최근 주목 끄는 독일의 신세대 엔진 기술들

토크와 출력, 연비, 저공해 등 다양한 수요에 대응하기 위해, 그리고 기분 좋은 엔진을 만들기 위해 새로운 엔진의 개발이 끊임없이 추구되고 있지만 그것을 실현하기 위한 기술은 자동차 메이커에 있어 각기 다르게 연구되고 있다. 우선은 그 주요 기술과 성능에 관해 살펴 보자.

자동차에 있어 엔진은 심장부라고 할 정도로 중요한 부분이다. 엔진이 없다면 자동차는 단순히 고철덩어리에 불과할지도 모른다. 더불어 그 엔진이 발생하는 성능도 자동차의 성격을 규정짓는데 영향력이 아주 크다. 최근에는 유해 배기가스와 이산화탄소가 문제시되어 있는데 전자는 도시지역의 공해문제로서 부각되고 있고 후자는 지구온난화의 원인의 일부로 되어 있다.
그뿐 아니라 메르세데스는 90년대에 직렬 6기통 엔진을 폐지했는데 그 큰 이유 중 하나는 충돌안전이라고 하는 과제 때문이었다. 전장이 긴 직렬 6기통 엔진은 충돌에너지를 흡수하기 어려워 충돌 당하는 측에 대한 가해성에 대해 고려를 하게 된 것이다. 이처럼 엔진은 안전과 환경문제 공히 밀접한 관계가 있다.
여기에서는 지금까지 자동차회사들이 어떤 사고를 바탕으로 엔진을 진화시켜왔는지 또는 이들이 어떻게 진화해 갈것인지를 우선 고찰해 보고자 한다.
엔진의 어원은 라틴어로 천성, 재능, 이기라고 하는 의미가 있다. 말 그대로 자동차의 엔진은 천재적인 힘을 발휘하고 다양한 재능을 보여주는 문명의 이기로서의 역할을 하고 있다.
오늘날 가솔린 엔진의 기술은 급속도로 발전하고 있는데 자동차회사가 고민하는 것은 그 성능을 어떻게 사용하는가 하는 것이다.
예를 들면 궁극의 가솔린 엔진은 어느정도의 성능 수준에 이르렀는가하는 점이다. F1에서는 3리터의 배기량으로 900ps를 발생하고 있다. 그 때 엔진의 회전수는 18,000rpm 이상이다. 피스톤 속도는 초속 40m 이상에 달한다. 불과 얼마 전까지만해도 자동차공학의 상식으로는 생각할 수 없는 수준까지 진화해있고 이는 1리터 당 300ps를 발휘한다는 계산이 나온다.
한편 엔진은 어느정도 소형화되었는가 하는 점도 중요한 대목이다. 이는 중량 당 출력으로 생각하면 이해하기 쉬울 것이다. 경비행기의 수평대향 4기통에서는 1kg 당 1.50ps. 터보 프롭(제트 엔진에서 프로펠러를 회전시키는 타입)에서는 4.75ps다. 이것은 400ps 이상의 엔진에서도 90kg 미만으로 가볍다. 자동차용 엔진은 약간 무겁지만 100kg 정도 무게의 엔진으로 2톤 가까운 보디를 200km/h 이상의 속도까지 가속시키는 것이 가능한 것이다.
다음으로 중량과 코스트의 관계를 살펴 보자. 어느 엔지니어는 소형차에 사용되는 엔진은 고급보다 더 큰 가치가 있다고 이야기하기도 한다. 그것은 1,000만원 이하의 소형차의 예이지만 1kg 당 가격이 약 1만원이라고 하는 이야기가 된다. 이처럼 100년에 걸쳐 진화해온 엔진은 놀라울 정도로 진화 숙성해왔음을 알 수 있다.

그러면 구체적인 예를 들어 자동차 엔진의 성능을 고찰해 보자.
BMW 엔진은 실키라는 평가를 많이 듣고 있는데 최근에는 하이테크를 사용해 가솔린 엔진을 크게 진화시키고 있다. BMW는 자사의 가솔린 엔진의 연비가 그다지 좋지 않다는 점을 알고 있었고 그 때문에 모든 가솔린 엔진을 밸브트로닉(Valvetronic)을 채용할 계획을 갖고 있었던 것이다. 그 제 1탄이 2001년 등장한 4기통용 밸브트로닉이다.
밸브트로닉이란 스로틀 밸브 대신 흡기 밸브의 리프트 량을 가변시키는 것으로 출력을 제어 한다는 것. 모든 직렬 4기통과 V8에 채용되어 있는데 여기에 760용에는 가솔린 직접분사에 밸브트로닉이라고 하는 하이테크의 12기통 엔진을 만들어 내고 있다.
그중에서 318i에 탑재되어 있는 직렬 4기통에 대해 살펴 보자. 이 엔진은 아주 부드럽고 높은 품질감으로 정평이 나있다. BMW가 메르세데스 벤츠나 폭스바겐과 다른 부분은 이러한 독자적인 특성을 가진 관능적인 드라이빙 필을 고집하고 있기 때문이다. 밸브트로닉은 흡기 밸브에서 출력을 제어하는 것으로 가솔린 직접분사와 같이 스로틀을 제거하는 것이 가능하다. 가솔린 엔진이 디젤엔진보다 효율이 나쁜 이유 중 하나는 이 스로틀이 존재하기 때문이다. 스로틀은 펌프 손실로 이어지고 엔진의 효율을 떨어트리는 것이다.
이 4기통 엔진은 효율이 높을뿐만 아니라 승차감도 매끄럽게 하는데 큰 역할을 하고 있다. 그런 특성이 밸브트로닉 특유의 것인지 규정된 바는 없지만 구동계도 포함해 자동차 전체가 부드럽게 변하게 하고 아이들링시에 ‘부르 부르’하는 진동도 극히 적다.
그로 인해 3시리즈의 주행특성이 아주 쾌적성 중시의 모델이 아닌가 할 정도의 특성을 보이지만 그렇다고 특유의 스티어링 휠에서 전달되어 오는 스포티한 감각은 그대로 살아 있다. DSC라고 하는 시스템으로 인해 뒷바퀴 굴림방식이 줄 수 있는 위화감도 해결하고 있다.

다음으로 아우디의 소형 로드스터 TT에는 매력적인 터보 엔진이 2기종 탑재되어 있다. 하나는 저압터보의 180ps 사양. 압축비를 그리 낮추지 않고 과급압을 낮게 설정하는 타입이다. 저압터보는 회전이 낮은 영역에서 어떻게든 응답성이 좋은 토크를 발생하는가가 중요한 과제다. 이 타입의 터보 엔진은 극히 고도의 기술을 요구한다. 또 한편으로는 통상의 터보처럼 과급압을 높여 파워를 내는 타입이다. 메이커에 따라서는 저압터보와 고압터보를 각기 설정하는 예도 있는데 일반적으로는 고압터보쪽을 더 많이 사용하고 있다.
그런데 아우디가 TT의 베이스를 엔진을 가로배치로 탑재하는 A3를 베이스로 한 이유에 대해서 아우디측은 세로배치로 하려는 생각이 있었지만 디자이너가 전장이 짧은 패키지를 요구했기 때문이라고 했다. 가로배치이면서 컴팩트한 엔진만 탑재할 수 있었기 때문에 터보로 과급하는 것은 당연한 귀결이었다. 그래서 아우디는 저압터보라고 하는 독특한 터보 엔진을 개발한 것이다.
이 저압터보는 일반도로를 달리면 아주 기분 좋은 느낌을 제공한다. 저속 토크가 두텁고 터보의 타임래그를 거의 느낄 수 없을 정도이기 때문이다. 2,000rpm이하에서 최대토크를 발생하며 그 다음으로는 거의 플랫한 토크 특성을 보여준다. 하지만 저압터보는 서키트와 같은 곳에서의 스포츠 주행에는 부족함이 있다. 절대적인 파워가 부족하기 때문이다.
그래서 아우디는 고압터보도 준비하고 있는 것이다. 고압터보는 225ps 사양으로 어지간한 엔진의 모델들에게 최고속도에서 뒤지지 않는다는 특성을 갖고 있다. 레드존은 6,700rpm 부터인데 그때까지도 엔진회전은 아주 매끄럽다.

메르세데스는 최근 가솔린 엔진의 과급화를 추진하고 있는데 최신의 C클래스, 1.8리터 수퍼차저를 탑재한 C200컴프레서도 그 하나다.
최고출력 163ps, 최대토크 240Nm의 이 엔진에는 부드럽고 다루기 쉬운 5단 AT가 채용된다. 독일에서는 6단 MT와 2페달의 자동 클러치 6단 MT도 설정되어 있다.
엔진은 스포츠 성격이라고 할 수는 없지만 저속 토크가 크기 때문에 실제 주행이 쉽다. 응답성은 BMW와 알파의 4기통에 뒤지지만 부드러운 5단 AT와의 조합에서 그 성능은 부족함이 없다. 고속 영역도 부담이 없는 모델이라고 할 수 있다. 190km/h의 영역까지 부담없이 상승해 준다. 레드존은 6,000rpm부터로 낮기 때문에 고회전형은 아니다.
고속주행 중에는 코너링에서 ESP가 작동하는데 세련된 전자제어장치 때문에 그만큼 안정성이 향상된다. 그런데 ESP 작동을 OFF시키면 토크풀한 엔진의 특성을 살려 드리프트 주행을 하는 것이 즐거워진다. 코너에서 스로틀을 약간 넘치게 밟으면 테일이 자연스럽게 흐르기 때문이다.
메르세데스의 엔진 전략은 어디까지나 메르세데스라고 하는 고급차 브랜드에 사응하는 승차감을 고려한 것이라고 할 수 있다. 지나치게 스포티한 쪽으로 치우치지 않으면서도 성능을 높인다고 하는 고도의 튜닝이 이루어져 있다.

가장 자극적은 주행으로 운전자를 감동시키는 알파 156은 BMW도 뒤지지 않을 정도의 스포츠 세단이다. 승차감에서는 BMW에 떨어지지만 엔진과 핸들링의 기분좋음에서는 어디에도 빠지지 않는다. 156은 레이스에서도 대활약한 155의 후속 모델로 1997년 가을 데뷔한 모델이다. 2002년에 GTA를 라인업했고 새로 개발한 직접분사 엔진을 탑재한 JTS가 등장했다.
여기에 탑재된 2리터 직렬 4기통 DOHC 16밸브에 가변흡기+가변밸브 타이밍 기구를 탑재하고 165ps를 발휘한다. 알파로서는 신개발의 가솔린 직접분사이고 성능 향상으로 특화하고 있다.
이 엔진에 셀레스피드 트랜스미션이 조합되는 매치가 주목되는 모델이다.
예를 들면 BMW의 SMG와 폭스바겐 아우디의 DSG에 비교하면 응답성에서 약간 떨어진다. 하지만 시퀀셜 시대로 된 것은 알파가 그 선구자적인 열할을 했다.
카탈로그상 최고속도는 220km/h 인데 실제 주행에서도 그 정도의 속도는 무난하게 주파한다. 1.8리터 수퍼차저 사양의 C클래스와 거의 같은 속도를 마크한다. 과급장치가 없이 같은 속도를 실현한 것은 매뉴얼 기어박스를 채용하고 있기 때문일 것이다. C클래스는 토크 컨버터형 AT이기 때문에 로스는 어쩔 수 없다.
가솔린 직분으로 한 덕분에 앞아의 엔진은 파워가 대폭 향상되었다. 특히 고회전역의 확대는 높은 평가를 받고 있다. 레드존이 시작되는 7,000rpm까지 스트레스 없이 뻗어 올라가는 것은 2리터 최강의 파워 플랜트라고도 할 수 있다.
토크가 본격적으로 발생하는 것은 4,500rpm 부터인데 그때 들려오는 알파 특유의 사운드는 아주 기분 좋게 다가온다.
알파는 스포츠라고 하는 컨셉트를 가지고 있기 때문에 성능을 최우선으로 해 가솔린 엔진을 진화시켜왔다.

메르세데스는 가솔린엔진 자동차의 창시자이기 때문에 다양한 기술혁신을 오랜 역사에 걸쳐 이루어왔다. 그리고 가솔린 엔진과 마찬가지로 디젤엔진 분야에서도 그 선구적인 역할을 연출해왔다. 최근 유럽에서는 디젤엔진의 비율이 높아져 V8 등 고급 디젤엔진까지 등장하고 있다.
메르세데스 벤츠의 엔지니어는 “이대로 디젤엔진이 계속 증가하는 것은 바람직하지 않다는 의견을 제시하고 있다. 왜냐하면 디젤엔진은 코스트가 높고 그만큼을 유저들이 부담하지 않으면 안되기 때문이다. 승용차 디젤엔진의 비율이 50%를 넘으면 아마 기업의 수익에 악영향을 미칠 수도 있을 것이다.”라는 의견을 피력하고 있다.
디젤엔진은 직분과 커먼레일, 그리고 과급이라고 하는 하드웨어를 갖고 있기 때문에 가솔린엔진보다 그만큼 코스트가 높은 것이다. V8의 경우 코스트에는 가솔린과 디젤에서 약 1.7배의 차이가 있을 수 있다.
연비라고 하는 디젤 엔진이 장점인 항목으로 가솔린 엔진에 대항하는 것은 그다지 좋은 것은 아니라고 유럽에서는 생각하고 있다.
오히려 가솔린이 장점으로 하고 있는 클린성과 정숙성에 미래 가솔린 엔진의 진화의 시나리오가 존재한다는 것이다. 그리고 터보를 저압으로 사용하는 것으로 디젤엔진처럼 큰 저속토크를 얻고 그 결과 보다 프리미엄급 승차감을 실현할 수 있다고 메르세데스 벤츠는 생각하고 있다.
한편 토요타는 전혀 다른 생각을 한다. 가솔린 엔진도 하이브리드를 사용하면 디젤엔진에 대할할 수 있다고 생각하고 있는 것이다. 이미 현재의 프리우스는 30%의 효율을 달성하고 있다. 2010년경에는 가솔린 하이브리드로 40% 가까운 효율이 가능할 수도 있을 것이라고 생각하고 있다.
현상에서는 가솔린엔진의 효율이 16%정도인 것을 생각하면 10년에 두 배의 효율을 달성한다고 하는 시나리오다. 그리고 디트로이트쇼에서 발표한 토요타 하이브리드 시너지(THS)라고 하는 컨셉은 효율만이 아니라 성능도 양립하고 있다.
지금 주목을 끌고 있는 가솔린 엔진은 직접분사, 밸브트로닉, 과급, 하이브리드 등이 있다. 그리고 그 핵심 컨셉은 환경과 관능의 양립이라고 할 수 있다.