[Tech Review] 엔진과 발전기의 결합, 토요타 FPEG

레인지 익스텐더(Range Extender). 하이브리드 방식의 한 종류로, 엔진을 동력을 전달하는 용도가 아닌 발전기로 활용하는 자동차다. 엔진이 만든 전기에너지를 통해 배터리를 충전시키거나 전기모터를 구동시켜 자동차가 움직일 수 있는 것이다. 대표적인 자동차로 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)가 유명하다.

하지만 자동차에 사용되는 내연기관 엔진은 다양한 손실이 이루어지면서 운동에너지로 변환된다. 여기서 발생하는 동력으로 발전기를 돌려 전기를 생산하면 다시 한번 다양한 형태로 동력 손실이 발생한다. 이렇게 생성된 전기에너지는 효율 자체로 따지면 상당히 낮은 것이 현실이다.

그럼 엔진이 발전기를 돌리지 말고 엔진 자체에서 전기를 만들 수는 없을까? 토요타 중앙 R&D 연구소가 개발한 FPEG(Free Piston Engine Linear Generator)의 개념은 여기서 출발한다.

토요타에 따르면 현재 개발한 프로토타입 FPEG 10kW의 전력을 생성해낸다고 한다. 20kW의 전력을 발행시키는 수준이면 소형차에 탑재되어도 120km/h의 속도로 항속할 수 있는 동력을 만들 수 있다.

FPEG는 엔진도 아니고 발전기도 아닌 독특한 성격을 갖는다. 내연기관의 형태로 연료를 연소시키며 운동에너지를 만들지만 그 자체로 전기가 만들어지기 때문이다.

현재 기술로 실용화 할 수 있는 FPEG 기술은 2가지가 거론되고 있다. 내연기관 장치와 발전기 장치가 병렬식으로 연결되어 독립적인 실린더 공간을 갖는 것과 내연기관 장치와 발전기 장치가 하나의 실린더에 함께 탑재된 형태가 그것. 토요타가 선택한 형식은 후자다.

더블 피스톤 시스템(Double Piston System)으로 불리는 개념은 한쪽 끝은 일반 내연기관이, 반대쪽 끝은 발전기를 갖추고 있는 형태다. 피스톤이 왕복 운동을 하도록 만드는 것이 내연기관이며, 이 왕복 운동을 전기에너지로 바꾸는 것이 반대쪽에 위치한 발전기인 것이다. 이를 위해 발전기 부분은 자석으로 이루어져 있으며, 실런더 벽은 코일로 감싸진 형태를 갖는다.

FPEG는 4행정이 아닌 2행정 구조의 연소실을 갖추고 있다. 그리고 피스톤에는 크랭크샤프트와 별도로 연결되지 않는다. 그렇다면 피스톤은 어떻게 왕복운동이 가능할까? 이는 발전기 부분에 가스 스프링이 장착되었고, 가스 스프링이 피스톤을 다시 밀어내 내연기관의 압축행정을 만든다. 이를 만족시키기 위해서는 독특한 형태의 실린더와 피스톤 구조가 필요한데, 토요타는 이를 ‘W-shape’라고 이름 붙였다.

토요타에 따르면 FPEG는 열 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 저항 감소에도 이점이 있으며, 진동까지 적다고 한다. 특히 내연기관의 경우 상황에 따라 불꽃 점화(SI, Spark Ignition combustion) 방식과 예혼합 압축착화(PCCI, premixed Charged Compression Ignition combustion) 방식을 함께 사용하면서 열 효율을 다시 한번 높일 수 있도록 했다. 이를 통해 이론적으로 42%의 열 효율 발생이 가능하다.

피스톤의 마찰력을 감소시키기 위해 피스톤 링과 실린더벽에는 세라믹으로 코팅을 적용했다. 2행정 특유의 벨브 시스템 발열을 감소시키기 위해 수냉식 실린더 헤드 냉각 장치도 추가했다. 직분사 시스템을 활용으로 탄화수소의 발생도 억제했다.

발전기 부분에 사용된 자석은 네오디뮴-철-붕소(Neodymium-iron-boron, NIB)라는 이름의 복합 화학 자석이 사용되었다. 이 자석은 현재까지 제조된 영구자석 중 가장 높은 수준의 자력을 지니고 있는 것으로 알려지고 있다. 특히, 희토류를 사용한 사마륨-코발트 자석에 비해 자기장의 세기는 강하지만 오히려 저렴한 가격에 생산이 가능하다는 장점이 있다.

앞에서 언급했듯 토요타의 FPEG는 크랭크 샤프트가 없다. 때문에 피스톤의 왕복 운동이 크랭크 각도의 영향에서 자유로울 수 있다는 장점이 있다. 하지만 피스톤이 멋대로 움직여버린다면 정상적인 연소 행정이 불가능하게 되어버린다.

토요타는 이를 제어하기 위해 피스톤과 실린더 벽에 센서를 추가해 피스톤의 움직임을 모니터링 할 수 있도록 했으며, 연료 인젝터, 점화장치, 벨브 등 작동 시점을 제어할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다. 여기에 FPEG를 발전기의 용도, 혹은 동력 발생자치 용도로 선택할 수 있도록 했다.

피스톤이 독립적으로 움직이는 만큼 실린더 내에서 항상 일정한 압축비를 만드는 것이 기술의 핵심이다. 이를 위해서 토요타는 피스톤에 발생하는 하중계수를 상황에 따라 크거나 적게 제어하는 가변 제어시스템을 제작했다. 피스톤의 진동 및 운동량의 주파수를 모니터링하고 제어함으로써 일정한 연소가 가능하도록 제작한 것이다.

토요타에 따르면 현재 완성된 프로토타입은 어떠한 냉각 문제와 윤활 문제를 발생시키지 않고 4시간 이상 안정적으로 가동이 가능했다.

토요타는 하이브리드 시스템을 통해 내연기관 자동차와 전기자동차의 과도기적 모습을 보여주었다. 이번에 토요타가 제시한 FPEG는 내연기관 엔진과 자가발전 전기모터의 과도기적 모습이라고 할 수 있다.

토요타 FPEG 기술은 내연기관의 한계를 극복할 수 있는 해법이 될 수 있을까? 높은 출력을 발휘하는 것보다 높은 효율을 발휘할 수 있는 것. 자동차 메이커를 평가하는 기술력 척도의 방향이 점차 변화되고 있다.