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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.

41. 파워트레인의 미래 – 9. 내연기관의 현재와 미래 (5)
수평대향 로터리, 그리고 물직분사와 HCCI

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-06-08 00:02:03

본문

2015년 BMW는 물 직분사 엔진을 발표했고 메르세데스 벤츠 등이 개발 중인 HCCI((Homogeneous Charge Compression Ignition: 예혼합압축자기착화)엔진에 대한 기대도 있다. 메이저 플레이어들이 사용하지는 않지만 존재감이 강한 수평 대향 엔진과 로터리 엔진에 대한 이야기도 계속되고 있다. 내연기관 엔진에 대한 부정적인 시각이 많은 상황에서도 여전히 많은 투자가 이루어지고 있다.

 

 

물 직분사 엔진 시대 열리는가?

 

BMW가 2015년 보쉬와 공동으로 개발한 물 분사 시스템을 발표했다. 물 분사 시스템은 2차 세계대전 시절 후기형 프로펠라(프롭) 전투기의 조종간에 사용되는 등 끊임없이 시도되어 왔었다.


처음에는 획기적이라고 들떴지만 정작 자동차회사들은 거들떠 보지도 않았다. 실린더 내 부식과 겨울철 물이 얼어 버린다는 단점이 이미 지적되었기 때문이다. 그래서 물과 메탄올을 혼합해서 실험을 하기도 했었다. 결과는 마찬가지였고 겨울철 물이 얼어 버린다는 단점 등과 함께 실용화되지 못한 기술이다.

 

그것을 보쉬와 공동으로 BMW가 실용화에 성공했다. BMW는 물 분사 시스템의 도입으로 연비 성능을 최대 23% 가량 개선하고 엔진 성능도 10% 증강시켰다고 밝혔다. 기본적인 개념은 정밀한 제어를 통해 엔진 실린더에 직접 분사되는 물은 냉각 효과를 내며, 특히 전속력 또는 전속력에 가깝게 주행 중일 때 엔진 출력과 토크를 향상시키는 동시에 연료 소비와 이산화탄소 배출을 줄여준다는 것이다. 주로 고 회전을 많이 사용하는 터보 엔진에 효과를 본다.

 

에어컨에서 유래한 5리터 가량의 물 저장탱크의 물은 워터 펌프를 통해 필터와 고압 펌프를 지나 연소실 내로 보내진다. 물이 증발하는 기관인 흡기 매니폴드 플리넘 챔버로 미세한 스프레이처럼 물이 분사되어, 주변 에너지를 추출해 엔진의 연소 온도를 약 섭씨 25도 정도 낮춰준다.  특히 전속력 주행 시 이 냉각 효과 덕분에 연비가 크게 향상되는 한편, 다양한 방법으로 연소 과정이 개선된다.

 

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실린더 안으로 분사된 물이 엔진 내부 열을 낮춰 노킹을 방지하고 그로 인해 연비와 출력 성능도 높여준다. 달리 말하면 연소과정을 약간 늦춘다는 개념이다. 분사된 물은 수증기 상태로 그 수증기로 인해 상사점이 연장된다는 것. 이 때 사용되는 물의 양은 연료 대비 최대 30%에 이른다.
 
이로 인해 연료 효율성이 높아진다. 물 분사에 의한 냉각 효과로 온도를 충분히 낮추어 전속력이나 전속력에 가깝게 주행 할 때, 추가적으로 연료를 분사할 필요가 없다. 연료와 공기의 균일한 배합과 향상된 풀로드(full load) 효율 덕분에 실제 연비가 최대 8%까지 개선되기 때문이다. 

 

더불어 연소 온도가 낮아져 이산화탄소 배출도 저감된다. 그만큼 노킹 현상도 줄어든다. 또한 기존 3기통 엔진의 압축비를 9.5:1에서 11.0:1높아져 중간 속도 또는 저속 주행 시에도 최적의 효율을 나타낸다. 발화 시점이 빨라지고 부스터 압력이 높아져 엔진 출력과 토크도 최대 10% 향상된다. 냉각된 흡기의 산소 함량이 증가되면 출력도 높아지기 때문이다.

 

한편 옥탄가가 낮은 연료 (RON 95)에서도 출력이 최적화 된다. 직분사 시스템이 장착된 터보차저 엔진은 세계 어느 곳에서도 적용할 수 있다는 얘기이다. 냉각 효과로 피스톤, 밸브, 촉매 컨버터와 터보 차저의 열 부하를 감소시키기도 한다.

 

물은 별도의 탱크에 저장하는데 외부에서 물을 계속 보충하는 것이 아니라 에어컨에서 생성된 물(응결수)을 사용한다. 이 물은 앞서 언급한 메탄올을 혼합하지 않은 순수한 물이다. 겨울에는 적게 사용하고 여름철에는 많이 사용하기 때문에 에어컨에서 응결수 공급에 대한 걱정은 하지 않아도 된다고 한다. 엔진이 꺼질 때마다, 호스 시스템의 모든 물은 탱크로 유입 저장된다. 이 덕분에 영하의 기온에서도 시스템 부품이 동결하는 것을 막고 엔진 부식을 방지한다. 게다가 물 탱크 자체가 차량 내부에서 서리를 방지할 수 있는 위치에 탑재되어 있다.

 

 

HCCI 엔진 과연 실현 가능할까?

 

지금 내연기관에서 기다리고 있는 또 하나의 대안은 HCCI((Homogeneous Charge Compression Ignition : 예혼합압축자기착화)엔진이다. 1970년대 중반부터 고효율, 저 배기가스 대체 연소 방식으로 제안되어 연구되어 왔다. 메르세데스 벤츠에서는 ‘디조토(Disauto)’라는 별칭을 부여하며 F700이라는 컨셉트카에, GM은 새턴 오라 컨셉트카에 탑재해 공개했었다. 당시에 메르세데스 벤츠는 2010년 출시를 선언하기도 했다.

 

F700에 탑재된 1.8리터 가솔린 엔진은 HCCI 기술을 적용하고 터보차저를 적용해서 238마력의 힘을 냈다. 또한 휘발유 1리터로 18.7km를 주행하는 연비를 갖췄다. 새턴 오라 HCCI 컨셉트는 약 88km/h까지 HCCI 모드로 주행이 가능하고 그 이상의 속도나 부하에서는 스파크 방식으로 변경된다. 물론 이보다 낮은 속도에서도 가솔린 방식으로 주행할 수 있다.

 

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폭스바겐의 연구 부문에서는 CCS(Combined Combustion System)라는 용어를 사용했다. 폭스바겐은 두 가지 엔진을 개발하고 있는데 휘발유를 사용하는 HCCI 엔진은 크루징(고속 정속 주행) 시에는 HCCI 방식을 사용하고 가속을 할 때에는 점화 스파크를 사용하는 방식으로 개발하고 있다고 했다. 2015년 출시를 예고했지만 역시 소식이 없다.

 

현대자동차도 2013년 11월 델파이와 공동으로 GDCI엔진을 개발했다고 발표했다. 기본적으로 HCCI엔진과 동일한 원리이나 타 메이커와는 다르게 백업용 점화플러그를 완전히 제거하여 차별화했다. 트윈 차저를 장착하여 기존의 점화플러그의 도움이 필요한 낮은 배기가스 온도에는 슈퍼차저를, 효율이 중요한 고속출력에는 터보차저를 사용하는 방식이다. 14.8:1의 높은 압축비와 완전한 가변 밸브 타이밍도 추가했다고 한다. LF쏘나타에도 탑재할 수 있을 정도라고 했지만 아직까지 소식이 없다.

가장 최근의 소식으로는 일본 마쯔다가 2018년 양산형 HCCI 엔진을 악셀라(마쓰다 3)에 탑재한다는 내용이 있다.

 

HCCI는 ‘균일 예혼합 압축 연소’라고도 번역할 수 있는데 이름대로 통상의 가솔린 엔진=오토 사이클과 디젤 엔진의 중간에 해당하는 연소방식으로 가솔린 엔진처럼 연료와 공기를 사전에 균일하게 혼합하는 것에 의해 배기가스를 깨끗하게 하고 디젤엔진처럼 플러그가 없이도 자기 착화하는 고압축화로 연비를 향상시킨다는 것이다. 가솔린과 디젤 엔진의 장점만을 취한 연소방식인 것이다. 연료에는 가솔린과 경유 외 그 중간의 성질을 가진 합성연료의 응용도 연구되고 있다. 어느쪽이든 연비와 환경성능을 양립할 수 있는 차세대 엔진을 목표로 하고 있다는 점에서는 다르지 않다.

 

우선 연료로 가솔린을 사용하는 경우를 예를 들면 점화 플러그에 의해 착화하는 일반적인 가솔린엔진과 달리 디젤 엔진처럼 압축비를 높임으로써 점화플러그 없이 자기착화시킨다. 압축비가 높아지면 실린더 내부의 에너지를 효율 좋게 활용할 수 있기 때문에 고출력과 연비의 개선이 기대되는 것이다.

 

경유를 사용하는 경우에도 HCCI의 장점은 있다. 점화 플러그가 없는 것은 보통의 디젤엔진과 같지만 균일 예혼합에 의해 부분적으로 연료를 희박한=연소온도가 높은= NOx가 발생하는 것을 막고 배출가스를 저감할 수 있기 때문이다.

 

HCCI방식의 이론은 오래되어 1970년대에는 엔지니어들 사이에 이상의 내연기관이라고 불리어져 다양한 연구가 진행되었다. 하지만 실제의 엔진에서 HCCI방식의 연수를 성립시키는 것은 생각보다 어려웠다.

 

연구실 수준, 즉 일정 조건하에서 목표로 하는 이상적인 HCCI방식의 연소를 실현하는 것은 상당히 초기의 단계에서 달성되어 있었다. 그런데 실제로 자동차에 탑재하게 되면 당연히 저회전역에서 고회전역까지 일정하게 진행이 되지 않고 엔진이 회전하지 않는 현상이 발생했다.

 

이 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 엔진 내의 마이크로 연소상태를 상세히 관찰, 제어하는데 힘을 들여 조금씩 이상적인 연소영역을 넓혀왔다. 착화의 타이밍, 관내 온도와 연료분사조건, 밸브 타이밍 등 세밀하게 세팅해 축적된 정보를 피드백하는 고도의 전자기술이 빠지지 않았다. 그렇게 해서 근래 들어 센서 기술과 전송속도가 높아짐으로써 HCCI는 급속히 실용 가능한 단계의 기술로 부각하게 된 것이라고 할 수 있다.

 

유럽 메이커들은 디젤엔진 측에서 HCCI방식에 가까운 연구를 하고 있는 한편 일본 메이커들은 가솔린을 사용한 HCCI엔진을 실현하고자 하고 있다.


HCCI의 설명에 들어가기 전 린 번, 직접분사라고 하는 저연비 가솔린 엔진의 기술을 먼저 살펴 보면 이해가 쉬울 것 같다.

 

'내연기관의 긴 역사 중에는 출력을 내기 쉬운 이론 공연비(14.7:1)로 가솔린을 연소시켜왔다. 하지만 연비를 높이기 위해서는 보다 희박한 연료를 연소시키는 기술, 즉 린번(희박연소)가 생겨났다. 피스톤 내의 공기의 흐름을 살려 작은 와류를 만들어 줌으로써 대량의 공기로 희박해진(공연비 20~15) 연료를 빨리 연소시키는데 성공했다.

 

연비 향상을 위한 기술의 다음 단계는 1996년에 일본 미쓰비시가 시판한 직접분사 가솔린엔진이다. 연료와 공기의 비율을 보면 린번보다 더욱 희박(36.5)하다. 사실은 이것은 점화 플러그의 주변에만 이상적인 혼합기를 모아 연소시키는 것이다. 특히 시내 도로 등에서 하프 스로틀로 달리는 것 같은 상황에서 연비를 향상시키는 것이 가능하다.

 

‘HCCI는 디젤엔진이 플러그없이 자기착화하는 현상과 가솔린엔진의 노킹과 같은 현상을 엔진 중에서 균일하게 만들어 준다고 하는 기술이다. 그래도 만약 노킹을 무리하게 일으키게 하면 엄청난 압력과 열이 순간적으로 발생해 엔진이 손상되고 만다.’라고 HCCI방식의 어려움을 엔지니어들은 설명하고 있다.

 

단지 HCCI방식의 엔진을 회전시키는 것 만이라면 디젤 수준의 압축비로 극히 희박한 연료를 연소시키는 것은 가능하다. 하지만 거기에는 극히 좁은 영역에서밖에 안정적으로 회전시킬 수가 없다. 역으로 잘 제어가 되면 점화 플러그를 사용한 보통의 가솔린엔진보다 높은 출력을 기대할 수 있다.

 

HCCI방식으로 엔진이 정확히 회전하는 영역을 저 압축비역, 고 회전역에로 확대하는 기술로서 생각되는 것이 ‘부하의 오버랩’이다. 보통 오버랩이라고 하면 배기 밸브가 닫히기 전에 흡기 밸브가 열리기 시작해 흡배기를 촉진하는, 소위 흡배기 양쪽의 밸브가 열려 있는 상태를 말한다.

 

하지만 부하의 오버랩에서는 배기밸브를 빨리 닫고 흡기 밸브를 늦게 여는 상태, 즉 모든 밸브가 닫힌 상태를 만든다. 이때 연소 후의 온도가 높은 배기가스가 피스톤 내에 갇히게 된다. 이 온도를 이용하면 압력을 높이지 않고도 자기착화를 진행시킬 수 있다. 지금까지의 연구에서 오버랩의 타이밍을 세밀하게 제어하면 고 회전역에서도 자기착화가 제어될 수 있다는 것을 알게 되었다.

 

더불어 연료를 몇 단계에 걸쳐 세밀하게 분사하면 “자기착화의 불씨”가 만들어진다는 것을 알게 되었다. 본래 피스톤이 위로 향하며 압축할 때에 연료를 분사한다. 하지만 HCCI방식의 엔진에서는 부하의 오버랩 때에 1/10 정도의 연료를 분사해 주면 연료가 반응하기 쉬운 작은 단편으로 갈라진다.(이를 ‘개질’이라고 표현한다.) 다음으로 흡기밸브가 열리면 온도가 내려가기 때문에 반응하기 쉬운 개질된 연료는 연소되지 않고 그대로 피스톤 내로 충만해 진다. 이것이 예의 “자기착화의 불씨”로 되는 것이다. 부하의 오버랩과 다단 연료분사라고 하는 두 가지의 기술에 의해 HCCI엔진의 현실화의 길은 급 물살을 타게 되었다.

 

“실은 HCCI는 모든 회전역을 커버하는 기술은 아니다. 엑셀러레이터를 강하게 열어 가속할 때와 발진 때에는 통상의 연소와 린 번을 사용하며 도로의 차량의 흐름을 타며 크루징하며 주행하는 것과 같은 때에 HCCI를 사용하는 것이 현실적이라고 할 수 있다.”고 이 부분의 연구를 하고 있는 엔지니어들은 설명하고 있다.

 

 

수평 대향과 로터리 엔진

 

수평 대향 엔진, 또는 복서(Boxer)엔진을 처음 개발한 사람은 독일의 칼 벤츠다. 1897년 메르세데스-벤츠의 ‘도스 마 도스(Dos a Dos)’란 차량에 처음 탑재했다. 지금은 스바루와 포르쉐만이 주로 사용한다. 최근에는 토요타가 스바루와 공동 개발한 스포츠카 86(하치로쿠)에도 탑재되어 있다. 1967년 신진자동차가 토요타의 퍼브리카 스테이션 왜건을 들여와 수평 대향 2기통 800cc 엔진을 탑재한 적도 있지만 국내 소비자들에게는 익숙지 않은 레이아웃이다.

 

수치상으로 수평 대향 엔진을 가장 많이 생산한 것은 스바루로 2015년 2월에 누계 생산 1,500만기를 넘었다. 수평 대향 엔진 생산 개시 49년 만이었다. 후지중공업은 1966년 5월부터 스바루 1000에 수냉식 알루미늄 수평 대향 엔진을 탑재하기 시작했다. 

 

수평 대향이 빛을 보고 있는 것은 포르쉐다. 수평 대향 엔진의 가장 큰 장점은 자동차의 무게 중심을 낮출 수 있는 것이다. 그로 인해 주행의 안전성은 물론 핸들링 성능도 높아지는 효과가 있다. 오늘날은 V형 6기통이나 직렬 6기통 등도 진동을 줄였지만 진동을 줄일 수 있는 것도 장점으로 꼽힌다.

 

그래서 정통 스포츠카 브랜드인 포르쉐는 그들의 사상을 가장 잘 실현할 수 있는 것이 수평 대향 6기통이라는 사고를 견지하고 있다. 수평 대향 엔진은 스포츠카의 생명인 고회전을 즐길 수 있고 뛰어난 밸런스, 낮은 무게 중심고, 탁월한 주행성, 높은 엔진 응답성, 일상 영역에서도 사용이 용이하면서도 높은 스포츠성을 발휘할 수 있다는 것이 포르쉐의 주장이다.

 

오늘날 포르쉐가 사용하는 수평 대향 6기통 엔진은 3.4리터, 3.6리터, 3.8리터 등까지 확대됐으나 현행 모델은 모두 3리터(2,981cc)로 다운사이징 했다. 배기량은 줄었지만 성능은 오히려 증강되어 큰 의미에서 라이트사이징(Rightsizing)이라고 할 수 있다. 물론 연비 성능도 향상됐다.

 

포르쉐가 3리터 수평대향 엔진 개발에서 초점을 둔 것은 자극적인 사운드와 고 회전역을 자유롭게 사용해 다른 차원의 운전을 통해 감동을 준다는 것이다.  터보의 최적화와 최적의 기어, 스톱&스타트 플러스, 코스팅 기능, 중량 저감을 통해 효율성을 높이며 중량 대비 출력의 증대와 엔진 응답성을 끌어 올려 고성능을 지향한다는 점도 강조하고 있다. 


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또 하나가 로터리 엔진이다. 마쓰다만이 사용하고 있는 것으로 환경 규제로 RX-8의 단종 이후 사라졌으나 최근 다시 부활에 관한 이야기가 나오고 있다. 그 배경은 큰 틀에서 효율성의 향상이다. 메르세데스 벤츠가 직렬 6기통을 전동화 시대를 위해 부활한 것과 같은 개념으로 마쓰다는 레인지 익스텐더 전기차를 위한 소형 로터리 엔진의 제작 가능성을 예고했다.

 

마쯔다가 자사에서 발행하는 공식 잡지 ‘줌-줌(Zoom-Zoom)’을 통해 로터리 엔진을 3가지 방법으로 부활시킬 수 있다고 전했다. 그 중에서 가장 희망적인 소식은 로터리 엔진을 단독 탑재하는 모델이다. 만약 휘발유로 구동할 수 없으면 수소를 연료로 구동하고, 아니면 현실적으로 레인지 익스텐더에 적용한다는 것이다.

 

마쯔다는 잡지에서 ‘현재 로터리 엔진의 부활을 심각하게 논의하고 있다. 단독으로 사용하는 것은 주행 환경에 따라 변하는 엔진의 회전속도 때문에 힘들 수도 있지만, 만약 발전기 용도로 사용한다면 일정하면서도 최적의 엔진 회전수를 찾아서 이상적으로 관리할 수 있다’라고 밝혔다. 로터리 엔진은 동일한 힘을 발휘하는 가솔린 또는 디젤 엔진에 비해 크기가 1/3밖에 되지 않기 때문에 크기가 작은 전기차에 이상적으로 적용할 수 있다는 것이다.
 
환경을 지키면서도 로터리 엔진을 단독으로 구동할 수 있는 방법은 수소를 연료로 사용하는 것이다. 수소는 지구상에서 거의 무한대로 얻을 수 있고, 대량 연소를 시도해도 물만 생성될 뿐이다. 로터리 엔진의 환경 오염 문제를 사전에 차단할 수 있는 것이다. 물론 이를 위해서는 연소 효율 개선과 수소 저장 기술의 발전이 선행되어야 한다.
 
마쯔다는 근시일 내에 방법을 정해서 로터리 엔진의 부활을 발표하고자 하고 있다. 2017년 9월에 개최되는 글로벌 로터리 모임에서 마쯔다가 새로운 로터리 엔진을 발표할 가능성이 높다. 피스톤이 없는 로터리 엔진의 부활 가능성이 좀 더 높아졌지만, 아직은 완벽한 부활을 점칠 수 없기에 조심스럽다. 과연 삼각형의 로터는 다시 부활할 수 있을까?

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