최근 우리나라는 글로벌 자동차 산업의 환경 및 안전 규제 강화에 대응하고 세계 최고의 기술 경쟁력을 확보하기 위하여 핵심 부품 고도화 및 미래 자동차 요소 기술 개발에 집중 투자하고 있다. 특히 온실가스 배출량을 저감하여 기후변화에 대응하고 친환경차 분야의 경쟁력 확보를 통해 미래 성장 동력을 확보하기 위한 그린카 기술개발도 열심히 추진하고 있다.
엔진 기반차의 경우 연료의 열량 중 60~65%에 해당하는 배기열(30~35%)과 냉각열(30%)이 외부로 버려지 버려지고 있다. 이 중에서 배기열을 효과적으로 활용하여 동력 재생을 통한 연비 향상 기술과 관련한 다양한 활용 기술인 터보 컴파운딩(Turbo Compounding) 기술, 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 기술, 열전(TEG, Thermo Electric Generator) 기술 등이 오토저널 2018년 4월호에 소개된 바 있다.
이에 더하여 최근에는 냉간 시동시 발생하는 HC의 배출량과 저온 연비를 개선하는 폐열 에너지 활용 기술에 대한 연구도 진행되고 있다. 가솔린 엔진에서 대부분의 HC 배출은 냉간 시동(Cold Start)시에 발생하는데 FTP-75(Federal Test Procedure) 모드에 의한 배기가스 시험에서 HC 배출량의 60~80%가 시동 후 초기 1~2분 사이에 발생한다, 특히 외기 영하 7도인 조건에서는 초기 5분 정도 촉매(Catalyst)가 작동(Light-Off)되기 전에 HC 총 발생량의 95% 이상이 배출된다고 한다.
따라서 냉간 시동 구간에서의 HC 배출을 줄이기 위해서는 냉간 시동과 웜업 시기 동안의 HC 저감이 필요하며 하이브리드 차량 역시 냉간 시동 시 내연기관 차량과 같이 HC가 과다 배출된다. 물론 냉간 시동 시 초기에 배터리가 완충 조건인 경우에는 초기 시동 시 엔진 속도를 1,000rpm 이상 무부하로 빠르게 올릴 수도 있다. 하지만 대부분의 경우는 냉간 시동 시 바로 엔진도 작동하는 모드로 제어되므로 HC 배출량의 90% 이상이 초기 냉간 시동 구간에서 발생한다고 할 수 있다. 이를 개선하기 위해서는 삼원 촉매 장치 후단의 배기관에 배기 열 교환기를 설치하여 배기와 냉각수 및 엔진 오일 사이에 열교환을 하는 배기열 회수 장치가 필요하다. 외기의 온도가 낮은 상태이거나 또는 차량의 냉시동시 발생하는 유해 배출 가스를 저감하고 연비를 향상시키기 위해서는 엔진 냉각수 및 오일의 온도를 빠르게 가열할 필요가 있다.
아래의 <표 1>은 해외 주요 선진 메이커들이 개발한 폐열 회수 에너지 기술 사례를 정리한 것이다.
Valeo는 기존의 엔진 냉각수를 사용하는 온수식 히터의 전단에 EGR Cooler를 두어 엔진 냉각수 순환 루프를 엔진에서 EGR Cooler와 히터로 직렬 배치하여 엔진에서 가열된 냉각수를 EGR Cooler에서 EGR 가스로부터 다시 열을 회수하는 기술을 개발하였으며, Toyota와 Faurecia는 배기계에 배기열 회수 장치(Exhaust Heat Recovery Module)를 두고, 이를 통하여 엔진 냉각수가 배기 가스로부터 열을 회수함으로써 초기 엔진 냉각수의 급속 웜업을 가져오는 기술을 선보이고 있다.
최대 3kW의 배기열을 회수한 냉각수를 엔진 및 ATF(Automatic Transmission Fluid) 열 교환기, 즉 기존의 오일 쿨러로 순환시키기 때문에 배기열 재순환 시스템이라고 한다. 배기열을 재순환시킴으로써 엔진 및 ATF의 급속 웜업(Fast Warm-up)을 가져와 엔진 열효율 향상 및 초기 ATF 온도가 낮을 경우의 높은 점도에 의한 마찰 손실을 줄여 저온 연비 향상을 가져올 수 있다. 포레시아 컴팩트 EHRS는 무게가 3kg 미만이며 최대 7%의 연료 절감 효과를 얻을 수 있다고 한다.
<그림 1>은 Toyota의 3세대 프리우스에 양산 적용된 배기열 재순환 시스템을 나타낸 것으로 엔진 냉각수가 히터를 거쳐 배기계의 배기열 회수 장치 모듈에서 엔진 냉각수를 웜업시켜 엔진으로 보낸다. 배기열 회수 장치 모듈에서 웜업된 엔진 냉각수로 엔진을 웜업시켜 저온연비를 향상시키는 기술이 적용되었다.
배기열 회수 장치 모듈은 모듈 입구의 냉각수 라인에 왁스 타입 엑츄에이터를 두었고, 이 엑츄에이터는 배기관 내의 배기 플랩이 연결되어 엔진 냉각수가 어느 정도 웜업이 될 경우 왁스 팽창에 의해 엑츄에이터가 작동하여 배기 플랩을 밀어 배기가 주류 쪽으로 빠져 더 이상의 열교환이 이루어지지 않도록 설계되어 있다.
GM은 ‘Automotive Waste Heat Recovery Project’로 10%의 연료소비율 향상을 목표로 DoE 지원 하에 GM Oak Ridge National Lab, RTI, Michigan 대학 등으로 산학연을 구축하여 <그림 2>와 <그림 3>에 나타낸 바와 같은 TEG 폐열 회수 시스템 기술을 개발하였으며 최적의 작동 온도 조건에서 TEG의 열 및 전기 인터페이스, 온도 균일성 및 전력 조절 기능을 개선하여 배기에서 약 425W의 전력을 생성할 수 있음을 확인하였다. TEG 시스템은 열전(TE : Thermo-electric) 모듈과 배기가스 측 열교환기로 이루어지는 TEG 모듈과 저온 냉각수 순환을 위한 전동식 워터펌프와 라디에이터로 이루어지는 TEG 냉각 모듈 그리고 전력변환 모듈로 이루어진다. TEG를 적용한 폐열회수기술은 BMW, BSST, Toyota, Ford, VW 등에서도 활발히 연구하고 있다.
Ford의 TEG 시스템은 4.6kg의 전열 물질에서 최대 400W의 전기가 생성되었으며 디젤 트럭 엔진에 적용한 Renault의 10x50x31cm TEG 시스템은 최대 1kW의 전기가 생성되는 것을 계산 결과로 확인되었다. 혼다의 경우에는 32×30×30cm TEG 시스템이 최대 500W의 전기를 생성할 수 있다고 한다.
<그림 4>는 Cummins의 Rankine Steam Cycle 방식의 폐열 회수 시스템이다. Cummins사는 Heavy Duty Truck을 대상으로 하고 있으며, 따라서 가솔린 차량보다 배기 가스 온도가 상대적으로 낮은 디젤 차량을 감안하여 배기열을 회수하기 위한 작동 유체로써 증발 온도가 낮은 R245fa를 선정하였다. 최종 재생 에너지는 터빈 축에 제너레이터를 장착하여 열 에너지를 기계적 에너지로 전환하고 다시 전기에너지로 전환하는 시스템이다. 작동 유체의 공급을 위하여 기계식 펌프와 전동식 펌프 두 개를 사용하여 압력과 유량을 제어함으로써 터빈으로 유입되는 스팀의 온도와 압력을 제어하였다.
<그림 5>는 BMW의 다양한 랭킨 사이클 구성도를 나타내고 있다. 레이아웃 3번은 엔진 냉각수와 배기 가스로부터 폐열을 회수하는 시스템으로 작동 유체는 하나로 직렬 연결한 시스템이다. 작동 유체는 엔진 냉각수 온도가 낮기 때문에 증발 온도가 낮은 에탄올을 선정하였다. 레이아웃 1번과 5번은 배기 가스와 엔진 냉각수로부터 폐열을 회수하는 시스템으로 배기 가스 측과 엔진 냉각수 측을 독립적으로 하는 2-Loop 시스템이다. 작동 유체는 배기 가스 측과 엔진 냉각수 측을 각각 물과 에탄올로 하는 등 다양한 레이아웃으로 기술을 개발하였으며 특히 1.8L급 가솔린 엔진에 Rankine Steam Cycle 방식의 폐열 회수 시스템 기술을 적용하여 연비 15%, 최대 출력 10kW, 최대 토크 20Nm가 증가하였다고 발표하였다.
VW은 1.2L급부터 3.0L까지 가솔린 GDI 엔진에 터보 과급을 이용한 폐열 회수 에너지 적용 엔진을 출시하여 적극적인 연비 개선을 추진하고 있으며, 디젤 엔진 수준의 CO2 배출을 목표로 추진 중에 있다. BMW는 폐열 회수 시스템이 적용된 1.6L급 및 3.0L급 GDI 터보 엔진 탑재 차량을 개발 중에 있으며 벤츠도 폐열 회수 시스템이 적용된 1.8L급 GDI 터보 엔진을 개발 중에 있다. GM 역시 폐열 회수 시스템이 적용된 소형 저연비를 실현 할 수 있는 1.4L급 GDI 터보 엔진을 개발 중이다.
국내에서도 수송용 차량 및 건설 장비 분야에서 랭킨 사이클을 이용한 기술 개발이 추진되었으며 H사의 경우 초대형 트럭 엔진에 랭킨 사이클 폐열 활용 기술을 적용하여 연비 개선 효과를 확인하였다. 또한 T-GDI 엔진을 장착한 가솔린 차량 및 하이브리드 차량에 터보 과급을 활용한 엔진 폐열 회수 에너지 기술을 적용하여 중부하 영역의 연비 개선 효과를 극대화하고, 터보 기술을 활용한 고부하 영역에서의 성능 증대를 동시에 달성함으로써 우수한 차량 연비 및 동력 성능을 확보하여 차량 상품성을 극대화 할 수 있는 GDI 터보 폐열 에너지의 능동적 활용 기술이 연구 중에 있다고 한다.
이에 더하여 최근에 (주)코렌스글로벌, (주)GMB, 한국기계연구원과 신라대학교가 컨소시엄을 구성하여 가변 압축비 기술(VCR), 배기가스 재순환 기술(EGR), 전동식 워터 펌프 및 오일 펌프 통합 제어 시스템 제작 기술 등을 융합한 최첨단 GDI 터보 기술을 개발하여 저온연비 5% 개선 및 유해 배기인 HC/CO 배출 저감율 3%를 달성할 수 있는 폐열 에너지의 능동적 활용이 가능한 융복합 부품을 2025년 상용화를 목표로 개발하고 있다. 이 기술은 우리나라의 폐열 회수 에너지 기술력이 해외 선진 경쟁 업체들의 기술력을 추월하고 선도할 수 있는 기반이 될 것이다.
* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2023년 3월호
최근 우리나라는 글로벌 자동차 산업의 환경 및 안전 규제 강화에 대응하고 세계 최고의 기술 경쟁력을 확보하기 위하여 핵심 부품 고도화 및 미래 자동차 요소 기술 개발에 집중 투자하고 있다. 특히 온실가스 배출량을 저감하여 기후변화에 대응하고 친환경차 분야의 경쟁력 확보를 통해 미래 성장 동력을 확보하기 위한 그린카 기술개발도 열심히 추진하고 있다.
엔진 기반차의 경우 연료의 열량 중 60~65%에 해당하는 배기열(30~35%)과 냉각열(30%)이 외부로 버려지 버려지고 있다. 이 중에서 배기열을 효과적으로 활용하여 동력 재생을 통한 연비 향상 기술과 관련한 다양한 활용 기술인 터보 컴파운딩(Turbo Compounding) 기술, 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 기술, 열전(TEG, Thermo Electric Generator) 기술 등이 오토저널 2018년 4월호에 소개된 바 있다.
이에 더하여 최근에는 냉간 시동시 발생하는 HC의 배출량과 저온 연비를 개선하는 폐열 에너지 활용 기술에 대한 연구도 진행되고 있다. 가솔린 엔진에서 대부분의 HC 배출은 냉간 시동(Cold Start)시에 발생하는데 FTP-75(Federal Test Procedure) 모드에 의한 배기가스 시험에서 HC 배출량의 60~80%가 시동 후 초기 1~2분 사이에 발생한다, 특히 외기 영하 7도인 조건에서는 초기 5분 정도 촉매(Catalyst)가 작동(Light-Off)되기 전에 HC 총 발생량의 95% 이상이 배출된다고 한다.
따라서 냉간 시동 구간에서의 HC 배출을 줄이기 위해서는 냉간 시동과 웜업 시기 동안의 HC 저감이 필요하며 하이브리드 차량 역시 냉간 시동 시 내연기관 차량과 같이 HC가 과다 배출된다. 물론 냉간 시동 시 초기에 배터리가 완충 조건인 경우에는 초기 시동 시 엔진 속도를 1,000rpm 이상 무부하로 빠르게 올릴 수도 있다. 하지만 대부분의 경우는 냉간 시동 시 바로 엔진도 작동하는 모드로 제어되므로 HC 배출량의 90% 이상이 초기 냉간 시동 구간에서 발생한다고 할 수 있다. 이를 개선하기 위해서는 삼원 촉매 장치 후단의 배기관에 배기 열 교환기를 설치하여 배기와 냉각수 및 엔진 오일 사이에 열교환을 하는 배기열 회수 장치가 필요하다. 외기의 온도가 낮은 상태이거나 또는 차량의 냉시동시 발생하는 유해 배출 가스를 저감하고 연비를 향상시키기 위해서는 엔진 냉각수 및 오일의 온도를 빠르게 가열할 필요가 있다.
아래의 <표 1>은 해외 주요 선진 메이커들이 개발한 폐열 회수 에너지 기술 사례를 정리한 것이다.
Valeo는 기존의 엔진 냉각수를 사용하는 온수식 히터의 전단에 EGR Cooler를 두어 엔진 냉각수 순환 루프를 엔진에서 EGR Cooler와 히터로 직렬 배치하여 엔진에서 가열된 냉각수를 EGR Cooler에서 EGR 가스로부터 다시 열을 회수하는 기술을 개발하였으며, Toyota와 Faurecia는 배기계에 배기열 회수 장치(Exhaust Heat Recovery Module)를 두고, 이를 통하여 엔진 냉각수가 배기 가스로부터 열을 회수함으로써 초기 엔진 냉각수의 급속 웜업을 가져오는 기술을 선보이고 있다.
최대 3kW의 배기열을 회수한 냉각수를 엔진 및 ATF(Automatic Transmission Fluid) 열 교환기, 즉 기존의 오일 쿨러로 순환시키기 때문에 배기열 재순환 시스템이라고 한다. 배기열을 재순환시킴으로써 엔진 및 ATF의 급속 웜업(Fast Warm-up)을 가져와 엔진 열효율 향상 및 초기 ATF 온도가 낮을 경우의 높은 점도에 의한 마찰 손실을 줄여 저온 연비 향상을 가져올 수 있다. 포레시아 컴팩트 EHRS는 무게가 3kg 미만이며 최대 7%의 연료 절감 효과를 얻을 수 있다고 한다.
<그림 1>은 Toyota의 3세대 프리우스에 양산 적용된 배기열 재순환 시스템을 나타낸 것으로 엔진 냉각수가 히터를 거쳐 배기계의 배기열 회수 장치 모듈에서 엔진 냉각수를 웜업시켜 엔진으로 보낸다. 배기열 회수 장치 모듈에서 웜업된 엔진 냉각수로 엔진을 웜업시켜 저온연비를 향상시키는 기술이 적용되었다.
배기열 회수 장치 모듈은 모듈 입구의 냉각수 라인에 왁스 타입 엑츄에이터를 두었고, 이 엑츄에이터는 배기관 내의 배기 플랩이 연결되어 엔진 냉각수가 어느 정도 웜업이 될 경우 왁스 팽창에 의해 엑츄에이터가 작동하여 배기 플랩을 밀어 배기가 주류 쪽으로 빠져 더 이상의 열교환이 이루어지지 않도록 설계되어 있다.
GM은 ‘Automotive Waste Heat Recovery Project’로 10%의 연료소비율 향상을 목표로 DoE 지원 하에 GM Oak Ridge National Lab, RTI, Michigan 대학 등으로 산학연을 구축하여 <그림 2>와 <그림 3>에 나타낸 바와 같은 TEG 폐열 회수 시스템 기술을 개발하였으며 최적의 작동 온도 조건에서 TEG의 열 및 전기 인터페이스, 온도 균일성 및 전력 조절 기능을 개선하여 배기에서 약 425W의 전력을 생성할 수 있음을 확인하였다. TEG 시스템은 열전(TE : Thermo-electric) 모듈과 배기가스 측 열교환기로 이루어지는 TEG 모듈과 저온 냉각수 순환을 위한 전동식 워터펌프와 라디에이터로 이루어지는 TEG 냉각 모듈 그리고 전력변환 모듈로 이루어진다. TEG를 적용한 폐열회수기술은 BMW, BSST, Toyota, Ford, VW 등에서도 활발히 연구하고 있다.
Ford의 TEG 시스템은 4.6kg의 전열 물질에서 최대 400W의 전기가 생성되었으며 디젤 트럭 엔진에 적용한 Renault의 10x50x31cm TEG 시스템은 최대 1kW의 전기가 생성되는 것을 계산 결과로 확인되었다. 혼다의 경우에는 32×30×30cm TEG 시스템이 최대 500W의 전기를 생성할 수 있다고 한다.
<그림 4>는 Cummins의 Rankine Steam Cycle 방식의 폐열 회수 시스템이다. Cummins사는 Heavy Duty Truck을 대상으로 하고 있으며, 따라서 가솔린 차량보다 배기 가스 온도가 상대적으로 낮은 디젤 차량을 감안하여 배기열을 회수하기 위한 작동 유체로써 증발 온도가 낮은 R245fa를 선정하였다. 최종 재생 에너지는 터빈 축에 제너레이터를 장착하여 열 에너지를 기계적 에너지로 전환하고 다시 전기에너지로 전환하는 시스템이다. 작동 유체의 공급을 위하여 기계식 펌프와 전동식 펌프 두 개를 사용하여 압력과 유량을 제어함으로써 터빈으로 유입되는 스팀의 온도와 압력을 제어하였다.
<그림 5>는 BMW의 다양한 랭킨 사이클 구성도를 나타내고 있다. 레이아웃 3번은 엔진 냉각수와 배기 가스로부터 폐열을 회수하는 시스템으로 작동 유체는 하나로 직렬 연결한 시스템이다. 작동 유체는 엔진 냉각수 온도가 낮기 때문에 증발 온도가 낮은 에탄올을 선정하였다. 레이아웃 1번과 5번은 배기 가스와 엔진 냉각수로부터 폐열을 회수하는 시스템으로 배기 가스 측과 엔진 냉각수 측을 독립적으로 하는 2-Loop 시스템이다. 작동 유체는 배기 가스 측과 엔진 냉각수 측을 각각 물과 에탄올로 하는 등 다양한 레이아웃으로 기술을 개발하였으며 특히 1.8L급 가솔린 엔진에 Rankine Steam Cycle 방식의 폐열 회수 시스템 기술을 적용하여 연비 15%, 최대 출력 10kW, 최대 토크 20Nm가 증가하였다고 발표하였다.
VW은 1.2L급부터 3.0L까지 가솔린 GDI 엔진에 터보 과급을 이용한 폐열 회수 에너지 적용 엔진을 출시하여 적극적인 연비 개선을 추진하고 있으며, 디젤 엔진 수준의 CO2 배출을 목표로 추진 중에 있다. BMW는 폐열 회수 시스템이 적용된 1.6L급 및 3.0L급 GDI 터보 엔진 탑재 차량을 개발 중에 있으며 벤츠도 폐열 회수 시스템이 적용된 1.8L급 GDI 터보 엔진을 개발 중에 있다. GM 역시 폐열 회수 시스템이 적용된 소형 저연비를 실현 할 수 있는 1.4L급 GDI 터보 엔진을 개발 중이다.
국내에서도 수송용 차량 및 건설 장비 분야에서 랭킨 사이클을 이용한 기술 개발이 추진되었으며 H사의 경우 초대형 트럭 엔진에 랭킨 사이클 폐열 활용 기술을 적용하여 연비 개선 효과를 확인하였다. 또한 T-GDI 엔진을 장착한 가솔린 차량 및 하이브리드 차량에 터보 과급을 활용한 엔진 폐열 회수 에너지 기술을 적용하여 중부하 영역의 연비 개선 효과를 극대화하고, 터보 기술을 활용한 고부하 영역에서의 성능 증대를 동시에 달성함으로써 우수한 차량 연비 및 동력 성능을 확보하여 차량 상품성을 극대화 할 수 있는 GDI 터보 폐열 에너지의 능동적 활용 기술이 연구 중에 있다고 한다.
이에 더하여 최근에 (주)코렌스글로벌, (주)GMB, 한국기계연구원과 신라대학교가 컨소시엄을 구성하여 가변 압축비 기술(VCR), 배기가스 재순환 기술(EGR), 전동식 워터 펌프 및 오일 펌프 통합 제어 시스템 제작 기술 등을 융합한 최첨단 GDI 터보 기술을 개발하여 저온연비 5% 개선 및 유해 배기인 HC/CO 배출 저감율 3%를 달성할 수 있는 폐열 에너지의 능동적 활용이 가능한 융복합 부품을 2025년 상용화를 목표로 개발하고 있다. 이 기술은 우리나라의 폐열 회수 에너지 기술력이 해외 선진 경쟁 업체들의 기술력을 추월하고 선도할 수 있는 기반이 될 것이다.
* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2023년 3월호