레거시 업체들의 엔진 개발 동향

전기차 캐즘 현상과 트럼프 2기 출범으로 내연기관차에서 전기차로 가는 중간 단계인 하이브리드 자동차의 시대가 좀 더 길어질 것으로 예상되고 있습니다.
CO2 배출가스 규제는 유럽에서 내년부터 더 강화되지만 트럼프는 바이든이 강화한 규제치를 완화하려고 하고 있습니다.
벤츠는 전동화 완료 시점을 뒤로 늦추면서 신 엔진을 개발하고 있고, 현대차그룹도 21년 폐지했던 엔진 개발센터 부서 기능을 일부 살리고 있습니다.

 

오늘은 이처럼 환경규제 대응 필라에 빠진 자동차 업체들이 최근 내연기관 엔진 개발 동향을 분석해 봅니다.
BYD 등 지리 등 중국 업체들은 레거시 업체의 엔진 기술을 카피해 왔지만 독일, 일본, 한국 기술자들을 대거 채용하면서 독자 개발을 추진한 결과 지금은 플러그인 하이브리드용 엔진에서 세계 최고의 연소 효율 경쟁을 하고 있습니다.

 

BYD의 5세대 DM 직렬 엔

이에 대응하여 도요타, 벤츠 등 레거시 업체들도 성능과 코스트를 중시하면서 효율을 추구한 새로운 엔진을 개발하고 있습니다. 반면 마즈다는 효율은 어느 정도 희생하지만 자사의 기술적 특징을 살린 로터리 엔진을 부활시켰습니다.
트럼프 2기는 바이든 정부가 강화한 미국의 CO2 배출가스 규제치를 다시 완화하려고 하고 있습니다만 트럼프 1기 때 완화했던 규제를 바이든이 다시 강화하는 데 3년 이상 걸렸던 점을 고려해 보면 꽤 오랜 시간 걸릴 것으로 예상됩니다.

 

캘리포니아 ZEV 규제에 대해서도 트럼프는 폐지하여 연방 규제 통일하려고 하고 있지만 캘리포니아 주는 폐지할 듯이 전혀 없어 보입니다.

 

유럽의 CO2 배출가스 규제를 둘러싸고 폭스바겐 등 독일 업체 중심으로 2년 정도 유예기간을 줄 것을 강력하게 요청하고 있지만 언제 어느 수준으로 완화될지는 아직 아무도 모르는 상황입니다.

 

유럽의 Euro 7 규정은 현행 규정인 Euro 6d와 비교했을 때 배기가스 규제 성분이나 수출에는 큰 차이가 없지만 시험 조건의 난이도가 매우 높아졌습니다.
기존에는 실내에서 도로 주행을 제한하는 새시 다이나모 위에서 측정했지만 유로 7부터는 실제 도로 주행에서 배출가스를 측정하는 Real Driving Emission, 즉 RDE 시험이 2028년부터 전면 도입됩니다.
실제 주행 조건에 가까운 RDE 시험은 실내에서 측정하는 기존 시험보다 온도와 노면 상황의 폭이 넓어져 기존 엔진 차량으로서는 인증을 받기가 매우 어려워집니다.
현실적으로 전기차 판매는 둔화되고 하이브리드 판매는 늘고 있지만 이런 현상이 지속되면 업체로서는 현재 운영되고 있는 배출가스 규제 대응은 불가능합니다.
전기차를 더 많이 팔든지, 내연기관차 판매를 줄이든지, 아니면 막대한 벌금을 내든지 밖에 없습니다.
한마디로 자동차 업계는 지금 환경규제 딜레마에 깊게 빠져들고 있습니다.
자동차 업체들이 엔진 차량을 개발할 때 특히 어려운 점은 외부 온도와 같은 정도로 차가운 상태에서 시동을 걸었을 때의 배기가스 저감 기술이라고 할 수 있습니다.
이와 같은 냉간 시동 시에는 배기가스 후처리 장치, 즉 촉매의 온도가 충분히 올라가지 않기 때문에 배기가스 정화 능력이 떨어집니다.
이때 배기가스를 줄이기 위해서는 백금이나 로듐 등이 귀금속을 사용하는 촉매의 양을 늘려야 하는데 코스트가 크게 올라가기 때문에 큰 대책이 되지는 못합니다.
그래서 자동차 각사는 하이브리드나 플러그인 하이브리드 기술 적용을 전제로 한 엔진을 개발하고 있습니다.
하이브리드 차는 시동 시 엔진을 가동하지 않고 모터를 사용할 수 있습니다.
속도가 충분히 올라간 후에 엔진을 가동하면 효율이 좋을 때 엔진을 사용할 수 있어 냉간 시동 시 배기가스를 줄일 수 있습니다.
촉매를 강화하는 것보다 향후 강화되는 배기가스 규제 대응이 좀 더 쉬워지는 이점이 있습니다.
하이브리드 수요에 대응하고 환경 규제에 대응하기 위한 업체들의 엔진 개발 전략은 크게 세 가지 방향으로 정리되고 분석됩니다.

첫 번째는 현대차 그룹이 하는 방식으로 신규 엔진 개발보다는 하이브리드 성능 개선과 하이브리드 전용 엔진을 확대하는 방식입니다.

 

두 번째는 도요타와 벤츠처럼 전동화 차량 탑재를 고려한 신엔진을 개발하는 방식입니다.

 

벤츠 4기통 1.5L엔진 M252와 도요타 4기통 1.5L엔진

이들은 성능과 비용을 중시하면서 전동차와 조합으로 더 큰 효율을 추구하려고 하고 있습니다.
마지막은 마즈다의 로터리 엔진, 스바루의 수평 대 엔진처럼 효율은 어느 정도 희생하면서도 기술의 전통과 브랜드를 중시하면서 경쟁사와 차별화를 도모하기 위하여 개발하는 방식입니다.

 

마즈다 로터리 엔진과 스바루 수평대향 엔진

지금 풀 하이브리드 기술을 전개하고 있는 업체는 일본의 도요타와 혼다, 한국의 현대차그룹, 미국의 포드, 프랑스의 르노 정도입니다.

 

Full 하아브리드 운영 업체

현대차는 3개의 하이브리드 엔진을 운영하고 있지만 도요타와 하이브리드의 엔진 종수, 차량 전개, 판매 대수 면에서 큰 차이가 나고 있습니다.

 

각사의 하이브리드 엔진 종류및 미국 판매 현황

특히 유럽 소형차 시장에서 하이브리드 부재는 큰 약점이 되어 왔습니다.
이에 대응하여 미국 시장에서 제네시스 차량 및 펠리스에이드 등 대형차용 하이브리드 엔진을 개발하고 있고, 유럽 시장에서는 시장 수요가 많은 B, C 세그먼트의 i20와 i30 승용차와 B세그먼트 SUV인 Bayon의 하이브리드를 확대한다는 계획입니다.

 

그리고 중국 시장 대응을 위한 목표를 포함하여 엔진을 배터리 충전만 하는 역할로 하는 EREV 개발도 추가했습니다.

 

현대차 EREV 개발 계획

도요타는 3 기통부터 8 기통까지 8개의 하이브리드 엔진을 운영하고 있지만 앞으로는 신규 개발하는 4 기통 1.5L NA 엔진과 터보 엔진, 그리고 2.0리터 터보 엔진으로 축소해 가는 전략입니다.

 

도요타 하이브리드 엔진 전개 계

도요타가 새로 개발한 엔진에서 주목할 점은 1.5L 신형 엔진이라고 할 수 있습니다.
현재 운영하고 있는 1.5L 엔진은 3 기통인데, 새로운 운영 엔진은 배기량을 1.5l로 동일하게 유지하면서 숏 스트로크의 4 기통으로 개발하고 있습니다.
도요타를 포함하여 레거시 업체들은 지금까지 연소 효율을 중시하여 롱 스트로크를 특징으로 하는 3 기통 엔진을 개발해 왔습니다.
도요타는 숏 스트로크화로 인해 엔진 자체의 연비가 나빠지는 것은 사실이라고 인정하고 있는데, 그렇다면 왜 롱 스트로크로 만들지 않는 것일까요?
도요타 개발자의 답은 짧은 스트로크가 엔진의 전도를 낮출 수 있기 때문이라고 말했습니다.
새로운 1.5L 엔진은 기존 대비 전고와 부피를 각각 10%씩 줄였습니다.
왜 도요타는 롱 스트로크에 의한 연소 효율 향상을 포기하면서까지 이처럼 전고를 낮추는 것에 집착하고 있는 것일까요?
그것은 프런트 후드를 낮출 수 있기 때문입니다. 프런트 후드를 낮추면 공기 역학 성능이 향상되어 연비를 최대 8% 개선할 수 있다고 합니다.

 

3 기통에서 4 기통으로 변경하면서 연소효율이 떨어지는 것보다 프런트 후드를 낮춘 연비 효과가 더 크다고 판단한 것입니다.
과거에는 파워트레인만으로 연비를 높여왔지만 이제는 모터와 엔진만으로 효율 경쟁을 하는 것은 어려워졌습니다.
앞으로의 연비나 전비경쟁은 Cd치, 즉 공기 저항 개수를 낮추지 않으면 이길 수 없다고 판단하여 도요타는 파워트레인뿐만 아니라 차량 전체에서 연비나 전비를 낮추는 것이 효율이 더 좋다는 전략적 판단을 내린 것입니다.

 

마즈다에는 1967년에 양산에 성공한 유명한 로터리 엔진 기술이 있습니다.

 

마즈다 Cosmo Sport 110S (1968)

로터리 엔진은 삼각형 형상으로 된 로터리 회전 운동에 의해 직접 동력을 얻는 구조입니다.

 

하우징과 로터 사이에 생긴 공간에서 연료와 공기 혼합기를 연소시키고 이때 생기는 팽창 압력으로 로터를 회전시킵니다.
로터리 엔진의 특징은 일반적인 내연기관 엔진과 동등한 출력을 더 작은 단위로 발휘할 수 있다는 점에 있습니다.

구조가 단순하고 일반적인 엔진보다 부품수가 적기 때문에 소형화가 가능해서 전후 중형 밸런스를 중시하는 스포스카에 탑재되어 왔습니다.
그러나 로터리 엔진은 연비가 나쁘고 배출가스 규제 대응에 어려움이 있는 단점이 있습니다.
구조적으로 연소실 내에서의 기체의 압력비를 높이기 어렵기 때문에 열효율이 낮아 비슷한 방식 엔진 대비 연비는 나쁜 편입니다.
배출가스도 Nox는 적은 편이지만 탄화수소가 많이 나옵니다.
실제로 2010년부터 강화된 유로 5를 대응하지 못하여 로터리 엔진을 탑재한 RX8을 2012년에 생산 종료했었습니다.

 

마즈다 RX8

그러나 마즈다는 제로베이스부터 다시 개발을 시작하여 12년 만에 이를 다시 부활시켰습니다.
RX8에서 탑재되었던 엔진과 크게 다른 점은 2 로터식에서 1 로터 식으로 변경했고, 피스톤 엔진이 보어와 스트로크에 해당하는 로터 폭은 축소하고 창성 반경은 증대했습니다.

 

저 연비, 저공해를 추구하여 분사 방식도 포트 분사식에서 직분사로 변경했습니다.
그 외에도 EV 주행의 항속거리를 늘리기 위해서 사이드 하우징의 재질을 RX8에서 사용하던 주철에서 알루미늄 합으로 변경하여 엔진 중량을 15kg 이상 경량화했습니다.
마즈다는 이 소형 경영의 엔진 특성을 살려 소형 SUV인 MX-30 플러그인 하이브리드 차를 만들었습니다.

 

소형 로터리를 채용함으로써 엔진을 모터 및 발전기와 동축으로 배치할 수 있었습니다.

 

이 로터리 엔진은 직접 구에는 사용하지 않고 발전에만 사용하는 EREV용으로 탑재되었습니다.
따라서 어떤 주행 상황에서도 구동은 최고 출력 125KW의 모터가 담당합니다.
고객의 사용 실태를 조사하여 배터리 용량은 17.8KW로 설정했고, EV의 주행거리를 WLTC 모드로 해서 107km로 설정했습니다.
장거리 주행 시 배터리 량이 부족하면 로터리를 움직여 발전합니다. 배터리를 완전히 충전하고 50리터의 가솔린 연료탱크를 가득 채우면 항속거리는 약 800km가 됩니다.
로터리엔진은 가솔린은 물론 수소, e-Fuel, LPG, CNG 등에도 대응하기 쉬운 장점도 있습니다.
유럽위원회는 23년 3월 35년 이후에도 e-Fuel이나 수소를 이용하는 엔진 차량에 한해 계속 판매할 수 있다는 방침을 발표했습니다.

 

e-Fuel은 지금 높은 코스트가 문제가 되고 있지만 경제성이 확보되면 재생에너지 발전에 의한 충전과 이들 연료의 조합으로 다양한 지역과 고객 요구에 부응할 수 있는 연료가 될 것입니다.
그런 시기가 되면 마즈다의 로터리 엔진 탑재 차량의 존재감은 크게 부각될 수도 있을 것입니다.
마즈다는 규모에서 강소 기업이지만 2035년 이후 먼 미래의 시점에 맞춰 엔진 개발 전략을 추진하고 있는 것으로 보입니다.
이 혼란의 시기, 이들이 우리 자동차 업체들에게 주는 교훈 여러분은 어떤 것들이 있다고 생각하십니까?