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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.

37. 파워트레인의 미래 - 5. 내연기관의 현재와 미래 (1)

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-05-09 22:16:43

본문

그렇다면 내연기관의 현재와 미래는 어떨까. 2017 상하이오토쇼 현장에서 만난 다임러 AG의 디터 제체 회장은 내연기관의 미래를 묻는 기자의 질문에 당분간 내연 기관이 여전히 중요한 역할을 할 것이라고 말했다. 그는 2025년까지 전체 판매 차량의 15-25% 정도가 전동화차가 될 것이라며, 75-85%는 내연 엔진 차량이 될 것으로 예상한다는 의견을 피력했다. 여전히 내연기관이 주류라는 얘기이다. 이를 위한 대응은 자동차회사에 따라 다르다. 직접 분사방식 터보차저를 시작으로 다운사이징, 모듈러 엔진, 라이트사이징, 열효율 중시, 직렬 6기통 엔진의 부활 등 다양한 방안이 강구되고 있다. 먼저 다운사이징 직분사 터보차저와 모듈러 엔진에 관한 동향을 살펴 본다.


1886년 칼 벤츠와 고트리프 다임러가 내연기관 자동차를 선 보인지 131년이 지났다. 칼 벤츠가 만든 첫 번째 내연기관차는 배기량 984cc에 최고출력 0.7ps/400rpm에 15km/h였다. 우선은 굴러 간다는 사실이 중요했다. 하지만 시간이 지나며 기름을 얼마를 먹든지 더 빨리 더 멀리 갈 수 있는 자동차 만들기 경쟁이 시작되면서 최대 배기량 27리터까지의 맘모스 엔진 시대가 전개됐다. 1910년 세계 최초로 200km/h의 벽을 돌파한 22리터의 배기량의 블릿첸 벤츠가 대표적이다.
 
배기량이 줄어든 것은 자동차 경주장인 프랑스GP부터였다. 처음에는 효율성이었고 나중에는 규제를 통해 줄였다. 초창기 다운사이징은 모터스포츠장에서 프랑스의 푸조가 주도했다. 14.1리터의 피아트차를 물리치고 그 절반 정도인 7.6리터의 푸조차가 우승한 것이다. 다운사이징이 본격화된 것은 자동차 대국 미국의 자동차회사들이 경쟁력 차원에서 이루어졌다. 독일과 일본 자동차회사들이 경제적인 중소형차를 만들어 미국시장을 공략하자 뒤 늦게 자신들의 독창성을 손실하면서까지 적은 배기량의 차 만들기에 공을 들였다.

 

그 과정에서 안전과 환경이라는 이슈가 부상했다. 안전 측면에서는 랄프 네이더에 의해 리콜이 의무화됐다. 환경 측면에서는 1970년 미국에서 재정된 내연기관 금지법이라고 했던 머스키법이 등장하면서 내연기관은 새로운 전환기를 맞았다. 그것을 가장 먼저 클리어 한 것이 혼다의 CVCC 엔진이었다.
 
20세기 말에는 메르세데스 벤츠가 커먼레일 시스템을 개발해 디젤 엔진의 기술을 획기적으로 발전시켰다. 디젤 엔진은 20세기 초, 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)의 엔진을 기반으로 1923년 세계 최초의 디젤 트럭을 선보였으며 1936년에는 메르세데스-벤츠가 세계 최초의 디젤 승용차를 선보였다.

 

디젤 엔진은 분진과 질소산화물 문제로 주목을 끌지 못했으나 커먼 레일 시스템의 도입으로 한 단계 진보했다. 거기에 분진을 걸러주는 미립자 필터가 등장하고 질소산화물을 저감하는 선택환원촉매장치로 인해 ‘클린 디젤’이라는 명칭까지 얻으며 유럽을 중심으로 수요가 급증했다.

 

더 극적인 사건은 1992년 미국 캘리포니아주에서 완전무공해법(Clean Air Act)를 발표하면서 부터다. 이때부터 평균 연비와 배기가스 규제 등으로 자동차회사들 파워트레인의 방향성을 새롭게 정립하게 했다. 

 

 

직분사 터보차저의 명과 암

 

21세기 초에는 연료를 실린더 내에 직접 분사하는 기술이 등장하면서 가솔린과 디젤 엔진 공히 획기적인 발전을 이루었다. 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 통 내 직접분사식이었다. 그 수년 후인 1954년 같은 직분 시스템인 고압 버전을 탑재한 것이 저 유명한 메르세데스 벤츠의 걸 윙 도어 모델 300SL이었다. 하지만 성능 향상에 유효했던 직접분사방식은 비용과 기술적인 문제로 보급이 확대되지 않았다. 역사적으로는 이것이 가솔린 직분 엔진이 최초로 도입된 것으로 기록되고 있다.

 

현대적인 직접분사 시스템을 본격적으로 채용하기 시작한 것은 폭스바겐아우디 그룹이다. FSI라고 명명한 시스템으로 터보차저와의 상성이 입증되면서 지금은 그 채용 폭이 크게 확대됐다. 직접 분사 시스템은 터보 시스템과의 상성이 맞아 다운사이징을 주도했다. 2007년을 전후 해 시작된 직접 분사시스템과 터보차저로 인한 다운사이징은 이후 대부분의 자동차회사들의 트렌드로 자리잡았다. 직접 분사방식의 역사는 1951년부터 시작됐지만 본격적으로 자리잡은 것은 이 때부터다.

 

직접 분사방식은 노킹에 강하기 때문에 터보차저와의 친화성이 높고 연료분사량의 정밀제어로 연비와 환경성능의 향상에도 공헌할 수 있게 됐다. 이후 폭스바겐의 블루모션(Blue Motion), BMW의 블루 이피션시(Blue Efficiency), 메르세데스 벤츠의 블루텍(Blue Tec) 등 특히 유럽 메이커들의 디젤 엔진의 확산에 직접 분사방식이 크게 기여했다.  그리고 2012년 이후에 등장한 3세대 직분 가솔린 엔진은 아예 포트 분사를 밀어 내고 주류로 자리잡기에 이르렀다.

 

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직접분사방식과 터보차저로 인해 12기통과 8기통 엔진의 수가 줄어 든 것이 가장 큰 성과라 할 수 있다. 물론 여전히 스포츠카와 프리미엄 브랜드들의 대형 세단에는 존재하지만 극히 소수다. 시장으로 보자면 미국은 21세기 초까지만 해도 8기통 엔진의 점유율이 45%에 달했으나 지금은 4기통 엔진이 70%에 육박하고 있으며 8기통 엔진은 15% 이하로 줄었다.

 

배기량을 줄이면서도 성능은 비약적으로 높아져 저 배기량으로도 스포츠카의 즐거움을 만끽할 수 있는 시대가 도래했다. 이그조틱 스포츠카의 대명사인 페라리는 V형 12기통 대신 V형 8기통 엔진을 주류로 대체할 정도의 성능을 추출하면서 시대의 변화에 대응하고 있다.

 

가솔린 직분사 엔진은 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.
 
그러나 직접분사 엔진도 해결해야 할 과제가 있다. 폭스바겐 디젤 스캔들로 인해 가솔린 엔진에까지 의혹의 눈초리가 대두되고 있는 것이다. 초기의 직분 엔진부터 기술적으로 문제가 완전히 해소된 것은 아니었다. 자연흡기와 린 번 성층연소에 의한 연비 향상을 노렸지만 와류제어를 위한 특수 형상의 피스톤과 린 번에 의해 대량으로 발생하는 질소산화물(NOx) 저감을 위한 비용 증가가 그것이다. 또한 입자상 물질(PM)과 카본 슬러지에 의한 작동 불량 등의 트러블로 인해 직접분사 가솔린 엔진에 대해 부정적인 시각들이 많았었다. 그로 인해 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. 2007년을 전후 해 등장한 2세대 직접 분사 엔진은 그런 핸디캡에도 불구하고 터보차저와 결합해 배기량을 크게 낮추면서도 성능은 증강할 수 있다는 장점 때문에 단점을 거론하지는 않았다.

그럼에도 해소되지 않은 문제를 풀기 위해 2012년 이후에 등장한 3세대 직분 가솔린 엔진은 아예 포트 분사를 밀어 내고 주류로 자리잡기에 이르렀다. 가장 주목을 끄는 것은 폭스바겐이 포트분사 병용 시스템을 채용한 것이다.

 

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 모듈러 구성이기 때문에 차체측의 변경은 기본적으로 필요하지 않다.

 

여기에는 듀얼 인젝션 시스템이 채용된다. 고 부하시에는 직분 시스템, 통상 주행 등 저 부하시에는 포트 분사 시스템으로 운전한다. 복잡하고 비용 상승이 불가피한 이런 시스템을 채용한 것은 촉매의 조기활성화, 밸브의 카본 축적 해소, 그리고 질소산화물 배출 저감 등을 위해서라고 한다. 같은 메커니즘이 람보르기니 우라칸에도 채용되어 있다.

 

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

 

가장 큰 문제는 역시 배기가스 대책일 것이다. 측정 기기의 진화에 의해 다양한 물질이 미량으로 검출되고 있는 지금, 확실한 분석이 필요하다는 의견이 대두되고 있다. 신차 출고시에는 문제가 없더라도 쉬운 열화에 의한 질소산화물과 입자상물질(PM) 배출 수준 악화가 문제시되는 것은 피할 수 없다.

 

쉽게 표현하면 직접분사 가솔린 엔진은 중저속에서는 효율이 좋고 연비 성능도 좋지만 고회전, 고속역에서는 급속도로 악화되고 미립자가 배출된다는 점이 해결해야 할 과제다. 질소산화물 흡장 촉매는 비용 증가로 이어지고 시간이 지남에 따라 어느정도 열화 할 지는 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.

 

 

모듈러 엔진, 기통당 500cc 시대로

 

이런 흐름에 등장한 것이 BMW가 2013년 업계 최초로 소개한 모듈러 엔진이다. 일반적으로 디젤 엔진은 압축비가 높기 때문에 실린더 블록과 피스톤, 크랭크샤프트의 강도를 높여야 한다. 때문에 가솔린 엔진과 별도로 설계하는 것이 보통이었다. 그로 인해 양산효과를 얻을 수 없고 비용이 높아졌다. 모듈러 엔진은 주요 부품을 가솔린과 디젤에 공용하는 새로운 설계 컨셉이다. 기본 설계를 통일함으로써 25%의 부품을 공용한다. 또 50%의 유사 부품, 나머지 25%를 전용 부품으로 한다.

 

BMW는 직렬 4기통과 직렬 6기통에 더해 직렬 3기통의 가솔린과 디젤간 많은 기본 부품을 공유하는 모듈러군을 이미 양산하고 있다. 연소 형태가 크게 다른 가솔린과 디젤간의 부품 공유율도 40%에 달한다.

 

모듈러 엔진은 하나의 실린더 모듈을 바탕으로 그것을 가솔린과 디젤 엔진에 공유하는 것은 물론이고 3/4/6기통 엔진 모두에 적용한다는 것이다. 부품 공유율이 60%에 달하며 가솔린과 디젤엔진간에도 40%의 부품을 공유할 수 있게 된다. 그로 인해 제작 시간이 단축되며 무엇보다 큰 비용 저감을 달성할 수 있다. 4기통과 6기통 엔진이 같은 라인에서 생산이 가능하다. 시장의 상황에 따라 4기통의 수요가 증가하면 6기통 대신 4기통 생산을 늘려 대응할 수 있다는 점도 큰 장점이다. 모듈러 엔진의 실현으로 얻은 비용과 공수 저감효과는 다른 자동차회사에 비해 크다.

 

모듈러 엔진의 경우, 실린더 당 약 500cc를 적정 배기량으로 하고 있는데 그것을 모든 엔진에 공통되게 적용할 수 있다. BMW 모듈러 엔진의 특징은 6기종 모두 기통당 배기량을 500cc로 원칙적으로 통일하고 있다는 점이다. 효율 면에서 최적의 배기량은 400~600cc 정도이기 때문이다. 기통당 500cc라고 하는 구성은 엔진 개발에 주류로 되어가고 있다.

 

그러니까 3기통, 4기통, 6기통 엔진이 각기 상황에 따라 다른 배기량을 갖고 있는 것이 아니라 모듈러 시스템에 의한 하나의 실린더 배기량에 정해지면 기통수에 따라 총 배기량은 정비례해 달라진다는 것이다. 보어와 스트로크가 약간씩 다르긴 하지만 모두 같은 엔진 블록을 사용하며 같은 생산 라인에서 제조된다는 것이 포인트다.

BMW는 2017년 중에는 모듈러 엔진의 2세대도 내놓을 예정이다. 각 부분의 개량과 최적화를 통해 이산화탄소 배출량을 4~5% 저감해 유로6c는 물론이고 RDE, WLTP 등도 충족할 수 있는 수준을 목표로 하고 있다.

 

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메르세데스 벤츠도 ‘포괄적 엔진 전략’이라는 주제를 통해 4기통부터 12기통까지 모든 내연기관 엔진을 모듈러 엔진으로 바꾼다. BMW의 모듈러 엔진과 컨셉은 같지만 완전히 똑 같지는 않다. 엔진에 따라서는 보어에 약간의 차이가 있다. 이론상으로는 1.5리터는 3기통이지만 메르세데스 벤츠는 3기통 엔진을 개발할 계획이 당장에는 없다. 첫 번째 작품인 모듈러 직렬 6기통 엔진이  2017년 출시될 신형 S클래스에 탑재된다.

 

다임러의 모듈러 엔진은 전동화 기술을 전제로 한 것이다. 예를 들면 직렬 6기통 가솔린 엔진은 48V 전원에 대응한 스타터겸 올터네이터(ISG)를 탑재할 수 있다. ISG의 출력은 15kW, 토크는 200Nm. ISG를 탑재한 직렬 6기통 엔진의 최고출력은 300kW이상, 최대토크는 500Nm 이상에 달한다. 하위의 차종에 같은 엔진을 사용할 경우는 ISG를 제거해 출력과 토크를 낮추면 된다.

 

지금 메르세데스 벤츠가 모든 엔진을 새로 설계하는 이유는 단지 생산효율과 이산화탄소 저감만은 아니다. 모듈화에 의해 생산효율과 이산화탄소 배출 저감이 가능하지만 2017년 시작되는 EU의 연비측정 모드가 NEDC에서 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)라고 하는 국제 기준조화를 목적으로 개발한 배기가스 및 연미의 시험방법으로 바뀌는 것도 이유다. 새로운 WLTP는 평균속도는 34km/h에서 46.6km/h로, 평균 단위시간당 일률은 4kW에서 7kW로 올라간다. 실 주행 배기가스(RDE; Real Drive Emission)도 테스트 해 공표된다.

 

그 때문에 가솔린 엔진에도 분진 제거장치(PDF)를 장비하며 디젤은 트윈 EGR과 트윈 SCR(뇨소수를 PDF 안에도 분사)을 채용하고 터보와 일체화 해 엔진에 설치된다. 연비만이 아니라 배기가스 청정화에의 연구도 동시에 이루어진다는 것이다.

 

이런 추세는 다운사이징화와 전동화의 진전이 배경이다. 차량의 상품 성능에 크게 관계되는 출력과 토크를 배기량이 아닌 과급기와 모터로 조정하기 쉬운 상황이 됐다. 모터와 과급기의 유무 등으로 배기량이 같은 엔진의 출력과 토크를 비교적 간단하게 조정할 수 있다.

 

볼보가 2리터 직렬 4기통 엔진을 기반으로 다양한 출력 사양을 라인업하고 있는 것이 대표적인 예다. BMW에 이어 2014년 모듈러 엔진을 선 보인 볼보 전략의 핵은 기존 8개였던 엔진 종류를 가솔린과 디젤에 같은 아키텍처를 사용하는 한 종류의 4기통 엔진으로 통일한다는 것이다. 볼보는 차체 플랫폼을 SPA와 CMA로 통합하는 것과 함께 엔진 패밀리를 위해 VEA((Volvo Engine Architecture) 플랫폼을 개발했다.

 

볼보의 드라이브-E 파워트레인은 VEA 플랫폼에서 나오는 모듈러 엔진으로 토크에 따라 가솔린과 디젤 공히 네 개의 파생 버전을 만든다. 가솔린에는 T6,T5, T4, T3, 디젤은 D5, D4, D3, D2가 있다. 과거와 달리 이니셜 뒤에 붙은 숫자는 출력 범위를 나타낸다. 예를 들어 T4는 150~199ps 범위, T5는 200~249ps 범위의 엔진을 칭하는 것이다.
 
재규어랜드로버도 2014년 모듈러 엔진을 탑재했다. 인제니움으로 불리는 모듈러 엔진 패밀리는 디젤과 가솔린 터보까지 모두 아우른다. 디젤과 가솔린이 기본 구조를 공유하면서 생산의 효율성을 극대화 했다.

 

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인제니움은 앞바퀴 굴림방식과 뒷바퀴 굴림방식은 물론 네바퀴 굴림방식과 플러그-인 하이브리드 전기차에도 탑재가 가능하다. 디젤과 가솔린 모두 컴팩트한 알루미늄 블록을 공유하고 보어와 스트로크, 기통당 500cc 배기량도 같다. 터보차저도 기본이다. 인제니움 엔진은 기존 엔진 대비 80kg이 가볍다. 그리고 특허로 등록된 기술을 적용해 엔진 내부 저항도 크게 줄였다. 출력과 토크 증강은 물론 내부 저항을 17%나 줄였다.

 

FCA그룹의 피아트도 4기통 모듈러 엔진을 라인업하고 있다. 연비와 성능이 모두 좋아지는 것은 물론 비용도 줄이는 게 핵심이다. 최대한의 부품을 공유하고 시장에 따라서는 맞춤형 세팅도 가능하다.

 

FCA그룹은 전 세계적으로 40개 타입의 4기통 엔진을 운용해 왔다. 하지만 부품 공유 비율은 매우 낮은 편이었다. 따라서 펜타스타 V6처럼 모듈러 4기통을 개발해 비용을 크게 낮추고 있다. 그룹 내 모든 브랜드에 적용이 본격화되면 효과가 가시화될 것으로 보인다.

 

모듈러 엔진은 전 세계 모든 자동차회사들이 따라 하지는 않는다. 엔지니어들의 성격에 따라 다른 방향의 효율성 제고를 추구하고 있는 예도 많다.

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