엔진의 다운사이징은 자원과 규제 대응만을 위한 솔루션이 아니다. 변한 도시 라이프스타일, 각박해진 주머니 사정, 파워에 대한 욕구 등 다양한 요소에서 소형 터보 직분사 엔진은 기존 세대와는 다른 운전의 즐거움, 빈도, 마음의 여유를 줄 수 있다. 또 닛산이 강조하는 CVT는 엔진 효율이 좋은 부분을 사용함으로써 연비를 더욱 향상시킨다. DCT가 고속 주행에서 빛을 발한다면 CVT는 낮은 속도에서부터 높은 속도, 어떤 속도로 달린다 해도 엔진의 연비가 좋은 영역을 지속적으로 사용할 수 있고, 변속 충격 없는 승차감을 선사한다.






북극 러시아령 랭겔(Wrangel) 섬에서 발견된 매머드는 무게가 2톤 가량 나갔다. 다른 지역의 매머드가 평균적으로 6톤임을 감안할 때, 이 매머드는 매우 작은 난장이 매머드였다. 도대체 이같은 차이의 원인은 무엇일까. 이는 1964년 동물학자 J. 브리스톨 포스터(J. Bristol Foster)가 주창한 “포스터의 법칙(island rule)”으로 설명할 수 있다. 자원이 한정된 섬에 사는 큰 동물은 작게 진화해 종의 보존을 도모한다는 것이다.
포스터의 법칙은 자동차에도 적용된다. 일반적으로 엔진의 진화는 대형화라고 생각돼왔다. 그러나 소형화란 진화 방향도 존재한다. 사실 이같은 소형화 추세는 존재한다기 보다는 친환경, 고유가와 자원고갈이란 거대한 압박 속에서 이미 산업의 대세다. 엔진의 소형화, 즉 ‘다운사이징’은 단순하게는 엔진 배기량이나 실린더 수를 줄이는 것을 말한다.
물론, 대 배기량과 실린더 수가 많은 엔진을 선호하는 고객이 있기 때문에 모두가 마이그레이션하는 것은 아니지만 다운사이징은 거대한 조류임에 틀림없다.



단순 소형화의 문제

최근 자동차 업체들은 다양한 기술 방식으로 연비를 개선시키기 위해 노력하고 있다.
연비를 높이는 것만 생각하면 문제는 간단하다. 실린더 수와 배기량을 단순하게 낮추기만 하면 된다. 예를 들어 4실린더 엔진을 3실린더로, 1.5 ℓ의 배기량을 1.2 ℓ로 하는 식이다. 실린더 수를 줄이면 실린더 용적이 적어지고 엔진이 가벼워져 연비 향상과 직결된다. 또 실린더가 왕복 운동하는 기관이기 때문에 실린더 수가 줄어들면 그만큼 마찰저항도 줄어든다.
그러나 실린더를 줄이고 배기량을 낮추는 조치뿐이라면 엔진의 힘이 줄어들기 때문에 매력이 반감된 차가 돼 버릴 수밖에 없다. 특히 차종 특유의 개성이라고 할 수 있는 “주행의 즐거움”이 손상되면서 완전히 다른 차가 돼 버리게 된다. 즉, 다운사이징에 요구되는 것은 연비가 뛰어나면서도 달리는 즐거움이 양립하는 엔진을 만드는 것이다. 
엔진을 작게 만들면서도 주행을 해치지 않도록 하기 위해 다운사이징 엔진은 과급기를 붙인다. 과급기는 엔진에 압축된 공기를 보내는 압축기의 기능을 하는 장치다. 일반적으로 터보차저나 수퍼차저와 같은 과급기는 레이서를 위한 기술로, 파워를 상승시키지만 연비를 나쁘게 한다고 여겨져 왔다. 그러나 최근의 과급기는 날개 모양과 저항 저감 등의 진화를 거듭하면서 에코와 운전의 즐거움을 양립시키기 위한 핵심 기술이 됐다. 이 과급기를 능숙하게 사용하면, 1.2 ℓ 엔진도 1.5 ℓ 엔진과 동일한 분량의 공기를 보낼 수 있다. 즉, 작은 엔진이 과급기의 도움으로 배기량이 더 큰 엔진과 동질의 주행 성능을 얻게 되는 것이다.



터보와 직분사의 결합  

특히 직접분사 방식은 이같은 다운사이징 엔진을 구성하는 중요 요소다. 기존 엔진은 실린더 앞에서 연료를 분사해 그것을 실린더에 흡입시키지만, 직분사 엔진은 실린더 내부에 직접 연료를 분사한다. 가솔린을 실린더에 직접 분사함으로써 가솔린의 기화열이 실린더 내부의 온도를 낮춘다. 터보차저 같은 과급기 부착 엔진은 고압으로 실린더에 공기를 보내 흡기 온도를 높이기 쉽기 때문에 기존에는 엔진의 압축 비율을 낮추고 온도를 컨트롤했다. 압축 비율에 대한 설명을 추가하자면, 가솔린 엔진은 물총이나 공기총과 같은 원리로 분사 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 압축, 착화, 폭발시키는데, 이를 더 강하게 압축하면(압축 비율을 올리면) 그만큼 폭발력이 커진다. 그러나 가솔린 엔진의 경우 강하게 압축하면 폭발 시의 온도가 너무 높아져 이상 연소가 일어나는 노킹(엔진의 이상 진동) 현상이 발생할 수 있다. 직분사 방식의 경우엔 냉각 효과가 있어 과급기에 많은 공기(= 혼합기)를 보내어 연료를 태워도 온도 상승을 억제 할 수 있어 압축 비율을 높일 수 있다. 즉, 과급기와의 궁합이 좋은 직분사 엔진의 채용으로 연비와 달리는 즐거움을 양립시킬 수 있게 된 것이다.
친환경차의 주역은 하이브리드 카나 충전하는 전기차로만 생각돼 왔다. 물론 장기적으로 이 차들은 의심할 여지가 없겠지만, 분명히 현재의 차들은 구조가 복잡하든가, 비싸거나, 전용 인프라를 필요로 하기 때문에 보급에 시간이 걸리는 문제가 있다. 또 향후 자동차 보급이 크게 늘어나는 지역은 신흥국가들이고, 각 국가 또는 지역의 실정을 감안할 때 주로 엔진 차량이 대부분이 될 전망이다. 따라서 지구온난화 등의 환경문제를 완화하려면, 하이브리드 카, 전기차의 보급뿐만 아니라 엔진의 진화에 의한 연비 향상이 불가피한 상황이다. 연비와 자동차를 운전하는 즐거움을 양립토록 하는 다운사이징의 존재감이 깊어가는 이유다.




부드럽게 달리고 연비도 업 

기어가 달린 자전거를 탈 때를 생각해보자. 출발할 때나 언덕길에서 저속 기어를 선택한다면 보다 페달을 밟기가 수월하다. 그러나 속도가 올랐을 때나 내리막길에서 저속 기어를 놓고 있다면 페달이 헛도는 느낌이 든다. 때문에 속도가 올라가면 고속 기어로 바꾸고 속도도 더 높일 수 있다.
자동차의 트랜스미션도 기본 개념은 자전거와 같다. 사람의 체력에 한계가 있는 것처럼, 자동차 엔진도 크게 토크를 변화시키기 어렵기 때문에 트랜스미션이 필요하다. 고속 기어와 저속 기어를 나눠 사용하게 되면 페달을 밟는 힘처럼 엔진의 힘을 크게 변화시키지 않고도 효율적으로 달릴 수 있다. 자동차로 말하면 최초 출발할 때나 오르막길에서는 1단 또는 2단의 저속 기어를 선택하고 속도가 올라가면서 4단, 5단의 고속 기어로 옮기는 것이다.
일본에서는 승용차의 90% 이상이 오토 트랜스미션을 채용하고 있다. 현재 사용되고 있는 이 자동 변속기는 크게 3가지로 분류된다. 일반적인 유단 자동 변속기(AT), 듀얼 클러치 트랜스미션(Dual Clutch Transmission, DCT), 무단 변속기(Continuously Variable Transmission, CVT) 등이다.
이 중 가장 독특한 트랜스미션은 CVT다. 변속기는 한 때 주류였던 수동 변속기를 포함해 기어의 조합을 몇 종류에서 선택해 변속한다. 그런데 CVT는 풀리(pulley)와 벨트(belt)로 변속비를 자유롭게 설정할 수 있다. 이 때문에 무단 변속기(stepless)라고 불린다.
CVT의 구조는 어떻게 돼 있을까. 자전거로 돌아가 보면, 기어를 바꾸게 되면 프론트 휠과 리어 휠 기어의 대소 관계(예를 들어 변속비)가 바뀌게 된다. 자동차의 CVT는 풀리와 벨트를 사용한다. 두 개의 풀리의 폭을 바꿈으로써 변속비를 변경할 수 있다.
CVT는 엔진 쪽과 타이어 측면의 두 풀리의 움직임에 의해 엔진 힘이 타이어에 효율적으로 전달되는 구조를 지닌다. 풀리는 두 플레이트가 서로 마주 보는 구조로 돼 있다. 두 플레이트가 가까워지거나 멀어지는 것으로, 앞, 뒤의 풀리, 벨트가 접촉하는 부분의 직경이 변화한다. 직경 변화로 변속비가 바뀌는 것이다.
CVT의 장점은 최적의 변속비를 선택할 수 있다는 것이다. 예를 들어 일반적인 AT나 DCT의 경우는 특정 속도에서 4단 또는 5단 사이에 최적의 기어가 있는데, 실제로는 예를 들어 4.25나 2.16이 최적의 변속비다. 때문에 이들 트랜스미션은 기어 매수 조합 수의 제한으로 일부분 타협을 해야만 한다. 그러나 CVT는 이같은 타협이 필요 없다. 변속비를 자유롭게 설정할 수 있는 무단 변속기이기 때문에 언제나 가장 효율이 높은 기어 비로 차를 달릴 수 있다. 일정한 속도로 달릴 때는 물론, 가속 중에도 최적의 변속비를 연속적으로 사용할 수 있다. 결과적으로 CVT는 차의 연비를 높인다. 또 기어를 바꿀 때 충격이 없다는 큰 장점도 지닌다.





맛있는 부분만 능숙하게 사용 

AT에 이어 CVT와 DCT가 등장했듯이, 자동차에 탑재되는 모든 변속기는 연비 향상을 목표로 진화를 거듭하고 있다.
자동차의 연비는 변속기와 직결되는데, 변속기는 통상 두 가지 방법으로 자동차의 연비 개선을 도모한다. 하나는 변속기 자체의 전달 효율을 올리는 것이다. 변속기의 전달 효율이 오르면 그만큼 엔진의 힘을 손실 없이 타이어에 보낼 수 있다. 다른 하나는 변속기가 엔진의 효율이 좋은 영역을 사용할 수 있도록 만드는 것이다. 엔진의 효율적인 부분을 골라 사용한다는 것은 무슨 뜻인가. 각각의 엔진은 연비 좋게 잘 달릴 수 있는 회전 영역이 존재하고, 변속기의 “스윗 스팟”을 적극적으로 사용하는 것으로 연비를 높이는 것이다.
전달 효율 및 엔진 효율성을 곱한 결과(파워 트레인의 효율)가 자동차 연비에 크게 영향을 주기 때문에 모든 전달 방식이 쌍방의 효율성을 높이려고 개량을 거듭하고 있지만, 각각의 트랜스미션은 주된 접근방식에서 차이가 있다.
DCT는 듀얼 클러치라는 명칭에서 알 수 있듯이 두 개의 클러치가 있다. 홀수 단(1단, 3단, 5단)과 짝수 단(2단, 4단, 6단) 클러치를 갖추고 있고, 변속할 때 이미 다음 기어가 들어가 있어 빠른 변속이 가능하다. DCT는 변속기의 전달 효율을 증가시켜 연비를 향상시키는 접근법을 취하고 있다. 수동 변속기와 유사한 구조를 갖고 있다. 높은 전송 효율을 제공하는 DCT는 특히 고속 순항에서 연비를 늘릴 수 있다.
반면, CVT는 엔진 효율이 좋은 부분을 사용함으로써 연비를 향상시킨다. CVT는 변속비를 자유롭게 설정할 수 있어 부드러운 변속과 효율적 주행을 특징으로 한다. 넓은 변속비 폭과 자유로운 설정은 낮은 속도에서부터 높은 속도, 어떤 속도로 달린다 해도 엔진의 연비가 좋은 영역을 지속적으로 사용할 수 있다. 즉, CVT는 엔진이 가진 잠재력을 최대한 끌어내는 방식으로 연비를 높이는 것이다. DCT와 비교하면 CVT는 정지 상태에서부터 즉시 엔진 효율이 좋은 부분을 사용하는 것이다.
CVT는 해마다 진화를 거듭하고 있고 전달 효율이 크게 향상되고 있다. 또 변속비 폭도 확대되고 있다. 낮은 속도에서 고속까지 기존보다 폭 넓은 속도 범위에서 최적의 엔진 회전 수로 달릴 수 있게 됐다. 메커니즘 뿐만 아니라 CVT를 제어하는 소프트웨어도 진화하고 있다. 예를 들어 액셀 조작 및 스티어링 조작 등 운전자의 의도를 읽고 최적의 시프트 컨트롤을 할 수 있게 돼 가고 있다. 연비 개선은 물론 생각대로 달린다는 측면에서도 CVT의 성능이 향상되고 있는 것이다.
트랜스미션의 성능 향상은 자동차의 연비를 높이는데 필수적이다. AT, DCT, CVT 등 변속기는 계속 진화할 것이다.  AE

닛산, 2012년 기업평균연비 2005년 기준 24.9% 향상 CVT 장착 모델 228만 대 판매 닛산은 최근 2012 회계연도 기업평균연비(Corporate average fuel economy, CAFE)가 지난 2005 회계연도 기준으로 24.9% 향상됐다고 발표했다. 2011년 대비로는 10.2% 올랐다. 닛 산은 동급 최고 수준의 연비를 자랑하는 프리미엄 중형 세단 뉴 알티마(New ALTIMA)와 일본에서 인기리에 판매 중인 노트(Note), 중국 시장의 실피(Sylphy)와 티아나(Teana) 등이 CAFE 향상에 크게 기여했다고 전했다. 이번 결과를 계기로 닛산은 2005 회계연도 기준으로 2016 회계연도 기업평균연비의 35% 향상을 목표로 하는 ‘닛산 그린 프로그램 2016(NGP2016, Nissan Green Program 2016)’에 더욱 박차를 가할 계획이다. 닛산 그린 프로그램은 연비를 높이는 동시에 친환경적 첨단 기술을 탑재한 퓨어 드라이브(Pure Drive) 라인업을 확대해 이산화탄소 배출량을 감소시키는데 초점을 두고 있다. 닛산 퓨어 드라이브 모델의 2012 회계연도 판매 비중은 미국, 일본, 중국, 유럽 시장에서 약 41.5%를 차지했다. 또한 연비를 대폭 향상시킨 무단변속기(CVT)를 장착한 닛산 자동차의 전 세계 판매대수는 228만 대에 달했다. 닛산은 최근 일본에서 선보인 소형차 올 뉴 닛산 데이즈(All-New Nissan Dayz)와 같이 소비자의 요구를 만족시키면서도 연비 효율이 높은 모델 라인업을 더욱 확대함으로써 2013년 회계연도에도 CAFE를 더욱 개선할 계획이다.

AEM_Automotive Electronics Magazine