효율 높인 차세대 엔진… 출력 업, 공해 다운
연비와 출력은 높이고 공해물질 배출은 줄인 캠리스 엔진.
2016-02-20 카가이 취재팀
효율과 성능은 서로 상반된 관계가 아니다. 두 엔진이 배기량이 같다면 효율이 높은 쪽이 같은 출력을 내면서 연료를 덜 소모한다. 엔진의 힘은 연료와 산소가 결합하며 일으키는 연소반응에서 나온다. 연료가 덜 드니 환경에 영향을 미치는 이산화탄소와 공해물질 배출량도 줄어든다. 이산화탄소와 질소산화물 등은 결국 연료가 연소하며 생성되기 때문이다.
과거에는 많은 자동차회사가 효율을 높여 성능을 올리기보다는 배기량을 늘려 출력을 키우는 손쉬운 방법을 택했다. 고성능 엔진은 연비가 나쁘다는 오해가 생긴 이유다. 지금은 배기량을 줄이면서 성능을 높이는 다운사이징이 대세다. 직분사와 터보차저, 가변 밸브 타이밍 기술은 대중 브랜드의 범용 엔진에도 들어가는 일반 기술이 됐다.
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* 가변 실린더 제어 기술
가변 실린더 제어 기술은 엔진이 큰 힘 을 필요로 하지 않을 때 일부 실린더의 작동을 멈추도록 해서 연비를 높인다. 자동차가 달리는 동안 큰 힘을 필요로 하는 경우는 의외로 많지 않다. 추월을 위해서 급가속을 하거나 가파른 언덕을 올라가는 경우가 아니라면, 엔진이 발 휘할 수 있는 최대출력의 30%만으로도 충분히 만족스런 주행을 할 수 있다.
가변 실린더 제어 기술은 바로 이런 점에 착안했다. 실제 주행 구간의 대부 분인 저속·저부하 구간 또는 정속주행 구간에서 일부 실린더의 밸브 작동을 멈추고 연료를 공급하지 않는다. 연료가 들어가지 않는 실린더가 많아질수록 연비가 좋아진다. 장시간 정속주행을 하면 연비가 20% 이상 높아진다.
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흡기밸브와 배기밸브가 계속해서 작동하고 있는 상태라면, 연소과정이 일어나지 않는 실린더에도 공기를 흡입·압축·배출하는 과정이 계속된다. 이런 과정에서 생기는 동력 손실을 ‘펌핑 로스(Pumping loss)’라 한다. 결국 작동을 멈춘 실린더가 엔진 브레이크 역할을 해 작동하는 실린더에 과도한 부담을 준다. 밸브의 개폐를 제어하면 이런 ‘펌핑 로스’를 없앨 수 있다.
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판매가 늘고 있다. 영화 ‘매드맥스’에서는 대배기량 엔진에 대한 로망을 엿볼 수 있다. 가변 실린더 제어 기술은 대배기량 엔진 특유의 감성과 성능뿐 아니라 높은 연비까지 보장한다.
* 가변 압축비 제어 기술
가변 압축비 제어 기술은 엔진 연소실의 체적을 조절해 주행 상황에 맞게 압축비 를 변화시킨다. 효율을 최대로 높이는 효과가 있다. 압축비를 높이면 연료가 조금만 들어가도 연소가 일어나는 ‘희박연소 (Lean burn)’가 가능하다. 정속 주행이나 저속·저부하 구간처럼 큰 힘이 필요하지 않은 경우 압축비를 높여 희박연소를 시킨다. 연비가 높아지고, 공해물질 배출이 큰 폭으로 줄어든다.
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* 캠리스(Camless) 기술
캠리스 기술은 말 그대로 밸브 작동을 위한 캠을 없앤 기술이다. 현재 양산 중인 모든 내연기관에는 밸브 작동을 위한 캠샤프트가 달려있다. 캠샤프트는 크랭크샤프트와 벨트 혹은 체인으로 연결한다. 타이밍 벨트 혹은 타이밍 체인이 바로 크랭크샤프트와 캠샤프트를 연결해 밸브를 조절하는 역할을 한다. 이렇게 복잡하게 연결돼있는 밸브 작동 메커니즘에서는 필연적으로 마찰 저항이 생길 수밖에 없다.
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효율을 높이기 위한 여러 가지 조건들을 동시에 충족시킨다. 캠리스 기술에서는 밸브 개폐를 전자식 액추에이터가 담당한다. 각 밸브마다 달려 있는 액추에이터가 엔진 회전수에 맞게 밸브를 개폐한다. 상황에 따라 실시간으로 밸브의 여닫힘이 조절된다.
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