특집자동차와물리학 차세대저공해자동차의개발동향 이성욱 머리말자동차로인한배출가스는대기오염과지구온난화, 석유의대량소비등환경, 에너지문제를일으켜심각한사회문제로부각되면서이에따른자동차의배출정화와함께연비개선이요구되고있다. 이러한상황에미국, 유럽, 일본을비롯해전세계적으로자동차배출가스와연비의규제가점차강화되고있으며자동차제작사에서는배기정화와함께연비저감이라는난제를기술경쟁속에서해결해나가야할입장에있다. 비교적배출가스가적은가솔린자동차의경우연비향상이시급한과제로남아있으며반면연비가좋은디젤자동차의경우질소산화물 (NOx) 과입자상물질 (PM) 에대해큰폭의저감이요구되고있다. 이에대한대응책으로서그림 1에나타낸바와같이엔진연소기술과배기후처리기술, 그리고연료기술에중점을둔연구개발이진행되고있다. 상호밀접하게관련되어있는이들 3가지기술을중심으로현재의기술상황, 이들기술의적용예, 그리고금후의전망에대해소개하고자한다. 엔진연소기술 1. 가솔린엔진승용차에주로이용되고있는가솔린엔진은최근고도화된전자제어식연료분사장치와 3원촉매 ( 배출가스성분인 NOx, HC, CO를동시에줄이는장치 ) 에의해 30년전에비해배출가스를 95% 이상저감하는성과를올렸다. 이는배기계통의단열화와촉매를배기포트에근접하게설치하고산소센서등을이용한정밀제어로인해촉매에의한저감율을극대화한것에기인할수있다. 디젤자동차에비해비교적배출가스가적은가솔린자동차는금후연비개선에중점을둔연구개발이진행되어져야할것이다. 그개선책으로연소실내가솔린을직접분사하는방식이 개발되어주목을받고있는데이러한직접분사식엔진을채용할경우에사용되는후처리장치 (NOx 흡장식촉매시스템 : NOx를촉매에흡장시킨후환원제를이용해인체에무해한 N 2 로변환하는촉매장치 ) 는금후한층더높은정화성능이필요한상황이다. 2. 디젤엔진트럭및버스, 승용차에널리사용되고있는디젤엔진은가솔린엔진에비해열효율이 20-30% 높은반면, 불균일한분무연소로인해발생하는 NOx와매연및 PM을다량배출하여, 대기오염의영향도가가솔린보다크다. 디젤엔진에서배출되는 PM의구조를그림 2에정리하였다. 최근에는디젤입자상물질중고체입자의직경이수 nm-50 nm인나노입자가주목을끌고있는데이는마이크로입자에비해발생되는양은비교적적으나입자수가많아호흡기질환에의영향이우려되기때문이다. 이러한입자상물질의생성원리, 건강에의영향, 저감방법개발, 규제등을포함한검토와조사가앞으로도계속해서진행될전망이다. 디젤자동차에대해미국, 유럽, 일본에서는단계적으로그규제를강화하고있으며 PM, NOx의규제치를그림 3에정리하였다. 이와같이강화되어가는규제치를만족하기위해서는그림 4 에나타낸바와같은시스템이필수라할수있다. 특히미국의 2007년규제치는현규제치의약 1/10로강화되어있으며이를달성하는디젤자동차를슈퍼크린디젤이라명명하기도한다. (1) 터보과급과배기재순환 (Exhaust Gas Recirculation): 터빈을이용해엔진에흡입되는공기의양을증가시킴으로서출력을향상시키고자터보과급이주로이용되어져왔다. 최근에는 EGR( 배기가스의일부를연소실에공급함으로서연소온도를 이성욱연구원은와세다대학교기계공학과박사과정을수료하였고현재와세다대학교객원강사, 한국자동차공학회편집위원, 일본국토교통성교통안전환경연구소연구관으로재직중이다. (leesw@ntsel.go.jp) 그림 1. 배출가스저감을위한기술. 28 물리학과첨단기술 September 2004
그림 2. 디젤입자상물질의구조. - 고압과급시 EGR공급방법의개선 (2) 전자제어식고압분사시스템 : 전자제어에의한고압분사가가능한커먼레일식분사시스템이주류를이루고있으며앞으로는분사압 180 MPa에서 200 MPa을넘는초고압분사압력이적용되어질전망이다. 이러한고압분사로인해연료의미립화와분무내의공기도입이촉진됨으로서 PM저감과성능개선에효과적이다. 더욱정밀화를요하는연료분사장치의제어에대응하기위해피에조 (Piezo) 소자를이용한인젝터가개발중이며금후디젤엔진에실용화될예정이다. (3) 신연소방식 : 최근희박예혼합압축착화방식 (HCCI: Homogeneous Charge Compression Ignition) 에관한연구가세계적으로활발하게이루어지고있다. 새로운연소방식의 HCCI는피스톤압축과정중조기에연료를분사하여희박화된예혼합기를압축착화하는것으로 NOx와함께 PM저감에효과적인연소방식이다. 압축과정의온도에크게의존하여착화되어지므로연소의제어가곤란하고고부하에서는연소가급격히이루어지기때문에아직까지는부분부하에서한정적으로실용화되고있는실정이다. 또한희박화로인한 HC, CO의증가와낮은배기온도로인해촉매의적용이어렵다는점이문제로되고있다. 연소반응기구, 혼합기와온도의불균일성, 실린더벽면에서의연료부착등의현상규명을포함해연구개발이진행되고있다. 배기후처리장치 그림 3. 대형디젤자동차의배출가스규제. 연소실형상의최적화, 고압연료분사및 EGR 등최신의엔진연소기술을적용함에도불구하고배출되는유해물질에대해서는배기후처리장치를이용해정화하게된다. 지금까지진행되어온배기후처리기술과문제점, 그리고금후의전망에대해소개하기로한다. 1. 산화촉매장치백금계의귀금속을이용한산화촉매는디젤엔진의 PM자체는정화시키지않으나 PM의 30-70% 를차지하는가용성유기성분 (SOF: Soluble Organic Fraction) 과 HC, CO의동시저감이가능하다. 주로소형디젤자동차에이용되고있는이러한산화촉매의정화성능을충분히발휘하기위해서는경유에포함되어있는황성분을점차적으로줄여가야할것이며궁극적으로 10 ppm정도까지저감하여야그효과를충분히발휘할수있다. 그림 4. 디젤엔진의배출가스대책. 제어해 NOx를저감함 ) 로인해악화되는연비및 PM을개선하기위해채용되고있다. 따라서터보과급과함께연소온도제어를위한인터쿨러 ( 과급된공기를냉각하는장치 ) 및 EGR 쿨러가장착되는것이일반적이라할수있다. 이들장치의기술과제로는다음의항목들을들수있다. - 저속회전과과도운전시과급압의확보 - EGR율의정밀제어, 각엔진기통으로의분배균일화 2. DPF (Diesel Particulate Filter) 표 1에나타낸바와같이 PM 처리기술은 DPF(Diesel Particulate Filter) 에포집한 PM의처리방법에따라크게 2가지로나눌수있다. 즉 PM을포집한후연소시키는방법 ( 간헐재생방식 ) 과 PM의포집과산화를연속적으로하는방식이다. 푸죠에적용된방식은연료중에첨가제를혼합함으로서배출되는 PM의착화온도를낮추고팽창행정중포스트분사 ( 동력을얻기위한주분사후행하여지는분사 ) 에의해산화촉매를활성화함으로 물리학과첨단기술 September 2004 29
표 1. PM 처리기술. DPF 방식 시스템명칭시스템개요특기사항 간헐재생방식 토요타 ( 기존방식 ) PSA/ 푸죠 DPF 전방에전기히터 연료첨가제공급계필요, 온도제어에의한재생 그림 5. DPNR 의정화원리. 연속재생방식 CRT/ Johnson Matthey NO 2 에의한 PM 산화 표 2. NOx 정화기술. 흡장환원형 순간적 Rich 상태 시스템구성 환원제 :HC,CO 과제 Smokeless rich 연소의실현 그림 6. DPNR 시스템. 요소환원제 :NH 3 요소첨가시스템, 선택환원형 HC( 연료 ) 환원제 :HC 인프러문제 NOx 정화율의향상 서포집된 PM을산화시키는간헐재생방식을이용하였다. 또한 Johnson Matthey사의 CRT는필터전에설치한산화촉매에의해배기중의 NO를 NO 2 로산화시키고, 이 NO 2 를이용해포집된 PM을저온에서산화시킴으로서연속재생을가능하게하였다. 이들장치들은 PM은저감하되 NOx에대한정화기능은없다. 3. NOx 환원장치 NOx 정화장치로는표 2에정리한바와같이흡장환원식, 선택환원식촉매가사용되고있다. 흡장환원식 NOx촉매는공연비 ( 흡입된공기량과분사된연료량의비 ) 가희박한상태 (Lean Condition) 에서 NOx를흡장한후순간적으로농후한분위기 (Rich condition) 를형성함으로서흡장된 NOx를 N 2 로환원, 정화하는장치로, 주로희박또는연소실직접분사가솔린엔진 (GDI: Gasoline Directly Injection) 에채용되고있다. 한편, 요소화합물을배기계에첨가하여요소에의해생성된암모니아를이용해공기과잉조건하에서 NOx를선택적으로정화하는선택환원촉매는요소의인프라정비및암모니아배출을억제해야한다는과제가남아있다. 이들시스템은 그림 7. 연료내유황분이 NOx저감에미치는영향. PM의정화기능은없어디젤엔진에적용할경우, DPF와함께장착해야한다는단점이있다. 4. DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction) 전술한바와같이 PM과 NOx를개별적으로정화하는후처리기술은이미개발되어있으나두성분을동시에연속적으로정화가능한새로운시스템이최근도요타연구진에의해개발되었다. DPNR에의한 NOx정화메카니즘은그림 5에나타낸바와같이흡장환원형 NOx촉매와원리가같다. 즉, 공연비 Lean의경우 NOx가촉매에흡장되고, 공연비 Rich의경우흡장된 NOx가환원되어, N 2 로방출된다. PM은구조체의벽을통과할때관성충돌, 흡착등에의해포집되어, 그림하단에나타낸바와같이공연비 Lean과 Rich의반복에의해 NOx를흡 30 물리학과첨단기술 September 2004
수및방출할때촉매상에서생성된활성산소와배기중의산소에의해산화된다. 이와같이본시스템은 PM을연속적으로산화시키며종래의방식, 즉, PM을축적한후연소시키는간헐재생방식과비교해보다낮은온도영역에서 PM의산화가가능하게되었다. 그림 7은연료중유황성분의양에따른 NOx 저감율을나타내고있다. 유황성분을다량포함할수록유황에의한촉매의피독으로인해 NOx 저감율이악화되고있음을알수있다. 따라서연료중의유황분을줄여나가는것이필수라고할수있다. 연료기술최신의엔진기술과배기후처리기술만으로는앞으로더욱엄격해질규제치를만족시키기에한계를느끼기시작함으로서배출가스저감에보다효과적인대응책이라고할수있는연료설계가주목을받고있다. 기존연료의저유황화에덧붙여천연가스, 석탄및바이오물질을이용해제조한 GTL(Gas To Liquid), DME (Dimethyl Eter) 및바이오연료에관한연구가활발히진행되고있다. 이들새로운연료들은유황및방향족성분이낮아석유를대체할연료로서유력시되고있으며이에차량개발뿐아니라인플러구축을위한위원회등을발족시켜종합적인정비를진행중에있다. 1. 가솔린과경유전술한바와같이후처리장치의성능과내구성을확보하기위해서는연료의저유황화가필수적이라할수있다. 일본의경우, 각정유회사에서는 2005년부터 10 ppm 이하의저유황연료를판매개시할예정에있으며 2007년도에는전국에공급할계획에있다. 이러한추세는미국, 유럽에서도마찬가지로수년이내에 10 ppm 이하의저유황연료가전세계적으로보급될전망이다. 앞으로가솔린은옥탄가의향상이, 경유는방향족성분과고비등점성분의저감등이과제로남아있다. 2. GTL (Gas To Liquid) GTL의대표적인물성치를표 3에정리하였다. GTL은정유회사에따라그성상이다소다르나일반적으로경유보다밀도가낮고, 유황및방향족이극미량이며세탄지수는비교적높다는것이특징이다. (1) GTL의제조 GTL의제조방법인 Fisher Tropsch법은 CO의수소화반응에의해합성하는방법으로 1923년독일에서최초로발명하였다. 제2차세계대전을전후로독일과남아프리카에서석탄을원료로한 GTL이상업화에성공하였으며그후, 제조과정을더욱개량하여대량생산이가능하게되었다. 일본의경우, GTL 제조에관한연구는석유공단에서 6년간 (1998-2003년) 메탄을이용해등경유를제조하는 GTL기술에 표 3. GTL 및경유의연료물성비교. GTL1(Shell) GTL2(Mossgas) 경유화학식 C nh 2.13n C nh 2.15n C nh 1.87n 밀도 g/cm 3 0.7737 0.7838 0.83 저발열량 J/kg 46876 44040 43200 비등점 K 513-568 > 473 453-643 착화온도 K > 493 497 523 세탄지수 99 89.5 57.8 황성분 ppm m < 3 < 1 340 동점도 mm 2 /s 3.162 4.285 3.76 유동점 K 273 271 243-278 관련한촉매조사, 연구, 제조과정의검토가진행되어왔다. 최근에는경유와혼합한연료의보급과동경도의디젤자동차배출가스규제강화에맞추어수도권에서의판매를계획하고있다. (2) GTL의문제점과대책방향족과유황성분이매우적어큰폭의 PM저감이가능하면서기존디젤과동등의성능을얻을수있고, 엔진개조가필요없으며배기후처리장치에있어서도피독의우려가경유에비해적다는이점이있다. 이와는반대로유황분과극성물질이없는관계로윤활성이떨어져분사계및펌프내습동부의마모가우려된다는문제점을안고있다. 즉윤활성향상을위해윤활제를연료에첨가할필요가있으며 GTL의윤활성평가시험으로부터지방산및에스텔류의윤활제를 150-200 ppm 첨가하면실용화에있어큰문제가없다는실험결과가보고되었다. 또한표 3에나타낸바와같이 GTL의유동점은경유에비해다소높아겨울의낮은기온에서유동성이악화될가능성이높다. 따라서 GTL역시각지역에적합한낮은유동점의 GTL을준비할필요가있으며그방법으로서유동점이낮은 GTL등유를 GTL2 : GTL등유 = 2:1로혼합함으로서기존경유와같은유동성을확보할수있다. 3. DME (Dimethyl Ether) 무색투명의연료로증기압은 LPG와비슷하며표준상태에서는기체상태로존재한다. 따라서운반, 저장등의취급은 LPG 와유사한방식으로할수있다. DME를엔진에적용할경우, 5기압전후로가압을하여액화상태로연소실내직접분사하는방식과흡기관에 DME를공급하여예혼합압축착화하는 2 가지방식을고려할수있다. 연소의특징으로는분자내에산소원소가함유되어있어무연연소가가능하며동시에양호한착화성능을들수있다. (1) DME의제조현황일본의미쯔비시화학과 JFE그룹이 DME제조에서선두적인역할을하고있으며특히 JFE에서는 1997년부터 5년계획으로 1일생산상 5 t의실증생산시험과함께 95% 의전환효율을달성하였다. 또한 2002-2006년의 4년간계획으로 1일 100 t이 물리학과첨단기술 September 2004 31
상의생산이가능한공장을설립하여실용화를목표로하고있다. 또한미쯔비시화학과 JFE그룹은호주에서, 미쯔이물산은인도네시아에서각각생산을준비하고있으며각회사의제조량을합산해보면 2006년에는연간약 170-320만t의공급이가능하리라예상되어진다. DME차량개발에관한연구개발도활발히진행되고있으며주요프로젝트로는다음과같다. - 가나가와현 ( 神奈川県 ) 기계식펌프 DME트럭 (JFE사), 커먼레일식 DME트럭 ( 이스즈 ) DME자동차보급모델사업 (2003-) - NEDO ACE프로젝트중하이브리드 DME 자동차개발 ( 히노,1997-2003) - 국토교통성 DME자동차평가사업 ( 이스즈, 닛산디젤, 1998-2001) 차세대저공해자동차 ( 닛산디젤, 2002-2004) - 자원에너지청및 LPG 진흥센터 : DME연료의실용화기반정비사업 (2001-) - 석유공단 : 발전용엔진, 소형자동차, 연료전지, 보일러, 중대형자동차 (2) DME의문제점과대책 LPG와마찬가지로운반성이비교적양호하며세탄가가높고무연연소가가능하다는이점이있는반면경유에비해윤활성, 점도가낮아연료공급장치의마모등의문제가생길수있다. 따라서엔진연료로서사용할경우 GTL과마찬가지로윤활성의개선이필요하며또한고무재료를사용할경우 DME에적합한재료를사용하여야만한다. 마모시험법인 HFRR의시험결과, 윤활제를 30 ppm의첨가함으로서실용화가가능하였으며측정치의변동범위로부터 50 ppm 전후가적정량이라는연구결과가보고되었다. 그림 9는 DME온도와압력에대한체적탄성율의관계를나타내고있다. 체적탄성율은연료분사특성에큰영향을주며특히펌프로가압시, 연료의체적이줄어들어고부하및고속 운전영역에서출력저하를일으킬우려가있다. 이를억제하기위해연료의온도를낮추는것이가장효과적이며따라서연료공급계에있어서냉각장치가필요하다. 4. 바이오연료바이오연료 ( 생물자원 ) 를연소시킬때발행하는 CO 2 는식물이대기로부터흡수한 CO 2 이므로생태사이클적인관점에서대기중의 CO 2 를증가시키지않는다고할수있다. 즉온실효과가스배출량에가산되지않으며현행의석유계연료에혼합하여사용할경우, 혼합비율만큼의온실효과가스배출량을저감하는효과가가능하다는이야기가된다. 바이오연료는교토시 ( 京都 ) 와시가현 ( 滋賀県 ) 등에서폐식용유를이용한차량시험이진행되고있으며또한이에관한연구회가설립되어제조에서이용시스템까지폭넓은연구가이루어지고있다. 환경성의 [ 온난화대책기술검토회 ] 에서는온실효과가스의저감목표를달성하기위해자동차용가솔린에바이오연료로서알코올을 10% 혼합한다는방침을세웠다. 가솔린의품질기준을결정하는경제산업성에서는일부시장에나와있는고농도알코올혼합연료에관해안전및환경적인관점에서규제를강화하는한편저농도에탄올 (5% 이하 ) 혼합가솔린에관해서는환경성과마찬가지로온실효과가스배출량저감의관점에서판매기준을 1년이내에명확히할것을검토하고있다. NEDO( 신에너지개발기구 ) 에서는 [ 바이오연료에너지의고효율전환기술개발 ] 이라고하는프로젝트중 [ 바이오에탄올등의자동차용연료에의적용기술개발 ] 의연구개발을발족하였으며조만간바이오연료가시장에판매될가능성이높아지고있다. 경유의경우, 알코올이아닌에스텔화된 FAME( 지방산메틸에스텔 ) 의저농도첨가가검토되고있으나아직까지는조사단계에머물러있다. 차세대자동차개발현황이상저공해자동차개발을위한 3가지기술, 즉엔진연소기술, 2 톤급 DEM 트럭 복지형 DME 마이크로버스 소형 DEM 트럭 DME 버스 ( 이스즈 ) 그림 8. 각종 DME 차량. 그림 9. DME 의체적탄성율변화. 32 물리학과첨단기술 September 2004
후처리기술, 연료기술에관해소개하였다. 본장에서는이들 3가지기술을바탕으로현재일본의국토교통성에서진행중인차세대저공해자동차개발프로젝트에관해소개하고자한다. 2002년부터 2004년까지 3개년계획으로실시중인이프로젝트는 2002년도에는각요소기술의개발을시작으로 2003년도에는동력시스템의완성, 2004년도에는차량개발을목표로하고있다. 개발엔진들은모두출력 200 kw 이상, 총중량 10톤이상의대형차량을대상으로하고있으며본프로젝트를통해신기술의개발은물론기술평가법과부품의표준화도동시에진행하고있다. 현재까지진행되어온각저공해자동차의성과에대해차량별로정리하여소개하고자한다. 1. DME 자동차 DME연료는흑연을배출하지않는다는이점을살려높은 EGR률과촉매장착에의한저공해성과함께압축착화연소의장점을살린고효율화를목표로하고있다. 현재, 기존의대형 6기통디젤엔진에 EGR장치를비롯해연료공급계등각종개조를거쳐제1, 2호엔진을완성하였으며기본성능시험과촉매시험을실시하고있다. DME 엔진에적합한연료분사계는디젤과동등한출력의확보와 NOx를저감하기위해단기통엔진과분무가시화장치를이용해기초적해석을하였으며분사계의최적조건을조사한뒤그결과를펌프제작사에제공함으로서 6기통엔진에사용할 DME 연료분사장치를완성하였다. 또한배기가스정화대책으로 NOx를저감하기위한각그림 10. DME 엔진의시스템. 종흡장식촉매를시험하여 DME엔진에적합한촉매선정과정화효과를평가하였다. 그림 10과그림 11에 DME 엔진의전체시스템과외관을각각나타내고있다. 2. CNG(Compressed Natural Gas) 자동차 CNG자동차는저공해및석유대체연료자동차로서상당수보급되었으나, 전체중량 10톤이상의대형트럭은아직까지개발된예가적다. 이에기존디젤과동등한성능을발휘하면서 500 km 이상주행거리가가능한출력 220 kw 이상의초저공해천연가스자동차를개발하게되었다. 대형 CNG 자동차개발에있어서 NOx 저감과주행거리확보가가장중요한관건인데이를위해이론혼합기연소를기본으로 EGR과 3원촉매를채용함으로서 NOx는 2005년도규제치의 1/4 이하, 그리고고순도메탄사용을전제로하여연소최적화와디젤엔진보다낮은 CO 2 배출을목표로하고있다. 2005년도에도입예정인과도시험모드 ( 도심에서의운전패턴을고려한자동차시험 ) 에대비해공연비제어시스템의제어특성을큰폭으로향상시킨요소기술에관해중점적으로연구해왔으며구체적인내용을표 4에정리하였다. 현재 1, 2 표 4. CNG 엔진의제어항목. 제어항목 공연비제어 기본제어 과도제어 EGR 제어 녹킹제어 전자제어스로틀 점화제어 제어내용 - 엔진회전속도 + 흡기관압력으로 MAP 제어 -O 2 센서에의한 Feedback 제어 - 가속증량 - 감속감량 - 액셀개도에따른 Feed, Forward 제어 -엔진회전속도 + 흡기관압력으로 MAP제어 -EGR에따른흡기관압력과흡입공기량과의관계보정 -녹킹센서에의한점화시기지연 -과회전방지제어, 배기브레이크제어, 시동성향상제어, 과도제어, SLD제어, 그외의시스템과연대한스로틀제어 -크랭크각센서로부터각기통판별및크랭크위치검출 -점화시기와통전기간을엔진회전속도와흡기관압력에서 MAP제어 그림 11. DME 엔진의외관도. 그림 12. CNG 엔진. 물리학과첨단기술 September 2004 33
호엔진제작이완료되어정상운전평가를실시하고있으며그림 12에본시스템의구성도를나타내었다. 3. 시리즈하이브리드 (Series Hybrid) 시리즈하이브리드의장점은엔진의최대효율점에서발전전용으로사용함으로서높은효율과배출가스저감이가능하다는데있다. 전동기능부품은새롭게개발하여배출가스를 2005년도규제치의 1/4 이하, 연비는현행디젤의 50% 달성 을목표로하고있다. 구체적으로디젤엔진을발전전용으로한 One point정상운전 ( 일정한엔진회전과부하 ), 보조구동을전동으로함으로서엔진에의부하경감, 그리고연속재생식 DPF와조합한엔진제어에의해배출가스저감을도모하였다. 개발성과로는그림 14에나타낸바와같이 40% 의 EGR을적용할경우 NOx가 0.6 g/kwh 이하, 스모크농도가 2% 이하의배기가스성능이얻어졌다. 그림 15에파워스티어링, 냉방압축기등보조구동시스템을고안하여성능을예측한결과현행 HEV버스에비해 11-17% 의연비향상이확인되었다. PM정화에있어서는연속재생식 DPF를장착하여시험한결과, 낮은배출가스온도, 산소농도로인해아직까지는재생성능이낮아금후해결해야할과제로남았다. 그외의요소개발로는 93.4% 의고효율소형발전기의개발, 리튬이온전지에있어서는방전용량 30 Ah 이상, 출력밀도는 2000 W/kg 이상, 입력밀도 900 W/kg, 내부저항 20% 저감을달성하였다. 4. 패러럴하이브리드 (Parallel Hybrid) 그림 13. 시리즈하이브리드버스. 패러럴하이브리드의특징으로는내연기관과전기동력을차량의구동에모두이용한다는데있다. 본시스템에서는배출가스와연비개선을위해전기구동의비율을높이고, 디젤엔진의소형화, 고효율의에너지회생기능, 유도충전시스템에의한비접촉외부충전방식 ( 이하 IPT) 등을채용하고있다. 전기에너 그림 16. 패러럴하이브리드차량의구성도. 그림 14. 배출가스시험결과. 그림 15. 구동시스템. 그림 17. 비접촉유도충전시스템 (IPT). 34 물리학과첨단기술 September 2004
그림 18. 슈퍼크린디젤엔진의연소방식. 고부하, 1200 rpm P inj: 150 MPa Q inj: 250 mm 3 /st 그림 20. EGR 에따른배출가스특성. 진의 2-5배까지과급이가능하며, EGR율은최대 80% 까지적용가능한엔진개발이완료되었다. 이엔진을이용해고부하에서도스모크발생이억제되는효과를확인하였으며그결과를그림 20에정리하였다. 그림 19. 슈퍼크린디젤엔진의배기정화. 지의이용효율을극대화함으로서기존디젤자동차의 50% 연비저감과 2005년도배기가스규제치의 1/10을목표로하고있다. 그림 16에패러럴하이브리드트럭의구성을나타내었다. 시스템개발은시뮬레이션에의해 NOx 및연료소비율 (CO 2 에의한예측 ) 을계산한결과, IPT를이용할경우 NOx: 94%, CO 2: 77% 감소, IPT를사용안할경우 NOx: 56%, CO 2: 38% 의감소효과가예측되었다. 요소개발에있어서는구동용모터 / 발전기및인버터를개발하였고초기성능시험을마쳤다. 회생효율을향상시키기위해감속시에는모터 / 발전기를엔진으로부터분리되도록 One-way 클러치를새롭게제작하였다. 또한정차중에외부로부터배터리에전력을비접촉으로공급하기위한 IPT시스템에관해서기초특성시험을마쳤으며그가능성을확인하였다. 5. 슈퍼크린디젤자동차본프로젝트는일본내에서 2004년부터판매될저유황경유 ( 유황 10 ppm 이하 ) 의사용을전제로하며, 연비 10% 향상 ( 열효율 50%), NOx:0.2 g/kwh, PM:0.013 g/kwh 이하의슈퍼크린디젤자동차개발을목표로하고있다. 이를위한연소개념을그림 18에정리하였다. 저부하영역에서는예혼합압축착화연소 (HCCI) 에의한 NOx 저감을, 중부하영역에서는 HCCI에과급을적용해운전영역을확대하는한편, 고부하영역에서는고과급, 고 EGR에의한 NOx, PM의동시저감을도모하였다. 연료분사압력은 200 MPa, 터보과급을이용한최대 400 kpa 의높은흡기압력으로인해흡입되는공기량은자연흡기식엔 마무리 이상, 자동차배출가스의저감기술과금후의전망에대해살펴보았다. 세계적으로강화되고있는배기가스규제에대응해연료품질의개선을전제로한연소기술과후처리장치기술을더욱보완하여이들장치를최적화한시스템구축, 신뢰내구성확보, 비용절감을통해조속한시장도입이필요할것이다. 저공해자동차기술이정착되고이들자동차가상당수보급될 2010년이후에는지구온난화방지를위한저연비기술에중점을둔연구가추진되어질전망이다. 참고자료 [1] Y. Daisho, 21 세기자동차사회 ( 환경, 에너지문제 ), 자동차기술 56(1) (2002) [2] 국토교통성자동차교통국 : http://www.mlit.go.jp/jidosha/roadtransport.htm [3] 환경부 : http://www.env.go.jp/press/press.php3?serial=4005 [4] 도요타자동차 : http://www.toyota.co.jp/en/environmental_rep/04/index.html [5] 히노자동차 : http://www.hino.co.jp/j/world/ivent/clean%20diesel2.pdf [6] 산업종합연구소 : http://unit.aist.go.jp/eutech/eupower/ [7] 석유자원개발 : http://www.japex.co.jp/en/technology/g_liquids.html [8] 국제 DME 포럼 : http://www.aboutdme.org/ [9] 아시아에있어서신연료및윤활유의현황과장래 : 2003 자동차학회춘기대회 GIA 포럼. [10] http://www.ntsel.go.jp/teikougai/teikougai01.html 물리학과첨단기술 September 2004 35