탄소중립을 위한 세계 수소 모빌리티 기술 경쟁이 치열한 가운데, 수소만을 연료로 사용하는 승용차용 수소엔진 기술이 국내 최초로 개발됐다.
과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진)은 최영 모빌리티동력연구실장(책임연구원)과 백홍길 현대기아자동차(회장 정의선) 탈탄소엔진리서치랩 연구위원 공동연구팀이 이같은 '직접분사식 수소엔진'을 개발하고, 성능평가를 통해 세계 최고 수준 우수성을 입증했다고 7일 밝혔다.
수소엔진은 기존 가솔린이나 디젤 대신에 수소를 연료로 활용한다. 당연히 친환경성을 지닌다.
연구진은 직접분사식 수소엔진을 개발했는데, 이는 다른 '포트분사식 수소엔진'보다도 우수성이 높다.
포트분사식 수소엔진은 수소를 실린더 안이 아닌 상단 흡기 포트로 분사해, 공기와 혼합한 후 연소시킨다. 기체 상태 수소연료가 차지하는 공간 때문에 연소실에 공기 유입이 줄어들어 효율성이 떨어지고, 수소연료와 공기의 역화로 엔진성능이 감소하는 문제가 있다.
반면에 직접분사식은 고압 수소연료를 연소실에 직접 분사해 역화 문제를 원천적으로 해결한다. 높은 압축비와 연료 성층화, 초희박연소로 열효율을 극대화하면서 출력 성능을 향상시키고 유해 배출물을 동시에 줄일 수 있다.
연구팀은 기존 현대차 하이브리드 차량 엔진 연소실 안에 수소를 30배 기압 이상 압력으로 직접 분사하고, 엔진 성능을 높이는 터보차저로 시동부터 엔진 부하가 높아질 때까지 전 영역에서 높은 열효율로 유지하는 운전을 구현했다.
연구팀은 이번에 개발한 수소엔진이 가솔린 엔진 대비 이산화탄소(CO2) 배출은 99%, 미세먼지 배출은 90% 줄일 수 있다고 밝혔다. 이는 유럽 무공해 자동차 기준을 충족하는 수치다.
또 자동차 배기가스를 정화하는 후처리 장치 없이도 15ppm 이하 질소산화물(NOx)를 배출하며, 최대 40% 높은 열효율을 달성했다.
최영 실장은 “개발 수소엔진 기술은 주된 자동차 동력원인 화석연료를 무탄소 수소연료로 대체할 수 있는 즉각적이고 경제적인 기술로 의미가 크다”며 “현대차와 협업해 내구성 검증과 더불어 승용을 넘어 상용자동차 및 발전용 동력장치에 확대 적용할 계획으로, 지속적인 무탄소연료 동력기술 연구개발(R&D)을 통해 탄소중립 실현에 앞장서겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 '드론 및 로봇 구동용 액체수소엔진 개발' 및 현대차 지원 '수소 직분사엔진 대상 평가' 과제의 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
