친환경차 기술 키워드 23

[ 모터 매거진 2011년 7월호에 실린 글의 원본입니다. ]

친환경차는 다양한 최신 기술이 담겨 있지만, 기술이나 용어 모두 이해하기 어려운 것들이 많다. 이번에 다루는 키워드 23가지만 읽어본다면 친환경차 기술의 최신 흐름을 쉽게 이해할 수 있을 것이다

* 내연기관 관련 기술

직접 연료분사(휘발유 엔진): 지금까지의 일반적인 휘발유 엔진은 엔진 흡기 통로에 연료를 분사해 실린더로 유입되는 공기와 혼합하는 간접 연료분사 방식이었다. 이에 비해 직접 연료분사 방식은 엔진 내의 연소실로 직접 연료를 분사한다. 이 방식은 최적의 출력과 연소효율을 위해 필요한 만큼의 연료량을 정확히 계산하여 분사할 수 있다. 연료 분사 시기와 양을 조절함으로써 연소효율을 높여 배기가스 배출과 연료소비량을 줄일 수 있지만, 연소를 최적화할 수 있는 제어 시스템과 직접 연료분사 방식에 적합한 엔진 내부 구조를 갖춰야 한다. 현대기아의 GDI, 폭스바겐/아우디의 FSI, 메르세데스-벤츠의 CGI 엔진 등이 이 같은 방식을 쓴다.

스톱-스타트/아이들 스톱 앤 고: 내연기관 엔진에서 엔진 공회전 시간을 줄여 연료의 낭비와 불필요한 유해 배기가스 배출을 줄이기 위한 목적으로 개발된 기술이다. 이 기술은 공회전 때 자동으로 엔진 시동을 껐다가 다시 움직일 때 자동으로 시동이 다시 걸리도록 고안되어 있다. 시동이 꺼졌다가 다시 켜질 때의 부하나 시동이 꺼진 상태에서 엔진과 연결되어 움직이는 요소(에어컨, 냉각수 펌프 등)들의 작동에 문제가 없도록 하기 위해 내구성이 강화된 부품이나 별도의 가동을 위한 장치들이 추가된다.

밀러 사이클 엔진: 밀러 사이클 엔진은 일반 4행정 엔진에 비해 흡기 밸브가 열린 상태를 더 오래 유지한다. 이에 따라 압축 행정은 흡기 밸브가 열린 상태와 흡기 밸브가 닫힌 상태의 두 상태가 존재하게 된다. 흡기 밸브가 열려 있는 초기 단계에서는 압축 압력이 낮기 때문에 이를 상쇄하기 위해 과급기(대부분 수퍼차저)가 쓰인다. 흡기의 압력과 온도가 일반 엔진에 비해 낮기 때문에 전반적인 효율은 높아진다. 

앳킨슨 사이클 엔진: 연비향상을 위해 하이브리드 카에 주로 쓰이는 기술로, 자동차용 내연기관에는 4행정 엔진의 작동특성을 일부 변형한 형태로 쓰인다. 이 엔진은 일반 엔진보다 흡기 밸브가 열려 있는 시간을 길게 유지한다. 따라서 흡기 후 압축 행정의 초반부에도 흡기 밸브가 열려 있어, 압축압력이 낮아지고 이에 따라 흡기 온도 및 밀도를 떨어뜨릴 수 있어 연료 소비가 적다. 그러나 일반 엔진에 비해 배기량 대비 출력이 낮기 때문에, 하이브리드 카에서는 이를 보완하기 위해 고출력이 필요할 때에는 전기 모터를 가동시킨다. 비슷한 방식으로 작동하는 밀러 사이클 엔진에서는 출력 보완을 위해 수퍼차저를 더하기도 한다.

커먼레일 디젤: 실린더로 연료를 분사하는 인젝터에 연료를 고압 상태로 저장하는 커먼레일을 연결해 연료를 분사하는 방식의 디젤 엔진이다. 연료의 분사시기와 분사량을 정밀하게 제어함으로써 엔진의 출력향상과 배기가스 배출을 줄일 수 있도록 고안되었다. 여러 개의 인젝터에 모두 동일한 압력으로 연료를 공급할 수 있도록 연료저장 레일을 공유한다는 의미에서 커먼레일이라는 이름이 붙었다. 솔레노이드나 피에조 밸브를 사용하는 인젝터는 컴퓨터로 제어되기 때문에 연료분사 시기와 분사량을 정밀하게 제어할 수 있다.

복합연료 시스템: 다양한 종류의 연료를 자유로운 비율로 혼합해 사용할 수 있는 시스템을 말한다. 지금까지는 주로 알콜(에탄올)과 휘발유를 혼합해 사용하는 것을 가리켜 왔다. 그러나 LPG와 경유, LPG와 휘발유 등 기체와 액체 연료를 혼합해 사용하는 경우도 복합연료 시스템으로 분류되기도 한다.

* 배기가스 정화기술

3원 촉매: 휘발유 엔진의 배기계통에서 배기가스의 3대 유해 요소인 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 정화하기 위해 쓰이는 장치를 말한다. 백금, 로듐, 팔라듐과 같은 귀금속이 코팅된 세라믹 구조가 채워진 통 속으로 배기가스를 흘려보내면, 산화 및 환원작용에 의해 유해 배기가스가 정화된다. 1단계로 질소산화물(NO 및 NO2)을 질소와 산소로 환원시키는 환원 과정, 2단계로 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 산화시키는 산화과정, 3단계로 연소되지 않은 탄화수소(HC)를 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 산화시키는 산화과정을 거치기 때문에 3원 촉매라는 이름이 붙었다. 3원 촉매는 일정한 온도가 되어야 정상적인 산화환원작용이 이루어지기 때문에, 시동 직후에는 제 기능을 하지 못하는 단점이 있다.

EGR: 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation) 시스템의 약자로, 배기가스 일부를 흡기로 돌려 다시 연소시키는 시스템을 말한다. 흡기에 배기가스를 혼합하는 것은 연소온도를 떨어뜨려, 고온에서 발생하기 쉬운 질소산화물 발생을 줄이기 위한 것이다. 이 장치는 유해 배기가스 배출을 줄여주기는 하지만 출력과 연료소비 효율은 떨어뜨린다.

DOC: 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst)의 약자로, 화학적 산화작용을 이용해 일산화탄소를 이산화탄소로, 탄화수소를 이산화탄소와 물로 바꾸어 주는 장치다. 

SCR: 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction)의 약자로, 디젤 엔진에 주로 쓰이는 촉매 장치 중 하나다. 디젤 엔진의 배기가스 중 질소산화물을 정화하기 위해 쓰이는 이 장치는 배기가스에 암모니아(NH3)를 분사했을 때 일어나는 화학적 환원작용으로 질소산화물이 질소(N2)와 물(H2O)로 분리된다. 

DPF: 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matter), 즉 매연을 정화하기 위한 장치로, 디젤 입자상 물질 필터(Diesel Particulate Filter)의 약자다. 배기가스에 포함된 입자상 물질을 모아두었다가 일정 수준 이상 쌓이면 고열을 이용해 태워버리는 장치다. 

* 대체연료

바이오 디젤: 경유를 대체해 쓸 수 있도록, 식물성 혹은 동물성 지방을 가공해 만든 생물기반의 연료를 말한다. 재생 가능한 원료를 쓰기 때문에 즉시 화석연료인 경유를 대체할 수 있으면서 미생물 분해가 가능하고 독성이 없다. 또한 연소된 후에도 독성 및 기타 유해 물질의 배출이 매우 적은 것이 특징이다. 현재로서는 경유에 비해 생산비가 높기 때문에 대중화가 이루어지지 않고 있으며, 경유와 혼합해 사용하고 있는 것이 일반적이다.

에탄올 혼합연료: 독성이 적은 알코올인 에탄올(에틸 알코올)을 휘발유와 혼합한 연료를 말한다. 에탄올을 직접 자동차용 연료로 사용하기도 하지만, 연료용 에탄올의 생산량이 적기 때문에 대개 휘발유나 경유와 일정 비율로 혼합해 쓰인다. 에탄올과 휘발유 혼합 비율에 따라 E00과 같은 방식으로 표시하는데, 에탄올만 쓰이는 연료는 E100, 에탄올 85%에 휘발유 15%의 비율로 혼합한 연료를 E85로 표시한다. 경유와 혼합할 때에는 ED00과 같은 방식으로 표시한다. 에탄올은 식물에서 추출할 수 있기 때문에 재생 가능한 친환경 바이오 연료로도 각광받고 있다.

바이오매스 연료: 생물 유기체를 바탕으로 만들어지는 바이오 에너지를 연료 형태로 변환해 사용하는 연료를 바이오매스 연료라고 한다. 바이오 에탄올, 바이오 디젤 등이 모두 바이오매스 연료에 포함된다. 원료가 특정한 물질에 국한되지 않고, 다양한 유기체를 원료로 활용할 수 있기 때문에 추출과 가공 과정을 거치면 필요한 연료를 만들 수 있다. 

* 전기차/하이브리드카 관련 기술

연료전지: 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 만드는 장치다. 전지라는 말이 붙지만 일반적인 전지와 달리 연료를 소모하여 전력을 생산하는 것이 특징이다. 전기 에너지를 만들기 위해 사용하는 연료에 따라 여러 종류의 연료전지가 있는데, 자동차용으로는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 사용하는 수소 연료전지가 주로 쓰일 가능성이 높다. 수소 연료전지는 전기를 발생시키고 난 후 물이 나오기 때문에 공해가 전혀 없다.

인 휠 모터: 바퀴의 휠 안에 들어가는 작은 크기의 모터를 말한다. 일반적인 전기차는 내연 기관 차의 엔진이나 디퍼렌셜에 해당하는 부분에 모터가 들어가 굴림 바퀴를 제어한다. 그러나 인 휠 모터는 바퀴마다 개별적으로 혹은 통합해 제어할 수 있기 때문에 능동적 4륜구동 시스템의 구현이 가능하다. 또한 차 안에 별도의 모터를 위한 공간을 만들 필요가 없기 때문에, 실내 공간을 훨씬 효율적으로 사용할 수 있다.

스타터 얼터네이터: 시동을 걸기 위해 필요한 스타터 모터에 발전기(얼터네이터)의 기능을 결합한 장치를 말한다. 스타터 모터는 엔진의 플라이 휠에 연결되어 시동을 걸 때 쓰이지만, 시동 후에는 쓰이지 않기 때문에 주행 중에는 플라이 휠에 걸리는 부하를 이용해 전기를 발생시켜 자동차 안의 전기장치에 필요한 전력을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 활용할 수 있다. 

에너지 회생 브레이크: 제동 때의 운동 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환시켜 회생시키는 장치를 말한다. 일반적으로 제동 때의 운동 에너지는 브레이크의 마찰에 따르는 열 에너지와 소리 에너지로 변환되어 낭비된다. 그러나 에너지 회생 브레이크에서는 대개 이러한 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 전기장치에 공급하거나 배터리를 충전한다. 스타터-얼터네이터를 활용하기도 하지만, 하이브리드 카나 전기차에서는 모터를 이용해 직접 에너지를 변환하기도 한다.

2차 전지: 외부의 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 저장했다가 필요할 때 전기를 만들어내는 장치로, 흔히 충전지라고 불리는 것들이 2차 전지에 속한다. 일반적으로 쓰이는 2차 전지에는 납 축전지도 포함되지만, 최근에는 니켈 수소(Ni-MH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 등 고밀도 고효율 전지들이 점차 널리 쓰이고 있다. 한동안 용량이 작고 완전충전이 이루어지지 않으면 축전용량이 줄어드는 메모리 효과가 있는 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지를 대체하는 니켈 수소 전지가 각광을 받았지만, 이보다 충전용량이 크고 자연방전 및 메모리 효과가 적은 리튬 이온 및 리튬 이온 폴리머 전지로 점차 대체되고 있는 추세다. 그러나 희귀금속을 사용하고 생산공정이 복잡하기 때문에 값이 비싼 것이 흠이다.

* 하이브리드 카의 분류

마일드/스트롱/풀 하이브리드: 내연기관과 전기기관의 사용 비중에 따른 분류다. 구조적으로는 내연기관과 전기기관이 모두 들어 있으면서 전기기관을 중심으로 쓰임새가 적은 쪽을 마일드, 쓰임새가 큰 쪽을 스트롱/풀 하이브리드라고 한다. 특히 풀 하이브리드는 내연기관과 전기기관이 각각 독립적으로 작동하기도 하고, 함께 작동하기도 하는 방식을 말한다.

직렬(시리즈)/병렬(패러렐) 하이브리드: 내연기관과 전기기관의 기계적 구성에 따른 분류다. 직렬(시리즈) 하이브리드는 엔진과 모터가 일렬로 연결되어, 엔진이 직접 바퀴를 구동하지 않는 구조로 되어있다. 즉 직렬 하이브리드는 전기차다. 병렬(패러렐) 하이브리드는 엔진과 모터가 병렬로 연결되어, 바퀴를 구동하는 데에 두 동력원이 모두 개입하는 구조다. 도요타의 하이브리드 시너지 드라이브(HSD)는 흔히 직병렬 방식이라고 일컬어지는데, 구조적으로는 병렬이지만 모터만으로 구동되는 모드가 있어 직렬 하이브리드의 특성을 갖고 있기 때문에 이렇게 불리기도 한다.

플러그인 하이브리드: 하이브리드 카에서 내연기관의 사용 비중을 줄이고 모터 가동율을 높일 수 있도록 별도의 외부 전원을 이용한 충전이 가능하도록 만든 하이브리드카를 말한다. 주차한 상태에서 충전기를 이용해 미리 배터리를 충전해 놓으면 충전을 위해 엔진이 가동되는 비율을 줄일 수 있어 연료소비 및 배기가스 배출을 줄일 수 있다. 일반 하이브리드 카에 비해 배터리 충전용량을 키우는 경우도 있다.

마이크로 하이브리드: 전기기관이 직접 구동에 관여하지 않는, 즉 구동용 모터가 존재하지 않는 내연기관 중심의 구동계를 가진 차를 말한다. 엄밀히 말하면 하이브리드 카는 아니지만, 스타터 제너레이터 등 전기적인 연료절감 및 에너지 회생 기능을 갖고 있어 하이브리드 카의 성격을 일부 갖고 있기 때문에 붙은 이름이다.

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