“배기량은 낮추면서 성능은 높이고 연료소비는 억제한다.” 다운사이징(Downsizing)의 요체다. 여기에 변속기의 다단화로 다운스피딩(Down Speeding)도 대세로 자리잡고 있다.

메르세데스 벤츠의 엔진도 그런 시대적인 과제를 수행하면서 변화가 진행 중이다. 이미 2009년에 1.8리터 직렬 4기통 직분 터보 CGI를 선보였고 올 들어서는 V6와 V8도 직분화와 과급기의 채용으로 신세대로 진화했다.

메르세데스-벤츠의 신형 V6와 V8은 3.5리터와 4.6리터로, 각각 기존의 3.5리터와 5.5리터를 대체하는 성격이다. 새 V6 & V8은 3세대로 발전한 스프레이드 가이드 방식의 직분사 시스템과 피에조 인젝터, 멀티 스파크, 흡배기 모두에 적용된 VVT가 적용된다.

우선 코드네임 M278로 불리는 4.6리터 V형 8기통 트윈 터보 엔진의 배기량은 4,463cc. 보어×스트로크 92.9×86.0mm. 기존 M273 엔진보다 배기량이 702cc나 축소됐다. 이 엔진의 직분 시스템에는 분사압 180바의 3세대 스프레이 가이디드식 피에조 인젝터가 채용되어 있다. 린 번은 하지 않지만 연소 상황에서 처음 95%의 연료를 분사하고 마지막으로 나머지를 분사해 연소를 안정시킨다고 하는 HSP(Homogeneous Split)모드가 사용된다.

터보차저는 각 뱅크게 1기씩 모두 2기가 탑재되며 인터쿨러는 V뱅크 내에 수납된다. 과급압은 최대 0.9바. 특별한 것은 이정도의 과급압을 걸면서 압축비는 10.5로 종래 자연흡기 엔진과 별반 다르지 않다는 것이다. 이것이 직분의 효과다.

이렇게 해서 발휘하는 성능도 놀라울 정도의 수준이다. 최고출력은 435마력/5,250rpm, 최대 토크는 700Nm(71.3kg.m)/1,800~3,500rpm에 이른다. 이는 현재의 5.5리터 자연흡기의 338ps/530Nm 보다 47마력, 170Nm이 높아진 것이다. 거기다 2천 rpm이 되기 전에 45%나 많은 토크를 생산한다. 최대 토크가 1,800 rpm이라는 낮은 회전수에서 나오는 것. 그럼에도 연비는 CL클래스의 9.5리터/100km(EU모드)보다 22%나 개선된 12.3리터/km에 이른다. CO2 배출량은 288g/km에서 224g/km으로 감소했다. S클래스에 탑재해도 9.3리터/km, 이산화탄소 배출량은 218g/km. 이 수치는 BMW 액티브 하이브리드7, 렉서스 LS600h의 219g/km와 비슷하다. 올 가을에 나오는 CL 500에 가장 먼저 탑재된다.

여기에는 직분과 터보차저, HSP외에도 각 부의 마찰저감, 새로운 오일펌프와 수온관리시스템의 채용, 아이들링 스톱 시스템 등도 크게 기여하고 있다.

신형 V8은 각 뱅크에 하나씩 터보를 배치해 지체 현상을 최소화 했다. 1,600~4,750 rpm이라는 넓은 구간에서 61.1kg.m의 토크가 나와 실질적으로 지체 현상이 사라졌다는 설명이다. 터빈의 부스트는 0.9바, 최대 회전수는 15만 rpm에 달한다.

한편 코드네임 M276의 V6 3.5리터 엔진은 보어×스트로크 92.9×86.0mm로 실린더 크기는 V형 8기통과 같다. 배기량은 3,499cc로 자연흡기 엔진이다. 이 엔진의 가장 큰 변경 포인트는 V뱅크의 각이다. 종래의 90도는 8기통과의 공용화를 위한 선택이었지만 신형은 뱅크각을 V형 6기통에서는 일반적으로 60도로 함으로써 부드러운 회전을 추구하는 밸런서 샤프트를 생략해 마찰저항과 중량의 저감을 꾀했다.

역시 스프레이 가이디드식 직분시스템의 분사압은 200바. 특징적인 것은 세 개의 연소모드를 갖고 있다는 점이다. 우선은 4,000rpm까지의 저부하시에는 종래대로 린번에 의한 성층연소가 이루어진다. 연료는 압축행정에서 복수회, 분사된다. 그리고 고부하역, 또는 3,800rpm이상의 회전역에서는 균질연소가 이루어지는데 신형 엔진에서는 그 중간 4,000rpm의 회전역에서 중간 정도의 부하가 걸렸을 때에 HOS(Homogeneous stratified combustion)라고 하는 양자의 중간적인 연소모드를 이용하는 것이다.

HOS는 희박 연소와 기존의 성층 연소를 혼합한 것으로, 첫 희박 분사는 흡기 행정에서 일어나고 실질적인 분사는 압축 행정에서 진행된다. 싱글 또는 더블 분사는 상황에 따라 달라진다. 균질연소와 마찬가지로 흡기행정에서 연료를 분사하고 압축행정에서 1 또는 2회의 분사를 하는 것이다. 즉 아이들링에서는 희박 연소, 부하가 적은 상황 또는 3,800 rpm 이전에는 성층 분사, 그 이상에서는 HOS 모드로 전환된다. 이로 인해 고출력과 연비성능의 향상을 양립시킬 수 있게 된 거이다.

V형 6기통 엔진의 배기량은 3,498cc에서 3,499cc로 거의 동일하다. 최고출력은 272/292마력에서 306마력/6,500rpm으로, 최대 토크는 34.9kg.m에서 370Nm(37.7kg.m)/3,500~5,250rpm으로 높아졌다. 출력과 토크가 모두 상승했지만 연료 소모는 24%나 감소했다. S 클래스 기준으로 공인 연비는 10리터/100km에서 7.6리터/100km(11.98km/L에서 15.76km/L으로)로 크게 개량된 것이다. CO2 배출량은 234g/km에서 177g/km으로 줄었다. 이 엔진은 S 350에 가장 먼저 탑재된다.

이 V형 6기통 엔진은 앞으로 베리에이션이 더욱 다양해질 것이라고 한다. 터보차저 사양은 물론이고 배기량도 더 낮출 것이라는 얘기이다.

V8, V6 두 엔진 모두 크랭크케이스와 피스톤, 실린더 헤드는 알루미늄, 크랭크샤프트와 커넥티 로드, 밸브는 단조 스틸로 제작했다. 거기다 3세대 직분사와 피에조 인젝터, 멀티 스파크 기술이 적용돼 엔진의 효율은 더욱 높아졌다. 여기에 도심 연비를 높여주는 스톱-스타트까지 더해진다. 필요할 때만 작동하는 오일 펌프와 고압 연료 펌프 때문에 에너지 소비도 줄어들었다.

3세대 직분사를 가장 먼저 도입한 것은 메르세데스가 처음이다. 분사 압력은 200바에 달하고 여기에 신형 피에조 인젝터가 더해진다. 새 피에조 인젝터는 흡기 행정당 5번의 분사를 통해 연소 효율을 극대화 한다. 3세대 직분사 시스템은 MSI(Multi-Spark Ignition) 기술과 맞물린다. MSI는 작동 시간이 더욱 빨라진 게 특징으로, 4개의 스파크는 0.001초 만에 분사를 완료한다. 피에조와 MSI로 인한 연비 개선 효과는 6%이다.

VVT는 흡배기 모두에 적용됐다. 최대 조절각은 40%로 넓어졌고 0.44바의 낮은 오일 압력에서도 조절 스피드가 35% 개선됐다. 거기다 무게와 사이즈가 모두 줄어들었다. 이 때문에 엔진의 폭과 높이는 15mm가 감소된 효과를 낳았다.

캠샤프트의 소형화는 투-스테이지 체인의 채용에 힘입은 바 크다. 각 뱅크당 1, 2번 체인과 중간 기어가 적용됐으며 각 체인은 독립적으로 체인 텐셔너를 통해 작동한다. 이전보다 작아지고 마찰 저항이 줄었으며 작동 소음까지 감소한 게 특징이다.

메르세데스의 새 V6와 V8은 4매틱은 물론 하이브리드 시스템, 레인지 익스텐디드 EV까지 쉽게 적용이 가능하고 전 세계의 배기가스 기준을 모두 만족한다. 벤치 테스트만 5만 2천 시간, 7백만 km의 실차 테스트를 통해 내구성까지 다듬었다.

한편 지난 3월에 발표한 AMG용 엔진도 주목을 끌고 있다. 현행 V형 8기통 6.2리터 대신 5.5리터 직분 트윈 터보차저를 탑재한 것이다. 최고출력 544ps, 최대토크 800Nm에 달하며 이산화탄소 배출량은 28.5% 감소한 246g/km를 실현하고 있다.