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파워트레인의 미래 - 6. 내연기관의 현재와 미래 (2)

작성자
acl
작성일
2017-05-15 12:08
조회
740



전 세계의 미디어에 등장하는 뉴스만으로 보자면 내연기관은 사양길을 접어 든 것으로 보일 수도 있다. 하지만 에너지 구조에 대한 근본적인 전환이 이루어지지 않고서는 근본적인 변화는 없다. 미래학자들이 아무리 그럴듯한 청사진을 내 놓아도 기술적인 문제의 해결이 없이는 쉽게 바뀌지 않는다. 환경에 대한 압박이 아무리 심해도 소비자들은 경제성에 타당성이 없으면 쉽게 마음을 바꾸지 않는다. 그래서 직렬 6기통 엔진이 부활하고 있고 일본 메이커들은 정부와 산업계, 학계가 힘을 합해 열효율을 높이는 데 많은 투자를 하고 있다. 다운사이징을 주도해 온 폭스바겐그룹은 이제는 라이트사이징 컨셉으로 내연기관의 개량을 시도하고 있다. 여전히 내연기관의 효율성을 높이는 것은 중요한 과제라는 얘기이다.

 

 

직렬 6기통 엔진의 부활

1990년대 중반까지만 해도 직렬 6기통은 뒷바퀴 굴림방식차의 주력 엔진이었다. 특히 당시에 ‘실키 식스(Silky Six)’라는 애칭으로 명성을 날렸던 BMW의 직렬 6기통 엔진은 부드러운 응답성으로 호평을 받았다. BMW는 시대적인 흐름에 따라 직분 터보화는 했지만 가솔린과 디젤 공히 직렬 6기통이라는 레이아웃을 고집해 왔다.

 

메르세데스 벤츠도 1997년까지 직렬 6기통 엔진을 갖고 있었다. 한국의 수입차 초창기에 수입됐던 메르세데스 벤츠 190E에 탑재된 2.6리터 직렬 6기통이 대표적이다. BMW처럼 고회전형은 아니었지만 두터운 토크감과 소음 대책 등으로 명성이 높았다.

 

그런 직렬 6기통 엔진이 사라지고 그 자리를 V형 6기통이 자리하게 된 것은 컴팩트하다는 점과 충돌 안전성 등이 이유였다. V6엔진은 가로 배치와 세로배치 모두 가능하다는 이점도 있다. 여기에 전방 충돌안전 측면에서 엔진의 전장이 짧아져 뒷바퀴 굴림방식의 경우 엔진 룸에 충돌 에너지를 흡수할 수 있는 공간을 만들 수 있다는 점도 작용했다.

 

미국 소비자들의 V형 엔진 선호 취향도 한 몫을 했다는 분석도 있다. 미국시장에서 많은 판매고를 보이고 있는 독일 프리미엄 3사 등 뒷바퀴 굴림방식 럭셔리 모델을 생산하고 있는 경우에는 그에 대한 고려도 했다는 것이다.

 

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그런 상황에서 직렬 6기통 엔진이 배기가스 문제의 해결을 위한 현실적인 대안으로 다시 부상하고 있다. 다운사이징이라는 명제와는 맞지 않을 수도 있지만 지금까지의 다운사이징에 한계가 있었다는 얘기이기도 하다. 배기량을 낮추고 그로 인한 출력 저하를 터보차저로 보완한다고 하는 다운사이징은 실험실 내에서의 모드 연비 실험이 중시하는 저 부하역의 마찰 손실을 줄여 준다. 그런 반면 사용자들이 고부하역의 열 효율이 낮고 배기가스가 많이 발생한다는 단점이 있다.

 

메르세데스 벤츠는 2017년 중 출시할 신형 S클래스부터 직렬 6기통 엔진을 탑재한다. 모듈 구조에 의한 다양성을 고려해야 하고 주력 모델을 V6에서 직렬 4기통으로 전환하는 것은 한계가 있다는 점 때문에 직렬 6기통의 필요성이 대두됐다. 그래서 기통당 500cc의 모듈러 컨셉의 3리터 직렬 6기통 엔진을 개발했다.

 

최근 등장한 재규어의 첫 번째 SUV F-Pace에는 당장에는 V6가 탑재되어 있지만 엔진 룸의 배치를 보면 직렬 6기통 엔진이 탑재될 것을 상정한 패키징이 이루어져 있다. 재규어는 인제니움이라고 명명한 4기통 모듈러 엔진 기술을 바탕으로 직렬 6기통 모듈러 엔진을 개발하게 되면 같은 시스템으로 다양한 기통수를 만들어 낼 수 있게 된다.

 

직렬 6기통 엔진이 부활하는 것은 다른 기통수의 엔진은 물론이고 가솔린과 디젤 간에도 부품을 공유하는 모듈러 엔진의 개발이 늘고 있기 때문이다. 엔진의 비용과 개발 자원을 가능한 억제하고 전동화 기술의 개발 등에 개발 자원을 활용하고자 하는 것도 이유다.

 

모듈러화로 V형 6기통에서 직렬 6기통으로 가는 것은 다운사이징 엔진이 증가하는 중에 고급차와 중대형차의 주력이 V6에서 직렬 4기통으로 대체되는 것도 그 배경 중 하나다. 직렬 4기통 엔진과 부품을 공유하기 쉬운 것은 블록의 구조가 전혀 다른 V6가 아닌 직렬 4기통 블록을 늘린 직렬 6기통이라는 것이다.

 

 

폭스바겐아우디그룹의 라이트사이징

 

또 하나의 새로운 흐름은 라이트 사이징(Rightsizing)이다. 아우디가 가장 먼저 도입했다. 아우디의 9세대 A4에 탑재된 2.0리터 직렬 4기통 엔진이 라이트 사이징 컨셉에 기초한 것이다. 이어서 그룹 내 포르쉐도 수평대향 엔진의 배기량을 3.8리터에서 3.0리터로 낮추면서 라이트 사이징 개념을 사용했다. 포르쉐의 변화의 핵은 911 시리즈에 탑재되는 수평 대향 6기통 엔진의 배기량을 3.0리터로, 718시리즈에 탑재되는 엔진을 2.0리터 수평 대향 4기통 엔진으로 바꾼 것이다. 배기량은 낮추었지만 성능은 모두 증강됐다.

 

아우디의 2리터 터보 엔진은 B사이클이라고 하는 연소방식을 채용한 것으로 흡기 밸브를 빨리 닫는 앳킨슨 사이클을 채용하고 터보를 탑재하면서 높은 팽창비를 실현한다. 압축비도 11.4까지 높였다. 연료공급은 직접 분사가 기본이지만 저 부하에서는 포트식 분사로 해 균질연소를 꾀하고 있다.

 

주행시에는 저 회전역에서 응답성이 좋고 중 저 회전에서는 터보차저 엔진이라고 생각되지 않을 만큼 부드럽다. 저속 저 회전역에서는 자연흡기 엔진으로 작동한다. 출력은 낮지만 주행시 느낌은 고출력 사양에 뒤지지 않는다. 이는 ACC(어댑티브 크루즈 컨트롤) 등 정속 주행으로 달릴 때는 특히 효과를 낼 수 있다.

 

시내 주행 시 정체 상황에서, 저속 저 부하로 달릴 때 충분한 주행성과 더불어 높은 연비 성능을 기대할 수 있다. 이것은 실 주행 연비가 중요해진 시대에 대응할 수 있는 기술이라고도 할 수 있다. 그만큼 다양한 사용자의 특성을 소화할 수 있다는 것이다.

 

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폭스바겐이 2016년 내 놓은 1.5 TSI 엔진도 라이트사이징 컨셉에 기초한 것이다. 다운사이징의 대명사로 불렸던 기존 1.4TFSI엔진이 단점을 극복하기 위해 배기량을 늘린 것으로 포르쉐 911 터보에 적용되는 고성능 터보차저를 적용한 것이 특징이다. 기존 1.4 TSI 엔진보다 배기량은 늘었지만 10% 가량 연비가 향상됐으며, 이는 실험실에서의 수치만이 아니라 다양한 운전 패턴을 가진 소비자들이 직접 운전하면서도 개선된 연비를 느낄 수 있도록 만들어졌다. 최대토크가 저 회전에서 발휘되어 시내 주행 등 일상적인 운행에서의 연비성능 향상과도 직결된다.

 

라이트 사이징의 근저에는 다운사이징이 있다. 그것은 다운사이징으로 인한 핸디캡을 고 효율과 다양한 영역에서의 최적화를 통해 대응한다는 것을 의미한다.

 

 

열효율 중시의 일본 메이커들

한편 일본 메이커들은 설계 지침을 공유하는 커먼(Common) 아키텍처의 개발에 힘을 쏟고 있다. 독일만큼 디젤을 중시하지 않기 때문에 가솔린과 디젤 사이에 부품을 공유하는 모듈러화에 대한 관심은 낮다. 다운사이징 터보에 대해 부정적인 시각을 가진 메이커도 있다. 그보다는 열효율을 높이기 위한 연구에 힘을 쏟고 있다.

 

토요타를 비롯한 일본 자동차 8사는 2014년 AICE(Association of Internal Combustion Engine: 자동차용 내연기관 엔진 기술 조합)이라는 단체를 설립해 공동으로 환경 부하가 적은 자동차용 엔진의 기초 연구를 시작했다. 글로벌 시장의 경쟁을 위해 연비 개선에 관련한 혁신이 반드시 필요하다는 생각에서다. AICE의 발족은 지금까지 전동화 등 엔진 이외의 부분에서의 연비 향상에 힘을 들여 온 일본 자동차회사들이 공동으로 엔진 자체의 개량에 본격적으로 힘을 쏟겠다는 것을 의미한다.

일본 내각청의 ‘SIP혁신적연소기술’ 프로젝트에서도 가솔린과 디젤엔진의 50% 열효율 달성을 목표로 연구개발을 진행하고 있다. 내연기관이 등장한 1886년 이래 기술 발전을 통해 가솔린 엔진은 38%, 디젤 엔진은 42% 수준의 열효율을 달성하고 있다.

 

‘SIP혁신적연소기술’ 프로젝트의 기본전략은 강력 점화시스템 및 고난류 유동을 이용하여 초 희박 조건에서 안정적이면서 빠른 연소(수퍼 린번: Super lean-burn)를 구현하고, 이를 통해 냉각 손실을 최소화하여 엔진 열효율을 끌어올리겠다는 것이다. 또한 엔진 노킹을 억제하여 가솔린 엔진의 압축비를 15: 1까지 끌어올리는 것도 목표로 설정되어 있다. 목표는 50%의 열효율인데 이미 2015년에 45%까지 달성했다고 발표했다.

 

이런 흐름에서 알 수 있듯이 토요타 등 일본 자동차회사들은 직접분사방식보다는 열효율 높이기에 더 비중을 두고 있다. 지금까지 열효율 수치를 공개한 것은 토요타와 현대자동차가 아이오닉 하이브리드 전기차를 출시하며 열효율을 발표한 것 외에는 공식적으로 발표된 자료가 없다. 토요타의 프리우스에 탑재되는 1.8리터 가솔린 엔진의 열효율은 40% 이상, 현대 아이오닉 하이브리드 전기차의 1.6리터 엔진은 40%다.

 

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토요타자동차는 내연기관의 열효율을 높이면서 하이브리드 시스템을 동원해 연비 성능을 높이고 유해 배기가스를 줄이는 노력을 해왔다. 오늘날 전 세계 메이저 양산 업체들은 물론이고 프리미엄 메이커들까지 하이브리드 전기차는 필수가 되어 있다. 하지만 토요타의 일본 내 판매대수에서 하이브리드 전기차의 비율은 약 40%. 그에 비해 글로벌 판매대수에서는 10% 정도에 그치고 있다. 글로벌 시장에서 경쟁하기 위해서는 내연기관 자체의 개선이 필요하다는 생각을 갖게 된 이유다.

 

토요타자동차는 지난 2014년 이후 자연흡기 가솔린 엔진 외 터보차저 가솔린, 그리고 디젤과 하이브리드차 용의 엔진 등 14개 종류의 새로운 엔진을 글로벌 시장에 투입했다. 그 핵심은 열효율 제고를 중심으로 연비 성능과 배기가스를 저감하는 것이다.

 

하이브리드 전기차용 엔진에서 사용되고 있는 열효율이 높은 연소방식을 일반 엔진에도 활용 폭을 늘리고 있는 것이다. 연소 속도를 높이고 연소 불량을 억제하는 기술을 사용하는 등의 기술에 의해 38%의 열효율을 실현했다. 적은 연료로 동력을 살리기 때문에 연비가 좋아진다. 아이들링 방지 기능 등과 조합하면 연비 성능이 최대 약 30% 향상된다.

 

토요타는 모듈러 플랫폼에 속하는 TNGA라는 차체 플랫폼에 이어 파워트레인의 플랫폼을 새롭게 정립했다. 플랫폼이라는 표현보다 더 넓은 의미로 사용되는 아키텍처라고도 할 수 있지만 공통화라는 용어가 더 적합할 것도 같다.

파워트레인에의 공유화를 확대한 것은 상품성과 생산효율, 개발효율의 향상을 위한 것이다. 상품성에서는 새로운 파워트레인에서 연비성능을 향상시키면서 주행성능을 높인다. 생산효율에서는 가공과 조립 기준을 통일해 다른 기종을 유연하게 생산할 수 있는 라인을 구축한다. 또한 소형, 중형, 대형 등 엔진 종류별로 정리 통합해 엔진 전체로는 종류를 40% 줄인다.

 

가장 먼저 등장하는 것은 2017년 중 신형 캠리에 탑재될 2.5리터 직렬 4기통 직분사 가솔린과 그 하이브리드 시스템이다. 하이브리드 시스템에 조합되는 엔진의 열효율은 41% 이상으로 양산 엔진 중에서는 세계 최고 수준이다.

 

토요타 파워트레인의 새로운 아키텍처는 이 엔진 더해 8단과 10단 자동변속기와 앞바퀴 굴림방식용 2.5리터 엔진과 조합한 하이브리드 전기차용 시스템, 뒷바퀴 굴림방식용 4단 변속기구를 갖춘 하이브리드 시스템 등이 그것이다.

이 엔진을 시작으로 2021년까지 9기종 17 베리에이션의 엔진군에 공통하는 설계 지침이 채택된다. 설계 지침에 근거한 모든 엔진에서 열효율을 높이고 출력과 연비성능을 높인다. 동시에 개발 공수도 줄인다. 모든 기종에서 공기를 많이 주입함으로써 빨리 연소해 고속 연소를 실현한다는 것이다.

 

한편 연소 형태를 공통으로 하는 데에 착안한 엔진 개발에 일찍 주목을 한 것은 마쓰다다. 2011년에 출시된 스카이액티브 기술의 엔진으로 다른 배기량의 엔진에서 연소형태를 공통화했다. 열 발생 패턴과 연소기간을 모든 엔진에서 공통으로 한다.

 

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마쓰다는 자연흡기 방식의 스카이 액티브(SkyActive) 기술의 개발에 공을 들였다. 자연흡기에 밀러사이클을 조합해 가능하게 한 스카이액티브 엔진의 포커스는 열효율의 향상에 있다. 마쓰다는 내부 저항과 엔진 무게를 줄여 궁극적으로는 열효율 60%를 목표로 하고 있다.

마쓰다의 접근은 압축비와 공연비, 연소 듀레이션, 연소 타이밍, 펌핑 로스, 기계적인 마찰 저항 의 최적화를 추구하고 있다. 이중 두드러지는 것은 압축비이다. 스카이액티브 가솔린과 디젤의 압축비는 14:1이다. 이는 현재까지 나온 가솔린 중에서는 가장 높고 디젤 중에서는 가장 낮은 것이다.

또 스카이액티브-G로 불리는 새 2리터 가솔린은 기존의 2리터 대비 연료 소모와 CO2 배출량은 15%가 낮다. 반면 옥탄가 87 연료 기준으로 중저속 토크는 15%가 강하다. 압축비를 높임으로써 열효율이 비례해 높아졌고 이와 함께 연비도 좋아졌다.

 

마쓰다의 기술과 토요타의 발상은 서로 유사한 점이 많다. 연소 형태의 공통화는 개발 효율을 높이는 유효한 수단이다. 앞으로 비슷한 발상으로 개발하는 예가 늘 것으로 보인다.

이 외에도 인피니티는 2016년 세계 최초로 압축비 변경이 실시간으로 가능한 엔진을 공개했다. VC-T라는 이름의 이 엔진은 2.0리터 직분사 터보차저다. 기존 가솔린 엔진보다 27% 가량 효율이 향상된 것으로, 2.0리터 디젤 엔진과 비슷한 연비를 갖추고 있다.

VC-T 엔진의 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.

 

스웨덴의 수퍼카 제조사 코닉세그의 자회사 프리밸브 AB는 중국의 코로스 오토와 캠 샤프트가 없는 엔진을 공동 개발하고 있다. 기존 내연기관과 거의 동일한 구조를 갖고 있지만, 흡기와 배기 밸브를 조정하는 캠 샤프트가 없다. 캠 샤프트 대신 공압-유압-전자식-작동장치를 사용한다. 이는 세계 최초로 대량생산되는 프리밸브 엔진이다.

1.6리터 터보차저 가솔린 엔진의 경우 기존 캠 샤프트를 적용한 엔진보다 출력 47% 정도, 토크 45% 정도가 증가한다고 한다. 또한 연비도 15% 이상 증가하며, 20 kg 가량의 경량화는 물론 소형화도 이룰 수 있다고 한다. 게다가 스로틀 바디, 캠 샤프트, 타이밍 기어(또는 벨트), 직분사 시스템 등 기존 구성 부품들이 대량으로 사라지기 때문에 생산 단가도 낮출 수 있다고 주장한다.

 

이들 완성차 회사에 요소기술을 제공하는 세계 최대 부품회사인 독일의 로버트 보쉬는 2017년 초 내연 기관(가솔린 / 디젤 엔진)의 새로운 개량을 위해 투자를 계속한다고 발표했다. 전 세계 자동차 시장에서 전동화에 대한 흐름이 거세지고 있지만, 보쉬는 가까운 미래에는 내연기관과 전동화 모두 중요한 역할을 지속할 것이라고 했다.

보쉬는 2025년까지 글로벌 자동차 생산은 더욱 증가해 1억 500만대에 달할 것으로 내다봤다. 이에 따라 내연 기관을 탑재한 자동차의 생산도 8,500만대로 늘어날 것으로 보고 있으며, 이에 따라 가솔린 엔진과 디젤 엔진 부품 수요도 증가 할 것으로 예상했다.

 

컨티넨탈은 배터리 전기차는 2025년까지는 내연기관 엔진에 비해 경제적 이득을 얻을 수 없을 것이라고 주장했다. 높은 배터리 가격과 한정된 항속거리, 충전 시간 등을 감안하면 소비자들에게 실질적인 도움을 주기까지에는 아직 적지 않은 시간이 필요하다는 것이다. 내연기관 관련 부품은 대당 750유로인데 비해 전기차 관련 부품은 3,000유로로 부품회사 입장에서는 훨씬 높은 수익을 올릴 수 있다. 컨티넨탈의 2021년까지 수주액은 현재 1억 3000만 유로에서 10억 유로로 증가할 것으로 전망하고 있으며, 새로운 시장을 개척하고 하이브리드 관련 기술의 연구 개발에 2025년까지 20억 유로를 투자할 예정이다. 내연기관과 전동화의 공존이 본격적으로 진행된다는 얘기이다.


 

출처 : http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_028&wr_id=39