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[오토저널] 개질 수소 첨가 고효율 가솔린 내연기관

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-09-03 11:23:28

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가솔린 내연기관의 미래

강화되는 배기 및 연비 규제 속에서 최근 배터리 전기 자동차(BEV)와 수소연료전지 전기자동차(FCEV)가 주목을 받으며 자동차 동력기관의 다양화가 빠른 속도로 이루어지고 있다. 마치 내연기관 자동차는 구시대의 유물로서 곧 없어질 것 같은 작금의 분위기지만 국제에너지기구(IEA)의 2060년 에너지 기술 전망에서도 볼 수 있듯 미래에도 내연기관은 자동차 동력기관으로서 시장을 주도할 전망이다. 그 중 승용 차량의 동력기관으로 현재 높은 시장 점유율을 갖고 있는 가솔린 내연기관은 향후에도 순수 내연기관 자동차, 여러 형식의 하이브리드 자동차의 동력기관 및 배터리 전기 자동차의 레인지 익스텐더로서 높은 쓰임새가 전망된다​.

 

 

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현재 가솔린 내연기관의 열효율로 다가올 연비 규제에 대응하기에는 역부족이다. 즉, 가솔린 내연기관의 미래는 시장의 수요보다 기관의 고효율화를 통한 규제 대응에 달려있다. 따라서 가솔린 내연기관의 고효율화를 위한 연구는 반드시 필요하다.

수소 첨가 가솔린 내연기관
수소는 각광받는 차세대 청정 에너지이다. 최근 수소연료전지 전기자동차(FCEV)의 부상으로 수소연료전지가 부각되고 있지만 수소는 그 자체의 특성으로 내연기관의 첨가제로서 좋은 성질을 지닌다. 특히 수소의 빠른 확산, 높은 화염 전파 속도, 넓은 가연 한계 그리고 뛰어난 항 노크성은 가솔린 내연기관에 첨가됐을 때 큰 이점으로 작용한다. 

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가솔린 내연기관의 운전 영역은 크게 최적 점화시기로 알려진 Maximum Brake Torque(MBT) 점화시기로 운전 시 노킹이 발생하지 않는 영역과 발생하는 영역으로 나눌 수 있다. 수소는 가솔린 내연기관에 첨가 시 전 운전 영역에서 연소 속도 개선 및 연소 안정성 개선을 통한 열효율 향상, 그리고 기존의 가솔린 내연기관으로 운전이 힘든 고효율 운전 조건에서 기관이 안정적으로 운전될 수 있게 해준다. 또한 수소의 뛰어난 항 노크성은 최적 점화시기로 운전이 가능한 영역을 확장 및 노킹이 발생하는 영역에서도 보다 최적 점화시기에 가깝게 운전될 수 있는 분위기를 조성하여 기관의 열효율 개선을 가능하게 한다.

개질 수소 첨가
수소 첨가 가솔린 내연기관은 이처럼 많은 이점들을 통해 기존의 가솔린 내연기관 대비 높은 수준의 열효율 달성이 가능하다. 하지만 수소를 어떻게 공급받아 기관에 첨가할 것인지에 대한 문제가 있다. 가장 단순하게 생각할 수 있는 방법은 실제 차량에 별도의 수소 탱크를 설치하는 것이다. 그러나 한정된 공간의 차량에 별도의 수소 탱크를 설치하고 운전자들에게 주 연료인 가솔린 주유에 더해 첨가제인 수소까지 충전하며 차량을 운용하라고 한다는 것은 불가능에 가깝다.

개질 수소 첨가는 실제 차량에서 기관에 수소를 첨가할 수 있는 가장 가능성 높은 방법이다. 개질의 사전적 뜻은 “탄화수소 조성을 열 또는 촉매의 힘을 이용해서 바꿈으로써 그 성상을 개선하는 조작” 이다. 이를 가솔린 내연기관 차량에 적용해 설명하면 차량에 적용된 개질 시스템을 통해 차량의 주 연료인 가솔린의 일부를 수소를 포함한 가스로 개질하여 기관에 첨가하는 방식이다. 개질 수소 첨가를 적용하면 운전자는 기존의 가솔린 내연기관 차량을 운용할 때와 같이 차량의 주 연료인 가솔린 주유에만 신경을 쓰면 된다.

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개질 반응에는 크게 부분 산화 개질 반응(Partial oxidation), 자열 개질 반응(Auto-thermal), 건식 개질 반응(Dry), 수증기 개질 반응(Steam)이 있다. 부분 산화 개질 반응과 자열 개질 반응의 경우 발열 반응이므로 개질 촉매의 온도를 활성화 온도 이상으로 유지하기 용이한 장점이 있다. 하지만 단점도 있다. 가장 큰 단점은 두 개질 반응에는 산소가 필요하다. 이론 공연비 운전을 하는 가솔린 내연기관의 배기가스에는 산소가 거의 없다. 그러므로 배기가스 재순환을 이용한 개질 시스템에는 적용되기 힘들다.

건식 개질 반응과 수증기 개질 반응은 흡열 반응이다. 따라서 개질 촉매의 온도를 활성화 온도 이상으로 유지하기 어려운 단점이 있다. 하지만 이 개질 반응들은 산소가 필요하지 않기 때문에 이론 공연비 운전을 하는 가솔린 내연기관의 배기가스 재순환을 이용한 개질 시스템에 적용이 가능하다. 또한 흡열 반응이므로 적극적인 배기가스 폐열 회수가 가능하며 수소를 포함한 개질 가스의 온도가 낮아 재순환 배기가스 냉각 장치의 소형화가 가능하다.

배기가스 재순환 내 개질(R-EGR) 
배기가스 재순환 내 개질(R-EGR, Reformed Exhaust Gas Recirculation)은 개질 수소 첨가 실현을 위한 개질 시스템 중 가장 각광받는 방법이다. 배기가스 재순환은 기관의 배기가스 중 일부를 흡기로 순환시키는 것을 말한다. 이 때 배기가스 재순환 유로에 개질 촉매를 포함한 개질 장치를 설치하면 폐열인 배기가스의 열을 이용하여 개질 촉매를 가열할 수 있다. 활성화 온도 이상으로 가열된 개질 촉매에 연료를 분사하면 개질 반응에 의해 수소를 포함한 개질 가스가 발생된다. 발생된 수소를 포함한 개질 가스는 배기가스 재순환 라인을 타고 엔진 흡기에 섞이게 되므로 기관에 수소가 첨가된다.

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도요타, 닛산, 현대자동차 등의 자동차 제조사들이 R-EGR에 관심을 갖고 연구를 진행 중이다. 그 중 토요타의 최근 연구 결과를 살펴보면 자사 2.4L 불꽃 점화 내연기관에 R-EGR을 적용하였다. 연료는 비교적 개질 반응에 용이한 에탄올을 주 연료 및 개질 연료로 사용하였다. 기관은 2800RPM 6bar 조건에서 운전됐다. 일반적으로 불꽃 점화 내연기관에서 배기가스 재순환율이 높을수록 펌핑 손실 및 열손실 감소로 기관의 열효율이 높아지는 효과가 있지만 연소 안정성 저하로 기관의 열효율이 감소하는 효과도 있다. 따라서 배기가스 재순환율이 높아짐에 따라 초기에는 기관의 열효율이 개선되다가 연소 안정성 악화와 함께 기관의 열효율이 감소하는 경향을 보인다. 

다시 토요타 연구 결과 이야기로 돌아오면 개질을 하지 않고 운전시 배기가스 재순환율 21%에서 기관은 최대 열효율을 나타냈다. 즉, 배기가스 재순환율이 21%를 넘어가면 기관의 연소 안정성이 악화된다. 반면 R-EGR 타입 개질 장치를 통한 개질 수소 첨가 시 수소의 연소 안정성 개선 효과를 기반으로 기관은 배기가스 재순환율 28%에서 최대 열효율을 나타냈다.

이 때 개질을 하지 않았을 때 대비 개질 수소 첨가시 개질에 사용된 연료를 포함하더라도 총 연료 소비는 4.6% 감소하였다. 연비가 개선된 것이다. 하지만 R-EGR 타입 개질 장치에는 단점이 있다. 기관의 부하가 낮으면 주 배기가스의 온도가 낮은데다 연소 안정성 문제로 배기가스 재순환율을 높일 수 없어 개질 장치 내 촉매를 활성화 온도 이상으로 가열하기 어렵고, 개질을 하더라도 배기가스 재순환율이 낮아 수소를 포함한 개질 가스의 양이 적어 수소 첨가의 이점을 살리기 힘들다. 

전용 연소실 개질 (D-EGR) 
전용 연소실 개질(D-EGR, Dedicated Exhaust Gas Recirculation)은 Southwest Research Institute(SwRI)에서 연구 중인 개질 수소 첨가 방법이다. 앞서 언급한 R-EGR 방식이 기관의 주 배기가스 재순환 경로에 개질 장치를 설치한 것과 다르게 D-EGR 방식은 엔진 연소실 중 하나를 수소 발생 및 배기가스 재순환 전용으로 사용한다. 

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R-EGR 방식에 비해 D-EGR은 기관의 부하가 낮은 영역에서도 수소 첨가의 이점을 살릴 수 있다는 장점이 있다. SwRI의 D-EGR 관련 최근 연구 결과를 보면 D-EGR 적용시 부하가 낮은 2,000RPM 2bar 조건에서 총 연료 소비가 14.3% (BSFC기준 55g/kWh) 감소하였으며 기관의 대표 운전 조건들 상 최소 10% 이상의 열효율이 개선됐다. 하지만 D-EGR은 연소실 하나를 수소 발생 및 배기가스 재순환에 전용하는 만큼 연소실간 편차가 비교적 크고 기관의 동력 성능이 낮은 단점이 있다.

개질 수소 첨가 고효율 가솔린 내연기관
최근 자동차 동력기관의 다양화 바람 속에 내연기관은 구시대의 유물, 공해의 주범으로 치부되고 있다. 하지만 이와중에도 내연기관은 끊임없는 연구 개발로 일신하고 있다. 그 중 가솔린 내연기관의 열효율을 높여주는 개질 수소 첨가는 강화되는 배기 및 연비 규제를 만족할 수 있는 유망한 기술이다. 이러한 기술을 통해 가솔린 내연기관은 승용 차량의 동력기관으로서 향후에도 다양한 형태로 우리 곁에 함께할 것이다.​

글 / 송순호 (연세대학교)
출처 / 오토저널 2020년 3월호 (http://www.ksae.org)  
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