연비 개선을 위한 엔진기술 트렌드 전망
박재우 연구원 / 한국자동차산업연구소
최근 일본 완성차업체들은 효율성을 높인 차세대 내연기관을 개발하기 위해 역량을 집중하고 있다. 일본 완성차업체는 정부, 대학과 공동으로 2020년까지 현재보다 연비가 30% 개선된 가솔린, 디젤엔진을 개발할 예정이다. 과거 HEV, EV 등 친환경차에 집중된 전략으로 인해 기존 차량의 상품성이 유럽, 미국업체들에 비해 낮아지고 있다는 위기감에서 비롯된 결과이다.
내연기관 엔진은 제어기술의 발달로 연비와 성능을 동시에 개선하는 방향으로 발전하고 있다. 가솔린과 디젤엔진은 연소방식의 차이로 인해 상이한 방식으로 기술 발전이 이루어졌으나, 최근에는 상호 장점을 혼합하는 방향으로 발전하고 있다. 가솔린엔진은 디젤엔진에서 주로 사용하는 직접분사, 공기과급, 압축착화 등의 개념을 도입하여 디젤엔진 수준의 효율성을 추구하고 있으며, 디젤엔진은 배기가스를 최소화하면서 연료 분사제어, 공기과급의 성능을 개선하여 연비, 출력을 높이고 있다. 이 중 연료 직접분사장치, 공기과급 등은 두 엔진타입에 공통적으로 적용되면서 연비 개선을 주도할 핵심 부품이 될 것이다. 하지만 이런 부품들은 기술적 난이도가 높아 소수 글로벌 부품업체들이 독과점하여 시장을 주도하고 있다. 이번 호에서는 연비 개선 기술의 발전 방향을 전망하고 주요 핵심부품의 기술과 시장 현황을 살펴보고자 한다.
엔진 연비 개선 기술 트렌드
내연기관 차량의 연비를 개선하기 위한 기술도 친환경차와 함께 주목 받고 있다. 향후 EV, FCEV 등 친환경차 시장은 더디게 확대될 것으로 예상되나, 내연기관의 판매 비중은 꾸준히 높게 유지될 것이기 때문이다. IHS 발표에 의하면 HEV를 포함한 디젤, 가솔린엔진의 판매 비중은 2012년 89%에서 2020년 88% 수준으로 1%p 소폭 낮아지는 수준에 그칠 것으로 예상된다. 따라서 내연기관의 효율성 개선 기술은 완성차업체의 상품 경쟁력 확보에서 여전히 중요한 역할을 하게 될 것이다.
내연기관의 연비 개선 기술은 연소 시스템 개선, 제어 시스템 최적화, 손실 에너지 최소화, 경량화의 방향으로 발전하고 있다. 연소 시스템은 연소에 필요한 공기, 연료량을 정밀하게 조절하여 연료 사용량을 최소화하는 방향으로 개발되고 있다. 제어 시스템은 주행 상황에 따라 불필요한 연료 사용을 억제하는 방향으로 최적화되고 있다. 또한 작동 중 손실되는 에너지는 마찰력 감소, 열 관리 등의 기술을 통해 최소화하고 있다. 마지막으로 엔진의 중량은 차량 전체 중량에서 차지하는 비중이 높기 때문에 경량화를 통해 연비를 개선할 수 있는 대체 소재, 구조 최적화 기술이 연구되고 있다.
| < 동력원별 시장 전망 > | < 내연기관 연비 개선 방향 > |
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최근 가솔린엔진에서는 디젤엔진에 적용되던 연비개선 기술을 이용하여 연소효율을 향상시키려는 시도가 이뤄지고 있다. 가솔린엔진은 디젤엔진에서 사용되는 직접분사, 터보차저 등의 기술을 응용하여 연비를 높이고 있다. 나아가 가솔린엔진은 디젤엔진의 압축착화 방식을 사용(CAI
1): Controlled Auto Ignition)하여 디젤 수준의 연비를 추구할 전망이다. 또한 가솔린엔진은 연료와 공기를 각각 제어하는 방식으로 흡배기제어 기술도 발전하고 있다. 주행 상황에 맞게 흡배기량을 제어하기 위해 흡배기 밸브의 개폐 시기와 깊이를 조절하는 방식이 보편화 되고 있다. 이 기술은 엔진을 통한 기계적인 제어에서 전자적으로 직접 제어하는 ‘캠리스 밸브’ 방식(MHEV
2): Mechanical Electro Hydraulic Valve)으로 발전할 전망이다. 이외에도 주행상황에 따라 일부 실린더를 중지하거나, 압축비를 가변시키는 기술도 선진업체들 중심으로 연구되고 있다. 디젤엔진은 연료분사관련 기술을 중심으로 발전하고 있다. 디젤엔진은 가솔린에 비해 고압의 실린더에 연료를 분사해야 하고 연소 과정이 복잡하여 연료분사 제어를 통해 효율성을 높이고 있다. 또한 유해 배기가스 배출을 억제하기 위해서는 쉽게 연비, 출력 등을 높이기 어려운 한계도 있다. 따라서 초고압 연료 분사장치, 공기과급장치의 다단 정밀화 등의 기술이 지속적으로 발전할 것으로 예상된다.
완성차업체 개발 전략
① 폭스바겐
폭스바겐은 직접분사, 터보차저 등 기술 상용화를 주도하면서 독자적인 엔진 브랜드를 구축하고 있으며 대표 엔진 브랜드로 디젤엔진 TDI(Turbocharged Direct Injection)와 가솔린엔진 TSI(Turbocharged Stratified Injection)가 있다.
또한 엔진 다운사이징 기술 이외에도 차세대 연소방식이라 불리는 CAI/HCCI 기술을 적용한 엔진 개발도 병행하고 있다. 2006년에는 이 기술을 적용한 디젤엔진 CCS(Combined Combustion System)와 가솔린엔진 GCI(Gasoline Compression Ignition)를 공식적으로 발표하기도 하였다.
폭스바겐은 1990년 직접분사와 터보차저 기술을 적용한 TDI를 출시하면서 엔진 다운사이징을 본격적으로 추진하였다. 2000년대 이후 연비 향상에 대한 시장 요구가 증가하면서 폭스바겐은 디젤엔진에 적용되던 기술을 가솔린엔진으로 확대하였다. 이에 따라 폭스바겐은 2000년 직접분사 기술을 적용한 FSI(Fuel Stratified Injection) 엔진을 출시하였으며, 2006년에는 업계 최초로 2단 터보차저와 직접분사시스템이 결합된 TSI를 양산하였다.
최근 디젤과 가솔린엔진에 직접분사와 터보차저 적용이 일반화되면서 엔진 효율성 향상을 위해 다양한 기술을 접목하려는 시도도 이뤄지고 있다. 폭스바겐은 2013년에는 업계 최초로 4기통 엔진에 액티브 실린더기술(Active Cylinder Technology)을 적용하였다. 액티브 실린더기술은 부하가 적을 때 2, 3번 실린더를 일시 정지시키는 기술로 연비를 10～20% 개선할 수 있다. 이외에도 아우디는 저부하영역에서 응답속도가 낮아지는 터보랙 현상을 해결하기 위해 2단 터보차저 중 한 개는 전기모터로 돌려주는 터보시스템을 2012년출시하였다.
| < 폭스바겐 엔진 개발 추이 > | < 폭스바겐 엔진 신기술 > |
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② 마쓰다
마쓰다는 친환경차보다는 내연기관 엔진에 기술력을 집중하는 대표적인 일본업체이다. 2010년 마쓰다는 축적된 기술을 집약한 ‘스카이액티브’ 엔진을 공개했다. ‘스카이액티브’는 엔진, 변속기, 차체, 섀시 등 전부문의 연비향상 기술 전략으로, 마쓰다는 이를 통해 2015년까지 연비를 30% 이상 향상시킬 계획이다.
‘스카이액티브-G’는 가솔린엔진으로 연비를 15% 향상시켰다. 6개의 분사구를 가진 인젝터를 활용한 직접분사시스템을 적용하였으며, 배기시스템의 구조를 변경하여 노킹 발생도 줄였다. 또한 밀러사이클과 고성능 ECU를 적용하여 연소 타이밍을 최적화시킴으로써 압축비를 세계 최고 수준인 14:1까지 높인 것이 특징이다.
‘스카이액티브-D’는 연비를 20% 이상 높인 디젤엔진이다. 압축비를 낮춰 진동과 배기가스를 저감하였으며, 알루미늄 실린더를 적용해 25kg 경량화를 실현했다. 그리고 연비 개선을 위해 신기술을 대폭 적용하였다. 특히 인젝터는 10개의 분사구를 가지고 9회 분사하여 정밀하게 제어할 수 있는 기술이 적용되었다. 또한 VVL
3), 2단 터보차저 등이 종합적으로 적용되어 연비 개선을 극대화했다.
마쓰다는 스카이액티브 엔진 적용 차종을 확대하여 상품성 강화 및 연비규제에 대응할 방침이다. 유럽형 소형엔진과 북미형 대형엔진도 개발하고 있으며, HEV에도 스카이액티브 기술을 적용할 계획이다. 또한 신개념 엔진인 HCCI도 개발 중에 있다. 마쓰다는 2020년까지 연비가 30% 개선된 HCCI 차를 양산할 계획이다.
< 스카이액티브-G/D의 주요 기술 >
주요 핵심부품 기술과 시장 전망
엔진 연비 개선 기술들 중 현실적으로 적용 가능한 부품들은 연료분사 인젝터와 1단 터보차저의 조합이다. 이 부품들은 연비 개선 효과대비 원가상승에 대한 부담이 있지만, 전체 엔진의 다운사이징을 구현할 수 있게 하므로 필요성이 점차 높아지고 있다. 밸브트레인 기술은 업체마다 그동안 많이 발전해 오고 신기술은 기술적 한계와 원가 부담으로 연비 개선에 대한 기여도가 낮아지고 있다. 그리고 이상적이면서 연비 성능을 한 단계 업그레이드시킬 수 있는 차세대 기술은 선행 연구되고 있지만 단기적으로 실현되기 어려운 상황이다. 따라서 완성차업체들은 기존 엔진시스템을 개량하여 현실적인 연비효과를 낼 수 있는 인젝터, 터보 기술에 역량을 집중하고 있다. 향후 완성차업체간 엔진 성능이 평준화될 가능성이 있으므로 이 부품들에 대한 원가 경쟁력이 시장 경쟁력을 좌우할 것으로 예상된다.
① 연료 직접분사 시스템
직접분사 시스템은 90년대 커먼레일 디젤엔진을 중심으로 빠르게 확산되었으며, 이후 2000년부터 연비규제가 강화되면서 가솔린엔진에서도 직접분사가 적용되고 있다. 이에 따라 이미 성숙기에 접어든 디젤엔진 직접분사 시장의 성장세는 연간 3.1%에 그치는 반면, 형성기에 있는 가솔린 직접분사 시스템 시장은 2020년까지 연간 17.8% 수준으로 빠르게 성장할 전망이다.
직접분사 시스템이란 연료를 실린더 내에 직접분사하여 혼합비를 높여 연소효율을 향상시키는 기술이다. 시스템은 고압펌프, 연료레일, 압력 밸브/센서, ECU, 인젝터로 구성되는데, 이 중 가장 중요한 부품은 인젝터다. 인젝터는 분사연료의 압력, 타이밍, 분사량을 조절하여 연소 효율성을 높이는데, 이를 구현하기 위해 초정밀 가공기술이 중요하다.
이로 인해 시스템기술은 인젝터 성능 향상을 중심으로 진행되고 있다. 첫째로 내구성 강화이다. 연소 효율을 위해 분사압력이 상승하면서 누유 등의 문제가 발생하기 때문이다. 둘째는 가공기술 초정밀화이다. 연료를 균일하고 작게 분사하기 위해 분사홀이 점차 작아지면서 개수가 늘어나고 있다. 분사홀 개수는 현재 7～8개로 점차 늘어나고 있어서 분사홀 초정밀 가공 기술이 중요해지고 있다. 셋째로 공기와 연료혼합을 최적화하기 위한 ECU 제어기술 개발이다. ECU가 연료 분사횟수와 시기를 조절하여 출력을 개선시키고 배기가스를 저감시킬 수 있다.
| < 직접분사 시스템 시장 전망 > | < 직접분사 시스템의 기술 발전 > |
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직접분사 시스템은 기술장벽으로 인해 보쉬(독), 콘티넨탈(독), 델파이(미), 덴소(일)가 기술 개발을 주도하며 시장을 독점하고 있다. 주로 유럽업체가 많은 이유는 직접분사 기술이 디젤엔진을 중심으로 일찍부터 적용되었으며, 핵심부품 가공에 필요한 초정밀가공기술 기반이 우수하기 때문이다. 유럽업체 중에서도 특히 보쉬는 디젤 커먼레일 시스템 개발 등 기술 상용화를 견인하면서 글로벌 시장의 50% 이상을 점유하고 있는 것으로 추정된다. 상대적으로 기술 난이도가 낮은 가솔린 직접분사 시장은 상위업체가 여전히 강세를 보이고 있으나, 케이힌(일) 등 신규업체의 진입도 늘어나고 있다.
후발업체인 덴소와 델파이는 보쉬를 추격하기 위해 기술 개발에 집중하고 있다. 덴소는 커먼레일의 분사압력을 업계 최고 수준인 2,500바까지 끌어올렸으며, 실시간으로 인젝터의 분사압력과 연료량을 제어하는 i-ART(Intelligent-Accuracy Refinement Technology) 기술을 2012년 선보였다. 델파이는 솔레노이드 분사 성능을 피에조 수준으로 끌어올릴 수 있는 인젝터 개발에 집중하고 있으며, 지난 9월에는 상용차용 2,700바 인젝터 개발에 성공하였다. 콘티넨탈은 지멘스VDO를 인수하여 뒤늦게 직접분사 시장에 뛰어들어 2000년부터 디젤용, 2006년부터 가솔린용 직접분사 시스템을 개발하고 있다.
최근 혼다는 신형 가솔린 직분사+터보 엔진을 개발하여 차세대 기술로 확대 전개하고 있다. 이를 위해 계열 부품회사인 케이힌은 가솔린 인젝터 분야에 신규 진출하여 기술을 내재화하였다.
| < 주요 직접분사 시스템 부품업체 > | < 기술개발 추이 > |
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② 과급시스템
공기과급 시스템은 흡입되는 공기를 압축하여 엔진에 보다 많은 양의 공기를 공급하는 장치이다. 항공기에 적용되던 기술이었으나 1978년 벤츠가 최초로 디젤엔진에 적용한 이후 현재는 거의 모든 디젤엔진에 적용되고 있다. 반면 가솔린에는 기술적인 한계로 고성능 차량에만 적용되어 왔다. 하지만 최근 연비를 위해 엔진 다운사이징이 진행되면서 가솔린에도 적용되는 추세이다. 이에 2020년까지 디젤용 시장은 연평균 2.9% 성장세를 보이는 반면, 가솔린용 시장은 연평균 17.5%로 빠르게 성장하여 240만대에 이를 전망이다.
공기과급 시스템은 구동 방식에 따라 터보차저와 슈퍼차저로 구분되며, 이 중 배기가스를 활용해 출력 손실이 없고 엔진효율이 높은 터보차저가 주로 사용되며, 슈퍼차저 사용은 점차 줄어들고 있다. 하지만 터보차저는 엔진 저회전 상태에서 터보랙이 발생하는 단점이 있다. 또한 출력을 높이기 위해 큰 용량의 터빈을 적용할 경우 터보랙은 더욱 길어지게 된다. 이러한 문제를 해결하면서 출력과 연비를 동시에 높이는 것이 차세대 과급 시스템의 발전 방향이다. 디젤엔진에는 엔진 회전수에 따라 터빈입구의 배기가스 유량을 조절하는 VGT
4)가 적용되고 있다. 최근 선호되는 방식은 터보를 여러 개 적용하여 저회전에서는 작은 터보로 터보랙을 줄이고, 고회전에서는 큰 터보로 성능을 높이는 것이다. 또한 슈퍼차저와 터보차저를 함께 장착하는 하이브리드 방식도 개발되고 있는데, 공간 확보가 유리해 배기량이 작은 소형차에 주로 적용될 전망이다.
| < 터보차저 시스템 시장 전망 > | < 터보차저 시스템의 주요 기술 > |
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터보차저는 높은 배기가스 온도와 10만 RPM 이상의 고속 회전을 견뎌야 하기 때문에 내구성이 중요하다. 이에 미국 하니웰, 보그워너, 일본 미쓰비시중공업 등의 소수 업체가 시장을 독과점하고 있다. 최근에는 터보차저 시장이 확대되면서 콘티넨탈, 보쉬-말레 터보시스템 등 독일계 업체들의 진출도 이어지고 있다.
터보차저는 소형화 및 성능 향상을 중심으로 기술이 개발되고 있다. 선두업체 하니웰은 현재 소형부터 대형엔진까지 가장 많은 종류의 터보차저를 공급하고 있다. 보그워너는 완성차업체와 협력하여 고성능 터보시스템을 개발하고 있으며, 2004년 BMW와 함께 2단 터보를 개발한 이후, 고성능 3단 터보까지 개발을 완료한 상태이다. 또한 이들 업체는 터보차저 시장이 확대되면서 중국, 인도 등 신흥시장에 생산시설을 확충하고 있다.
유럽 완성차업체들이 터보차저를 이용해 엔진 다운사이징을 적극적으로 추진해 왔으며, 최근에는 미국, 일본 완성차업체들도 이 추세에 동참하고 있다. 유럽 BMW, 벤츠 등은 과거부터 터보차저를 적극적으로 적용해 왔으며, 폭스바겐은 소형화 기술을 토대로 터보차저 대중화에 앞장서고 있다. 포드도 현재 전체 모델의 85%에 터보차저를 장착한 ‘에코부스트’ 엔진을 옵션으로 제공 중이다. 후발주자인 일본업체들도 적극적인 개발 의지를 보이고 있다. 닛산은 다임러와 2010년부터 소형 터보엔진을 공동개발하고 있으며, 도요타는 2014년부터 터보차저를 자체 제작할 계획이다.
< 주요 공기과급 시스템 부품업체 >
시사점
엔진은 직접분사와 터보차저를 이용한 다운사이징을 추구한 결과 성능과 연비가 크게 개선되었다. 그리고 연비에 민감해진 소비자들은 일정 비용의 상승을 감안하더라도 연비 개선 효과가 큰 엔진 사양을 선호하고 있다. 포드의 경우 다운사이징 기술이 집약된 ‘에코부스트’ 엔진의 인기가 높아지면서 전 라인업에 이 기술을 확대할 계획이다. 또한 일본업체들도 다운사이징 엔진을 본격적으로 출시할 계획이다. 국내 완성차업체들도 이런 엔진 다운사이징 흐름에 적극적이었지만 주요 핵심부품들에 대한 수입 의존도가 높아서 보편화되는데 시간이 지연되고 있다. 따라서 이런 핵심부품의 역량을 제고하기 위해 국내 완성차-부품업체의 협력이 필요한 시기이다.
국내 부품업체들은 보편화되고 있는 엔진 핵심부품에 대한 기술 경쟁력을 강화해야 한다. 엔진 신기술 양산화에 가장 중요한 것은 효과대비 원가상승이다. 하지만 해외 대형 부품업체들이 이런 기술을 독점하고 있어서 완성차업체의 협상력이 약화되고 이로 인해 신기술의 경제성 확보가 어려운 상황이다. 따라서 국내 부품업체들은 기술적 난이도가 낮은 부품을 우선적으로 국산화하면서 해외업체와의 기술 격차를 축소할 필요가 있다. 특히 인젝터, 터보차처와 같은 부품은 내연기관이 존재하는 한 중요성이 지속될 것이다. 더욱이 현재 대부분의 업체들은 이 부품을 활용해 연비 개선을 추구하고 있어서, 국내 완성차업체는 이 부품들을 저가에 공급받을 수 있는 조달 체계를 구축해야 할 것이다.
완성차업체는 장기적인 신엔진 개발에 선행투자를 확대할 필요가 있다. 경쟁업체들은 HCCI(예혼합압축착화) 등 차세대 엔진에 대한 연구에 역량을 집중하고 있으며 향후 연비 및 성능을 한 단계 업그레이드시킬 수 있는 기술로 주목받고 있다. 과거의 경험으로 보면 신개념 엔진이 품질을 확보하여 양산화 되기까지 시간이 많이 소요된다. 하지만 초기 신개념에 대한 선행연구는 소재, 제어 등 요소 부품기술을 축적하는데도 중요한 역할을 하므로 이에 대한 투자를 강화할 필요가 있다.
1) 예혼합압축착화, 연료와 공기를 미리 섞어 연소 전 균질한 혼합기를 형성한 후, 압축을 통해 연소를 일으키는 방식의 엔진. 가솔린일 경우 CAI(Controlled Auto Ignition), 디젤일 경우 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)로 구분
2) 전동식으로 밸브를 제어하는 기술로 기계적인 캠을 대체하여 밸브 제어를 능동적으로 최적화
3)Variable Valve Lift(가변밸브리프트), 밸브가 열리는 높이를 조절하여 흡/배기량을 변화시키는 기술, 연속적인 제어가 가능하면 CVVL(Continuous VVL)로 불리움
4) Variable Geometry Turbo, 터보의 구조 형상을 회전속도에 따라 변화시키는 방식
