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엔진이 스마트해진다.

작성일2010.10.22

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작성자 : 기자단
 

 엔진 다운사이징이 고연비 친화경차의 현실적 대안으로 급부상하면서 유럽업체 중심으로 이루어지던 다운사이징이 글로벌 수준으로 확대되고 있다. 엔진 다운사이징은 연비 제고와 출력 강화를 동시에 달성할 수 있다는 점에서 친환경 및 소형차 중심 트렌드와 조응하는 기술이다. 최근 현대 YF 2.4L가 미국에서 큰 주목을 받고 있는데 과거 NF 엔진과 배기량은 같지만 성능은 크게 개선시킨 엔진다운사이징 기술에 힘입은 바가 크다. 닛산의 4세대 1.2L 마치와 폭스바겐의 1.2L 폴로가 하이브리드에 필적하는 연비를 보여주고 있으며, 올해의 엔진상 수상작이 대부분 터보 장착 다운사이징 엔진이라는 점, 지난 7월 빌게이츠가 친환경엔진을 생산하는 에코모터스에 2,350만 달러 투자를 한 점 등은 다운사이징 추세가 강화된 것임을 시사한다.

 

이러한 변화의 주요 배경으로는 다운사이징을 가능케 한 기술 반전, 소비자의 소형차 선호 성향 증대 등의 영향이 크다. 2.0L 4기통 터보로 3L급의 출력을 충분히 달성할 수 있을 정도의 기술 발전은 연비 개선과 함께 엔진 소형화에 따른 부품 경량화까지 가능케 하였다. 게다가 글로벌 금융위기 이후 동일 수준의 성능을 보유한 하위급의 고연비차를 선호하는 소비의 다운사이징 추세가 강화되고 있으며 중대형차를 선호하는 미국시장에서도 2L~2.9L 4기통 엔진을 장착한 차량의 판매 비중이 2008년 28.3%에서 2009년 36%로 증가 하였으며 다운사이징 기술 관련이 큰 디젤승용차와 가솔린 터보의 비중도 하이브리드보다 각각 1.3%, 0.5% 높게 나타났다.

 

엔진 다운사이징은 소배기량, 소기통을 기본으로 터보차저와 직접분사, 다단변속기와 아이들 스톱기능, 경량화 등의 기술이 핵심이 되는 방식으로 이러한 기술들이 적절히 결합될 때 효과가 굉장히 커진다.

 

 

엔진을 줄이고 터보의 힘을 빌린다.

<자료: 구글>

 

배기량을 낮추면 회전 부분의 마찰 저항이나 공기 흡입 시의 펌핑 손실 등을 줄일 수 있어 연비가 개선되며 통상 배기량이 2/3로 감소하면 연비가 15%, 1/2로 감소하면 25% 개선되는 것으로 알려져 있다. 하지만 다운사이징을 하면 엔진의 힘이 약해지므로 출력 보강을 위해 터보차저를 활용한다. 터보차저는 엔진 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고 그 터빈이 공기압축기를 구동하여 정규 공급량 이상의 공기를 엔진에 공급하여 폭발력을 높여 줄어든 출력을 보강한다. 최근 가벼운 터빈 또는 2개의 작은 터빈, 그리고 저속 시 유로 변경을 통해 고속회전을 유도하는 방법 등을 통해 고출력과 연비 개선, 터보래그 해결이 가능한 ‘연비터보’로 발전하고 있다. 보쉬는 2010년대 중반까지 터보차저 시장이 현재의 3배 규모로 확대될 것으로 전망하고 있는데 폭스바겐이 가장 적극적인 채용 의지를 보이고 있으며 BMW는 소형 디젤 및 대형 가솔린엔진에, 포드는 에코부스트 기술의 핵심으로 이용하고 있다.

 

 

 

연료를 실린더 내로 직접 쏜다.

<자료: 현대기아자동차>

 

직접분사 시스템은 실린더 내에 연료를 직접분사함으로써 성능 향상과 연비 개선을 동시에 달성하는 기술이다. 인반 포트 분사에 비해 공연비 제어가 쉽고 응답성이 향상되는 등의 효과가 있으며 흡기 온도를 낮게 할 수 있어 충전효율이 높아지므로 8~10%의 연비 개선을 보인다. 최근에는 피에조 인젝터 등을 이용해 연료를 고압분사함으로써 더적은 연료로 성능과 연비 개선이 가능한 초희박연소 엔진으로 발전하고 있다. 폭스바겐의 1.2L TSI 엔진과 피아트의 1.4L 멀티에어 엔진에 적용되었으며 메르세데스 벤츠 C클라스에 1.8L CGI엔진을적용하였다.

 

 

 

변속을 미리 준비한다.

<좌 폭스바겐 DSG 구조, 우 BMW M3 SMG DSG>

 

다운사이징에 적용되는 다단 변속기 중 최근 가장 주목을 받고 있는 것은 DCT (Dual Clutch Transmission, 듀얼클러치변속기)이다. DCT는 수동변속기의 경제성과 자동변속기의 편리성을 동시에 구현한 미션으로써 연비가 동일 단수의 자동변속기 대비 12% 내외의 우수한 효과를 나타내고 있다. DCT는 2개의 클러치가 각각 홀수와 짝수의 기어 변속을 맡아 다른기어가 작동하는 순간에 미리 변속을 준비하고 있다가 빠르게 대응함으로써 응답성이 좋고 부드러운 변속이 가능하다는 장점이 있다. 2003년 폭스바겐이 DSG란 이름으로 처음 출시한 후 유럽을 중심으로 적용이 확대되고 있으며 2012년 유럽 신차의 8%가 적용 할 것으로 예상된다. 포르쉐는 독일 변속기 업체 ZF와 공동 개발한 7단 DCT를 직분사 가솔린터보엔진과 조합시키고 있다.

 

 

 

엔진가동을 알아서 컨트롤한다.

<자료: 글로벌 오토뉴스>

 

아이들 스톱은 차량 정지시 엔진을 자동으로 정지시키고 발진 시에 엔진을 자동으로 재시동시킴으로써 아이들 상황에서 연료 소비를 줄일 수 있는 기술이다. 주로 하이브리드 차량에 적용되는 기술로 알려져 왔지만 근래 들어 전 차종에 기본 사양으로 확대되는 추세이며 유럽의 경우 2008년 아이들 스톱이 적용된 차량은 수십만 대 수준이었으나 2011년에는 최대 1,000만대 규모로 확대될 것으로 전망되고 있다. 유럽업체들을 중심으로 적용이 확대되고 있으며 한국 및 일본기업의 유럽수출용 차령에도 적용이 확대되고 있다. 현대기아차는 2009년 기아 시드를 시작으로 2010년 현대 i30에 탑제 하고 있으며 메르세데스 벤츠는 스마트포투에 최초탑체를 시작으로 2011년 이후 V6, V8 엔진에 적용할 계획에 있다.

 

 

 

몸무게를 줄인다.

경량화는 철강재를 알루미늄합금, 수지 등의 경량 소재로 교체하고 모듈화를 통해 부품수를 줄이는 한편  최적의 설계를 통해 불필요한 중량의 낭비를 제거하는 것이다. 경량화 소재 적용으로 폭스바겐은의 2009년 폴로는 구 모델 대비 7.5% 경량화 하였으며 2013년 출시 예정인 1L카의 차체 소재를 카본섬유로 적용할 계획이다. BMW는 2008년 도어, 본넷 등에 알루미늄합금을 적용하여 29kg 경량한 7시리즈를 내놓았으며 아우디는 2008년 Q5에 알루미늄 등을 적용하여 차체 무게를 355kg줄였으며 독일 공장의 ‘알루미늄 및 경량화 설계 센터’를 공개하고 경량화 기본 방침을 공포하였다.

 

 

 

엔진 다운사이징은 유럽업체들이 주도하는 가운데 미국업체들이 추격을 시작한 반면, 일본업체들은 미온적인 반응을 보이고 있다.

 

 

 

적극적인 유럽지역.

<좌 1.4L, 우 1.2L>

 

폭스바겐은 다운사이징의 선두 주자로 ‘다운사이징의 다운사이징’을 보여주고 있다. 폭스바겐의 1.4 TSI 엔진은 자연흡기식 엔진 대비 출력은 6%, 연비는 18% 개선되었으며, 2년 연속 ‘올해의 엔진상(International Engine of the Year)’을 수상할 만큼 성능과 친환경성을 인정받고 있으며 최근 기존의 직분사 터보 1.4L TSI 엔진을 한층 더 다운사이징한 1.2L TSI 엔진을 골프에 적용 하였다. 폭스바겐이 집중하고 있는 블루모션 시리즈의 폴로는 소기통, 소배기량 기술을 적용을 통해 하이브리드카를 능가하는 이산화탄소배출량 감소를 달성하였다. 한편 그룹 내의 아우디는 프리미엄 메이커 최초로 직분사와 터보차저를 적용한 다운사이징을 추진하였으며 전 차종에 아이들 스톱 기능을 적용하였다. 메르세데스 벤츠는 최고급 모델부터 E클라스까지 차급을 낮춰 다운사이징을 확대하고 있다. 주로 V12 초대형급만 다운사이징을 적용하던 벤츠가 6.2L V8엔진을 5.5L V8엔진으로 다운사이징한 2011년형 뉴 S63 AMG를 출시 하였으며 E클라스 ‘E250CGI` 3종에 탑재된 1.8L 직렬 4기통 엔진은 2.5L V6엔진을 다운사이징 하였다. BMW는 최상급 모델 7시리즈부터 소형 3시리즈까지 다운사이징을 하고 있다. 지난해 등장한 7시리즈 740을 자연흡기 4L에서 3L터보로 다운사이징하였으며 차기 3시리즈 1.4L 3기통 엔진도 라인업에 포함 할 예정이다.

 

 

 

뒷쫒는 미국업체.

<좌 GM 1.4L 터보, 우 포드 에코부스트 3.5L>

 

미국업체들은 아직 6기통 이상의 대형차 생산 비중이 더 높지만 미국시장에서 4기통 이하 차량이 바르게 증가하면서 대응 전략 마련에 집중하고 있다. 2009년 미국에서 6기통 이상의 중대형차가 신차 판매의 60%를 차지하였지만 2020년에는 역전되어 4기통 이하의 소형차가 60%를 차지할 것으로 보고 있다. GM은 터보차저와 직접분사를 중심으로 한 다운사이징을 1.4L 급 까지 확대한다. 2007년 2L 직렬 4기통 직분 터보를 시작으로 1.8L 자연흡기 엔진을 1.4L 직분사 터보로 다운사이징한 2010년형 엔진까지 개발한다.

포드는 에코부스트 기술을 활용하여 4기통 엔진 개발에 집중하는 한편, 유럽시작을 겨냥한 2. 3기통 엔진도 개발 중이다. 포드는 미 빅3 중 다운사이징에 가장 적극적으로 가솔린 직분사 터보차저 2개를 조합한 ‘에코부스트’기술을 통해 연비 20% 개선, 이산화탄소배출량 15%감소를 보여주며 2013년 신차 150만대에 적용할 계획이다. 그리고 2012년 이후 1L 급의 2, 3기통 엔진을 개발하여 유럽시장용 차량에 적용하는 계획도 추진 중이다.

 

 

 

미온적인 일본업체.

<닛산 마치>

 

일본업체들의 고연비차 전략은 하이브리드카, 전기카에 집중되어 왔으나 최근 닛산이 엔진 다운사이징을 활용한 저가차 생산 전략을 추진하고 있다. 토요타와 혼다는 하이브리드 집중 전력을 추진하면서 다운사이징에 소극적인데 이는 그동안 개발에 소홀했던 여파로 보인다. 하지만 닛산은 일본업체 중 가장 먼저 하이브리드 일변도에서 탈피하여 엔진 다운사이징을 통한 파격적이 가격 인하 전략을 추진하고 있다. 지난 7월, 1.2L 3기통 엔진으로 다운사이징한 4세대 마치를 100만 엔 이하의 파격적인 가격으로 출시하였다. 닛산은 이어 4세대 신형 마치 엔진에 슈퍼차저, 직분사 등을 추가하여 이산화 탄소 배출량을 95g/km를 달성한 차세대 ‘마치`를 2011년 출시한다. 2011년형 마치는 1.5L 자연흡기 엔진과 비교해 출력은 동등하며 연비는 30% 개선되었다. 게다가 이산화 탄소 배출량은 혼다의 인사이트보다 루수하며 가격은 예상보다 낮은 수준으로 결정될 것으로 보인다.

 

 

 

엔진 다운사이징의 미래.

엔진 다운사이징은 친환경성과 경제성을 동시에 달성할 수 있는 유력한 대안 기술로서 향후 상당기간 시장 지배적 기술이 될 것으로 보인다. 전동화를 중심으로 하는 그린카 대비 개발 비용이 적고 개발 기간이 짧아 다운사이징은 크게 화산 될 것이기 때문이다. 그래서 하이브리드카는 다운사이징 차종보다 우수한 연비를 달성하거나 가격을 인하하지 않으면 경쟁력을 유지하기 어려울 것으로 보인다. 하지만 엔진 다운사이징은 세계적인 추세인 소형차 판매 트렌드를 가속화 시키지만 차급이 낮아지면서 소비자가 상품 가치를 저평가 할 수 있다는 점에서 새로운 방안이 필요할 것이다. 뿐만 아니라 엔진 다운사이징 기술 개발을 위해 자동차업체의 적극적인 개발 전략과 정부의 정책적 지원이 요구된다.

 

 

 

(자료출처: 한국자동차 산업연구소)

 

                                                                                              


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