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[Tech Review] 진짜 F1 기술? AMG SL 43에 탑재된 신기술

2022-04-08 오후 3:38:59
메르세데스-AMG가 4기통 2.0리터 엔진을 탑재한 신형 SL 43을 공개했다. SL 43은 SL 라인업 중 입문형 역할을 맡는다. 하지만 배기량이 작은 기본형 모델이라고 만만히 보면 안된다. 포뮬러1(F1) 기술이 탑재됐기 때문이다.


터보차저는 엔진에서 만들어진 배기가스가 터보차저를 회전시키고, 여기서 얻어진 회전력이 공기를 압축시켜 엔진의 흡기부로 밀어 넣는 역할을 한다. 이 과정 자체가 어느정도 시간이 필요할 수밖에 없다. 마술을 부리지 않는 이상 대기압을 유지중인 공기를 한순간에 2배로 압축시키는 것은 불가능하기 때문이다. 이러한 지연현상을 터보 랙(Turbo lag)이라고 표현한다.

배기가스 통로가 완전히 분리된 형태를 갖는 보그워너의 듀얼 볼류트(Dual Volute) 터보차저. 캐딜락 CT4-V를 통해 소개됐다.

터보 랙을 줄이기 위한 다양한 기술들이 사용되고 있다. 터보차저 크기를 줄여 한층 민첩하게 움직일 수 있도록 만든 방법이 대표적이다. 배기가스와 연결된 통로를 나누거나 새로운 베어링이 쓰이기도 한다.

최근에 탑재되기 시작한 기술은 전기모터를 사용하는 것이다. 볼보는 전기모터가 공기를 압축해 저장한 후 운전자가 가속페달을 밟으면 압축된 공기를 터보차저쪽으로 전달하는 방식을 도입했다. 아우디를 비롯한 폭스바겐 그룹은 가속페달을 밟으면 전기모터가 바람을 불어 터보차저를 조금 더 빠르게 움직이도록 유도했다.


BMW가 특허를 낸 일렉트릭 터보차저의 개념은 터빈의 회전수가 일정 수준에 도달하기 전까지 전기모터가 돌려주는 것이다.

대신 BMW의 일렉트릭 터보차저는 배기 쪽의 터빈과 흡기 쪽의 컴프레셔 축이 분리되어있다. 터빈과 컴프레셔가 서로 연결되어 있다면 중간에 위치한 전기모터는 터빈과 컴프레셔 모두를 돌려야 하는 이중고를 겪게 된다. 전기모터의 효율성 개선을 위해 BMW는 전기모터의 역할을 컴프레셔만 돌리게 하는데 초점을 맞췄다. 그만큼 전기모터에 걸리는 부하를 감소시킬 수 있게 된 것이다.

이 사이 터빈이 배기가스를 통해 충분한 회전력을 얻었다면 터빈과 컴프레셔 축이 연결된다. 그리고 터보차저에 설정된 최대 부스트 압력치에 도달할 때까지 터빈과 모터가 함께 돌며 컴프레셔를 작동시킨다.

설정된 부스트 압력치에 도달했다면 전기모터는 발전기로 전환된다. 하지만 발전기로 전환된 전기모터는 단순히 전기만 생산하는 것이 아니고 터보차저가 설정된 최대압력치 이상으로 작동하지 않게 해주는 안정기로써의 역할도 한다. 기존 터보에 사용되었던 웨스트게이트가 필요하지 않게 되는 것이며, 보다 세밀한 과급압 조절도 가능하게 된다.

메르세데스-AMG의 F1 기술이 적용된 터보차저는 가레트(Garrett)와 공동 개발됐다.

가장 효과적인 방법은 전기모터가 터보차저를 직접 구동 시키는 것이다. 효율성을 비롯해 터보차저 작동 속도도 한층 빠르게 할 수 있다. 문제는 내구성을 비롯해 가격까지 턱없이 높아진다는 것. 때문에 이 기술은 그동안 F1에서만 사용됐었다.


2014년 규정부터 F1은 V6 1.6리터 싱글 터보 엔진을 사용해야 한다. 작은 엔진에서 큰 힘을 발생시키기 위해 터빈이 발생하는 과급압만 3.5바에 이른다. 당연히 그만큼 터보랙이 클 수 밖에 없기 때문에 터빈과 컴프레셔 사이에 전기모터를 장착하고 이를 통해 순간적으로 부스트 압력을 증가시키고 있다. F1에 사용되고 있는 일렉트릭 터보의 경우 정지상태에서 최대 부스트 압력에 도달하기까지 불과 0.X초가 소요된다고 한다. 이 방식이 SL 43에 세계 최초로 도입된 것.


SL 43에 탑재된 터보차저는 배기쪽의 터빈 휠과 흡기 쪽의 컴프레서 휠 사이에 약 4cm 두께의 전기모터가 직접 통합된 구조를 갖는다. 운전자가 가속페달을 밟으면 터보차저가 작동하기 전에 전기모터가 먼저 돌며 터보차저를 빠르게 회전시켜준다. 덕분에 운전자가 가속페달을 밟으면 굼뜬 반응 없이 바로 큰 힘을 느낄 수 있다.

엔진의 빠른 반응을 끌어내는 것만큼 중요한 부분은 부스트 압력을 유지시키는 것이다. 반응이 빠르다고 해도 가속페달에서 발을 떼거나 브레이크 페달을 밟으면 다시 부스트 압력을 채우는 시간이 필요하기 때문이다. 이 때문에 가속페달에서 발을 떼거나 브레이크 페달을 밟으면 전기모터가 작동해 일정한 부스트 압력을 유지시켜준다.

터보차저와 전기모터는 엔진의 냉각 시스템과 통합돼 최적의 온도를 유지할 수 있도록 했다. 새로운 기술이 더해진 4기통 2.0리터 가솔린 터보 엔진은 6750rpm에서 381마력을, 3250~5000rpm 구간에서 48.9kgf.m의 토크를 만들어낸다.


48V 마일드 하이브리드 시스템도 추가됐다. 엔진과 변속기 사이에 위치한 모터(ISG, Integrated Starter-Generator)가 아닌 벨트 구동 스타터 제너레이터(RSG, Belt-driven Starter-Generator)를 사용했다. 이 시스템을 통해 짧은 시간 동안 14마력을 출력을 더해 활용할 수 있다. 터보차저에 사용된 전기모터도 48V 시스템을 끌어다 쓴다.

일반적인 벨트 구동 스타터 제너레이터와 달리 2세대로 진화된 시스템 덕분에 부분적인 하이브리드 역할을 한다. 14마력의 출력을 더해주는 것 이외에 중립이 아닌 시동을 끄고 관성주행을 하는 글라이딩 모드, 에너지 회수 기능 등을 수행한다. 여기서 엔진을 멈추고 다시 작동하게 하는 과정이 중요한데, 메르세데스-벤츠에 따르면 스타트 스톱 기능과 글라이딩 모드 사이 전환은 거의 감지할 수 없을 정도라고 강조한다.


이러한 기술을 갖춘 SL 43은 정지상태에서 시속 100km까지 4.9초만에 도달하는 성능을 발휘한다. 최고속도는 275km/h까지 도달 가능하다. WLTP 기준 복합연비는 9.4~8.9L/100km이며, 10.6~11.2km/L에 준하는 효율이다.

오토뷰 | 김선웅 기자 (startmotor@autoview.co.kr)
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