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유럽의 자동차기술 개발동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-12-06 06:11:48

본문

1. 디젤 기술과 하이브리드 기술의 공생

120년 전 루돌프 디젤은 디젤엔진에 대한 특허를 받았는데 지금은 이 드라이브가 자동차 세계에서 뺄 수 없는 중요한 구동장치가 되었다. 독일의 차량등록기관(BKA)에 의하면 2012년 신규 등록 차량의 48%가 디젤엔진에 의해 구동되는 것으로 나타났다. 그러나 루돌프 디젤이 특허를 받은 지 120년이 지난 오늘날 디젤엔진 기술과 디젤엔진을 이용한 구동장치의 다양성을 개발하기 위한 노력이 아직도 활발하게 이루어 지고 있다. 대체 구동장치로서의 디젤엔진이 증가하는 추세인 것이다.

글 / 강대건 (탈리스테크)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 10월호

예를 들어 프랑스 자동차 그룹 PSA의 디젤 하이브리드 시스템은 이미 도로 위를 달리고 있다. PSA의 하이브리드 드라이브는 디젤엔진과 전기모터 드라이브를 결합한 형태이다. MTZ 2012년 9월호에 발표된 기사에서 축분할시스템(Axle Split System)의 장점과 개별 시스템 구성요소 및 CO2 배출감소에 미치는 영향이 소개되었다.

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디젤 하이브리드의 발전 경향은 이미 2007 IAV 엔지니어들의 보고서에서 발표되었고 디젤엔진이 배기가스의 감소에서 상당한 잠재력을 가지고 있다는 결론에 도달하였다. 시간적으로 제한되긴 하나 배출가스 없는 운전을 구현하는 유일하고 실현가능한 기술이 하이브리드 기술이고, 디젤기술과 하이브리드기술의 조합은 특히 유럽시장에서 새로운 개발동력을 줄 수 있다고 평가한다.

Micro-, Mild- 그리고 Strong 하이브리드와 디젤엔진을 적용한 경우에 연료소비를 줄일 수 있는 포텐셜과 그와 관련된 오염물질 배출 측면에서 GM Powertrain Europe Politecnico di Torino 의 전문가들이 평가한 적이 있다. 이 목적을 위해 가벼운 승용차 응용프로그램에 대한 다양한 하이브리드 시스템과 관련하여 GM의 1.9ℓ직렬 4기통 디젤엔진을 실험적으로 조사하였다. 중요한 결과는 Micro Hybrid 즉, 스타트 스톱 시스템으로는 약 4%, Mid Hybrid, 즉, 벨트 구동 스타터-발전기로는 약 10% 그리고 Strong Hybrid, 즉, Power Split의 Full Hybrid 의 경우 약 14%의 연료절감 효과를 보여 주었다.

엔지니어들은 매우 높은 효율을 가지는 수동 변속기를 사용한 Full Hybrid의 경우에 얻어진 14%의 연료절감 효과는 매우 유망한 것으로 평가하였다. IAV의 엔지니어들은 디젤엔진을 이용한 Plug-In-Hybrid의 연료소비와 배출을 줄인다는 전제하에 실험을
하였고 MTZ 2012년 4월호에 연구 결과를 기고하였다.

저자는 기고에서 Diesel Plug In Hybrid 구동시스템을 낮은 연료 소비와 배출에 높은 잠재력을 가진 고도의 기술로 평가하였다. 폭넓은 적용을 위해서 중요한 것은 각각의 배출가스 한계치가 여러가지 운전 사이클의 시험에서 도달되는가 여부이다. E 드라이브에 비해 Diesel Plug In Hybrid는 계속해서 가격이 저렴할 것이고 동시에 성능과 주행범위에서 우수할 것이라고 예측했다.

Braunschweig 공대의 내연기관 연구소에서도 Diesel Hybrid 차량의 엔진내부의 배기가스를 줄이기 위해 다양한 전략이 개발되었다. 특히 하이브리드에 특정한 운전전략의 지속적인 개발을 통해 다이나믹한 엔진작동 중에도 디젤 하이브리드 차량의 질소산화물과 매연배출을 대폭 감소 할 수 있다. 기술자들은 매연저감을 위하여 엔진작동의 안정화 전략 뿐만 아니라 Charging 시스템의 최적화를 소개하였다.

2. 이더넷이 자동차를 정복

서로 다른 장치들이 네트워킹 되려면 이더넷이 많이 사용되고 있다. 오늘날 주로 사용되는 LIN, CAN, FlexRay, Most와 같은 버스시스템의 다양성과 대부분의 자동차 응용 프로그램은 비용, 에너지소비 그리고 중량을 증가시킨다. 따라서 복잡한 다양성을 줄이고자 시도되며 이 경우에 이더넷이 도움이 될 수 있다.

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이더넷은 1973년에 Robert Metcalfe에 의해 발명되어 올해로 창립 40년을 맞게 되었다. 표준화협회 및 전기전자 기술자 협회(IEEE)는 이 기술의 탄생을 환영하였고 또한 전기공학 및 컴퓨터 과학 분야의 엔지니어협회는 이더넷을 IEEE 802.3으로 인준하였다. 첫 번째 초안은 1983년에 발표되었고 1985년에는 이더넷표준이 이어졌다. 처음 IEEE 802.3은 LAN으로 연결된 컴퓨터, 프린터 간의 연결을 표준화 하도록 설계되었는데 목표는 중앙기관에 의존하지 않는 강력한 네트워크의 구축이었다.

개인용 컴퓨터의 급속한 네트워킹과 인터넷의 보급증가로 인하여 이더넷은 급속한 확장을 겪게 되였다. 그 이후로 이더넷기술은 네트워크의 타입에 관계없이 더욱 큰용량증가를 제공하기 위해 그리고 더 많은 장치, 사용자,메디아, 프로토콜을 서로 연결하기 위해서 계속해서 발전해 왔다.

2.1 400GB/s 속도의 이더넷 표준

IEEE 802.3 이더넷의 맥락에서 추가 개발단계는 더 빠른 속도와 이 기술의 새로운 응용프로그램과 같은 것이 될 것이다. 2013년 4월에 IEEE는 IEEE 802.3 연구그룹의 결성을 발표하였는데 이 그룹은 400GB/s의 속도의 이더넷 표준을 개발하기 위해 노력 하게 될 것이고 기하급수적으로 증가하는 네트워크의 대역폭을 효과적으로 지원하게 될 것이다.

빠르게 성장하는 IEEE 802.3의 응용분야는 에너지 효율화 분야, 이동통신용 인프라, 글로벌 확대추세에 있는 스마트 그리드 그리고 자동차에서의 네트워크이다. 이더넷의 사용은 새로운 애플리케이션의 단순화 그리고 비용의 절감을 위한 큰 잠재력을 약속한다.

2.2 네트워크된 자동차를 위한 이더넷

자동차내의 증가하는 숫자의 전자 제어기기와 차량내부와 외부세계와의 증가하는 네트워킹은 차량에서의 네트워킹기술에 대한 새로운 요구를 하기에 이르렀다. 휴대폰이나 MP3 플레이어 등 차량 탑승자의 모바일 장치는 차량의 네트워크에 액세스 할 수 있다. 반대로 예를 들어 차량의 인터넷 연결을 통해 오디오 콘텐츠가 모바일 장치로 전송될 수 있다. 이러한 경우 그리고 기타 응용프로그램들은 유연성, 실시간응답, 대역폭 그리고 통합성의 관점에서 차량 네트워크에 대한 요구를 증가시킨다.

이더넷의 사용을 통해 가능한 것으로는, End System의 수를 줄일 수 있고, 여러 가지의 분산된 기능을 적은 수의 콘트롤러에 통합할 수 있다는 것이다. 특히 TTTech의 이더넷 솔루션에 따르면 대역폭에 대한 높은 수요의 경우에는 이더넷 솔루션이 제공되는데 속도를 100Mbit/s로 설정하며 잠재적으로 더 빠른 속도를 지원할 수 있다. 자동차 산업에서는 높은 재사용 포텐셜과 함께 가능한 한 통일된 통신프로토콜을 원하므로 이더넷이 더욱 더 자동차에서 사용될 것이라고 TTTech는 전망한다. 이더넷의 경우 또한 추가의 유연성, 가격효율성 그리고 다른 버스시스템과의 매끄러운 조합이 가능하다.

2.3 가솔린엔진 : 오래된 원리, 최신 기술

심지어 자동차가 발명된지 130년이 지난 후에도, 가솔린엔진은 승용차의 지배적인 드라이브 유닛이고, 직분사와 가변 밸브타이밍과 터보차저를 이용한 소형화 덕분에 앞으로도 계속해서 그렇게 유지될 것이다. 그리고 순수전기모터 구동 차량의 시대가 오기 전에는 가솔린엔진이 하이브리드 드라이브에 대한 최상의 솔루션이다.

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구동장치를 정하는 경쟁에서 가솔린엔진은 앞으로 상당기간 동안 선두를 지킬 것인데 연소공정의 지속적인 개선 및 최적화가 가솔린엔진의 성공에 기여하였다. 특히 가솔린 직분사에 대한 선호도가 높아졌다. 그러나 1990년대 중반까지는 이 엔진기술이 그림자기술 정도로만 인식되어 특별히 우수하게 평가되지 않았다. 흡기관에 연료를 분사하는 가솔린엔진은 그 당시에 이미 성숙단계에 있었다. 엔진 개발자들이 얼마나 빨리 직분사기술을 습득하고 통달하게 되었는지 그리고 이 프로세스를 최적화 하였는지, Richard van Basshuysen이 그의 저서“직분사 가솔린 엔진”에서 자세히 설명한다.

그리고 Van Basshuysen 은 2019년까지 직분사 가솔린엔진의 장착비율이 32%에 달할 것이고 전세계에서 약 3천만대의 가솔린 직분사 차량이 도로를 달릴 것으로 예측한다. 그의 낙관적인 예측에 대한 근거로서 그는 낮은 배기가스 방출과 낮은 연료소비, 높은 출력과 낮은 제조비용 등의 균형잡힌 조합을 든다.

그러나 향후 수 년 동안 가솔린엔진은 강력한 경쟁에 직면하게 될텐데, 왜냐하면 연료소비를 줄이고 오염물질 의 배출을 줄이는 것은 향후 모바일 드라이브를 위한 왕복엔진개발의 초점이 될 것이기 때문이다. 가솔린엔진은 현재 직분사 디젤엔진과 경쟁하고 있지만, 전문가들은 가솔린엔진의 지속적인 개발과 기술적인 가능성의 적용으로 연료소비가 현재와 미래의 디젤엔진의 연료소비정도가 될 것으로 예단한다. 명제로는 Charging을 통한 직분사를 들 수 있다 .

2.4 층상화 충진(Layer Charging)과 유도분사에 의한 혼합기 형성

층상화 충진이 의미가 있는 저부하와 중간부하 및 저속 및 중속 엔진속도 범위에서는 유도분사에 의한 혼합기 형성과 연소프로세스가 특히 적합하다. 그러나 배기가스의 배출이 적으면서 동시에 출력은 증가시킬 수 있는 포텐셜을 모두 이용하기까지는 폭넓은 연구가 필요하다. 따라서 이런 형태의 분사를 위해서는 신선한 혼합기와 그 주위의 공기층 또는 배기가스층 사이의 층상화(Layering)가 층상화 방식(Layering Mode)의 운전이 바람직한 모든 경계조건 하에서 신뢰성 있게 구현되도록 하는 것이 선행되어야 한다.

“지금까지 가솔린엔진 직접분사의 연구개발은 아직도 초기 단계에 있으며 lean 동작 및 층상화를 하는 유도분사식 직분사가 전 세계적으로 이용될 수 있지 않다”고 Van Basshuysen는 설명한다.

2.5 가솔린엔진에 대한 대안

그러나 그는 가솔린엔진이 발명된 지 130년 이후에도 오랫동안 승용차의 동력원으로서 주도적인 역할을 할 것으로 믿는다. 가솔린엔진을 위한 하나의 대안으로는 디젤엔진 외에 4행정 가스엔진, 하이브리드 드라이브, 왕복기관식 수소엔진 또는 로터리식 엔진과 연료전지 드라이브 등을 들었다. 그러나 이들을 승용차용 엔진으로 사용하기에는 요구사항이 너무나 다양하고 가솔린엔진에 비하여 부분적으로 비용이 너무 높으며 또한 제시되었던 CO2 배출량은 실제 운전 조건에서 제대로 도달되지 않는다.

Van Basshuysen는 그러나 시내운행을 할 경우 하이브리드 드라이브에 기회가 있음을 인정한다. 직분사기술의 지속적인 개발을 통하여 가솔린엔진을 개선하면 시외와 고속도로 운행에서 하이브리드 드라이브를 앞서게 될 것이고 또한 가솔린엔진이 가격적으로 현저히 저렴하다.

비용이 적당하고 아직 수용 가능한 경우에 에너지효율과 배기가스를 고려하면 하이브리드 드라이브의 경우 직분사 가솔린엔진과 저전력 전기모터가 최고의 조합으로 보이며. 하이브리드 요소가 없는 내연기관에 비해 그것은 미래의 자동차 드라이브를 위한 최고의 솔루션이라고 Van Basshuysen 전한다.

3. 체인을 대체하는 타이밍 벨트

타이밍벨트를 장착한 엔진은 연료를 절약할 수 있으므로 유럽의 자동차업체들을 중심으로 캠의 제어에 체인대신 다시 타이밍벨트를 점점 더 많이 사용하고 있다. 콘티테크 파워트랜스미션 그룹의 마케팅 서비스 자동차 애프터마켓 관리자 Markus Pirsch의 설명에 의하면, 타이밍벨트는 내연기관의 연료절감과 CO2 배출관점에서 체인과 비교하여 결정적인 이점이 있다.

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엔진개발 서비스업체 FEV의 언급에 의하면 타이밍벨트 구동은 체인구동에 비해 연료소비를 절감함으로써 그에 따라 CO2 배출량을 줄이며, 콘티테크의 설명에 의하면, 예를 들어 1.6ℓ가솔린엔진에서 타이밍벨트는 1% 이상 연료소비를 줄이고 운행거리 1km당 1.5g의 CO2 발생을 줄일 수 있다. 타이밍벨트는 또한 가볍고 작동시에 훨씬 조용하며 길이가 거의 늘어나지 않는데 이 사실은, 체인의 경우 오래 사용하면 길이가 늘어나 밸브제어 타이밍이 변하고 그로 인하여 연료소비가 증가하고 출력이 감소하며 배출가스의 허용 한계치를 빠르게 초과하므로, 타이밍벨트의 큰 이점이다.

과거에는 밸브제어 시스템에 대해서 무보수성(Maintenance Free)의 요구로 인하여 체인드라이브 시스템의 우수성이 인정받았으나, 현재는 벨트 제조업체들이 가솔린과 디젤엔진의 수명이 다할 동안 유지보수가 필요 없는 제어드라이브를 보증하는데 성공했다.

유럽에서는 현재 많은 주요 자동차 제조업체들이 엔진에 타이밍벨트의 장점을 적용하고 있다. 올해의 엔진인 Ford의 EcoBoost가 타이밍벨트를 채용했으며 폭스바겐과 PSA에서도 타이밍벨트가 채택되고 있다고 Mr.Pirsch는 덧붙였다. 그러나 모든 엔진개발에서 체인 또는 타이밍벨트를 결정할 때는, 엔진/Car Package, 비용, 다른 엔진시리즈와 그리고 시장브랜드 철학과의 시너지 효과를 고려해야 한다.

4. 액티브 엔진 마운트

ZF의 액티브 엔진 마운트는 활성 멤브레인이 작동챔버의 압력을 제어 하여 저주파 진동을 최적으로 흡수한다. 드라이브 트레인에서 고무와 금속의 혼합부품은 항상 중요한 역할을 수행한다. 자동차 탑승자가 진동이나 소음으로 인한 불편함을 느끼지 않도록 엔진과 변속기 유니트를 차량에 부착하기 위한 여러 가지 장착방법이 있다. 예를 들어, 기존의 방식 또는 유압식 엔진 마운트, 액티브 엔진 마운트, 기어박스 마운트, 또는 토크서포트등이 엔진 블록과 기어박스를 차량 본체에 장착하는 방법들이다.

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이런 마운트들은 언뜻 중요하지 않아 보이지만, 그들은 차량의 쾌적성과 주행역학에 근본적인 영향을 끼치는 일련의 중요한 과제를 해결해야 한다고 부품업체 ZF는 설명한다. 즉, 특히 엔진의 공회전 중에 상쇄되지 않은 엔진의 토크가 소음의 형태로 또는 진동으로 차체에 전해지는 것을 막아 준다. 마찬가지로 빠른 엔진 회전에서 생기는 높은 주파수의 진동을 격리 시켜야 한다. 그 밖에도 마운팅은 도로에서 오는 충격으로 인하여 엔진과 변속기 유니트가 차량전체에 원치 않고 매우 불편한 상하운동을 유발시키지 않도록 억제해야 한다.

4.1 액티브 엔진 마운트

Friedrichshafen의 부품업체 ZF는 액티브형태의 기계장치 마운팅을 개발하였다. ZF의 모듈은 차량의 주행시에는 유압식 엔진마운팅으로 작용하고 공회전시에는 액티브 멤브레인을 통해서 작동실의 압력이 제어 되어 주행특성에 맞게 설계된 유압식 마운팅의 특성보다 효과적으로 낮은 주파수의 충격을 격리시킬 수 있다고 ZF의 전문가가 설명한다. 이렇게 하면 차량의 승객에게 더 큰 안락함을 제공할 수 있다.

4.2 아우디 S8의 액티브 엔진 마운트

아우디 역시 기계장치의 액티브 마운팅을 이용한다. 즉, 새로운 S8에 메카트로닉스 액티브 엔진마운팅 시스템을 적용하여 차량승객의 안락함이 감소되지 않고도 넓은 엔진회전수 범위와 부하조건에서 V8 엔진의 8실린더 중 4실린더를 동작정지 시킬 수 있게 되었다고“새로운 아우디 S8의 액티브 엔진 마운트 시스템”의 저자는 설명한다. 새로운 S8에는 소위 5점 마운팅이 적용되었는데 이것은 S모델에서 기계장치의 설치위치를 정할 뿐만 아니라 구동토크의 지지 역할을 맡는다. 거슬리는 엔진의 진동을 격리시키고 도로에서 유발되는 진동의 감쇠는 S8와 같은 차량에서 특히 중요한 요소이다.

아우디의 설계엔지니어들은 S8에 진동코일 액츄에이터를 가지는 마운팅을 적용하기로 결정하였다. 이 엔진마운팅은 지지체에서의 유압식 마운팅과 그 밑에 있는 유체챔버로 구성되어 있다. 유체가 외부의 감쇠채널을 통해 아래쪽의 벨로우즈에 의해 한정된 보정챔버로 흐를 수 있다. 상부 유체챔버는 고무 멤브레인에 의해 한정된다. 액츄에이터는 이 멤브레인에 연결되어 있고 두 철심 앵커로 둘러 싸인 영구 자석으로 구성되어 있다. 이렇게 하여 높은 크기를 가지는 자장을 마운트 내에 폐쇄할 수 있었다.
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