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최첨단 내연기관 엔진

[미래의 자동차] 내연기관 엔진의 미래

전기자동차 기술이 발전했다고는 해도 아직 내연기관 엔진은 죽지 않았다. 발명된 지 100년이나 지났지만 관련기술은 매년 발전을 거듭하고 있다.

하이브리드카와 전기자동차의 발전에 주목하다 보면 내연기관은 멸종될 것처럼 느껴진다. 하지만 아직도 전 세계에서 쏟아져 나오는 신차의 99%가 내연기관 차량이다.

하이브리드카 중에도 가솔린엔진과 전기모터를 함께 사용하는 경우가 대다수며 대체에너지의 미래에 가장 낙관적 시각을 가진 자동차메이커들조차 향후 수십년간 내연기관을 메인 동력원으로 사용하겠다고 말한다.

이를 반드시 나쁜 소식이라 치부할 필요는 없다. 일부 내연기관은 여전히 이산화탄소를 배출하지만 환경오염을 유발하는 유해물질 배출량은 거의 제로에 가깝기 때문이다. 또한 효율성을 높여 무려 600마력의 출력을 내는 내연기관엔진도 존재한다.

최근 내연기관 자동차 제조사들은 각국 정부의 이산화탄소 배출규제에 맞춰 파워와 승차감은 유지하면서 엔진의 크기를 줄이는데 주력하고 있다. 향후 수년 내 자동차대리점에 등장할 내연기관 엔진의 신기능 3가지를 살펴보자.

슈퍼차저와 터보차저는 내연기관 엔진의 스테로이드다. 실린더 내에 압축공기를 분사, 출력과 효율을 배가한다. 엔진에 공급되는 공기량을 증가하는 기술, 즉 과급(過給)기술은 연료 공급량의 증가를 이뤄 엔진의 크기를 키우거나 실린더를 늘리지 않아도 더 큰 출력을 얻을 수 있기 때문이다.

지난 수십 년간 과급기술은 슈처파저나 터보차저 중 하나를 의미했다. 슈퍼차저는 엔진과 연결된 벨트의 힘으로 공기압축기를 구동, 과급효과를 낸다. 터보자처는 엔진의 배기가스로 터빈을 돌려 공기를 압축한다. 이러한 메커니즘에 의해 터보차저는 엔진의 회전속도가 낮을 경우 유용한 수준의 추가 출력을 생성할 수 없지만 엔진 회전력이 좋을 때는 슈퍼차저보다 과급효율이 좋다.

문제는 지금껏 이 둘을 동시에 적용할 수 없었다는 것. 하지만 이제는 아니다. 폭스바겐이 양산 엔진 최초로 두 가지 과급기술을 동시 채용한 '트윈차저 1.4 TSI 엔진' 을 개발, 소형엔진으로도 강력한 출력을 내는데 성공했다.

트윈차저는 엔진 속도가 터보차저에게 적합한 시점이면 터보차저, 그렇지 않을 때는 슈퍼차저가 과급을 맡는다. 몇 년 사이 등장한 복잡한 컴퓨터식 엔진제어시스템 덕분에 두 과급장치가 계속 임무교대를 해도 운전자는 이를 전혀 느끼지 못한다.

이렇게 1.4ℓ 4실린더의 트윈엔진은 최대 172마력의 힘을 낸다. 동급 엔진들에 비해 50%나 강한 출력이다. 특히 폭스바겐의 골프 해치백 등 유럽출시 모델에 채용된 트윈차저는 고속도로 주행시 1ℓ당 19.1㎞에 이르는 고연비를 낸다.

현재 폭스바겐은 세계 최대 자동차 시장인 미국에서 지금 당장 트윈차저의 대성공을 기대하지 않는다. 미국의 휘발유 값이 비교적 저렴해 트윈차저의 효용성이 반감된다는 이유에서다. 하지만 이는 유가가 폭등한다면 언제든 바뀔 수 있다.



장점: 작은 크기지만 출력은 막강
단점: 복잡한 구조. 세계 최대 자동차시장인 미국 고객에게 어필하기 힘든 작은 크기









가솔린엔진과 디젤엔진의 융합
예비혼합 압축착화연소엔진

출시시기: 2010년대 후반 디젤엔진이 효율적인 이유는 연료의 에너지 밀도가 높아서다. 가솔린엔진은 별도의 연료 점화장치가 필요하지만 디젤엔진은 압축된 공기에 디젤을 분사하면 스스로 발화하는 자가 착화가 일어나는 것도 이 때문이다. 하지만 디젤엔진은 다량의 오염물질을 배출해 이의 제거에 값비싼 최신 여과장치가 필요하다.

이에 GM, 폭스바겐 등은 디젤보다 깨끗한 가솔린을 쓰면서 디젤엔진의 효율을 내는 차세대 엔진을 개발 중이다. 예비혼합 압축착화연소(HCCI) 엔진으로 명명된 이 엔진은 이미 연소된 배기가스와 적정량의 신선한 공기를 실린더 내에서 혼합, 압축하는 방식이다. 배기가스의 열로 자가 착화의 능률을 높이는 것. 이렇게 HCCI 엔진은 가솔린엔진의 정숙성과 디젤엔진의 효율을 모두 갖출 수 있다.

사실 HCCI는 오래전부터 연구됐었지만 연소 과정의 제어가 극히 어려워 상용화에 이르지 못했다. 이것이 가변식 밸브 타이밍, 직접연료분사기술 등 최신 내연기관 엔진 제어기술의 개발에 힘입어 상용성을 갖추게 된 것이다. 이미 GM과 폭스바겐이 HCCI 엔진개발에 성공했으며 GM은 미국 디트로이트와 독일에서 시제품을 테스트 중이다.

최상급의 연비
메르세데스 E300 블루텍 하이브리드 엔진

출시시기: 2012년 후반 (유럽 한정) 하이브리드카는 도심 주행에 최적이다. 전기모터의 효율은 저속주행에서 뛰어나기 때문이다. 반면 고속도로의 경우 연비가 우수한 디젤엔진이 좋다. 메르세데스는 이 두 구동장치의 장점을 겸비한 세계 최초의 디젤 하이브리드카 'E300 블루텍 하이브리드' 를 개발하고 있다.

내년 하반기 유럽에 출시될 이 모델은 2.2ℓ 204마력급 디젤엔진을 전기모터와 리튬이온배터리에 결합시켜 연비가 24.6㎞에 달한다. 이산화탄소 배출량도 여타 신 모델의 3분의 1에 불과하다. 단지 디젤자동차나 하이브리드카의 가격이 지금도 가솔린 차량 보다 비싸다는 점에서 이 모델의 판매가는 동급차종 대비 수천 달러 이상 높게 책정될 전망이다.
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