가솔린 직분사 엔진에 대한 여러가지 의견들이 많았던 것이 얼마 전인데 이제는 주류가 되어 있다. 지금은 포트 분사 엔진을 찾아 보기 힘들 정도로 거의 모든 자동차회사들이 직분 엔"/> 가솔린 직분사 엔진에 대한 여러가지 의견들이 많았던 것이 얼마 전인데 이제는 주류가 되어 있다. 지금은 포트 분사 엔진을 찾아 보기 힘들 정도로 거의 모든 자동차회사들이 직분 엔"/> 주류가 된 직분 가솔린 엔진의 미래는? > 스페셜이슈 | 글로벌오토뉴스

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주류가 된 직분 가솔린 엔진의 미래는?

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2016-01-25 19:47:15

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가솔린 직분사 엔진에 대한 여러가지 의견들이 많았던 것이 얼마 전인데 이제는 주류가 되어 있다. 지금은 포트 분사 엔진을 찾아 보기 힘들 정도로 거의 모든 자동차회사들이 직분 엔진을 전면에 내 세우고 있다. 최근 등장한 신형 엔진들은 대부분 직접분사타입이다. 성능의 밸런스가 좋다는 점 등 기술의 진보와 함께 엄격해지고 있는 배출가스 기준을 충족하기 좋다는 점 때문이다. 가솔린 직분 엔진의 최근 흐름을 살펴 본다.

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2010년에 직분화와 터보차저로 가솔린 엔진 다운사이징 가속화 라는 칼럼을 썼던 기억이 있다. 그 앞 부분의 내용은 다음과 같다. 

"21세기 들어 디젤엔진의 비약적인 발전에 가려 가솔린 엔진의 진화에 대한 이야기가 크게 부각되지 않았다. 그러나 최근 들어 직분사와 터보차저의 결합으로 성능이 획기적으로 증대되자 가솔린 엔진에 대한 관심이 급증하고 있다. 

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가솔린 엔진은 크게 카뷰레터에서 인젝션으로 바뀌었다고 정리된다. 연료분사장치 자체는 100년 이상의 역사를 갖고 있다. 1898년 독일의 DMF(Deutsch Motoren Fabrik)사가 한정적으로 생산했었고 1912년에는 로버트 보쉬도 인젝션 펌프의 연구를 시작했다. 1937년에는 항공기용 엔진의 연료분사장치의 생산을 시작했었다. 하지만 그 기술이 자동차에 적용되기까지는 적지 않은 시간이 걸렸다. 

1951년 독일의 군소자동차회사의 소형차 슈페리어600에 사용된 것이 보쉬 최초의 연료분사로 포트 분사가 아닌 통내 직접분사식이었다. 그 수년 후인 1954년 같은 직분 시스템인 고압 버전을 탑재한 것이 저 유명한 메르세데스 벤츠의 걸윙 도어 모델 300SL이었다. 하지만 성능 향상에 유효했던 직분은 비용과 기술적인 문제로 보급이 확대되지 않았다. 역사적으로는 이것을 가솔린 직분 엔진이 최초로 도입된 것으로 기록되고 있다.

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현대적인 직분 시스템을 본격적으로 채용하기 시작한 것은 폭스바겐아우디 그룹이다. FSI라고 명명한 시스템으로 터보차저와의 상성이 입증되면서 지금은 그 채용 폭이 크게 확대되고 있다."

그로부터 5년이 지난 지금의 흐름은 출력과 연비, 환경성능의 밸런스가 좋아 직분이 완전히 주류로 자리 잡았다. 그런데 최근 디젤 스캔들로 인해 가솔린 엔진에까지 의혹의 눈초리가 대두되고 있는 실정이다. 포인트는 직접 분사 엔진에 관한 것이다.

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초기의 직분 엔진부터 기술적으로 문제가 완전히 해소된 것은 아니었다. 자연흡기/린번 성층연소에 의한 연비 향상을 노렸지만 와류제어를 위한 특수형상의 피스톤과 린번에 의해 대량으로 발생하는 질소산화물(NOx) 저감을 위한 비용 증가가 그것이다. 또한 입자상물질(PM)과 카본 슬러지에 의한 작동 불량 등의 트러블로 인해 직접분사 가솔린 엔진에 대해 부정적인 시각들이 많았었다. 그로 인해 특히 하이브리드 전기차에 집중하고 있는 토요타 등 일본 메이커들은 직분식 엔진을 상대적으로 늦게 개발하기도 했다. 

그런 문제점을 해소한 것이 2000년대 초반에 등장한 자연흡기 스토이키메트릭(stoichiometric; 화학식 그대로의) 균질연소 타입이다. 무엇보다 배출가스 규제강화에 대응하기 위해 냉간 시동시의 촉매 조기활성화 등을 연구했는데 흡기온도 저감에 의한 혜택도 크게 작용했다. 이를 1세대라고 할 수 있다. 

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그리고 2000년대 중반에는 다운사이징 터보차저 컨셉의 등장으로 본격적으로 발전했다. 노킹에 강하기 때문에 터보차저와의 친화성이 높고 연료분사량의 정밀제어로 연비와 환경성능의 향상에도 공헌할 수 있게 됐다. 이후 블루 이피션시(Blue Efficiency)를 내 세운 BMW를 비롯해 거의 모든 메이커들이 직접 분사방식의 엔진을 내놓았다. 

그리고 2012년 이후에 등장한 최근의 3세대 직분 가솔린 엔진은 아예 포트 분사를 밀어 내고 주류로 자리잡기에 이르게 했다. 가장 주목을 끄는 것은 폭스바겐이 EA888로 포트분사 병용 시스템을 채용한 것이다. 

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폭스바겐은 차체에 모듈러 플랫폼 개념을 도입한 것으로도 주목을 끌었다. 그 MQB에는 파워트레인 구조의 모듈러화도 포함되어 있다. 가솔린 엔진은 MOB(모듈러 가솔린 엔진 시스템), 디젤 엔진은 MDB(모듈러 디젤엔진 시스템)라고 부르는 기준에 맞춰 개발된다. 

가솔린 엔진은 1~1.6리터를 EA211형, 1.8~2리터를 3세대인 EA888형, 디젤은 EA288형이 베이스로 된다. EA211형은 3기통과 4기통으로 나뉘는데 모듈러 구성이기 때문에 차체측의 변경은 기본적으로 필요하지 않다. 엔진의 캐릭터는 제어에 더해 흡배기시스템 변경 등으로 분류한다. 

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여기에는 듀얼 인젝션 시스템이 채용된다. 고부하시에는 직분 시스템, 통상 주행 등 저부하시에는 포트 분사 시스템으로 운전한다. 복잡하고 비용상승이 불가피한 이런 시스템을 채용한 것은 촉매의 조기활성화, 밸브의 카본 축적 해소, 그리고 질소산화물 배출 저감 등을 위해서라고 한다. 이 시스템을 탑재한 엔진은 7세대 골프의 GTI와 R, 아우디 A3의 1.8T, S3, S1 등이다. 같은 메커니즘이 람보르기니 우라칸에도 채용되어 있다. 람보르기니에서는 IDS(Iniezione Diretta Stratificata)라고 칭한다. 

다양하게 채용되고 있지만 아직은 해결해야 할 문제가 없지는 않다는 것이 엔지니어들의 의견이다. 신뢰성의 문제다. 1세대 직분 엔진이 직면했던 카본 축적에 의한 각종 트러블은 완전 해소되었는가하는 것이 우선이다. 2000년대 중반에 등장한 엔진에서는 쉽게 열화가 된다는 문제점도 지적됐었다. 

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가장 큰 문제는 역시 배기가스 대책일 것이다. 최근 발생한 폭스바겐 디젤 스캔들이 가솔린 직분 엔진으로도 확대될 조짐을 보이고 있다. 측정기기의 진화에 의해 다양한 물질이 미량으로 검출되고 있는 지금, 확실한 분석이 필요하다는 의견이 대두되고 있다. 신차 출고시에는 문제가 없더라도 쉬운 열화에 의한 질소산화물과 PM 배출 수준 악화가 문제시되는 것은 피할 수 없다. 질소산화물흡장촉매는 비용 증가로 이어지고 시간이 지남에 따라 어느정도 열화할지는 추적 검토가 필요하다. 또 PM 등은 근본적인 대책이 가능할지 어떨지도 확실치 않다. 

지금 내연기관 엔진을 설계하는 엔지니어들에게는 지금까지와는 차원이 다른 검증이 계속되고 있다. 그만큼 지난한 노력이 요구되고 있다는 얘기이다. 

사건이 기술의 진화 방향을 바꿀 수 있다. 과연 이번 사태가 어디까지 확대될지 앞으로도 많은 논란이 예상된다. 
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