화학뉴스

일본이 자동차 엔진 열효율 향상기술을 개발했다.
일본 내각부는 종합과학기술‧이노베이션회의의 전략적 이노베이션 창조 프로그램 「혁신적 연소기술」을 통해 승용차용 엔진의 열효율을 최고 50% 이상 향상시키는데 성공했다.
현재 최고 열효율 40% 수준에서 휘발유(Gasoline) 엔진은 초희박 연소 엔진으로 51.5%, 디젤(Diesel) 엔진은 고속공간 연소에 따라 50.1%를 달성했으며 자동차 엔진의 삼차원 연소 분석 소프트웨어, 미립자 물질 생성모델, 자동차 엔진 연소모델 베이스 제어 시스템도 구축했다.
2040년에도 세계 자동차 보유대수의 약 89%에 내연기관이 탑재될 것으로 예상되고 있어 연구성과가 지구환경 보전에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
엔진은 피스톤 작동으로 급격한 화학반응과 발열이 일어남에 따라 발생하는 압력이 피스톤에 작용해 큰 동력을 만들어내는 것으로 일련의 연소과정을 1초간 몇 십번이나 간헐적‧안정적으로 수행해야 한다.
열효율 향상을 위해서는 연소과정의 에너지손실을 극한까지 저감하는 새로운 콘셉트를 창출한 후 고도로 제어하는 기술이 필요한 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 연소현상에 대한 과학적 지식에 근거한 기술 개발과 동시에 마찰에 따른 에너지손실 저감, 배기로 방출되는 에너지의 유효활용 기술 개발이 요구된다.
혁신적 연소기술 프로젝트에서는 가솔린 연소에 대해 초희박연소장에 강력한 텀블(Tumble) 유동을 도입하고 안정된 착화가 가능한 점화기술을 개발함에 따라 에너지손실이 낮은 저온연소인 초희박연소를 실현했다.
디젤 연소에 대해서는 연료 분사방법과 화재 형성의 관계를 해명함과 동시에 애프터버닝(Afterburning) 요인을 특정해 연료 분무가 공기를 끌어들이면서 최적으로 분산되는 연료 분사기술을 개발함으로써 고속공간 연소를 실현했다.
아울러 가솔린과 디젤 엔진에 공통되는 손실 저감기술로 기계마찰손실을 55.5% 저감하는 기술, 터보 과급 시스템 효율을 최대 60% 향상시키는 기술, 배기열과의 열교환 시스템을 포함해 최대 1.3%의 열효율을 보유한 열전 변환 시스템의 효율 향상기술을 개발했다.
이에 따라 자동차 생산기업들이 40년동안 약 10% 향상시킨 열효율을 불과 5년만에 10% 끌어올리는데 성공했다.
또 혁신적 연소기술 프로젝트에서는 복잡한 유동 및 초희박연소, 미립자물질 생성현상 등을 물리 및 화학에 의거해 모델화한 RYUCA 등 최첨단 지식을 도입한 자동차 엔진의 삼차원 연소 분석 소프트웨어 HINOCA, 자동차 엔진 연소모델 베이스 제어 시스템 RAICA를 구축함에 따라 신차 개발 부문에서 보급이 확대되고 있는 모델 베이스 개발에 대한 대응이 가능해졌다.
일본은 개발성과가 내연기관을 탑재한 자동차의 환경부하 저감, 산업경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대하고 있으며 자동차 생산기업은 이미 엔진 계측기술, 기능 예측기술, 설계 개선방향 결정 등에 활용하기 시작했다.