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2013년 일본 엔진기술 동향보고 : 대체연료엔진

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-12-19 00:57:24

본문

1. 도입
세계적으로 CO2 배출량 저감을 위한 대책으로서 기존엔진의 고도연소제어를 통한 연비개선에 더불어, 청정대체연료의 엔진 도입이 적극 검토되고 있다. 현재 도입이 검토되고 있는 대표적인 청정대체연료로서, 기존 연료대비 상대적으로 CO2 배출량이 적은 천연가스, 액화석유가스(LPG), 수소 등의 가스연료 및 DME, GTL 등의 합성연료, CO2 순환사이클을 고려한 에탄올, 바이오디젤 등의 바이오연료를 들 수 있다.

글 / 문석수 (일본산업기술종합연구소)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 11월호

본 고에서는 대체연료에 관련한 최근 일본의 엔진보급현황 및 학술연구동향에 대하여 소개하고자 한다.

2. 가스연료

2.1 천연가스

현재 일본의 천연가스차량 보급대수는 2012년 3월 기준 총 42,590대이며, 이 중 트럭이 43.9%, 경자동차가22.4%, 소형밴이 12.9%를 차지하고 있다(그림 1). 해마다 보급대수가 꾸준히 증가하고 있기는 하나 그 증가폭이 대략 1천대에서 2천대 사이에 머물러 있다.

또한 천연가스 충전소의 수는 최근 들어 오히려 감소하는 경향도 나타나고 있다. 이는 쉘가스(Shale Gas)혁명 및 비재래형천연가스의 등장, 기존 연료대비 낮은 CO2 배출량으로 인해 천연가스차량이 증가하고 있는 세계적인 추세에 아직까지는 적극적으로 편승하지 않고 있는 것을 의미한다.

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지금까지 일본의 자동차메이커는 국내용 천연가스 트럭의 제조 및 판매를 시행하지 않고 있다. 하지만 최근 엔진개조사업자인 HKS가 Isuzu의 대형트럭 GIGA의 천연가스자동차에의 개조를 진행하고 있는 등 천연가스 차량 증가의 움직임이 나타나고 있다.

최근 북미에서는 압축천연가스(CNG)에 비해 에너지밀도가 3배 정도 높은 액화천연가스(LNG)에 대한 관심도가 높아지고 있다. 캐나다의 Westport는 동일 노즐에서 디젤과 천연가스를 직접/고압분사하여 디젤/천연가스이원연료(Dual-fuel)엔진의 최적연소구현을 목표로 하는 HPDI시스템을 개발하여 시판 중에 있다. 이 시스템은 현재 Cummins 엔진에 적용되고 있으며, Volvo는 2014년 이 시스템을 탑재한 13ℓLNG트럭을 시장에 투입할 것으로 알려져 있다. 이러한 북미의 추세와는 달리, 일본은 아직 CNG만을 차량에 이용하고 있다.

지금까지의 내용을 통해 일본 내의 천연가스 차량기술개발 및 보급이 아직까지는 활발하게 전개되고 있지 않는 것을 알 수 있다. 하지만 해외시장을 겨냥한 자동차메이커 및 부품회사의 기술개발은 지속적으로 이루어지고 있으며, 매장량이나 가격측면에서 천연가스에 대한 관심이 높아지고 있는 추세를 고려할 때 향후 고효율 천연가스 차량의 국내도입이 본격 추진될 것이라고 기대되고 있다.

일본에서 천연가스엔진에 대한 학술연구는 지속적으로 이루어져 왔으며, 최근에도 다수의 논문이 발표되고 있다. 와세다 대학은 2012년 자동차기술회 추계대회에서 과급/다운사이징 스파크점화 천연가스엔진의 운전특성을 수치계산을 통해 해석한 결과를 발표했으며, 결과를 통해 점화진각에 의한 연비개선 가능성에 대해서 논의했다. 교토대학과 오사카가스는 2012년 자동차기술회논문집에서 디젤/천연가스 이원연료엔진에 있어서의 디젤분사량, 분사시기, 분할분사 등의 분사조건 및 연소실 형상이 연소특성에 미치는 영향에 대한 연구결과를 발표했다. 이바라키 대학과 산업기술종합연구소는 2012년 기계학회 연차대회에서 디젤/천연가스 이원연료엔진의 상세연소반응에 대한 수치해석 결과를 발표하고, 저부하 희박영역에서의 연소효율 저하 및 다량의 미연배출물 생성 메커니즘, 그리고 이의 대책에 대해 논의했다. 또한 2013년의 기계학회 연차대회에서는 기존 포트분사 방식 CNG엔진에 직접분사 방식을 도입함으로써, 상대적으로 효율이 낮고 연소가 불안정한 저부하 영역에서 열효율및 연소불안정성을 향상시킨 연구결과를 발표했다.

2.2 액화석유가스(LPG)

LPG의 시장규모가 가장 크고 LPG 관련 엔진기술이 가장 발달되어 있는 나라는 한국이며, 일본의 시장규모는 세계 6위이다. 현재 일본 내에 보급되어 있는 LPG차량은 대략 24만 대이며 1990년 경의 30만 대를 정점으로 하여 점차 감소하고 있는 추세이다. 일본 LPG 자동차의 약 80%가 택시이며 이는 가솔린의 60%에 해당하는 LPG의 저렴한 가격에 기인한다. 현재 일본에는 약 1,900개의 LPG 충전소가 운영되고 있다.

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(그림 2)에 일본의 자동차용 LPG 판매량의 추이를 나타내고 있다. 2000년 이후 LPG의 판매량은 점차 감소하고 있으며 최근 들어서 그 감소폭이 증가하고 있는데, 이는 LPG 가격이 최근 상승하고 있는 것에 기인한다.

2012년 5월, 일본 최대의 LPG차량 생산업체인 Toyota가 2017년부터 LPG택시의 생산을 중단하고 이를 가솔린 하이브리드 차량으로 대체하겠다고 발표해, 그렇지 않아도 판매량이 감소하고 있는 LPG업계는 크게 동요하고 있다. Toyota가 이러한 결정을 한 배경에는 최근 일본의 가솔린 차량기술 및 연비성능이 대폭 향상되는 반면, LPG는 오히려 가격이 상승함으로써 LPG의 장점이 점차 약화되고 있는 것이 주요인으로 알려져 있다.

또한 Toyota가 중장기적으로 추진하는 파워트레인 및 플랫폼의 공통화전략이 그 배경에 깔려 있다고 알려져 있다. 최근 일본 국내 학회에서 발표되는 LPG 관련 연구결과는 거의 전무한 상황이며, 이는 일본 국내의 LPG 엔진에 대한 관심도가 현재 매우 낮은 상태임을 시사한다.

2.3 수소

수소는 저탄소사회 구현을 위한 청정연료로서 오래 전부터 주목 받아 왔지만, 수소 공급원 및 생산비용문제, 수소스테이션의 안전성 문제 등으로 인해 본격도입이 어려운 상황이었다. 최근 봄과 가을의 잉여전력을 이용하여 물을 전기분해해서 수소를 생산하고, 이를 촉매반응을 통해 액체연료에 흡착시켜 보관 및 운송하는, 이른 바 수소캐리어(Hydrogen Carrier)에 대한 연구가 일본 내에서 주목받고 있다. 수소캐리어를 통해 수소의 저장성 및 안전성을 높이고, 이를 내연기관, 연료전지 등에 활용하여 CO2 배출량을 줄이는 동시에 필요할 때는 발전기용연료로 이용함으로써 국내 전력의 수급균형을 맞추는 것을 목표로 하고 있다.

일본에서 수소엔진에 관한 연구는 오랜 역사를 가지고 있으며, 최근에도 다수의 연구결과가 발표되고 있다. 세계최초로 양산모델 RX-8에 수소로터리엔진을 적용해오던 Mazda는 2012년 SAE에 발표한 논문에서 수소로터리엔진의 연소실 내 유동을 강화하고 점화위치를 최적화하여, 연소기간을 단축하고 배기손실을 줄임으로써 열효율을 개선시킨 연구결과를 발표했다. 2012년 6월 Mazda는 로터리엔진의 생산을 잠정적으로 중단한다고 발표했으나, 수소로터리엔진 등 차세대 로터리엔진에 대한 연구는 지속한다고 밝혔다.

도쿄도시대학은 2012년 SAE에 발표한 논문에서 연료분사 중에 점화를 하는 신연소방식을 제안하고, 이를 통해 공기가 연소장에 유입되는 것을 억제하여 NOx가 저감되는 연구결과를 발표했다.

킨키대학은 2012년 내연기관 심포지엄에 발표한 논문에서, 수소분사압 및 분사시기가 수소엔진의 분류특성 및 공기과잉률, 화염거동에 미치는 영향을 해석하고, 연료분사 중에 점화를 함으로써 분류에 의해 유도되는 난류에 의해 연소속도가 증가하는 것을 밝혔다.

3. 바이오연료

3.1 에탄올


현재 세계에서 에탄올의 수요 및 공급이 가장 많은 지역은 북미 및 남미 지역이며, 아시아 및 유럽에서도 에탄올의 도입이 증가하고 있는 추세이다. 아시아에서는 인도네시아와 필리핀이 각각 E3와 E10을 법규제에 의해 전국적으로 도입하고 있으며, 중국과 인도는 일부 지역에서 E10 및 E5를 도입하고 있다(그림 3).

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일본에서도 2000년대 후반부터 에탄올의 도입이 검토되어 왔다. 현재까지는 가솔린에 직접 에탄올을 혼합하는 방식 대신, 에탄올에 이소부탄을 혼합한 바이오 ETBE를 가솔린에 혼합하는 방식이 이용되어 왔다. 일본에서는 가솔린에 바이오 ETBE를 1% 이상 혼합한 연료를 바이오가솔린이라 칭하고 있으며, 바이오가솔린이 주유 가능한 주유소는 2013년 9월 현재 3,410개소에 이르고 있다. 일본석유업계는 2007년부터 바이오가솔린의 시험 판매를 시작하였으며, 2010년도에는 정부에서 요청한 원유환산 21만kL의 바이오가솔린 도입목표를 달성하였다. 현재는 2017년도 바이오가솔린 도입목표인 원유환산 50만kL를 달성하기 위한 노력이 진행 중이다.

최근에는 에탄올을 가솔린엔진에 직접 도입하기 위한 움직임도 시작되고 있다. 전국적인 도입은 아직 가시화되고 있지 않으나, 에탄올 연료의 생산이 가능한 지역을 중심으로 에탄올혼합 가솔린연료의 도입이 진행 중에 있다. 일례로 일본환경성은 오키나와 현에‘바이오연료본격보급사업’을 진행 중이며, 오키나와의 사탕수수로부터 생산된 에탄올을 가솔린에 혼합한 E3연료를 공급 중에 있다.

현재 오키나와현 내의 40개의 주유소에 연 4만kL의 E3연료를 공급 중이다. 또한 아직 1개소에 불과하기는 하나 E10이 주유 가능한 주유소도 현재 운영 중에 있다. E3의 경우에는 기존차량에 그대로 이용될 수 있으나,E10의 경우에는 E10대응 특별차량에만 이용될 수 있다. 일본에서 에탄올의 엔진도입에 관한 학술연구는 최근에도 활발하게 진행 중이다. 2012년 내연기관 심포지엄및 2013년 자동차기술회 춘계대회에서 혼다기술연구소는 에탄올 혼합연료를 효율적으로 이용하는 고압축비 엔진시스템에 관한 연구결과를 발표했다.

2013년 자동차기술회 춘계대회에서 아키타산업기술센터, 도요타기술연구소, 다이하츠공업은 함수에탄올 및 가솔린을 이용한 2원료자동차(DFV)의 개발에 관한 연구결과를 발표했다. 2012년 내연기관 심포지엄에서 히로시마 대학은 에탄올혼합 가솔린이 직분가솔린엔진용 멀티홀(Multi-hole)노즐의 분무 및 연소특성에 미치는 영향에 대해서 발표하였다.

3.2 바이오디젤

현재 바이오디젤의 수요 및 공급량은 세계적으로 증가하고 있는 추세이다. 아시아에서는 한국, 대만, 필리핀이 B2를, 인도네시아가 B2.5를, 태국이 B5를 법규제를 통해 도입 중이다<그림 3>. 일본에서는 아직 바이오디젤의 본격도입이 가시화되고 있지는 않으나, 향후 도입을 위한 준비작업은 진행 중에 있다. 바이오디젤의 연료규격품질에 대해‘경유품질확보 등에 관한 법률’이 2012년개정되었으며, 바이오디젤의 본격도입에 대비한 품질규격 표준화 및 이를 위한 계측평가기술의 정비에 나서고 있다.

또한 바이오디젤의 엔진도입에 관한 학술연구도 최근 일본 내의 여러 학회에서 다수 발표되고 있다. 2012년 일본자동차기술회 춘/추계대회에서는 FAME(Fatty Acid Methyl Ester)의 디젤연소에 관한 발표가 2건, FAME의 산화방지제 및 저온유동성향상제의 첨가가 디젤연소 및 배기특성에 미치는 영향에 관한 논문이 5건 발표되었다.

또한 2012년의 내연기관 심포지엄에서는 바이오디젤의 분무 및 연소특성에 관한 논문이 4건 발표되었다. 2013년 자동차기술회 춘계대회에서는 차세대 바이오디젤연료가 엔진성능에 미치는 영향을 검토한 Toyota의 논문발표가 있었다.

4. DME (Dimethyl-ether)

일본에서 DME의 엔진적용에 가장 적극적인 자동차메이커는 Isuzu이다. Isuzu는 Isuzu 중앙연구소 제작 3.5t DME트럭 2대를 이용하여, 니가타 및 관동지역에서 운송회사의 영업주행의 형태로 실증시험을 수행해 왔다.

(그림 4)는 실증시험에 이용된 DME 트럭, DME 제조플랜트, DME 충전소를 나타내고 있다. 관동지역에서의 실증시험은 2011년 7월말에 총주행거리 10만km를 달성하고 종료했으며, 니가타 지역에서는 2012년 2월까지 9.5만km의 실증시험을 수행했다.

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최근 일본에서는 DME 연료의 표준화 작업도 한창 진행 중에 있다. 2012년 DME의 JIS규격이 작성되었으며, 현재 산업기술종합연구소를 중심으로 이의 국제규격화에도 힘 쏟고 있다. 최근 일본 국내학회에서 발표되고 있는 DME 관련 논문은 그리 많지 않다. Isuzu는 2012년 자동차기술회 춘계대회에서 DME 트럭의 실증시험결과를 상세를 발표하고, 이의 실용성향상 및 기술표준화를 위한 대책을 소개했다. 2012년 내연기관 심포지엄에서 군마대학은 2행정기관의 압축비가 DME HCCI연소에 미치는 영향에 대한 연구결과를 발표했다. 2013년 자동차기술회춘계대회에서는 DME 관련 연구논문이 3건 발표되었으나, 이는 모두 한국으로부터의 발표였다.

5. 맺음말

본 고에서는 최근 일본의 대체연료엔진 보급현황 및 이의 연구동향에 대해서 살펴보았다. 국제에너지 정세의 변화에 민감하게 반응할 것이라 예상되나, 최근 일본에서 주목 받고 있으며 향후 이용이 확대될 가능성이 있는 대체연료로서 천연가스, 에탄올, 바이오디젤을 들 수 있다고 판단된다. DME의 경우 디젤승용차가 거의 없는 일본에서는 대형트럭의 대체연료로서 그 유용성을 어필해야 할 것이나, 최근 북미를 중심으로 천연가스를 이용한 고효율 트럭엔진기술이 개발되고 있는 시점에서 천연가스에 대응할 수 있는 가격경쟁력을 확보할 수 있는가가 최대의 과제라 할 수 있다. 최근 청정연소 및 연료전지보급을 위한 수소 및 수소캐리어에 대한 관심도가 높아지고 있고 이는 중장기적으로는 중요성이 높은 연구라 생각되나, 이에 대한 기술개발 및 실증, 그리고 보급추진을 위한 인프라 구축에는 상당히 시간이 필요할 것으로 보인다.

한편, 현재 대체연료의 도입에 관한 다각적인 고려가 이루어지고 있기는 하나, 대체연료 관련 에너지 자원이 거의 없는 일본으로서는, 대체연료를 도입하는 복잡한 중간과정 없이 기존엔진의 효율을 극대화 시키는데 주력하면서 전기자동차, 연료전지자동차 등 미래형자동차에 의 조기전환에 주력할 가능성도 배제할 수 없다고 보여진다.
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