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현대자동차

전기모터와 찰떡 궁합 앳킨슨 사이클 엔진

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2018년, 현대차의 플래그십 SUV 팰리세이드가 등장하면서 사람들은 팰리세이드에 탑재된 3.8리터 V6 엔진에 주목했습니다. 그 이유는 앳킨슨 사이클 엔진을 채택해 높은 배기량에도 불구하고 중형차급 연비를 보여주었기 때문입니다. 또한 현대차의 주요 하이브리드 기종에도 앳킨슨 사이클 엔진이 적용되고 있습니다. 지금부터 앳킨슨 사이클 엔진에 대한 보다 자세한 이야기를 시작하겠습니다.

앳킨슨 사이클 엔진이란?

도로에서 흔히 볼 수 있는 자동차에 탑재된 엔진들은 대부분 오토(Otto) 사이클이라 부르는 4행정 방식의 엔진을 택하고 있습니다. 1876년 독일의 니콜라우스 오토가 개발한 엔진에서 유래한 것입니다. 그러나 앳킨슨 사이클 엔진이라고 부르는 조금 다른 방식의 엔진도 있습니다. 앳킨슨 사이클 엔진 역시 1882년 영국인 제임스 앳킨슨이 발명한 내연기관으로, 발명자의 이름을 딴 엔진입니다.

오토사이클과 앳킨슨 사이클 엔진은 모두 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정 사이클로 움직입니다. 그러나 오토 사이클 엔진은 크랭크축이 2번 도는 동안 1회 폭발합니다. 피스톤이 내려가는 동시에 흡기 밸브가 열리며 흡입한 공기 혹은 혼합기를 피스톤이 다시 상승하며 압축하고 스파크 플러그로 폭발을 일으킵니다. 이후 폭발력으로 내려간 피스톤이 올라오면서 열리는 배기 밸브를 통해 연소된 가스가 배출됩니다. 그러나 앳킨슨 사이클 엔진은 1회전마다 한 번씩 폭발이 일어납니다.

이러한 이유는 앳킨슨 사이클 엔진이 오토사이클보다 다소 복잡한 3점식 링크 구조, 즉 부가 커넥팅 로드를 장착한 구조로 되어 있기 때문입니다. 대략적인 작동원리는 흡입 행정 시 피스톤이 상사점(실린더 내부의 피스톤이 최상부에 올라가 있을 때)에서 조금만 내려가게 해서 공기 흡입량을 적게 조절하고, 분사량 역시 이에 대응해 제어되도록 합니다. 그리고 압축 후 폭발 행정에서 피스톤을 하사점(피스톤이 실린더 속 최하단에 위치했을 때)까지 내려가게 했다가 다시 올라오게 하여 배기가스를 배출하는 방식입니다.

이러한 구조의 앳킨슨 사이클 엔진은, 처음 개발 당시 복잡하고 부피가 커져 실제로 자동차에 사용되지는 못했습니다. 하지만 1947년 미국의 엔지니어 랄프 밀러가 앳킨슨 사이클 엔진을 개량한 엔진을 개발하며 실제 차량에 사용되기 시작했습니다. 현재 앳킨슨 사이클이라 알려진 엔진 대부분은 밀러 사이클 방식을 사용하고 있습니다.

밀러 사이클 엔진은 일반 오토 사이클 엔진처럼 움직이면서 밸브 타이밍을 조절해 앳킨슨 사이클의 효과를 냅니다. 작동원리는 우선 일반 오토 사이클 엔진처럼 피스톤이 하사점까지 내려가며 공기를 흡입합니다. 그리고 하사점에서 압축이 시작되는 일반 사이클과 달리 밀러 사이클은 흡기 밸브를 닫지 않고 피스톤을 상승시킵니다. 피스톤이 어느 정도 올라왔을 때 흡기 벨브를 닫아 공기를 압축합니다. 이후는 일반 사이클과 동일하게 폭발, 배기로 진행됩니다.

하이브리드와 앳킨슨 엔진의 궁합

앳킨슨 사이클의 주된 목적은 흡입 과정에서 압축비를 줄여 연료 흡입량을 줄이는 대신 기계적 구조를 통해 팽창비를 증대하여 효율을 극대화하는 데 있습니다. 이러한 방식을 이용하면 압축과정에서 발생하는 기계적 에너지 손실을 줄일 수 있어 높은 효율을 가져올 수 있습니다. 이를 통해 앳킨슨 사이클 엔진은 동일 배기량의 오토사이클 엔진 대비 10% 이상의 열효율 향상을 기록할 수 있습니다.

그러나 단점도 있었습니다. 최고 출력의 수치는 물론 출력 발휘 범위도 제한적이라는 점입니다. 앳킨슨 사이클은 이러한 한계가 뚜렷해 선박이나 대형 엔진에만 적용됐습니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 과급기를 활용한 제조사들도 있습니다. 그러나 구조적으로 복잡한 편이어서 가격이 높은 경향이 있습니다.

그런 점에서 전기 모터와는 좋은 궁합을 보였습니다. 구동 시점부터 최대 토크가 발휘되는 전기 모터의 특성은 앳킨슨 사이클 엔진의 발진 가속력을 보완할 수 있었습니다. 앳킨슨 사이클 엔진이 제 힘을 쓸 수 있는 범위까지만 구동 모터가 어시스트해주는 방식인 셈입니다.

현대자동차의 주요 앳킨슨 사이클 엔진은?

현대차는 효율성 좋은 앳킨슨 사이클 개발에 몰두했고 최고 출력 105ps, 최대 토크는 15kg·m의 1.6리터 직분사식 앳킨슨 사이클 카파 엔진을 개발했습니다. 이 엔진은 아이오닉 하이브리드에 적용되고 있습니다. 아이오닉 하이브리드는 해당 엔진 최고 출력 43.5ps에 최대토크가 17.3kg·m의 전기모터를 결합해 합산 출력 141ps를 발휘합니다.

특히 현대자동차는 앳킨슨 사이클 엔진과 구동 모터의 조합을 6단 DCT와 결합해 세계적으로도 화제를 모았습니다. 통상 엔진과 모터가 결합되어 파워트레인이 다소 무거워지는 경향을 막기 위해 CVT를 장착하는 것이 일반적이었습니다. 그러나 현대자동차는 여기에 DCT를 장착해 초기 가속 성능과 효율성을 최대화하고자 했습니다. 이를 통해 열효율 40%를 달성하는 데 성공했습니다. 아이오닉은 운전의 재미를 잃지 않으면서 도심 복합연비 22.4km/L의 매우 우수한 연비를 자랑합니다. 그리고 CO2 배출량도 69g/km로 획기적으로 줄였습니다.

또한 쏘나타 하이브리드 역시 2.0리터 GDI 앳킨슨 사이클 엔진과 전기모터를 결합해 복합 연비 18.0km/L라는 급을 뛰어 넘는 연료 효율성을 보여주고 있습니다. 대형 세단인 그랜저에도 전기 모터와 2.4리터 MPi 앳킨슨 사이클 엔진을 탑재해 높은 배기량에도 불구하고 16.2km/L라는 연비를 자랑합니다. 이처럼 현대차는 앳킨슨 사이클 엔진을 적용해 출력과 연비를 모두 잡았습니다.

대배기량∙터보차저로 역동성 강조한 앳킨슨 사이클 엔진

이 후 플래그십 SUV 팰리세이드에도 앳킨슨 사이클 엔진을 장착했습니다. 팰리세이드에 들어가는 3.8리터 V6 GDI 앳킨슨 사이클 엔진은 최고출력 295ps, 36.2kg·m의 최대토크을 자랑합니다. 앳킨슨 사이클의 출력 문제를 배기량을 키워 해결했으며 또한 4,980㎜의 덩치와 1,906kg의 무게에도 불구하고 평균 연비 8.9km/L 우수한 효율성을 보여주어 전세계인들의 호평을 받고 있습니다.

또한 현대자동차는 지난 2018년 10월, 국제 파워트레인 컨퍼런스를 통해 향후 선보일 스마트 스트림 G2.5 GDI 엔진에도 앳킨슨 사이클 방식을 적용할 것이라고 밝혔습니다. 스마트스트림 G2.5 GDI 엔진은 앳킨슨 사이클 엔진은 조건에 따라 직접 분사(GDI) 또는 포트 분사(MPI)를 선택할 수 있는 듀얼 연료 분사시스템을 도입해 별도의 과급기나 전기모터의 도움 없이 194ps라는 강력한 힘을 낼 수 있습니다.

기술이 발전하면서 한가지를 얻으면 한가지를 포기해야 하는 시대는 지나갔습니다. 그 동안 자동차 기술 발전사를 살펴보면, 출력의 부족은 과급기를 통해, 효율성과 환경문제는 전기모터를 통해 해결했습니다. 그리고 현대차는 앳킨슨 사이클과 DCT를 결합하며 효율성뿐 아니라 운전의 재미까지 놓치지 않는 혁신을 보여줬습니다. 친환경과 운전의 재미 모두를 요구하는 요즘 앞으로 현대차가 어떤 대답을 내놓을 지 기대됩니다.

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현대자동차

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