메르세데스 벤츠, 디조토와 린 번으로 효율성 극대화
페이지 정보
글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
|
승인 2010-08-05 06:42:20 |
본문
메르세데스 벤츠, 디조토와 린 번으로 효율성 극대화
메르세데스 벤츠의 디조토는 컨셉트카 F700에 탑재해 실증 실험을 진행하고 있어 올 해 안에 또 다른 진전이 있을지 기대된다. 많은 전문가들은 HCCI엔진이 구현되면 하이브리드카보다 월등히 앞선 열효율로 성능은 물론이고 배기가스 저감 등에서 획기적인 발전을 이룰 것이라고 했다. 그렇게 쉽지 않은 것 같다. 당장에는 독일 메이커를 중심으로 과급기의 채용 폭 확대로 다운사이징과 직분화가 진행되고 있다. 앞으로 또 다른 가능성은 어떤 것이 있을까?
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
메르세데스 벤츠는 2010년에 연료효율의 극대화를 추구하는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition, 예혼합 압축착화) 엔진을 출시할 것이라고 발표했었다. 시스템은 벤츠가 디조토 GM은 HCCI로 명명해 이미 발표했지만 시판 차에는 아직까지는 구체적인 결과가 나오지 않고 있다. 벤츠가 디조토, GM이 HCCI로 명명한 방식은 시동시 또는 가혹한 환경에서는 기존의 가솔린처럼 연료와 공기가 섞인 혼합기를 스파크 플러그로 폭발시키고, 부하가 적게 걸리는 회전 구간에서는 디젤처럼 자동으로 압축착화가 이루어진다. 디젤의 CAI(Controlled Auto Ignition)와 가솔린의 SI(Spark Ignition)의 장점을 한 엔진에 모은 것이다.
그런데 이런 획기적인 기술보다는 뉴스의 빈도에서는 전기차와 하이브리드카가 더 주도하고 있다.특히 화석연료를 대체할 수 있는 재생에너지를 사용하는 파워트레인의 미래는 그다지 밝지 않다. 2030년이 되어도 내연기관이 80%를 점할 것이라고 하는 전망도 있다. 다시 말해 하이브리드카와 전기차 등 전동화에 의한 파워트레인의 시장 점유율이 20년 후에도 20%정도에 머물 것이라는 것이다.
그렇다면 앞으로 내연기관 엔진의 효율성 증대는 더욱 더 중요한 과제가 될 것이라는 얘기이다. 그러나 각 나라, 메이커마다 미래에 대해 준비하는 자세가 다르다. 내연기관 엔진의 선구자인 독일 메이커들은 가솔린과 디젤엔진의 효율성 증대를 위해 다운사이징과 과급기의 채용 등으로 과거와는 다른 차원으로 진화하고 있다.
그에 반해 일본 메이커들은 하이브리드카와 전기차에 더 비중을 두고 있다. 물론 지역을 가리지 않고 내연기관을 기본으로 전동화를 추구한다는 대 전재는 같다. 다만 무게 중심을 어느 쪽에 두느냐의 차이 정도다. 또 일본 메이커들도 모두 같은 방향성을 보이고 있는 것은 아니다. 토요타와 혼다 등은 하이브리드에 대한 비중이 높고 닛산은 전기차에 집중하고 있다. 또 마쓰다는 압축비 13 : 1이 넘고 그것을 직분사 시스템과 결합시킨 엔진을 개발해 2011년 발표할 예정이다.
직접분사 시스템의 채용으로 충진효율을 높이는 것은 폭스바겐의 TSI가 선구자다. 그런데 마쓰다는 과급기를 사용하지 않고 자연흡기 가솔린 엔진으로 성능과 연비를 높은 차원의 양립에 도전한다고 하는 것이 특징이다. 만약 이 엔진이 실현되게 되면 TSI와 함께 새로운 트렌드로 자리잡을 가능성이 높은 것으로 보고 있다.
또 하나 관심을 끌고 있는 것이 린 번(Lean Burn 희박연소)이다. 메르세데스 벤츠가 차세대 V6직분 린번 엔진을 발표하면서 크게 주목을 끌기 시작했다. 메르세데스 벤츠가 선 보인 새로운 기술은 HOS(Homogeneous stratified combustion)라고 불린다. 이는 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. 즉 아이들링에서는 희박 연소, 부하가 적은 상황 또는 3,800 rpm 이전에는 성층 분사, 그 이상에서는 HOS 모드로 전환된다.
직분 기술 자체는 1954년 메르세데스 벤츠 300SL에 처음 채용됐었다. 300SL은 1955년에 스털링 모쓰가 운전해 밀레밀리아에서 우승하고 르망24시간레이스에도 출전했다. 다만 당시의 직분 엔진은 성능 향상을 위한 것으로 오늘날처럼 효율성 중시는 아니었다. 현대적 의미의 직분사 시스템은 폭스바겐이 가장 먼저 도입한 것으로 인정하고 있다.
직분 시스템의 도입은 가솔린 엔진의 발전에 핵심적인 요소가 되어 있다. 1990년대 들어 일본의 미쓰비시가 린 번 엔진에 대한 시도를 했었다. 하지만 배출가스 처리와 직분 기술이 없어 실패로 끝났다. 미쓰비시가 경영난으로 다임러 그룹에 합병되면서 이에 대한 연구개발도 중단되었다. 하지만 효율성을 높이기 위해서는 린 번은 필요한 기술이라는 점에는 동의했었다. 토요타도 D-4라는 직분 린 번 엔진을 실현했었으나 기술적으로 미숙해 이론 공연비((Stoichiometric Ratio) 연소로 변경했다.
폭스바겐도 2002년에 출시한 골프Ⅴ에 2리터와 1.6리터 FSI직분 가솔린 린 번 엔진을 실현했었다. 하지만 여러가지 문제로 이론공연비 방식으로 바꾸었다.
그러저러한 이유로 가솔린 린 번 엔진은 BMW를 제외하고는 꼭 실용화되었다고는 할 수 없었다. 희박연소와 연관있는 질소산화물의 발생과 성층 연소의 아킬레스 건인 가스 부착 등이 해결되지않은 채 린 번은 저부하시에 실현되는데 그치고 말았다.
그런 문제를 해결해 등장한 것이 메르세데스 벤츠의 V6 3.5리터 가솔린 직분 린 번 엔진이다. 기화하기 쉬운 가솔린 엔진이지만 연소실 내에서의 현상을 고려할 경우 경유만큼 희박연소는 간단치 않다. 가솔린 엔진의 경우 가솔린과 공기가 섞인 혼합기가 실린더 전체에 퍼지고 점화플러그에 의해 폭발이 이루어진다. 그 과정에서 문제가 생길 수 있어 린 번 실현에 난점이 있는 것이다.
메르세데스 벤츠는 디젤 엔진에서 숙성된 정밀한 분사기술을 사용함으로써 린 번 문제를 극복했다고 밝히고 있다. 흡기 행정에서 200바의 스프레이 가이디드식 피에조 인젝터에 의해 실린더 내에 짙은 성층을 만들고 압축행정에서 희박한 연료를 정밀하게 분사한다. 고부하시에는 균질연소로 되지만 린 번 영역은 크게 넓어진다.
그렇게 해서 성능은 종래 V6보다 30ps증강되고 토크는 350Nm에서 370Nm으로 향상됐다고 한다. 이 연소를 실현하기 위해서는 가솔린의 품질이 좋아야 한다.
직분사 시스템과 린 번 엔진의 발전, 디조토의 실용화가 2010년대 초반 가솔린 엔진 기술의 관건이다.
메르세데스 벤츠의 디조토는 컨셉트카 F700에 탑재해 실증 실험을 진행하고 있어 올 해 안에 또 다른 진전이 있을지 기대된다. 많은 전문가들은 HCCI엔진이 구현되면 하이브리드카보다 월등히 앞선 열효율로 성능은 물론이고 배기가스 저감 등에서 획기적인 발전을 이룰 것이라고 했다. 그렇게 쉽지 않은 것 같다. 당장에는 독일 메이커를 중심으로 과급기의 채용 폭 확대로 다운사이징과 직분화가 진행되고 있다. 앞으로 또 다른 가능성은 어떤 것이 있을까?
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
메르세데스 벤츠는 2010년에 연료효율의 극대화를 추구하는 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition, 예혼합 압축착화) 엔진을 출시할 것이라고 발표했었다. 시스템은 벤츠가 디조토 GM은 HCCI로 명명해 이미 발표했지만 시판 차에는 아직까지는 구체적인 결과가 나오지 않고 있다. 벤츠가 디조토, GM이 HCCI로 명명한 방식은 시동시 또는 가혹한 환경에서는 기존의 가솔린처럼 연료와 공기가 섞인 혼합기를 스파크 플러그로 폭발시키고, 부하가 적게 걸리는 회전 구간에서는 디젤처럼 자동으로 압축착화가 이루어진다. 디젤의 CAI(Controlled Auto Ignition)와 가솔린의 SI(Spark Ignition)의 장점을 한 엔진에 모은 것이다.
그런데 이런 획기적인 기술보다는 뉴스의 빈도에서는 전기차와 하이브리드카가 더 주도하고 있다.특히 화석연료를 대체할 수 있는 재생에너지를 사용하는 파워트레인의 미래는 그다지 밝지 않다. 2030년이 되어도 내연기관이 80%를 점할 것이라고 하는 전망도 있다. 다시 말해 하이브리드카와 전기차 등 전동화에 의한 파워트레인의 시장 점유율이 20년 후에도 20%정도에 머물 것이라는 것이다.
그렇다면 앞으로 내연기관 엔진의 효율성 증대는 더욱 더 중요한 과제가 될 것이라는 얘기이다. 그러나 각 나라, 메이커마다 미래에 대해 준비하는 자세가 다르다. 내연기관 엔진의 선구자인 독일 메이커들은 가솔린과 디젤엔진의 효율성 증대를 위해 다운사이징과 과급기의 채용 등으로 과거와는 다른 차원으로 진화하고 있다.
그에 반해 일본 메이커들은 하이브리드카와 전기차에 더 비중을 두고 있다. 물론 지역을 가리지 않고 내연기관을 기본으로 전동화를 추구한다는 대 전재는 같다. 다만 무게 중심을 어느 쪽에 두느냐의 차이 정도다. 또 일본 메이커들도 모두 같은 방향성을 보이고 있는 것은 아니다. 토요타와 혼다 등은 하이브리드에 대한 비중이 높고 닛산은 전기차에 집중하고 있다. 또 마쓰다는 압축비 13 : 1이 넘고 그것을 직분사 시스템과 결합시킨 엔진을 개발해 2011년 발표할 예정이다.
직접분사 시스템의 채용으로 충진효율을 높이는 것은 폭스바겐의 TSI가 선구자다. 그런데 마쓰다는 과급기를 사용하지 않고 자연흡기 가솔린 엔진으로 성능과 연비를 높은 차원의 양립에 도전한다고 하는 것이 특징이다. 만약 이 엔진이 실현되게 되면 TSI와 함께 새로운 트렌드로 자리잡을 가능성이 높은 것으로 보고 있다.
또 하나 관심을 끌고 있는 것이 린 번(Lean Burn 희박연소)이다. 메르세데스 벤츠가 차세대 V6직분 린번 엔진을 발표하면서 크게 주목을 끌기 시작했다. 메르세데스 벤츠가 선 보인 새로운 기술은 HOS(Homogeneous stratified combustion)라고 불린다. 이는 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. 즉 아이들링에서는 희박 연소, 부하가 적은 상황 또는 3,800 rpm 이전에는 성층 분사, 그 이상에서는 HOS 모드로 전환된다.
직분 기술 자체는 1954년 메르세데스 벤츠 300SL에 처음 채용됐었다. 300SL은 1955년에 스털링 모쓰가 운전해 밀레밀리아에서 우승하고 르망24시간레이스에도 출전했다. 다만 당시의 직분 엔진은 성능 향상을 위한 것으로 오늘날처럼 효율성 중시는 아니었다. 현대적 의미의 직분사 시스템은 폭스바겐이 가장 먼저 도입한 것으로 인정하고 있다.
직분 시스템의 도입은 가솔린 엔진의 발전에 핵심적인 요소가 되어 있다. 1990년대 들어 일본의 미쓰비시가 린 번 엔진에 대한 시도를 했었다. 하지만 배출가스 처리와 직분 기술이 없어 실패로 끝났다. 미쓰비시가 경영난으로 다임러 그룹에 합병되면서 이에 대한 연구개발도 중단되었다. 하지만 효율성을 높이기 위해서는 린 번은 필요한 기술이라는 점에는 동의했었다. 토요타도 D-4라는 직분 린 번 엔진을 실현했었으나 기술적으로 미숙해 이론 공연비((Stoichiometric Ratio) 연소로 변경했다.
폭스바겐도 2002년에 출시한 골프Ⅴ에 2리터와 1.6리터 FSI직분 가솔린 린 번 엔진을 실현했었다. 하지만 여러가지 문제로 이론공연비 방식으로 바꾸었다.
그러저러한 이유로 가솔린 린 번 엔진은 BMW를 제외하고는 꼭 실용화되었다고는 할 수 없었다. 희박연소와 연관있는 질소산화물의 발생과 성층 연소의 아킬레스 건인 가스 부착 등이 해결되지않은 채 린 번은 저부하시에 실현되는데 그치고 말았다.
그런 문제를 해결해 등장한 것이 메르세데스 벤츠의 V6 3.5리터 가솔린 직분 린 번 엔진이다. 기화하기 쉬운 가솔린 엔진이지만 연소실 내에서의 현상을 고려할 경우 경유만큼 희박연소는 간단치 않다. 가솔린 엔진의 경우 가솔린과 공기가 섞인 혼합기가 실린더 전체에 퍼지고 점화플러그에 의해 폭발이 이루어진다. 그 과정에서 문제가 생길 수 있어 린 번 실현에 난점이 있는 것이다.
메르세데스 벤츠는 디젤 엔진에서 숙성된 정밀한 분사기술을 사용함으로써 린 번 문제를 극복했다고 밝히고 있다. 흡기 행정에서 200바의 스프레이 가이디드식 피에조 인젝터에 의해 실린더 내에 짙은 성층을 만들고 압축행정에서 희박한 연료를 정밀하게 분사한다. 고부하시에는 균질연소로 되지만 린 번 영역은 크게 넓어진다.
그렇게 해서 성능은 종래 V6보다 30ps증강되고 토크는 350Nm에서 370Nm으로 향상됐다고 한다. 이 연소를 실현하기 위해서는 가솔린의 품질이 좋아야 한다.
직분사 시스템과 린 번 엔진의 발전, 디조토의 실용화가 2010년대 초반 가솔린 엔진 기술의 관건이다.
