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61. 파워트레인의 미래 - 14. 내연기관 엔진의 진화는 계속된다.

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2018-05-21 10:18:22

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지금 세상은 전동화시대로 가고 있다. 아우디가 기술발표회(2018아우디 테크데이)를 통해 전동화를 위한 구체적이고 실현 가능성 있는 비전을 제시한 것에서 알 수 있듯이 자동차회사들은 전동화 작업에 많은 공을 들이고 있다. 전동화라고 표현하지만 핵심은 장기적으로 배터리 전기차로 가는 것을 상정하고 있다. 배터리 전기차의 관건은 1회 충전당 주행 거리, 충전 네트워크 인프라, 충전 시간, 그리고 비용이다.

 

글 /채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

 

기술은 시장이 이끌어 간다. 전통적인 자동차 산업이라는 측면에서 보면 중국은 후발 국가다. 하지만 시장이라는 면에서 중국은 다른 모든 것을 압도한다. 기술은 시장을 이길 수 없다는 말이 있다. 연간 판매 3,000만대에 육박한 중국시장의 변화에 따라 기술이 달라질 수밖에 없다. 그 중국은 전통적인 내연기관 기술에서는 선진국들을 따라 잡을 수 없어 지금 전동화, 중국식 표현으로는 신에너지차(BEV+PHEV+FCEV) 육성에 많은 투자를 정부 차원에서 유도하고 있다.

 

다시 말해 지금의 전동화라는 흐름은 중국이라는 거대 시장이 끌고 가고 있다는 얘기이다. 중국은 2025년 신에너지차 판매 700만대를 목표로 설정하고 있다. 하지만 2017년의 실적은 77만 7,000대로 중국시장의 2%, 전 세계 시장의 0.8%에 불과하다. 지금까지 중국 자동차시장의 성장세를 보면 불가능하다고는 할 수 없다.

 

물론 사용되는 전력이 1차 에너지가 아니기 때문에 배터리 전기차가 무공해차라는 논리는 성립될 수 없다. 그 이야기는 아직도 내연기관으로 환경과 연비 규제를 충족시켜야 한다는 말이다. 때문에 우리는 여전히 내연기관 엔진의 기술 진화가 어떻게 진행되고 있는지 관심을 가져야 한다. BMW의 모듈러 엔진과 물 직분사 엔진, 폭스바겐그룹이 시작한 직분사 터보차저, 그리고 실린더 휴지 기능 등에 대해 이 칼럼코너를 통해 소개했는데 이번에는 그 사이 진화한 새로운 기술들을 종합해 본다.

 

 

메르세데스 직렬 6기통 베이스의 48V 마일드 하이브리드

우선 주목을 끄는 것은 48V 마일드 하이브리드다. 이 분야에서는 메르세데스 벤츠가 직렬 6기통 엔진을 부활시키면서 진화된 기술을 보여 주고 있다. 이는 모듈러 엔진으로 기통당 500cc를 베이스로 한다는 점에서는 BMW와 같다. 다만 메르세데스 벤츠의 직렬 6기통 엔진에는 ISG(Integrated Starter Generation)라고 하는 스타터와 발전기의 기능을 동시에 갖춘 모터와 리튬 이온 배터리가 조합된다. 여기에 48V 온보드 네트워크도 갖춰 에어컨과 워터펌프도 전동화하고 모터로 과급하는 전동 수퍼차저도 장비하는 등 48V 보조 전원의 장점을 충분히 활용하고 있다.

 

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ISG+48V보조 전원+전동 수퍼차저를 장비한 이 마일드 하이브리드 시스템을 메르세데스 벤츠는 EQ부스트라고 칭하고 있다. 48V 온보드 네트워크를 갖추고 기존 올터네이터를 조합한 다른 메어커들의 시스템과는 다르다.

 

지금 메르세데스 벤츠의 모듈러 엔진 군은 가솔린과 디젤에 각각 직렬 4기통 2리터와 직렬 6기통 3리터 버전이 있다. 가솔린은 2리터가 M264, 3리터 M256, 디젤은 2리터가 OM654, 3리터 OM656으로 각각 명명되어 있다. 2리터 사양인 E클래스에 3리터 사양은 S클래스에 탑재되어 있다.

 

디젤 엔진 기술 부문에서 선구자적인 입장에 있는 다임러는 V형 6기통 대신 직렬 6기통으로 바꾼 것에 대해 배기가스 규제 대응과 비용저감을 위한 것이라고 설명하고 있다. 비용저감을 위해서는 모듈러화가 필수다. 2리터 직렬 4기통 엔진과 같은 부품을 사용하기 위해 3리터 엔진도 직렬형으로 바꾸었다.

 

디젤 엔진은 배기가스 저감장치를 위한 부품 비용 때문에 가솔린에 비해 비싸다. 그런데 V6로 하게 되면 고가의 연소 후처리 장치가 두 개씩 필요하게 된다. V6에 후처리 장치를 두 개 사용해야 하는 것은 냉간 시동시 질소산화물을 낮추어야 하기 때문이다. 직렬 6기통으로 하면 하나로 해결이 가능하지만 V6에서는 3기통 당 하나씩 채용해야 한다. 하지만 직렬로 하게 되면 하나로 처리가 가능하고 캠 샤프트와 터보차저도 하나씩만 사용해도 된다.
 
지금 생산되고 있는 직렬 6기통 디젤 엔진의 경우 배기 후처리 장치로서 DOC(산화촉매)에 더해 DPF와 SCR을 일체화한 SCR필터를 탑재하고 있다. 더불어 기존 V6에는 3리터와 3.5리터 두 가지 배기량이 있었지만 직렬 6기통에는 3리터 버전만 라인업하고 있다.

 

 

토요타의 롱 스트로크화와 고속연소 기술

토요타의 TNGA(Toyota New Global Architecture) 기반 다이나믹 포스 엔진도 높은 효율성을 실현해 주목을 끌고 있다. TNGA란 토요타 방식의 모듈러 플랫폼 개념으로 차체에 우선 적용됐으며 2016년부터 파워트레인에도 같은 컨셉을 도입하고 있다. 비용절감과 다양화라는 명제를 실현하고 있는 흐름의 반영이다.

 

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토요타의 다이나믹 포스 엔진 첫 번째는 2016년 발표된 2.5리터 사양으로 캠리에 탑재되어 있는데 이는 렉서스 LS의 V6 트윈 터보와 함께 고속연소 기술을 채용하고 있다. 자연흡기부터 터보까지 고속연소를 실용화한 것이 포인트다. 고속연소는 가솔린 엔진의 약점인 노킹을 제어하는데 있다. 기본은 초희박연소로 점화 지속시간을 늘리고 기류를 강화함으로써 초희박연소에서도 안정적인 착화와 연소를 실현한다고 하는 것이다. 고속에서 완전 연소를 위해 엔진을 롱 스트로크화 해 혼합가스를 고속으로 와류시켜 가능해 졌다고 설명한다. 보어 87.5mm, 스트로크 103.4mm로 보어 대비 스트로크가 1 : 1.18이다. 엔진차는 압축비가 13.0 :1, 하이브리드용은 14.0 :1로 이례적으로 높은 롱 스트로크가 엔진이다. 핵심은 터보 엔진에서도 고속연소 기술에 의해 효율을 높이는 것이 가능해졌다고 하는 것이다.

 

이 기술을 채용한 두 번째 엔진이 2.0리터 직렬 4기통이다. 2.5리터와 마찬가지로 TNGA 기반 파워트레인으로 2.0리터 '다이나믹 포스 엔진과 더불어 다이렉트 시프트 CVT, '다이나믹 토크 벡터링 AWD' 등이 공개됐다. 토요타는 이들 파워트레인만으로 연비 성능이 18% 가량 향상됐다고 밝혔다. 이 엔진 역시 고속 연소 기술, 가변 제어 시스템과 더불어 배기 및 냉각, 기계 작동시 등 다양한 부분에서의 에너지 손실을 줄이고 열효율을 향상 시킴과 동시에 고출력을 실현했다. 가솔린 자동차용 엔진과 하이브리드 전기차(HEV)용 엔진은 열효율이 각각 40%, 41%. 저회전에서 고회전까지 전 영역에서 높은 토크를 실현하는 동시에 각국의 배기가스 규제에 선행 대응한다.

 

여기에 발진용 기어를 채용한 다이렉트 시프트 CVT도 주목을 끄는 기술이다. 0~40km/h 속도까지는 토크 컨버터와 1단 기어를 사용하고 그 이상의 속도에서는 통상의 CVT로 기능한다. 벨트 효율이 나쁜 저속역을 기어로 커버해 CVT가 담당하는 속도역을 고속측으로 자연스럽게 연결할 수 있기 때문에 풀리를 키우지 않고 하이기어드화가 가능해져 스로틀 응답성도 크게 향상되었다고 한다.

 

 

닛산의 가변 압축비 엔진

닛산의 가변 압축비 엔진도 꿈의 기술이라고 평가되어 왔던 것이다. 가변 압축비 기술에 대한 아이디어가 등장한 것은 10여년 전인데 당시에는 가솔린 엔진의 자기착화를 위한 도구로 개발했다. 하지만 닛산이 개발한 것은 가솔린 엔진의 이상연소에 채용되어 주목을 끌고 있다. 저부하시와 고부하시에 압축비를 바꾸는 것으로 린 번에 의한 노킹을 해결한다고 하는 것이 포인트다. 기술적으로는 커넥팅 로드와 크랭크샤프트 사이에 링크 기구를 배치해 피스톤의 스트로크를 가변한다고 하는 것이다. 중점 기술은 피스톤이 도달하는 높이를 자유롭게 조절할 수 있다는 것이다. 이를 통해 실린더 내 압축비를 8:1에서 14:1까지 자유자재로 조절할 수 있다. 여기에 V형 6기통 엔진의 부드러움까지 갖췄으며 경량화와 소형화도 동시에 이루어 냈다.

 

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이 기술을 채용한 2.0리터 엔진의 최고출력은 271ps, 최대토크는 390Nm으로 엔진 블록을 공유하는 메르세데스 벤츠제 엔진보다 파워가 높다. VC-T라는 이름의 이 엔진은 닛산이 1998년부터 개발해 왔으며, 2018년에 인피니티에서 출시하는 GX50에 탑재된다. 기존 3.5L V6 엔진은 이 엔진으로 교체된다. 중요한 것은 기존 가솔린 엔진보다 27% 가량 효율이 향상되었다는 것으로, 2.0L 디젤 엔진과 비슷한 연비성능을 보인다는 점이다.

 

 

마쓰다가 선점한 균질예혼합압축 자기착화 엔진

또 하나는 균질예혼합압축 자기착화 엔진에 관한 것이다. 메르세데스 벤츠와 폭스바겐, GM도 10여년 전부터 개발하고 있다고 발표한 이 엔진은 2017년 10월 일본 마쓰다가 스카이액티브X를 통해 실용화했다고 가장 먼저 발표하면서 화제가 됐다. 배출가스가 적고 연비가 뛰어날 뿐 아니라 토크의 증강, 고회전역에서의 파워 추출이 뛰어난 것이 장점이다.

 

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HCCI 엔진은 가솔린을 연료로 한 혼합기를 희박 연소시키는 것으로, 기본은 가솔린 엔진이지만 디젤 엔진처럼 스파크 플러그가 없는 압축 착화를 하는 방식을 말한다. 하지만 마쓰다는 저온 등 일부 조건에서는 플러그의 불꽃으로 점화시키는 방식을 채택했다.

 

마쓰다의 HCCI엔진은 수퍼 린 번에 의해 현재 가솔린 엔진 (SKYACTIV-G)보다 연비가 20 ~ 30 % 높고 토크도 전역에서 10 % 이상, 최대 30 % 가량 향상됐다고 한다. 2008 년 시점의 동일 배기량의 마쓰다 가솔린 엔진보다 35~45 %의 개선, 최신 스카이액티브-D '와 동등 이상의 연비 비율을 제공한다. 이번 프로토 타입 엔진은 배기량 2.0 리터인데 압축비가 16: 1로 가솔린 엔진으로서는 이례적으로 높다.

 

문제는 연소 제어가 어렵다는 것인데 실 차에 탑재되어 나올 때 어떤 모습을 보일 지 이목이 집중되고 있다. 메르세데스 벤츠도 디조토라는 이름으로 2010년 상용화를 선언했지만 아직까지 실용화에 관한 소식은 없다.

 

앞 선 칼럼에서는 유럽 메이커들의 기술이 주를 이루었으나 일본 메이커들도 그 못지 않은 기술력을 보여 주고 있다. 더 나아가 여전히 내연기관의 기술은 진화를 거듭하고 있음을 알 수 있다. 물론 이 새로운 움직임은 모두 전동화를 상정한 것들이다.

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