대부분의 사람들은 연비 0.1km/l 차이 나봐야 연료비 얼마나 더 절약되겠냐? 라고 생각할 것이다. 하지만 주행거리가 많은 고속버스, 화물차 등 운송업계 종사자 그리고 완성차 업체는 0.1km/l 연비 차이는 대단히 중요하게 생각하고 있으며 특히 완성차 업체 입장에서 자사의 승용차 모델이 경쟁 업체의 경쟁 모델보다 연비가 0.1km/l라도 더 낮아지면 연비를 중시하는 소비자 입장에서는 자연스럽게 연비가 0.1km/l라도 더 높은 경쟁 모델에 관심을 가지게 되어 더욱 연비에 사활을 결게 된다.
거기에 전세계적으로 연비 규제가 강화되고 있으며 우리나라 또한 2020년 국내에서 판매되는 자동차의 평균연비 목표치를 24.3km/l까지 끌어올리겠다는 계획을 수립했다. 다만 기존 휘발유, 디젤 엔진을 탑재한 자동차로는 2020년 목표치 연비를 맞출 수 없기 때문에 충전 상태에서 거의 연료소모가 되지 않는 플러그인 하이브리드, 그리고 엔진이 아예 없는 순수 전기차를 출시하거나 출시 준비를 하고 있다.
하지만 이러한 친환경차들이 아직까지 대중적으로 판매되고 있지 않기 때문에 자동차 업체들은 기존의 화석 연료를 사용하는 엔진의 효율성을 크게 끌어올리기 위해 엔진의 효율성과 함께 주행할 때 받게 되는 저항과 마찰력을 줄이기 위한 연구를 하며 연비를 조금이라도 더 상승시키기 위해 노력하고 있다.
신차 발표 뉴스에서 가장 많이 언급되는 것은 더 가볍고 강성이 뛰어난 고장력강판 또는 알루미늄 합금 그리고 더 잘개 쪼갠 다단 자동변속기 또는 수동기반 싱글, 듀얼클러치 변속기, CVT 등일 것이다. 이번 컨텐츠에서는 일반적으로 많이 언급된 분야가 아닌 연비를 올리기 위한 다른 분야를 짚어보겠다.
속도가 올라갈수록 커지는 저항을 줄여라
자동차는 속도가 올라갈수록 점점 커지는 수많은 저항들과 싸워야 한다. 주행 중 창문을 열 때 시속 30km/h 그리고 시속 100km/h에서 창문을 열면 실내로 유입되는 바람의 강도 수준이 크게 다른 건 다들 알고 있을 것이다. 이것은 공기저항 때문이며 속도가 빠르면 빠를 수록 공기저항도 커진다.
물체가 빠를 수록 공기에 의한 압력을 강하게 받는 공기저항이 자동차 연비를 하락시키는 가장 큰 주범이기 때문에 오래 전부터 자동차 회사들은 공기저항을 최소화하기 위해 엄청난 시간을 들여 풍동 실험을 반복해서 실시한다. 공기저항이 적으면 적을 수록 고속 주행에서 연료소모량이 감소되기 때문이다.
최근 출시된 자동차들을 보면 프런트 그릴과 에어 인테이크 면적이 커졌지만 정작 뚫려있는 면적이 적거나 아예 막혀 있는 모델들이 많은데 이는 공기저항을 줄이기 위해서이다. 일부 모델은 프런트 그릴에 가변셔터를 적용해 시내 등 저속주행을 하는 경우 엔진 냉각을 위해 셔터가 개방되고 속도가 올라가면 셔터를 닫아 공기저항을 줄이는 역할을 한다.
차체가 받는 공기저항 뿐만 아니라 타이어와 지면의 마찰을 의미하는 구름저항도 줄여야 한다. 완성차, 타이어업계는 오래 전부터 타이어가 굴러갈 때 발생하는 구름저항을 줄이기 위해 구름저항이 적은 타이어소재를 지속적으로 개발 적용하고 있다. 구름저항이 일반타이어보다 획기적으로 적은 타이어를 에코타이어로 분류하고 있다. 에코타이어는 주로 연비가 뛰어난 하이브리드, 전기차 등 높은 연비나 화석연료를 전혀 쓰지 않는 친환경을 내세운 자동차 모델에 주로 적용되고 있다.
최근에는 에코타이어가 아닌 일반OEM 타이어의 구름저항도 점점 줄어들고 있는데 이는 높은 연비가 상품성으로 연결되기 때문에 완성차 업체들의 주문으로 타이어 업체들도 OEM 타이어에 실리카 등을 적용하고 구름저항을 줄인 OEM 타이어를 납품하고 있다. 특히 포르쉐는 자사의 컴팩트 SUV 마칸에 탑재되는 타이어의 조건에 시속 220km/h 이상의 속도에서 슬라럼 등 가혹주행 상황에서 접지력을 유지하면서도 구름저항이 적은 타이어를 타이어업계에 요구해 타이어 업체들이 난감해 하기도 했다.
엔진, 변속기 내부 오일의 점도를 낮춰라.
이 외에도 가혹한 조건에서 엔진을 확실하게 보호하면서도 최대한 점도를 낮춰 엔진 내부 피스톤 등의 움직임의 저항을 줄이기 위해 점도를 낮춘 엔진오일이 적용되고 있다. 10년 전만 해도 엔진오일은 보통 5w-30, 10w-30을 권장했지만 현재는 5w-20까지 낮춘 상태이며 토요타, 혼다 등 일부 브랜드 그리고 렉서스의 경우 0w-20 엔진오일을 권장하기도 한다.
엔진오일의 점도가 낮으면 6,000rpm 이상 고회전에서 보호가 제대로 안되 피스톤링이 손상되는 등 트러블이 발생할 수 있다. 하지만 최근이 출시되는 엔진오일은 점도가 낮으면서도 가혹한 주행에서도 엔진오일 점성이 변화되지 않는 편이다. 특히 토요타, 혼다 등 일본 완성차 업체들이 정유사들과 손잡고 점도를 최대한 낮추면서도 가혹한 주행에서도 점성을 잃지 않고 산화되지 않는 높은 내구성을 갖춘 엔진오일을 개발해서 적용하고 있으며 점도를 더욱 낮추는 연구도 진행 중이다.
미국, 일본 자동차 메이커가 제시한 엔진오일 규격 ILSAC는 GF-5까지 나와 있으며 최근 제정 준비를 하는 ILSAC GF-6는 연비규제가 더욱 강화되어 더 원활한 오일의 유동성과 함께 다운사이징 가솔린 엔진의 필수품 터보차저 등을 보호할 수 있는 보호능력을 요구하고 있다.
엔진에 이어 자동변속기 또한 물리적으로 동력을 전달하도록 토크컨버터가 개입시기를 최대한 빠르게 설정하고 변속기 내부 부품이 구동될 때 오일 점성으로 인한 저항을 줄이기 위해 자동변속기 오일 점도가 낮아지고 있는 추세이다. 점도는 낮아지고 있지만 최근 자동변속기에 적용되는 오일은 대부분의 메이커들이 반영구적인 내구성을 보장하고 있으며 가혹 주행이 아닌 이상 자동변속기 오일을 교환하지 말라고 취급설명서에 작성되어 있다.
엔진 변속기 부품 경량화 및 필요 없는 부품 제거
이 외에도 엔진과 변속기에 있는 필요 없는 부품을 제거하거나 가벼우면서고 강성이 뛰어난 알루미늄합금 등을 적용하여 연비향상을 도모하고 있다. 과거 20년 전만 해도 엔진블럭과 헤드 캠샤프트 재질은 주철이며 무게가 무겁다는 단점이 있었다.
하지만 90년대 중반부터 헤드, 실린더 블럭 등 엔진 일부분에 가볍고 강성이 강한 알루미늄 합금이 적용되기 시작하면서 엔진 건조중량이 더욱 가벼워지고 더 적은 힘으로 캠샤프트와 밸브를 구동할 수 있게 되었다. 여기에 만족하지 못한 완성차 업체들은 엔진 내부의 필요 없는 부품을 제거하기 시작했는데 대표적인 부품이 발란스샤프트모듈 줄여서 BSM 이라고 한다.
BSM은 회전축이 180도가 될 때마다 폭발하는 4기통 엔진 구조 특성상 크랭크샤프트와 반대로 회전하는 BSM이 엔진 아래쪽에 장착된다. 다만 비용이 비싸기 때문에 모든 4기통 엔진에 적용되지 않고 조용한 정숙성을 요구하는 중형세단에 탑재되는 배기량 2.0L 이상 4기통 엔진에 주로 적용되었다.
하지만 이제 2.0L 가솔린 엔진에서도 BSM이 제거되고 있는데 이유는 원가절감, 경량화 그리고 관성저항이 줄어들면서 연소효율성이 증대되어 연비가 향상되기 때문이다. 다만 진동 소음이 심한 디젤 엔진의 경우 아직까지는 BSM 모듈을 적용된 엔진이 더 많다.
BSM제거로 파워와 연비가 향상되지만 진동과 소음이 증가하는 단점도 있다. 과거 현대 NF 쏘나타가 2007년식 모델까지 BSM이 있었지만 쏘나타 트랜스폼 출시 후 BSM이 제거되면서 당시 144마력이던 최고출력이 163마력까지 크게 올려 화제가 되기도 했지만 구형 NF 쏘나타 대비 더 커진 진동 그리고 2,000rpm 이상에서 발생하는 부밍음으로 오너들에게 원성을 사기도 했다.
이 외에도 BMW 등 일부 수입차 브랜드에 적용된 에너지회생제동시스템, 정차할 때 시동이 꺼지고 출발할 때 시동이 걸리는 ISG 시스템 등이 적용될 수 있겠지만 국내 완성차 업체들이 출시하는 승용차 모델 중에서 에너지회생제동시스템은 하이브리드 모델을 제외한 일반 모델에 아직 이 기능이 적용되지 않았다.
한 방울의 기름이라도 더 아껴야 인정 받는다.
자동차 업계는 점점 높아지는 세계 각국의 연비, 배기가스 규제 그리고 소비자들을 유혹할 높은 상품성을 갖추기 위해 더욱 연비를 높이고 배기가스를 줄이는 데 심혈을 기울이고 있다.
하지만 기존의 엔진으로는 효율성을 획기적으로 끌어올리는데 한계가 있다. 현재 탑재되는 엔진의 효율성은 30-40% 수준인데 전기모터 등의 도움 없이 단일 엔진으로 단숨에 100%가까이 올려서 자동차에 탑재하려면 아직 긴 시간이 필요하기 때문에 세계 각국의 연비규제를 맞추지 못한다.
따라서 전기모터가 엔진의 보조 혹은 독자적으로 동력을 전달하는 하이브리드 그리고 순수 전기차 모델을 각 자동차 메이커들이 구비하는 이유가 여기에 있다. 나쁘게 보면 높아지는 평균 연비규제를 맞추기 위한 완성차 업체들의 꼼수라고 볼 수 있다.
현재는 디젤 엔진의 연비가 가솔린 엔진의 연비보다 월등히 높다. 하지만 앞으로는 가솔린 엔진이 크게 발전할 것으로 예상된다. 그 이유는 디젤 엔진은 질소산화물, 미세먼지를 줄이기 위해 LNT, EGR, SCR 등의 배기가스 저감장치들이 탑재되고 있는데 반해 가솔린 엔진은 아직까지 이러한 배기가스 저감장치들을 장착하지 않아도 현재의 배기가스 규제를 충분히 만족시키고 있다.
또한 기존 가솔린 엔진은 점화플러그에서 발생하는 불꽃으로 연소하는 방식이지만 정차, 내리막 주행, 정속주행 등 큰 힘을 필요로 하지 않은 상황에서 디젤 엔진처럼 스스로 압축, 착화하는 가솔린 엔진도 오래 전부터 대다수 자동차 메이커들이 개발해 공개하고 있다. 이 신개념 엔진은 아직까지 양산되지 않았지만 세계 각국의 연비규제가 더욱 강화되는 2020년 이후에 서서히 이 엔진이 양산 판매되지 않을까? 하는 예상을 해 본다.
