수소엔진 및 자동차에 관한 연구는 1993년부터 G7 차세대자동차 기술개발사업으로 현대자동차의 주관아래 진행되어 오고 있으며 1997년 현재 실용화 연구단계인 제2단계 2차년도 사업을 진행 중에 있다. 2년간 걸쳐 수행된 제1단계 기초기술확립 연구에 있어서는 단기통 및 다기통 엔진을 이용한 기본시험을 완료하였으며 제2단계 연구에 있어서는 수소 직접분사 인젝터개발, 엔진 성능 및 배기개발, 엔진 제어 시스템 개발, 수소 저장장치 등에 주력하고 있다. 현대자동차는 이러한 시험결과를 바탕으로 1994년 엑센터 수소자동차를 제작한 바 있으며, 1997년5월에는 티뷰론 차량에 직접 분사식 수소엔진과 각종제어 시스템 및 안전장치를 탑재하고 Metal Hybride수소저장 시스템을 사용하는 차량을 제작하여 현재까지 엔진 및 차량의 연소 및 배기특성과 주행성능에 관한 연구를 진행하고 있다.
수소장도차의 원리
수소를 내연기관의 연료로 사용하기 위한 시도는 이미 1800년대 초반에 있었으나 이상연소의 발생으로 인해 무산되었고, 이후 1970년대 유류파동을 계기로 대체연료에 대한 연구가 활성화되면서 수소에 대한 관심도 높아지기 시작하여 현재는 환경보호에 기여할 수 있는 청정연료라는 점에서 주목을 받고 있다. 수소를 엔진에서 연소시키는 이 방식은 배기가스의 청정도가 높ㅇ느 것으로 알려져있다. 아직 시험차 단계이긴 하지만 도로를 달릴 수 있을 정도로 실용성이나 안저성도 높아지고 있다. 연료인 수소도 물의 전기분해로 만드는 재생 가능한 에너지원이기 때문에 양이 풍부해 실용화의 기대를 모으고 있다.
수소엔진의 특징 : 지구 온난화의 주범으로 자리잡고 있는 탄화 수소계 물질대신, 탄소원자를 포함하지 않는 수소에 관한 중요성이 나날이 고조되고 있다. 수소는 재순환이 가능하고 환경에 미치는 영향이 거의 없다는 것이 가장 큰 장점으로 여겨지고 있다인해 세계 각국에서 다양한 용도로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 자동차의 경우 수소를 내연기관의 연료로 직접 사용하는 방법과 연료전지(Fuel Cell)에 사용하여 전기에너지를 얻는 방법의 2가지 방향의 연구가 진행되고 있다. 수소는 무색, 무취, 무비, 무독성의 기체로서 단위 질량당 에너지가 매우 큰 특성을 지니고 있어 연료로서는 우수한 성질을 지니고 있다. 또한 최소 점화에너지가 작고 소염 거리가 작으므로 취급에 주의를 기울여야 하는 특성도 갖고 있으나, 공기보다 가볍고 확산이 빠르므로 밀폐된 공간만 아니면 누설되는 경우에도 폭발의 위험은 없다.
수소엔진 분류 : 운전방법에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다. 연소실 내 분사방식과 흡기포트 공급방식으로 나눌 수 있다 . 흡기포트 방식의 경우 출력의 저하와 역화(Backfire)의 가능성이 있으므로 현재는 주로 연소실 내 분사방식을 사용하고 있다. 이 경우 분사시기는 흡기 밸브가 닫힌 이후의 압축행정중이 되며 수소의 분사압력을 증가시켜 압출 말기에 분사할 경우 확산연소에 의한 연소의 제어도 가능하다. 수소 인텍터의 구동방식은 여러가지가 있으나 현재는 유압식의 인젝터가 일반적으로 사용되고 있고 전자적인 제어가 가능한 솔레노이드 방식의 개발도 널리 진행되고 있다.
수소엔진 개발의 문제점
장 중요한 연구과제는 고부하 영역에서 발생하는 이상연소 현상의 억제, 이론 공연비 부근에서 다량으로 발생하는 질소산화물의 저감, 고속작동 및 내구성이 보장되는 수소 인젝터 개발의 3가지로 요약할 수 있다. 현재까지의 연구에 따르면 희박연소, 배기가스 재순환장치(EGR), 물분사 방법 및 엔진 운전 조건의 제어를 통해 연소측면의 문제는 대부분 해결가능성이 높은 상태이며, 솔레노이드 또는 압전소자 등의 개발로 인젝터의 성능도 향상시킬 수 있는 것으로 평가되고 있다. 이상에서 기술한 수소엔진을 사용하는 수소자동차의 개발 및 그 운용을 위해서는 수소저장장치의 개발이 선결과제로 대두되고 있다. 이는 수소 내연기관뿐 아니라 연료전지를 이용하는 전기 자동차의 경우에도 적용되는 것으로서 소형, 경량으로 다량의 수소를 안전하게 저장할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
가장 쉽게 적용할 수 있는 고압 수소 용기의 경우 근래 들어 복합재료 분야의 연구결과에 의해 강도가 향상되면서 전체 체적이 감소하는 경향이어서 차량의 여유공간을 활용하는 경우는 사용 가능성이 있는 것으로 생각되고 있다. 금속수화물(Metal Hydride)탱크의 경우 안전성이 가장 높으나 중량과 내구성에 대해서는 아직 개선의 여지가 있다. 액체 수소 탱크는 중량 및 체적 면에서는 유리하나 자연 증발에 의한 손실과 저온에서 작동하는 펌프등의 부품개발이 연구과제로 남아 있다.
수소엔진 연구의 방향
현재 미래의 에너지원으로서의 수소에너지에 관한 연구는 선진 각국에서 활발히 진행되고 있으며 발전등의 용도 이외에 자동차용 연료로서의 연구도 동시에 진행되고 있다. 미국의 경우 정부의 활발한 지원아래 연구소 및 대학을 중심으로 연구가 진행되고 있으며 최근 Xerox사와 캘리포니아 Riverside대학을 중심으로 차량을 제작하여 시험 운행을 하고 있다. 이는 아직 초기단계로서 고압용기와 단순한 구조의 엔진을 사용하고 있으며 차량 자체보다 태양광으로 발전한 전기를 이용한 수소 전기분해 시설의 운영에 초점을 맞추고 있다. 일본에서는 Mazda등의 자동차회사와 Musashi대학에서 다양한 연구를 수행하고 있다. Mazda의 경우 로터리 엔진과 Metal Hydride저장장치를 사용하여 시험 차량을 운영하고 있으며, Musashi대학의 경우 액체수소 저장기술과 유압식 인젝터를 사용하여 다양한 형태의 차량과 엔진에 관한 연구를 수행하고 있다. 독일의 경우 BMW 및 연구소에서 액체수소 이용기술과 고성능 인젝터의 실용화 연구에 주력하고 있다. 이밖에 캐나다, 이탈리아, 인도 등에서도 수소 자동차에 관한 기초연구를 진행하고 있다. 현재까지의 연구는 아직 실용화에는 미치지 못하고 있으며 엔진형식, 수소 공급방식, 수소 저장방식에 있어 다양한 시도가 이루어지고 있는 기초연구단계라 할 수 있다. 그밖에 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차의 경우도 최근 Toyota, Benz등에서 시작 차랑을 발표한 바 있으며 이와 동시에 하이브리드 차량 개념의 수소연료의 이용 방안에 대해서도 미국과 일본을 중심으로 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이중 독일의 다임러- 벤츠사가 세계 최초의 수소 자동차를 공개했다. 메르세데스- 벤츠의 소형 A-크래스를 기본모델로 한 네카3은 메탄ㅇ로을 수소로 바꿔주는 연료전지를 이용 엔진을 구동시키기 때문에 기존의 화석연료 자동차보다 유해가스 배출량이 훨씬 적다. 이산화 탄소 배출량이 기존의 화석연료 자동차의 50%이며 일산화 탄소, 아황가스, 산화질소 는 1%에 불과하다. 다임러- 벤츠사는 네카3를 2005년 시판을 목표로 하고 있다.
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