[지앤이타임즈 : 환경부 이영재 친환경자동차기술개발사업단장]수년 전부터 유럽에서 수소엔진에 대한 연구가 다시 부활하고 있다.

전통적으로 내연기관 강국인 유럽은 디젤엔진을 대체하는 수소엔진에 기대하고 있고 특히 대형 상용차 제작사에서 주목하고 있다.

최근에 전기자동차 보급이 유럽에서 확대되고 있지만 배터리 기술을 확보하지 못해 우리나라를 비롯해 일본, 중국 배터리에 크게 의존하고 있기 때문에 역내 자동차산업이나 고용 측면에 마이너스라는 점도 작용하고 있는 것으로 보인다.

독일의 글로벌 부품회사인 보쉬(Bosch)에서는 2020년 4월에 개최된 Vienna Motor Symposium에서 예혼합 과급 희박연소 수소엔진과 관련된 기술개발 논문을 Graz 기술대학과 공동으로 발표했다.

이 엔진은 공기 과잉율 1.8∼3.5의 희박혼합기로 연소되며, 희박연소에 의해 연소온도를 떨어뜨려 수소엔진의 단점인 질소산화물과 냉각손실을 낮추고 있다.

수소 분사압력은 9∼12기압으로 200기압 정도의 고압수소 직접분사도 검토했지만 저장탱크 내의 수소를 가능한 많이 활용하기 위해서 압력을 낮춘 것으로 보인다.

BMW에서 2015년에 스핀 아웃한 독일의 스타트업 KEYOU에서도 수소엔진을 개발하고 있다.

이 회사에서는 배기량 7.8리터의 대형 상용차용 수소엔진 시작품을 위에서 언급한 심포지움이나 자동차기술지 MTZ 등에 발표하고 있다.

이 엔진은 수소 직접분사와 과급, 희박연소, EGR 등의 기술을 적용해 모든 영역에서 공기과잉율 2.0 이상으로 운전하는데 Euro 6의 NOx 규제를 만족하고 정미 열효율 44.5%를 달성하고 있다.

대형 상용차는 엔진 기통이 크기 때문에 수소 엔진의 냉각손실 저감에 유리하고, 고압수소 탑재 공간도 확보하기 쉽다는 점에 주목하고 있다.

EIC(European Innovation Council)에서는 이 회사의 수소엔진 개발 프로젝트에 700만 유로를 펀딩해 직접 참여하고 있으며 수소엔진으로 구동되는 제로 에미션(Zero Emission) 트럭 상용화를 목표로 하고 있어 유럽연합의 수소엔진에 대한 관심을 확인할 수 있다.

그 외에도 자동차 엔지니어링 회사로 유명한 독일의 FEV나 스웨덴의 상용차 제작사인 SCANIA 등에서도 수소엔진 자동차의 기술개발을 추진하고 있다.

수소엔진의 가장 큰 단점은 역화(Back fire)가 발생하기 쉽고, 냉각손실이 크다는 점이다. 수소는 가연범위가 넓어서 수소공기혼합기가 흡배기밸브 등 고온부품에 접하면 자발착화 즉 역화하기가 쉬우며 수소 연소속도는 가솔린에 비해 아주 빠르기 때문에 고온의 수소화염이 연소실 벽면에 충돌해 냉각손실이 커지기 때문이다.

그러나 수소를 공기와 예혼합하지 않고 고압 고온의 실린더 내에 직접 분사해 자발 착화시키거나 또는 수소를 직접 분사하면서 점화플러그로 착화시키면 역화 없이 수소화염의 제어가 가능해 연소실 벽면에 가능한 충돌하지 않도록 할 수 있어서 냉각손실의 저감을 꾀할 수 있다.

일본의 산업기술총합연구소와 카와사키중공업 등이 개발한 대형 상용차용 수소엔진에서는 새로운 연소방식인 PCC (Plume Ignition and Combustion Comcept) 연소를 개발했다.

내각부의 전략적 이노베이션 창조프로그램(SIP)의 일환으로 추진되었으며 연소실 내에 분사된 수소가스가 확산하기 전에 점화플러그에 의해 점화, 연소시켜 냉각 손실을 줄이고 NOx는 분사와 점화시기를 최적제어하고 EGR을 사용해 저감하고 있다.

아직 연구단계 이기는 하지만 이 엔진은 열효율 54%, NOx 20ppm 이하를 달성하고 있다.

내연기관자동차, 전기자동차, 수소자동차 등 다양한 자동차기술과 화석연료, 바이오연료, 전기, 수소, e-fuel 등 다양한 연료기술이 현존하는 상황에서 미래자동차 사회를 어느 기술이 주도할 지는 아직 확실하지 않으며 이러한 측면에서 국내 기술개발의 다양성이 요구되는 시점이라고 생각된다.