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글로벌오토뉴스 채영석 국장은 30년 동안 자동차 전문기자로 활동해 왔으며 인터내셔널 엔진 오브 더 이어, 월드 카 오브 더 이어의 심사위원이다. 골드만 삭스 등 투자은행들과 다른 시각으로 산업 분석을 해 오고 있다. 지금까지 3,000종 이상의 차를 타고 시승기를 쓰고 있으며 세계적인 모터쇼와 기술세미나 등에 참석해 글로벌 차원의 트렌드 분석에 힘을 쏟고 있다. 2013년 골드만 삭스가 유가 200달러 시대를 이야기했을 때 역으로 유가 폭락 가능성이 있다는 칼럼을 쓰기도 했다.

97.파워트레인의 미래 - 27. 2리터 터보 엔진 전성 시대

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2019-10-21 16:03:21

본문

전동화가 대세로 굳어가는 분위기 속에서 내연기관에 대한 관심은 상대적으로 줄어 든 것처럼 보인다. 하지만 그것은 어디까지나 소비자의 입장에서이고 자동차회사들은 여전히 내연기관 기술 개발에 많은 투자를 하고 있다. 전체적인 흐름은 라이트 사이징이다. 하이퍼카를 제외한 대부분 양산 업체들의 대 배기량 엔진은 점차 자취를 감추어 가고 있다. 21세기 들어 시작됐던 다운사이징도 이제는 라이트 사이징과 업 사이징으로 전환됐다. 큰 틀에서는 2리터와 3리터 엔진으로 수렴되는 양상이다. 무엇보다 주목을 끄는 것은 2리터 엔진으로 300~400마력 전후의 성능을 발휘하면서 그 활용도가 높아지고 있다. 글로벌 플레이어들의 고성능 2리터 엔진들의 면면을 살펴 본다.

 

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

 

오랫동안 자동차를 시승해 오고 있는 입장에서도 대 배기량 엔진에 대한 선입견은 다르다. 또한 출력수치만으로 그 차의 성능을 지레 짐작하는 경우도 적지 않다. 출력 대비 중량을 계산해야 하고 실린더 형상에 따른 차이도 봐야 하며 차체의 중량 배분이나 변속기의 조합 등 다양한 조건들이 복합적으로 얽혀 있지만 절대 수치에 좌우되는 경우도 없지 않다는 것이다.

 

물론 직렬 4기통보다 V형 6기통이 훨씬 매끄럽고 회전감도 좋은 것은 사실이다. 하지만 일상적인 사용에서 그런 느낌의 차이로 인해 얼마나 혜택을 보거나 반대로 손해를 보는지에 대한 정확한 피드백은 어렵다.

 

사실 오늘날 엔진에서 배기량만으로 이야기하는 것은 의미가 없다. 엔진의 출력은 실린더 안으로 주입되는 산소의 양에 따라 결정되기 때문에 자연흡기 엔진에서는 실린더 내의 총 용적이 출력을 좌우한다. 하지만 오늘날 대부분의 내연기관 엔진들은 엔진 헤드부에 다양한 부가 기술들을 채용해 성능을 높이고 배출가스를 줄이고 있다. 가변 밸브 리프트와 가변 밸브타이밍, 그리고 현대자동차가 개발한 가변 밸브 듀레이션은 물론이고 터보차저가 당연한 시대에 성능의 지표는 실린더 내의 총 용적이 아니라 실시간 흡기량이다.

 

한편 다기통 엔진은 중량과 탑재성 때문에 불리하다. 같은 플랫폼에 탑재될 경우 6기통 엔진이 4기통 엔진보다 조종 안정성에 미치는 영향이 다르다. 같은 모듈러 엔진이라고 해도 6기통 엔진은 4기통 엔진보다 적어도 20kg 정도 무겁다. 중량이 더 나가는 것은 단순한 수치로 계산할 수 없는 부분까지 주행성에 영향을 미칠 수 있다. 때문에 패밀리카 등급이라고 한다면 4기통이 스포츠 세단을 구현하는데 가장 적합하다는 의견도 있다.

 

그런 점에 착안한 때문인지 최근 등장하는 엔진들은 2리터 직렬 4기통 사양의 출력 성능이 크게 높아지면서 새로운 트렌드로 자리잡아가고 있다.  

대표적인 것이 메르세데스 AMG의 M139형 엔진이다. 2019년 6월, 메르세데스 AMG가 새로 개발한 코드네임 M139형으로 불리우는 신형 엔진은 1,991cc 직렬 4기통 트윈 스크롤 터보로 낮은 회전역에서의 응답성과 고회전에서의 높은 파워를 추출하는 것이 특징이다.

 

베이스 버전은 최고출력 387hp/6500rpm, 최대토크 48.9kgm/4750~5000rpm, S모델은 각각 421hp/6750rpm、51kgm/5000~5250rpm 을 발휘한다. 현재 양산형 2.0리터 4기통 엔진 중 세계 최강 파워다.

 

볼보의 B4204T27형 엔진도 최고출력 334마력/6,500rpm, 최대토크 440Nm(44.8kgm)/2,500~4,500rpm을 발휘한다. 잘 알려져 있듯이 볼보는 엔진 라인업을 가솔린과 디젤 공히 2리터 직렬 4기통으로 통일하고 있다. 이는 다운사이징과 라이트사이징을 조합한 것이다. 가솔린 엔진의 경우 보어Ⅹ스트로크가 82.0Ⅹ93.2mm의 롱 스트로크 타입 한 가지다. 이 엔진에 터보차저 및 수퍼차저, 전기 모터 등을 조합하고 제어를 바꿈으로써 다양한 베리에이션의 파워트레인을 만들어 내고 있다. 뿐만 아니라 차종에 따라서는 ROM튜닝이라고 하는 폴스타 퍼포먼스 소프트웨어를 설정하고 있다.

 

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2014년에 등장한 폭스바겐의 골프R에 탑재된 2.0리터 직렬 4기통 엔진은 2017년 업그레이드 되어 최고출력 310ps/5,600~6,500rpm, 최대토크 400Nm(40.8kgm)/2,000~5,400rpm을 발휘한다. 기존 엔진과 근본적인 차이는 없지만 피스톤과 인젝터 등의 튜닝에 의해 파워를 높인 것이다. 이처럼 출력이 증강되면서 DCT는 습식 다판 클러치의 7단으로 바뀌었고 4WD시스템 4모션의 제어도 변경됐다. 이 엔진은 그룹 내 아우디 S3에도 탑재되어 있다. 같은 엔진은 폭스바겐 아테온에서는 280ps/35.7kgm다.

 

포르쉐 718복스터와 카이맨에 탑재되어 있는 수평 대향 4기통 엔진도 같은 개념이다. 보어Ⅹ스트로크 91.0Ⅹ76.4mm의 숏 스트로크 타입으로 최고출력 300ps/6,500rpm, 최대토크 380Nm(38.7kgm)/1,950~4,500rpm을 발휘한다. 718시리즈 기본형은 이 300마력 버전을 기본으로 S는 350마력, GTS는 365마력이다. 2016년 부분 변경시 엔진은 박스터 S의 3.4리터가 2.5리터로, 박스터의 2.7리터가 2리터로 바뀌었다. 다운사이징이 아니라 고효율과 고성능을 양립한 라이트사이징이라고 표현하고 있다. 718 박스터의 4기통 엔진은 911 카레라 시리즈와 커넥팅 로드와 크랭크샤프트의 베어링, 직분 인젝터, 흡기 밸브, 타이밍 벨트, 가변 밸브 리프트기구 등은 기본적으로 공통 부품을 사용한다. 터보 등의 크기는 다르지만 기술적인 설계 개념은 같다.

 

이는 2리터만으로도 차체 중량 2,000kg까지는 모든 영역을 커버할 수 있다는 것을 말해 준다. 독일 프리미엄 3사 중 BMW는 M 디비전의 모델들을 3.0리터 직렬 6기통을 베이스로 하고 있기 때문에 당장에 메르세데스 AMG과 비교할 수는 없다. BMW 브랜드에는 2.0리터 직렬 4기통 엔진의 최고출력이 258ps다.

 

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BMW는 최근 2.0리터 직렬 4기통 디젤 엔진에 보그워너제 2스테이지 터보차저를 채용해 배출가스 규제에 대응하고 있다. RS2로 불리는 이 시스템은 저압 가변 터빈 지오메트리(VTG) 터보차저와 고압 웨이스트 게이트 터보차저를 조합한 것이 특징이다. RS2 는 고압 단계에서 VTG를 사용한다. 그로 인해 성능 향상과 배출가스 저감, 연비성능 향상의 효과를 얻을 수 있다고 밝혔다. BMW 320d 등에 탑재되는 이 엔진은 최고출력 190hp/4,000rpm, 최대토크 40.8kgm/1,750~2,500rpm을 발휘한다.

VTG터보와 웨이스트 게이트 터보는 직렬로 배치되어 컴팩트한 패키지를 구성하고 있다. 최적의 연소를 위해 필요한 부스트를 항상 공급함으로써 가장 낮은 배기가스와 고효율의 연비성능을 달성할 수 있도록 엔진 맵 전체에 최적화된 공기 공급을 촉진한다. 전동 액츄에이터는 터보차저의 가이드 베인을 정밀하게 조정함으로써 터빈 휠 입구에서 유입 각도와 속도를 제어한다. 이런 방식으로 VTG 터보차저는 높은 응답성과 가속성능이 가능하다고 한다.

 

이처럼 2리터 엔진으로도 고성능을 추출할 수 있게 된 배경은 다운사이징이다. 엔진의 효율에 관한 요인을 근본부터 다시 검토한다는 것이 가장 큰 요인이라는 것이다. 효율 향상을 위해 연소를 개선하고 손실을 줄이며 저항을 낮추는 연구가 시도되었다. 그 과정에서 다양한 새로운 아이디어가 등장했다는 것이다.

 

연소를 개선하기 위해 다단 분사를 비롯해 치밀한 분사량과 점화 시기, 그리고 과급량의 제어 등이 이루어졌다. 손실을 줄이기 위해서는 부분 정밀도를 높이고 각종 코팅 기술이 도입됐다. 저항을 낮추기 위해서는 실린더수를 줄이는 것 등이 이루어졌다.

 

물론 직렬 4기통이라는 점에서는 배기량을 2.5리터까지 높이는 것도 가능하지만 배기량에 따라 세금을 부과하는 국가도 있어 또 다른 이야기가 된다. 특히 유럽에서는 출력과 배출가스에 따라 세금을 부과하는 나라가 많은데 그 때 500cc의 배기량은 적지 않은 차이이다. 그래서 1.8리터 엔진도 유럽시장에는 존재한다.

 

전동화가 피할 수 없는 대세이기는 하지만 본격적으로 이행되는 데는 앞으로도 적지 않은 시간이 필요하다. 그럼에도 자동차회사들은 연비규제와 배출가스 규제를 충족시켜야 한다. 그래서 등장한 것이 하이브리드와 플러그인 하이브리드, 48볼트 마일드 하이브리드다. 그리고 그 기본이 되는 내연기관 엔진의 효율을 높이는데도 많은 투자를 하고 있다. 오늘날 개발되고 있는 대부분의 내연기관 엔진들은 전동화를 전제로 하고 있다.  그 중심에 2리터 터보 엔진이 있다.

 

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