일본산업뉴스요약

EV 실속으로 엔진이 재평가
육지용 동력원으로 하늘을 나는 가와사키 모터스

엔진의 기술 개발이 재미있어지기 시작했다. 최근 몇 년, 이른바 ‘EV 시프트’로 전기자동차(EV)와 그것을 지지하는 요소 기술이 세간의 시선을 모으는 반면, 엔진은 마치 시대에 뒤떨어진 것 같은 부당한 비난을 받고 있었다. 그것이 EV 판매의 실속(Stall)을 계기로, 세상에서 엔진이 재평가 받고 있다.

‘Prepare for Take-off(이륙 준비는 끝났다)’. 가와사키 모터스(효고현)가 제작한 플라이트 태그에는, 2륜차의 모습과 함께 이렇게 새겨져 있다. 플라이트 태그는 항공기의 안전장치 등에 부착하는 표시가 되는 태그를 말한다. 가와사키 모터스에서 ‘하늘’은 동경의 대상이다. 2륜차나 4륜 버기차로 ‘육지’ 제품을, 수상 오토바이 ‘제트스키’로 ‘바다’ 제품을 취급하고 있지만 육상과 해상에서 이륙하는 제품을 갖고 있지 않기 때문이다.

그 가와사키 모터스가 왜 플라이트 태그를 만들었는가 하면, 무인항공기 개발을 노리고 있기 때문이다. 기체의 동체 아래에 카고 케이스(수송 상자)를 설치해 250kg 혹은 500kg의 탑재 질량(페이로드)을 갖는 2개의 무인항공기 설계를 구상하고 있다. 용도는 물자의 수송이다. 낙도로 물건을 옮기거나 기상 조건이 나쁠 때나 재해 발생시 등 다른 수송 수단을 사용할 수 없는 경우에 물자를 수송하는 용도를 검토/제안하고 있다. 이를 위해 항속거리는 2000km 및 2700km로 비교적 길게 설정할 생각이다.

그리고 가와사키 모터스가 채택한 독특한 점이 그 동력원에 자사의 주력 제품인 2륜차 엔진을 채택하는 것이다. 풍부한 기술과 지식을 가지고 있고 사람, 물건, 금과 같은 자원도 충분히 있다. 무엇보다 공장(생산라인)이 있고 공급망(공급망)도 정비돼 있다. 그렇다면 이것을 활용하지 않을 이유가 없다. 그래서 가와사키 모터스는 육지를 달리는 2륜차의 엔진으로 하늘을 날기로 결정한 것이다. 발안자는 회사의 수장인 이토(伊藤) 사장이라고 한다.

-- 이륜차용 엔진을 선택 --
무인항공기의 동력원으로 선택한 것은 기계구동 원심식 과급기(슈퍼차저)를 탑재한 2륜차용 가솔린 엔진이다. 구체적으로는 'Ninja H2R’에 탑재한 엔진을 기반으로 무인항공기용으로 최적화한다. 다만, 설계를 크게 바꾸면 개발 비용이 증가하는 데다 생산라인도 수정해야 해서 초기 비용이 크게 증가한다. 그렇게 되면 비즈니스의 매력이 사라진다. 그래서 기존의 설계나 설비를 가능한 한 유용하기 위해서 흡기밸브나 배기밸브, 캠샤프트 등 밸브계는 변경하지 않고 그대로 사용하기로 했다.

2륜차용은 배기량이 약 1L(998cc)인 직렬 4기통 엔진이다. 피스톤의 내경(보어)은 76mm이며, 행정(스트로크)을 55mm로 설계. 이를 통해 228kW(310마력(PS))의 최고 출력과 1만4000rpm의 최고 회전수를 실현했다.

무인항공기용 엔진에서는 피스톤의 보어 크기를 76mm 그대로 유지하는 한편, 스트로크를 76mm까지 연장한다. 이를 통해 보어와 스트로크가 1대 1(보어 스트로크비가 1)인 스퀘어 스트로크(스퀘어)로 한다.

주행할 때의 반응을 중시하기 때문에 2륜차에는 고회전수이면서 고출력의 엔진이 필요하다. 이를 충족시키려면 피스톤의 행정이 보어 크기보다 짧은 쇼트 스트로크로 설계하는 것이 학설이다. 하지만 그 반면에 연비가 악화돼 항공기용 엔진의 특성에 맞지 않는다. 그래서 스퀘어가 될 때까지 스트로크를 늘려 연비 특성을 개량한다.

스트로크를 늘린 데에는 출력을 높이고자 하는 목적도 있다고 한다. 그럼에도 무인항공기용으로는 출력이 아직 부족하다. 그래서 기통을 2개 추가한 6기통 엔진으로 설계. 이러한 아이디어를 추가해 배기량을 약 2L(2070)까지 크게 하여, 출력을 280kW(380PS)까지 끌어올린다.

-- 엔진이 최적 --
회전수도 변경한다. 2륜차 전용은 최고 회전수가 1만 4000rpm이나 된다. 하지만 이를 그대로 무인항공기에 적용하면 내구성이 부족하다. 그래서 최고 회전수를 8500rpm으로 60%까지 내린다. 그리고 이 회전수는 감속기를 통해 2600~2800rpm으로 프로펠러를 돌리게 된다. 이렇게 해서 무인항공기에 요구되는 내구성을 충족시킨다.

250kg이나 500kg 같은 무거운 물자를 어느 정도 긴 거리를 수송하는 기체에는 역시 엔진을 선택하는 것이 최적이다. 2차전지와 모터로 프로펠러를 돌리는 드론 같은 기체에서는 항속거리가 짧아진다. 항속거리를 늘리려면 탑재하는 2차전지의 용량을 크게 할 수밖에 없는데, 그렇게 되면 수송 용도의 기체로서 기능하는 것이 어려워진다.

그리고 엔진 중에서도 2륜차용 엔진에는 우위성이 있다. 가벼우면서도 고출력이라는 특징을 갖췄기 때문이다. 이는 가와사키 모터스가 전개하는 파워스포츠&엔진 분야에서의 기술 개발 덕택이다. “보다 가볍게 하면서 보다 높은 출력을 내기 위해 고정밀도의 시뮬레이션을 구사한 ‘한계 설계’에 도전해왔다”라며 자신감을 보인다. 아울러 가공 정밀도의 향상이 성능의 안정성을 가져오고 있다. 계획한 대로 치수를 완성함으로써 높은 정확도로 조립할 수 있기 때문이다. 이는 내구성 향상에도 기여한다.

현재의 계획은 2030년까지 형식 증명의 취득을 목표로 하는 한편, 2025년부터는 고객에게 시제용 엔진(샘플)을 제공하는 것이다.

-- 일본은 자신 있는 분야에서 승부해야 한다 --
탄소중립(온실가스의 실질적인 배출량을 제로로 하는 것)에 대한 대응에서는, 다행(?)이라고 해야 할지, EV 시프트에 수정이 걸리는 가운데 지금은 에너지 분야에서 합성연료나 바이오 연료 등의 개발이 진행되고 있다. 이 개발에 따라서는 앞으로 그대로, 혹은 미세 조정 정도로 엔진을 사용할 수 있게 될지도 모른다.

가와사키 중공업 그룹은 미래의 에너지원으로서 수소에 주목하고 있으며, 수소 활용을 목표로 한 기술 개발에 주력하고 있다. 그 방침과 보조를 맞추기 위해 가와사키 모터스도 이 무인 항공기 전용으로 수소 엔진도 개발하고 있다.

이것도 우선은 2륜차 전용으로 기술을 확립한다. 2024년 7월 20일에는 스즈카 서킷(미에현)에서 양산 업체로서 세계 최초로 수소 엔진 2륜차의 공개 주행을 실시했다. 배기량이 약 1L(998cc)로 슈퍼차저가 장착된 직렬 4기통 엔진을 바탕으로, 수소연료를 기통 내에 직접 분사할 수 있도록 개량한 것이다.

가와사키 모터스는 이 2륜차용 수소엔진과 병행해 무인항공기용 기술개발을 진행해 나간다. 그리고 2035년까지 형식 증명 취득을 목표로 하는 한편, 2029년부터는 고객에게 시제용 엔진을 제공할 계획이다.

탄소중립 시대의 동력원은 아직 확정되지 않았다. 예를 들면, 도요타자동차는 '예리한 엔진 기술'을 갖고 있다고 자신한다. 이는 도요타에만 국한되지 않는다. 일본에는 세계 최고의 엔진 기술이 있다. 그리고 그것을 지탱하는 부품이나 재료, 가공 등의 폭넓은 기술의 저변도 있다. 승부의 철칙은 특기 분야를 늘리는 것이다. 탄소중립 시대에도 그것은 불변의 원칙이라고 생각한다.

 -- 끝 --

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