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엔진 기통휴지 시스템의 ABC

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-02-28 13:13:13

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다운사이징과 앳킨슨 사이클 엔진, 하이브리드전기차의 보급 등에 따라 엔진의 효율 향상에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다. 동시에 한 때 잊혀졌던 기통 휴지 시스템에 관한 기술이 다시 관심을 끌고 있다. 기통 휴지 시스템은 실린더 중 일부를 작동 중에 정지시켜 연료소모를 최소화하기 위한 기술을 말한다. 과거에는 주로 대 배기량 엔진에만 채택되었으나 최근에는 1리터급 소형 엔진에도 이 기술이 등장하고 있다. 기통 휴지 시스템의 기본적인 내용을 살펴 본다.

 

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기통 휴지(Cylinder Deactivation, Cylinder Cut Off) 시스템은 처음에는 주로 대 배기량 엔진을 많이 사용하던 미국 메이커들의 V형 8기통 엔진에서 시작됐으나 최근에는 3기통 2사이클 엔진에도 채용을 위한 실험이 진행되고 있는 예가 있다. 기통 휴지 시스템은 여유 출력에 해당하는 기통에 연료 분사를 중단하여 연소가 일어나지 않게 하여 연비를 향상시키는 기술이다. 주로 가속을 필요로하지 않는 정속 주행 중에 이루어진다. 실린더 컷 오프 기능은 GM은 AFM(Active Fuel Management), 크라이슬러는 MDS(Multi-Displacement System), 혼다는 VCM(Variable Cylinder Management)으로 부른다.

 

대배기량차는 출력에 여유가 있어 부하가 낮은 주행 영역에서는 일부 실린더의 작동을 중지시키는 것이 쉽다. 그래서 주로 V형 12기통과 V형 8기통 엔진에서 6기통,또는 4기통으로 전환하는 것이 대부분이다.

 

이는 유저들의 니즈와 연비라는 문제를 동시에 해결하고자 하는 대책의 일환이다. 다시 말해 시장에는 8기통 엔진의 고성능, 고토크, 그리고 특유의 사운드를 원하는 유저가 분명 존재한다. 그것을 20세기식 사고방식이라고 해도 어쩔 수 없다. 운행 중 항상 고회전, 고성능을 필요로 하는 것은 아니기 때문에 필요하지 않을 때는 실린더 일부의 작동을 멈추게 해 연료소모를 줄이게 한다는 아이디어다. 포르쉐가 911을 통해 선 보인 코스팅 기능도 비슷한 컨셉이다.

 

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기통 휴지 시스템은 19세기에도 아이디어가 있었지만 상용화는 1981년 캐딜락의 L62 V8 엔진이 그 시작이다. 이튼(Eaton)과 공동 개발한 이 엔진은 상황에 따라 V8 또는 6, 4기통만 작동했다. 하지만 기술적 완성도가 낮아 사라졌다.

 

1982년에는 미쓰비시가 MD(Modulated Displacement) 기술을 1.4리터 배기량의 4G12에 채용했다. 역시 기통의 휴지와 작동에 대한 반응이 느려 소비자로부터 좋은 평가는 받지 못했다. 미쓰비시는 1993년 MIVEC-MD 엔진을 통해 다시 실린더 컷 오프 기술을 되살렸다. 엔진 제어 기술이 발전하면서 4기통과 2기통 사이를 오가는 반응이 크게 좋아졌다. MD 모드에서는 4기통 중 2기통만 작동해 연료손실과펌핑손실을 줄이고 연비성능도 10~20% 개선됐다. MD는 1996년까지만 생산됐다.

 

미쓰비시 이후 한동안 실린더 컷 오프 기술에 관심을 갖는 메이커는 없었다. 90년대만 해도 규제가 엄격하지 않았기 때문에 굳이 이런 기술까지 동원할 이유는 별로 없었다. 메르세데스-벤츠가 90년대 말에 V형 12기통 엔진에 MDS를 적용하긴 했지만 2000년대 들어서도 이 기술을 도입하는 메이커는 드물었다. 현대적인 실린더 컷 오프가 다시 나온 것은 2004년 다임러크라이슬러의헤미 엔진이었다. 이듬해에는 GM이 AFM을, 혼다도 VCM을 들고 나왔다. 혼다는 한 쪽 뱅크의 작동을 멈추고, 헤미는 실린더를 하나씩 건너뛰면서 멈추는 방식이다.

 

실린더 컷 오프가 상용화 된 배경에는 제어 기술의 발전이 있다. 다른 기술들처럼 컴퓨터를 통한 제어가 비약적으로 향상된 것이다. 그런데 2012년을 전후해 폭스바겐과 아우디,메르세데스벤츠, 람보르기니 등이 기통 휴지 시스템을 시판차에 적용하며 새로운 움직임이 일었다.

 

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폭스바겐은 골프 1.4리터 직렬 4기통 TSI엔진에 기통 휴지 시스템을 채용했다. 라이트사이징(Rightsizing)이라는 새로운 흐름에 따라 배기량이 1.5리터로 확대된 2017년형 골프의 페이스리프트 버전에도 기통 휴지 시스템은 그대로 채용되었다. 저부하영역에서 두 개 실린더의 흡배기 밸브를 닫아 연료를 분사하지 않도록 하고 있다.

 

같은 해 메르세데스-벤츠도 5.5리터 V형 8기통 엔진에 기통 휴지 시스템을 채용했다. AMG의 실린더 매니지먼트는 엔진 부하가 적을 때 8개 실린더 중 2번, 3번, 5번, 8번 실린더의 밸브를 닫아 연료를 차단, 사실상 4기통 엔진으로 작동시키는 시스템이다. 문제는 8기통에서 4기통으로 전환할 때 토크 변동에 따른 진동 등이 발생할 수 있다. 이 기술에 대해 AMG측은 특별한 전자제어 기술등은 사용하지 않고 엔진 마운트를 최적으로 세팅하는 방식으로 해소했다. 변속기를 토크 컨버터 방식으로 한 것도 같은 이유다.

 

AMG는 엔진 매니지먼트에서 8기통과 4기통 전환시 큰 토크 차이가 발생하지 않도록 함과 동시에 트랜스미션 내에 원심 진자식흡진기를 채용했다. 이것은 진동에 대해 반대방향으로 흔들리도록 함으로써 진동을 흡수하는 기구다. 일어난 현상을 없애는 것이 아니라 원인과 현상을 한꺼번에 없앤다는 것이다.

 

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2013년 아우디가 선보인 4.0리터 트윈 터보 엔진의 기통 휴지 시스템은 COD(Cylinder On Demand)라고 명명하고 있다. 상황에 따라서 실린더 중 일부가 작동을 중지한다는 것이다. 작동 조건은 엔진회전수가 960~3,500rpm, 그리고 냉각수 온도가 30℃ 이상으로 3단 이상의 기어일 때여야 한다.

 

이 조건을 만족시키면 V8 엔진은 2/3/5/7 기통의 밸브 구동시스템과 연료 분사, 이그니션 시스템을 정지시켜 V4 엔진으로 기능을 한다. 또 그 가동되고 있는 실린더의 작동 포인트가 V8엔진시보다 높은 부하로 되어 에너지 효율이 높아지고 연비성능을 향상시키는 것이 가능하다고 한다. 아우디 밸브 리프트 시스템에 의해 캠샤프트에 설계된 슬리브가 이동함으로써 휴지 실린더 구동 시스템은 작동을 멈추고 밸브가 닫힌 상태로 된다. 이 V8엔진은 외측 흡기/내측 배기의 레이아웃을 채용하고 있다. 두 개의 트윈 스크롤 터보와인터쿨러는 V뱅크 사이에 배치된다.

 

8기통이 4기통으로 전환되는 순간에 계기판의 모니터에는 4기통 모드의 문자가 나타나며 순간 연비를 나타내는 띠가 흰색에서 녹색으로 변한다. 아우디는 엔진의 진동에 대해 역 진동을 발생시킨 액티브 엔진 마운트에 의해 이것을 해소하는 방식을 채용하고 있다.

 

포드자동차는 에코부스트(Ecoboost) 엔진 중 1.0리터 직렬 3기통 엔진의 연비 성능 향상을 위해 기통 휴지 시스템을 개발했다. 포드는 2016년 11월 신형 피에스타 공개와 함께 기통 휴지 시스템이 탑재된 3기통 1.0리터 에코부스트 엔진을 발표했다. 기통 휴지시에는 2기통만이 작동되며 실린더 정지 및 복귀 시간은 0.14초다. 이 기술을 통해 최대 6%의 연비 성능 향상 효과를 거둘 수 있다.기통 휴지 시스템이 탑재된 3기통 엔진은 2017년 개발을 마치고 2018년부터 양산모델에 적용된다. 어떤 차량에 이 엔진이 탑재되는 지에 대한 내용은 공개되지 않았다.

 

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람보르기니도 2012년 아벤다토르에 이어 2016년형 우라칸에도 실린더 컷 오프 기능을 추가했다.우라칸은기존 모델 대비 연비가 2.4%가 상승했고, CO2 배출량은 290g/km에서 283g/km으로 낮아졌다.우라칸에 적용된 실린더 컷 오프 기능은 부하가 적은 상황에서 한 쪽 뱅크의 작동을 멈춘다. V10 중 5기통만 작동하는 것이다. 그리고 급가속 시에는 즉각적으로 모든 실린더의 작동이 활성화 된다.

 

GM도 2017년 출시될 신형 쉐보레콜벳에새로 개발한 V형 8기통 엔진에 최초로 기통휴지 시스템을 채용했다. 이 엔진에는 자회사인 GM 벤처와 실리콘 밸리의툴라테크놀러지가 공동 개발한 기통 휴지 시스템이 채용됐다. 새 실린더 컷 오프 시스템은 툴라의 DSF(Dynamic Skip Fire)가 핵심이다. DSF에는 진보된 디지털 시그널 프로세서를 포함하고 있어 기존의 시스템보다 한층 높은 효율을 기대할 수 있다.

 

기존의 컷 오프 시스템은 부하에 따라 기통의 작동을 중지하는데 그쳤지만 DSF는 개별적으로 실린더의 점화 유무를 결정할 수 있다. 작동 영역도 모든 속도에 걸쳐 가능하다. 툴라의 자체 테스트 결과 DSF의 연비 개선 효과는 15%이다. 작동 시 진동도 최소화한 게 장점이며 4~8기통까지 적용이 가능하다.저부하주행시에 8기통 중 4기통을 정지시키는 액티브 퓨얼 매니지먼트(AFM :Active Fuel MAnagement)가 채용된다. 또 엔진의 직분화에 의해 연소효율을 높인 것도 신형 엔진의 큰 특징이다.

 

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BMW는 모듈러 엔진 컨셉의 도입과 함께 8기통 중 네 개의 실린더의 작동을 중지시키는 것이 아니라 모든 실린더의 연료 공급을 동시에 줄여 효율성을 높이는 실린더 온 디맨드 시스템을 개발했다. BMW 이피션트 다이내믹스 엔진군에 적용되는 실린더 온 디맨드 시스템은 밸브트로닉과 조화를 이루게 된다. 실린더 온 디맨드 시스템은 실린더 컷 오프(Cylinder Cut-Off: 기통 휴지)와 개념이 약간 다르다. 예를 들어 8기통 중 네 개의 실린더의 작동을 중지시키는 것이 아니라 모든 실린더의 연료 공급을 동시에 줄여 효율성을 높인다는 것이다. '끄지 않고 낮춘다'는 원리를 채택하면 최소한의 연료 소모와 배기가스 배출, 역동성, 안락함, 파워 전달 등이 더 좋다고 BMW는 주장한다. BMW의 이 독점적인 기술은 다양한 크기와 출력을 가진 엔진에 적용할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다.

 

이는 밸브트로닉 기술이 있어서 가능한 것이다. 밸브트로닉은 2001년에 첫 선을 보인 기술로 스로틀 조절 없이 가솔린 엔진의 부하를 제어한다. 최신의 밸브트로닉은 시스템이 보다 정교해지면서 인테이크의 밸브 리프트를 보다 세밀하게 컨트롤이 가능해 졌다. 이로 인해서 엔진 응답성은 더욱 빨라지는 효과가 있고 토크 밴드도 넓어졌다.

 

 

일부 실린더의 작동을 중지시켜 연비 성능 향상

기통 휴지 시스템은 해당 실린더에 연료 분사를 정치해 점화하지 않도록 하는 것을 말한다.그만큼 연료소모가 적어진다.부수적으로 펌핑 손실도 줄일 수 있다.부하가 낮은 주행 중과 아이들링 상태에서 실린더의 연소를 휴지시킴으로써 연료소모를 줄이고 이산화탄소 배출량도 저감한다.물론 연료분사를 정지한 만큼 정비례로 연료 소비가 줄어 드는 것은 아니다.피스톤은 계속 작동하고 있기 때문이다.휴지 기통만큼의 구동력 손실은 그대로 가동하고 있는 실린더가 부담하기 때문에 가동하는 연소실에의 연료분사량은 늘어나지 않으면 안된다.

 

휴지 실린더 대신 가동되는 실린더는 부하가 커지기 때문에 상대적으로는 스로틀 밸브의 개도가 커져야 한다. 그 결과 스로틀 밸브에 의한 흡기 손실이 적어지거나 펌핑 손실이 저감되는 부수적인 효과도 있다.

 

대량의 EGR(배기가스 재순환)기구를 채용한 최근의 엔진에서는 기통 휴지를 하지 않아도 실제의 배기량을 줄여 스로틀 밸브의 개도를 크게 함으로써 가능하지만 EGR의 도입에도 한계가 있다.마찬가지로 스로틀 밸브 개도를 크게 해 펌핑 손실을 줄이는 밸브 구동 관련 기술에 가변 밸브 리프트 기구가 있지만 기통 휴지는 보다 연비 성능 향상 효과가 큰 기술로 인정받고 있다.내연기관의 손실 중 대부분을 점하는 배기 손실과 냉각 손실 등 버려지는 열을 발생시키지 않기 때문이다.이 때문에 기통 휴지 기구를 도입하면 앳킨슨 사이클과 냉각 EGR 보다 기본적으로 효율을 높일 수 있다.

 

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기통 휴지 기구는 본래 부드럽고 쾌적한 다기통 엔진의 장점을 손상시킨다는 단점도 있다.그 때문에 연소간격의 변화와 연소 회수의 감소에 의한 진동과 소음 등 쾌적성을 악화시키는 대책이 필요하다.

 

V형 12기통 엔진을 사용하는 독일 프리미엄 브랜드들은 이에 대한 대책을 강구했다. 메르세데스벤츠는 2001년부터 S클래스에 탑재하는 V형 12기통 엔진이 기통 휴지 기구를 채용해 왔다. 배기간섭에 의한 배기음의 변화에 뚜렷하게 쾌적성을 손상시키기 때문에 배기계에도 전환기구를 설계해 특성 주파수의 배기음을 저감시키고 있다.

 

아우디는 전자진동 코일에 의해 역위상의 진동을 발생시켜 엔진의 진동을 상쇄하는 액티브 엔진 마운트를 개발해 기통 휴지시의 진동을 뚜렷이 개선했다.현재는 다시 고도화된 가변 밸브 타이밍 기구에 의해 앳킨슨사이클화함으로써도 연소 압력을 억제해 진동 경감을 꾀하는 수단도 있다.

 

 

세 가지로 분류되는 기통 휴지 시스템

기통 휴지 기구는 구조에 따라 세 가지로 분류된다.V형 엔진 한쪽 뱅크를 모두 휴지시키는 한쪽 뱅크 휴지형과 특정의 실린더를 휴지시키는 기통 선택형, 3기통 엔진 등에서 순차적으로 기통 휴지를 반복하는 순환휴지형이 그것이다.

 

한쪽 뱅크 휴지형은 가장 오랜 역사를 갖고 있다.미국 GM이 V형 8기통 엔진에 처음으로 채용했다. 8기통 중 4기통을 휴지시켜 최대 30%의 연비를 개선했다는 기록이 있다.실연비에서는 주행 조건에 따라 효과가 좌우되는데 고속 순항이 많은 만큼 연비 성능 향상에 공헌하는 것은 분명하다.

 

일반적으로는 로커 암을 구동하는 유압 리프터로의 유압공급을 정지시켜 밸브를 모두 닫은 상태로 함으로써 실현한다.밸브개폐를 계속하고 있으면 연소실 내의 흡배기에 의한 펌핑 손실이 발생하지만 밸브를 단은 채로 두면 압축공정에서는 저항으로 되고 팽창 행정에서는 압축에 필요한 에너지의 대부분을 회수할 수 있다.마찰에 의한 손실을 피할 수 없지만 구동 손실은 앞서 언급한데로 기동 기통의 펌핑 손실 경감에 도움이 되기도 한다.

 

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고속순항시의 연비성능을 높이는 것뿐 아니라 대 배기량 다기통 엔진에서는 재시동시의 연료소비와 타임 래그가 크기 때문에 아이들링 스톱 기구 대신 기통 휴지를 채용하는 경우도 있다.렉서스 LFA의 V형 10기통 엔진에도 아이들링시 한쪽 뱅크를 휴지시키는 기구가 채용됐다.

 

두 번째로 기통 선택형은 특정 실린더의 연소를 정지시키는 것이다.V형 8기통 엔진에서 예를 들면 한쪽 뱅크의 안쪽 두 개 실린더와 다른 한쪽 뱅크의 바깥쪽 두 개 실린더를 휴지시킨다.한쪽 뱅크 휴지형에 비해 진동 증가 등 쾌적성 저하에의 대응이 쉽다.그만큼 상황에 따라 휴지시키는 기통을 바꾸기 때문에 밸브 구동 기구로서는 제어가 복잡해진다.

 

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메르세데스벤츠의 고성능 브랜드인 메르세데스-AMG는 유압 러시 어저스트를 가변식으로 함으로써 기통 휴지를 실현한 기구를 2012년부터 채용하고 있다. 직분 엔진과의 조합은 연료 소비 저감이 가능하기 때문에 기통휴지의 효과를 더욱 높이고 있다. 폭스바겐그룹에서는 아우디가 개발한 가변 밸브 리프트 기구(AVS ; Audi Valvelift System)를 기통 휴지용에 응용한 것이 있다.

 

골프 등에 탑재해 온 1.4리터 TSI엔진에서는 부하가 적은 영역에서 4기통 중 두 개의 기통을 휴지한다. 4기통 엔진의 두 번째 실린더와 세 번째 실린더의 밸브를 작동시키기 때문에 캠로브(캠의 돌출부)를 캠 샤프트의 축 방향으로 움직이도록 하고 있다.평지에서 정속 주행 등 엔진에 걸리는 부하가 낮은 때에는 캠 로브를 슬라이드 시켜 로커 암을 프리로 함으로써 2번 기통과 3번 기통의 밸브 동작을 정지시킨다. 1번 기통과 4번 기통만으로 동력을 발생함에 따라 저회전역에서는 약 20%의 연비 성능을 향상시킬 수 있다.

 

혼다도VTEC엔진을 베이스로 기통 휴지 시스템을 개발했다. 2007년 출시된 인스파이어의V형 6기통 엔진에서는 6기통 연소에 더해 한쪽 뱅크만의 3기통,좌우 뱅크 2개씩 네 개의 실린더라고 하는 세 종류의 배기량을 사용하도록 하고 있다.

 

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세 번째 방식 순환 휴지형은 모든 실린더를 순차적으로 휴지시키는 방식이다.독일 섀플러(Schaeffler)사는 유압 밸브 리프트 기구인 유니 에어(UniAir)를 이용해 3기통 엔진의 각 실린더를 순차 휴지시키는 1.5기통화를 제안하고 있다.다운사이징에 의해 생겨난 3기통 엔진을 기통휴지를 활용해 연비 성능 향상을 꾀하고자 하는 기술이다.

 

이것을 발전시키면 기통 휴지는 밸브 리프트를 최대로 해 연소실 내의 잔류 가스를 배출시켜 고압축화와 연소 온도를 억제하는 등 효율행상에도 도움이 될 것이다.

플러그인 하이브리드전기차(PHEV)와 항속거리 연장형전기차에 탑재되는 엔진에도 활용할 수 있다.기통 휴지를 채용함으로써 발전량에 따라 엔진회전을 바꾸는 것이 아니라 기통 휴지에 의해 기통당 부하를 안정시킴으로써 효율을 높여주기 때문이다.

 

공기를 압축해 보내는 터보차저,배기가스를 재순환시키는 EGR, 통 내의 충진률을 변화시키는 가변 밸브 타이밍 기구 등과 함께 기통 휴지 시스템도 가변 배기량화를 실현하는 수단으로써 효율을 추구할 수 있을 것으로 기대된다.

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