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메르세데스의 새로운 엔진 라인업, 두 마리 토끼를 잡다

작성자
acl
작성일
2016-11-01 14:32
조회
1232
글 : 유일한(chepa@global-autonews.com)

 



메르세데스의 파워트레인은 경이롭다. 파리모터쇼에서는 EQ 시리즈를 전면에 내세우며 전동화로의 방향 전환을 예고하는가 싶었는데, 이번에는 새로운 내연기관 라인업을 발표하면서 아직 내연기관의 시대가 끝나지 않았음을 적극적으로 알리고 있다. 무엇보다 놀라운 것은 메르세데스의 상징과도 같았던 대표 엔진인 V6를 과감히 정리하고 직렬 6기통 엔진 라인업을 마련한 것이다. 내연기관의 개선을 위해 과감한 결단을 한 것이다.

 

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사실 이와 같은 변화는 조금씩 예견되고 있었다. 메르세데스가 신형 E 클래스(W213)을 출시하면서 기존 V6 엔진 대신 2.0L 4기통 터보차저 엔진을 전면에 내세웠기 때문이다. 출시 당시에는 그저 환경 규제에 대응하는 다운사이징 엔진이라고 생각했지만, 사실 메르세데스는 이를 통해 내연기관의 최적화와 효율 개선을 목표로 하고 있었던 것이다. 그리고 마침내 거의 전 라인업에 걸친 엔진 개선을 통해 미래의 환경규제에 대응하는 한편, 효율을 높일 수 있게 되었다.

 

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메르세데스가 이번에 발표한 엔진 라인업은 신형 V8 트윈터보 가솔린 엔진(M 176), 신형 직렬 6기통 가솔린(M 256) 또는 디젤(OM 656) 엔진, 신형 직렬 4기통 가솔린 엔진(M 264) 이며 이 외에도 가솔린 엔진용 미립자 필터(GPF), 스타트 모터와 발전기를 통합한 ISG, 48V 전기 시스템, 실린더 휴지 기능, 배기 머플러를 엔진 가까이 부착하는 기술 등이 새로 발표됐다. 이로써 메르세데스의 내연기관 라인업은 쉽게 사라지지 않을 것으로 보인다.

 

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메르세데스의 새로운 엔진 중 가장 큰 변화를 단행한 것이 새로운 직렬 6기통 엔진이다. 물론 메르세데스도 예전에 직렬 6기통 엔진을 제작한 적이 있으나, 한동안은 V6에 집중하면서 대표 엔진으로 다듬어 왔다. 그러나 새로운 환경 규제 대응과 컴팩트한 엔진 제조 기술의 발전, 그리고 엔진 내 전자장치와 연소 효율의 개선 등을 위해 직렬 6기통을 부활시켰다. 이는 가장 큰 변화이며, 핵심 기술이 여기에 몰려 있다.

 

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가장 먼저 48V 전자장비에 관한 사항이다. 그동안의 모터 출력은 주변 기기를 돌리기에는 적합지 않았다. 그래서 에어컨 컴프레서와 워터펌프 등 동력이 필요한 주요 장비들은 그동안 크랭크 샤프트에 벨트 또는 체인을 걸어 강제로 구동시키는 방식을 사용했는데, 이로 인해 엔진의 출력을 바퀴에 온전하게 전달하지 못하고 중간에 뺏기곤 했다. 엔진 내 스타트 모터와 점화 플러그 등 전기가 필요한 장비에 필요한 출력을 얻기 위해 중간 정류 과정이 필요하기도 했으며, 이 과정에서 전기 손실이 발생하기도 했다.

 

그러나 엔진 내에 공급되는 전압을 48V로 올리면 이와 같은 문제를 많이 해결할 수 있다. 특히 에어컨 컴프레서와 워터펌프의 경우 48V의 전압이라면 모터만으로도 구동이 가능해 벨트를 그만큼 줄일 수 있다. 엔진 스타트 모터도 좀 더 힘차게 돌릴 수 있으며, 점화 플러그에도 더 센 전압을 주입해 정확한 연소가 가능하도록 할 수 있다. 전기를 많이 남길 수 있어 배터리 충전에도 효율적이다.

 

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무엇보다 효율적인 것인 터보차저의 터보래그를 없앨 수 있다는 것이다. 본래 터보차저는 배기가스의 압력을 이용해서 구동하지만, 엔진 회전이 낮을 경우 터보차저의 효율을 개선하기 어렵다는 문제가 있다. 터보차저를 전기 모터로 강제 구동해 과급압을 일정하게 맞출 수 있다면 터보래그의 개선은 물론 갑자기 증가하는 터보 압력으로 인해 당황하는 일도 없게 된다. 무엇보다 손쉽게 출력을 올릴 수 있다.

 

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직렬 6기통의 또 다른 장점은 연소효율을 높이고 미세먼지 처리에 필요한 열을 쉽게 얻을 수 있다는 것이다. 엔진은 냉각도 중요하지만, 일정 이상의 열 유지도 중요하다. 배기가스 후처리 장치의 경우 연소를 위한 열을 필요로 하는 경우가 많기 때문이다. 최근 가솔린 엔진에서도 미세먼지가 발생한다는 연구결과가 나오면서 이를 해결하기 위해 디젤 엔진에 사용하던 DPF를 PPF(Petrol Particulate Filter)로 개량하는 연구가 이루어지고 있는데, 메르세데스가 이를 새로운 엔진에 적용한 것이다.

 

이 필터는 새로 개발한 V8 엔진에 먼저 적용되며, 직렬 6기통 엔진에도 적용될 예정이다. 필터 작동에 필요한 연소 온도를 얻기 위해서는 배기관에 위치하는 필터가 엔진 가까이에 위치해서 온도를 바로 얻는 것이 이상적이며, 이와 같은 구조를 실현하기에는 직렬 엔진이 이상적이다. PPF를 이용하면 현재 GDI 엔진에서 문제가 되고 있는 미세먼지를 상당량 해결할 수 있다.

 

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일반적으로 직렬 6기통 엔진은 길이로 인해 자동차 디자인에 제약을 받는다고 알려져 있지만, 벤츠에서 새로 개발한 직렬 6기통은 길이를 상당히 줄였다. 48V 전자장비로 벨트의 돌출은 없앤 것은 물론, 스타트 모터와 발전기를 통합한 ISG(Integrated Starter-Alternator)를 적용해 그만큼 공간의 낭비를 줄였다. 본래 ISG는 모터사이클에서 엔진의 크기를 줄이기 위해 사용된 기술로 혼다의 모터사이클에 주로 적용되는 시스템으로 유명한데, 메르세데스가 자동차에도 적용시킨 것이다.

 

이와 같은 개선으로 인해 새로운 직렬 6기통 엔진은 3.0L의 배기량으로 최소 408마력 이상의 최고출력을, 51 kg-m 이상의 최대토크를 발휘할 수 있다. 동일한 배기량의 기존 V6 엔진(M 276)이 최고출력 333마력, 최대토크 48.9 kg-m을 발휘한 것에 비하면 비약적인 발전이며, CO2 수치는 기존 엔진보다 15% 가량 감소했다고 한다. 기존 V8 엔진을 위협할 정도로까지 발전한 것이다.

 

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메르세데스가 V8 엔진을 효율적으로 다듬는 데는 메르세데스 AMG의 공이 컸다. AMG GT와 AMG C63에 적용되는 V8 엔진이 영감을 줬기 때문이다. 터보차저를 V자 형태로 배열된 실린더 가운데 배치해 연소 효율을 높이는 등 다양한 시도를 했던 AMG 덕분에 메르세데스는 새로운 V8 엔진에 다운사이징을 단행하면서도 출력과 효율을 높일 수 있었다.

 

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신형 V8 엔진은 4.0L의 배기량으로 최소 476마력 이상의 최고출력을, 71.4 kg-m 이상의 최대토크를 발휘할 수 있으며, 최대토크는 2,000 rpm의 낮은 회전부터 발휘된다. 4.7L의 기존 V8 엔진(M 278)이 최고출력 455마력, 최대토크 71.4 kg-m을 발휘했던 것에 비하면 개선이 이루어진 것이며, 배기량을 낮춘 것을 고려하면 효율이 상당히 높아졌다고 할 수 있다. 여기에 기존 엔진보다 연료 투입량이 10% 가량 감소한 것까지 고려해야 한다.

 

또한 극단적인 연비 절약을 위해 캠트로닉(CAMTRONIC) 밸브 타이밍을 이용한 기통 휴지 기능도 적용되어 있다. 주행 모드가 컴포트(C) 또는 에코(E)에 맞춰져 있으며 엔진 회전수가 900-3250 rpm 사이일 때 작동하는 기통 휴지 기능은 8개의 실린더 중 4개의 실린더에 대한 작동을 중지 시키는데, 이 때 흡기와 배기 밸브 작동은 물론 연료 직분사와 점화장치 작동도 중지된다. 이로 인해 미연소 가스가 발생한다든지 하는 상황은 발생하지 않는다.

 

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엔진 블록은 알루미늄 합금으로 제작되어 경량화와 동시에 140 바에 달하는 높은 압력을 견딜 수 있으며, 실린더 내부에는 나노슬라이드(NANOSLIDE) 코팅을 적용해 피스톤 마찰로 인한 출력 손실을 줄인다. 실린더 헤드는 알루미늄과 지르코늄을 혼합한 합금을 적용해 엔진 블록보다 높은 고열을 버틸 수 있도록 제작했다. 물론 직렬 6기통 엔진에 적용된 48V 전자장비와 제일 먼저 적용되는 PPF등 변화의 핵심도 빠지지 않는다.

 

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새로운 디젤 엔진도 가솔린 엔진의 영향을 받아 직렬 6기통으로 다듬어졌다. 디젤 엔진으로는 처음으로 캠트로닉 VVT를 적용했으며, 피스톤의 연소 보울 형태를 다듬어서 최대한 효율을 낼 수 있도록 했다. 3.0L의 배기량으로 최소 313마력 이상의 최고출력을, 66.3 kg-m 이상의 최대토크를 발휘할 수 있으며, 기존 3.0L V6 엔진(OM 642)보다 출력과 토크가 높다. 또한 연비도 7% 가량 개선되었다고 한다.

 

알루미늄 합금으로 다듬은 엔진 블록과 강철로 다듬은 피스톤을 적용했는데, 언뜻 생각하면 피스톤은 경량 알루미늄으로 제작해야 할 것 같지만 사실 강철로 제작하는 것이 더 효율이 좋다고 한다. 그 이유는 강철이 엔진 내 압력을 더 잘 버틸 수 있을 뿐 아니라 온도로 인한 열팽창이 적기 때문에 엔진 내 마찰이 감소된다고 한다. 또한 강철의 단단함으로 인해 알루미늄보다 피스톤의 소형화가 더 쉽다. 그래도 혹시 모를 마찰의 감소를 위해 실린더 내부에 나노슬라이드 코팅을 적용했다.

 

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디젤 엔진인 만큼 대기 오염에도 철저한 대비를 거쳤는데, DPF를 적용하는 것은 기존 디젤 엔진과 마찬가지이지만, DPF 작동에 필요한 온도를 빨리 얻기 위해 배기 캠샤프트를 능동적으로 조절할 수 있다. 다른 가솔린 엔진들과 마찬가지로 유해가스 배출을 줄이기 위해 고압과 저압에서 모두 작동하는 EGR(배기가스 재순환 시스템)을 적용하고 배기가스를 냉각 후 흡입시킬 수 있도록 했다.

 

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기존 4기통 엔진도 개선을 거치고 있다. 변화의 집중은 트윈스크롤 터보차저로 전자식 웨이스트게이트를 적용해 공기 압축을 기존보다 빠르게 할 수 있도록 했다. 이로 인해 낮은 엔진 회전부터 터보차저의 성능을 발휘할 수 있으며, 흡기 캠에 가변 시스템을 적용해 효율을 높였다. 48V 전자장비를 적용해 워터펌프를 모터로 별도 구동할 수 있다.

 

엔진의 소음과 진동이 전달되는 것을 줄이기 위해 엔진 마운트는 플라스틱으로 제작했으며, 스타터와 발전기는 벨트로 구동한다. 엔진 블록에도 흡음재를 적용했으며 엔진을 음향으로 감싸는 기술을 적용해 소음을 많이 줄인다. 배기가스를 줄이기 위해 피에조 인젝션 시스템을 적용하고, 기존 모델보다 더 다듬어진 혼합 챔버를 적용했다.

 

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그동안 메르세데스는 전동화에 집중하고 기존 내연기관의 개선을 포기한 것처럼 보였다. 그러나 이는 착각이었을 뿐이며, 메르세데스는 전동화는 물론 내연 기관의 개선에도 최선을 다하고 있다. 이와 같은 개선은 메르세데스가 최초의 내연기관 자동차를 개발했다는 사명감 때문만은 아닐 것이다. 내연 기관의 개선을 통해 전동화 자동차의 개선 시간을 확보하는 것은 물론, 기존 전동화 자동차에 불만을 가진 운전자도 포용할 수 있는 것이다. 앞으로 메르세데스가 다듬어 나갈 내연기관의 미래가 기대되는 이유다.


 

출처 : http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_008&wr_id=2232