2020년부터는 유럽을 비롯, 전 세계적으로 더욱 강력한 배기가스 규제가 시행된다. 차를 팔기 위해서는 친환경 파워트레인을 만들지 않고서는, 사업을 유지할 수 없다. 배터리 전기차 라인업을 허겁지겁 꾸리는 다른 제조사들을 깔보기라도 하는 듯, 현대기아차는 ‘세계 최초 개발 양산’이라는 타이틀을 달고 스마트스트림 G1.6 T-GDi 파워트레인을 공개했다. 이미 2018 K3에 탑재된 첫 스마트스트림 G1.6과 2019 쏘나타에 탑재된 G2.0, 그리고 2020 K7 프리미어에 탑재된 G2.5는 차량 출시와 함께 가볍게 사용된 기술만 간단히 소개하고 넘어갔다. 하지만 이번 쏘나타 터보에 탑재될 스마트스트림 G1.6 T-GDi는 현대기아차에서 기술설명회까지 따로 개최할 정도로 적극적이다. 현대기아차는 어떤 부분을 자랑하고 싶어서일까?
기계식으로 밸브의 열리는 시간을 조절하는 CVVD 기술
현대기아차는 스마트스트림 G1.6 T-GDi 파워트레인을 공개하며 ‘133년 가솔린 내연기관 역사에서 가장 획기적인 진화’라는 표현을 썼다. 바로 연속 가변식 밸브 구간, CVVD 기술을 적용하고 최초로 양산했기 때문이다. 파워트레인 1센터장 주성백 상무는 프레젠테이션을 시작하며, 세계최초로 CVVD를 개발했으며 양산에 성공했다고 밝혔다. 그는 현대기아차가 매년 선정하는 워즈오토 10대 엔진상에서, 11년간, 엔진부문 6회, 친환경 파워트레인 4회를 수상했다며 기술력에 자신감을 나타냈다. 많은 제조사들이 가변 밸브관련 기술들을 개발하고 적용했지만, 실상 밸브의 열리는 시기와 열리는 높이만 앞뒤로 움직일 수 있었을 뿐, 밸브가 열려있는 시간 조절은 할 수 없었다.
엔진의 개선점에 대해 현대기아차가 강조하는 부분은 두 가지다. 첫 번째로, 이들은 성능과 효율이라는 양립할 수 없는 요소를 모두 증가시켰다고 했다. 기존 동일한 엔진 대비, CVVD를 추가함으로써 성능은 4%, 배기가스는 12% 저감했다. 연비로 계산한다면 5%가 증가했다.
두 번째는 기구 구조의 단순화이다. 복잡한 기구와 고정밀 전자식 장치는 극한의 뛰어난 제어를 할 수 있지만 내구성에 문제가 생길 수 있다. 부품 수가 적으면 고장나서 동작되지 않을 확률이 줄어든다. 일반 차량과 비교했을 때, 엔진 헤드에만 CVVD 기구를 추가함으로써, 호환성이 무척 높다. 장치 추가로 늘어나는 무게는 겨우 6kg에 불과하다.
다른 회사들의 가변 밸브 기술
현대기아차 가솔린엔진2리서치랩 하경표 연구위원에 따르면 CVVD는 타사의 기술 대비 굉장히 간단한 방법으로 밸브 열림구간을 변화시킬 수 있다고 했다. 흡기밸브가 열리는 타이밍을 길게 가져가 피스톤이 압축되는 동안 일부 열어놓게 되면 엔진의 압축비를 변화시킬 수 있다. 이것이 요즘 엔진들에 많이 사용되는 가변 엣킨슨 사이클이란 기술이다. CVVD가 적용된 스마트스트림 G1.6 T-GDi의 압축비는 4:1에서 10.5:1까지 가변할 수 있다.
가변 압축비라면 인피니티의 VC터보가 떠오른다. 크랭크샤프트 링크 구조물로, 피스톤 동작범위를 바꿔 압축비를 가변하는데, 8:1에서 14:1까지 변화한다. 그러나 수치상으로는 CVVD가 0.4정도 압축비의 변화가 크다.
하경표 연구위원의 말에 따르면 CVVD는 크랭크샤프트처럼 엄청나게 큰 힘이 필요한 곳이 아니라, 캠샤프트에 간단한 링크구조를 추가했기 때문에 VC터보 대비 1/10, 1/20정도의 힘만으로도 충분히 구동 가능하다고 밝혔다. VC터보 역시 고성능과 효율을 잡겠다고 나선 기술이라 CVVD와 큰 맥락은 같다. 실제로 성능과 효율이 많이 개선되었지만 무엇보다도 배기가스의 오염물질을 줄이는 데 효과적이었다는 평가다.
가변 밸브 기술의 미래
엔진의 구동력(캠)으로 밸브를 여닫지 않고, 전자식으로 밸브의 동작을 개발한 제조사도 있었다. 사브 9-5와, 신형 코닉세그 차량에 탑재되는 캠리스 전자식 밸브, 프리 밸브가 바로 그것이다. 이 기술은 모터의 회전을 직선 운동으로 바꿔주는 엑츄에이터(Actuator)를 이용하여 밸브를 여닫는다. 현대기아차 연구원에 따르면 이들은 밸브 동작에 필요한 출력이 생각보다 많이 필요하다고 한다. 결국은 엔진의 구동력에서 전력을 만들어야 하는데, 효율이 떨어져서 문제라고 한다. 코닉세그를 비롯한 캠리스 기술 개발 제조사들은 직접 밸브를 조작하지 않고, 유압이나 공압을 이용해 간접적으로 밸브를 동작시키는 효율적인 기술로 전환해 가고 있다.
아무리 고성능의 좋은 기술이 있다고 해도, 달릴 때 마다 뜯고 교체하는 레이스카가 아닌 이상은 문제가 최소화 되어야 하는 것이 중요하다. 즉 많은 진동과 충격, 긴 시간과 수억번의 여닫힘이 있더라도 고장나지 않고 정상동작을 보장하는 시스템의 내구성이 필요하다. 또 부품 수가 많으면 고장날 확률이 높기 때문에, 긴 시간 동작을 보장할 수 없다.
밸브의 여닫힘을 여러번 조절할 수 있는 FCA그룹의 멀티에어 기술도 있다. 가변 밸브 작동에 관여하는 온/오프 스위치, 즉 솔레노이드 밸브라는 전자부품이 흡기 밸브 조작에 관여한다. 우선 멀티에어는 엔진이 최대성능을 내도록 밸브를 세팅한다.
그 다음 이 밸브의 움직임을 기반으로 솔레노이드 밸브를 추가 작동시킨다. 솔레노이드 밸브는 유압의 전달을 끊고 잇는 방법으로 밸브를 늦게 열거나, 닫고 또 다시 열 수 있으며, 원하는 높이만큼 열 수 있다. 엔진이 고성능을 내면서도, 차량 출발시 불필요한 출력을 내지 않는다. 이는 차량의 울컥거림을 줄이며, 높은 효율로 배기가스 규제까지 만족한다.
스로틀이 없거나, 혹은 거의 일을 안하거나
BMW의 가변밸브 기술인 밸브트로닉 기술은 밸브의 열고 닫힘으로 공기 흡입량을 조절한다. 일반적인 가솔린 엔진이라면 가지고 있는 스로틀이 밸브트로닉에선, 일단 시동이 걸리고 나면, 일반적인 상황에서는 거의 동작하지 않는 특징이 있다. 스로틀 밸브를 통과하며 발생하는 공기저항을 줄여서 엔진 효율을 높인 것이다. BMW는 10%의 효과가 있다고 밝혔다. FCA그룹의 멀티에어 기술은 이보다 한술 더 떠서, 아예 스로틀을 없애고 밸브만으로 공기의 흡입량을 조절한다.
현대기아차도 밸브 가변 타이밍 리프트(VVTL)기술 적용시 가변 흡기 시스템(VIS. Variable Induction System)이라는 공기 흡입량 조절장치를 사용한다. 멀티에어 시스템은 밸브를 자유롭게 제어하는 만큼, 스로틀을 없애고 구조를 단순화 한 것을 장점으로 내세운다. 전자식 제어를 위한 솔레노이드 밸브 채택에 대해서는 장단점이 존재한다.
피아트의 멀티에어 시스템은 무척 이상적인 기술이지만, 밸브 가변 기술 동작에 관여하는 매체가 유압과 솔레노이드 밸브라는 전자부품, 두 가지이다. 게다가 흡기 밸브가 스로틀까지 대체한다. 솔레노이드가 고장난다고 해도 최후의 안전장치가 있다. 포트에 연료를 분사하는 인젝터가 최종적으로 제어하고 있기 때문에, 원치 않는 엔진 동작 - 급발진이 일어나거나 하는 일은 없다.
그러나, 고성능을 기반으로 한 밸브 동작이 기준이기 때문에 고회전으로 엔진이 동작할 때는 문제가 없지만, 에서는 아무래도 솔레노이드가 고장이 난다면 저회전에서 효율적인 연소를 위해 공기 흡입량을 제어할 수 없다. 차량은 정상연소가 되지 않고, 불완전 연소 – 소위 말하는 찐빠(부조)현상이 나타난다. 현대기아차 연구원에 따르면, CVVD 기술은 기계식 동작이고, 모터가 작동을 멈추더라도(가변만 안될 뿐) 엔진은 계속 동작한다고 말했다.
204마력 스마트스트림 G1.6 T-GDi
최근까지 사용한 VVTL 기술은 부품사에 특허가 있기에, 누구나 원한다면 어느 제조사건 가져다 쓸 수 있다. 반면 CVVD는 현대기아차 고유의 특허기술이다. 하경표 연구위원은 이번 스마트스트림 G1.6 T-GDi에는 흡기 밸브에만 CVVD가 적용되었지만, 배기 밸브에까지 적용한다면 최대 51%의 배기가스 개선효과를 낸다고 밝혔다.
스마트스트림 G1.6 T-GDi 파워트레인은 DN8 신형 쏘나타 터보 뿐만 아니라 투싼과 스포티지에도 적용된다. 하경표 연구위원은 세계 최초로 양산에 성공하고, 기술이 적용된 엔진을 선보인 것에 대해 무척 자랑스러워했다. 그는 G1.6 T-GDi 파워트레인이 적용되는 차량에 쏘나타를 이야기하며 동급 차량에도 적용된다고 언급한 바 있는데, 아마도 기아 K5에 장착되지 않을까 추측된다.
앞으로 터보 차량에는 CVVD를, 자연흡기 차량에는 기존처럼 연속 가변 밸브 리프트 기술, CVVL이 폭넓게 적용될 것으로 보인다. 이번 발표된 엔진은 최대출력 180마력, 최대토크 27kgf.m를 발휘하는 엔진이다. 조만간 기존 사용하던 일반 T-GDi 엔진과 동일한 204마력 버전이 출시될 예정이다.
이날 기술설명회에 도움을 주고자 배석한 연구원들 얼굴에는 자신감이 넘쳤다. 최대한 쉽고 재미있게 이해할 수 있도록 많은 교보재를 준비한 점이 무척 인상적이었다. 또한 캠 움직임의 변화를 통해, 실제로 어떻게 밸브가 가변 동작하는 지 볼 수 있어 좋았다. 한편으론 실제 링크 내부구조가 무척 궁금한데, 자세히 보여주지 않은 것이 아쉽다. 현대기아차가 9년이라는 긴 시간동안 200여명이 넘게 개발에 참여한 CVVD기술. 친환경차 시대가 되면서, 이제 내연기관은 끝이라 생각하는 사람도 많다. 그러나 내연기관은 아직 발전할 여지가 남았다. 스마트스트림의 목표, 가솔린 엔진 열효율 50%를 달성하는 그 날까지, 내연기관 파워트레인 분야의 진보는 계속된다.
