자동차의 발전 방향이 환경문제를 먼저 고려하고 있기 때문에, 최근 자율주행과 더불어 전기자동차와 연료전지 자동차가 자동차 산업계의 가장 큰 화두로 떠오르고 있습니다. 반면에, 수년 전까지 디젤자동차는 우수한 연비로 인하여 유럽을 중심으로 높은 점유율을 유지하고 있었으나, 디젤게이트나 국내 미세먼지 이슈와 결부하여 배출가스에 포함된 유해물질에 대한 인식이 확산되면서 내연기관에 대한 대중의 인식이 점차 변하고 있습니다.
그러나 MIT에서 발표한 ’On the Road toward 2050’이나 미국 에너지부에서 공동 연구팀이 발표한 로드맵에서는 여전히 향후 수십 년 간 내연기관은 자동차의 주력 동력원으로 사용될 것을 전망하고 있습니다. 또한 내연기관 자동차, 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 전기자동차 등 다양한 차종이 공존하며, 운전 거리와 조건에 따라 선택적으로 사용될 것으로 예상하고 있습니다.
전기자동차를 제외한 나머지 동력원은 모두 내연기관을 탑재하므로 이런 전망에 따라 고효율·저배기화로의 발전은 필수 불가결하며, 앞으로 디젤자동차가 다시 주목을 받기 위해서는 배기가스 내의 유해물질을 획기적으로 감소하는 배기가스 후처리 시스템의 고도화 또한 중요합니다.
직접분사식 가솔린 엔진(Gasoline Direct Injection, GDI)은 다운사이징 기술과 함께 연비 향상의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 연료의 실린더 내 직접분사 방식은 증발잠열 효과를 통해 체적효율을 증대시키고 압축비를 높여 기존의 포트 분사식(Port Fuel Injection, PFI) 엔진보다 열효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있지만, 연료의 직접 분사 방식에 따라 입자상물질 배출이 심각하다는 단점도 있습니다.
내연기관의 배기가스는 CO(일산화탄소), CxHx(탄화수소), NOx(질소산화물)의 유해가스와 PM(Particulate Matter, 입자상물질)을 배출합니다.

이미지 출처: 천재학습백과

날이 갈수록 강화되고 있는 배기 규제는 이제 가솔린 자동차에 대해서도 입자상물질의 개수농도를 제한하고 있으며, 유럽연합(EU)은 2017년부터 입자상물질 개수농도를 6x1011/km로 규제하고 있습니다. 후처리 장치 없이 배기 규제를 만족시키기 위해서는 엔진 시스템의 연소실 형상 및 운전 변수의 최적화가 필요합니다.

엔진 효율 향상을 위해 다양한 연구 과제들이 정부와 산업체의 지원 하에 진행되고 있으며, 우수한 연구 자원을 바탕으로 기술 개발부터 경제성 파급 효과 분석에 이르기까지 폭넓은 연구가 이뤄지고 있습니다.
아르곤 국립 연구소 소속 김주한 연구원은 GDI 엔진의 주요 배출물 중 하나인 입자상물질을 저감시키기 위한 노력의 일환으로서, 연소 및 입자상물질 배출 과정을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamic, CFD)을 기반으로 모델링하고 이를 예측할 수 있는 가상 엔진 모델을 개발하기도 하였습니다.
GDI 엔진에서 배출되는 입자상 물질은 연료의 물성치, 연료 분사 시점, 분사 압력, 분무 패턴, 연소실 형상 등에 크게 좌우되는 것으로 알려져 있고 인자 간의 상호관계로 실험을 이용한 최적화에는 큰 비용과 시간이 요구됩니다. 한편 고성능 컴퓨터와 고정확도 CFD 모델을 기반으로 하는 가상 엔진은 현상의 정량적 분석 및 변수 최적화에 매우 효과적이며 엔진 개발 프로세스에 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 김주한 연구원은 연구에서 가상 엔진 모델의 예측 신뢰도를 향상시키기 위하여 연료 모델, 분무 모델, 연소 모델, 배출 모델을 개발하였고 각 모델을 실험 및 문헌 데이터와 비교 검증했습니다.

직접분사식 가솔린 엔진의 입자상물질 배출 요인 (이미지 출처: 기계·건설공학연구정보센터)

앞으로도 내연기관은 자동차 시장에서 중요한 역할을 할 것이며, 따라서 열효율 향상을 위한 연구 개발은 지속되어야 합니다. 수십 년 전과 달리 열효율 증대를 위해서는 보다 많은 노력이 필요하고 시뮬레이션과 실험의 상호 협력은 어느 때보다도 중요합니다.
우리나라 경제의 중추 역할을 하는 자동차 산업의 역량을 실험과 시뮬레이션 간의 긴밀한 협업으로 계속 강화해 나아간다면, 선진국과 어깨를 나란히 할 것을 기대해봐도 좋을 것 같습니다.

참고 자료
1. 김주한. (2019). High-Fidelity CFD 시뮬레이션을 이용한 내연기관 연구. 오토저널, 41(1): 18-22.
2. 김주한, 김남호, 민경덕. (2015). 직접분사식 가솔린 엔진의 입자상물질 배출 모델링에 관한 연구. KOSCO SYMPOSIUM 논문집, 205-207.
3. 김주한, 민경덕. (2017). 직접분사식 가솔린 엔진의 연소 모델링에 관한 연구. 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회, 182.
4. 박진수, 임은철. (2019). 디젤자동차 배기가스 후처리 시스템을 위한 센서. 오토저널, 41(4): 20-24.
5. 천재학습백과 ’배기가스’. https://koc.chunjae.co.kr/Dic/dicDetail.do?idx=45306

※ 본 내용은 MATERIC(www.materic.or.kr)에서 제공받은 연재 내용 중 일부를 인용하였습니다.
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