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현대기아차가 만드는 가솔린엔진
고효율, 고성능을 향해 끊임없이 달려갑니다2015/10/29by 현대·기아

승용차의 심장 역할을 하는 가솔린엔진이 어떻게 작동하는지 궁금했던 적 없으신가요?
가솔린엔진의 구동 원리와 함께 끊임없이 발전하고 있는 현대기아차의 엔진기술들을 살펴봅니다

1876년 첫 4행정 내연기관이 탄생한 이후 가솔린엔진은 고효율, 고성능을 향해 꾸준히 발전해왔습니다.
l 1876년 첫 4행정 내연기관이 탄생한 이후 가솔린엔진은 고효율, 고성능을 향해 꾸준히 발전해왔습니다.



가솔린엔진의 역사는 에너지 효율을 높이기 위한 치열한 여정이었다고 해도 과언이 아닙니다. 에너지 손실을 최소화하고 고효율, 고성능이라는 두 마리 토끼를 잡으려는 개발자들의 열정이 엔진 속에 고스란히 담겨 있습니다. 1876년 독일의 오토가 세계 최초로 4행정 원리의 엔진 시스템을 발명한 이후 가솔린엔진은 끊임없이 발전하는 중입니다. 그 역사 속에서 현대기아차는 독자 기술을 향한 커다란 행보를 이어가고 있죠.



완벽한 독자 엔진 개발을 위한 현대기아차의 여정

꾸준히 발전을 거듭해온 현대기아차의 독자 엔진기술은 2세대를 넘어 신기술로 채워진 3세대를 준비하고 있습니다
l 꾸준히 발전을 거듭해온 현대기아차의 독자 엔진기술은 2세대를 넘어 신기술로 채워진 3세대를 준비하고 있습니다

현대자동차는 1983년 파워트레인센터 설립을 결정하고 1991년 첫 독자개발 엔진인 알파엔진과 수동 변속기를 탄생시켜 파워트레인 내재화 시대의 서막을 열었습니다. 완성차 메이커로서의 위상을 높이고 시대 흐름과 운전환경 변화에 대처하기 위한 길을 걸어오면서 수많은 특허와 기술력을 구축하게 됐죠. 가솔린엔진은 2015년 현재 디젤엔진과 함께 엔진 풀 라인업을 완성하기에 이르렀고, 특유의 장점을 살리고 단점을 보완하며 꾸준히 기술력을 향상시키고 있습니다.

현대기아차의 가솔린엔진 발전 과정은 크게 3세대로 분류할 수 있습니다. 1세대의 시작은 1991년입니다. 알파엔진 개발을 통해 독자개발의 서막을 연 이후 베타와 델타엔진까지 개발했죠. 2000년 이후의 2세대 엔진은 독자개발 능력을 향상시켜 더 발전된 엔진을 만들어낸 시기입니다. 그리고 CVVL 등 가변기구와 GDi, T-GDi 등의 연소기술 등 다양한 신기술이 장착된 엔진으로 글로벌 경쟁력 우위를 확보하게 됐죠. 2018년 이후 선보일 3세대 엔진은 관련 산업을 리드할 수 있을 정도의 기술력 향상을 이룰 것으로 기대하고 있습니다. 성능과 연비 개선이라는 새로운 이슈들에 대응하기 위해 VVL이나 Cooled EGR, 통합유량제어 그리고 아킨슨엔진 등 끝없는 기술개발로 3세대를 이끌 준비를 하는 중입니다.



가솔린엔진의 구동 원리

자동차용 가솔린엔진은 4단계 과정을 거쳐 작동합니다. 그래서 ‘4행정(4-Stroke) 엔진’이라 부르기도 하죠
l 자동차용 가솔린엔진은 4단계 과정을 거쳐 작동합니다. 그래서 ‘4행정(4-Stroke) 엔진’이라 부르기도 하죠

가솔린엔진은 가솔린(휘발유)을 연료로 불꽃 점화 방식으로 운용되는 시스템입니다. 가솔린과 공기의 혼합 가스를 실린더 내로 ‘흡입’하고, ‘압축’해서 전기 불꽃으로 착화시켜 폭발 연소시키고, 그렇게 발생된 열에너지를 ‘팽창’ 과정을 통하여 크랭크를 돌리는 기계적인 에너지로 전환한 후, 연소 가스를 실린더 밖으로 배출하는 ‘배기’의 4단계를 1사이클로 반복하며 작동하게 되죠.



흡기 - 공기량을 최적으로 운용하라

자동차에서 '잘 먹는 것'은 매우 중요한 일입니다. 이를 통해 연비를 개선하고 성능을 향상시킬 수 있습니다
l 자동차에서 '잘 먹는 것'은 매우 중요한 일입니다. 이를 통해 연비를 개선하고 성능을 향상시킬 수 있습니다

자동차와 사람의 몸은 비슷한 점이 많습니다. 높은 성능을 내려면 밥을 잘 먹고, 잘 버리고, 잘 움직여야 하죠. 특히 ‘먹는 것’은 사람과 자동차 모두에게 중요한 요소입니다. 자동차는 공기와 연료를 기본으로 해서 에너지를 얻습니다. 자동차에서 ‘흡기’는 ‘먹는 것’과 같다고 할 수 있죠. 같은 양의 공기를 흡입하더라도 저항을 최소화하고 효율적인 과정을 거친다면 더 좋은 성능을 낼 수 있게 됩니다. 또한, 같은 시간에 더 많은 공기를 유입시키는 것도 엔진 성능을 높이는 방법 중 하나입니다.

현대기아차는 엔진 성능을 향상시키고 연비를 개선시킬 수 있는 가변밸브(Variable Valve) 기술을 독자적으로 개발 중입니다. 보통 엔진은 특정한 RPM(회전대역)에서 최대 출력을 얻을 수 있도록 흡기/배기 밸브 개폐 타이밍이 정해져 있습니다. 즉, 저속 RPM에서는 혼합기의 팽창과 폭발을 위해 밸브 개폐 타이밍을 늦춰야 하고, 고속 RPM에서는 폭발한 혼합기의 배출을 위해 개폐 타이밍을 빨리 잡아야 하죠. 고정된 밸브 타이밍으로는 엔진의 효율이 크게 떨어지게 되는데, 이러한 배경에서 태어난 것이 바로 VVT(가변밸브타이밍: Variable Valve Timing) 기술입니다. 흡기/배기밸브의 개폐 타이밍을 엔진 회전수에 맞게 바꿈으로써 고속과 저속에서 동시에 고효율 연비와 고출력을 얻을 수 있게 됐습니다.

현대기아차는 여기에 연속적(Continuously)으로 밸브타이밍을 조절할 수 있도록 CVVT(연속가 변밸브타이밍)를 개발하고 저속회전과 고속회전이 연속적으로 이어질 수 있도록 했습니다. CVVT는 캠축의 위상각에 변화를 줌으로써 밸브 개폐 타이밍을 조절합니다. RPM 상황에 따라 캠축을 진각 혹은 지각시킴으로써 밸브 개폐 시기를 조절하는 것이죠.

현대기아차 양산 엔진에는 밸브 타이밍과 흡기밸브의 높이를 제어해 흡기량을 최적화하는 CVVL 기술이 적용되었습니다.
l 현대기아차 양산 엔진에는 밸브 타이밍과 흡기밸브의 높이를 제어해 흡기량을 최적화하는 CVVL 기술이 적용되었습니다.

CVVT는 공회전할 때 밸브 오버랩이 없어 안정적이고, 부분 부하에서 운전할 때는 내부 EGR(배기가스 재순환: Exhaust Gas Recirculation)에 의한 흡기 압력 증가의 펌핑 손실이 줄어들어 연비가 개선됩니다. 그리고 전 부하로 저속 운전할 때는 흡기밸브를 빨리 닫아 역류(Backflow)를 방지해 성능을 개선하고, 전 부하로 고속 운전 할 때 흡기밸브를 늦게 닫아 흡기가 충분히 들어올 수 있는 시간을 확보하죠. CVVT가 밸브 타이밍을 통해 연비를 개선한다면 CVVL(연속가변밸브리프트: Continuously Variable Valve Lift)은 밸브 타이밍뿐만 아니라 흡기밸브의 높이까지 제어해 흡입 공기량을 최적화합니다. 이 기술은 엑셀을 밟는 정도와 순간적인 엔진 회전속도, 밸브가 여닫히는 최적화 지점을 찾아내 제어하는 고도의 기술입니다. 한편 연비와 성능은 높이면서 원가 상승을 최소화할 수 있는 VVL(가변밸브리프트: Variable Valve Lift) 기술도 최근 개발 중입니다.



압축 & 연소 - 열효율을 최대한 끌어올려라

압축, 연소 과정에서 노킹을 개선하고 흡기 효율을 높이기 위해 GDi(직분사) 방식이 등장했습니다
l 압축, 연소 과정에서 노킹을 개선하고 흡기 효율을 높이기 위해 GDi(직분사) 방식이 등장했습니다

엔진은 공기와 연료가 만나 에너지를 만들어내므로 자동차는 좋은 연료를 먹어야 하고, 배기가스를 잘 정화하기 위해서는 공기와 연료가 이론공연비에서 연소되어야 합니다. 현재 가솔린엔진의 최고 열효율은 40% 수준인데요. 최근에는 50% 열효율을 목표로 연구가 계속 진행되는 중입니다. 가솔린엔진의 손실에서 큰 부분을 차지하는 것은 펌핑, 냉각, 배기, 마찰, 미연소 부분의 손실입니다. 이 다섯 가지의 손실을 어떻게 줄일 것인지가 효율 향상 기술의 핵심이죠. 현대기아차는 운전 영역(저부하, 고부하)별로 중요도를 달리해 각 영역에 맞는 기술을 개발 중입니다.

흡기 효율을 높이기 위해 등장한 개념이 디젤엔진의 직분사 방식과 유사한 GDi입니다. GDi(Gasoline Direct injection)는 공기와 연료를 혼합해 연소실에서 점화시키는 것이 아닌, 연소실에 직접 연료를 분사해 가솔린엔진의 효율을 높이는 기술입니다. 기존 MPi 가솔린엔진은 흡입 과정에서 공기와 연료가 혼합돼 실린더로 흡입되므로 공기를 압축시키는 과정에서 온도가 치솟아 노킹이 발생할 우려가 있습니다. 이 때문에 연소 효율을 높이기 어렵고 노킹 발생 시의 높은 압력으로 인하여 소음을 발생시키죠. 하지만 GDi 방식을 사용하면 공기만을 압축한 후 여기에 연료를 분무하게 되어 많은 양의 공기를 압축할 수 있어 흡입 효율이 높아집니다. 압축된 공기에 분사된 액체연료가 기화하면서 주위 온도를 낮춰주기 때문에 노킹 현상 역시 개선됩니다.

아킨슨 사이클이 적용된 엔진은 손실은 줄이고 효율은 높여 연비 개선효과가 탁월합니다
l 아킨슨 사이클이 적용된 엔진은 손실은 줄이고 효율은 높여 연비 개선효과가 탁월합니다

그리고 향후 선보일 3세대 엔진에서 적극적으로 채용될 기술로 개발에 박차를 가하고 있는 아킨슨엔진은 연비 개선에 탁월한 이점을 갖고 있습니다. 현재 가솔린엔진은 이론공연비로 엔진을 연소시켜 필요한 출력이 결정되면 그에 맞춰 필요한 연료와 공기의 양이 결정되는데요. 아킨슨엔진은 흡기밸브 닫힘 시기를 늦춰 동일한 공기를 흡입 시 서지탱크 압력을 높여 펌핑 손실을 줄이고 유효압축비를 유지한 상태에서 팽창비를 높여 효율을 향상시키는 방식입니다.



배기 - 배기정화와 연비를 한꺼번에 잡아라

흡기가 ‘먹는 것’으로 비유된다면, 배기는 ‘잘 버리는’ 시스템이라고 할 수 있습니다
l 흡기가 ‘먹는 것’으로 비유된다면, 배기는 ‘잘 버리는’ 시스템이라고 할 수 있습니다

가솔린엔진 시스템의 마지막 단계인 배기. 규제와 연소효율 부분을 고려해야 하는 단계이기도 하죠. 가솔린엔진은 디젤엔진에 비해 CO(일산화탄소)와 HC(탄화수소) 배출량이 많기 때문에 현대기아차는 TWC(삼원촉매장치: Three Way Catalyst) 기술을 통해 관련 배기규제에 대응하고 있습니다. 북미의 LEV 규제를 맞추기 위해 한 개만 장착했던 TWC를 한 개 더 장착한다거나 내구성을 높인 촉매 장치를 장착해 문제를 해결하고 있습니다. LEV는 미국의 저공해 자동차(LEV: Low Emission Vehicle)와 동일한 수준으로 배기가스 허용 기준을 강화하는 것으로, 질소산화물 및 탄화수소의 배출량을 기존 대비 50~70%까지 낮췄죠.

머플러 전단에 부착되는 UCC(Underbody Catalytic Converter)와 흡기 매니폴드에 부착되는 CCC(Close Couple Converter)가 배출가스 정화를 위해 쓰이는 촉매 장치들인데요. 특히 LEV 3에 대응하기 위해 차량 바닥에 있던 촉매 장치를 엔진 가까이에 붙게 해, 촉매 성능을 향상시키고 내열 온도 970도 이상의 WCC(Warming-up Catalytic Converter)를 장착하고 있죠. 보증기간은 15년 50만 마일(약 24만km)에 해당한답니다. 최근에는 가솔린엔진에 채용되고 있는 GDi 방식 때문에 별도의 법규를 받고 있습니다. 이를 위해 인젝터 성능을 강화하고자 후처리 필터인 GPF(Gasoline Particulate Filter)를 장착해 PM 저감에 힘쓰고 있죠.

배기 과정에서 EGR은 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 보내 새로운 공기와 섞어 연소실로 보내는 역할을 합니다
l 배기 과정에서 EGR은 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 보내 새로운 공기와 섞어 연소실로 보내는 역할을 합니다

가솔린엔진의 연비 개선을 위한 행보는 배기 부문에서 두각을 나타내고 있습니다. 바로 EGR 시스템이죠. 디젤엔진에서의 EGR은 유로 배기규제에 대응하기 위해 채용되고 있지만, 가솔린엔진에서는 연비 개선을 위한 주요 장치로 쓰입니다.

EGR이란 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 보내 새로운 공기와 섞어서 연소실로 보내는 장치입니다. 이 시스템에서는 두 가지 면에서 연비 개선 효과를 보여주는데요. 첫 번째는 비열비가 상승해 연소 효율이 향상되고 두 번째는 다 타버린 가스를 다시 활용하기 때문에 연소 속도가 느려져 노킹 발생률을 떨어뜨립니다. 이는 압축비 상승으로 이어져 연비 개선의 효과를 가져오게 되죠. 이때 뜨거운 가스를 그대로 보내게 되면 자동차 성능 저하를 가져올 수 있기에 쿨러를 거쳐가게 하는 장치가 Cooled EGR입니다.



도움말. 한승국 팀장 / 선행가솔린엔진개발팀 (가솔린엔진 전반)
서정민 팀장 / 배기개발팀 (배기 부문)
김상범 파트장
최윤성 연구원





▶현대자동차그룹 연구개발본부 간행물 '파워트레인 Tech Story'에서 발췌한 내용입니다



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