Nikkei Automotive_2019.10 특집 요약 (p44-67)

2030년 'LCA 규제', 핵심은 엔진
도요타∙닛산∙혼다의 파워트레인 전략

2030년을 향해 가솔린 엔진이 급속하게 진화하고 있다. 도요타자동차나 닛산자동차, 혼다의 자동차기업 3사가 하이브리드 자동차용 가솔린 기관의 열효율을 대폭 높이는 기술혁신에 도전하기 시작했다. 또한 3사는 ‘포스트 2030년’을 전망한 대책도 강화한다. 라이프사이클에서 이산화탄소(CO₂) 배출량을 평가하는 ‘LCA(Life Cycle Assessment)’ 논의가 유럽에서 시작됐기 때문이다. 엔진의 중요성이 한층 높아질 것 같다. 3사의 파워트레인 개발 책임자에 대한 취재를 바탕으로 엔진의 미래를 살펴보자.

Part 1. 엔진의 미래
열효율 50%, ‘LCA 규제’에서 필수

라이프사이클에서 CO₂ 배출량을 평가하는 ‘LCA(Life Cycle Assessment)’. 2030년에는 하이브리드차(HEV)와 전기자동차(EV)가 거의 동등해질 전망이다. 그러나 HEV에 탑재하는 가솔린 엔진의 열효율을 50% 가깝게까지 높이는 것이 전제다. 일본 기업 3사는 초희박연소(Super Lean burn)의 실현과 함께 연료 혁신에 도전하기 시작했다.

도요타자동차와 닛산자동차, 혼다의 3사는 2030년 이후를 전망하고 가솔린 엔진 개발에 주력한다. 2030년 시점에서 엔진차와 간이식을 포함한 HEV가 세계의 주류이기 때문이다. 세계 판매의 약 90%가 엔진 탑재차가 된다.

또한 큰 요인은 30년에 CO₂ 배출량의 측정 방법이 자동차의 라이프사이클로 평가하는 LCA로 바뀔 가능성이 있다는 것이다. HEV의 CO₂ 배출량은 EV와 같거나, 기술의 전진에 따라서는 EV를 밑돌지도 모른다. 30년 이후에는 HEV와 EV가 진정한 환경규제차(에코카)의 지위를 둘러싸고 쟁쟁한 기술 경쟁을 펼치게 된다.

19년 3월, 유럽회의와 유럽위원회는 자동차 생산이나 에너지 생성, 주행, 폐기, 재이용 등의 CO₂ 배출량의 총계를 평가하는 LCA에 대해 검토할 것을 당국에 요청했다. 23년까지 결론을 낼 예정이다. 25년 이후가 될 ‘포스트유로7’이라고 부를 수 있는 환경규제부터 LCA로 CO₂ 배출량을 평가할 가능성이 있다.

주행 중의 CO₂ 배출량만을 대상으로 하는 현행 규제에서 ‘대전환’이라고 할 수 있다. 30년 이후의 파워트레인 개발에 크게 영향을 미친다. 특히 현행 규제에서는 CO₂ 배출량을 제로로 간주해 압도적으로 우위를 차지하는 EV의 위치가 내려간다. EV는 발전 시나 배터리 생산 시의 CO₂ 배출량이 많다. 나라나 지역에 따라 다르지만 현시점에서 EV의 CO₂ 배출량은 HEV를 웃도는 경우가 많다.

유럽 자동차업체는 LCA에 의한 규제 강화에 대비하기 시작했다. 예를 들면 EV에 주력하는 독일 폭스바겐은 19년 5월, 파워트레인국제회의 ‘제40회 비엔나 모터 심포지엄’에서 발전 시나 배터리 생산 시에 대응해 LCA로 EV의 CO₂ 배출량을 대폭으로 낮추는 구상을 발표했다.

“계산 방법에 따라 다르지만 최악의 시나리오에서 EV의 CO₂ 배출량은 디젤엔진차를 웃돌지도 모른다. 폭스바겐으로서는 50년까지 전 차량에서 (CO₂의 배출과 흡수를 같게 하는) 카본 뉴트럴에 근접하는 것을 목표한다”(폭스바겐 생산담당자).

HEV의 역할이 높아질 것으로 보고 있는 3사는 EV의 개발과 병행해서 HEV의 CO₂ 배출량을 줄이는 개발에 도전한다. 특히 중시하는 것은 중핵 기술인 가솔린 기관의 최고 열효율을 50% 가깝게까지 높여, 유해한 배출 가스를 거의 제로 수준으로 낮추는 것이다. 이것이 실현되면 30년 이후의 진정한 에코카로서 HEV가 활약할 수 있을 것으로 생각한다.

-- 엔진차 ‘배제’ 규제 후에 EV ‘역풍’ 규제 --
-- LCA에 대비해 연료 혁신에 착수 --

Part 2. 3사의 전략
다방면의 도요타, 핵심 기술로 추리는 닛산∙혼다

최고 열효율의 향상을 목표하는 일본의 자동차기업 3사. 지금까지의 기술과 향후 주목 받을 기술을 바탕으로 주요 키워드를 6개로 압축했다. 전방위에서 도전하는 도요타, 가변압축비(VCR) 엔진 기술을 활용하는 닛산, Pre-chamber(예연소실)을 핵심 기술로 하는 혼다처럼 개발 방침의 차이가 가시화되고 있다.

[키워드1] 열효율 50%
•도요타: 실험실에서 47~48%
•닛산: 실험실에서 50%를 달성
•혼다: 당면 목표는 45% 정도

가솔린엔진의 최고 열효율 목표는 닛산과 도요타가 50%를, 혼다가 45% 정도를 제시했다. 이는 개발 중에 얻은 수치로, 최고 열효율이 제일 앞서고 있는 곳은 닛산이다. 단기통 시험기에서 기계 손실을 고려한 도시(圖示) 열효율에서 최고치 50%를 달성했다. 다기통 시험기에서도 45%를 넘었다.

닛산이 주력하는 시리즈 HEV ‘e-POWER’용 가솔린 기관은 발전 전용으로 사용한다. 토크를 바퀴에 전달하지 않기 때문에 가속이나 감속 시에도 가솔린 기관의 동작 영역의 변동이 적다. 때문에 최고 열효율에 달하는 토크와 회전 속도에 집중해 운전할 수 있어 열효율을 올리기 쉽다.

닛산자동차의 히라이(平井) 상무는 “e-POWER의 경쟁력을 높이기 위해 50%를 목표하고 있다. 규제 대응만이 목표는 아니다”라고 말한다.

도요타는 실험에서 최고 열효율이 47~48%에 달했다. 도요타는 공연비(A/F)가 30을 넘는 희박한 혼합기를 연소하는 초희박연소(Super Lean burn)나 기통의 차열, 배열 회수, 연료 개질 등 다양한 기술을 시야에 넣고 50%를 목표한다.

도요타자동차 파워트레인컴퍼니의 기시(岸) 씨는 최고 열효율이 50%에 달하는 가솔린 기관의 개발은 기술적으로는 가능하다고 보고 있다. 문제는 시장에 투입할 때의 가격이다.

혼다는 시작기에서 최고 열효율이 47.2%에 달하지만 당면 목표는 45% 정도로 설정했다. 최고 열효율 50%라는 상징적인 목표를 달성하기보다도 연비와 출력의 양립을 우선한 것이다. 한정된 엔진 조건에서 높은 열효율에 달하는 것이 아니라 (고출력을 양립하면서) 폭넓은 조건에서 고효율로 하는 전략을 취한다.

혼다의 경우, 중핵을 담당하는 하이브리드시스템 ‘i-MMD’는 직병렬(Series Parallel) 방식이다. 사용하는 가솔린 기관은 발전용으로 사용할 뿐 아니라 고속 시에 토크를 바퀴에 전달한다. 때문에 동작 영역은 어느 정도 넓게 취한다.

[키워드2] 희박연소(Lean burn)
•도요타: 2030년까지 보급시킨다
•닛산: 수년 내에 기술 확립
•혼다: 당분간은 이론공연비 연소

도요타, 닛산, 혼다의 3사는 최고 열효율에서 45%를 넘기 위해서는 이론공연비(14.7)보다 희박한 혼합기를 연소시키는 희박연소 기술이 필수라고 한다.

가솔린 기관의 희박연소는 지금까지도 다양한 자동차업체가 개발해 왔다. 독일 BMW나 다임러처럼 양산한 기업도 있었다. 그러나 희박화의 정도가 낮았고 질소산화물(NOx)이 많이 발생하는 것에 대한 대책으로 고가의 배기가스 후처리 장치를 추가해야 하는 등의 과제가 있어 그다지 보급되지 못했다.

도요타, 닛산, 혼다는 NOx의 배출량을 낮게 억제하기 위해 공연비가 30을 넘는 희박 혼합기를 연소시키는 초희박연소 엔진의 양산을 목표한다.

도요타의 기시 씨는 30년의 규제에 대응하기 위해서라도 ‘희박 연소 엔진은 필요’하다고 했다. 이를 위해서는 “30년에 실용화해서는 늦다. 1대, 2대 판매하는 규모로는 안 된다. 30년에는 어느 정도의 대수가 보급돼야 할 필요가 있다”라고 말한다.

닛산은 e-POWER의 경쟁력을 높인다는 점에서 전략상 필요한 것이라고 한다. 히라이 씨는 “e-POWER의 구입 요인으로 연비를 드는 사람은 그렇게 많지 않다. 그러나 앞으로 전동차가 증가하는 가운데 선택지로서 e-POWER가 남기 위해서는 연비 개선이 중요해진다”라고 말한다.

혼다의 경우는 연비와 출력의 양립을 중시하는 방침 하에서 당면 최고 열효율 목표를 45% 정도로 삼고 있다. “희박연소를 이용하는 것도 검토하고 있지만 기본은 이론공연비(Stoichiometry) 연소로 진행한다”(마쓰오 씨). 희박연소엔진의 양산은 서두르지 않을 생각이다.

[키워드3] Pre-chamber(예연소실)
•도요타: 점화계 강화의 선택지 중 하나. 플러그의 고에너지화와 비교 중
•닛산: 가변압축비가 있으면 불필요
•혼다: 중핵 기술. 다음 엔진에서 양산화

[키워드4] 물분사
•도요타: 물의 위험을 평가 중
•닛산: 가변압축비가 있으면 불필요
•혼다: 고출력 차종 용.

[키워드5] 가변압축비(VCR)
•도요타: 가일층의 압축비 향상 검토 중. 기구가 커지는 것이 난점
•닛산: 실용화. 가변압축비 엔진의 링크기구가 초 롱스트로크 실현의 열쇠
•혼다: 검토 중지

[키워드6] 연료
•도요타: 연료 연구는 절대 필요. 대응에 적극적
•닛산: 기술 개발을 검토. 사업자의 대응에 협력
•혼다: HEV에서 중요. 연구에 착수

Part 3. 파워트레인 개발 책임자에게 듣다
도요타자동차 / 닛산자동차 / 혼다

[도요타자동차] 마이너스 에미션을 실현하고 싶다

하이브리드차(HEV)용 엔진에서 열효율의 향상 경쟁을 주도해 온 도요타자동차. 30년까지 50%의 달성과 함께 초희박연소를 실현한 HEV를 널리 보급시키는 구상을 그리고 있다. 또한 주력하고 있는 것이 대기보다 깨끗한 배기가스를 실현하는 ‘마이너스 에미션’의 실현이다. 엔진을 ‘이산화탄소(CO₂) 뉴트럴’한 존재로 만드는 연료 혁신에도 도전한다. 도요타에서 파워트레인 개발을 총괄하는 기시 히로히사(岸 宏尚) 씨에게 향후 방침에 대해 들었다.

Q: 유럽을 중심으로 라이프사이클로 CO₂를 평가하는 ‘LAC(Life Cycle Assessment)’의 기운이 높아지고 있다.
A: 당사는 (지구 규모로 생각하는) ‘Home Planet’이 중요하다고 생각한다. 자동차의 라이프사이클에서 CO₂ 배출량을 낮추는 것은 궁극의 과제다. ‘도요타 환경 챌린지 2050’에서 제시한 50년에 CO₂ 배출량을 10년 대비 90% 삭감하는 목표는 주행 중(Tank-to-Wheel)을 대상으로 한 것이다. 앞으로 Well-to-Wheel(1차 에너지 발굴에서 주행까지)이나 라이프사이클로 대상 범위는 넓어질 것이다.

라이프사이클에서 보면, 전동차의 경우는 배터리 등의 부품 제조 공정이나 에너지 생성 시의 CO₂ 배출량을 무시할 수 없게 된다. 기술개발의 방향성으로서 부품 단체와 함께 제조 공정의 환경 성능을 높이는 것을 함께 추진해야 한다.

Q: LCA에서 각종 파워트레인의 자리는 어떻게 변하는가?

Q: 유럽에서는 30년부터 판매하는 신차에 대해, 주행 중의 CO₂ 배출량을 21년 대비 37.5% 낮추는 엄격한 기업평균연비(CAFE) 규제를 결정했다.

Q: 열효율에서 50% 달성 목표를 제시하고 있다. 그 후에는 60%도 있다.

Q: 열효율을 크게 높이는 수단으로서 초희박연소가 주목을 받고 있다.

Q: 마쓰다는 19년 내에 초희박연소 엔진을 양산할 계획이다. 너무 늦은 것은 아닌가?

Q: 엔진 기술에서 Pre-chamber(예연소실)나 물분사 개발이 활발해지고 있다.

Q: 닛산이 양산한 가변압축비를 어떻게 보는가?

Q: 연료 연구에 열심이다.

Q: 자동차업체인 도요타가 연료 제조 사업까지 전개하는가?

Q: 하이브리드 기술의 개발은 THS(도요타 하이브리드 시스템)만 보인다.

Q: HEV용 가솔린 기관의 개발 방향성을 알려달라.

Q: 48V 대응의 간이 HEV를 전개할 가능성은 있는가?

Q: 배출가스를 대기보다 깨끗하게 하는 ‘마이너스 에미션’ 목표를 제시하고 있다.

[닛산자동차] VCR 기술을 중핵으로 열효율 50%

엔진의 위치를 발전 전용으로서 높이는 닛산자동차는 일정한 회전∙토크로 운전함으로써 최고 열효율 50%를 목표한다. 관건은 닛산이 개발한 가변압축비(VCR) 엔진이다. VCR의 링크기구를 활용한 롱스트로크로서 열효율의 대폭 향상을 목표한다. 파워트레인 개발을 이끄는 히라이 토시히로(平井俊弘) 씨에게 닛산이 목표하는 엔진의 모습에 대해 물었다.

Q: 30년에 강화되는 유럽의 연비 규제에 대해, CO₂ 배출량을 21년 대비 37.5% 삭감한다는 목표가 정해졌다. 지금까지의 전략을 변경할 예정은 있는가?
A: 연비 규제는 대부분 생각했던 대로다. 지금 추진하고 있는 전략으로 충분히 대응할 수 있다. 세계 규모에서 EV와 시리즈 HEV ‘e-POWER’를 합한 ‘전동차’ 판매를 추진해 나가는 방침은 변함없다. 전동차의 판매 목표는 25년까지 일본과 유럽에서 50%, 미국에서 20~30%, 중국에서 35~40%다. EV와 e-POWER의 비율은 시기에 따라서 조금씩 변한다.

Q: 엔진을 발전 전용으로 하는 방침도 안 변하는가?

Q: 엔진을 일정한 회전∙토크로 운전할 경우, 다양한 출력에 대응하기 위해 여러 종류의 엔진이 필요해진다.

Q: 1.2L 엔진으로 어떤 차종까지 대응할 수 있는가?

Q: 규제 대응으로서 CO₂ 배출량을 37.5% 삭감하는 목표를 달성하기 위해서는 희박연소 기술은 필수라고 보는가?

Q: 가변합축비(VCR) 엔진에서 개발한 링크기구를 활용하는 구상은 이전에 있었다.

Q: 유럽에서는 열효율을 향상시키기 위해 Pre-chamber(예연소실)나 물분사를 사용하는 움직임이 있다.

Q: 유럽에서 자동차에서도 ‘LCA’를 도입할 움직임이 있는가?

Q: LCA가 도입됐을 때 EV가 불리해질 거라고 생각하지 않는다.

Q: 엔진 사용 시의 CO₂ 배출량을 억제하기 위해 ‘e-Fuel’과 같은 카본 뉴트럴 연료가 주목을 받고 있다.

[혼다] 차기 엔진에 Pre-chamber(예연소실)

직병렬(Series Parallel) 방식의 하이브리드 ‘i-MMD’를 중심으로 개발을 추진하는 혼다는 전동화를 전제로 한 엔진 개발에 주력한다. 파워트레인 개발을 총괄하는 혼다기술연구소의 마쓰오 아유무(松尾 歩) 씨는 연비와 출력의 양립을 목표하며 열효율 50%에 집착하지 않는다. Pre-chamber를 엔진 개발의 중핵 기술로 삼는다.

Q: 유럽에서 ‘LCA’에 주목하는 움직임이 있다.
앞으로 환경 부하 제로를 목표하면서 당연히 LCA 개념을 도입해 나간다. 기술과 생산, 물류를 포함해 CO₂ 배출량을 삭감할 방침이다.

LCA를 고려한 경우라도 EV나 HEV 등의 전동화 기술로 대응할 수 있다고 생각한다. 내연기관(엔진)에 대해 어떻게 대응할 것인가가 과제이며 현재 검토하고 있는 단계다.

예를 들면, 제조나 물류에 관해서는 1년 정도 전부터 자사 제품을 대상으로 LCA에서 어떻게 평가할 수 있는지 검증하기 시작했다. 기술 관련해서 향후 새롭게 대응해야 하는 영역은 연료 영역이다. 연구에 착수했다.

Q: 연료 연구에서는 ‘e-Fuel’과 같은 합성연료의 개발을 추진한다는 말인가?

Q: 혼다는 하이브리드 시스템 ‘i-MMD’에 주력하고 있는데 엔진의 개발은 앞으로 어떻게 바뀌는가?

Q: 엔진 단체(單體)로는 30년에 강화되는 유럽의 연비 규제에 대응하기 어렵다.

Q: 30년을 전망했을 때, 엔진에서 가장 중요한 기술은 무엇인가?

Q: Pre-chamber를 채용한 엔진의 양산화는 언제가 되는가?

Q: 엔진의 최고 열효율은 50%를 목표하는가?

Q: 그 때, 희박연소가 전제가 되는가?

Q: 물분사나 가변압축비(VCR)와 같은 기술이 유럽에서 주목을 받고 있다.

Q: 하이브리드에서 사용하는 엔진은 간소한 것이 되는가? 예를 들면 i-MMD 시스템에서는 ‘VTEC’와 같은 가변 밸브 기구는 제외하는가?

Q: 몇 종류의 엔진에서 대응하는가?

Q: Range Extender(항속거리 연장장치)처럼 엔진을 발전 전용으로 사용하는 일은 없는가?

 -- 끝 --