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아우디의 밀러 사이클 터보 엔진, 라이트사이징의 새 개념 제시

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글 : 한상기(hskm3@hanmail.net)
승인 2015-05-25 23:09:16

본문

아우디가 올해의 비엔나 모터 심포지움에서 새 2.0 TFSI 엔진을 공개했다. 새 2.0 TFSI는 3세대 EA888 엔진에 밀러 사이클을 추가한 엔진이다. 새롭게 해석한 밀러 사이클과 터보를 조합한 게 가장 큰 특징이라고 할 수 있다. 아우디는 새 2.0 TFSI를 가리켜 다운사이징이 아닌 ‘라이트사이징(Right-sizing)' 엔진이라고 설명했다. 모든 조건을 만족하는 엔진으로 풀이할 수 있다. 새 밀러 사이클 터보 엔진은 올해 공개되는 뉴 A4에 가장 먼저 탑재된다. 이 엔진이 탑재된 뉴 A4의 공인 연비는 리터당 19.9km이다.


내연기관의 진화는 지금도 계속 되고 있다. 획기적인 신기술보다는 기존의 기술을 개량하면서 계속 효율을 높이고 있다. 올해 선보인 토요타의 앳킨슨 터보나 아우디의 밀러 사이클 터보도 기존의 기술을 조합하고 개량한 것이다. 앳킨슨 또는 밀러 사이클과 터보가 생소한 기술은 아니다. 이 둘의 조합은 흔치 않다. 하지만 최근 들어서는 하나둘 늘어나고 있다. 밀러 사이클 자연흡기를 사용해온 마쓰다에 이어 닛산은 2010년 밀러 사이클 수퍼차저, 그리고 올해에는 토요타가 앳킨슨 터보, 그리고 아우디는 최근의 비엔나 모터 심포지움에서 밀러 사이클과 터보를 조합한 엔진을 선보였다.


앳킨슨 사이클은 1885년 제임스 앳킨슨이 개발했고, 밀러 사이클은 1957년에 특허로 등록됐다. 미국의 엔지니어 랄프 밀러가 앳킨슨 사이클을 기반으로 밀러 사이클 기술을 개발했다. 가장 먼저 적용된 엔진은 1994년 마쓰다 밀레니아의 2.3리터 V6 유닛이다. 기본적인 원리는 앳킨슨 사이클과 같지만 터보나 수퍼차저 같은 과급기를 사용한다. 마쓰다의 2.3리터 V6도 수퍼차저를 사용했다. 출력에 불리한 특성을 과급기로 상쇄하는 개념이다. 또 앳킨슨 사이클은 복잡한 크랭크샤프트 구조를 갖고 있지만 밀러 사이클은 보다 간단하다.

 

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아우디는 2004년에 2.0 TFSI로 직분사 터보 시대를 열었고, 2007년에는 더욱 성능이 향상된 2세대를 선보였다. 이번에 공개된 밀러 사이클 터보는 2011년에 나온 3세대의 고효율 버전이다. 이 2.0 TFSI는 ‘EA888 Gen.B’로 불리기도 한다. 아우디에 따르면 EA888 Gen.B는 3세대 1.8 TFSI와 동일한 출력을 발휘하지만 연비는 1.4 TFSI와 동일하다. 다운사이징이 아닌 라이트사이징이라는 설명이다. 라이트사이징은 차와 엔진 크기, 출력, 토크, 효율을 아우르며, 모든 상황에 대응 가능한 엔진으로 해석할 수 있다.


EA888 Gen.B는 흡기에 적용된 밸브리프트 시스템이 핵심이다. 아우디는 효율 향상을 위해 밀러 사이클을 선택했지만 오리지널과는 약간 다르다. 통상적인 앳킨슨이나 밀러 사이클과 달리 아우디가 자체적으로 수정을 가했다. 개발 초기에는 앳킨슨 사이클의 적용도 고려한 것으로 알려졌다.

 

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효율의 상승은 흡기 밸브의 오픈 시간, 압축비와 관련이 있다. 흡기 밸브의 오픈 시간을 늘리고 압축비를 높이면 이론적으로 효율은 늘어나게 된다. 하지만 이럴 경우 노킹의 우려가 생긴다. 아우디는 이와 같은 문제점을 흡기의 밸브리프트로 해결했다. 부하가 적을 때는 흡기 밸브를 빨리 닫고(EIVC, Early Intake Valve Closure), 부하가 큰 상황에서는 흡기 밸브의 열림 시간을 늘렸다. 간접 분사와 직분사를 모두 적용한 것도 특징이다.


조사 결과 EIVC가 부분적인 부하에서는 더 효율이 높다는 것을 발견했다. 마쓰다, 닛산의 밀러 사이클, 또는 앳킨슨 사이클과 가장 다른 부분이 흡기 밸브의 타이밍이다. 마쓰다, 닛산, 앳킨슨과 달리 흡기 밸브를 일찍 닫는다. 참고로 밀러 사이클과 수퍼차저가 조합된 닛산의 3기통 엔진(HR12DDR)은 흡기 밸브를 늦게 닫고, 압축 시에도 약간 열려 있다.

 

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아우디는 밀러 사이클의 점화 행정을 수정했다. 내부적으로는 B 사이클로 부른다. 기본적인 원리는 압축 행정을 단축하고, 팽창비를 확대해 효율을 높이는 것이다. 통상적으로 흡기 캠샤프트의 듀레이션은 190~200°CA 사이이다. 반면 아우디의 EA888B는 부분적인 부하 시 140° CA다. 흡기 밸브는 피스톤이 BDC(Bottom Dead Center)에 도달하기 훨씬 이전에 닫히게 된다. 듀레이션이 낮은 저속 캠이 추가된 것이다. 반면 급가속처럼 부하가 많이 걸리는 상황에서는 듀레이션 170도의 고속 캠이 작동하면서 더 많은 출력을 낼 수 있다.


아우디는 밀러 사이클에 하이 부스트 터보를 조합해 저부하의 효율과 높은 출력까지 모두 잡을 수 있었다고 밝혔다. 기존의 EA888과 비교 시 밸브리프트는 흡기에 적용됐고, 압축비는 9.6에서 11.7:1로 높아졌다. 이와 함께 연소실의 지붕 높이도 0.9mm가 낮아지는 한편, 흡배기 밸브의 위치도 소폭 조정됐다. 헤드 디자인이 달라지면서 피스톤의 형상과 스파크 플러그, 고압 분사 밸브의 위치도 바꿔야 했다.

 

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EA888B는 2.0 TFSI의 고효율 버전이라고 할 수 있다. 190마력의 최고 출력은 몇 년 전까지 사용하던 200마력과 큰 차이를 보이지 않고, 32.6kg.m의 최대 토크는 1,450~4,400 rpm 사이의 넓은 구간에서 나온다. 엔진 무게는 140kg이다. 아우디는 저항을 최소화하기 위해 엔진 오일도 저점성(0W-20) 제품을 사용하고 있다. 이 엔진이 탑재된 뉴 A4의 공인 연비는 리터당 19.9km에 이른다. 동급에서 가장 좋은 수준인 것은 물론이고, 효율 면에서도 디젤과 비슷한 수준을 달성했다.


아우디의 밀러 사이클 터보는 가솔린 엔진의 새 가능성을 보여준다. 앳킨슨과 밀러 사이클, 과급의 조합이 새로운 기술은 아니다. 일본 회사가 먼저 시도했던 기술이다. 하지만 아우디는 밀러 사이클의 새로운 해석을 통해 효율을 더욱 높였다. 직분사처럼 독일 회사를 통한 또 하나의 트렌드가 시작될 가능성도 있다.  

 

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