수소연료전지 상용차 개발과 보급이 본격화되고 있는 가운데, ‘수소연소엔진(이하 수소엔진)’을 장착한 수소 상용차 시대가 성큼 다가오고 있다. 수소엔진은 지구온난화에 대응하는 미래의 3대 탄소중립 파워트레인(전기배터리, 수소연료전지, 수소엔진) 중 하나로, 기존 내연기관에 연료 공급계와 분사계 등을 변경해 수소를 연소시켜 동력을 얻는 방식이다.

기존 내연기관에 들어가던 윤활유들을 그대로 사용하는 수소엔진은 연소 과정에서 수소와 함께 윤활유도 같이 타버리기 때문에 배기가스가 전혀 발생하지 않는다고 말할 수 없지만, 가솔린 엔진과 비교하면 이산화탄소(CO)는 1%, 미세먼지(PM)는 10% 정도 밖에 발생하지 않는다.  

수소엔진은 연료 공급 시스템과 엔진을 구성하고 있는 부품만 수소의 강력한 폭발력에 충분 견딜 수 있는 재질로 변경한다면 수소연료전지 개발비 대비 적은 금액으로 제작 가능하다. 때문에 주로 기존 내연기관 설계 기술을 가지고 있던 상용차 업체나 엔진 개발사들 위주로 개발이 진행되고 있다.

커민스, 토요타, 케유 등 해외기업들
수소엔진·수소엔진상용차 개발 가속화 
독일이 엔지니어링 기업 보쉬(Bosch)는 오는 2035년에는 상용차 절반이 배터리 또는 수소로 구동될 것이라고 전망하고, 수소연료전지와 함께  ‘실린더 직접분사시스템’을 탑재한 수소엔진도 개발 중이다.  

일본의 자동차 기업 토요타(Toyota)는 레이싱 차량용으로 사용하기 위해 수소엔진을 개발하기 시작했다. 수소엔진에서 발생하는 굉음과 불꽃이 레이싱 경주에서 관람객들에게 극적인 효과를 전해줄 수 있다고 판단했기 때문이다. 실제로 토요타는 NAPAC 후지 슈퍼텍 24시 레이스에서 액체 수소 연료를 탑재한 ‘코롤라(COROLLA)’ 레이싱카로 경기를 치른바 있다. 

최근에는 이스즈와 손잡고, 코롤라 레이싱카에 탑재됐었던 엔진을 대형 상용차용 수소엔진으로 개조 중이다.

엔진과 발전기 개발 회사인 미국의 커민스(Cummins)는 지난해 5월 캘리 포니아 롱비치에서 열린 ‘ACT(Advanced Clean Transportation) Expo’에서 15 리터(ℓ)급 수소엔진 ‘X15H’를 공개했다. 올해 초에는 중국 우한에 위치한 커민스 동아시아 연구개발센터에서 X15H의 시운전 행사를 실시하며, 그 성능을 확인했다. X15H엔진은 542마력과 최대 토크 265kgf·m를 자랑한다. 

올해 9월에는 믹서트럭 등 건설장비 제조업체인 테렉스Ⓡ 어드밴스(TerexⓇ Advance)와 손잡고, 커맨더 시리즈에 장작된 기존 디젤엔진을 X15H엔진으로 교체를 추진하기 위한 의향서(LOI)를 체결하기도 했다.

커민스는 X15H엔진을 2027년 상용화를 목표로 개발 중인 것으로 알려졌으며, 향후엔 X15H엔진 이외에 6.7리터급 엔진도 출시할 계획이다.

이외에도 독일의 수소기업인 케유(KEYOU) 또한 프로토타입(시제품)의 수소엔진 트럭을 선보이는 등 수소엔진은 내연기관의 대체제로 급부상하고 있다.

HD현대인프라코어 ‘HX12’ 엔진
2025년 상용화 위해 개발 중
국내의 경우 HD현대인프라코어와 한국기계연구원이 수소연소엔진 개발을 진행해 왔으며, 최근 연구성과를 내놨다.  

우선, HD현대인프라코어는 현재 산업통상자원부 산하 산업기술평가관리원의 국책과제인 ‘건설기계·상용차용 수소엔진시스템 및 저장·공급계 개발’ 주관 기관으로 선정돼 국내 최초로 300kW, 배기량 11리터급 수소엔진 ‘HX 12’를 개발 중이다.

해당 수소엔진은 이산화탄소 배출량이 1/gkWh 미만에 달해 미환경보호청(EPA) 기준 ‘티어 4(Tier 4)’와 유럽 ‘EU 스테이지 5(Stage V)’, 그리고 유로7(Euro 7) 배기가스 규제기준을 각각 충족한다. 올해 3월에는 인천시 화수동 소재 본사 제1연구동에서 개최된 ‘HX12 수소엔진 1호기 시동식’도 성공적으로 마쳤다. 

이밖에 수소엔진 산업활성화와 기술개발 협력을 위해 한국자동차연구원과 업무협약(MOU)를 체결, 수소엔진 기술 기반 및 생태계 조성을 위한 상호협력과 수소엔진 인프라와 산업 활성화를 위해 노력하고 있다. 

HD현대인프라코어는 2024년까지 시내버스와 직행좌석버스. 나아가 6×4 대형트럭 등 상용차와 건설기계에 수소엔진을 탑재, 성능 인증을 마친 후  2025년부터 본격적인 양산에 들어갈 계획이다.

한국기계연구원 소속 최영 모빌리티동력연구실과 현대차·기아는 지난 9월   현대자동차의 ‘누우 하이브리드 엔진’을 기반으로 한 직접분사식 수소엔진의 개발을 완료, 테스트를 통해 성능을 입증했다고 밝혔다.

기존 ‘포트분사식’은 수소를 실린더 안이 아닌 흡기 포트로 분사해 공기와 혼합해 연소시키는 방식이었다. 이 방식은 기체 상태인 수소연료가 많은 공간을 차지하면서 연소실로 유입되는 공기의 양이 줄어 효율성이 떨어진다는 단점이 존재했다. 또 불꽃이 역행하는 역화현상이 나타나 엔진 성능이 감소하는 문제도 발생했다.

이번에 개발된 직접분사식 수소엔진은 수소를 30기압 수준으로 연소실에 직접분사함으로써, 연소에 필요한 많은 공기를 확보해 초희박연소를 구현했으며, 보다 낮은 온도에서 안정적인 연소가 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다. 또한 유럽 시장 자동차 수출의 관건인 무공해 자동차 기준을 충분히 충족시키며, 자동차 배기가스 후처리 장치 없이도 15ppm이하의 질소산화물(NOx)을 배출한다. 

연구팀은 향후 내구성이나 엔진 기술에 대한 검증이 이뤄진다면, 승용차 뿐만 아니라 상용차용 엔진과 발전용 엔진으로도 활용할 수 있을 것으로 보고있다.