KUKA의 도움으로 Daimler에서 50만 개 이상의 Rear Axle Gear의 조립작업에 경량로보트를 성공적으로 적용하였다.

4. 마찰의 비밀

Karlsruhe 기술연구소내의 응용재료연구소(Institut fur Angewandte Materialien des Karlsruher Instituts fur Technologie (KIT)는 소재의 미세구조가 마찰에 의해서 어떻게 변하는지 연구하고 있다. 연구원들은 구리와 스틸의 접촉을 예를 들어 연구를 진행하고 있다. 소재의 미세구조를 목적에 적합하게 조절하면 물체의 접촉 시에 마찰을 줄일 수 있고 따라서 소재의 마모와 에너지소비를 최소화 할 수 있다.

부품이 접촉상태에 있고 상대운동을 하면 마찰이 중요한 역할을 하게 된다. 이러한 마찰부하(Tribological Load)는 펌프, 엔진 그리고 다른 기계장치에서의 베어링, 가이드, 실, 기어장치 등에서 발생한다. 마찰은 소재의 마모와 에너지소비를 높인다. 마찰과 마모를 최소화하려면 소재의 구조적 특징을 적절히 설정해야 한다고 KIT의 연구원 Greiner가 지적한다. 그의 설명에 의하면 소재의 미세구조가 마찰특성에 중요한 역할을 한다.

마찰관계에 있는 고체들에 대해서 이와 같은 사정이 아직 잘 알려지지 않았다. KIT의 연구진들은 기초연구의 일환으로 마찰부하를 받고 있는 소재의 내부구조가 어떻게 전개되는지 연구한다.

36765_4.jpg

모델시험에서 연구원들은 고순도 구리와 C85 스틸 소재로 마찰시스템을 만들고 높은 마찰조건에서 소재의 미세구조가 어떻게 변화하는지 그리고 마찰특성에 어떤 영향을 주는지 연구한다.

시험과정에서 연구원들은 왕복운동하는 마찰상황에 주목한다. 운동방향이 바뀌는 변환점에서는 순간적으로 두 마찰소재간의 상대운동이 없고 이 경우 상대운동이 있을 때의 윤활필름이 역할을 하지 못하고 고체끼리의 직접접촉이 이루어 진다. 이 변환점은 기초연구에서만이 아니라 산업적인 활용에도 관심을 불러 일으킨다. 내연기관의 실린더 접촉면에서도 변환점에서의 마모가 최대가 된다. 마모가 시작되기 전에 표면의 아래에 이미 소재의 구조가 변하므로 연구원들은 이 현상을 관찰하여 유용한 단서를 확보하고자 한다. 최근에 이 목적에 적합하게 고안된 고해상 Two-ray 이온현미경을 가동하였다.

연구원들은 마찰파워밀도를 변화시키기 위해 그리고 그것의 미세구조에 대한 영향을 연구하기 위해 레이저를 이용하여 3D Texture를 통하여 표면구조를 생성한다. 시험결과로부터 마찰부하(Tribological Load)를 위한 모델을 설 정 한 다 . 프라운호퍼 재료역학연구소(Fraunhofer Institut fur Werkstoffmechanik, IWM)와 KIT의 공동 이니서티브로 진행되는 연구에서 연구원들은 마이크로트리볼로지센터 (MikroTribologie Centrum, μTC)와 협력한다.

5. 대안연료와의 인터페이스로서의 천연가스 엔진

Volkswagen의 새로운 4인승 천연가스 자동차 VW Eco-Up은 100km당 2.9kg의 천연가스를 소비한다. 새로 고안된 1.0ℓ엔진이 이를 가능하게 한다. Volkswagen에 따르면 Eco-Up이 세계에서 가장 연료효율이 좋은 천연가스 승용차라고 한다. CO2 배출량은 79g/km에 해당하고 독일의 경우 2도어와 4도어 Eco-Up 자동차로 100km 주행할 경우 연료비가 약 3유로 정도로 저렴하고 유럽에서 천연가스 자동차가 가장 많은 이탈리아의 경우 3유로 이하이다. Volkswagen 그룹은 최근에 Eco Fuel 프레스워크숍에서 자동차, 엔진, 대안연료로써 새로운 Eco-Up을 선보였다.

999CC 엔진과 새로 개발된 3기통 가솔린 엔진은 천연가스 버전으로 6,200rpm에서 50kW의 출력과 3,000rpm에서 90Nm의 최대 토크를 낸다. Eco-Up이 정지상태에서 100km/h에 이르는 시간은 16.3초이고 최고 속도는 164km/h이다. 4밸브 엔진이 특별히 천연가스
를 사용하도록 설계되었지만, 무연고급 휘발유로도 작동 될 수있다.

36765_5.jpg

연료인 천연가스는 바닥 밑 후륜 쪽에 위치하는 두 개의 탱크(총 볼륨 : 72ℓ/11kg의 CNG)에 저장된다. 탱크 1번(35ℓ)은 차축 앞쪽에 예비 휘발유탱크(10ℓ)와 함께 위
치하고 있으며, 탱크 2번(37ℓ)은 Tm페어 타이어의 공간을 활용한다. Benzineinfullstutzen같은 덮개 아래에 있다. 새로운 Eco-Up은 장착된 천연가스로 380km를 달릴 수 있고 예비 휘발유 연료를 이용하여 추가로 220km를 달릴 수 있어 한 번 가스주입으로 총 600km를 달릴 수 있다. Eco-Up과 같은 천연가스 자동차의 장점은 동일한 자동차가 천연가스뿐만 아니라 신재생연료인 바이오메탄과 같은 대체연료로도 작동할 수 있다는 점이다.

6. 메르세데스-벤츠 S-클래스 : 백열전구대신 190개의 LED

내년 시장에 출시되는 S-클래스는 표준 백열전구 없이 LED만으로 조명을 하는 세계 최초의 차량이 될 것이다. 자동차조명의 또 다른 세계 최초는 다중레벨의 기능이라고 Daimler Benz가 발표했다. 밤이나 신호등에 정차했을 때 브레이크 불빛의 세기를 조절하여 뒤에 따라오는 운전자를 고려한 운행이 가능하다. 가시성을 위해서는 두 가지의 보조장치가 적용되는데 선택적 Highbeam 보조장치와 나이트 뷰 플러스가 그들이다.

백열전구를 대신하여 190개의 발광 다이오드(LED)가 도로를 비추고, 차량위치를 표시하며 인테리어와 트렁크 의 조명을 맡게 된다. LED 기술의 긴 수명과 일광 같은 색온도는 이미 잘 알려진 것이라고 Intelligent Drive의 기술소개에서 Thomas Weber Mercedes-Benz 자동차의 연구개발 담당중역은 전했다.

36765_6.jpg

엔지니어들은 기존 헤드 라이트에 비해 에너지 소비를 4분의 1로 줄일 수 있었다. 예를 들면 새로운 에너지 절약 LED 헤드라이트는 34W의 전력을 소비한다고 제조업체가 밝힌다. 따라서 새로운 조명은 각 1대의 차량에 대해서 할로겐램프(120W)나 크세논램프(84W)에 비해 더 효율적으로, 이는 최대 100km 거리를 주행할 경우 0.05ℓ의 연료절감 그리고 킬로미터 당 CO2 2.1g의 저감을 의미한다. 새로운 고성능 단일칩 발광 다이오드(LED)와 편광된 빛을 투사하는 새로 개발된 헤드라이트 프로젝션모듈은 효율의 증대에 기여한다. Mercedes-Benz의 고급 세단에는 이미 기본적으로 표준 풀LED 조명시스템이 장착되고 있다.

7. 진동댐퍼와 통합된 관성센서

자동차부품 공급업체 보쉬는 ESP 응용 프로그램을 위한 진동댐퍼와 결합된 관성센서를 개발하였는데 이 센서는 자동차 엔진룸의 극한 환경 조건을 견딜 수 있다고 이 회사는 전한다. 이 센서 SMI650는 140℃의 온도까지 견딜 수 있고 특수 진동댐퍼를 이용하여 광대역의 진동을 흡수할 수 있다. 통합 진동 댐퍼와 센서가 처음으로 (EPS)의 제어기내에 설치된다.

36765_7.jpg

내부에 통합된 관성센서 때문에 ESP 제어 장치에서 외부센서로 가는 복잡한 배선이 불필요하게 된다. 2축가속센서(Ay & Az)와 회전속도(Ox)센서가 구비된 새로운 센서는 차량의 3축 움직임을 모니터링하기위한 ESP의 제대로 된 감각기관이 된다. SMI650의 센서 엘레멘트를 외란으로부터 보호하기 위하여 PM28D 센서하우징이 진동 댐퍼와 함께 제공된다. 특별히 개발된 실리콘이 베이스 플레이트를 둘러 싸서 센서를 바닥의 진동으로부터 분리시킨다. 또한 보쉬의 엔지니어들은 마이크로 기계충격댐퍼가 갖춰진 가속도 센서장치에 미세구조를 마련하였다. 부품 자체의 ASIC과 함께 지금까지 도달할 수 없었던 튼튼함이 가능해진다. 새로운 관성센서는 보쉬의 9세대 ESP 제어 장치와 함께 양산이 될 것이다.

8. 강판의 로컬 연화를 위한 방법
국부적 열처리는 고강도 철강소재의 공간적으로 제한된 연화를 가능하게 하여 국부적인 성형성을 높인다. 자동차 제조업체는 이렇게 더욱 강도가 높은 판재의 두께를 얇게하여 기능을 제한하지 않고도 무게를 줄일 수 있다. Hannover에서 2012년 10월에 개최된 EuroBlech에서 Fraunhofer 레이저기술 연구소(ILT)의 연구원들이 B-Pillar와 같은 열처리된 부품을 전시하였다.

자동차 제조업체, 철강 제조업체, 금형 제조업체, 레이저 생산업체 그리고 세 개의 연구소들이 참여하여 조직되고 독일연방 교육연구부의 지원을 받는 콘소시움은 LOKWAB(성형성 및 기능향상을 위한 판재의 국부적 열처리) 프로젝트의 일환으로 열을 투입하여 판재의 국부적 연화를 하는 방법을 개발하였다. 이 연구개발의 목적은 고강도 스틸소재의 국부적이고 제어된 연화(Controlled Softening)이다. 개발된 기술은 레이저를
이용한 소재열처리를 통하여 특성이 변경된 부위에서 크랙이 없이 드로잉 작업을 현저히 증가시킨다. 그 밖에도 이 방법은 핫프레스포밍부품의 스포트웰딩을 통한 접합을 좋게하기 위해서도 적용될 수도 있다.

36765_8.jpg

시험과 시뮬레이션에서는 여러 종류의 강재의 레이저 열처리를 위해서 최적의 파라메터가 얻어졌다. 이를 위해서 10kW의 Fiber Coupled 대용량 다이오드레이저가 사용되었는데 이 레이저는 특수한 광학장치를 이용하여 90mm의 폭을 가지는 사각형의 레이저빔을 소재위에 조사한다. 큰 범위는 이 빔을 위로 지나가게 함으로써 연화가 가능하다. 레이저빔에 동축으로 이루어지는 온도모니터링은 열처리 제어를 가능하게 한다.

시험의 일환으로 국부적으로 레이저 열처리된 판재가 B-Pillar로 성형되었다. 열처리를 함으로써 특히 고강도인 철강소재 MS-W1200의 사용을 가능하게 하였고 충돌시험에서 동일한 두께의 다른 고강도소재(CP-W800)로 제작된 B-Pillar에 비해 분명히 우위에 있음을 보여 주었다.

새로 개발된 기술은 연화를 넘어 어닐링, 재결정, 경화와 같이 소재와 부품에 맞춤식으로 판재의 국부적 레이저 열처리를 가능하게 한다고 연구소는 설명한다. 판재두께 방향으로 점진적으로 변하는 특성을 설정하는 것도 가능하다고 한다.
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)