엔진에 얽힌 시시콜콜한 이야기

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엔진에 얽힌 시시콜콜한 이야기


두근두근 고동치고, 우렁차게 포효하며, 뜨거운 온기를 품는다. 수만 개의 부품이 맞물려 움직이는 자동차는 이미 물건이라기보단 하나의 생명체다. 그리고 이 생명의 원천이 바로 엔진이다. 차가운 쇳덩이에 온기를 불어넣는 자동차의 심장, 엔진에 얽힌 이야기다.

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최초의 자동차가 전기차였다면 어땠을까. 차가운 모터와 함께 우리의 열정도 식었을지 모른다. 그 결과는 아무도 모를 일이지만 배기관을 타고 흐르는 깊은 울림과 뜨거운 온기가 우리를 차라는 물건에 더욱 빠져들게 했음은 부정할 수 없는 사실이다. 우리가 자동차를 단순히 탈것으로만 여기지 않는 이유는 어쩌면 보닛 아래서 박동하는 엔진 때문이 아닐까.

레오나르도 다빈치, 엔진을 그리다 
이런 아이러니가 따로 없다. 현대 공학의 결정체라 불리는 엔진의 기원은 한 예술가로부터 그려졌다. ‘모나리자’와 ‘최후의 만찬’ 등 걸출한 작품을 그려낸 르네상스 회화의 거장 레오나르도 다빈치의 머릿속에서 말이다.

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​레오나르도 다빈치 자화상


레오나르도 다빈치는 미래라도 보고 온 게 아닐까. 석유는커녕 석탄조차 생소했던 1509년, 그는 실린더 안에서 연료를 태우는 내연기관을 고안한다. 공기와 연료를 압축하지 않고 그대로 태우는 구조로, 증기기관 개념조차 없었던 당시로서는 무척이나 파격적인 생각이었다. 하지만 이 생각은 실현되진 않았다. 당시 이를 실현한 기술이 부족했을 뿐만 아니라 제대로 된 연료도 없었기 때문. 실제로 내연기관이 등장한 건 그로부터 200여 년이나 흐른 1794년의 일이다. 레오나르도 다빈치의 생각이 200년의 시간을 앞선 셈이다. 참고로 다빈치는 1482년 태엽으로 움직이는 자동차를 고안하기도 했다.


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​레오나르도 다빈치의 스케치 중 하나. 이런 식으로 엔진의 기원도 그렸다


그렇다면 현대적인 엔진의 기원은 언제일까. 여기서 또 자동차 역사에서 빼놓을 수 없는 차, 칼 벤츠의 페이턴트 모터바겐(1886)이 등장한다. ‘페이턴트(특허)’라는 이름에서 엿볼 수 있듯, 공식적으로 가장 먼저 특허를 출원한 4행정 가솔린 엔진 차다. 비록 실제 최초의 4행정 엔진을 만든 건 1876년 니콜라우스 오토였고, 이를 차에 얹은 건 1885년 고트리프 다임러와 빌헬름 마이바흐가 먼저지만 말이다. 이 때문에 칼 벤츠와 고트리프 다임러는 특허권을 두고 끊임없이 다툰 앙숙 관계였다고.

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​페이턴트 모터바겐을 위에서 본 모습. 뒤쪽에 1기통 954cc 엔진이 얹혔다

컴퓨터, 엔진을 완성하다
‘컴퓨터식 엔진’. 80~90년대 자동차 광고에서 심심찮게 들을 수 있던 말이다. 이제 아무도 쓰지 않지만 이 단어는 엔진 역사를 송두리째 바꿔놓았다. 컴퓨터, 즉 전자제어를 만난 엔진은 그동안 불가능했던 것들을 차근차근 실현했다. 오늘날 직분사 엔진, 가변식 터보도 모두 전자제어의 토대 위에 빚어진 것들이다.

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89년 현대 엑셀 TV 광고. 전자제어 엔진인 걸 강조하고 있다


엔진은 원래 태어날 때부터 불안했다. 실린더에 공기와 연료를 섞어 넣기 때문에 항상 그 비율이 문제였다. 아무리 정밀하게 조정해도 시시각각 틀어지기 마련. 비율이 바뀌면 공기가 남거나 연료가 덜 타 효율이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 센서로 파악하고 연료를 분사한 게 전자제어 시스템의 시작이다. 전자제어의 도움으로 실시간으로 공기 흐름을 파악하고 계산함으로써 항상 최적의 비율을 맞출 수 있게 된 것. 컴퓨터는 이렇게 엔진의 오랜 숙원을 해결하며 등장했다.


연료분사로 시작된 전자제어는 오늘날 자동차의 구석구석을 빠짐없이 제어한다. 디젤 엔진의 혁명을 가져왔던 커먼레일(CRDI)이나 가변 지오메트리 터보(VGT), 가변밸브타이밍(VVT), 심지어 하이브리드 장치에 이르기까지 모두 정밀한 전자제어가 허락한 기술이다. 순수 기계식의 단점을 보완하고 그 한계를 뛰어넘을 수 있는 바탕이 된 셈. 엔진 역사에서 전자제어의 시작은 가히 우리네 역사의 산업혁명에 비견될 만하다.

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​직분사 엔진의 바탕도 결국 전자제어 시스템이다

공랭식, SOHC, 이제는 자연흡기
새로운 게 생기면 무언가 사라지는 법. 스마트폰에 밀려 피처폰이 사라졌고, 핸드폰에 밀려 삐삐가 없어졌다. 엔진도 마찬가지다. 수랭식 엔진에 밀려 공랭식 엔진이 자취를 감췄고, DOHC가 SOHC를 앞질렀다. 이제 터보에 밀려 자연흡기가 사라질 차례다.


터보의 영역 확장 비결은 포지션 변경이다. 한때 고성능의 상징이었지만 이제 배기량을 줄이고 출력을 유지하는 효율의 상징이 됐다. 결국 같은 역할이긴 하지만, 쓰임새가 사뭇 달라진 셈. 작은 엔진에 공기를 압축시켜 큰 힘을 내다보니, 엔진은 가벼워지고 기름도 덜 태운다. 낮은 rpm에서부터 최대토크를 뿜는 경쾌한 주행감은 덤. 쉐보레 크루즈(1.4L 터보)부터 벤츠 E300(2.0L 터보), 포르쉐 718 박스터(2.0L 터보)에 이르기까지, 대중적인 차와 고급 세단, 스포츠카를 막론하고 모두가 터보를 쓰는 이유다. 물론 가장 큰 이유는 점점 숨통을 조여오는 환경규제 때문이지만.

 

 

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​터보는 엔진 다운사이징의 핵심이다


터보는 원가절감 효과도 가져왔다. 값비싼 터보 엔진에 원가절감이라니 앞뒤가 안 맞지만, 볼보의 사례를 보면 이해가 갈 거다. 볼보는 터보의 힘을 빌려 모든 엔진을 4기통 2.0L 엔진 하나로 통합했다. 작은 해치백 V40부터 큼직한 SUV XC90까지 하나의 엔진 블록을 공유한다. 비결은 과급기 튜닝이다. 작은 차엔 하나의 터보를, 큰 차엔 두 개의 터보 또는 터보에 수퍼차저를 맞물려 성능을 조절한다. 가장 강력한 엔진의 경우 무려 367마력에 달해, 6기통 엔진의 영역까지 무리 없이 소화한다. 하나의 블록을 공유하면서 공장 효율 개선은 물론 천문학적인 개발비까지, 볼보는 터보 덕분에 많은 돈을 아끼고 있다.

 


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이토록 터보의 강점이 많다 보니, 자연흡기가 설 자리는 점점 줄고 있다. 조만간 수랭식 엔진에 밀렸던 공랭식 엔진처럼 시장에서 사라질지도 모른다. 그런데 이를 어쩌나, 자연흡기가 사라지는 속도보다 내연기관 시대가 더 빨리 저물 것 같기도 하다. 

엔진 개발, 현대차만 하지 않았다
역사는 승자의 기록이라 했던가. 우리나라 엔진 역사를 살펴보면 유난히도 현대차의 엔진 개발만 부각되고 있다. 사실 현대차가 최초의 독자개발 알파 엔진 등을 비롯해 주도적인 역할을 했던 건 어느 정도 사실이지만, 다른 브랜드도 마냥 손 놓고 있진 않았다. 우리나라 자동차 산업의 태동기를 함께했던 대우와 기아자동차도 걸출한 엔진들을 선보이며 발전을 이끌었다.

대우차는 독자개발 엔진을 가장 먼저 출시했다. 1991년 2월 에스페로에 1.5L A15MF 엔진을 달아 출시해 현대 스쿠프(1991. 5)의 알파 엔진보다 3개월 빨랐다. 엔진 개발은 현대차가 먼저지만, 출시는 대우가 한발 앞선 셈. 비록 출시를 서두른 탓에 초기 품질 문제는 있었지만 알파 엔진보다 한발 앞선 DOHC를 사용하고, 저속중심 세팅으로 체감성능을 높이는 등 제법 도전적인 엔진이었다.

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스쿠프보다 먼저 독자개발 엔진을 얹은 에스페로


한국차 역사상 가장 별난 엔진도 대우 작품이다. 세계적으로 매우 드물다는 가로배치 직렬 6기통 XK 엔진(2.0L, 2.5L)이 그 주인공. 직렬 6기통은 피스톤이 서로 폭발 충격을 상쇄시켜 이론적으로 가장 부드럽지만, 엔진이 가로로 놓이는 전륜구동엔 공간이 부족해 넣기 힘들다. 그런데도 대우차는 실린더 간격을 극단적으로 줄여, 이 엉뚱한 구성을 실현한다. 덕분에 회전 질감과 정숙성만큼은 동시대 현대-기아차의 엔진을 훨씬 웃돌았다. 단, 비싼 제작단가와 성능을 높이기 힘든 얇은 실린더 간격 탓에 매그너스와 토스카에만 쓰이고 단명한다.

 

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​대우 XK 엔진. 중형 세단에 직렬 6기통 특유의 부드러운 회전 질감을 넣었다


기아는 한때 ‘기술의 기아’라고 불렸을 만큼 엔진 개발에 열을 올렸다. 그 결과물이 T8D 엔진과 J 엔진. T8D 엔진(1994. 12)은 현대 베타 엔진(1995. 3)보다 먼저 등장한 중형급 엔진으로 가변흡기 등 당시 최신기술이 탑재되어 1.8L 이상의 성능을 냈다. 엘란에 얹힌 가장 강력했던 T8D 하이스프린트 엔진의 경우 최고출력 151마력과 최대토크 19.0kg·m의 성능을 냈을 정도. 게다가 7,200rpm까지 고회전이 가능해, 아직도 국내 자동차 마니아들 사이에선 명기로 회자된다.

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기아 1.8리터 T8D 엔진. 마니아들 사이에서 명기로 회자된다

 

최초의 국산 디젤 엔진도 기아의 손으로 태어났다. 국산 최초 독자개발 엔진이 나왔던 1991년 이듬해 1992년 JS(2.7L) 엔진이 출시된 것. 현대의 고유 디젤 엔진이라 불릴 만한 A엔진(2.5L)이 2002년 나온 걸 감안하면 당시 기아의 기술 자립에 대한 열망을 엿볼 수 있다. JS 엔진은 첫 엔진이었음에도 당시 쓰던 마쓰다 엔진보다 뛰어난 성능으로 기아 봉고의 주력 엔진으로 쓰였다. 이후 개선을 거듭해 현대차에 인수된 후에도 계속 J 엔진(2.9L)이라는 이름으로 20여 년간 장수한다.
이렇듯 현대, 기아, 대우차는 간발의 차로 앞서거니 뒤서거니 다투며 독자엔진 개발 경쟁을 펼쳐왔다. 비록 지금은 현대자동차 그룹만이 남았지만, 이때의 기술 경쟁이 지금의 한국차 위상을 만드는 토대가 됐다.

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​기아차가 개발한 J 엔진. 사진은 현대 테라칸에 얹은 엔진이다

유별나지만 멋진 괴짜들
괴짜가 세상을 바꾼다. 지금 우리가 당연하게 여기는 4기통 엔진도, 더 나아가 마차 타던 시절 등장한 증기기관도 처음엔 다 괴짜였다. 이들은 다행히 주류로 올라 괴짜가 아닌 선구자로 인정받지만, 그렇지 못한 경우도 허다하다. 너무 앞서갔거나, 너무 과감해 괴짜로 남은 엔진들의 이야기다.


“작은 차에 거대한 엔진을 달면 빨라질 거야.” 어릴 적 이런 생각으로 작은 차에 트럭 엔진을 넣는 상상, 한번쯤 해봤을 거다. 그런데 100년 전 사람들의 생각도 크게 다르지 않았나 보다. 1911년 등장한 피아트 S76은 이런 상상의 ‘끝판왕’이다. 4m도 채 안 되는 작은 차체에 직렬 4기통 28.5L 거대한 엔진을 욱여넣었다. 한 실린더당 용적은 롤스로이스 팬텀의 배기량보다도 큰 약 7.0L. 피스톤 하나가 움직일 때마다 차체가 덜컹덜컹 튈 정도로 강력했다. 그리고 그들의 상상은 실현됐다. 피아트 S76은 300마력의 강력한 출력으로 당시 미지의 속도였던 시속 216km 신기록을 세운다. 이후 최고속도 기록은 깨졌지만, 아직까지도 역사상 가장 큰 자동차 엔진으로 남아 있다.

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​자동차 역사상 가장 큰 엔진을 얹은 피아트 S76


치열한 속도경쟁의 장, 모터스포츠에서도 과한 승부욕이 가끔 엉뚱한 결과물을 낳는다. 그렇게 탄생한 엔진 중 하나가 1966년 등장한 BRM H16이다. H16 엔진은 수평대향 8기통 1.5L 엔진 두 개를 위아래 ‘工(공)’자 모양으로 붙인 방식. 포뮬러 1 규정이 갑자기 1.5L에서 3.0L로 늘어나며 만들어진 괴작이다. 이 엔진이 생소한 데서 알 수 있듯 꼼수의 결과는 완전히 실패했다. 두 개의 엔진을 붙여놓으니 무겁고 무게중심이 높은 건 물론, 구조가 복잡해 고장도 잦았다. 경기만 나갔다 하면 리타이어하기 일쑤. 결국 이 엔진은 1967년 V12 엔진으로 대체된다.

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그래도 이 엔진들은 반켈 엔진에 비하면 양반이었다. 반켈 엔진, 즉 로터리 엔진은 피스톤 모양부터 달라진다. 아예 일반 엔진과 기초부터 다른 구조였다. 상하운동하는 피스톤 대신 회전하는 로터가 들어간다. 원리는 세모 모양 로터가 땅콩모양 연소실 속을 회전하면서 생기는 빈 공간을 통해 흡입-압축-폭발-배기 4행정을 연속적으로 수행하는 것. 삼각형 로터가 연소실 내벽과 만나며 만들어지는 3개의 빈 공간에서 4행정 중 세 가지가 동시에 이뤄진다. 덕분에 회전이 매끄럽고 배기량 대비 출력도 높다. 게다가 가볍기까지 하니 경주차 엔진으로 최고인 셈. 실제로 1991년 르망 24시에서 로터리 엔진을 얹은 마즈다 787B 경주차가 일본차 최초로 우승을 차지하기도 했다. 고질적인 내구성 문제는 마쓰다의 집념 어린 개발로 많이 해결됐지만, 점점 심해지는 배출가스 규제를 만족시키지 못하고 지금은 자동차 시장에서 퇴역했다.

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​마쓰다 RX-8의 로터리 엔진 절개 모습. 세모난 로터가 땅콩 모양 연소실 안에서 회전한다

친환경 전기차 시대, 내연기관이 사는 법
‘자동차=내연기관’은 자동차 역사 160여 년의 공식이다. 자동차는 내연기관이 있기에 존재했고, 내연기관이 있어 뜨거웠다. 그런데 찬란했던 그 역사도 이제 끝을 바라보고 있다. 온갖 환경규제에 따라 전기차 시대가 성큼성큼 다가오고 있기 때문. 이에 내연기관은 배출가스를 줄이고 기름 한 방울이라도 아끼기 위해 처절하게 진화하고 있다.


효율을 높이기 위한 첫 번째 노력은 잡일을 줄이는 것이다. 그동안 엔진은 자동차를 굴리는 것 외에 유압을 만들고 냉각수를 순환시키며, 에어컨을 작동시키는 등 온갖 궂은일을 도맡아 했다. 할 일이 많으니 기름 많이 먹는 건 당연지사. 이를 해결한 게 바로 48볼트 마일드 하이브리드 시스템이다. 간단히 설명하면 엔진의 잡일을 전기모터가 대신해주는 장치다. 기존 12볼트보다 강렬한 48볼트 전기의 힘으로 냉각수를 순환시키고 에어컨 냉매를 압축한다. 덕분에 엔진은 차를 굴리는 데만 집중해 효율을 높인다. 최근 이 기술을 공개한 메르세데스 벤츠에 따르면 기존보다 효율이 15% 좋아진다고. 참고로 이미 대세가 되어버린 전동식 조향장치(EPS)도 비슷한 원리로 기름을 아낀다.

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48V 마일드 하이브리드 시스템이 붙은 메르세데스 벤츠의 직렬 6기통 엔진. 아래쪽 둥근 모양이 48V 전기모터다


변종으로 효율과 친환경 두 마리 토끼를 겨냥하기도 한다. 효율 좋은 디젤 엔진과 깨끗한 가솔린 엔진을 섞는 시도가 그것으로, 일명 압축착화 가솔린(HCCI) 엔진이라 불린다. 연료를 힘껏 압축시켜 터뜨리는 디젤 엔진의 방식으로 휘발유를 태우는 셈. 원래 휘발유는 경유와 달리 불이 너무 잘 붙어 압축착화가 힘들다. 불꽃으로 점화시키는 가솔린 엔진에서도 빈번하게 노킹 현상(연료를 압축하는 중에 폭발하는 현상)이 생길 정도이니 압축착화는 꿈도 못 꿨다.

그런데 마쓰다는 이를 극복하고 압축착화 가솔린 엔진을 2018년에 출시할 예정이다. 아직 자세한 원리를 공개하진 않았지만, 이미 사전 테스트를 통해 기존 엔진보다 30% 효율이 높아졌음을 확인했다고. 메르세데스와 페라리, 르노의 최신 F1 엔진들도 이 방식으로 알려졌다.

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압축착화식 가솔린 엔진은 2018년에 출시할 마쓰다 3에 탑재될 예정이다


엔진의 효율과 성능을 높여왔던 ‘가변’ 기술은 이제 배기량을 조절하는 수준을 넘어섰다. 8기통 중 2기통 혹은 4기통의 연료를 차단하는 가변 배기량은 더 이상 신기한 기술이 아니다. 닛산이 만든 VC-T 엔진은 크랭크샤프트 아래 멀티링크 구조를 넣어 압축비를 조절한다. 출력이 필요할 때는 압축비를 8:1까지 낮추고, 효율이 필요할 때는 최대 14:1로 높인다. 주행 상황에 따라 압축비를 조절하니, 272마력의 최고출력을 내면서도 효율은 27% 개선했다. 닛산은 이 엔진을 개발하기 위해 무려 20년간 300개의 특허기술을 적용했다고 한다. 이 엔진은 2018년 인피니티 QX50을 통해 첫 공개될 예정이다.

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닛산 VC-T 엔진. 크랭크축 아래 멀티링크를 달아 압축비를 조정한다


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이 외에도 캠샤프트를 없애고 전자식 액추에이터로 밸브를 여닫는 캠리스 엔진, 실린더 내에 냉각용 물을 뿌려 효율을 높인다는 물 직분사 엔진 등 내연기관의 수명을 연장시키는 기술이 다각도로 연구되고 있다.


엔진은 자동차의 심장이다. 우리가 중고차를 볼 때 엔진부터 보는 이유도, 엔진이 자동차에서 가장 중요한 부품이기 때문일 터다. 역사적으로도 자동차는 엔진에 의해 발전돼왔다고 봐도 될 정도. 그런데 변속기가 없었다면, 과연 이만큼 활용될 수 있었을까? 다음호엔 엔진을 더욱 쓸모 있게 만들어주는 변속기에 대한 이야기가 이어진다.

윤지수 기자 

< 저작권자 - (주)자동차생활, 무단전재 - 배포금지 >

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인사청문회를 활용한 보험사기 억제방안죄의식 없이 행해지는 연성 보험사기는 심각한 사회문제다. ‘보험금을 많이 받아내는 것도 능력’이라는 잘못된 인식이 보험사기를 당연시하는 문화를 … 더보기
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인기 차체에 얽힌 시시콜콜한 이야기

M CARLIFE | 댓글 0 | 조회 30,512 | 추천 0
차체에 얽힌 시시콜콜한 이야기호쾌한 V8 엔진, 번개 같은 시퀀셜 변속기, 든든한 카본-세라믹 브레이크‥‥. 듣기만 해도 가슴 뛰는 단어들이지만, 따로 떨어지면 이것들도 그저 쓸모… 더보기
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인기 버스 화재에 대한 근본 대책 마련해야

M CARLIFE | 댓글 0 | 조회 12,500 | 추천 0
버스 화재에 대한 근본 대책 마련해야최근 중국 웨이하이에서 발생한 버스 화재 사고로 우리 교민 자녀 10명 포함 13명이 사망했다. 국내에서도 크고 작은 버스 화재사고가 끊이지 않… 더보기
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인기 골치 아픈 보험금 분쟁, 앞으로 줄어든다

M CARLIFE | 댓글 0 | 조회 12,919 | 추천 0
골치 아픈 보험금 분쟁, 앞으로 줄어든다유독 보험업계는 고객 민원을 기피한다. 민원이 많은 회사는 서비스가 나쁜 회사로 인식되기 때문. 금감원은 ‘국민체감 20대 금융관행 개혁’을… 더보기