메르세데스 벤츠의 E250에 탑재되는 신개발 2리터 직렬 4기통 블루 다이렉트 엔진. 3세대 스프레이 가이디드 직분 시스템과 멀티 인젝션, MSI(Multi Spark Ignition) 시스템, 터보차저를 채용해 린 번(Lean Burn)을 실현한다. EGR을 적극적으로 이용한 엔진의 열 매니지먼트 시스템도 갖추고 있는 첨단 엔진이다. 린 번과 터보의 시대로의 진보를 이끌고 있고 동시에 HCCI로의 길을 단축시켰다는 의미가 있다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

내연기관, 즉 가솔린과 경유 등 화석연료를 사용하는 파워트레인의 발전은 아직 끝나지 않았다. 가솔린이 30%, 디젤은 20% 가량 개량의 여지가 있다. 다운사이징(Downsizing)과 다운스피딩(Downspeeding)으로 효율성(Efficiency)을 추구해야 하는 것은 지금 차세대 파워트레인으로 주목을 끌고 있는 전동화보다 오히려 더 현실적인 해결책이다.

신형 E250에 탑재된 새로 개발한 2리터 직분 터보 엔진의 포인트는 의외로 린 번(Lean Burn)이다. 가솔린 엔진의 경우 이론 공연비(휘발유와 산소가 산화 반응을 일으켜서 완전 연소를 하기 위한 중량 비율을 화학식에 의해 이론적으로 구한 값을 말하는데, 휘발유는 각종 탄화수소의 혼합물이기 때문에 모든 휘발유에 대해서 하나의 치수로 그것을 표시하는 것은 불가능하지만, 통상적으로 옥탄가의 이론적 공연비율을 14.7 : 1로 나타나고 있다.)보다 공기량을 더 많이 한 희박연소쪽이 효율을 높이는데 더 좋은 것으로 알려져 있다.

그래서 많은 자동차회사들이 희박연소에 도전해 왔다. 1990년대 중반 현대자동차도 미쓰비시 기술을 공유해 린 번 엔진을 별도로 라인업해 시도했었으나 성공하지 못했었다. 그것은 배출가스의 린 번화가 어려웠기 때문이었다.

그런데 직접분사와 궤를 같이 해 온 이 린 번 엔진을 메르세데스 벤츠가 다시 수면 위로 끌어 올렸다. 3.5리터 V6 블루 다이렉트 엔진이 대표적이다. 배출가스 규제가 엄격한 일본에서도 린 번 엔진의 실용화가 가능하다는 것을 입증해 보이고 있는 엔진이다.

그에 더해 이번에는 터보화에도 성공했다. 뉴 E250에 탑재되는 2리터 직분 터보 엔진은 최고출력 211ps(155kW)/5,500rpm, 최대토크 35.7kgm(350Nm)/1,200~4,000rpm을 발휘한다. EU종합 연비는 5.8리터/100km(17.2km/리터)로 기존 1.8리터 직분 터보보다 30% 가량의 연비성능이 향상되었다.

이 엔진은 7단 토크 컨버터 방식의 AT와의 매칭도 좋고 주행성도 발군의 실력을 보인다는 평가를 받고 있다. 무엇보다 1,200rpm부터 최대토크를 발생하는 특성은 극히 다루기 쉽다. 나아가 가속 페달에 힘을 주면 터보음이 살아나면서 시트백이 등을 밀어붙이는 듯한 가속감을 보여 준다. 펀치력이 느껴진다는 것이다.

그러면 린 번과 터보차저 결함은 어떤 점에서 혁신적인 것일까? 그것은 궁극의 내연기관으로 일컬어지고 있는 HCCI （Homogeneous Charge Compression Ignition＝균질예혼합압축자기착화）에 한 걸음 가까워졌다는 것이다.

HCCI란 간단하게 말하면 연소실 내에 흡기 행정에서 연료를 분사하고 그 혼합기를 자기착화시킨다고 하는 것이다. 희박연료의 혼합기를 디젤처럼 자기착화시키는 것이 포인트인 것이다.

스파크플러그에 의한 점화처럼 불꽃의 점화가 퍼져 나가는 것이 아니라 동시다발적으로 그러면서도 단번에 연소하기 때문에 고르지 못한 연소가 없어 클린하면서 열효율도 뛰어나다. 압축비를 높게 함으로써 연소효율이 높고 연소온도를 낮게 제어함으로써 유해물질의 발생을 억제할 수 있는 것이 특징이다.

메르세데스 벤츠에서는 이 HCCI 엔진을 디조토(DIESOTTO)라고 명명해 개발을 추진해 오고 있다. 2007년에 메르세데스 벤츠는 2010년 출시를 공언했었으나 아직까지 실현되지 못하고 있는 것은 아직까지 실증실험에서 만족할만한 결과를 얻지 못했기 때문일 수 있다. 현시점에서는 아직 고회전시와 고부하시에 있어 이상착화를 해결하지 못한 것으로 알려져 있다. 과거에 일부 엔지니어들은 이 HCCI에 대해 '미친 말'이라고 표현했을 정도로 제어가 어려운 것으로 알려져 있다.

디조토라고 하는 명칭은 점화플러크를 사용하지 않는 디젤과 연료를 사전에 혼합하는 오토(OTTO 오토사이클=가솔린)를 조합한 조어로 메르세데스 벤츠는 이것을 궁극의 내연기관 엔진으로 여기고 있다.

HCCI의 실현에는 가솔린 엔진과 디젤엔진으로부터의 접근이 있다. 메르세데스 벤츠는 그 중 가솔린 엔진으로부터의 접근을 통해 개발을 추진해 오고 있다. 이는 갈수록 엄격해지는 미국의 배출가스 규제와 지역에 따라 디젤 연료의 품질 문제 등이 제기되고 있어 뛰어난 가솔린 엔진을 개발할 필요가 있기 때문이다. 디젤 엔진은 많은 촉매를 필요로하지만 가솔린 엔진에는 3원촉매가 사용된다고 하는 장점도 있다.

나라에 따라서는 디젤엔진 탑재차의 판매를 금지하기도 한다는 점도 이유 중 하나다. 그래서 세계 어디서나 판매가 가능한 가솔린 엔진의 필요성이 대두된 것이다.

현시점에서는 연소를 완전하게 제어하는 것이 불가능해 아직 HCCI는 실현할 수 없지만 린 번과 압축공기를 재순환하는 터보의 조합은 확실히 거기에 가까워지고 있다고 말할 수 있을 것 같다.

문제는 착화가 실린더 내의 온도에 좌우되기 때문에 연소의 제어가 어려운 것이지만 이것을 해결하기 위해 신형 2리터 직분 터보 + 린 번에서는 각 실린더 당 내부의 압력과 온도를 측정하는 센서를 설계해 EGR을 사용해 실린더 내의 온도를 컨트롤하고 있다.

다운사이징 직분 터보에서 린 번 터보 시대로

그러면 HCCI의 개발은 지금 어느정도 진행되고 있는 것일까? 메르세데스 벤츠의 개발 담당책임자들의 의견을 전하는 외신들의 보도에 따르면 지금 80% 정도에 이른 것으로 알려졌다. 그리고 완성까지의 마지막 과제를 해결하는 핵심은 실린더 내의 온도관리와 가변압축비등의 제어의 정밀도라고 한다.

하지만 이 점에 관해서도 이미 어느정도 단계에 달해 5년 이내에는 실용화할 수 있을 것이라고 한다. 2007년 발표 당시 2010년을 목표로 했던 것에 비해 상당히 지연되고 있지만 그래도 실현된다면 획기적인 기술이기 때문에 많은 이들이 기다리고 있는 것이다.

그 외에 신형 E클래스에서 메르세데스 벤츠로서는 처음 3리터 직분 터보가 추가됐다는 점도 이슈다. 배기량 2,996cc의 이 엔진은 최고출력 333ps(245kW)/5,250~6,000rpm, 최대토크 49.2ㅏkgm(480Nm)/1,600~4,000rpm으로 EU종합연비 7.5리터/100km(13.3km/리터)다. 이 3리터 V6 직분 터보 엔진은 E400에 탑재되어 4매틱과 조합도 가능하다.

이 엔진은 성능도 발군으로 0-100km/h 가속성능 5.3초로 4.7리터 V8 엔진을 탑재하는 E500의 4.9초에 육박한다. 전 영역에서 두터운 토크를 특징으로 하는 엔진이지만 그 제원보다는 머지 않아 이 V6 터보다 린 번화될 계획이 있다고 하는 점에 초점이 모아져 있다.

궁국의 내연기관 엔진의 완성을 향해 메르세데스 벤츠는 여전히 트렌드세터로서의 길을 묵묵히 가고 있다.