닛케이 Automotive_25.9호 (P43~47)

고속 연비에서 혼다 뛰어넘어
Part 2. 닛산의 신형 e-POWER

닛산자동차가 하이브리드차(HEV)기술 ‘e-POWER’의 최신 버전으로 혼다의 HEV 연비를 뛰어넘을 것으로 전망된다. 닛산은 이번에 새로운 엔진을 개발해 e-POWER의 약점이었던 고속 주행 시 연비를 15% 개선했다. 미국에서는 제로에미션차량(ZEV) 규제가 철회될 것으로 예상되면서 HEV 판매가 중요해지고 있다. 닛산은 신형 e-POWER를 올 후반부터 투입해 경영 재건의 비장의 카드로 내세울 계획이다.

신형 e-POWER는 3세대로, 유럽용 SUV ‘Qashqai’를 시작으로 일본 및 북미에서 판매된다. 북미에서 HEV 판매가 늘고 있음에도 불구하고, 닛산은 e-POWER를 투입하지 못하고 있었다. 이것이 닛산이 직면한 어려움의 가장 큰 요인 중 하나라고 알려져 있다. 닛산은 연비 성능을 높인 이번 신형 e-POWER의 투입으로 미국 시장에서의 판매 회복을 도모할 방침이다.

e-POWER의 진화는 HEV 방식의 판도에서 열세였던 시리즈방식(직렬방식)의 반격으로 이어질 가능성이 있다. 시리즈방식은 엔진으로 발전해 모든 주행 영역을 모터로 구동하는 것이다. 엔진을 발전뿐 아니라 구동에도 활용하는 도요타나 혼다의 시리즈패러렐(Series Parallel, 병렬)방식에 비해 간단한 구성으로 만들기 쉽다는 것이 특징이다.

또한, 전기자동차(EV)의 구동 장치에 엔진과 발전기를 추가하는 구성으로 되어 있어 EV에서 부품을 유용하기 쉽다. 닛산은 3세대 e-POWER의 모터와 인버터를 EV와 공용함으로써 “부품 및 제조 코스트를 줄였다”(닛산)라고 설명한다.

한편, 특히 고속 영역의 연비 성능에서 시리즈패러렐방식에 뒤처지는 측면이 있어 시리즈방식을 채택하는 기업이 최근 늘지 않았다. 사외뿐 아니라 닛산 내에서도 시리즈방식의 미래성을 의문시하는 시각도 있었다. 닛산은 3세대 e-POWER로 시리즈패러렐방식의 연비 성능을 앞설 수 있다면, 시리즈방식에 대한 의구심을 불식시킬 수 있을 것으로 판단했다.

-- 고속 연비에서 차이 --
닛산은 3세대 e-POWER에서 고속 주행 시 연비 성능을 15% 크게 향상시켰다. 고속 연비는 지금까지 시리즈방식의 약점으로 지적되어 온 것으로, 고속 영역에서 모터 등 에너지소비가 늘어나는 데 기인한다.

시리즈패러렐방식을 채택한 도요타나 혼다는 고속 영역에서 상대적으로 효율이 높은 엔진의 구동력을 활용함으로써 연비 저하를 억제하고 있다. 닛산은 새로운 전동액슬 채택과 모터제어기술을 통한 효율 개선, 더 나아가 모터에 전력을 공급하는 엔진의 효율을 높임으로써 고속 주행 시 연비를 향상시켰다.

2세대e-POWER가 탑재되어 있는 'X-TRAIL'의 WLTC 모드 고속 연비는 19.7km/L로, 이것을 3세대로 교체하면 단순 계산으로 22.7km/L가 된다. 혼다의 HEV 기술 ‘e:HEV’가 탑재된 ‘ZR-V’의 WLTC 모드 고속 연비 21.7 km/L를 상회하는 것이다.

고속 연비가 향상되면 고속 주행이 많은 유럽이나 북미에서 판매가 늘어날 가능성이 높아진다. 현재는 저속 주행 구간이 많은 일본에서의 판매가 약 80%로 대부분을 차지한다.

-- 연비 개선에 STARC 연소 --
닛산이 고속 연비를 개선하기 위해 개발한 것이 새로운 가솔린 엔진이다. 모터를 포함한 전동액슬의 전달 효율은 80% 이상으로 높아, 연비 개선에는 효율이 낮은 엔진에 착안하는 것이 성장할 여지가 있다고 닛산은 판단했다. 고속 주행 시의 배터리 잔량은 거의 제로로, 엔진으로 발전한 전력은 그대로 모터로 가기 때문에 엔진의 효율 향상이 시스템 전체의 효율 향상으로 직결된다.

이번에 개발된 엔진은 주로 대형차량용을 상정한 배기량 1.5L의 직렬 3기통 가솔린 터보 엔진으로, 일본 시장에서는 X-TRAIL이나 차기 ‘Elgrand’로의 탑재를 상정하고 있다. 2세대에서도 1.5L의 직렬 3기통 터보였지만, 내연기관차의 것을 베이스로 개발했다.

이번 새 엔진은 내연기관차량에서의 사용을 상정하지 않고, 발전 기능에 특화된 e-POWER 전용 엔진으로 개발했다. 생산은 요코하마공장에서 현행의 X-TRAIL 엔진과 같은 라인에서 이루어진다. 생산 설비를 유용하기 위해 보어피치(인접한 기통의 중심간 거리)는 기존과 동일하게 했다.

새 엔진은 발전에 특화되어 있어 일정한 회전수와 토크로 동작하는 '정점운전'을 중시한 것이 특징이다. 부하 변동을 억제해 열효율을 높이기 쉽다. 열효율은 2세대의 39%에서 42%로 향상, 저속에서 고속까지 포함한 WLTC 모드의 연비는 9% 개선했다.

고속 주행 시 연비 개선에는 최고 열효율에 도달하는 토크를 향상시킨 것도 기여했다. 닛산 파워트레인·EV기술개발본부의 와타나베(渡辺) 시니어파워트레인주관은 “액셀을 다소 밟았을 때에도 엔진의 효율이 높은 영역에서 동작시킬 수 있다”라고 말한다.

열효율 향상에는 대량의 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환)과 미러사이클도 기여했다.

EGR에 대해서는 흡기의 25~30%라는 높은 비율로 주입. 대량의 EGR을 주입함으로써 연소 온도를 낮추고, 냉각 손실 및 흡기 저항을 줄일 수 있다. 한편, 배기 손실은 커지지만 냉각 손실 등의 개선 효과가 더 크다고 한다.

EGR을 주입하면 화염 전파가 잘 되지 않아 안정적으로 연소되기 어렵다. EGR률을 높이면서 안정적으로 연소되도록 하기 위해 도입한 것이 2021년에 발표한 닛산의 독자적인 연소 기법 ‘STARC(Strong Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel)’이다. 특징은 흡기에서 점화 시점까지 기통 내에서 강한 텀블 플로우를 발생시켜 유지하는 것이다. 닛산의 와타나베 주관은 “상사점(피스톤이 다 성장했을 때의 위치)까지 텀블 플로우를 유지할 수 있다”라고 말한다.

텀블을 강화하고 이를 유지하기 위해 닛산이 고안한 것이 피스톤의 형상이다. 연소실의 아래쪽에 해당하는 피스톤의 관면(冠面) 형상을 만곡(彎曲)시켜 움푹 패이게 했다. 연소실의 상측에 있는 기통의 헤드(상면)도 같은 형상으로 했다. 이를 통해서 텀블이 강화되어 비교적 오랜 시간 유지하고, 더 나아가 플러그 부근에 혼합기를 모을 수 있게 되어 안정적인 점화로 이어졌다. 와타나베 주관은 “점화 직전의 타이밍에 점화 플러그 부근에 적절한 속도의 혼합기를 모을 수 있는 연소실 형상이 만들어진다”라고 말한다.

-- 미러사이클의 결점을 직경이 큰 터보로 보완 --
흡기밸브를 닫는 미러사이클도 더 빨리 닫힐 수 있도록 했다. 흡기밸브를 열어 공기를 흡입할 때, 밸브를 닫는 타이밍을 앞당김으로써 기통 내 잔류가스의 양을 줄이고, 부하가 높을 때의 노킹(이상연소) 발생을 억제할 수 있다.

한편, 밸브를 빨리 닫을수록 혼합기가 적어져 출력을 올리기 어려워진다. 닛산은 터보차저(Turbocharger) 터빈의 직경을 크게 함으로써 많은 양의 공기를 엔진에 보낼 수 있도록 했다.

터빈의 직경을 크게 하면 엔진 출력 증가에 시간이 걸리는 '터보랙(Turbo Lag)'이 커진다. 엔진차량의 경우 가속 성능이 악화되지만, 엔진의 구동력을 직접 사용하지 않는 e-POWER 차량에서는 영향이 작다. 실제로 터보랙이 발생하면 발전량이 작아지지만, 그 만큼 배터리로 보충할 수 있어 모터의 가속에는 실질적으로 영향을 주지 않는다고 한다.

-- '엔진 직결' 시스템이 주도권 --
고속 연비가 향상된 시리즈방식의 등장은 HEV 방식의 판도에서 열세였던 상황을 만회할 가능성이 있다. 최근 개발된 HEV에서 시리즈방식은 적어지고 있으며, 구미나 중국의 기업들이 시리즈패러렐방식 개발에 주력하고 있다.

리서치 전문기업 MarkLines이 발표한 2024년 제조사별 HEV 판매 대수를 살펴보면, 상위 4개 사 가운데 시리즈방식을 채택한 곳은 없다. 선두에 있는 도요타와 2위 혼다, 4위 프랑스의 르노는 시리즈패러렐을 채택. 3위인 현대자동차는 패러렐방식이다. 닛산은 2018년에 3위였지만, 5위로 밀려났다.

닛산과 자본 관계를 가지고 있는 르노는 듀얼모터방식 'E-TECH HYBRID'를 개발, 같은 차격의 e-POWER 차량보다 고속연비가 뛰어나다.

-- 최종 목표 50%는 린번으로 --
닛산은 e-POWER용 엔진의 개선을 더욱 추진해 연비 성능을 높여나갈 방침이다. 최종 목표로 열효율 50%를 내걸고 있다. 향후, 철저한 마찰 저감과 희박연소(린번), 폐열 회수 등의 기술을 도입할 계획이다. EV의 수요 부진으로 HEV의 중요성이 증가하는 가운데, e-POWER의 진화는 닛산의 경영 재건을 좌우할 것으로 보인다.

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목차_닛케이 AUTOMOTIVE_25.9호

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Part 1. EV에서 HEV로
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Part 2. 닛산의 최신 e-POWER
고속 연비에서 혼다를 뛰어넘어
Part 3. EV 혼류 생산에 대비
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Part 5. 지리의 PHEV
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Market Watch
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독자로부터
SDV 특집이 구체적이고 알기 쉬웠다

편집실로부터
편집실로부터 2025년 9월호

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