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엔진은 없어지지 않는다
자동차 엔진 기술
2016. 11. 20/ Koichi Hatamura 외/ 279P

최근 수 년 사이에 엔진기술을 둘러싼 환경에 커다란 변화가 있었다. 역설적으로「엔진이 없는 것이 좋다」고 계속 말했더니, 정말로 엔진이 없는 자동차가 현실로 되었다. 따라서 새로운 Catch Copy로「엔진은 절대로 없어지지 않는다」를 들고 본서를 출간하기로 했다.

■ 급변하는 세상
프리우스로 대표되는 하이브리드차의 국내 마켓쉐어가 20%를 넘고, 전기자동차의 본격적 양산(미쓰비시 i-MiEV, 니싼 REAF, 테슬라 모델S & X)이 되고, 연료전지차(도요타 MIRAI, 혼다 CLARITY FUEL CELL)가 실용화 되었다.

전동화의 흐름과는 별도로 과급(압축) 다운사이징이 구미에서는 일반적으로 되고, 드디어 일본에서도 각 사가 도입을 시작했다. 그 중에서 마쓰다는 독자의 연비향상기술을 개발, 획기적인 용적비 14를 실현한 SKY-ACTIVE-G(휘발유), D(디젤)을 투입하여 세상을 놀라게 했다.   

세계로 눈을 돌리면 지구온난화에 의한 이상기상이 빈발하여, 2011년 G7에서는 2050년까지 CO2를 선진국전체로 80%를 삭감하는 목표가 세워졌다. 이 목표는 결국 미루어 졌지만, 장래적으로 대폭적인 CO2삭감이 필요한 것에는 틀림이 없다.  

자동차에 관해서는 2020년부터 2030년에 걸쳐 구체적인 CO2배출량 규제치가 각 국에서 설정되었다. 기업평균연비(CAFE)로 규제되기 떄문에, 각 자동차메이커는 연비저감의 기술개발로 장애를 극복해 나가고 있다. 유럽에서는 CO2삭감의 숨은 카드라고 생각되었던 디젤엔진이 배기가스규제 강화에 의해 입장이 이상하게 되어 버렸다.

자동차의 연비는 각 국의 주행모드를 사용하여 연비를 계측하고, 그 것이 카달로그 연비로 공표된다. 따라서 실제 노상주행의 연비연비와는 일치하지 않는 경우가 많고, 그 수치에 각종 보정을 추가하는 미국을 제외하고, 카달로그 연비와 실용연비의 괴리가 문제가 되어 있다. 배기가스에 대해서도 같은 문제가 지적되고 있다. 특히 디젤엔진의 NOx치가 노상주행에서는 크게 증가하는 경향이 있다.

한편, 전기자동차는 주행 중에 배기가스를 발생하지 않으므로 Zero Emission으로 간주하여, 발전소에서의 CO2 배출량은 무시되거나 과소평가되는 규제가 세계 중에서 채용되고 있다. 특히 유럽에서는 충전주행시의 CO2배출량은 Zero로 계산되고, CAFE에도 그 수치가 사용된다. 그래서 50Km의 충전주행이 가능한 PHEV차는 CO2배출량이 1/3로 산출된다고 하여, 연비가 나쁜 고급차의 우회(회피)수단이 되고 있다.  

■ 배기가스 규제와 WLTP, RDE의 도입
이러한 배기가스와 연비규제가 실제의 자동차의 사용상태를 나타내지 못하거나, 발전소의 CO2배출을 무시하는「잘 못된 규제」라고 할 수 밖에 없는 상황이 되어 있다. 이러한 상황의 영향도 있다고 생각되지만, 폭스바겐이 디젤엔진의 배기가스규제에 대하여 배기가스 측정 시 이외는 배기정화시스템을 작동시키지 않은 부정을 일으킨 것이 발각되어 큰 문제가 되었다.

한편, 각 국은 제멋대로인 배기가스 시험을 통일하고자 하는 움직임으로, 세계공통의 배기가스 시험측정법인 WLTP가 제안되어 유럽과 일본에서 도입이 예정되어 있다. 충분하다고는 할 수 없지만, 배기가스 시험과 실제의 노상주행의 괴리가 많이 개선될 것이다. 게다가 실제로 노상 주행하는 배기가스시험인 RDE가 유럽에서 실시될 예정이다.

배기가스와 CO2 삭감을 위한 엔진기술은, 이들 측정법에 따라 그 효과가 달라지기 때문에, 규제와 측정의 구체적인 방법의 결정은 엔진기술의 방향에 크게 영향을 주게 된다. 일본의 CVT와 하이브리드, 유럽의 과급 다운사이징의 보급의 차이는, 주행모드(일본은 JCO8, 유럽은 NEDC)의 영향을 부정할 수가 없다. 정책적으로 왜곡된 PHEV의 계산법의 영향으로, 유럽메이커로부터 PHEV가 계속 도입되는 것은 장래에 화근을 남겨 둘 것이다.     

■ SKYACTIVE의 등장
이러한 주행모드나 규제의 동향에 관계없이, 실제의 차의 사용상태에 초점을 맞추어 자동차를 개발한 메이커가 존재한다. 히로시마에 거점을 두고 있는 마쯔다는 각 국의 주행모드에 관계없이 실용연비의 향상에 주력한 결과, 하이브리드도 아니고 과급다운사이징도 아닌 독자의 기술을 개발했다. 그것이 세계를 놀라게 한 용적비 14의 SKYACTIVE-G와 D이다. 2010년에 발표된 이 기술의 상세는 본문 중에 소개한다.

마쯔다의 SKYACTIVE-G와 D의 등장으로, 향후의 연비향상은 전동화 밖에는 없다는 국내의 분위기가 분명하게 바뀌었다. 어떠한 하이브리드라고 해도, 연료를 연소해서 기계적인 에너지로 변환하는 것은 엔진이다. 그 효율이 높아지면 하이브리드 연비도 향상된다.

마쯔다의 주장으로는, 최초에 엔진의 열효율을 극한까지 높이면 전동이 필요하게 되는 곳은 저 부하의 일부의 운전영역 뿐이다. 그 결과 전동을 사용하는 곳은 회생브레이크와 저 부하에 한정되기 때문에, 전동계가 작아지고 저 코스트, 즉 마일드 하이브리드이든 스트롱 하이브리드에 필적하는 연비가 달성된다.  

스트롱 하이브리드에 적용하기 위해 최고 열효율 점의 열효율 향상에 주력하는 도요타를 주축으로 하는 흐름과, 마일드 하이브리드에 적용하기 위해 저·중 부하를 포함한 열효율 향상을 시키는 두 가지 엔진기술의 흐름이 만들어졌다. 후자의 흐름의 하나로, 배기량당의 토르크 증대 일변도였던 과급다운사이징은, 배기량을 적정하게 하고 토르크도 적당하게 하면서 용적비를 높이는 Right Sizing의 방향으로 움직이기 시작했다.

한편, 배기가스를 발생시키지 않는다는 EV, FCV가 주목을 받고 있지만, 반드시 그들이 CO2 배출량의 저감으로 이어지지는 않는다. 조건에 따라서는 역으로 CO2 배출량을 증가시키는 경우도 있다. 상세한 것은 본문을 참고바라며, 하이브리드로서의 전동화는 착실하게 진전하겠지만, 엔진이 없어지지 일은 일어나지 않을 것이다.     


제1장 엔진의 원리와 진화

제2장 엔진은「열효율」로 말한다

제3장 「보통의 엔진」이「과급 다운사이징」을 말하는 시대

제4장 진화를 계속하는 휘발유 엔진

제5장 진화를 계속하는 디젤 엔진

제6장 트랜스미션의 최신동향

제7장 「전기」의 새로운 사용방법

제8장 열효율의 경쟁이 시작된 모터스포츠

제9장 보이기 시작한 차세대 엔진

    -- 끝 --