자동차 엔진 개발, 그 무거움에 대하여

[딱따구리]

리얼 전문가, 연구원이 말해주는 엔진 개발 이야기 

- 현대 & 기아의 엔진성능은 서로 다르다?

- 터보엔진 기술은 이미 일본을 앞서고 있다!

- 엔진에 관한 오해와 진실 7가지,

길들이기는 중요하지 않다

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그저 굴러가는 기계에서 보다 잘 달릴 수 있는 기계로의 고민과 개발, 그리고 발전이 엔진의 역사를 이해하는 주요 열쇳말인데요. 엔진에 대한 고민은 단순히 이동을 위한 측면만을 고려하지 않습니다. 엔진 개발의 궁극적인 목표는 자동차의 기술과 운전자의 감성이 하나 되는 순간을 찾아 더욱 편리하고 즐거운 드라이빙 생활을 누릴 수 있게끔 하는 것인데요. 그런 최상의 밸런스를 찾기 위해 수많은 가정, 계속되는 도전과 기술의 진보 아래 지금의 고성능 엔진을 만날 수 있게 된 것입니다.

출처 : iStock

한편, 중요한 기관인 만큼 우리가 잘못 알고 있는 엔진에 대한 오해와 편견도 제법 많은데요. 어디서 보거나 들은 이야기들이 차곡차곡 쌓여 정설처럼 굳어진 내용들. 이번 호모 CAR피엔스 두 번째 주제 '엔진' 편에서는 그런 엔진에 대한 잘못된 오해와 편견을 바로 잡기 위해, 또 터보 엔진에 대한 궁금증을 풀기 위해, 동력개발팀 두 명의 엔진 전문 연구원들과 직접 자세한 이야기를 나눴습니다.

동력개발팀은 파워트레인과 차량의 조화를 고민하여 소비자가 만족할 수 있는 여러 가지 동력성능과 운전성능을 기획하고, 양산될 때까지 계속해서 관여하는 팀입니다. 쉽게 말해, 엔진의 소프트웨어를 튜닝한다고 생각하면 되는데요. 운전자가 차를 운전할 때 어떠한 상황에서도 의도대로 빠르게 반응하여 원하는 가속감을 느낄 수 있는 것, 즉 우리가 느끼는 최상의 운전성을 구현하는 곳입니다.

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Chapter 1. 알아두면 쓸데 많은 엔진 용어 정리

본격적인 인터뷰 내용을 보기에 앞서, 엔진과 관련 일부 용어들을 미리 알아두면 더욱 흥미롭게 글을 읽을 수 있답니다.

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Chapter 2. 엔진 개발에 관한 말.말.말

동력을 좌우하는 엔진의 성능과 조화야말로 자동차의 아이덴티티를 결정짓는 요소 중 하나입니다. 다시 말해, 엔진은 홀로 빛나는 것이 아니라 차량과 파워트레인의 최적 매핑을 통해 그 가치가 실현되는 것입니다. 그렇게 동력개발팀은 어떤 도로 상황에서도 잘 달릴 수 있는 좋은 자동차를 만들기 위해, 운전성능 및 동력성능을 결정하는 18가지 시험항목을 체크하고, 국내는 물론 국외 혹서지와 혹한지에서도 현지시험을 진행하고 있습니다.

Q. 엔진과 변속기의 중요도를 따진다면.

김영권 책임연구원 : 개인적으로 엔진과 변속기의 중요도는 7:3 정도라고 생각합니다. 엔진에 7점을 주기는 했지만, 그에 못지 않게 변속기도 중요한데요. 예를 들어 차량 속도를 30km/h로 유지시키기 위해 엔진 회전수를 4,000 RPM씩 낭비할 필요가 없는데, 이러한 부분을 변속기가 조절하는 역할을 하는 겁니다. 굳이 중요도를 따져보긴 했지만 엔진과 변속기 모두가 중요하다는 사실은 분명합니다.

Q. 엔진 개발 과정에서 중요하게 고려하는 요소가 있다면.

양재식 책임연구원 : 엔진을 개발하면서 크게 신경 쓰는 부분 중 하나가 엔진 흡기온도입니다. 엔진에 들어오는 온도가 높을수록 엔진의 성능이 떨어지게 됩니다. 온도가 높아지면 공기 중에 산소가 희박해지고, 연료가 연소되어야 하는데 산소가 조금밖에 없으니 연소 되어도 힘을 온전히 발휘할 수가 없게 되는 거죠. 그리고 가솔린 엔진의 경우는 흡기온이 높을수록 노킹(Knocking)에 불리해지고 이를 방지하기 위해 점화시기를 바꾸게 되는데, 이 역시 성능을 저하시키는 요소가 됩니다. 때문에 엔진 성능이 제대로 발휘될 수 있도록 다양한 환경의 온도 조건에서 실제 차를 주행하며 시험을 합니다.

김영권 책임연구원 : 여러 가지 숨어있는 개발 요소가 있는데, 예로 아이들(Idle, 공회전) 상태에서도 개발 목표가 있습니다. 정차 상태에서 스티어링 휠을 조작하는 조건, 에어컨을 켰을 조건 등에서 일정 RPM 이상 흔들리면 안 된다 등도 있고, 에미션(Emissions, 배출)을 위한 공연비 개발 기준 같은 것도 존재하고요. 가만히 있는 아이들 상태에서조차 다양한 기준이 존재하므로, 주행 시에는 이보다 더 복잡하고 더 많은 개발 기준들이 배경에 있다고 볼 수 있습니다.

Q. 과거와 비교해서 엔진 개발 관련 변화가 있다면.

김영권 책임연구원 : 과거에는 주로 도요타나 혼다 같은 일본 브랜드를 포커싱하여 개발 콘셉트를 잡았습니다. 현재는 대부분 유럽 차량들을 포커싱하여 개발을 진행하는데요. 대표적으로 터보 엔진을 예로 들 수 있습니다. 도요타나 혼다 같은 일본 차량들은 터보 엔진 도입이 많이 늦었습니다. 도요타는 자연흡기(NA) 엔진으로도 충분히 성능과 효율을 다 발휘할 수 있다고 생각했던 것 같고, 유럽 제조사들은 그 반대였던 것 같습니다. 터보를 쓴다는 것은 동일한 배기량으로도 더 높은 성능을 낼 수 있다는 것이 강점인데, 거꾸로 말하면 높은 배기량을 쓰지 않고도 좋은 성능을 내는, 한마디로 엔진의 다운사이징이 가능해집니다. 대신 터보랙(Turbo-lag)이 있으니까 응답성은 좀 떨어지지만, 다른 많은 장점이 있어 유럽 제조사들은 일찌감치 가솔린 터보 엔진 개발을 시작했었습니다. 과거 우리는 일본을 경쟁 상대로 생각하다 보니 계속 자연흡기엔진을 유지하다가, 유럽 경쟁 콘셉트로 변화하면서 가솔린에 터보 엔진을 적극적으로 개발하기 시작한 것이 가장 큰 변화인 것 같습니다.

양재식 책임연구원 : 그래서 자연흡기엔진에 맞춰져 있던 연구소의 시각이 많이 변화됐습니다. 우선, 유럽 브랜드들을 보면서 벤치마킹을 많이 하게 되었는데, 예를 들어 2.0 터보 엔진이 개발되면서 BMW 3 시리즈나 5 시리즈에 들어가는 2.0 터보 엔진들을 많이 참고했습니다. 그 결과 독자적인 기준들이 많이 만들어졌는데요. 스팅어를 타 보면 아시겠지만, 글로벌 경쟁차들의 차종보다 가격이 낮음에도 이만큼의 퍼포먼스를 보여줄 수 있는 건 그만큼 터보랙이라던지 여러 가지 방면으로 기술이 굉장히 많이 발전했기 때문입니다.

Q. 엔진 개발 관련 이색적인 실험이 있다면.

양재식 책임연구원 : 차량을 영하 30도 조건에 방치해두고 다음날 두꺼운 외투를 입고 추위에 떨며 시동을 걸어보는데요. (웃음) 시동이 제대로 걸리는지, 아이들(Idle) RPM을 잘 유지하는지, 시동이 꺼지지는 않는지, 이상연소는 없는지, 또 시동 직후 가속을 할 때 가속이 잘 되는지 시험을 하게 됩니다. 반대로 실외 기온이 50도에 육박하는 곳에서는 흐르는 땀을 훔치며 시험을 하는데요. 이렇게 온도 조건 외에 다양한 고도에서도 시험을 하는데 4,000m 이상의 고지대에서도 시험을 합니다. 아주 오래 전엔 4,000m 고지대에서 시험을 하다가 시동이 걸리지 않아, 문제를 해결하는 데 애를 먹은 적이 있습니다. 생각보다 다양한 장소와 환경에서 현지시험을 진행하며 개발하고 있습니다.

출처 : 기아자동차

출처 : 기아자동차

Q. 주행 관련 테스트 중 본인의 최고시속은.

김영권 책임연구원 : 최고 경험 속도는 260km/h 정도입니다. 각 차마다 연료 컷을 시키는 최고차속을 정할 수 있는데요. 타이어 속도지수와 맞물려 있는데, 타이어에서 설계적으로 보장해 줄 수 있는 최고속도가 적용되어 있습니다. 엔진은 더 높은 속도를 낼 수 있어도, 시스템 측면에서 위험한 상황을 미연에 방지하는 기능이 있습니다.

Q. 기아 차량의 브랜드 아이덴티티 구현을 위해 엔진 성능 개발 시 고려하는 요소가 있다면.

양재식 책임연구원 : 운전자의 가감속 의지가 반영된 가속페달의 개도 변화를 주요 인자로 하여 엔진의 목표 토크를 설정하고 그 추종성을 결정하여 엔진 ECU(Engine Control Unit)를 통해 엔진을 제어하게 됩니다. 이러한 엔진의 토크제어 과정은 차량에서 가속도로 표현이 되고 운전자는 이 가속도를 통해 그 브랜드의 가속감 관련 아이덴티티를 느끼게 되는 것이죠.  저희는 브랜드 및 차량의 콘셉트에 따라 차량의 목표 가속도를 설정하고 이를 구현시키기 위해 엔진 제어 맵핑(튜닝)을 차량에서 진행합니다. 엔진 토크를 운전자가 느끼는 가속감으로 표현하는 과정이지요.

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Chapter 3. 터보 엔진 개발 에피소드

최근 몇 년 사이 SUV에서 고급 세단에 이르기까지, 전 차종에 터보 엔진을 장착하기 위한 기술 개발이 이어질만큼 터보 엔진에 대한 관심도가 높아지고 있습니다. 바로 고유가와 배출가스 규제 강화, 친환경∙고효율이 미래 자동차 시장의 핵심 화두로 떠오르면서 힘 좋고, 연비 경쟁에서 앞서 나가기 위해서는 무엇보다 터보 엔진이 답이라는 분석과 전략 때문인데요. 이렇게 좋은 터보 엔진 어떻게 만들어진 것일까요?

Q. 터보 엔진을 연구하면서 있었던 에피소드가 있다면.

김영권 책임연구원 : 처음 터보 엔진이라고 개발을 시작했던 것은, 2.0 가솔린 터보 엔진이었습니다. 처음엔 시행착오가 많았었는데요. 터보랙이 엄청 심해서 응답성이 떨어지니까, 이런 것들을 개선하기 위해 고민하는 시간도 굉장히 오래 걸렸고, 또 터보 엔진에 들어가게 되는 인터쿨러에 대한 시험 기준이 없어서 디젤 기준으로 작업했다가 나중에 안타까운 상황이 벌어지기도 했습니다. 부랴부랴 다른 경쟁 차종을 확인하면서, 새로운 인터쿨러 개발 기준도 만들게 됐고 또 응답속도의 비교 평가도 수행했습니다. 마지막까지 고생했던 것은 이상연소인데요. 터보 엔진은 대기압보다 훨씬 높은 압력의 공기가 들어가니까, 설계적인 압축비가 아니라 실제의 압축비가 굉장히 높고 연료 유량도 많다고 봐야 합니다. 이런 이유로 발생하는 노킹(Knocking) 이나 프리 이그니션(Pre-ignition) 등의 현상으로 여러 분들이 고생하시다가, 흡기계를 바꾸면서 해결을 봤습니다. 그런 고생의 결과로 터보 GDi, 1.6 터보, 3.3 터보가 나오게 된 거라고 생각합니다. (웃음)

양재식 책임연구원 : 김영권 책임이 처음에 터보 엔진 연구하실 때 고생 많이 하셨습니다. 그 덕분에 그 결과를 가지고 쉽고 더 빠르게 경쟁사들을 쫓아갈 수 있었거든요. 2.0 터보도 마력을 줄이면서, 실용 성능을 높이고자 한차례 변경이 되었었습니다. 이러한 과정을 거쳐온 것이라고 보면 됩니다.

출처 : 기아자동차

Q. 타사 엔진 중 베스트라고 생각하는 엔진은.

김영권 책임연구원 : 타사 엔진 중에서 연비, 배출, 성능 등 골고루 균형 있게 잘 개발되고, 좀 더 고성능을 제공하는 엔진은 BMW, 벤츠의 엔진들 정도라고 생각합니다. 흔한 예로 수냉식 인터쿨러라는 아이템이 있는데, 이는 비용을 많이 들여 인터쿨러 성능을 획기적으로 개선한 것인데요. 비용이 많이 들다 보니, 경쟁사들간에 이걸 언제 어떻게 싸게 만들어 내놓을 것인가, 라는 시점이 문제였습니다. 그런데 벤츠가 제일 먼저 장착하더라고요. 여기에 BMW가 콘셉트를 완전 바꾼 더 좋은, 더 고성능의 수냉식 인터쿨러를 선보이고, 여전히 발전하면서 서로 경쟁을 하고 있는 것인 셈이죠.

Q. 현재 우리나라 터보 엔진의 기술력을 진단한다면.

양재식 책임연구원 : 터보 엔진 같은 경우에는 일본보다 많이 앞서고 있다고 생각합니다. 독일 3사에 비하면 부족한 부분은 있지만, 나름 적시에 개발을 시작했고, 많은 시행착오를 거치며 경쟁력 있는 터보 엔진들을 만들고 있다고 생각합니다.

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Chapter 4. 엔진에 대한 오해와 진실 7

이야기의 힘은 예나 지금이나 무척이나 세지만, 디지털 시대만큼 전파력이 강했던 적은 없습니다. 때문에 직접 경험하지도, 보지도 못한 오해들을 진실이라고 믿는 일들이 빈번해진 요즘인데요. 특히 무엇보다 중요한 기관인 ‘엔진’과 관련해서는, 여러 크고 작은 오해와 편견들이 많은 것이 사실입니다. 그런 엔진에 대한 우리의 잘못된 오해와 편견을 바로 잡기 위해 몇 가지를 물어봤습니다.

Q. 고급유를 넣어야 엔진이 좋아진다.

김영권 책임연구원 : 과거 차량에는 꼭 해당되는 말은 아닙니다. 엔진 매핑을 일반연료 기준으로 했었기 때문인데요. 요즘에는 고급유를 넣으면 엔진이 학습을 통해 최대한 고급유에 걸맞은 성능이 나올 수 있도록 스스로 컨트롤합니다. 다시 말하면, 고급유를 옛날 차에 넣는다면 내구 정도 말고는 딱히 좋아지는 게 없습니다. 참고로 고급유와 거의 비슷한 효과를 내는 게 납이 포함되어있는 유연유입니다.

양재식 책임연구원 : 지금은 다 무연유인데요. 환경오염 문제가 걸려 있기 때문에.

김영권 책임연구원 : 제3세계에서는 아직 유연유를 허용하는 나라가 있는 걸로 알고 있습니다. 우리나라도 오래전에는 유연유 였을텐데, 이때는 노킹 걱정을 훨씬 덜 했을텐데요. 납이 환경문제에 걸리며, 유연유에서 무연유로 바뀌면서 모든 엔진을 개발하는 회사들이 성능을 올리면서 노킹도 잘 해결해야 하는 고민을 시작했다고 들었습니다.

Q. 엔진오일은 수시로 갈아줘야 좋다.

양재식 책임연구원 : 사람들이 엔진오일을 생각보다 빨리 교환하는 경우가 많은데요. 각 차량 매뉴얼을 보면 엔진오일 교환주기가 써 있는데, 이게 그 정도 기간은 저희가 보증을 할 수 있다는 이야기입니다. 테스트 또한 철저히 해보기 때문에 그전에 갈아주는 것은 너무 이르다고 생각됩니다.

Q. 엔진오일, 이렇게 확인하면 좋다.

김영권 책임연구원 : 저는 주로 엔진오일 게이지를 찍어봅니다. 그리고 새 엔진오일 대비 색깔과 점도를 비교해보고요. 짙어지는 색깔은 육안으로 확인이 가능하지만 새 제품 대비 얼마나 찰기가 없는지에 대한 점도는 가까운 카센터에서 점도계를 이용해보는 것이 좋습니다. 참고로 디젤엔진오일은 색깔만으로는 구분하기 어렵습니다. (군대에서 엔진오일을 많이 갈아봐서...)

양재식 책임연구원 : 터보 GDi 엔진 같은 경우는 자주 찍어보는 게 좋습니다. 터보 GDi 엔진은 연소방식이 다르기 때문에 엔진오일이 소모가 되는 경우가 있거든요. 엔진오일 자체가 연소가 되어버리는 것인데요. 엔진오일이라는 게 엔진 실린더 벽을 보호하기 위해 있는 건데, 고온과 고압에 의해서 엔진오일이 연료와 같이 섞이며 타버립니다. 그래서 중간중간에 엔진오일 게이지 레벨을 체크해보는 게 좋습니다.

Q. 엔진 길들이기는 꼭 해야 한다.

김영권 책임연구원 : 엔진 뿐만 아니라 모든 기계적 부품들은 운행을 하면 할수록 어느 수준까지는 효율이나 성능이 좋아지는 부분들이 있습니다. ‘자리를 잡아간다’라는 표현이 좋을 것 같은데요. 실제 연구소에서 평가를 진행할 때에도, 엔진 같은 경우에는 1,500km 길들이기 후에 평가를 진행 합니다. 연비는 3,000km 정도를 달려야 측정마다의 편차가 줄어들고요. 참고로 길들이기를 위해 RPM을 올리지 말아야 한다 등은 별로 상관이 없습니다.

양재식 책임연구원 : 어떤 차라도 3,000km 정도면 자리잡기는 완벽하게 끝났다고 볼 수 있습니다.

Q. 예열, 후열은 꼭 해야 한다.

양재식 책임연구원 : 예열, 주행한 다음 후열 그런 거 전혀 상관이 없습니다. (웃음) 저희도 실험할 때 시동 바로 겁니다. 물론 시동도 그냥 끕니다.

Q. 현대와 기아는 서로 다른 엔진을 쓴다.

김영권 책임연구원 : 이건 오해인 것 같인데요. 좋은 엔진을 만들어 현대∙기아자동차가 상생하는 것이 콘셉트인데 그건 소비자의 오해라고 생각합니다.

양재식 책임연구원 : 저는 예전에 K5 연구할 때는 LF 쏘나타도 같이 담당했었습니다. 한 사람이 개발하기 때문에 기본 성능은 차이가 날 수가 없고요. 다만, 차량의 콘셉트에 따라서 엔진 튜닝 측면에서 다르게 개발하는 부분이 있습니다. 맛이 다르다고 할까요? 동일하게 가속페달을 밟았을 때 엔진의 목표 토크와 토크 추종성의 세팅 등이 조금씩 다릅니다. 예를 들어 어떤 차량은 편안했으면 좋겠다는 요구가 있고 어떤 차량은 다이나믹한 주행이 가능 했으면 좋겠다는 요구가 있습니다. 그런 맛의 차이를 내기 위해 고민합니다.

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Chapter 5. 내연기관의 미래는?

최근 '전기차가 미래다'라는 콘셉트 아래 메르세데스-벤츠, BMW, 폭스바겐 등 많은 자동차 기업들이 친환경차와 자율주행차에 집중하고 있습니다. 특히 이번 2017 프랑크푸르트 모터쇼에서 메르세데스-벤츠는 브랜드 방향성에 있어 디젤을 배제하고 전기차 개발 생산을 위해 향후 100억 유로를 투자하겠다고 밝혔으며, BMW 역시 2025년까지 전기의 힘으로 움직이는 25종의 차량을 선보일 예정입니다. 지금 이 시대, 내연기관 자동차의 미래는 과연 어떻게 될까요?

출처 : 이데일리

출처 : 이데일리

Q. 내연기관의 미래에 대해.

양재식 연구원 : 요즘 전기차, 수소차가 많이 이슈화 되고 있다. BMW나 벤츠는 2025년을 목표로 전동화 프로젝트를 진행 중입니다. 하지만 제 개인적인 생각으로 아직 그 단계는 멀었다고 보는데, 마치 자율주행차도 지속적으로 이슈가 되고 있지만 실체는 없는 것과 같은 맥락입니다. 앞으로 전기차나 하이브리드에 대한 중요성이 더욱 커지겠지만, 당장 내연기관이 없어지진 않을 것 같은데요. 아직도 내연기관이 시장에서 8, 90% 이상을 차지하고 있는 것을 보면 알 수 있습니다. 일부 전기화가 될 수 있는데, 전기차로 완전 넘어가기 위해서는 인프라 구축부터 기반 시설부터 모든 게 완전히 바뀌어야 합니다. 이게 굉장히 복잡한 문제인데요. 그리고 아직까지 내연기관 연구하는 사람이 훨씬 많습니다. (웃음) 물론 저희 연구소 다른 팀들은 전기차, 수소차 등 친환경 차량에 대한 연구를 활발히 진행 중입니다.

김영권 책임연구원 : 사람이 말을 1,000년을 탔다고 친다면, 미국에서 자동차가 처음 나오고 거리에서 말이 없어지기까지가 몇 년 안 걸렸다고 합니다. 저는 그런 것처럼 갑작스럽게, 순간적으로 변하지 않을까 생각하는데요. 말보다 자동차가 엄청나게 편했기 때문에 순식간에 없어진 것인데, 전기차가 내연기관에 비해 어마어마한 발전을 한다면 순식간에 세대 교체가 일어날 것이라고는 생각합니다. 하지만, 그렇게 발전을 하려면 뭔가 획기적인 이벤트가 있어야할 것 같고, 시간은 꽤 걸리겠구나 생각하고 있습니다.

출처 : 이데일리

Q. 내연기관의 발전 가능성에 대해.

양재식 연구원 : 그 동안도 많이 발전을 했지만, 수냉식 인터쿨러, 전동식 터보 등 같은 굉장히 많은 기술들이 아직도 발전이 되고 있습니다. 그리고 조만간 기아에서도 차세대 엔진, 변속기가 장착된 차량이 출시 될 예정입니다. 이렇게 기술이 한 단계 높아지는 것입니다. 그런 기술들의 발전 가능성은 앞으로도 무궁무진하다고 할 수 있습니다.

김영권 책임연구원 : 우리가 스스로 발전을 안 해도 배출 관련 법규가 나날이 강해지기 때문에 어쩔 수 없이 지속적으로 발전되는 구조가 만들어져 있습니다. 그리고 엔진뿐만 아니라 엔진 주변 장치도 발전의 여지가 무척이나 큽니다. 냉각, 흡배기, 인터쿨러 등 본체뿐만 아니라 엔진의 성능을 발휘하기 위한 주변 부품들도 아직 고민해야 할 부분들이 많이 남아있습니다. 그런데 그 전에 전기차가 좋아지면 다 끝나긴 하겠네요. (웃음) 

Q. 끝으로 꼭 말하고 싶었던 이야기가 있다면.

양재식 책임연구원 : 연구소의 모든 직원들이, 도요타나 폭스바겐, BMW 같은 기업들과 경쟁을 하기 위해 밤낮으로 고민하고 노력하고 있습니다. 그런데 일련의 이슈라던가, 사건, 어떤 품질적인 문제에 의해서 이러한 노력 전체가 비하 받을 때가 있거든요. 사기가 꺾일 때도 많습니다. 많은 연구원들이 소비자가 생각하지 못했던 부분까지 테스트하고 개발하려고 굉장히 노력하고 있습니다. 특히 저희는(동력개발팀) 엔진과 차량의 조화로 고객이 만족할 수 있는 최고의 동력성능, 운전성능을 개발하기 위해 많이 노력하고 있다는 걸 알아주셨으면 좋겠습니다. (웃음)

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