마쯔다 차세대 가솔린엔진 “SKYACTIV-X”

가솔린과 디젤 장점 결합

2018년 01월호 지면기사  /  글│윤 범 진 기자 _ bjyun@autoelectronics.co.kr



마쯔다가 가솔린엔진에 압축착화(CI)의 이점을 적용한 SKYACTIV-X 엔진을 공개했다. 모델 기반 개발 프로세스를 적용해 개발주기를 성공적으로 단축했다. 회사는 2019년부터 전기차(EV)를 비롯해 발전에 청정에너지 사용 비중이 높거나 대기오염을 줄이기 위해 특정 차량을 제한하는 지역에 SKYACTIV 솔루션을 적용한 전기구동 기술을 도입한다.


제45회 도쿄모터쇼에 참가한 마쯔다 부스를 방문했다. 2017년 8월 발표한 SKYACTIV-X 엔진을 직접 보기 위해서다. 자동차 업계가 전기 차량 개발에 적극 나서고 있는 가운데, 눈앞의 SKYACTIV-X는 신선하게 다가왔다.

이 엔진은 마쯔다가 독자 개발한 스파크 제어 압축착화(Spark Controlled Compression Ignition, SPCCI) 기술을 접목한 새로운 연소 방식의 가솔린엔진이다. 점화 플러그를 이용해 불꽃을 일으켜 점화하는 방식이 아닌 실린더 내부 공기를 고압으로 압축해 점화하는 방식을 가솔린엔진에 적용한 것이다. HCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition: 균일혼합압축착화) 엔진의 일종이다.

가솔린엔진은 압축비를 높이면 노킹(knocking)이라는 비정상적인 연소가 일어나 출력(마력)이 나오지 않을 뿐만 아니라 엔진 본체를 손상시킬 우려가 있다.

일반적으로 가솔린엔진의 압축비는 10:1~12:1이다. 반면 SKYACTIV-G 압축비는 14:1, SKYACTIV-X 압축비는 16:1이다. 동시에 가솔린엔진의 이론 공연비(14.7:1)의 약 2배인 30:1을 실현, 연비를 더욱 향상시킬 수 있었다.

현장 해설자는 연비가 기존 가솔린엔진 SKYACTIV-G 보다 20~30% 정도 높고 토크도 최대 30% 가량 향상됐다고 설명했다. 디젤차 수준의 연비로 스포츠카처럼 주행할 수 있다는 얘기다. 다시 말해 2.0L 가솔린엔진 기반 로드스터(스포츠카) 수준의 주행 성능을 소형차 데미오(1.5L 디젤엔진 모델) 수준의 CO₂ 배출량으로 실현할 수 있다.



“내연기관개론(Internal combustion Engines Fundamental)”의 저자이자 매사추세츠공과대학(MIT) 기계공학과 교수인 존 헤이우드(John Heywood) 박사는 2050년에 경량 차량의 60%가 여전히 연소 엔진에 의존할 것이며, 그 일부가 하이브리드 시스템 전기모터와 터보차저를 탑재할 것이라고 전망했다. 순수 배터리전기차(BEV) 판매량은 전체의 15%로 추정했다. 2050년까지 내연기관의 건재를 예견한 것이다.

닛산은 세계 최초로 압축비 변경이 실시간으로 가능한 가변압축비(Variable Compression Ratio, VCR) 엔진을 올해(2018년) 양산한다. 가변압축비 기술은 HCCI 엔진을 실현하는 핵심 기술이다. 마쯔다 SPCCI에 기반 한 SKYACTIV-X 엔진은 내연기관의 존재감을 다시 한 번 세계에 알렸다.



‘Well to Wheel’ 진검승부


지난해 세계 주요 모터쇼 주인공은 단연 ‘전기차(EV)’와 ‘커넥티드카(Connected car)’이다. 올해도 그 여세를 몰아갈 것으로 예상된다. 자동차 산업 트렌드를 주도하고 있는 유럽은 현재 내연기관이 배출하는 CO₂와 NOx(질소산화물)을 줄이기 위해 전기차 실용화와 보급에 박차를 가하고 있다.

마쯔다는 대세를 인정하면서도 내연기관의 가능성에 여전히 무게를 두고 있다. 나카이 에이지(中井 英二) 마쯔다 파워트레인 개발본부장은 그 이유를 웰투휠(Well to Wheel, WTW)로 설명한다. WTW은 에너지 생성 단계부터 소비 단계까지의 효율에 대한 개념이다. 즉 자동차의 친환경성을 논할 때 내연기관차 운행을 통해 배출되는 유해 배출가스뿐 아니라 전기나 수소의 생산 단계에서 발생하는 유해 배출가스까지 고려해야 한다는 것이다. ‘Sustainable zoom-zoom 2030’ 전략에 따르면, 마쯔다는 WTW 관점에서 기업 평균 CO₂ 배출량을 2030년까지 2010년 대비 50%까지 줄이고 2050년까지 90% 감축하는 목표를 내걸었다.

마쯔다는 내연기관의 지속적인 개선 가능성을 주목한다. 마쯔다에 따르면, 30% 연비 개선으로 SKYACTIV 엔진 구동 자동차는 LNG(액화천연가스) 발전으로 생산된 전기를 사용하는 전기차와 동일한 양의 CO₂를 배출한다.

대부분의 자동차 제조사들과 마찬가지로 마쯔다도 위험 분산을 위해 전기화(electrification)를 병행한다. 마쯔다는 2035년 판매되는 신차의 84.4%가 내연기관차, 11.2%가 전기차, 4.4%가 연료전지차가 될 것으로 예측하고 있다. 인프라를 갖추지 못한 지역은 내연기관이 중요하다고 주장한다. 이에 따라 2019년 SKYACTIV-X 가솔린엔진과 함께 마일드하이브리드(mild HEV) 및 배터리전기차(BEV)를 출시할 계획이다.

기술연구센터 및 통합제어시스템 개발 책임자는 SKYACTIV-X 엔진 기술 개발로 기대되는 이점 중 하나는 동등한 성능을 얻기 위해 엔진과 함께 사용되는 소형 하이브리드 시스템이라고 소개했다. 하이브리드 시스템 소형화로 비용을 크게 낮출 수 있다는 것이다.
 

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