2020년 3천300억달러까지 수요 증가할 것으로 기대
■국내외 건설기계산업 동향 및 주요지표
◇국내외 산업동향= 2013년 세계 건설기계 수요는 1천634억달러(88만7천822대) 규모로서 2000년 이후 연평균 4.3%의 성장세를 기록했다.
한국 건설기계산업은 세계 6위 규모(약 90.9억달러/2013년)로서 수출을 본격화한 1994년 이후 지속적인 무역수지 흑자 기록 중이나, 2009년 글로벌 경제침체 이후 신흥시장의 경기침체 유럽, 북미, 중국 등 기존 주력시장의 더딘 경기 회복으로 2012년부터 3년 연속 수출 감소세를 보였다.
2014년 국내 건설기계 수출액은 선진국 수출 회복 효과로 인해 상승세로 전환 될 것이라는 당초 예상과 달리 BRICs 등 기존 주력시장 및 신흥시장의 시장 경색심화와 이에 따른 투자 위축으로 전년대비 약 2.5% 감소하여 66.7억달러를 기록했다.
2015년 한국 건설기계산업은 세계 건설기계 수요 증가와 서유럽국의 건설경기 회복, 북미 및 중동지역 수출량 증가 등 회복세 전환이 예상돼 약 5% 내외 소폭 성장할 것으로 전망된다.
향후 건설기계 세계 시장 규모는 중국, 인도, 러시아, 중동 등 신흥국가의 수요 확대로 인해 2020년에는 3천300억달러까지 수요가 증가할 것으로 기대된다.
이란의 경제 제재 해제 이후 되살아나는 건설경기 수요를 감안, 향후 건설기계시장의 진출 가능성이 커지고 있으며 최근(2016.4) 잇따라 발생하고 있는 전지구적 지진 및 화산폭발 등 자연재해 발생으로 건설기계의 수요가 크게 증가할 것으로 전망된다.
국내 생산액은 건설기계 경기가 최고 호황이었던 2011년 12.3조원에서 2015년은 34%가 하락한 8.1조원을 기록했고 국내 대표 건설기계 생산 기업인 두산인프라코어(국내 1위, 세계 10위)가 생산라인 축소, 약 30%의 인원 감축 등 고강도 구조 조정을 시행하는 위기에 처해 있다.
건설기계 국내 생산액은 2011년 대비 2015년은 12.3조원에서 8.1조원으로 34% 감소했다.
■건설기계부품연구원 주요 기술개발 - 건설기계용 Electric Turbo Compounding System(E-TCS) 기술 개발
◇기술의 개요= 건설기계용 E-TCS는 기존의 Turbo-charger 모듈에 전기 시스템(모터/발전기, Power Electronics System)을 융합해 저속운전 구간에서는 엔진의 동특성 및 출력을 증가시키고, 고속운전 구간에서는 배기 운동 에너지를 회수하여 전기 에너지로 재생함으로써 연비 향상 및 CO2 저감을 동시에 확보할 수 있는 기술이다.
일반적인 Turbo-charger는 저속에서 충분한 배기가스가 배출되기 전까지 과급기능의 부족으로 터보랙이 발생하며, 고속운전 구간은 과도한 배기가스 발생시에 Waste-Gate를 통해 배기가스를 버리게 된다.
하지만 E-TCS는 고속운전 구간에서 Waste-Gate를 통해 버려지던 배기가스를 발전기를 통해 전기적인 에너지로 변환해 배터리에 저장하고, 저장된 에너지를 활용해 모터로 Compressor의 과급기능을 Assist하여 터보랙 문제 해결 및 과급기능을 향상시킨다.
향상된 과급기능을 통해 엔진의 출력을 높이고, 이를 통해 연비개선 및 CO2 저감을 실현한다.
본 과제의 기술 개발 목표인 Electric turbo compounding system (E-TCS)은 대형 상용 디젤 엔진 전반에 적용이 가능한 기술로서 굴삭기 및 휠로더, 지게차, 천공기 등의 각종 건설기계뿐만 아니라 유사한 엔진을 사용하는 버스, 트럭, 선박, 발전기 등에 활용이 가능해 파급효과가 큰 기술로서 국산화 개발 및 기술 선점이 반드시 필요한 기술이다.
◇제품의 개요= E-TCS의 주요 구성품은 그림1과 같이 배기가스의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키기 위한 Turbine, 과급기능의 Assist 및 기계적 에너지를 전기에너지로 전환시키기는 모터/발전기, 모터의 회전 및 발전된 전력을 제어하는 Power Electronics System, 생성된 전기에너지를 저장하는 배터리, 엔진 과급을 위한 Compressor 및 시스템 전반을 제어하는 Controller로 구성된다.
| ◇사업개요 ▷과제명 : 건설기계용 Electric Turbo Compounding System(E-TCS) 기술 개발 (한국산업기술평가원, 수요자연계형기술개발사업) ▷기술개발 기간 : 2016.03.01 ~ 2018.12.31 (34개월) ▷참여기관 : 건설기계부품연구원, ㈜대동모벨시스템, 두산인프라코어㈜, ㈜인지니어스, 한국기계연구원 ▷개발 목표 : 연비 및 출력 향상율 10% ▷기술개발 내용 : - E-TCS용 압축기 및 터빈 등 Turbo-charger 요소 기술 개발 - 고효율/고출력 밀도 Electrical Machine(Motor/Generator) 기술 개발 - 고회전/고내구 Shaft Assembly 및 Rotor Dynamics 기술 개발 - High Thermal Stability E-TCS 모듈화 기술 개발 - E-TCS용 Electric Application System (Inverter/Converter) 기술 개발 - E-TCS 모듈 엔진 매칭 및 통합제어/평가 기술 개발 |
■건설기계 엔진룸 총합 열관리 시스템 및 소음저감 기술 개발
◇기술의 개요= 현재의 건설기계 엔진룸은 좁은 공간에 엔진 및 유압기기 등 고발열 부품들이 밀집돼 있고, 인터쿨러, 라디에이터로 구성된 차량과 달리 유압유 쿨러, 변속기 오일 쿨러, 액슬 오일 쿨러 등 냉각 시스템이 더 다양하고 복잡하게 구성돼 있다.
이러한 복잡한 엔진룸 레이아웃 구조로 인해 건설 기계는 방열 문제로 인한 성능 저하와 빈번한 고장 등이 발생하고 있음에도 엔진룸 방열 설계에 대한 체계적인 설계 프로세스가 정립되지 않아서 방열 문제에 대한 정확한 원인 분석과 해결방안 모색이 어려운 상황에 놓여 있다.
또한 건설기계의 경우 주로 정차해 작업을 하거나 주행을 하더라도 40km/h 이하의 느린 속도로 이동하므로 냉각시 주행풍을 이용할 수 없기 때문에 건설기계 냉각 시스템은 Fan & Shroud에 전적으로 의존해야 한다.
엔진룸 방열 성능을 향상시키기 위해서는 Fan 풍량을 높여야 하지만 이는 소음을 증가시키게 된다.
따라서, 본 과제에서는 방열 성능 향상 및 엔진룸 소음을 저감시키기 위해서 공냉식 냉각시스템의 개선과 함께 수냉식 냉각시스템에 관해 연구를 진행하고 건설기계 발생 소음 중 가장 큰 비중을 차지하는 Fan의 개선안에 관해 연구를 진행할 예정이다.
공냉식 냉각시스템의 개선은 주행풍을 거의 이용할 수 없어 냉각 Fan에 의존해야 하는 건설기계의 특성을 고려해 엔진룸 공기 입/출구의 형상을 검토해 최적화 하는 한편 Fan에 발생하는 배압 저감을 위한 각종 열교환기의 형상 및 배치를 재검토해 최적화를 수행해 효율을 극대화하는 기술에 관해 연구를 진행할 계획이다.
이와 함께 수냉식 냉각시스템을 혼성 적용해 각 종 열교환기 배치 구조 컴팩트화를 통한 유동 저항을 감소 시켜 냉각팬에 걸리는 부하를 줄이고, 냉각팬 배압에 의한 소음 증가를 방지할 수 있는 최적 방열 레이아웃 설계 기술을 개발할 예정이다.
◇제품의 개요= 본 과제는 지게차에 적용할 수 있는 고효율 방열 및 저소음을 위한 구조 설계 플랫폼을 개발과 더불어 지게차의 엔진룸 최적 열관리를 위한 냉각 시스템 및 핵심 부품 개발로 구성된다.
건설기계 엔진룸 총합 열관리 시스템 및 소음저감 기술 개발 과제의 핵심 기술 중 하나인 수냉식 냉각시스템의 경우 기존 공랭식 열교환기를 대체하는 수냉식 쿨러, 각 쿨러로 유입되는 냉각수 유량을 조절하기 위한 컨트롤 밸브, 냉각수가 흡수한 열을 대기 중에 방출하기 위한 대용량 라디에이터 및 각 시스템의 모니터링과 제어를 담당하는 컨트롤러로 구성된다.
| ◇사업개요 ▷과제명 : 건설기계 엔진룸 총합 열관리 시스템 및 소음저감 기술 개발(한국산업기술평가원, 산업핵심기술개발사업) ▷기술개발 기간 : 2016.05.01 ~ 2020.04.30. (48개월) ▷참여기관 : 현대중공업(주), ㈜해송엔지니어링, ㈜성신, KAIST, 인하대학교 ▷기술개발 내용 : - 엔진 발열 및 에너지 흐름 분석 기술 개발 - 엔진룸 방열을 위한 최적 레이아웃 설계 기술 개발 - 열교환기 배치구조설계 기술 개발 - 엔진룸 유로 분석 및 엔진룸 내부 유동 개선 기술 개발 - 소음 저감을 위한 차폐 구조물 설계 기술 개발 - 고효율 공냉식 및 수냉식 열교환기 해석/설계/제조/평가 기술 개발 - 고효율 저소음 Fan & Shroud 해석/설계/제조/평가 기술 개발 |
