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신형 K3, 준중형급 차체로 경차급 연비 실현한 비결

미래 파워트레인? 이제는 스마트스트림

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높은 연비와 친환경성은 물론 역동성까지. 요즘 파워트레인이 갖춰야 할 필수 덕목이다. 스마트스트림은 이런 조건을 모두 만족시키는 기아자동차의 최신 파워트레인이다.

출처기아자동차

100m 달리기나 42.195km를 달리는 마라톤 등 운동 경기에는 늘 이런 말이 따라붙는다. '인간의 한계는 얼마'라는 말이다. 과학적으로 계산했을 때 기록을 몇 초 이하로는 단축할 수 없다는 설명이 뒤따른다. 그런데 한계는 늘 깨졌다. 시대가 변하면 인간의 신체도 변하고 체력도 달라질 수밖에 없다. 영양이 부족해 퇴보하지 않는 이상 점점 더 발전하는 게 역사 속 인간의 모습이다. 기록은 깨질 수밖에 없다.

자동차도 마찬가지다. 역학 법칙을 앞세워 한계를 논하지만 늘 기록을 갈아치웠다. 특히 연료의 효율성을 나타내는 연비는 한계가 비교적 명확한데도 계속해서 높아지고 있다. 연비는 보통 자동차라면 1L에 10km대에 머문다. 아무리 잘 나와도 일반 주행 상태에서는 1L에 20km를 넘기 힘들다. 그 1L에 10~20km 구간에서 연비를 높이기 위한 노력이 수십 년 넘게 이어져 왔다. 차체 무게를 줄이는 방법이나 엔진의 구조를 개선하거나 변속기의 효율성을 높이는 등 온갖 방법을 동원해 연비를 높인다.

출처기아자동차

이 과정에 정답은 없다. 새로운 방식이 무조건 만능은 아니고, 과거 방법이라고 해서 가치가 떨어지는 구식이 아니다. 예전에는 자동변속기가 수동변속기보다 연비가 떨어진다는 게 정설이었다. 지금은 오히려 자동변속기가 연비 더 잘 나오는 경우도 많다. 과거에는 힘을 키우기 위해 배기량을 늘렸지만, 지금은 과급기를 써서 작은 배기량으로도 큰 힘을 낸다. 시대에 맞게, 그때 기술에 맞게 최적화된 해법을 찾거나 개선하면 된다.

자동차 브랜드는 각 분야에서 본연의 전략을 세우고 실행한다. 성능은 물론 디자인과 마케팅 등 분야를 가리지 않고 가장 알맞은 방법을 찾는다. 기아자동차는 최근 동력성능 계통에 새로운 전략을 세웠다. '스마트스트림(Smart Stream)'이라고 이름 붙인 차세대 파워트레인 전략이다. 이 파워트레인은 엔진은 MPI, 변속기는 무단변속기(CVT)를 개선한 IVT(Intelligent Variable Transmission)와 조합한다. 차에 관해 관심이 조금이라도 있다면 의아해할지도 모르겠다. MPI와 무단변속기 모두 새로운 기술이 아니며 게다가 MPI 엔진은 연료를 흡기 포트에 분사하는 간접 분사 방식이다.

출처스마트스트림 G 1.6 엔진

기아차가 이 둘을 들고나온 이유는 '개선을 거친 최적화'를 이뤄서다. 실제 연비를 개선하고 실용 성능을 향상하고 배출가스를 줄이는데 이 두 조합이 가장 잘 맞는다고 판단을 내렸다. MPI와 무단변속기는 고유한 장점을 지닌다. MPI 엔진은 이미 검증된 방식이다. 내구성이 높고 가격 대비 성능이 우수하고 정숙성도 좋다. 대신 직분사 엔진과 비교해 오래된 방식이고 상대적으로 출력이 낮다. 무단변속기는 변속 충격이 없고 연비 향상에 기여하지만 가속감이 무뎌서 운전의 재미가 덜하다. 장점은 더욱 살리고 단점은 개선하면 MPI와 무단변속기도 더 좋은 파워트레인 조합으로 거듭날 수 있다. 기아차도 이 점에 주목했다.

개선 과정은 파워트레인 구조 설계를 합리화하고, 연소 기술을 강화하고, 신기술을 적용해 최적화했다. 이렇게 만들어낸 결과물이 스마트스트림 G 1.6 엔진과 스마트스트림 IVT 변속기다. 스마트스트림 파워트레인을 최초로 얹은 차는 신형 K3다.

어떻게 이전 방식을 활용해 최신 첨단 파워트레인으로 변신시켰을까? 우선 연비 향상을 위해서 열효율을 높였다. 연료를 태우면 100% 에너지로 전환되지 않는다. 보통 20~30%대에 머문다. 에너지로 변환하는 비율인 열효율을 얼마나 높이는가가 연비를 높이는 중요한 요소다. 연료를 분사하는 인젝터는 싱글 포트 인젝션 방식에서 듀얼 포트 방식(DPFI)으로 바꿔 연소 효율을 개선했다. 듀얼 인젝터를 활용하면 연료 분사 시기와 비율을 다양하게 조절할 수 있어서 연소 효율 및 체적 효율이 높아진다. 또한 마찰 저감 밸브 트레인과 경량화 피스톤 등을 적용한 마찰 저감 엔진 무빙 시스템은 엔진에 발생하는 마찰을 최소화해 에너지 낭비를 막아 연비 개선에 도움을 준다. 엔진 내 통합 유량제어 밸브에서 엔진 라디에이터, 변속기 오일 워머, 히터로 냉각수를 분배해 여러모로 냉각수 온도를 제어할 수 있는 통합 열관리 시스템도 연비를 높이는 방법이다.

출처스마트스트림 IVT 변속기

엔진은 시대를 막론하고 내구성이 중요하다. 사람이 평생 건강하게 살기 위해서는 심장이 튼튼해야 하는 것과 같은 이치다. 엔진 내구성 및 효율 향상을 위해 새로운 시스템을 적용했다. IVT 변속기는 기존 고무벨트 적용에서 금속체인 벨트 적용으로 바꿔서 내구성을 강화했다. 이 밖에도 열 손실을 최소화하는 냉각 시스템으로 배기가스 온도를 줄이고, 오일펌프 냉각 시스템으로 냉각 성능을 향상하는 방식도 동원했다.

효율성 및 내구성과 함께 체감 성능 향상에도 주력했다. 무단변속기는 정해진 단수가 없기 때문에 변속감이 자동변속기만 못하다는 평을 받는다. IVT는 인위적인 가상 단수를 설정해 자동변속기 또는 듀얼클러치 변속기와 비슷한 변속감을 낸다. 고정된 단수를 거치는 자동변속기와 달리 IVT는 실시간으로 단수가 내려가기 때문에 가속감이 더 빠르고 역동적이다.

출처기아자동차

일반 무단변속기(CVT)는 물론 자동변속기보다도 우세한 가속성을 확보했다. 가속과 엔진회전수가 일치하지 않는 현상은 일반 무단변속기의 특성이다. 속도는 계속 올라가는데 회전수는 그대로이든가, 그 반대인 경우다. IVT는 엔진회전수에 비례해 가속하는 로직을 적용해 자동변속기와 비슷하게 선형적으로 증가한다. 이전 구성인 1.6 GDI와 6단 자동변속기 구성과 가속감에 큰 차이가 없다. 운전자의 의도와 주행 상태에 맞춰 다양한 변속 모드를 구현하는 IVT는 변속 응답성이 우수하고 직결감이 커서 세련된 주행감은 물론 운전의 재미까지 동시에 만족시킨다.

IVT는 친환경과 역동성 두 마리 토끼를 노린다. 변속기 스팬 증대 풀리 시스템은 주행 조건에 따라 유압 세기를 조절해 변속비 폭을 확대한다. 저단 영역에서는 동력 성능 향상을, 고단 영역에서는 연비 향상 효과를 얻는다.

K3에 들어가는 IVT는 콤팩트카용으로 허용 토크가 18.3kg·m에 이르고 변속비는 7.0까지 커버한다. 체인 타입 배리에이터는 콤팩트카용으로는 세계 최초인데 푸시 벨트 타입보다 효율성이 5% 높아졌다. 베인 타입 오일펌프는 기어 타입과 비교해 구동 토크를 최대 9% 줄여 소음을 7~8dB 낮췄다. 동시에 효율성을 높이고 내구성도 확보했다.

출처기아자동차

스마트스트림 파워트레인의 우수성은 수치로 드러난다. K3 신형의 연비는 1L에 15.2km에 이른다. 이전 K3 가솔린 모델보다 10% 이상 높아졌다. 준중형급 차체로 경차급 연비를 실현했다.

스마트스트림은 G 1.6과 IVT에 한정되지 않는다. 기아차는 스마트스트림을 앞으로 출시할 모델에도 적용하고, 디젤 및 가솔린 터보 엔진에도 확대한다. 기아차가 속한 현대차그룹은 가솔린 엔진 10개, 디젤 엔진 6개, 변속기 6개 등 순차적으로 파워트레인을 스마트스트림으로 채워나갈 계획이다.

효율성과 친환경성 개선은 기아차에만 국한된 문제는 아니다. 전 세계 각국의 환경규제 및 연비 기준 강화로 인해 모든 브랜드가 당면한 과제다. 게다가 역동성은 그대로 유지해야 하는 부차적인 과제까지 해결해야 한다. 이에 기아차는 스마트스트림을 앞세워 미래에도 앞선 경쟁력을 갖춘다는 목표다. 전기차와 하이브리드 등 새로운 친환경 파워트레인 모델이 늘고 있지만, 2025년에도 전 세계 내연기관 자동차 판매량은 76%에 이를 전망이다. 끊임없이 내연기관의 성능을 개선해야 하는 이유다.

출처기아자동차

인간은 늘 한계를 뛰어넘으며 기록을 경신해왔다. 자동차도 친환경과 효율성 개선 등 각 분야에서 끊임없는 변화를 요구받는다. 그럴 때마다 새로운 해법을 제시하며 발전했다. 이제는 고연비와 실용 성능, 친환경을 아우르는 스마트스트림 차례다.

자동차 칼럼니스트 임유신(evo 한국판 편집장)

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