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[오토저널] 미래 내연기관 개발 방향성

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2019-02-11 12:52:04

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1879년 독일의 칼 벤츠가 2행정 가솔린 엔진의 특허를 등록하고, 1888년 1.6L, 0.8마력 단기통 엔진을 탑재한 3륜차가 독일 만하임 거리를 달린 이래 내연기관과 자동차 기술은 비약적인 발전을 이루어냈고, 지리적 거리와 이동 시간의 한계를 극복함으로써 현대 산업사회의 형성에 큰 기여를 하였다.


이후 약 140년이 지난 오늘날의 자동차 산업은, 디지털 플랫폼을 기반으로 새로운 사업 모델이 확대되고 있는 시대 흐름에 발맞추어 전기-전자, IoT, 통신 등 연관 산업 분야와의 기술 융합을 통해 공간적 이동이라는 본연의 기능에 더해 편의성, 안정성, 경제성 측면에서 소비자들의 기대를 넘어서는 가치와 경험을 제공하고 있고, 도시화와 개인 모빌리티의 확대 등으로 대표되는 거대 트렌드에 맞추어 기술적 진화를 계속해 나갈 것으로 전망된다.


한편으로는 신차가 연간 약 1억대씩 판매되고 있는 자동차 대수의 급격한 증가가 지구 온난화와 환경 오염에 미치는 악영향에 대한 인식이 높아지면서 자동차에서 배출되는 온실 가스와 유해 배출물에 대한 규제가 지속적으로 강화되고 있어, 이에 대응할 수 있는 파워트레인 포트폴리오와 개발 전략 구축이 자동차 제조사들의 중요한 당면 과제가 되고 있다.


여기서는 간략하게 나마 현재 자동차 산업이 직면하고 있는 규제와 트렌드 등 개발 환경과 미래 시장에 대한 예측을 바탕으로 파워트레인의 개발 방향성을 어떻게 설정할 것인지를 고찰해보고자 한다.


과거와 비교했을 때 파워트레인 포트폴리오 구성과 개발 방향을 정함에 있어 어려운 점은 파워트레인의 다양성과 그 복잡성이 비교가 어려울 정도로 확대되었다는 점이다. 가솔린과 디젤 엔진, MT와 AT의 단순한 구성과 비교했을 때, 하이브리드(전기 모터의 장착 위치에 따른 차이는 제외하더라도), 플러그인 하이브리드, 배터리 전기차, 수소전기차, CVT, DCT, 융합 변속기 등 현재 시장에서 사용되고 있는 파워트레인의 다양성을 고려하면 미래 환경에 적합한 포트폴리오를 구성하고 개발 자원을 적절하게 배분하는 것이 얼마나 중요한지 알 수 있다.


또 한가지 주의해야 할 점은 파워트레인 포트폴리오와 발전 방향성에 대한 과거의 예측이 현실과 동떨어진 결과를 보인 예가 비일비재하다는 점을 인식하고 사회적, 경제적 상황 변화에 유연하게 대응할 수 있는 개발 전략이 필요하다.


현실과 벗어난 예측의 대표적인 예가, 석유 생산량이 최대에 도달한 후 급격히 감소하면서 석유 기반 사회의 붕괴를 예언한 Oil Peak 이론인데(King Hubbert’s Theory), 오일 채굴 기술의 발달과 새로운 유전의 지속적인 발견으로, 채굴 가능한 석유 매장량을 연간 소비량으로 나눈 수치는 2000년 이후 45~50 수준을 유지하고 있다. 이 것은 현재 채굴 가능한 것으로 확인된 매장량으로 약 50년간 전 세계 석유 수요를 감당할 수 있고, 매년 소비하는 만큼의(약 350억 배럴) 유전이 새롭게 발견되고 있다는 의미이다. 최근에는 셰일 오일 생산이 증가하면서 공급 확대와 함께 석유 가격의 불안정성을 완화시키는 역할도 하고 있기 때문에 향후 상당 기간 석유 자원의 수급은 상당히 안정적인 수준을 유지할 것으로 예상된다.

 

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또 하나의 예는 원자력 발전의 비율이 확대되고 이에 힘입어 전기차가 기존 내연 기관차를 급격히 대체할 것이라는 예측이다. 원자력 발전은 온실 가스 감소에 기여할 수 있는 청정 에너지원으로 인식되었고, 이 점이 전기차의 경제성과 친환경성을 높여 보급 확대에 기여할 것으로 예상되었으나, 2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고를 계기로 안정성과 폐로 과정에서 발생하는 사회적 비용 증가 문제가 대두되었고, 전기차도 배터리 기술 발전과 생산 규모 확대를 통한 가격 하락으로 가까운 미래에 내연 기관의 상당 부분을 대체할 수 있을 것으로 예상되었지만, 충전 인프라의 부족과 주행 거리의 제한, 높은 가격 등으로 전기차 시장 확대는 여전히 제한적인 수준에 머무르고 있다.

 

실제로 현재 전 세계적으로 판매되는 신차 중 내연 기관을 동력원으로 사용하지 않는 배터리 전기차와 수소전기차의 시장 점유율은 약 1% 수준에 불과하며, 2025년에도 그 점유율은 약 10% 수준으로 전체 신차 10대 중 9대는 여전히 내연 기관을 주 동력원으로 사용할 것으로 예측되고 있다.


배터리를 포함해서 차량 제작과 전력 생산 과정에서 발생하는 온실 가스와 오염 물질에 대해서는 여전히 논란의 소지가 있지만, 차량(Tank to Wheel) 운행 중의 환경 오염이 없다는 점과 각국 정부의 지원책에 힘입어 배터리 전기차는 시장을 확대해 나가고 있으며, 향후 생산량 확대를 통한 규모의 경제 달성과 배터리, 모터 등 주요 전력 부품의 가격 저감을 통한 경쟁력 개선이 가능할 것으로 예상된다.


이러한 점들을 고려할 때 향후 파워트레인 개발 방향성은 기존 가솔린, 디젤 엔진의 열 효율과 변속기의 전달 효율 향상을 하나의 축으로 하고, 친환경차 시장 확대에 대응하기 위한 라인업 확대와 소비자 접근성 관점에서 아직은 높은 수준인 주요 부품의 원가 절감을 통한 경쟁력 강화를 또 하나의 축으로 하는 투트랙 개발 전략이 필요할 것으로 전망한다.


즉, 단기 및 중기적으로는 기존 가솔린, 디젤 엔진과 변속기의 효율을 개선하는 것과 병행해서 온실 가스 배출량을 저감할 수 있는 압축 천연 가스(CNG)와 바이오 연료용 엔진을 개발하고, 48V 마일드 하이브리드부터 배터리 전기차를 아우르는 전동화 차량 라인업을 확충하는 것이 중요한 과제가 될 것이고, 장기적으로는 유해 배출물 Zero의 궁극적인 친환경차인 수소전기차의 기술 리더쉽을 확보하는 것을 핵심 목표로 삼아야 할 것이다.

 

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마지막으로 단기 및 중기 파워트레인 개발의 핵심 과제인 내연 기관의 열 효율 향상을 위한 주요 기술을 살펴보겠다. 터보차저를 적용한 다운사이징 엔진과 2중 EGR(HP + LP Dual Loop EGR) 시스템 등의 기술 적용을 통해 가솔린과 디젤 엔진의 열 효율은 지속적으로 발전해 왔다. 하이브리드용으로 특화된 최신 가솔린 엔진은 40%를 넘어서는 최대 열 효율을 달성하였고, 선택적 환원 촉매(SCR) 시스템을 적용한 최신 디젤 엔진은 실도로(RDE) 주행 조건에서 배출물 규제를 만족하면서, 동급 가솔린에 비해 15~20% 우세한 온실가스 배출량으로 주요 국가의 연비와 온실가스 규제 대응에 중요한 역할을 하고 있다.


차세대 엔진에 적용될 주요 기술들은, 가솔린 엔진은 실도로 배출물 규제 등을 고려할 때 다운사이징과 함께 압축비 증가를 통한 연비개선 전략이 중요한 부분이 될 것으로 예상된다. 고 압축비로 인한 노킹을 방지하기 위해 냉각 EGR, 밀러-아킨슨 사이클, 연소 속도 증대를 위한 고 텀블 포트와 효과적인 냉각 기술 등의 개발과 함께 마찰과 배기 손실 등 엔진 운전에 필연적으로 수반되는 손실들을 저감하기 위한 저마찰, 단열 기술 개발과 전동화의 중요성도 높아지고 있다.


디젤 엔진은 2015년 독일 회사의 에미션게이트 이후 연비와 온실가스 경쟁력을 유지하면서 실도로 주행 조건에서 배출되는 질소산화물(NOx)을 저감하는 것에 주안점을 두고 개발되고 있다. SCR 후 처리 시스템을 기본으로, 배기 시스템의 구조, 온도 관리의 최적화와 정밀한 제어를 통해 다양한 실도로 주행 조건에서도 강건한 정화 효율을 확보하기 것이 향후 디젤 엔진의 중요한 기술 개발 과제이고, 마찰과 냉각 손실 저감을 위한 윤활, 냉각 시스템의 최적화도 핵심 개발 영역이 될 것이다.

 

앞서 살펴본 바와 같이 미래 환경과 트렌드를 고려한 파워트레인 개발 전략은 기존 내연 기관과 변속기의 효율 향상과 함께 전 동화 기반의 친환경차 라인업 확장과 가격 경쟁력 확보가 핵심이 될 것으로 전망되며, 특히 내연 기관의 기술 개발은 엔진과 차 량의 조합, 연비와 유해 배출물 규제에 따라 요소 기술과 전략을 최적으로 조합해서 시너지 효과를 거둘 수 있는 시스템 기술 을 개발하는 것이 미래의 핵심 경쟁력이 될 것으로 예상한다.

 

글 / 지요한 (현대자동차)

출처 / 오토저널 2018년 6월호 (http://www.ksae.org)  

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