일본산업뉴스요약

닛산, 시리즈 HEV 전략의 핵심 기술은 엔진
차세대 엘그란드, 열효율 42%

닛산자동차는 엔진을 하이브리드차량(HEV)의 성능 향상을 실현하는 핵심 기술로 삼고 있다. 열 효율을 42%로 높인 새로운 모델을 HEV 기술 ‘e-POWER’에 채택해 HEV 시장에서의 반격을 도모한다는 전략이다. 국내에서는 2026년 여름에 출시 예정인 신형 ‘엘그란드(Elgrand)’부터 탑재한다. 전기자동차(EV) 시프트의 정체는 전략적 오산이었지만, 엔진 개발을 중단하지 않고 지속해 온 성과들을 HEV에 활용해 경영 재건으로 이어 나갈 방침이다.

“전동화가 진행되고 있는 가운데에서도 엔진 기술은 닛산만의 색의 원천으로 유지한다”. 닛산은 2025년 12월, e-POWER용 엔진이 일본연소학회의 ‘기술상’을 수상했다는 보도자료를 발표하며 이렇게 강조, EV 시프트 기간에도 엔진 개발을 멈추지 않고 추진해 온 성과를 어필했다. 유럽위원회가 엔진 차량의 신차 판매 금지 방침을 철회하는 등, 당분간 엔진이 필수인 시장 동향이 예상된다. 닛산은 엔진 기술의 성과를 알려 엔진 회귀의 흐름에 대응할 수 있다는 것을 피력하고 있다.

닛산의 엔진 전략의 핵심은 e-POWER 탑재 차량이다. 앞으로 닛산의 전체 엔진 라인업에서 e-POWER용 엔진 비중을 높여 나갈 방침이다.

현재 닛산은 과도하게 늘어난 엔진의 종류를 정리하고 있다. 2020년에는 e-POWER 차량용을 4종류, 엔진 차량용을 45종류 양산했다. 2030년에는 e-POWER 차량용은 3종류로 줄이고, 엔진 차량용은 16종류로 크게 축소할 방침이다.

닛산은 2025년에 3세대라고 불리는 최신 e-POWER가 탑재된 차량 출시를 유럽에서 개시했다. 2026년에는 신형 엘그란드에 채택한다. 3세대로의 진화 과정에서 중요한 역할을 한 것은 엔진의 열 효율을 2세대의 39%에서 42%로 끌어올린 것이다. 모터를 포함한 전동 액슬의 전달 효율은 80% 이상으로 높다. 연비를 개선하려면 상대적으로 효율이 낮은 엔진에 손을 대는 것이 효과적이라고 닛산은 판단했다.

e-POWER의 특징은 시리즈 방식을 채택했다는 점이다. 엔진은 발전 전용으로 사용되며, 전 주행 구간을 모터로 구동한다. 엔진을 발전뿐 아니라 구동에도 활용하는 도요타와 혼다의 시리즈 병렬 방식에 비해, 간단한 구성으로 하기 쉽다는 것이 특징이다.

시리즈 방식은 EV 구동 장치에 엔진과 발전기를 추가하는 구성이지만, EV 부품을 공용하기 쉽다는 장점도 크다. 닛산은 3세대 e-POWER의 모터와 인버터를 EV와 공용함으로써 “부품 및 제조 코스트를 줄일 수 있다”(닛산)라고 한다.

한편, 고속 주행 시의 연비 성능에서 시리즈 병렬 방식에 뒤처지는 측면이 있어 시리즈 방식을 채택하는 기업이 최근 늘지 않고 있다. 사외뿐만 아니라 닛산 내에서도 시리즈 방식의 장래성을 의문시하는 시각이 있었다. 닛산은 3세대 e-POWER로 시리즈 병렬 방식에 뒤처지지 않는 연비 성능을 실현해 시리즈 방식에 대한 의구심을 해소하려 노력했다.

e-POWER 차량용 엔진의 특징은 기능을 발전에만 한정함으로써 엔진의 운전 조건 범위를 효율적인 영역으로 제한하고, 가능한 한 고정점 운전(발전 전용 엔진을 가장 열 효율이 높은 일정 회전 수와 토크로 동작시키는 기술)으로 해 열 효율을 높인 점이다. 발전에 특화함으로써 주행 중에도 회전 수와 토크를 동일한 상태로 유지할 수 있다. 회전 수는 2,000~3,000rpm 정도이다.

-- 발전 성능을 높여 열 효율을 50%로 --
닛산은 앞으로 엔진의 발전 성능을 더욱 향상시켜 나갈 방침이다. 구동력에 사용하지 않음으로써 불필요한 기능 및 장치를 없애는 등, 더욱 효율을 높여 “엔진의 궁극을 구현한다”(닛산)라는 것을 목표로 하고 있다.

발전 ‘특화형’이란 개념을 3세대보다 먼저 도입한 것이 2022년에 발표한 ‘세레나(SERENA)’의 e-POWER 차량에 탑재한 배기량 1.4L의 직렬 3기통 엔진 ‘HR14DDe’이다.

HR14DDe는 예를 들어, 스타터 설치를 상정하지 않은 설계로 했다. 일반 엔진 차량은 스타터를 이용해 엔진에 시동을 건다. e-POWER 차량은 발전기로 엔진을 가동하는 방식을 채택해 스타터를 없앴다. 스타터를 없앰으로써 그 공간으로 인해 발생하는 아래로의 처짐을 없애는 동시에, 엔진과 구동용 모터의 결합부의 강성을 높일 수 있었다.

연소 효율을 높일 수 있도록 크게 롱 스트로크로 한 것도 HR14DDe의 특징이다. 기존의 직렬 3기통 1.2L 엔진 ‘HR12DE’와 실린더 보어(내경)는 동일하게 유지하면서 스트로크를 83.6mm에서 100mm로 늘려 배기량을 235cc 확대했다. 스트로크와 보어 비율이 1.28로 상당히 크다. 일반적으로 1.0을 넘으면 롱 스트로크라고 불린다.

일반적으로 롱 스트로크로 하면 회전 수를 높이기 어려워져 일반 엔진 차량의 경우, 주행 성능 면에서 악화된다. 반면, e-POWER는 구동력이 모두 모터에서 발생되기 때문에, 롱스트로크 방식이 주행 성능에 미치는 영향이 적다.

닛산은 3세대 e-POWER 차량용 엔진에 HR14DDe에서 채택한 기술과 함께 새로운 연소 컨셉을 도입했다. ‘STARC(Strong Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel)’이라고 불리는 연소 기술의 일부를 도입했다.

닛산은 이전부터 엔진 열효율을 50%로 높인다는 목표를 내세워 왔다. 그 실현의 핵심 기술 중 하나가 STARC 연소로, 실린더 내부 혼합기체의 흐름 및 점화를 강화하고, 희석한 혼합기체를 고압축비로 연소시켜 열 효율을 높이는 방식이다. 다양한 기술로 구성되어 있다. 닛산 관계자는 “STARC의 기술을 하나씩 시판 차량에 도입해 나갈 것”이라고 밝혔다. 3세대 e-POWER용 엔진에도 도입해 열 효율을 높였다.

열 효율 향상에는 대량의 배기가스 재순환 장치(EGR)와 밀러 사이클도 기여했다. 배기가스를 실린더에 되돌리는 EGR은 흡기(吸氣)의 25~30%라는 높은 비율로 되돌린다. 대량의 EGR을 도입함으로써 연소 온도를 낮추고 냉각 손실 및 흡기 저항을 줄일 수 있다. 한편, 배기 손실은 커지지만, 냉각 손실 등 개선 효과가 더 크다고 한다.

EGR을 도입하면 화염 전파가 어려워져 안정적으로 연소되지 않는다. EGR 비율을 높이면서도 안정적으로 연소시키기 위해 도입한 것이 앞에서 언급한 STARC이다. STARC의 특징은 흡기부터 점화까지 실린더 내부에서 강한 텀블 플로우를 발생시켜 유지한다는 점이다. “상사점(피스톤이 완전히 늘어났을 때의 위치)까지 텀블 플로우를 유지할 수 있다”(닛산)라고 한다.

텀블 플로우를 강화하고 이를 유지하기 위해 고안한 것이 피스톤의 형태다. 연소실 하부에 해당하는 피스톤의 관면(冠面) 형태를 곡선으로 만들어 움푹 들어가게 했다. 연소실 상부에 있는 실린더의 윗면도 동일한 형태로 했다. 이를 통해 텀블 플로우를 강화해 비교적 긴 시간 유지하고, 더 나아가 플러그 주변에 혼합기체를 모을 수 있게 되어 안정적인 점화로 이어졌다. 닛산은 “점화 직전, 점화 플러그 부근에 적절한 속도의 혼합기체를 모을 수 있는 연소실 형태가 되었다”라고 설명한다.

조기 흡기밸브 닫힘 밀러사이클도 개선해 더욱 빨리 닫히도록 했다. 흡기 밸브를 열어 흡기할 때, 밸브를 닫는 타이밍을 앞당기면 실린더 내부에 남아 있는 가스 양이 줄어 부하가 높을 때 발생하는 노킹(비정상 연소)을 억제할 수 있다.

한편, 밸브를 빨리 닫을수록 혼합기체가 적어져 출력을 올리기 어려워진다. 닛산은 터보차저의 터빈 직경을 크게 해 대량의 공기를 엔진에 공급할 수 있도록 했다.

터빈의 직경을 크게 하면 엔진 출력 상승 속도가 늦어지는 ‘터보 랙’이 커진다. 엔진 차량의 경우에는 가속 성능이 악화되지만, 엔진의 구동력을 직접 사용하지 않는 e-POWER 차량의 경우, 큰 영향을 받지 않는다. 실제로 터보 랙이 발생하면 발전량이 감소하지만, 그만큼 배터리로 보충할 수 있어 모터의 가속에는 실질적인 영향을 주지 않는다고 한다.

닛산은 고속 주행 시, 특히 연비가 악화되는 문제 개선에도 주력했다. 예를 들어, 최고 열 효율에 도달하는 토크를 향상시켰다. “엑셀을 다소 밟아도 엔진 효율이 높은 구간에서 작동한다”(닛산)라고 한다. 열 효율은 2세대의 39%에서 42%로 향상되었으며, 저속에서 고속까지 포함된 WLTC 모드 연비는 9% 개선되었다.

-- 린번이 핵심 --
그렇다면 최종 목표인 50%까지 앞으로 어떻게 끌어올릴 것인가? 닛산의 전 임원은 “45%까지는 다른 자동차 회사들도 가능할 것이다. 45%부터 승부처가 된다”라고 말한다. 나머지 5%는 희박연소(린번)와 폐열 회수, 마찰 감소를 통해 실현할 계획이라고 한다.

특히 어려운 것이 린번이다. 린번이란, 연료와 산소가 적절하게 반응하는 이론 공연비(공기 과잉률 λ=1, 화학양론)보다도 공기 과잉인 공연비로 연소시키는 기술을 말한다. 열 효율 향상에는 린번이 유리하다. 하지만, 배기가스에 포함된 공기량이 많아지기 때문에, 질소산화물(NO_x) 등을 제거하는 삼원 촉매가 효과를 발휘하지 못한다.

연비와 코스트를 낮추면서 강화되는 배기가스 규제에 대응하려면 “배기가스의 후처리 기술을 향상시키지 않으면 안 된다”(닛산의 전 임원). 닛산은 앞으로 린번을 통한 열효율 향상과 배기가스 처리를 양립할 수 있는 기술을 개발해 나갈 계획이다.

닛산은 향후, 배터리의 진화를 통해 엔진의 완전한 고정점 운전 실현을 목표로 하고 있다. 발전기로서 엔진 효율의 궁극을 추구한다. HEV의 중요성이 커지고 있는 시장에서 HEV의 진화가 닛산의 경영 재건을 좌우할 것으로 보인다.

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