내연기관 엔진 극한의 고효율로 CO2 배출, 전기차에 필적 이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑬
내연기관 엔진 극한의 고효율로 CO2 배출, 전기차에 필적 이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑬
  • 이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장
  • 승인 2018.05.28 10:45
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▲ 이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈 : 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장]전기자동차가 급부상하고 일부 국가에서는 내연기관자동차의 퇴출까지 공표하고 있는 가운데 내연기관자동차의 효율을 극한의 수준까지 끌어 올리기 위해 몰두하는 회사가 있다.

일본 완성차 제작 업체인 마쓰다 자동차(Mazda Motor Corporation)의 얘기이다.

타 자동차 제작사가 차세대 자동차의 개발에 본격적으로 눈을 돌리기 시작하던 2000년대 중반에 마쓰다 자동차는 세계 최고 수준의 고효율 저공해 내연기관을 개발하는데 회사의 모든 역량을 집중했다.

완성차 업체 중에서는 소규모인 마쓰다는 경쟁 기업들과 같은 분야에서 기술 개발과 연구를 해서는 살아남을 수 없다는 판단을 내린다. 그 결과 마쓰다 경영진은 연구진이 제안한 고압축비 컨셉에 승부를 걸기로 배수진을 친 것이다.

지금까지 없던 새로운 엔진을 개발하기 위해 내연기관의 A부터 Z까지의 모든 것을 검토하고 엔진 열효율 향상을 위해 기초 이론부터 상세히 재점검하는 등 수많은 연구를 통해 가장 이상적인 최고의 엔진을 구현하는데 회사의 모든 연구진이 매진했다.

이와 같은 연구를 통해 개발된 기술이 SKY ACTIVE(스카이 액티브)이다.

그 결과 1세대인 가솔린 엔진 SKY ACTIVE-G와 디젤 엔진 SKY ACTIVE-D는 각각 2011년과 2012년에 양산차에 탑재됐고 오는 2019년에는 이보다 개선된 SKY ACTIV-X를 양산할 계획이다. 이후에는 3세대 SKY ACTIVE-3 엔진을 양산할 것이라고 발표하고 있다.

SKY ACTIVE-G와 SKY ACTIVE-D는 발표 당시, 자동차제작사와 많은 엔진 전문가들로부터 주목을 받았다.

세계 유수의 내연 기관 연구자들이 그동안 수많은 연구를 진행해 왔지만 실제 엔진 레벨의 다양한 운전 조건에서는 실현하기 어렵다고 여겨왔던 여러 기술을 실제로 구현하고 상용화했기 때문이었다.

이들 G와 D 엔진은 기존 엔진과는 원천적으로 다른 점이 많다.

대표적인 것이 현재의 가솔린엔진은 압축비가 10, 디젤엔진은 압축비가 18정도인데 반해 이들 엔진은 놀랍게도 압축비가 모두 동일한 14라는 점이다.

가솔린엔진은 압축비를 높이고 디젤엔진은 오히려 낮추는 역 발상으로 효율을 크게 개선한 것이다.

이밖에도 연소 개선, 배기 개선, 각종 손실 저감 등 여러 기술을 적용해 기존의 가솔린과 디젤 엔진 대비 연료 소비를 각각 15%와 20% 개선했고 토크 등 그 밖의 성능도 향상시켰다. 또한, SKY ACTIVE-D 디젤엔진은 연소 개선에 의해 질소산화물 저감 촉매를 사용하지 않고도 유럽의 유로 -6(Euro 6) 기준을 통과했다.

2019년에 양산할 SKY ACTIVE-X 엔진은 현재의 가솔린엔진과는 전혀 다른 스파크 점화제어 압축착화 직접분사 가솔린엔진이다.

‘SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition)’이라고 불리는 이 기술은 점화플러그로 공기연료 혼합기를 착화시킨다는 점에서는 가솔린엔진과 같지만 화염 전파에 의해 연소가 완료되는 방식이 아니다.

스파크 점화 연소에서 얻어진 고온 고압으로 실린더 내의 혼합기를 디젤엔진과 같이 압축착화시키는 방식을 채택한 것이다.

압축 착화시키는 첫 단추만 스파크점화로 얻는 것이다.

◇ 내연기관 재발명에 가까운 기술 개발

이같은 방식으로 가솔린엔진임에도 압축비를 16으로 더 높였고 현재의 이론 공연비 가솔린엔진보다 공기량이 2배나 많은 희박연소를 실현하고 있다. 즉, SKY ACTIVE-G에 비해 압축비를 더 높이고 공기량을 2배로 늘려 연비를 개선하고 있다.

SKYACTIVE-X는 아주 어려운 기술로서 압축착화를 폭넓은 운전영역(회전수나 출력)에서 실현하기 위해서 실린더 내의 온도, 압력, 유동이나 혼합기의 농도 분포 등 모든 것을 최적화 제어하지 않으면 안 된다.

이 엔진은 가솔린을 연료로 사용하면서 엔진 효율은 SKY ACTIVE-D 디젤엔진과 비슷한 수준을 나타내면서 SKY ACTIVE-G 보다 효율이 최대 30%까지 개선된 것으로 알려져 있다.

마쓰다자동차는 가솔린과 디젤 엔진의 각각의 장점을 크로스 오버시켰다는 의미에서 ‘SKY ACTIVE―X’라고 명명했다고 전해진다.

이러한 연비 향상은 실로 획기적인 것으로 내연기관의 재발명에 가까운 쾌거라고도 극찬을 받고 있다.

2020년대 중반쯤에나 양산될 것으로 예상되는 3세대의 스카이 액티브 가솔린엔진(SKY ACTIVE-3)은 엔진의 열효율을 56%까지 끌어 올려 이산화탄소 배출량이 전기자동차에 필적하는 고효율 엔진이 될 것으로 공표하고 있다.

현재의 가솔린엔진이 35% 정도의 열효율에 그치고 있다는 점을 감안하면 이는 도전에 가까운 엄청난 효율 개선이다.

경쟁 기업이자 대기업인 토요타자동차 조차 SKY ACTIVE 기술을 공유하기 위해 지난 2015년에 마쓰다와 업무 제휴를 확대했을 정도로 이 회사의 고효율 내연기관 기술력은 놀라운 수준이다.

내연기관 자동차는 엔진 효율과 환경 성능을 높이는 기술 개발을 멈추지 않으면서 모터 기반의 전기차와의 친환경 경쟁을 이어 나가고 있다.


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