‘수소연료 100% 사용’ 승용차 엔진 국내 최초 개발

화석연료가 아닌 수소연료를 100% 사용하는 승용차용 수소엔진 기술이 국내 최초로 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하의 한국기계연구원(이하 기계연) 모빌리티동력연구실 최영 책임연구원과 현대기아자동차 백홍길 탈탄소엔진리서치랩 연구위원 공동연구팀은 100% 수소연료만 쓰는 ‘직접분사식 수소엔진’을 개발하고 세계 최고 수준의 열 효율과 안정성을 성능평가에서 입증했다고 7일 밝혔다.

특히 이 수소엔진은 가솔린 엔진과 비교해 이산화탄소 배출은 99%, 미세먼지 배출은 90% 줄일 수 있어 유럽 자동차 수출의 관건 중 하나인 ‘무공해 자동차 기준’을 충족하고 있다.

또 자동차 배기가스를 정화하는 후처리 장치가 없어도 15ppm 이하의 질소산화물(NOx)을 배출해 최대 40%의 열 효율을 높였다. 주로 대기 중에서 자동차 엔진과 발전소 등의 연소 과정에서 생성되는 NOx는 환경에 해로운 영향을 미치는 물질로 간주되며, 높은 NOx 배출은 호흡기 질환과 관련된 건강 문제를 야기시킬 수 있다.

기존에 사용되던 ‘포트분사식 수소엔진’은 수소를 실린더 안이 아닌 흡기 포트로 분사해 공기와 혼합한 뒤 연소시키는 엔진으로, 기체 상태인 수소연료가 차지하는 공간이 많아 연소실로의 공기 유입이 줄어들어 효율성이 떨어진다는 단점이 있었다. 또 수소연료와 공기가 역행하는 역화현상이 생겨 엔진 성능이 감소하는 문제도 생겼다.

반면에 기계연·현대기아차 공동연구팀은 기존 현대자동차의 하이브리드 차량 엔진에 수소연료를 30바에 달하는 고압으로 연소실 안에 직접 분사하는 방식으로 역화현상을 원천적으로 해결했다.

또 터보차저·내연기관의 출력을 높이기 위해 외부 공기를 연소실로 불어넣는 압축기인 과급기를 이용해 시동부터 엔진 부하가 높아질 때까지 모든 영역에서 높은 열 효율을 유지하면서 안정적인 운전을 구현했다.

공동연구팀이 개발한 ‘직접분사식 수소엔진’은 높은 압축비와 연료 성층화, 초희박연소를 통해 열 효율을 극대화하면서 출력 성능을 높이고 동시에 유해 배출물을 줄일 수 있다.

최영 기계연 책임연구원(모빌리티동력연구실장)은 “이번에 개발된 수소엔진 기술은 자동차의 주된 동력원에 사용되고 있는 화석연료를 무탄소 수소연료로 대체할 수 있는 즉각적이고 경제적인 기술로서 의미가 크다”며 “지속적인 무탄소연료 동력기술 연구개발로 탄소중립 실현에 앞장서도록 하겠다”고 말했다.