연비 좋은 차 어떤 기술이 필요할까?

[송방섭(소방서)]

연비 좋은 차
어떤 기술이 필요할까

2014/10/30by 현대자동차그룹

운전자들이 직접 체감할 수 있도록
연비가 좋아지기 위해 기울이는 다양한 노력에 대해 알아봅니다

 

l 귀엽고 아담하지만 높은 수준의 연비를 보여주는 엑센트 위트



운전자들이 꿈꾸는 연비 좋은 차란 어떤 차일까요? 우리가 일반적으로 자동차 연비로 알고 있는 ‘공인연비’란 에너지관리공단에서 측정하고 게시하는 연비로 차종 간의 연비를 효율적으로 비교할 수 있도록 고안된 수치입니다. 그러나 각 국가에서 측정하는 ‘공인연비’는 실제 도로 환경과 다른 실험실 내에서 측정되고 그 방식 역시 국가별로 달라서 같은 차량이라 할지라도 미국, 일본과 한국에 따라 연비가 다르게 측정됩니다. 최근에는 운전자들이 직접 체감할 수 있는 연비효율 향상을 위해 다양한 노력을 기울이고 있습니다.



자동차 연비란 무엇일까요

l 연비는 같은 양의 연료로 주행할 수 있는 거리를 나타내는 표현으로 그 수치가 높을수록 연비 효율이 높은 차입니다. 하이브리드차는 모터를 사용하므로 가솔린차에 비해 연비가 높습니다

‘연비(燃比, Fuel Efficiency)’란 자동차가 같은 양의 연료로 주행할 수 있는 거리를 나타내는 표현으로 우리나라에서는 km/L 단위를 주로 사용하며, 그 값이 클수록 연료 효율이 높은 차, 즉 연비 좋은 차입니다. 우리가 흔히 말하는 고연비 자동차라는 표현은 같은 양의 연료로 더 많은 거리를 주행할 수 있는 자동차를 의미합니다. 같은 양의 연료로 얼마나 효율적인 힘을 내는가는 자동차의 엔진과 구동계의 효율에 관련된 요소로 최근 엔진의 다운사이징으로 대표되는 터보차저, 직분사방식, 변속기 다단화 같은 기술 적용을 통해 엔진과 구동계의 효율 향상이 가능합니다.



연비 좋은 차의 조건

같은 연료로 얼마나 효율적으로 힘을 내는가

연료를 실제 주행이 가능한 힘으로 바꾸는 과정에서 가장 큰 부분을 차지하는 엔진과 변속기의 효율은 자동차 연비에 가장 큰 영향을 미칩니다. 따라서 지속되는 유가 상승에 따른 엔진 기술의 트렌드는 소기통, 소배기량, 고효율이라고 할 수 있습니다. 이러한 트렌드를 반영하여 최근에는 배기량과 엔진 실린더의 수(기통 수)를 줄이면서도 우수한 성능과 연비를 내는 엔진 다운사이징 기술이 고효율 연비, 친환경 기술로 떠오르고 있습니다.

l 자동차 연비에 가장 큰 영향을 미치는 것은 엔진과 변속기 효율입니다

엔진 다운사이징이란 기존의 성능을 유지하면서도 배기량이나 실린더 수를 줄임으로써 연비와 친환경 성능을 개선하는 방법을 말합니다. 일반적으로 터보차저와 직접분사방식 등을 결합하여 배기량과 기통 수를 줄이며 부족해진 성능을 보강하여 강력한 출력과 높은 연비를 동시에 달성할 수 있습니다. 현대·기아차의 ‘세타II 터보 GDi’ 엔진 역시 다양한 신기술이 적용된 대표적인 다운사이징 엔진입니다.

세타Ⅱ 터보 GDi 엔진은 최고출력 261ps, 최대토크 37.2kgf·m의 직렬 4기통의 중형 엔진으로 V6엔진을 뛰어넘는 강력한 동력성능을 발휘하면서도 차량 연비는 4기통 수준의 10.3km/L(투싼ix가솔린 2WD기준)로 높은 효율을 자랑합니다.

이렇게 높은 효율을 자랑하는 터보 GDi 엔진에는 엔진에서 나오는 배기가스를 이용해 터빈을 돌려 새롭게 흡입되는 공기를 압축하고 이렇게 압축된 공기를 엔진에 공급하여 같은 기통 수의 엔진에 비해 큰 출력을 낼 수 있는 ‘트윈스크롤 터보차저’를 적용, 높은 출력을 유지하면서도 낮은 배기량으로 연비를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

터보차저와 함께 최근 GDi(Gasoline Directinjection)라는 이름으로 자주 접하게 되는 ‘직접분사 연소계 시스템’은 고압의 연료를 연소실에 직접 분사하는 시스템으로 기존의 포트분사 대비높은 효율로 빠르게 반응하여 엔진의 성능과 응답성을 개선시켜줍니다.

l 현대·기아차는 완성차업체로 세계최초로 ‘후륜 8속 변속기’를 개발했습니다

한편, 엔진에서 나오는 힘을 바퀴로 전달해주는 변속기에도 ‘변속기 다단화’와 같이 변속 단을 세분화해 차량 운전 상태에 따른 최적 변속 단으로 변속, 구간별 손실을 최소화하는 기술을 통해 연비는 물론 가속성능까지 향상시킬 수 있습니다. 최근 출시된 준중형 차량들에 적용된 ‘소형 6단 자동변속기’와 대형세단에 적용된 ‘후륜 8속 자동변속기’ 역시 기존 변속기에 비해 고단 기어의 기어비를 작게 설정하여 단수를 높임으로써 같은 속력에서도 더 낮은 엔진 회전 수를 유지하며 엔진에서 나오는 힘을 효율적으로 사용하여 연비를 높여줍니다.

특히 현대·기아차의 ‘후륜 8속 변속기’는 변속기 전문회사가 아닌 완성차 업체로는 세계 최초로 자체 개발한 것으로 100여 개의 기술특허를 획득한 독자 구조로 엔진의 동력을 효과적으로 제어해 변속 중간에 불필요한 연료의 낭비를 막고, 고강도 알루미늄과 플라스틱 소재를 이용하여 엔진의 중량까지 낮춰 더욱 효과적으로 연비를 향상시켜줍니다.

이 밖에도 ‘ISG(Idle Stop & Go) 시스템’과 같이 엔진을 일시 정지하고, 출발 시에 자동으로 시동이 걸리도록 하는 공회전 제한 시스템 등 CO2를 저감시키고 연비를 대폭 향상시켜주는 고연비, 친환경 기술이 있습니다. 현대·기아차에 적용된 자동변속기용 ‘ISG 시스템’은 별도의 변속레버 조작 없이도 차량이 정지하면 자동으로 엔진이 정지되고, 출발을 위해 브레이크에서 발을 떼면 자동으로 엔진이 재시동되어 더욱 편리하고 효율적으로 연료를 절약할 수 있습니다.


얼마나 가벼운가

얼마나 가벼운가는 차체 및 부품들의 경량화에 관련된 요소로 가벼운 자동차는 같은 연료로 더 먼 거리를 주행할 수 있기 때문에 좋은 연비를 갖습니다. 이렇게 경량화를 통한 연비성능 향상을 위해서는 더 가벼우면서도 강한 충격에 견딜 수 있는 소재와 새로운 방식의 성형 공법 개발을 비롯해 다양한 부품에서 구조 최적화를 통해 무게를 최소화하는 기술들이 필요합니다.

l 연비성능 향상을 위해서는 차체의 무게도 중요합니다

높은 연비를 위해 무작정 가벼운 소재로 자동차를 만들 수는 없습니다. 자동차의 뼈대라고 할 수 있는 차체를 비롯한 수많은 부품들이 안전을 고려해 강한 충격을 견디면서도 최소한의 무게를 갖도록 개발되고 있습니다. 곳곳에 숨겨진 경량화 기술 중에는 차량의 양 옆 도어 아래에 위치한 사이드실 몰딩(Side Sill Molding)에 적용해 기존대비 약 20%의 무게를 감소시켜주는 ‘클레이 나노(Nano) 복합재’ 소재가 있습니다.

클레이 나노 복합재는 외부로부터 발생하는 충격에 강하여 범퍼 커버와 같은 외장부품에 사용되는 플라스틱 재질에 클레이(‘몬모릴로나이트’라는 점토 광물)를 머리카락의 1만분의 1 두께의 초미세 입자 크기로 분산시켜 부품의 무게는 가벼우면서도 강도는 우수하게 만드는 신소재입니다.

또 우리가 흔히 알고 있는 강화 플라스틱 소재 역시 차량의 무거운 스틸 부품을 대체하여 경량화를 통한 연비 향상을 돕고 있습니다. 이는 차량 도어 내부에 사용되는 부품을 스틸 대신 플라스틱을 원재료로 사용하여 중량을 기존대비 30%나 절감하면서도 스틸과 같은 강도를 유지하는 구조와 성형기법으로, 2010년 11월 미국 플라스틱 엔지니어 학회가 주최하는 ‘SPE 기술혁신대회’에서 Ford와 BMW를 제치고 ‘레일 일체형 플라스틱 도어 모듈’ 기술로 샤시/하드웨어 분야에서 1위를 차지했습니다.

한편, 부품 차체를 더욱 강력하고 가벼운 강판으로 성형하는 기법인 ‘핫스탬핑(Hot Stamping) 공법’은 차량 충돌 시 차체를 지탱하는 주요 부분에 적용되어 차량 전체의 중량을 절감하는 것은 물론 안전성까지 확보해주고 있습니다. 이 밖에도 차량에 사용되는 부품의 최적설계를 통해 필요 없는 부분의 중량을 줄임으로써 외판, 휠, 램프 등 거의 전 부품에 대한 경량화를 통해 연비 향상을 돕고 있습니다.


얼마나 외부 저항을 덜 받는가

얼마나 외부 저항을 덜 받는가는 자동차 주행 시 발생하는 공기저항과 노면 마찰력 같은 주행저항에 관련된 요소로 바람의 저항을 가장 덜 받는 외관 디자인설계를 비롯해 차량으로 유입되는 공기를 능동적으로 제어하는 액티브 에어플랩과 타이어와 노면의 마찰을 줄여주는 기술 등을 통해 연비성능을 향상시킬 수 있습니다.

l 외부저항도 자동차 연비성능에 중요한 요소입니다

바람이나 노면의 마찰이 얼마나 연비에 영향을 미칠까 생각되지만 유입되는 공기의 양과 방향을 통제하고, 주행 시 끊임없이 발생하는 노면과의 마찰을 줄였을 때 생각보다 많은 연료가 절약됩니다.

실제로 K9을 비롯해 YF 쏘나타 하이브리드, K5 하이브리드에는 범퍼 그릴 후면에 공기 입구를 여닫을 수 있는 장치를 만들어 엔진 냉각을 위한 공기의 유입을 제어하는 ‘액티브 에어플랩 시스템’이 적용되어 연비를 향상시켜줍니다. 기존 차량들은 라디에이터 그릴로 유입되는 공기를 통제할 수 없었기 때문에 엔진이 냉각되어 있을 때와 실내 난방이 필요할 때에도 불필요하게 많은 외부 공기가 엔진룸으로 유입되었던 것을 개선해 엔진이 냉간에서 작동하는 시간을 줄여 불필요한 엔진 웜업도 줄이고, 난방성능도 향상시켜 더욱 효율적인 연료절감이 가능합니다. 또한 유입되는 공기의 양이 줄어 공력성능이 개선되고 고속주행 시 연료가 추가적으로 절감됩니다.

이 밖에도 ‘저구름저항(Low Rolling Resistance) 타이어’는 저마찰 콤파운드와 같은 신소재를 사용하여 기존의 카본, 실리카 타이어에 비해 노면과 타이어 사이의 마찰을 획기적으로 저감시켜 바퀴 힘을 노면에 전달하는 효율을 높여 기존 실리카 타이어 대비 연비를 향상시켜줍니다.