| 자동차공학 - 움직이는 사무실과 새로운 생활공간 꿈꾼다 | ||||
|---|---|---|---|---|
|
||||
| 글 | 민경덕/서울대 공대 기계항공공학부 교수ㆍkdmin@snu.ac.kr |
자동차가 20세기 ‘문명의 꽃’이라고 표현될 정도로 인류역사에 큰 변화를 가져왔으며, 하루를 자동차로 시작해 자동차로 마감할 정도로 생활의 필수품이 됐다. 자동차는 현재 운송수단을 넘어 새로운 주거공간으로까지 여겨지면서 많은 엔지니어들이 편리성과 안전성을 높이기 위해 노력하고 있다. 한편 자동차는 나날이 심각해지는 대도시 공해문제와 자원문제의 가장 큰 요인으로 꼽히기 때문에 자동차회사들은 환경친화적인 자동차기술과 신개념의 자동차를 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 자동차 발전사와 함께 현재 자동차가 당면한 문제점을 살펴보고, 이를 해결하기 위한 차세대자동차기술을 알아보자. 포드 vs 포니
사람이나 동물의 힘을 빌리지 않고 원하는 곳에 자유롭게 갈 수 있는 자동차는 고대부터 인류의 꿈이었다. 기원전 100년 증기로 구동되는 삼륜차를 그린 상상도가 문헌에 남아있으며, 레오나르도 다빈치도 1482년 태엽자동차의 스케치를 남긴 바 있다. 자동차를 움직이는데 가장 큰 어려움은 동력원이었다. 1685년 네덜란드의 호이겐스가 폭발에 의한 엔진을 설계한 바 있고, 1770년 프랑스의 퀴뇨가 역사상 최초의 증기자동차를 만들어 운전했다. 증기자동차는 소음과 매연이 심해 새로운 동력원에 대한 연구가 계속됐다. 1876년 독일의 오토가 현재 가솔린 엔진의 원리인 오토 사이클을 사용한 내연기관을 개발했고, 1893년 디젤이 디젤 엔진을 개발했다.실용적인 자동차는 사상 처음으로 1885년 다임러와 벤츠가 각각 독립적으로 완성했는데, 배기량이 각각 4백69cc, 9백90cc에 최고 출력이 각각 1.1마력, 0.9마력이며, 최고속도는 각각 시속 11.8km, 15km로 현대의 자동차와 비교하면 매우 미약한 수준이다. 본격적인 대량 양산 자동차는 1908년에 출시된 미국 포드 사의 T형 포드다. 이 자동차의 조립방법에 컨베이어 벨트방식이 최초로 도입돼 생산성이 극대화됐고 가격이 획기적으로 낮아졌다. 이로부터 자동차 대중화시대가 열렸다. 1921년 유압식 브레이크, 1938년 자동변속기, 1951년 유압식 파워스티어링, 1956년 안전벨트, 1966년 브레이크 잠김 방지장치(ABS), 1969년 전자제어식 연료분사, 1973년 에어백, 1974년 3원촉매변환장치(유해배출가스를 인체에 무해한 가스로 변환시켜주는 장치) 등 신기술이 적용되면서 현재까지 자동차는 발전을 거듭했다. 1백여년 간 자동차 성능의 경우 같은 배기량의 차를 비교할 때 최고 속도는 약 3배, 최고 출력에서는 약 9배 이상 향상됐다. 이와 같은 자동차기술은 수많은 엔지니어의 노력으로 눈부시게 발달해 인류의 20세기를 장식했다. 우리나라의 경우 1903년 고종 황제 즉위 40주년에 미국 공관을 통해 의전용 어차로 들여온 캐딜락 승용차 1대가 최초의 자동차로 기록됐다. 해방 이후에도 외국 자동차 모델을 조립하는 방식으로 자동차를 계속 생산했다. 그러다가 1975년 현대자동차가 최초로 ‘포니’ 자동차를 고유모델로 생산하기 시작했다. 그후 생산량이 급증해 1997년 마침내 자동차 등록대수가 1천만대를 돌파했다. 1998년 IMF 위기는 자동차산업에 큰 타격을 줘 국내업계 역시 구조조정을 겪었으나 곧 극복했다. 현재 우리나라는 짧은 역사에도 불구하고 인구 4인당 자동차 1대를 보유하고, 생산 규모에서 세계 7위를 기록하는 등 자동차 선진국과 어깨를 나란히 하고 있다. 자동차산업은 다양한 부품과 소재로 구성되는 대표적인 종합기술산업으로서 철강, 기계, 전기, 전자, IT, 석유, 섬유 등 관련산업의 발전을 선도한다. 때문에 세계선진국에서는 국가기간산업으로 육성하고 있다. 연간 3백만대 이상의 자동차를 생산하는 국내 자동차산업은 수출에서 전체 산업의 7.6%인 1백32억달러(2000년 기준), 고용효과는 제조업의 9.5%를 차지하며, 세수에서는 전체의 15.9%인 18조원이나 되는 등 국가경제 발전에 지대한 공헌을 하고 있다. CO₂ 배출 줄여야 하는 7억대
전세계 자동차는 총 7억여대로 추정된다. 미국은 인구 1인당 0.9대, 유럽은 인구 2인당 1대를 보유한 반면, 인구 33억의 아시아는 1억2천만대의 자동차만 보유하고 있다. 또한 전세계 연간 신규 자동차 판매량은 약 5천9백만대지만, 실제 생산능력은 이를 20% 이상 초과하고 있다. 전세계 자동차업계의 경쟁이 날로 치열해질 수밖에 없는 현실이다. 최근 몇년 동안 세계 자동차업계는 유래 없는 구조조정을 겪었고, 우리나라 역시 예외는 아니었다. 이처럼 치열한 경쟁 속에서는 현재와 미래에 요구되는 자동차의 핵심기술을 보유한 회사만이 살아남을 것이다.자동차는 그 수가 기하급수적으로 증가함에 따라 환경문제, 특히 도시 대기오염문제를 일으키는 가장 큰 요인으로 손꼽히고 있다. 1954년 미국 캘리포니아주의 LA에서 자동차 등이 배출한 질소산화물(NOx)과 미연탄화수소(THC)에 의해 스모그가 발생해 눈병과 호흡기 질환을 일으키는 등 심각한 사회문제를 일으켰다. 이에 캘리포니아주는 1963년부터 자동차의 유해배기가스를 규제하기 시작했는데, 현재 매우 엄격한 규제를 시행하고 있다. 전세계적으로도 이런 규제가 강화되고 있다. 자동차는 지구온난화현상을 일으키는 것으로 알려진 이산화탄소(CO₂)를 배출하는데도 한몫하고 있다. 전체 이산화탄소 발생량의 20% 정도가 자동차를 비롯한 수송분야에서 발생한다고 한다. 최근 화석에너지 사용으로 배출되는 이산화탄소로 인한 지구온난화현상이 환경문제의 핵심으로 등장했다. 이런 문제는 각 나라의 자율적인 환경 규제만으로는 해결할 수 없어 전세계적인 대책이 요구됐다. 1979년 제1차 세계기후회의의 논의를 거쳐 마침내 1997년 1백55개국이 이산화탄소 발생량을 줄이기 위해 국가 간에 지켜야 할 가이드라인을 포함한 교토의정서를 체결했다. 이에 따라 2008년부터 2012년까지 이산화탄소 발생량을 미국은 기준년의 7%, 일본은 6%, EU 국가들은 8%씩 줄여야 하며, 우리나라 역시 OECD 가입국으로서 이산화탄소 발생량을 줄여야 한다. 자동차의 경우에는 연료 소비 자체를 줄이거나 엔진의 효율을 높여야만 이산화탄소 발생을 줄일 수 있으므로, 향후 획기적인 자동차 동력원을 개발하는 일이 시급하다. 따라서 앞으로의 자동차는 생활공간으로서 좀더 편안하고 안전한 형태가 될 뿐 아니라, 엔진효율을 극대화하고 자동차 배출물을 줄일 수 있는 방향으로 발전할 것이다. 이제 이런 목적을 달성하기 위해 자동차에 적용되는 미래기술을 알아보도록 하자. 연료 3L로 1백km 주행 가능
크게 가솔린 엔진과 디젤 엔진으로 나눠지는 내연기관은 이미 1백여년 간 자동차의 동력기관으로 사용됐으며, 수많은 개량을 거쳐 신뢰성 있는 자동차 동력기관으로 자리잡은지 오래다. 그러나 이산화탄소와 유해배기가스의 배출을 줄인다는 두가지 목표를 달성하기 위해 기술개발이 더욱 활발히 진행되고 있으며, 각종 첨단기술이 새롭게 적용되고 있다.우선 가솔린 엔진의 경우 기존의 흡기포트에 연료가 분사됐던 다중포트분사(Multipoint Port Injection, MPI) 엔진과 달리 실린더 내부에 직접 연료를 분사시키는 가솔린직접분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진이 개발되고 있다. 이 엔진은 고출력시에는 일반 가솔린 엔진과 비슷한 방식으로 작동되나, 출력이 많이 필요하지 않은 운전시에는 압축 과정 중에 연료를 1/3 정도만 분사해 점화플러그 주변에 연료를 집중시켜 연소시키는 방식으로 작동된다. 이런 특징 때문에 운전영역에 따라 효율이 최고 30% 향상되고, 질소산화물은 오히려 35% 저감되는 효과를 얻을 수 있으며, 출력 또한 10% 향상된다. 이미 여러 가솔린직접분사 엔진이 개발됐는데, 우리나라에서도 고급 승용차에 장착돼 판매되고 있다. 또한 엔진 운전조건에 따라 달라지는 공기 유입량을 최적으로 조절해 가솔린 기관의 효율과 출력을 향상시키는 노력도 병행되고 있다. 이를 위해 흡기·배기밸브가 열리고 닫히는 시기를 최적으로 조절할 수 있는 가변밸브 타이밍 및 리프트(Variable Valve Timing and Lift, VVT & VVL) 기술을 개발하고 있다. 최근에는 이를 전기적으로 제어하는 전자기밸브(Electro-Magnetic Valve, EMV)에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 이 외에도 첨단 전자제어장치와 유해배기가스 후처리장치인 3원촉매변환장치의 효율 향상, 연료증발가스 제거 등의 기술개발로 엔진효율 향상과 유해배기가스 저감을 달성하고 있다. 이런 첨단기술이 적용되면 가솔린 엔진은 앞으로도 상당기간 승용차용 엔진의 주류를 이룰 것으로 예상된다. 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 이론적인 효율이 더 높아 이산화탄소 규제에 대한 대응으로 새롭게 주목받고 있다. 유럽의 자동차회사들은 3L카(3 liter car), 즉 연료 3L로 1백km를 주행할 수 있는 차를 개발하는 것을 목표로 했는데, 마침내 1999년부터 이를 실현한 자동차가 판매되기 시작했다. 여기에는 새로운 디젤 엔진인 고속직분식(High Speed Direct Injection, HSDI) 엔진이 사용됐다. 기존의 기계식 분사장치가 아니라 전자적으로 구동·제어되는 커먼레일(common rail) 방식의 연료분사장치가 도입돼 고압의 연료를 좀더 효율적으로 분사할 수 있는 엔진이다. 현재 기존의 기계식 분사장치보다 2배 이상 높은 1천6백기압의 분사압력을 갖는 커먼레일 시스템이 일반화돼 있는데, 앞으로는 약 2천기압의 압력으로 연료가 분사되는 디젤 엔진이 등장할 것이다(2천기압의 힘은 손가락 하나의 면적으로 대형 자동차 한대를 들어올릴 수 있는 정도다). 이런 엔진은 정확한 제어를 통해 기존 디젤 엔진의 효율을 극대화하고, 전자 제어를 통해 디젤 엔진의 가장 큰 단점이었던 매연과 소음, 진동 문제를 획기적으로 개선함으로써 가솔린 엔진과 동등한 수준의 성능을 보여주고 있다. 우리나라에서도 현재 SUV(Sport Utility Vehicle) 차량을 중심으로 이런 엔진이 사용되고 있으며, 2005년부터 승용차로 확대될 예정이다. 한편 이런 고속직분식 엔진의 개발로 디젤 엔진은 유해배출물을 크게 줄일 수 있었으나, 유해배출물 규제가 더욱 엄격해짐에 따라 새로운 연소방식으로 가동되는 엔진의 필요성이 대두됐다. 특히 엔진 효율이 올라감에 따라 질소산화물이 더욱 많이 발생하는 경향이 있는데, 이를 해결하기 위해 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 연소 방식을 사용한 엔진이 미래기술로 개발되고 있다. 이는 가솔린 엔진처럼 연료와 공기를 혼합시킨 후 디젤 엔진처럼 압축 점화를 일으키는 엔진이다. 이 방식의 엔진은 연소실 가스의 온도를 낮출 수 있기 때문에 질소산화물의 발생을 95% 정도 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 아울러 디젤 엔진의 가장 큰 문제점 중 하나인 매연을 줄이기 위한 연구도 활발히 진행중이다. 한예로 세라믹 필터로 매연 입자를 걸러서 제거하는 방식(Diesel Particulate Filter, DPF)은 디젤 엔진의 매연을 98% 이상 줄일 수 있으며, 곧 실용화가 가능할 것으로 보인다. 가솔린 엔진과 전기모터의 만남
앞에서 제시한 기술은 현재 자동차에 사용되는 엔진을 개량하는 기술이다. 그러나 계속적으로 강화되는 유해배기가스 규제를 만족시키기 위해서는 획기적인 동력 시스템의 개선이 필요하며, 또한 석유의 매장량에도 한계가 있으므로 장기적으로 이를 대체할 새로운 동력원을 확보하는 일도 중요한 문제로 부각되고 있다. 한때 친환경 자동차로 기대를 받았던 전기자동차는 긴 충전시간과 배터리 용량의 부족이 해결되지 못한 상태다. 그래서 다음과 같은 새로운 기술이 현실성 높은 미래형 자동차로 활발히 연구되고 있다.하이브리드 자동차란 2개의 동력원을 복합적으로 이용해 구동되는 자동차를 말한다. 자동차의 주요 구성은 하이브리드 변속기, 기존의 가솔린이나 디젤 엔진, 엔진의 보조동력원이 되는 전기모터, 그리고 고출력 배터리 등으로 이뤄져 있다. 하이브리드 자동차는 출발할 때나 저속 주행할 때 전기모터만을 이용해 불필요한 연료 소모와 유해배기가스 배출을 줄이고, 정속 또는 고속 주행할 때는 엔진과 전기모터를 동시에 사용하며, 감속시에는 속도를 줄이는 힘을 이용해 배터리를 충전한다. 즉 엔진은 효율이 높고 유해배기가스가 적은 운전영역에서만 가동되고, 출력이 모자라는 부분은 전기모터가 보조하는 것이다. 특히 감속시에는 운동에너지를 다시 전기에너지로 회수함으로써 전체 엔진효율을 크게 향상시키고 유해배기가스를 획기적으로 줄일 수 있다. 이미 시판된 도요타의 프리우스는 최고속도가 시속 1백60km, 연비는 1L당 28km를 기록했으며, 혼다의 인사이트는 1L당 35km의 연비를 실현했다. 이들 하이브리드 자동차는 기존의 가솔린 엔진과 비교할 때 약 2배의 연비를 보이고 있으며, 또한 배출되는 유해물질은 기존 가솔린 자동차의 1/10 수준이다. 유럽 각국에서도 하이브리드 차량 개발에 나서고 있으며, 미국에서는 정부와 GM, 포드, 다임러-크라이슬러 등 자동차회사의 PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles) 프로그램을 통해 하이브리드 차량을 개발중이다. 우리나라에서도 현재 하이브리드 자동차의 개발이 활발히 진행되고 있으며 곧 상용화될 전망이다. 궁극적으로 유해배기가스의 배출이 전혀 없는 자동차를 만들기 위해서는 수소를 이용한 연료전지 시스템이 미래자동차의 동력원으로 적합할 것이다. 연료전지 기술은 본래 미국항공우주국(NASA)에서 내연기관의 사용이 불가능한 우주공간에서 우주선의 동력과 물의 공급원으로 개발된 것이다. 연료전지의 기본원리는 물을 전기분해할 때 산소와 수소가 생성되는 현상을 역으로 이용하는 것이다. 양극에 수소와 산소를 공급하면, 수소는 촉매에 의해 이온화된 뒤 전해질을 통과, 산소와 결합해 물을 생성한다. 이 과정에서 수소가 잃어버린 전자는 외부의 회로를 통과하면서 전기를 발생시킨다. 이런 연료전지는 최고 60%의 열효율을 가지므로 가솔린·디젤 엔진의 20-45%에 비해 효율 면에서 월등하다. 또한 물 외의 배출물이 없고, 기계적인 동작부가 없으므로 조용하며 윤활이 필요 없다. 또한 수소 외에 가솔린이나 메탄올 등의 연료를 직접 쓸 수 있다. 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)도 연료전지에서 발생하는 전기를 이용해 전기모터를 구동하는 일종의 전기자동차다. 그러나 이전의 전기자동차에서 사용하던 배터리 대신 연료전지를 엔진처럼 사용함으로써 충전이 필요 없고 에너지효율도 높아 미래의 자동차로 큰 기대를 모으고 있다. 선진 자동차회사에서는 연료전지를 미래자동차의 유력한 동력원으로 예상하고 회사의 사활을 걸 정도로 개발에 힘쓰고 있으며, 정부기관·산업체·대학의 공동 연구가 광범위하게 수행되고 있다. 물론 연료전지 자동차는 미래기술로서 실제 실용화되기까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 안전하고 똑똑하게 움직인다
자동차는 더이상 단순히 달리는 기계가 아니라 생활공간의 한 부분이다. 따라서 주행시에는 편안한 승차감을 제공하면서도 사고가 나면 사람이 다치지 않도록 안전해야 할 뿐 아니라 사전에 사고를 예방할 수 있어야 한다. 기존의 차량 안전기술은 차량 충돌시 충격으로부터 승객을 보호하는 개념이다. 안전벨트와 에어백 장착, 차량구조 개선 등을 통해 발달돼 왔다. 그러나 앞으로는 근본적으로 사고 발생을 막기 위한 적극적인 예방안전기술과 사고회피기술이 요구된다. 이에 따라 첨단 전자기술과 정보통신기술이 도입되고 있다.예를 들면 차량에 장착된 카메라나 레이저를 이용한 레이더 시스템을 통해 차량의 외부상황을 항상 감시하면서 위험상황을 자동으로 판단해 적절한 조치를 취하는 것이다. 앞뒤 차와 일정거리를 유지하도록 하고 자기 차선을 벗어나지 않게 알리는 것은 물론이고, 어두운 밤에도 행인과의 충돌이 예상되거나 운전자가 부주의한 행동을 할 경우 경고음을 울리거나 좀더 적극적으로 브레이크를 작동시킴으로써 사고를 예방한다. 그리고 노면이나 주행상황에 따라 가장 적합하게 차량을 제어함으로써 운전자의 실수가 있더라도 안전하게 위험을 회피할 수 있도록 한다. 코너 부근과 같이 보행자를 보기 힘든 상황을 대비해 적외선 센서를 사용한다거나, 밤에는 저절로 헤드라이트의 방향이 돌아가면서 사각 지역을 밝혀주는 등 운전자뿐만 아니라 보행자의 보호에도 적극적으로 대응하게 된다. 최상의 안전운전을 위해 운전자의 눈높이를 감지함으로써 최적의 시야를 확보하도록 시트가 저절로 조절되며, 심지어는 사람의 심장박동수를 체크해 차량의 출입시 안전문제까지 고려해주는 지능형 첨단안전차량이 선보이기도 한다. 또한 밤에도 적외선을 이용해 운전자가 보지 못하는 사물을 차 유리창 쪽 디스플레이 화면에 보여주는 나이트비전(night vision), 유해가스를 차단해야 하거나 운전자의 건강에 해로운 상황이 발생할 때 경보를 울려주는 시스템, 기상상황을 모니터링해 위험한 기상조건을 알려주는 시스템, 차안의 김서림을 자동으로 제거해주는 장치 등 다양한 신기술이 적용될 것이다. 만약에 차량이 사고가 났을 경우라도 화재와 같은 추가 피해가 발생하지 않도록 연료와 전기를 차단시키며, 탑승자가 최대한 빨리 대피할 수 있도록 창문과 문이 자동으로 풀리게 한다. 아울러 자동으로 구조를 요청하는 신호를 송신하고 항공기처럼 차량의 운행기록을 블랙박스에 기록한다. 이처럼 ‘안전한’ 자동차뿐만 아니라 앞으로는 ‘똑똑한’ 자동차도 등장할 것이다. 이미 위성항법장치(GPS)나 네비게이션(Navigation)시스템이라는 이름으로 운전자가 잘 모르는 목적지도 빠른 길로 안내해주는 서비스가 등장했다. 더 나아가 차량에 내장된 컴퓨터를 이용한 종합무선데이터서비스인 텔레매틱스(telematics)시스템이 점차 보급될 것이다. 미래자동차는 이런 서비스를 이용해 외부의 데이터베이스와 정보를 무선으로 주고 받고, 주행중 고장이 날 경우 가까운 정비소에 연락을 취하며, 자동차의 데이터를 수집해 원격으로 진단할 수 있다. 또한 주행중에도 금융거래, 뉴스, 이메일 등 무선인터넷 사용이 가능해지므로 궁극적으로 ‘움직이는 사무실’이 가능하다. 이런 기술의 활용으로 머지 않은 미래에 지능형 교통시스템(Intelligent Transport System, ITS)이 구현되면, 마치 영화의 한장면처럼 자동차가 저절로 움직이는 시대가 도래할 것이다. |
 |
|---|
