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DAILY PICK_Car&Tech

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아직 더 뽑아낼 수 있다. 내연기관의 종말 시계를 늦춰 줄 최신 기술들

2017.03.08

 

DYNAMIC FORCE ENGINE
토요타가 신형 2.5리터 엔진을 통해 공개한 기술이다. 눈에 띄는 새 시스템 없이 구조 개선만으로 열효율을 무려 10퍼센트나 올린 것이 특징이다. 이 기술의 핵심은 흡기와 배기 밸브 사이의 각도. 토요타는 공기의 양과 출입 속도를 높이기 위해 밸브각을 31°에서 41°로 넓혀 굽이진 공기 통로(포트)를 최대한 반듯하게 펴고 피스톤 상하운동(스트로크) 폭을 늘렸다. 그리고 직분사 인젝터를 스프레이식(멀티홀)으로 바꿔 폭발력을 끌어올렸다. 즉, 공기와 연료의 흐름만을 제어해 이전보다 더 강한 힘을 더 쉽게 얻을 수 있게 된 것이다. 이런 특징 때문인지 토요타 역시 이를 동력 엔진(Dynamic force engine)이라고 부른다.

동력 엔진의 열효율은 40퍼센트로 가솔린 엔진 중 최고 수준이다. 가변 흡기밸브, 전동식 워터펌프, 가변 오일펌프 등 효율과 관련된 최신 기술들을 모두 투입하긴 했지만 밀러 사이클 또는 앳킨슨 사이클이 아닌 오토 사이클로 이 수치를 달성했다는 건 대단한 성과다. 토요타는 이 엔진을 통해 연비를 약 15퍼센트 개선할 수 있을 것으로 보고 있다.

한편, 토요타는 이 엔진과 함께 신형 플러그인 하이브리드 시스템도 선보였다. 발전용으로 사용하던 모터를 주행용으로도 활용하는 듀얼 모드 드라이브 시스템으로 효율과 성능을 동시에 끌어올렸다. 또한 새로 개발한 전륜구동 8단과 후륜구동 10단 변속기도 공개했다. 저마찰 기어와 고마찰 클러치 채용, 록업 영역 확대, 변속 속도 향상 등으로 손실 토크를 기존 변속기 대비 무려 50퍼센트 가까이 줄였다. 

 

 

VC-T ENGINE
인피니티가 공개한 VC-T(Variable Compression Turbocharged, 가변 압축 터보)는 이름 그대로 상황에 따라 스스로 압축비를 바꾸는 엔진이다. 평소엔 압축비를 높여 효율을 끌어올리고 부하가 심해지면 압축비를 낮춰 내구성을 확보한다. 1998년부터 이 기술을 개발하기 시작한 닛산은 커넥팅 로드와 크랭크샤프트 사이에 멀티링크를 달아 내연기관 엔진이 발명된 이래 모든 엔지니어의 숙원 사업이었던 가변 압축 시스템을 구현하는 데 성공했다. 멀티링크의 끝부분을 컨트롤 암이 당기거나 밀면 피스톤 상사점이 변하는 구조이며 이에 따라 압축비도 최저 8:1에서 최고 14:1까지 오르내린다.
 
메르세데스 벤츠 역시 2008년 F700 콘셉트카를 통해 이와 비슷한 구조의 엔진을 선보인 바 있다. F700의 엔진은 가솔린 자연 착화(DiesOtto, 디조토) 기술로 유명세를 탔지만 사실 이 기술은 가변 압축 시스템을 밑바탕에 깔고 있었다. 3500rpm이 넘으면 자연 착화 타이밍을 예측하기 어렵기 때문에 압축비를 낮추고 강제 점화 방식으로 바꿨던 것. 자연 착화 방식이 기본인 디젤 엔진의 회전 한계가 낮은 것도 바로 이런 이유 때문이다. 
이처럼 가변 압축 시스템은 가솔린 엔진의 ‘끝판왕’이라고 할 수 있는 자연 착화 엔진에 반드시 필요한 기술이다. 닛산의 이번 양산으로 인해 가솔린 자연 착화 시스템의 양산이 급물살을 탈 수도 있다. 닛산의 가변 압축 시스템은 기존 동급 엔진보다 약 27퍼센트 더 높은 효율을 뽐내며, 차세대 QX50을 통해 선보일 예정이다. 

 

 

QAMFREE ENGINE
쾨닉세그의 자회사 프리밸브가 개발한 엔진이다. 회사 이름은 밸브가 없다는 뜻이지만 이 회사가 개발한 엔진은 밸브와 한 짝을 이루는 캠(Cam)이 없다. 그래서 엔진 이름은 캠프리(QamFree)다. 캠은 실린더 헤드의 핵심 부품이다. 밸브를 열어 연소실에 공기를 공급하거나 배기가스를 빼내는 장치로 출력과 연비에 막대한 영향을 끼친다. 

캠프리 엔진의 구조는 간단하다. 캠과 관련된 대부분의 부품을 들어내고 그 빈자리에 밸브를 밀어내는 액추에이터와 이를 제어하는 전자 레일로 채웠다. 장점은 공기와 배기가스의 흐름을 보다 정밀하고 자유롭게 제어할 수 있다는 것. 기존의 가변 밸브 시스템은 정해진 조건 안에서만 움직였지만 새 시스템은 상황에 따라 밸브를 여는 시기와 닫는 시기, 그리고 밸브의 열림 정도까지 미세하게 조정한다. 고회전에서 밸브 스프링의 운동이 불안정해지는 밸브 서징 현상도 말끔하게 해결할 수 있을 것으로 예상된다.  

사실 캠프리 엔진은 구조 자체만으로도 우월하다. 공기가 레일을 통해 공급되기 때문에 공기를 모아 각 실린더로 공급하는 서지탱크를 떼어내 부피와 무게를 줄일 수 있다. 또한 마찰 부품이 없어 엔진 오일을 실린더 헤드까지 퍼 올릴 필요가 없고 캠 벨트가 없어 크랭크샤프트에 걸리는 저항도 적다. 물론 문제도 있다. 가장 걱정되는 건 안정성이다. 밸브 타이밍의 오류는 엔진 내부의 핵심 부품을 파손시킬 수 있을 정도로 중요하다. 따라서 캠프리 엔진의 성패는 제작 정밀도에 달렸다고 할 수 있다.

프리밸브의 캠프리 엔진은 코로스의 준중형차인 3를 통해 양산될 예정이다. 구성은 1.6리터 터보. 밸브프리에 따르면 최고출력은 230마력, 최대토크는 32.6kg·m로 구형 코로스 3의 1.6리터 터보 엔진에 비해 각각 47퍼센트, 45퍼센트 향상됐으며 연비는 15퍼센트 개선됐다. 참고로 코로스는 중국의 체리자동차와 이스라엘의 투자 회사 캐논 홀딩스가 세운 합작사로 유럽 시장을 적극적으로 공략하고 있다. 

 

 

48V MILD HYBRID SYSTEM
48볼트 마일드 하이브리드 시스템은 기존 하이브리드 시스템과는 개념이 다르다. 토요타가 확립한 하이브리드는 엔진과 함께 바퀴를 돌리지만 48볼트 시스템은 엔진이 자신의 주 임무에 온전히 집중할 수 있게 돕는다. 사실 엔진은 차를 굴리는 것 이외에도 많은 일을 한다. 스티어링휠을 가볍게 만들고, 에어컨 가동을 위해 냉매를 압축하며, 자신의 열을 식힐 물(냉각수)도 순환시킨다.

48볼트 시스템은 고전압·고성능 전기모터를 이용해 이런 잡일을 대신 처리한다. 효율은 이미 어느 정도 보장된 상태다. 자동차 회사들은 꽤 오래 전부터 유압식 파워스티어링 기구를 엔진에서 떼어내 전기모터로 돌리기 시작했고, 이것만으로도 연비를 약 4퍼센트나 개선했다. 메르세데스 벤츠에 따르면 냉각수 순환 장치(워터펌프)와 에어컨 컴프레서 등을 전기모터로 돌리면 효율을 약 15퍼센트 더 개선할 수 있다. 참고로 현재 12볼트 체계는 전압이 달려 이런 시스템을 구축하기가 어렵다.

고전압·고성능 전기모터의 도입으로 인한 이점은 또 있다. 바로 터보 지체 현상 방지다. 터보차저의 핵심 부품인 컴프레서휠을 강제로 돌려 엔진 과급 시기를 앞당길 수 있게 된 것. 컴프레서휠은 1분당 최대 12만~14만 번을 회전한다. 12볼트 전기모터는 이런 컴프레서휠이 적정 회전수에 도달하게 만들기에는 회전력이 약하다. 

전기터보로 저회전 과급을 처리하는 멀티터보 시스템을 구성할 수도 있다. 이런 구조는 이미 아우디 신형 SQ7에 사용되고 있다. 성능은 막강하다. 전기터보 1개와 일반 터보 2개를 맞물린 4.0리터 V8 디젤 엔진은 1000rpm부터 무려 91.8kg·m의 토크를 쏟아낸다. 참고로 SQ7은 안티롤 바도 48볼트 고성능 전기모터로 제어하고 있다. 기존 유압 방식보다 반응이 더 빠르고 부드럽다. 벤틀리 벤테이가와 포르쉐 신형 파나메라도 같은 방식의 액티브 안티롤 바를 사용하고 있다. 

48볼트 하이브리드 시스템은 벤츠 S 클래스 부분변경 모델을 통해 선보일 예정이다. 물론 차체의 모든 전압이 48볼트로 바뀌진 않는다. 아직 많은 시스템들이 12볼트 규격에 맞추고 있기 때문이다. 벤츠의 새 시스템은 신형 직렬 6기통 엔진과 결합된다. 처음부터 모듈화를 염두에 두고 설계된 엔진인 만큼 48볼트 시스템도 모든 엔진으로 확대 적용될 가능성이 높다. 폭스바겐 그룹 역시 48볼트 시스템을 준비하고 있다. 차세대 골프 GTI와 아우디 A6가 이 시스템을 도입할 것으로 알려져 있다. 

Gasoline Particulate Filter
폭스바겐 디젤 게이트는 가솔린 엔진에도 불똥을 튀겼다. 자동차 배기가스가 사회문제로 떠오르며 직분사 엔진의 미세먼지 배출 이슈까지 도마 위에 오른 것. 결국 유럽연합(EU) 집행위원회는 2018년부터 가솔린 직분사 엔진의 미립자 필터 장착을 의무화하기로 결정했다. 
미립자 필터는 가솔린 직분사 엔진에서 배출되는 미세먼지를 약 90퍼센트 줄여줄 것으로 예상된다. 메르세데스 벤츠와 BMW가 솔선수범에 나섰고, 폭스바겐도 곧 동참하겠다고 밝혔다. 하지만 그들의 심정은 어떨까? 미립자 필터를 달면 분명 성능이 떨어지고 동시에 효율도 줄어들 텐데 말이다. 게다가 평균 이산화탄소 배출량 감소 시행도 얼마 남지 않았다. 2020년까지 현재의 130그램을 95그램으로 줄여야 한다(유럽 기준). 
변화는 시작됐다. 하지만 미래는 아직 저 앞에 있다. 그동안 내연기관은 우리의 삶을 책임져야 한다. 스포츠카 또는 럭셔리카 브랜드들이 하이브리드와 전기차에 주목하는 것도, 자동차 회사들이 아직도 내연기관 기술 개발에 매달리는 것도 바로 이런 이유 때문이다.

 

 

 

모터트렌드, 자동차, 부속품

 

CREDIT

EDITOR / 류민 / PHOTO / PR / MOTOR TREND

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