자동차 차세대 엔진 성능 향상 기술 TOP11

자동차의 차세대 엔진 기술은 마찰 감소, 경량화, 열 관리, 연소 개선, 에너지 다양화 등을 통해 엔진의 기본 성능을 향상해야 합니다. 이에 따른 엔진 성능 향상 기술들은 어떤 것들이 있는지 포스팅해 보도록 하겠습니다.

<목차> 1. 펌핑손실 저감 기술 2. 배기 손실 저감 기술 3. 과급 다운사이징 기술 4. 기계 마찰 손실 감소 기술 5. 공회전 정지 기술 6. 가솔린 엔진의 개선 7. 디젤 엔진의 개선 8. 열 관리 기술 9. HCCI와 PCCI 연소 기술 10. 저온 연소(LTC) 기술 11. 파워트레인의 발전

1. 펌핑 손실 저감 기술

가변 밸브 타이밍 기술의 발전은 펌핑 손실을 줄이고 연비를 개선하는 데 매우 효과적입니다. 가변 밸브 타이밍(VVT)과 가변 밸브 리프트(VVU)는 이 기술의 핵심이며, 이를 실현하는 다양한 기술이 있습니다. IN VVT(흡기 밸브 VVT 기술 적용), Dual VVT(흡배기 밸브 VVT 기술 적용), 모터 구동 VVT(MD-VVT), 그리고 모터 구동 VVTL(MD-VVTL) 기술이 있습니다. 이러한 기술을 사용하면 고출력과 저 연비를 동시에 달성할 수 있습니다.

또한, 가변 밸브 타이밍 기술의 발전은 자동차 산업에 막대한 영향을 미치고 있습니다. 이 기술은 연비 개선 뿐만 아니라 높은 출력을 달성하는 데도 이용되며, 이로 인해 자동차 제조업체들은 다양한 차량 모델에서 이 기술을 적용하고 있습니다. 또한, 이러한 기술을 적용하면 환경 친화적인 차량을 제작하는 데도 기여할 수 있습니다.

따라서, 가변 밸브 타이밍 기술의 발전은 연비 개선과 더불어 다양한 측면에서 자동차 산업에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.

2. 배기 손실 저감 기술

가솔린 엔진에 직접분사 기술을 적용하는 것 외에도, 엔진을 고압축비화하여 출력을 향상시키고 연비를 개선하면 배기손실을 줄일 수 있습니다. 이러한 기술 중에는 PFI 엔진의 압축비를 높이는 방법이나 GDI 엔진의 성능을 개선하는 방법 등이 있습니다. 그러나 GDI 엔진은 저온 시동성 불량, 대량 EGR 문제, 연소실과 포트의 퇴적물(deposit) 문제가 발생할 수 있습니다.

이러한 문제점은 포트분사 인젝터와 실린더 분사 인젝터를 동시에 장착하여 해결할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 PFI 엔진보다 더 토크와 출력을 향상할 수 있으며, 연비도 개선됩니다.

또한, 2개의 인젝터를 가지는 GDI 엔진과 실린더에 1개의 인젝터를 갖는 GDI 엔진, 그리고 PFI 엔진을 비교했을 때, 2개의 인젝터를 가지는 GDI 엔진은 출력이 7% 증가하고 토크는 7.5% 향상됩니다.

따라서, 가솔린 엔진에서 직접분사 기술을 적용하는 것 외에도, 엔진을 고압축비화하거나, 포트분사 인젝터와 실린더 분사 인젝터를 동시에 장착하는 등의 방법으로 엔진의 출력과 연비를 개선할 수 있습니다.

3. 과급 다운사이징 기술

엔진의 배기량을 줄이면 연비가 향상됩니다. 배기량을 줄이는 방법은 엔진 출력 저하는 터보차저 적용과 직접 분사 기술의 적용으로 해결할 수 있습니다. 이러한 기술들은 자동차 산업에서 지속적인 연구와 개발이 이루어져 왔습니다.

직접 분사 기술은 퇴적물과 오일 미스트에 기인하여 발생하는 노킹 문제를 해결해야 합니다. 이를 위해 최근에는 더욱 고급화된 직접 분사 기술이 개발되었습니다. 이러한 기술들은 자동차 산업에서의 경쟁력을 높이기 위해 계속해서 연구되고 있습니다.

또한, 배기량을 줄이면 저 연비 영역에서 더 자주 사용되기 때문에 연비가 개선됩니다. 이것은 환경 문제와 연비 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법 중 하나입니다. 따라서, 자동차 산업에서는 배기량을 줄이는 기술 개발에 많은 관심을 기울이고 있습니다.

4. 기계 마찰 손실 감소 기술

엔진 내에서 발생하는 마찰은 가솔린 엔진과 디젤 엔진 모두에 영향을 미칩니다. 이는 구동부품 간의 마찰로 인해 발생하는데, 여기에는 실린더와 피스톤, 밸브와 밸브 시트, 캠축과 밸브 리프터 등이 포함됩니다. 따라서 이러한 구동부품 간의 마찰이 지속되면, 엔진의 수명을 단축시키고 연비 저하의 원인이 됩니다.

하지만 이러한 문제를 예방하고 해결하기 위해 다양한 방법이 있습니다. 구동부품의 질량을 줄이거나 마찰 계수를 감소시키는 등의 방법으로 마찰을 줄이는 것이 중요합니다. 또한, 섭동부의 마찰 계수를 감소시키고, 실린더 보어의 정밀도를 개선하고, 캠축의 마찰을 감소시키며, 실린더 보어의 변형을 방지하는 등의 조치도 효과적입니다.

또한, 엔진 내부의 윤활유도 마찰을 감소시키는 데 큰 역할을 합니다. 올바른 윤활유 사용을 통해 엔진 내부의 마찰을 줄이고 엔진 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이를 통해 엔진의 수명을 연장하고, 연비를 향상하는 데 도움이 됩니다. 따라서 적절한 윤활유 교환 주기를 유지하고, 윤활유의 등급과 종류를 확인하는 것이 중요합니다.

5. 공회전 정지 기술

클러치 메달의 조작은 자동차를 운전할 때 매우 중요합니다. 이 기술은 엔진을 정지하고 시동을 거는 데 사용됩니다. 그러나, 클러치 메달은 단순히 엔진을 작동시키는 데만 사용되는 것은 아닙니다. 클러치 메달은 자동차의 안전과 경제성에도 매우 중요한 역할을 합니다.

자동차를 운전하다 보면, 공회전 시에는 클러치 메달이 단절되어 크랭크축의 링 기어가 프리하게 되어 시동이 정지됩니다. 이렇게 되면, 연비가 저하되어 자동차의 경제성이 떨어집니다. 따라서, 자동차를 운전할 때는 항상 클러치 메달의 조작을 올바르게 하여 안전하고 경제적인 운전을 할 수 있도록 해야 합니다. 또한, 클러치 메달은 자동차의 부품 중 하나이며, 정기적인 유지 보수가 필요합니다. 정기적인 유지 보수를 통해 클러치 메달을 최적의 상태로 유지하여 자동차의 수명을 연장할 수 있습니다. 따라서, 자동차를 운전할 때에는 클러치 메달의 중요성을 인식하고, 정기적인 유지 보수를 수행하여 안전하고 경제적인 운전을 할 수 있도록 해야 합니다.

6. 가솔린 엔진의 개선

가솔린 엔진의 열효율을 50%로 개선하고 CO 발생량을 95g/km 수준으로 줄이기 위해서는 다양한 기술이 필요합니다. 먼저, 각종 손실을 줄이기 위해 저마찰 기술, 공회전정지 기술, 차량주행 저항감소, 중량감소 등이 필요합니다. 이러한 기술들을 통해 엔진의 효율을 높일 수 있습니다.

또한 가변밸브 기술, 고EGR 적용, 희박 연소 실현, 앳킨슨 사이클 적용, 과급 다운사이징 기술 등을 사용하여 펌핑손실을 줄이고, CEGR 적용, 축열을 통한 냉각손실 감소, 고압축비 적용, 직접분사식 적용, 고 팽창비 적용으로 배기손실을 최소화해야 합니다.

여기에 추가로 배기가스 폐열회수, 초단열 엔진, 초저마찰 기술, 고에너지 점화기술 등을 개발하고, 초고팽창비 사이클의 가변 압축비 기술에 VVT 기술을 적용하면 열효율은 20% 이상 상승됩니다.

저부하 시에는 초고팽창비 사이클을, 고부하 시에는 오토사이클을 적용하는 엔진도 있습니다. 이를 위해 VVT에 의한 흡기밸브 닫힘을 지연시키는 등의 기술이 필요합니다. 이러한 기술은 연소실 제작이 줄어들어 압축비를 높이는 효과가 있어 효율이 개선됩니다.

따라서, 가솔린 엔진의 열효율과 CO 발생량을 개선하기 위해서는 다양한 기술들을 적용해야 합니다. 이러한 기술들을 적용하여 엔진의 효율성을 높일 수 있으며, 이는 환경보호와 연료비 절감에 큰 도움이 될 것입니다.

7. 디젤 엔진의 개선

디젤 엔진의 배기 가스를 청정화하고 고출력 및 저 연비를 실현하기 위해서는 개선 기술이 필요합니다. 구 동부품의 경량화, 디젤 엔진의 저압축비화 기술, 커먼레일의 고압화, 공회전정지 기술, 후처리장치 개발, 열관리 기술 등을 적용하여 배기가스를 낮추고 출력 성능과 연비 효율을 높여야 합니다. 이를 위해서는 연료 분사 압력, 분사량, 분사 시기를 제어하는 분사 제어 기술, EGR량을 제어하는 기술, 전자 스로틀 제어, 가변 베인 터보 제어, 공회전 제어 기술 등이 필요합니다.

디젤 분사 계인 1800bar의 커먼레일 시스템을 개선하여 연료 압력을 높이고 압축비는 현재의 17에서 15.8로 낮추고, 응답성이 높은 피에조 인젝터, 2단 터보차저를 적용하면 출력과 배기가스는 개선됩니다. 커먼레일 기술은 분무 미립화를 향상하고 고응답성, 고정밀도를 가지는 다단 분사를 적용합니다. 고압화와 다단 분사는 연비, 출력, 소음 개선에 효과가 좋습니다. 피에조 인젝터를 적용하면 연료 분무 기화가 추진되어 분무 형태가 개선되므로 배기가스가 좋아집니다.

고효율 포트 기술, 열, 가변 밸브, MPL-EGR, 저압축비화, 터보차저 효율 개선 2단 터보차저 과급, 부품 경량화 부품 저마찰 기술, 공회전정지 기술, 초단열 엔진, 초고압 분사, 폐열 회수, 조개 마찰 기술을 적용하는 디젤 엔진이 개발되고 있습니다.

후처리 장치 기술은 현재의 PM 필터와 NOx 저감 촉매를 개선하여 PM과 NOx를 동시에 제거하는 촉매를 개발해야 합니다. 현재의 PM 필터 기술로는 DPF, JM(Johnson Marthey)의 CRT PM. 엥겔하 드의 DPX™ CSF(catalyzed soot filter) 기술이 있고, NOx 저감촉매에는 NOx rap. NSR(흡장환원) SCR(선택적 환원) 기술 등이 있습니다. CSF 기술은 CeO와 P가 기본재료로 코팅되어 Ce(세움)에 의해 산화촉진과 NO, 연속산화시킵니다. CRT 기술은 산화촉매에서 나온 NONO로 산화하고 NO'를 이용하여 C를 연속 산화시킵니다. DPF 기술은 일정량의 PM을 축적한 후 연료에 첨가된 Ce으로 배기가스 온도를 낮추고 PM을 500℃까지 강제 산화시키며, NSR 기술은 NOx 저감율이 약 60% 이상이며 연비는 약 3% 감소하며, SCR 기술은 HC첨가인 경우 NOx 저감율은 약 30%이며 연비도 약 3% 감소하고, 요소수 첨가이면 NOx 저감율은 약 80% 이지만 시스템이 복잡해집니다.

8. 열 관리 기술

연소 에너지의 27%가 정미일로 전환되고, 나머지는 배기 손실 32%, 냉각 손실 27%, 펌핑 손실 1%, 기계 손실 3%로 손실됩니다. 이러한 에너지 손실은 엔진의 효율성에 대한 문제로 작용하며, 배기와 냉각 손실을 회수하는 기술 개발이 필요합니다.

배기 손실 감소 기술로는 고압 압축비 직접 분사식 엔진, 터보 차저 적용, 앳킨스 사이클 적용 등이 있습니다. 냉각실 감소 기술로는 CEGR, 터보 차저, EGR 희박 연소, 펌핑 손실 기술로는 VVTL, CEGR이 있습니다. 또한, 다운 사이징 및 EGR 희박 연소 기술을 적용하는 것도 가능합니다.

냉각 손실은 총 연소 에너지의 약 60%를 차지합니다. 따라서 냉각 손실 개선 방법으로는 연소실의 단열, 마찰 손실 저감 등이 있습니다. 또한, 냉각 손실 저감 에너지를 고팽창 사이클에 적용하여 일로 변환시키고, 실린더 내에서 발생한 열을 이용하여 활용하는 기술을 개발하고 있습니다.

배기 손실 회수 방법으로는 스털링 엔진 개발, 제백 효과에 의한 열을 전기로 변환하는 기술, 배기 열 에너지를 랭킨 사이클에 적용하는 방법 등이 있습니다. 또한, 배기 열 에너지를 동력으로 변환하는 기술은 현재는 어렵지만 배기 손실 에너지 양이 많기 때문에 앞으로 개발이 필요한 기술입니다.

9. HCCI와 PCCI 연소 기술

가솔린 직접분사식 압축착화형 엔진인 HCCI 엔진은 메르세데스-벤츠에서 디젤사이클과 오토 사이클의 합성어인 디조토 엔진(DiesOtto engine)으로도 불립니다. 가솔린 엔진은 압축착화 방식으로 점화가 어렵고, 점화 시에는 점화 플러그가 필요합니다. 그러나 이 엔진은 가솔린 엔진인 GDI 엔진을 개선하여 디젤엔진과 같이 점화 플러그 없이도 압축착화로 연소할 수 있습니다. 디젤사이클과 오토 사이클의 장점만을 취하는 일종의 하이브리드 사이클 엔진으로, 추운 날 시동을 걸기가 어려운 종류의 디젤엔진과 비슷하게 가솔린 연료를 압축착화로 점화합니다. 가솔린 연료의 열량은 경유보다 낮고, 착화온도도 높아서 기술 개발에는 시간이 걸리고 있습니다.

디젤엔진은 실린더 내에서 연료가 직접 분사되기 때문에 분사된 연료 주위에는 공간적으로 불균일한 공연비 분포가 발생하여 농후 영역에서는 PM이 생성되고, 이론 공연비 영역에서는 NOx가 발생하는 것이 문제점입니다. 즉, 디젤엔진의 혼합기는 가솔린 엔진과 같은 균일한 혼합기가 형성되지 못하여 국부적으로 농후한 혼합기가 생성되어 PM과 NOx가 발생합니다. PCCI 연소는 이러한 불균일 혼합을 균일 희박 예혼합기가 형성되도록 하여 압축착화시켜 NOx와 PM의 발생을 억제합니다. 이를 위해서는 다음과 같은 방법이 있습니다.

• 흡기관 분사식(혼합연료 공급식)을 이용한 예혼합 압축 착화 연소
• 혼합연료를 이용한 예혼합 압축 착화 연소
• 직접 분사식을 이용한 예혼합기 압축 착화 연소

10. 저온 연소(LTC) 기술

자동차 엔진의 핵심 기술인 연료 분사 파라미터에 의해 지배되는 실린더 내 공기 온도와 압력을 제어합니다. 고압 터보 차저 적용, 배기 가스 재순환, 직접 분사식 엔진, 엔진 설계 변경과 같은 기술은 배기가스 오염물질의 배출을 제어할 수 있습니다.

LTC (Low Temperature Combustion) 연소는 4행정 엔진과 같은 기본 원리를 가지며 SI와 CI 엔진의 기본 요소를 사용합니다. LTC 연소는 흡입 행정 동안 균일한 공기와 연료 혼합물이 흡입되고 흡기 밸브가 닫힌 후, 피스톤은 실린더 내 온도와 압력을 증가시킵니다. 피스톤이 상사점에 접근하면 정화조 건이 되도록 합니다. 흡기를 예열하여 혼합기 온도를 상승시키고, 압축 공기를 실린더로 넣거나, 고온의 배기가스를 사용하는 EGR을 적용하여 균일 예혼합기의 연소 화학반응을 가속시킵니다. 연소 시작(SoC, start of combustion)은 압축비, 흡입 공기 온도와 압력이 영향을 미치고 압축 행정 말기에 자동 점화 온도에 도달하면 연소가 시작됩니다. 연소는 급속하게 산화되어 발생하고, 화학 에너지는 순간적으로 방출됩니다. 실린더 전체의 여러 위치에서 동시에 발생하며 이 위치를 핫 스폿(spot)이라고 합니다. 이러한 빠른 열 방출은 종래의 연소와 비교하여 매우 짧은 시간에 온도와 압력이 상승하여 가스의 팽창은 토크를 발생시키며, 다시 피스톤이 상사점까지 상승한 후 사이클은 완료됩니다. LTC 연소는 다음의 특징을 갖습니다.

• EGR을 사용하여 연소를 제어하고 고도로 희석된 연료와 공기의 혼합물을 연소합니다.
• 압축 행정의 말기에서 연료와 공기 혼합물의 온도는 자기착화 온도에 도달하고 동시에 정화됩니다.
• 연소의 균형을 유지하기 위해 열 방출율 (HRR Heat Release Rate)을 정확하게 제어합니다.

따라서, LTC 연소는 다양한 이점을 제공합니다. 먼저, 대기질을 개선하여 환경 보호에 기여합니다. 또한, LTC 연소는 엔진 효율을 높이는데 효과적입니다. 이는 더 나은 연비를 제공하며, 연료 비용을 절감할 수 있는 이점이 있습니다.

또한, LTC 연소는 온실 가스 감소와 에너지 절약에도 기여할 수 있습니다. 이는 지구 온난화와 같은 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다.

더불어, 엄격한 배출 규제와 1차 에너지 자원의 부족을 해결하는 데도 도움이 됩니다. 가솔린과 디젤 연료에 적용 가능하며, 대체 연료도 사용할 수 있는 새로운 연소 방식입니다. 이는 친환경 연소 개념을 가진 고효율 엔진입니다. 이러한 장점들을 고려하면, LTC 연소는 현재 및 미래의 다양한 산업 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.

11. 파워트레인의 발전

앞으로 자동차 파워트레인은 각 나라의 에너지 정책에 따라 개발될 것이며, 다양한 에너지를 사용하여 파워트레인도 다양화될 것입니다. 예를 들어, 태양열, 풍력, 수력 등의 재생에너지를 사용하는 파워트레인이나 수소 연료전지를 이용한 전기 자동차 등이 개발될 가능성이 있습니다. 이러한 다양한 선택지로 인해, 파워트레인 기술 발전에 대한 연구와 개발이 계속 이루어질 것입니다.

내연기관의 효율은 50%에 도달할 것이라는 전망이 있습니다. 이를 위해, 연료의 고도화와 엔진 내부의 재료 및 기술적인 개선 등이 필요합니다. 또한, 2020년에는 자동차 판매 수가 1억 대를 넘을 것으로 예상됩니다. 이 중 자동차를 소비할 신흥국이 60% 이상을 차지할 것이므로, 신 홍국의 에너지 정책에 따라 내연기관이 개발될 것입니다. 이들 중 가솔린, 경유, 바이오 연료, CNG 등이 유력하며, 가솔린과 디젤엔진은 에너지 손실을 줄이는 측면에서 개선의 여지가 있지만, 앞으로도 중요한 역할을 할 것입니다.

차세대 전기자동차는 지구온난화의 대책으로, 고기능 경량화와 저가격 정책이 필요합니다. 따라서 전기 에너지의 이용 확대가 예상되며, 인프라를 포함하여 PHEV 모터, 배터리 등의 고성능화와 경량 소형화 기술이 필요합니다. 이러한 기술적인 발전과 함께, 전기 자동차 충전 인프라의 확대가 필요합니다. 이를 위해서는 국가 차원에서 전기 자동차 충전소를 건설하고, 민간 자동차 충전소의 설치를 적극적으로 지원하는 등의 노력이 필요할 것입니다.

지구의 에너지 수급에 맞는 최적의 파워트레인을 조기에 발견하고 기술을 개발하는 것이 가장 중요합니다. 이를 위해서는 국가 차원에서 파워트레인 기술 개발을 적극적으로 지원하고, 기업 차원에서도 연구와 개발을 지속적으로 이루어져야 합니다. 또한, 국제적인 협력과 지식 공유가 필요합니다. 이를 통해, 글로벌 파워트레인 기술 생태계를 구축하고, 지속적인 발전을 이루어내는 것이 중요합니다.

 

[표] 자동차 종류와 차세대 자동차 

종류	주요 자동차
전기자동차	근거리 통근차, 소형 택배자동차, 오토바이
가솔린자동차, 디젤자동차, 하이브리드자동차, FFV, CNG 자동차	승용차
FCEN, 디젤자동차	버스, 대형트럭, 대형 SUV