▲ 이영재 한국에너지기술연구원 책임연구원.

리니어 동력발전시스템이란 내연기관 피스톤의 왕복 운동을 크랭크축과 플라이휠을 이용해 회전운동으로 변환해 발전하는 기존 시스템과는 달리 선형운동을 그대로 전기동력으로 변환하는 발전시스템을 말한다. 리니어엔진은 선형운동을 회전운동으로 변환함에 따른 기계손실이 없고 피스톤의 자유도가 높기 때문에 압축 및 팽창효과를 극대화할 수 있어서 엔진 효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있고, 수소를 연료로 사용하는 경우에 미량의 질소산화물외에 오염물질을 전혀 배출하지 않는다. 또한 이미 확립된 왕복동형 내연기관의 설계 및 제조기술, 요소부품 등을 상당부분 준용할 수 있기 때문에 저렴한 가격으로 상용화하여 발전용, 산업용 또는 하이브리드자동차용 동력원으로서 활용이 가능하다.

본 시스템에서는 선형으로 왕복하는 프리피스톤 리니어엔진과 리니어발전기라는 새로운 기술의 개발을 요한다. 리니어엔진과 발전기의 새로운 설계 및 제조기술을 개발할 필요가 있으며, 전기유압구동형 흡배기밸브 등 요소부품의 개발도 요구된다. 또한 피스톤이 구속돼 있지 않음에 따라서 엔진의 연소와 발전 제어가 아주 어렵기 때문에 이를 극복할 수 있는 고도의 제어기술의 개발도 필요하다. 기존 내연기관 및 회전형 발전기 설계 및 제조기술의 업그레이드, 첨단 IT 제어기술의 활용 등에 의해 기술적 어려움을 극복할 수 있을 것으로 생각된다.

▲ <그림 1> 세계적으로 연구 중인 주요 리니어엔진동력발전시스템.

■ 연구개발 및 주요 동향-각국의 주요 동향

분산형 전원 또는 하이브리드자동차가 부각됨에 따라 신 개념의 고효율 동력원이 요청되고 있으며 이에 따라서 미국과 유럽 등지에서 <그림 1>과 같이, 리니어엔진과 발전기를 일체화한 리니어엔진 발전시스템이 국가 프로젝트로 개발되고 있다. 그러나 본 기술은 완성이 어려운 첨단 기술이기 때문에 구체적인 연구결과는 거의 공표되고 있지 않으며, 계획 대비 개발이 지연되고 있는 상태다.

미국의 샌디아국립연구소에서는 에너지부(DOE)의 프로젝트로 리니어발전기와 결합된 2행정 예혼합 압축착화 방식의 프리피스톤 수소엔진을 개발하고 있으며, GM, 미시간대학 등과 함께 시리즈방식 하이브리드자동차의 보조동력장치로서 프리피스톤발전기의 성능평가 연구를 수행하고 있다. 고압축비 희박연소에 의해 낮은 NOx와 도시열효율 56%를 목표하고 있으며, 리니어발전기와 결합해 발전효율 50%의 달성을 목표로 하고 있다. 2008년 이래 대향피스톤방식의 30kW급 설계 제작을 완료하고 시험 중인 것으로 보고되고 있다.

미국의 웨스트버지니아대학에서는 시리즈 하이브리드차량용으로 리니어발전기와 결합된 2행정 스파크점화방식의 프리피스톤엔진에 대한 수치해석과 프로토타입 엔진에 의한 실험연구를 수행하고 있다. 시제작 엔진은 보어 36.5 mm, 스트로크 50mm로서 23.1 Hz에서 316W의 출력을 얻었으나 저부하에서 사이클변동이 큼을 보고하고 있다.

EU FP 프로그램의 일환으로 Volvo사가 주축이 되어 스웨덴, 네덜란드, 프랑스, 영국 등의 8개 대학 및 기업에서 예혼합 압축착화방식의 FPEC(프리피스톤 에너지컨버터) 개발이 진행 중이다. 출력 25kW, 에너지밀도 0.6kW/kg, 배출가스 Euro 5 만족을 목표로 하고 있다. 기관별로 분담하여 리니어발전기와 리니어엔진의 설계 제작, 수치해석 등이 수행되고 있으며, 네덜란드 Innas와 영국 세필드대학에서 시제작한 프로토타입 프리피스톤엔진은 IFP, Innas, KT의 수치해석결과에 의하면 최대출력 23kW, 지시효율 51%, 유효효율 46%를 달성할 것으로 기대됐으나 공표된 실험결과는 없다.

영국의 록보로우대학과 살포드대학에서는 EPSRC의 연구비 지원과 로터스엔지니어링과의 협업으로 단기통 4행정 프리피스톤엔진과 선형 발전기, 전기구동 흡배기밸브기술 등을 개발하고 있다. 웹의 동영상에 4행정 단기통엔진으로 안정된 운전을 보이고 있으나 효율과 운전방식에 대해서는 공표된 바 없다. 또한 영국의 뉴캐슬대학에서는 대규모 전력생산을 목표로 압축착화방식의 프리피스톤 엔진 발전기를 개발하고 있다.

독일의 FEV에서는 하이브리드자동차의 동력원에 대한 여러 검토를 통해 프리피스톤 리니어엔진발전기가 고효율 하이브리드자동차의 유력한 후보가 될 수 있고, 효율 및 가격에서 연료전지를 능가할 것으로 전망하고 있다. 리니어엔진발전기의 시뮬레이션코드를 개발해 개념 엔진의 성능 및 설계 변수들의 영향을 분석한 바 있으며, 2행정, 유닛인젝터에 의한 직접분사, 압축착화, 전자제어 포핏밸브에 의한 유니플로소기 등의 기술이 적용되고 있다.

美·EU, 리니어엔진 국가적 과제 선정 개발 박차

H₂ 사업단, 출력4.8kw·열효율 50.3% 성능 개발

호주의 Pempek에서는 시드니기술대학과 공동으로 프리피스톤엔진의 연구개발을 정부과제로 수행한 바 있으며, 시리즈 하이브리드자동차의 동력원으로서 프리피스톤 파워팩의 개발을 추진하고 있다. 동 시스템은 2행정, 8기통, 배기량 2.82리터, 출력 100kW의 직접분사식 스파크점화엔진과 발전기가 일체화된 구조로서, 무버의 이동으로 흡기를 가압하고, 피스톤에 내장된 Passive 흡기밸브와 실린더헤드에 장착한 전자식 배기밸브에 의해 유니플로 소기 등을 실현하는 데에 주요특징이 있다.

■ 성과와 전망

우리나라에서는 교육과학기술부 21C 프론티어사업인 수소에너지사업단의 프로그램으로 2003년 10월부터 고효율 수소연소 리니어 동력발전시스템의 개발을 추진하고 있다. 1, 2단계는 리니어 발전시스템과 수소연소 리니어 동력시스템 분야로 나뉘어 연계 수행됐으며, 전자는 효성중공업과 서울대학교 컨소시움, 후자는 엔진텍, 한국에너지기술연구원, 성균관대학교의 컨소시움으로 추진됐다.

리니어 발전시스템은 2단계에 완료되어 3단계는 엔진텍, 한국에너지기술연구원, 성균관대학교의 컨소시움으로 고효율 수소연소 리니어 동력발전시스템의 개발이 추진되고 있다.

본 연구의 3단계 최종목표는 발전출력 5kW, 열효율 35% 이상의 극초저공해 수소연소 리니어 동력/발전시스템을 개발하는 것으로서, 1단계에는 1kW급을 개발해 연속 수시간의 가동시험에 성공했다. 외국 프로젝트의 경우에 가시적인 데이터가 공표된 바 없음에 비추어 본 연구에서 얻은 성과는 세계적인 수준이라고 생각되며 2, 3단계에는 5kW급으로의 출력 업그레이드, 효율 등 성능 및 내구성 개선을 위한 기술개발을 추진하고 있다.

▲ <그림 2> 5kW급 리니어 동력발전시스템.

▲ <표 1> 5kW급 리니어 동력발전시스템의 주요 제원.

<그림 2>와 <표 1>에 5kW급 리니어 동력발전시스템의 전경과 제원을 나타낸다. 본 시스템의 크게 나누어 일체형 리니어엔진과 발전기, 전력변환기, 엔진 및 발전기 제어기로 구성된다.

▲ <그림 3> 리니어엔진(左)과 <그림 4> 리니어발전기.

시스템 양단에는 <그림 2>에 나타내는 배기량 403cc의 스파크점화 리니어 수소엔진이 각 1기 배치되며, 그 사이에 <그림 3>의 리니어발전기가 위치돼 있어서, 좌우단의 엔진이 교차 연소하면서 발전기 이동자를 좌우로 움직이면 발전이 일어나는 구조이다. 최종시스템에서 구조적으로 크게 개선된 것은 발전기 이동자의 경량화 및 컴팩트화를 꾀해 전체 시스템의 길이가 1,451mm에서 1,154mm로 크게 감소했고, 무버의 중량 역시 23kg에서 8kg으로 크게 경량화됐다. 수소연소 리니어엔진은 그림에서와 같이 흡기포트에 설치된 수소인젝터에 의해 흡입공기에 수소연료가 분사되어 연소실내에서 스파크에 점화되는 구조로서, 흡기는 전자유압식 밸브에 의해 제어된다. 리니어발전기는 <그림 4>에서와 같이 코일로 구성된 고정자 내에서 자석이 장착된 이동자가 선형으로 움직이는 구조를 가지고 있다.

▲ <그림 4>.

▲ <그림 5> 수소 리니어엔진의 성능 선도.

주요연구내용으로서 수소리니어엔진의 흡배기과정에 대한 전산 해석, 리니어엔진의 설계 제작, 전자유압식 흡기밸브의 설계 제작, 리니어발전기의 설계 제작, 전력변환기의 설계 제작, 엔진 및 발전기 제어기의 설계 제작, 분리윤활장치 설계 제작, 리니어동력발전시스템의 연소 및 성능 최적화, 최적제어기술 등이 이뤄졌으며, 지속적인 시스템 및 요소부품 성능 개선을 통해 3차년도말 현재 작동주파수 20.5Hz, 전기출력 4.8kW, 도시열효율 50.3% 등의 성능을 얻을 수 있었다(그림 5 및 표 2참조). 4차년도인 현재에는 연소, 제어 및 윤활 최적화, 내구 신뢰성 개선, 패키지화 연구 등을 수행해, 상용화를 위한 수소연소 리니어동력발전시스템의 최적 기술개발을 위해 노력하고 있다.

▲ <표 2> 수소 리니어동력발전시스템의 성능 개발 현황.