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Car Technic / 효율성을 위한 노력 0
등록자 허인학 기자 작성일자 2018-06-22 오후 1:13:19

 

적게 먹거나 아예 안 먹기

효율성을 높이기 위한 노력들



자동차건 패션이건 유행은 자꾸만 변한다. 편하고 고급스러운 자동차가 유행이던 때가 있었고, 빠른 자동차가 제일이라고 생각하던 때가 있었다.

그렇다면 지금은? 모두가 알고 있겠지만 요즘의 유행은 효율성이다. 최대한 기름을 덜 먹거나 가능하면 한 방울의 기름도 없이 달리는 것이 유행처럼 번지고 있다는 뜻이다. 그렇게 우리는 최신의 유행에 따라 또 다른 선택을 하고 있다.


◆ 지구도 돌고, 유행도 돌고
큰마음 먹고 지갑을 탈탈 털어 산 최신 유행의 옷. 그런데 한 계절이 지나고 입으려니 어딘가 어색하다. 유행이 지나버린 것일까? 아니면 내 취향이 바뀐 것일까? 분명 유행이 지난 게 틀림없을 것이다.



자동차 역시 마찬가지로 유행이 변하고 있다. 수천만 원을 들여 산 애마는 영원히 나를 즐겁게 해줄 것만 같았는데 시간이 지나고 보니 유행도 지나버린 느낌이고, 최신의 것들에 마음이 동요하기 시작했다.

이처럼 자동차도 옷만큼이나 유행에 민감한 물건이다. 그 시대 유행하던 디자인과 각종 기능들, 심지어는 실내조명의 색도 유행을 따르니 어찌 보면 패션보다 예민한 것이라 볼 수도 있다.

성능은 두말 할 것도 없다. 오랜 세월동안 발전한 자동차는 유행에 따라 성능도 자세를 달리하고 있다.

과거에는 오로지 강력한 동력 성능에만 초점을 맞춰 커다란 심장을 달고 400마력, 혹은 그 이상의 출력을 내는 게 유행이었고, 각 브랜드들은 고성능 모델들을 선보이며 유행에 발을 맞춰가고 있었고, 당시에는 그것이 최고인줄만 알고 있었다.



하지만 지금은 상황이 많이 다르다. 덮어놓고 뽑아 쓴 화석연료는 고갈되기 직전의 상태까지 이르렀고, 대기문제가 발생하면서 유행은 크게 방향을 바꿨다.

방향을 튼 유행은 ‘효율성’이라는 곳에 도착했고, 그것이 최신의 유행이 되어 버렸다.

사실 각 브랜드들은 이런 상황을 미리 예상이라도 한 것인지 오래 전부터 효율성을 강조한 모델들을 비밀리에 개발하고 있었다. 그 대표적인 예가 ‘하이브리드(HEV)’와 ‘플러그인 하이브리드(PHEV)’다.

가솔린과 전기모터를 조합해 연료를 태우는 과정을 최대한 줄이고 효율성을 높이는 것이었다. 결과는 말 그대로 ‘대박’에 가까웠다.

친환경이라는 타이틀과 각종 지원금 등이 소비자들의 지갑을 열리게 한 것이다. 조금 욕심을 부려 전기모터로만 움직이는 ‘전기차(EV)’를 만들어냈고, 심지어는 수소로 움직이는 ‘수소연료전지차(FCEV)’까지 등장시키기에 이르렀다.



물론 완벽한 친환경차의 시대가 완벽한 상태로 우리를 찾아왔다고 볼 수는 없다. 아직은 미완성의 단계이며 계속적으로 단점을 보완해야 하고, 동시에 인프라 구축이라는 숙제도 남아있기 때문이다.

◆ 디젤은 포기할 수 없다
한 때는 디젤 엔진이 최고의 효율성과 성능을 갖췄다고 선전하던 시기가 있었다. ‘클린 디젤’이라는 말까지 외쳐가며 사람들의 선택을 은근슬쩍 강요했다.

가솔린 엔진 대비 소음과 진동이 있다는 단점이 있지만 적게 먹고 멀리 달리는 것은 분명했다. 그런데 또 시대가 변했다.

환경오염 문제의 주범으로 지목되고, 노후 디젤차의 운행 제한, 조기폐차 지원금이라는 것이 등장했다. 게다가 한 브랜드의 이슈까지 발생. 운명의 장난처럼 디젤 엔진은 한 순간에 설 자리를 잃어버리고 만 것이다.



디젤차가 최고라고 떠들어대며 구매를 부추길 대는 언제고 이제 와서 다른 차를 사라니. 참으로 아이러니한 상황이 아닐 수 없다.

내리막길을 걷고 있는 디젤. 그렇다고 엄청난 개발비를 들여 빚어낸 디젤 심장을 버릴 수만은 없는 일이었다. 사람들의 선택을 이끌어낼 방법이 필요했다.

그렇게 방법을 조금 달리해 환경오염 문제의 주범이라는 오명을 벗기 시작했다. 각 브랜드들은 일산화탄소(CO)나 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2), 미연탄화수소(HC) 등의 가스와 고체형상의 입자상물질 등의 유해물질의 배출을 줄여 환경규제를 충족하는 방법을 선택했다.

일반적으로 최신 디젤 엔진에는 이런 유해물질의 배출을 줄이기 위해 전자제어 연료장치나 ‘전자식 배출가스환원장치’, ‘디젤 입자상물질 필터’, ‘질소산화물저감장치’, ‘선택적환원촉매’ 등 다양한 시스템을 적용하고 있다.



가장 널리 사용되고 있는 시스템은 ‘요소수(Adblue)’를 넣어 배기가스를 줄이는 SCR 방식이다.

이는 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 처리하기 위해 산화촉매를 터빈 배기부에 장착하고 이를 거친 탄화수소와 일산화탄소는 물과 이산화탄소로 변환된다.

온도 센서와 압력 센서, 질소 센서 등 다양한 제어 시스템을 통해 요소수가 분사되며 분사된 요소수는 화학 반응을 통해 기화를 거쳐 암모니아로 바뀐다.

이렇게 발생된 암모니아는 일산화질소를 물로 전환시킨다. 이를 통해 배출되는 유해 물질을 줄이는 것이다.



특히 이 방식을 가장 많이 사용하고 있는 PSA의 경우 SCR 시스템을 DPF 상부에 장착하는 방식을 사용하고 있고, 경쟁사 DPF 대비 100도 낮은 온도에서 입자의 크기에 상관없이 매연을 99.9% 제거할 수 있는 능력을 갖춰 유해 물질을 가장 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 기술로 손꼽히고 있다.

브랜드들의 못 말리는 디젤 사랑은 조금 독특한 시스템을 만들어냈다. 유해 물질 배출이 적은 것은 당연하고, 최신 유행인 효율성까지 동시에 만족할 수 있는 그런 시스템을. 바로 메르세데스-벤츠가 공개한 디젤 플러그인 하이브리드 시스템이다.

메르세데스-벤츠가 공개한 디젤 플러그인 하이브리드는 새로 개발한 ‘OM654’ 4기통 디젤 엔진과 3세대 하이브리드 시스템을 조합한 것이다.



122마력의 힘을 내는 전기모터가 탑재되고, 13.5kWh 용량의 신형 리튬-이온 배터리가 더해져 전기모터로만 약 50km를 주행할 수 있는 것으로 알려졌다.

여기에 7.2kW 온보드 차저를 적용해 전용 월박스를 사용하면 두 시간이 채 걸리지 않는 시간에 배터리를 완전 충전할 수 있다.

또한, 3세대 하이브리드는 내비게이션과 카메라, 레이더 등에서 수집된 정보를 기반으로 움직이며, 이를 통해 운전자를 도와 효율성을 높일 수 있는 주행이 가능하고, 상황에 따라 전기 에너지 사용을 제어할 수 있는 특징을 가지고 있다.

함께 적용된 에코 어시스트 시스템은 과격한 주행을 제어하는 기능과 주행 중 배터리를 충전할 수 있는 ‘차지 모드’와 배터리를 사용을 막는 ‘E-세이브 모드’, 전기모터로만 주행하는 ‘E-모드’ 등 총 4가지 주행 모드가 담겨있다.



디젤 게이트에 휘말렸던 폭스바겐 역시 디젤 엔진을 포기하지 못했다. 폭스바겐은 4기통 2.0 TDI 엔진과 하이브리드 시스템을 적용한 파워트레인을 공개했다.

시스템 총 출력 204마력을 발휘하는 이 파워트레인은 MQB 플랫폼에 적용될 예정이고, 자세한 정보는 공개되지 않았지만 CO₂ 배출량이 km 당 10g 줄고, 힘은 9% 상승할 것이라고 전했다.

또한 이와 함께 전기모터를 보조 동력으로만 사용하는 48V 마일드 하이브리드 시스템과 천연가스를 사용하는 1.5 TGI Evo도 공개했다.

세계 최초로 공개된 1.5 TGI Evo는 천연가스(CNG)를 연료로 사용하며 1.5ℓ TSI ACT를 기반으로 개발됐다. 충전된 CNG를 모두 사용하면 자동으로 가솔린 모드로 전환되는 특징을 가지고 있다.

사실 디젤 엔진에 하이브리드를 접목 시킨 것은 이번이 처음은 아니다. 지난 2012년 공개된 디젤 하이브리드 모델 푸조 508과 3008, DS5가 있었기 때문이다.



그런데 시대를 너무 앞서간 것이었을까? 아쉽게도 성공적인 결과물을 만들어내지는 못했다. 그래서 메르세데스-벤츠와 폭스바겐이 공개한 디젤 하이브리드 파워트레인에 눈길이 가는 것이다. 가격적인 문제와 여러 숙제들을 해결한다는 가정하에 말이다.

◆ 가솔린도 효율성이 높을 수 있다
대게 가솔린 엔진은 ‘돈 걱정 없는 사람들이 타는 차’ 혹은 ‘효율성은 포기해야 하는 차’ 쯤으로 인식되고 있다.

효율성이 강조되고 있는 지금 유행에서 본다면 그리 좋은 시선은 아니다. 그런데 이제는 인식이 점차 바뀌고 있다.

가솔린 기반의 하이브리드 모델을 비롯해 다운사이징 등 최신 기술을 접목시키는 노력으로 효율성이 낮다는 인식을 바꿔놓기 위한 작업에 돌입했다.



이 정도 속도라면 빠른 시간 내에 디젤의 효율성을 뛰어넘는 가솔린 엔진이 태어날지도 모르는 일이다.

오명을 벗기 위해 나선 토요타. 디젤 엔진 보다는 가솔린 엔진과 하이브리드 개발에 매진했던 토요타는 효율을 높인 3.5ℓ V6 직접 분사 트윈터보 가솔린 엔진을 올해 초 공개했다.

보어와 스트로크를 각각 85.5mm, 100mm로 늘려 성능도 강화시키며 동시에 효율성까지 높였다.

대부분 스트로크를 길게 할 경우 회전속도가 낮아지는 특성을 가지기 때문에 대부분의 브랜드들은 숏 스트로크 타입을 적용하는 것이 일반적이다.

하지만 이런 단점을 보완하기 위해 연소 속도를 높이고, 피스톤과 커넥팅 로드의 경량화를 통해 엔진 회전속도 저하를 줄였다는 게 토요타의 설명이다.



‘V35A-FTS’라는 코드네임을 달고 있는 이 엔진은 10.4:1의 압축비를 가지고 230마력의 최고출력, 61.2kg·m의 성능을 발휘한다.

이와 같은 성능과 효율성은 비슷한 크기의 엔진과 비교할 경우 높은 수준에 해당하는 수치다.

국내에서는 만나볼 수 없는 마쯔다 역시 가솔린 엔진의 효율성을 높이기 위해 끊임없는 투자와 연구를 진행했고, 그 결과 디젤처럼 움직이는 ‘HCCI’ 방식의 스카이액티브-X 엔진을 세계 최초로 선보였다.

도통 감이 오지 않는 생소한 방식이긴 하다. 조금 더 쉽게 말하면 디젤 엔진과 같은 원리로 움직여 출력은 물론 효율성까지 높였다는 것이다.

단지 실린더 내부에 디젤 대신 가솔린이 뿌려진다는 점이 다를 뿐이다. 압축착화 방식은 실린더 내 혼합기를 압축해 높은 온도의 혼합기에 연료를 직접 분사해 폭발을 일으키는 방식이다.



실린더 안에 공기를 집어넣어 압축시키고, 밀도와 온도가 높아진 공기에 가솔린을 분사해 발화 및 폭발을 일으킨다.

일반적인 가솔린 엔진에 비해 높은 압력 상태에서 폭발하기 때문에 디젤 엔진과 비슷한 힘과 연비를 얻고, 동시에 실린내 내부에 연료가 균일하게 발화되기 때문에 동일한 폭발력을 얻을 수 있다는 게 마쯔다의 설명이다.

물론 단점도 있다. 온도와 압축비에 영향을 많이 받는 가솔린은 점화 시점을 조절하기가 힘들기 때문이다.

이로 인해 노킹이 생길 수도 있고, 실린더 내부가 충분히 달궈지지 않으면 본래의 출력이 나오지 않거나 시동이 꺼질 수도 있다.

마쯔다는 이런 문제점을 극복하기 위해 ‘SPCCI’이라는 시스템을 넣어 압축착화가 정상적으로 이뤄지지 않을 경우 점화 플러그가 은근슬쩍 도움을 주게 만들었다. 점화플러그를 완전히 제거하지 않은 비밀이 밝혀지는 부분이기도 하다.



여기에 고온, 고압에서 폭발하는 특징을 이용해 희박연소 기술까지 더했다. 스카이액티브-X 엔진은 일반 엔진 대비 최대토크를 10~30%까지 향상시킬 수 있고, 효율성은 최신 디젤 엔진과 비슷한 수준에 달하는 것으로 알려졌다. 이 정도면 최고의 기술이라고 봐도 되지 않을까 싶다.



◆ 아직 시간은 많이 남았다
자동차 브랜드들은 효율성이라는 트렌드를 따르기 위해 계속적으로 노력하고 있다. 압축비를 자유자재로 바꿀 수 있는 엔진을 개발하기도 하고, 벤츠와 폭스바겐처럼 디젤 하이브리드 시스템 같은 고효율의 것들을 만들어내고 있다.

심지어 고성능 브랜드인 포르쉐와 재규어는 본래의 엔진의 실린더를 잘라내 2.0ℓ 4기통 심장을 품은 녀석을 내놓기도 했다.

쉽게 내연기관 엔진을 포기하지 않겠다는 의지인 셈이다. 어쩌면 전기차 시대가 오는 것을 조금이나마 막고 시간을 벌어놓는 것일 수도 있다.



물론 연료를 최대한 덜 먹고 멀리 달리 수 있는 궁극은 누가 뭐라 해도 전기차가 최고이기는 하지만, 개인적인 바람으로는 내연기관이 사라지지 않기를 바랄 뿐이다.

내연기관을 지켜내기 위한 브랜드들의 노력이 헛수고가 되지 않도록 말이다.


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