현대기아차가 자동차 제조 관계자와 부품업체 등을 대상으로 실시하는 R&D 모터쇼가 올해도 짧은 기간 개최됐다. 이곳에서는 그 동안 현대기아차가 개발한 또는 개발 중인 기술들을 직접 볼 수 있으며, 국내에서는 볼 수 없지만 연구 목적을 위해 반입한 희귀 수입차들도 만날 수 있다. 이번에도 그런 분위기는 변함이 없지만, 특히 눈길을 끌었던 것은 차세대 엔진 라인업을 주도할 ‘스마트스트림’ 엔진들이었다. 아주 자세한 설명까지는 들을 수 없었지만, 전시된 자료를 보면서 이들 역시 효율을 중시하는 미래에 대비하고 있다는 것을 알 수 있었다.

글 : 유일한(글로벌오토뉴스 기자)

많은 사람들이 주목하고 있지는 않지만, 현대자동차 역시 다른 제조사들과 마찬가지로 자체 엔진을 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있다. 처음으로 현대자동차의 엔진 개발 역사를 개척하기 시작한 알파엔진을 시작으로 배기량과 연료를 달리하며 계속 발전했고, 이제는 명실공히 자체 기술의 엔진을 양산하는 제조사로 거듭났다. 단순히 엔진을 만드는 시대를 넘어서 고성능까지 접근한 뒤, 이제는 ‘스마트스트림’이라는 이름으로 효율과 연비 향상, 내구성 증대를 노린다. 그 첫 번째 타자인 기아 신형 K3를 시작으로 다양한 엔진들이 출시를 기다리고 있다.

효율과 연비를 우선으로, 스마트스트림 G 1.6

스마트스트림 G 1.6 엔진은 K3와 아반떼 페이스리프트 모델에 탑재해 이름을 널리 알리고 있는 엔진이다. 흡기포트를 직선으로 다듬고 실린더 내 스트로크를 길게 잡았으며 피스톤 형상을 보울 형태로 다듬고 실린더의 체적을 줄였다. 이를 통해 기존 감마엔진과 동일한 유량계수를 확보하면서 고속 연소를 실현하고 열손실을 저감시켜 연비를 개선한다. 블록에는 열손실을 최소화하는 ‘크로스 플로우 냉각 시스템’을 적용하고 워터자켓을 최대한 좁게 제작해 균일한 냉각수 흐름을 유지하며 노킹을 방지한다.

엔진에서 기본적으로 실현하는 명제 중 하나가 최대한 마찰을 줄이는 것이다. 이를 위해 마찰을 줄이는 밸브 트레인과 피스톤, 크랭크 트레인을 적용하고 롤러 스윙암과 2단 가변오일 펌프, 저점도 엔진오일을 추가한다. 또한 인젝터를 두 개 사용하는 듀얼 포트 연료분사 시스템을 통해 연소실 내에 균일한 혼합공기를 형성하고 안정된 연소를 구현하면서 연비를 개선한다. 여기에 대용량 외부 EGR 쿨러를 혼합한 고에너지 EGR 시스템으로 회전영역 별로 2~5%의 연비를 더 높인다. 엔진과 변속기의 온도를 효과적으로 관리하는 ‘통합 열관리 시스템’도 있다.

이 엔진과 짝을 이루는 변속기는 IVT라고 부르는, 준중형 차량용 스마트스트림 무단변속기다. 주행 조건에 따라 회전하는 풀리의 유압 세기를 자동으로 조절해 연속적인 변속기 가능하게 하는 ‘변속비 스팬 증대 풀리 시스템’을 적용해 경쟁 모델보다 고단과 저단을 통틀어 기어비 영역이 더 넓어졌다고 한다. 또한 소형급 자동차에 주로 적용하는 푸쉬 벨트 대신 최초로 적용하는 고효율의 체인벨트로 인해 전달효율이 5% 상승했다.

CVT 특유의 소음을 줄이고 연비를 향상시키는 기술도 적용했다. CVT의 오일을 공급하는 장치인 펌프를 베인 타입으로 바꾸어 기어펌프 대비 소음 감소와 구동토크 저감을 가져왔고 기어 회전부의 오일 유입을 최소화해 전달 효율을 약간 향상했다. 또한 CVT의 변속제어 로직을 개선해 기존 CVT보다 응답성을 향상시켰으며 매뉴얼 모드를 이용해 빠르면서도 절도 있는 변속을 구현한다. 스마트스트림 무단변속기는 현대기아차 내 B, C 세그먼트 차량에 탑재한다.

터보차저와 대배기량도 스마트스트림

스마트스트림 G 1.6은 고성능을 필요로 하지 않기에 포트 분사만으로도 충분히 대응할 수 있지만, 고성능을 효율적으로 얻기 위해서는 직분사 방식에 기대는 것이 최선이다. 그래서 그 옆에는 이를 보여주는 듯 스마트스트림 G 1.6 T-GDi 엔진이 있다. 직선으로 다듬은 흡기포트, 피스톤 보울의 형상, 냉각 시스템, 마찰 저감 기술은 일반 스마트스트림 G 1.6과 공유하지만 연속 가변 밸브 듀레이션 시스템(CVVD)과 저압 배기가스 재순환 시스템, 고압 직접분사시스템을 적용한 것이 다르다.

CVVD는 기존의 가변 밸브 시스템을 진화시킨 것이다. 이러한 시스템에서 유명한 것은 혼다의 VTEC, 토요타의 VVT가 있는데, 현대기아차 역시 CVVT를 통해 실현하고 있었지만 이번에는 캠 회전축의 편심을 이용해 각속도를 변화시키고 이를 통해 밸브의 열림과 닫힘을 독립적으로 제어하는 시스템을 구현했다. 기존 기술들보다 크랭크의 각도를 좀 더 넓은 범위로 제어할 수 있다는 것이 장점이다.

터보차저를 사용하는 만큼 저압 배기가스 재순환 시스템을 적용하는데, 고부하영역의 효율을 증대시킬 수 있다. 또한 기존 T-GDi엔진의 분사압력인 250bar를 넘어서는 350bar의 강력한 직분사 시스템을 적용하며, 인젝터 구조를 최적화해 응답성을 개선한다. 이를 종합하면 고효율 영역이 확대되며 토크에서는 큰 차이를 보이지 않아도 출력에서는 차이가 난다. 배출가스 규제도 기존의 ULEV70보다 엄격한 SULEV30(캘리포니아 배출 기준. CO 1.0g/mi, NMOG+NOx 0.030g/mi 이하를 15만 마일동안 만족시켜야 한다)를 만족시킨다.

스마트스트림 G 2.5 GDi는 대배기량 가솔린 엔진의 효율과 배출가스를 제어하기 위한 것이다. 앳킨슨 사이클과 함께 직분사와 포트 분사 방식을 혼합한 형태를 갖고 있으며, 배기 매니폴드 일체형 실린더 헤드, 피스톤 오일 쿨링 시스템 등 이 엔진만이 적용하는 기술도 갖고 있다. 저배기량 엔진이 일반 연속 가변 오일펌프를 갖고 있는 것에 비해 대배기량 엔진인 만큼 비례제어 연속 가변 오일펌프를 적용한 것이 눈에 띈다. 현재 연소효율 40%를 달성했다.

눈에 띄는 것은 앳킨슨 사이클 구동을 위한 앳킨슨 캠과 전자식 CVVT를 혼합했다는 것이다. 전기 모터로 캠을 제어하는 것인데, 여기에 흡기 밸브가 닫히는 시간을 일부러 늦추는 LIVC를 혼합해 유효압축비를 낮추고 실린더 내에서는 고압축비를 사용해 연소 효율을 높인다. 저속 영역에서는 포트 분사를 통해, 고속 영역에서는 직분사를 통해 영역 별 최적의 연료 분사를 구현하며, 노킹을 줄인다.

배기 매니폴드를 실린더 헤드에 일체화시킨 것은 연료 분사를 줄이기 위해서다. 엔진 내 실린더의 온도가 올라가면 이를 식히기 위해 연료를 짙게 분사하는 경우가 있는데, 이를 줄임으로써 연비를 높이는 것이다. 또한 피스톤에 오일이 고이면서 흐르는 영역을 마련해 냉각 능력을 향상시키고 노킹을 줄일 수 있도록 했다. 오일펌프는 전자적으로 연속 제어하며, 이를 통해 필요한 오일만을 공급해 엔진 오일로 인한 구동 손실을 최소화한다.

그 외에도 스포티지 페이스리프트 모델을 통해 경험했던 스마트스트림 D 1.6 엔진도 있었다. 기존의 1.7L CRDi 엔진을 대체하는 것으로 ‘U3 CRDi 엔진’이라고 부르기도 하며 요소수를 사용하는 SCR방식을 적용해 기아차가 제작한 디젤 엔진들 중 가장 깨끗한 엔진으로 언급되는 것으로 알루미늄 실린더 블록, 저압 배기가스 재순환 장치, 통합 유량 제어 밸브, 진공펌프 일체형 오일펌프, 2,200 기압의 강력한 연료분사 기술을 적용했다.

기존의 스테인레스 스틸 대신 알루미늄으로 제작한 디젤 엔진용 EGR 쿨러도 있다. 고강도 고내식성과 함께 열전달 효율이 높은 알루미늄을 다층 구조로 적용하고 스틸과 동등한 수준의 내구성을 확보하고 있다. 또한 무게가 가볍기 때문에 경량화에도 유리하다. 피스톤 역시 마찰을 줄이기 위해 기존의 DLC(Diamond Like Carbon)에 규소를 추가 도포한 Si-DLC, 기존의 코팅을 뛰어넘는다는 테플론(PTFE) 코팅 적용 등 많은 기술 발전이 이루어지고 있다.

시대가 변하면서 동력 부문에서 전기 모터의 도움을 받는 전동화 모델들이 본격적으로 등장하고 있고, 이제는 배터리 전기차 시대가 올 것이라고 한다. 물론 미래를 대비해 배터리 전기차 라인업을 꾸미고 있지만, 파워트레인에 있어서 내연기관의 역할은 아직 끝나지 않았다. 그렇기에 메르세데스 벤츠와 토요타, 마쯔다를 비롯한 제조사들이 내연기관의 열효율을 단 1%라도 끌어올리기 위해 노력하고 있는 것이다.

그리고 그런 흐름은 현대기아차에서도 마찬가지이며 2020년까지 내연기관의 열효율을 50%로 높이겠다고 말하고 있다. 이를 본격적으로 이야기하고 있지는 않지만, 분명히 그렇게 흐르고 있다는 것을 R&D 모터쇼를 통해 끝자락이나마 조금 잡아볼 수 있었다. 현대기아의 스마트스트림 라인업은 매력적인 이야기를 담고 있는 것이 분명하다.