직접분사와 터보차저, 가솔린 엔진을 살려냈다
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2010-08-12 06:28:26 |
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직접분사와 터보차저, 가솔린 엔진을 살려냈다.
최근 들어 가솔린 엔진의 파워 증강과 연비 성능 향상 경쟁에 불이 붙었다. 단순히 성능을 높이고 연비만 개선한 것이 아니다. 다운사이징이라는 시대적 과제도 동시에 수행하고 있다. 그것을 가능하게 한 것은 다름 아닌 직접분사시스템과 과급 시스템이다. 리터당 100마력을 넘는 것은 당연한 일이 됐다. 그 흐름을 짚어 본다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
‘엔진의 BMW’가 자랑하는 대표적인 엔진은 직렬 6기통 3.0리터다. 이 엔진은 자연흡기 사양일 때 231ps/5,900rpm, 30.6kgm/3,500rpm이었다. 2006년 직분사 터보차저 시스템을 채용하면서 성능이 일약 306ps/5,800rpm, 40.8kgm/1,200~5,000rpm으로 증강됐다. 리터당 100마력을 돌파한 것이다.
같은 배기량의 아우디 2,995cc 알루미늄 V6 가솔린 직분사 DOHC, 인터쿨러 슈퍼차저 타입은 최고 출력 333마력/5,500~7,000rpm, 최대 토크 44.9kg.m/2,900~5,300rpm을 발휘한다. 이 엔진은 기존 4.2리터 엔진을 대체하고 있다.
메르세데스 벤츠 E250CGI에 탑재되는 엔진은 과거에는 2,496cc V형 6기통이었으나 지금은 1,795cc 직렬 4기통으로 배기량이 줄었다. 하지만 최고출력은 204ps/6,100rpm로 같다. 그러면서 실용 영역에서의 파워감을 높여 주는 최대토크는 245Nm(25.0kgm)/2,900~5,500rpm에서 310Nm(31.6kgm)2,000~4,300rpm으로 대폭 증강됐다.
폭스바겐의 1.4리터 엔진은 자연흡기에서는 85ps/5,000rpm, 13.5kgm/3,800인데 1.4TSI 트윈차저는 170ps/6,000rpm, 240Nm(24.5kgm)/1,500~4,750rpm 의 성능을 발휘한다.
현대자동차의 2.4리터 엔진은 NF에서는 최고출력 166ps/5,800rpm, 최대토크 23.0kgm/4,250rpm였던 것이 YF에서는 201마력/6,300rpm, 25.5kg.m/4,250rpm으로 증강됐다. 현대자동차는 2.0리터 GDI터보 사양도 개발 중인데 최고출력은 274ps에 달하는 것으로 알려졌다.
배기량은 같은데 성능이 대폭 증강됐거나 성능은 같지만 배기량이 크게 낮아졌다는 것을 알 수 있게 해 주는 내용이다.
이것을 한 마디로 다운사이징(Downsizing)이라고 표현한다. 그 안에는 다운스피딩(Down speeding 엔진 회전수를 낮추는 것)까지 포함되어 있다. 이들 엔진은 배기량을 적게는 20%, 많게는 50% 가량 줄이면서 대신 과급기를 사용하고 있다. 그 바탕에는 직접분사 시스템이 있다.
다른 차원에서는 배기량당 담당하는 차체 중량의 변화가 보인다. 예를 들어 폭스바겐 골프에는 1.2TSI 엔진이 탑재되는데 차체 중량은 1,270kg이다. 메르세데스 벤츠의 E250CGI에는 1.8리터 엔진이 탑재되는데 차체 중량은 1,810kg이다. 크게 보아서는 리터당 1톤 가량의 중량만 책임지는 시대가 도래한 것이다. 하지만 현대자동차의 YF 쏘나타 2.4경우는 1,495kg에 불과한 차체 중량을 2.0리터와 2.4리터로 감당해야 하기 때문에 유럽 메이커들의 그것과는 차이가 있다.
출력당 중량 부하가 적어지면 당연히 연비가 좋아진다. 그래서 유럽에서는 오늘날 터보차저를 채용한 엔진을 ‘연비 터보’라고 부르기도 한다. 과거에는 터보차저라고 하면 고성능의 대명사였다. 같은 배기량에 터보차저를 채용해 성능을 대폭 증강시켰었다. 하지만 당시에는 소위 타임래그, 즉 가속페달을 밟았을 때 즉각적으로 반응하지 않아 가솔린 엔진과는 맞지 않는다는 이유로 시야에서 멀어졌었다.
과거의 터보차저는 노킹을 일으키기 쉬웠다. 그 문제를 해결하기 위해 압축비를 크게 낮출 수밖에 없었다. 엔진의 회전수가 낮고 터보차저가 작동하지 않을 때는 압축비가 낮기 때문에 보통보다 성능이 낮은 엔진이었다. 그래서 가속 페달을 밟아 엔진 회전수를 올리려 하면 흡입 공기량이 증가해 배기가스량이 증가하고 터보차저의 회전수가 올라간다고 하는 사이클을 수차례 반복하지 않으면 안된다. 이 때문에 응답성이 낮아지고 운전자는 불만을 가졌던 것이다. 뿐만 아니라 연비도 나빴다.
그랬던 과급 시스템이 다시 각광을 받고 있다. 그것은 직접분사시스템의 채용으로 인한 것이다. 연료를 흡기 포트가 아닌 실린더 내에 직접분사 할 수 있게 된 결과라는 얘기이다. 연비 성능의 향상이 없다면 의미가 없는 일이다. 세계 최대 자동차 부품회사인 독일 로버트 보쉬에 따르면 직분 터보차저는 자연흡기 엔진에 비해 동급일 경우 22% 가량 연비성능이 좋다고 밝히고 있다. 나아가 앞으로 29%까지 개량될 것으로 전망하고 있다.
29% 개량이 되면 배기량은 최대 45%까지 저감할 수 있게 된다. 물론 그를 위해서는 흡배기 가변 타이밍을 비롯해 연료펌프 최적제어, 열관리, 회생, 아이들링 스톱, 타보차저, 직분 등이 동원된다.
직분 터보차저 엔진의 흐름을 주도하고 있는 것은 물론 독일 등 유럽 메이커들이다. 폭스바겐은 1.2리터부터 1.4리터, 1.8리터, 2.0리터에 직분 터보차저를 적용하고 있다. 이는 아우디 브랜드에도 튜닝되어 채용하고 있다. 아우디는 3.0리터 직분 터보까지 갖추고 있다. BMW는 플래그십 모델인 7시리즈에 자연흡기 4.0리터 대신 3.0리터 직분 터보차저 엔진을 탑재하고 있다. 메르세데스 벤츠도 1.8리터 외에 그 채용 폭을 넓혀가고 있다.
미국 메이커 중에서는 포드가 EcoBoost라는 이름으로 연비를 중시하는 터보차저 엔진을 채용하고 있다. 익스플로러의 경우 4.6리터 V8과 4.0리터 V6 자연흡기 대신 2.0리터 직렬 4기통 직분 터보차저 엔진으로 바꾸려 하고 있다.
반면 일본 메이커들은 이 움직임에서는 한 발 뒤처진 행보를 하고 있다. 혼다의 경우 중형은 디젤, 소형은 하이브리드라고 하던 전략을 ‘하이브리드에 집중’으로 전환했다. 아직 직분 터보엔진은 개발 중에 있다. 닛산자동차는 새로 개발한 소형 크로스오버 쥬크에 1.6리터 직분 터보 엔진을 탑재했다. 하이브리드에 올인하고 있는 토요타는 아무래도 직분 터보차저에 대한 집중도가 상대적으로 낮다. 그보다는 하이브리드 시스템으로 인한 중량 증가를 극복하고자 하는데 역점을 두고 있다.
아직까지는 어느 분야에 기술력이 있느냐에 따라 가는 방향은 다르지만 크게 보아서 다운사이징이라는 대세는 피할 수 없다는 것을 알 수 있다.
최근 들어 가솔린 엔진의 파워 증강과 연비 성능 향상 경쟁에 불이 붙었다. 단순히 성능을 높이고 연비만 개선한 것이 아니다. 다운사이징이라는 시대적 과제도 동시에 수행하고 있다. 그것을 가능하게 한 것은 다름 아닌 직접분사시스템과 과급 시스템이다. 리터당 100마력을 넘는 것은 당연한 일이 됐다. 그 흐름을 짚어 본다.
글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
‘엔진의 BMW’가 자랑하는 대표적인 엔진은 직렬 6기통 3.0리터다. 이 엔진은 자연흡기 사양일 때 231ps/5,900rpm, 30.6kgm/3,500rpm이었다. 2006년 직분사 터보차저 시스템을 채용하면서 성능이 일약 306ps/5,800rpm, 40.8kgm/1,200~5,000rpm으로 증강됐다. 리터당 100마력을 돌파한 것이다.
같은 배기량의 아우디 2,995cc 알루미늄 V6 가솔린 직분사 DOHC, 인터쿨러 슈퍼차저 타입은 최고 출력 333마력/5,500~7,000rpm, 최대 토크 44.9kg.m/2,900~5,300rpm을 발휘한다. 이 엔진은 기존 4.2리터 엔진을 대체하고 있다.
메르세데스 벤츠 E250CGI에 탑재되는 엔진은 과거에는 2,496cc V형 6기통이었으나 지금은 1,795cc 직렬 4기통으로 배기량이 줄었다. 하지만 최고출력은 204ps/6,100rpm로 같다. 그러면서 실용 영역에서의 파워감을 높여 주는 최대토크는 245Nm(25.0kgm)/2,900~5,500rpm에서 310Nm(31.6kgm)2,000~4,300rpm으로 대폭 증강됐다.
폭스바겐의 1.4리터 엔진은 자연흡기에서는 85ps/5,000rpm, 13.5kgm/3,800인데 1.4TSI 트윈차저는 170ps/6,000rpm, 240Nm(24.5kgm)/1,500~4,750rpm 의 성능을 발휘한다.
현대자동차의 2.4리터 엔진은 NF에서는 최고출력 166ps/5,800rpm, 최대토크 23.0kgm/4,250rpm였던 것이 YF에서는 201마력/6,300rpm, 25.5kg.m/4,250rpm으로 증강됐다. 현대자동차는 2.0리터 GDI터보 사양도 개발 중인데 최고출력은 274ps에 달하는 것으로 알려졌다.
배기량은 같은데 성능이 대폭 증강됐거나 성능은 같지만 배기량이 크게 낮아졌다는 것을 알 수 있게 해 주는 내용이다.
이것을 한 마디로 다운사이징(Downsizing)이라고 표현한다. 그 안에는 다운스피딩(Down speeding 엔진 회전수를 낮추는 것)까지 포함되어 있다. 이들 엔진은 배기량을 적게는 20%, 많게는 50% 가량 줄이면서 대신 과급기를 사용하고 있다. 그 바탕에는 직접분사 시스템이 있다.
다른 차원에서는 배기량당 담당하는 차체 중량의 변화가 보인다. 예를 들어 폭스바겐 골프에는 1.2TSI 엔진이 탑재되는데 차체 중량은 1,270kg이다. 메르세데스 벤츠의 E250CGI에는 1.8리터 엔진이 탑재되는데 차체 중량은 1,810kg이다. 크게 보아서는 리터당 1톤 가량의 중량만 책임지는 시대가 도래한 것이다. 하지만 현대자동차의 YF 쏘나타 2.4경우는 1,495kg에 불과한 차체 중량을 2.0리터와 2.4리터로 감당해야 하기 때문에 유럽 메이커들의 그것과는 차이가 있다.
출력당 중량 부하가 적어지면 당연히 연비가 좋아진다. 그래서 유럽에서는 오늘날 터보차저를 채용한 엔진을 ‘연비 터보’라고 부르기도 한다. 과거에는 터보차저라고 하면 고성능의 대명사였다. 같은 배기량에 터보차저를 채용해 성능을 대폭 증강시켰었다. 하지만 당시에는 소위 타임래그, 즉 가속페달을 밟았을 때 즉각적으로 반응하지 않아 가솔린 엔진과는 맞지 않는다는 이유로 시야에서 멀어졌었다.
과거의 터보차저는 노킹을 일으키기 쉬웠다. 그 문제를 해결하기 위해 압축비를 크게 낮출 수밖에 없었다. 엔진의 회전수가 낮고 터보차저가 작동하지 않을 때는 압축비가 낮기 때문에 보통보다 성능이 낮은 엔진이었다. 그래서 가속 페달을 밟아 엔진 회전수를 올리려 하면 흡입 공기량이 증가해 배기가스량이 증가하고 터보차저의 회전수가 올라간다고 하는 사이클을 수차례 반복하지 않으면 안된다. 이 때문에 응답성이 낮아지고 운전자는 불만을 가졌던 것이다. 뿐만 아니라 연비도 나빴다.
그랬던 과급 시스템이 다시 각광을 받고 있다. 그것은 직접분사시스템의 채용으로 인한 것이다. 연료를 흡기 포트가 아닌 실린더 내에 직접분사 할 수 있게 된 결과라는 얘기이다. 연비 성능의 향상이 없다면 의미가 없는 일이다. 세계 최대 자동차 부품회사인 독일 로버트 보쉬에 따르면 직분 터보차저는 자연흡기 엔진에 비해 동급일 경우 22% 가량 연비성능이 좋다고 밝히고 있다. 나아가 앞으로 29%까지 개량될 것으로 전망하고 있다.
29% 개량이 되면 배기량은 최대 45%까지 저감할 수 있게 된다. 물론 그를 위해서는 흡배기 가변 타이밍을 비롯해 연료펌프 최적제어, 열관리, 회생, 아이들링 스톱, 타보차저, 직분 등이 동원된다.
직분 터보차저 엔진의 흐름을 주도하고 있는 것은 물론 독일 등 유럽 메이커들이다. 폭스바겐은 1.2리터부터 1.4리터, 1.8리터, 2.0리터에 직분 터보차저를 적용하고 있다. 이는 아우디 브랜드에도 튜닝되어 채용하고 있다. 아우디는 3.0리터 직분 터보까지 갖추고 있다. BMW는 플래그십 모델인 7시리즈에 자연흡기 4.0리터 대신 3.0리터 직분 터보차저 엔진을 탑재하고 있다. 메르세데스 벤츠도 1.8리터 외에 그 채용 폭을 넓혀가고 있다.
미국 메이커 중에서는 포드가 EcoBoost라는 이름으로 연비를 중시하는 터보차저 엔진을 채용하고 있다. 익스플로러의 경우 4.6리터 V8과 4.0리터 V6 자연흡기 대신 2.0리터 직렬 4기통 직분 터보차저 엔진으로 바꾸려 하고 있다.
반면 일본 메이커들은 이 움직임에서는 한 발 뒤처진 행보를 하고 있다. 혼다의 경우 중형은 디젤, 소형은 하이브리드라고 하던 전략을 ‘하이브리드에 집중’으로 전환했다. 아직 직분 터보엔진은 개발 중에 있다. 닛산자동차는 새로 개발한 소형 크로스오버 쥬크에 1.6리터 직분 터보 엔진을 탑재했다. 하이브리드에 올인하고 있는 토요타는 아무래도 직분 터보차저에 대한 집중도가 상대적으로 낮다. 그보다는 하이브리드 시스템으로 인한 중량 증가를 극복하고자 하는데 역점을 두고 있다.
아직까지는 어느 분야에 기술력이 있느냐에 따라 가는 방향은 다르지만 크게 보아서 다운사이징이라는 대세는 피할 수 없다는 것을 알 수 있다.
