세계적으로 인정 받는 국내 기술력…정부지원 시급

기술발전 트렌드

우리나라 LPG자동차는 244만대 수준으로 전체차량의 13% 정도이며 최근 감소하는 경향을 보이고 있다. 특히 디젤자동차 기술이 발전하면서 SUV 차량보급률이 꾸준히 증가하고 있는 상황에서 LPG자동차 기술개발의 중요성이 더욱 커지고 있다.

LPG자동차기술은 제 3세대 LPG액상분사방식(LPLi)의 기술개발로 최고의 경쟁력을 갖춘데 이어 다음 단계로 제 4세대 LPG자동차 기술인 LPG직접분사식 기술과 수소 경제시대에 맞추어 HLPG기술개발로 발전하고 있다.

현재의 LPDi개발은 이론공연비 방식으로 국내에서 양산된 가솔린 GDi와 같은 개념이지만, 고연비와 저배기성을 강화한 연소기법인 희박연소 LPDi로의 발전을 도모하고 있다. 다른 한편으로 LPG연료시스템의 발달은 최근 수소경제시대와 맞물려 LPG연료와, 수소연료와의 Dual Fuel system인 HLPG 기술로도 발전하고 있다. 이는 LPG연료의 청정성 및 자동차연료로서의 장점을 가진 채 수소연료의 장점을 갖기 때문이다.

직접분사식(LPDi)엔진 기술

현재 가솔린 GDI와 같은 이론공연비 방식으로 연료와 공기량을 조절하는 기술을 넘어 연비효과를 극대화하기 위한 방법으로 연료분사기의 위치 및 점화시스템을 최적화하는 초희박연소 LPDi가 연구되고 있다. 분무유도방식의 연소시스템을 이용한 연료분사기를 디젤엔진과 같이 연소실의 중앙에 위치시키고, 점화플러그의 방전극은 분무의 재순환 영역에 위치하도록 함으로써 엔진의 운전조건에 관계없이 안정적인 성층혼합기를 형성시키는 장점을 나타내고 있다.

LPG연료의 경우 가솔린에 비해 분무도달거리가 짧고 분무선단에서의 분무각도가 크지 않기 때문에 일반적인 다단분사만으로는 연소안정성의 확보가 어렵다. 이를 극복하기 위해 단분사의 사이 분사간 점화착화 연소제어 전략을 이용하여 초희박연소를 구현하고 약 19%의 연료소비율 개선을 얻는 단계에 와있다.

현재의 점화시스템은 전기에너지의 열에너지 변환을 통한 일점점화방식을 적용하고 있어서 열손실이 상대적으로 크기 때문에 초희박조건에서 점화안정성 확보에 한계가 있다. 이러한 점화시스템 문제를 해결하기 위하여, 전자의 운동에너지를 이용하여 체적점화방식(혹은 다점점화방식)이 가능한 새로운 개념의 고효율 점화 장치를 개발하고 있다.

저온 플라즈마 점화시스템이라 불리는 기술은 다량의 선형 플라즈마를 발생시켜 다점점화를 구현함으로써 희박공연비 조건에서 점화안정성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

■<그림1>플라즈마 원리를 이용한 점화 방식
 

수소혼소(HLPG)엔진 기술

HLPG기술은 기존 LPG엔진에 반응성이 매우 활발한 수소개질가스를 첨가하여 안정적인 희박연소를 유도하여 높은 연비와 저배기성능을 구현하는 기술이다. 또한 연소시 오염물질 배출이 낮을 뿐더러 합성가스 자체가 높은 환원성을 가지는 특성으로 인해 탈질 장치 등에 공급하는 환원제로도 주목을 받고 있다.

■<그림2>개질된 수소연료의 이용기술 개념도
 

HLPG기술은 필요한 수소양 공급, 빠른 시동시간 및 응답특성, 경제성 및 내구성 등을 보유한 수소공급장치를 필요로 하며, 희박연소를 위한 다량의 연료나 이론공연비 연소시 냉간시동 등을 위한 소량의 순간수소연료를 필요로 한다. 그런데 LPG연료의 특성상 2상(액상, 기상 존재)연료로 합성가스(수소)연료를 기존 연료와 따로 저장해야 하는 문제가 있기 때문에 독립적인 연료시스템과 제어장치가 필요하다. 또한 개질된 연료의 저장은 저장탱크 및 압축시스템의 도입으로 문제점이 발생할 수 있다.

이에 HLPG기술은 빠른 시동시간, 응답시간과 풍부한 개질가스를 공급할 수 있는 기존 연료시스템을 이용한 탑재형(On-Board) 연료개질 기술을 이용한다. 즉 그림처럼 연료를 충전소에서 제조·혼합하여 탱크에 바로 주입해 사용하는 HCNG의 연료공급과는 달리 HLPG는 자동차 내에서 LPG연료를 순간 개질을 하여 바로 이용하는 탑재형 개질기술을 이용한다.

■<그림3>수소연료의 자동차 공급방식
 

탑재형 개질기술은 자동차에서의 물 공급제한의 이유로 인해 부분산화 개질반응을 이용하며, 자동차 운행과정에서 필요한 양만큼을 순간 개질하여 생산하기 때문에 전체 시스템에서 별도의 저장장치를 제거할 수 있는 장점이 있다.

맺음말

LPG연료는 대표적인 저공해 대체연료로, 인체에 유해한 직경 1마이크로미터 이하의 미세나노입자의 배출개수, 발암물질인 방향족의 배출량 및 광화학스모그를 유발하는 휘발성 유기화합물(VOC) 배출량도 타 연료에 비해서 우수한 것으로 알려져 있다.

시장에서 연료의 우수성은 제 3세대 LPLi기술에 의해 포텐셜이 입증되었고, 한 차원 높은 제 4세대 기술개발로 타 연료자동차에 대한 경쟁력을 계속 갖추어 나가야 할 것이다. 이를 위해 정부는 세계적으로 인정받는 국내 LPG자동차 기술을 계속 개발하도록 집중 지원해야 하며, LPG업계는 연료가격의 적정선 유지와 자동차제작사와 협력을 통한 계속적인 성능 좋은 신차가 시장에 나올 수 있도록 노력해야 할 것이다.