[Tech Review] 필요한 실린더만 사용, 가변 실린더 기술

‘다운사이징’은 이제 자동차 업계에서 매우 보편적인 용어가 됐다. 갈수록 높아지는 환경 규제를 만족하기 위해서는 몸무게도 줄여야 하고 먹는 것도 줄여야 하기 때문이다. 터보차저 기술의 발전으로 이제는 2.0리터 엔진으로도 3.5리터급 이상의 출력과 토크를 발휘할 수 있을 정도다.

터보차저 기술과 함께 다시 한번 주목 받고 있는 기술이 바로 가변 실린더 기술이다. 가변 실린더 기술은 이름 그대로 주행 상황에 따라 2기통과 3기통, 4기통, 6기통 등을 오가며 연료를 효율적으로 사용하는 기술이다.

403마력을 발휘하는 미국산 풀-사이즈 SUV가 있다고 가정해보자. 이 차량이 시속 110km를 유지하기 위해서 필요한 엔진의 출력은 30마력에 불과하다. 30마력을 만들어내기 위해 엔진의 모든 실린더가 작동할 필요는 없는 것이다.

앞서 ‘다시 한번 주목 받는다’라고 표현한 이유는 이러한 가변 실린더 기술은 과거부터 존재해왔기 때문이다. 가변 실린더 엔진을 최초로 선보인 브랜드는 캐딜락이다. 1981년 공개한 8기통 엔진에 이 기술이 적용된 바 있다. 주행 상황에 따라 4기통과 6기통, 8기통을 오갈 수 있었다. 물론 최초의 기술이라는 타이틀만 남기고 기술적 완성도 문제로 인해 금방 사라졌다.

이 기술이 완성도가 높아지고 다양한 차량에 장착되기 시작한 시점은 2000년대 이후 자동차의 연산 속도가 크게 빨라지면서다. 엔진 및 전자관련 장치를 관리하는 컴퓨터(ECU)의 성능이 크게 향상되면서 엔진 각각의 실린더까지 제어할 수 있게 됐기 때문이다.

그러면 엔진을 어떻게 기통수를 오가며 작동시킬 수 있는 것일까?

가변실린더 기술은 엔진에 따라 크게 2가지로 나뉜다. 푸시로드 타입 엔진의 경우 밸브 로커암을 제어하는 방식이며, 오버헤드 캠 타입의 엔진은 캠샤프트 구동에 따라 밸브의 개폐여부를 조작한다.

두 가지 방식 모두 공통적으로 실린더에 연료 혼합 가스가 들어오지 못하도록 막는 것을 기초로 한다. 혼합 가스가 들어오지 못하니 압축-폭발 행정도 자연스럽게 없어진다. 피스톤은 그저 한 바퀴 더 돌뿐이다. 연료를 폭파시키지 않았으니 그만큼 연료 소모는 감소하게 된다.

현재 이 기술을 적극적으로 활용하고 있는 브랜드는 GM, 크라이슬러, 혼다 정도다. 메르세데스-벤츠도 90년대 V12 엔진에 사용하기도 했지만 현재는 다운사이징 터보로 돌아선 상태다.

이름도 제각각이다. GM은 AFM(Active Fuel Management), 크라이슬러는 MDS(Multi-Displacement System (MDS), 혼다는 VCM(Variable Cylinder Management)이라는 명칭을 사용한다.

크라이슬러에 따르면 가변실린더 기술의 적용을 통해 연비를 10~20%까지 개선시킬 수 있다고 한다. 하지만 미국 EPA가 테스트한 결과에 따르면 이러한 가변실린더 기술은 약 5.5~7.5% 정도의 연비 향상 효과를 보여주고 있다.

생각보다 연비 향상효과가 크지 않은 이유 중 하나로 꼽히는 부분은 ‘펌핑로스’다.

가솔린 엔진은 스로틀 밸브가 얼마만큼 열리고 닫히느냐에 따라 출력이 오르내린다. 스로틀 밸브가 완전히 열리면 많은 공기를 실린더 내로 어렵지 않게 빨아들일 수 있다. 하지만 스로틀 밸브가 조금만 열린 상태라면 공기를 쉽게 빨아들이기 힘들어진다. 내연기관에서는 이러한 부분도 동력 손실이 발생하는 요인이다. 결국 힘이 들어간다는 것은 효율이 나빠진다는 것으로 결정되기 때문이다.

델파이가 개발한 가변실린더 기술은 이러한 문제를 해결한 새로운 가변실린더 기술이다.

DSF(Dynamic Skip Fire)라고 불리는 이 기술은 먼저 엔진의 스로틀을 다 열어둔 상태에서 시작한다. 여기에 소프트웨어가 실제 연소가 이뤄지는 실린더의 개수를 조절한다. 과거에는 엔진이 작동하는 환경에서 불필요한 실린더를 비활성화 시키는 방식이었다면 이번에는 필요한 실린더만 사용하는 개념인 것이다.

밸브를 통제해 혼합가스의 실린더 유입을 막아 비활성화시키는 개념은 동일하다. 하지만 DSF는 분 당 최대 32,000번까지 주행상황을 파악해 필요한 실린더만 사용한다. 8기통 엔진이라면 1기통부터 8기통까지 모든 실린더의 개별 조작이 가능하다.

2.4기통과 같은 생소한 개념도 등장했다. 3개의 실린더 중 2개는 1행정을 모두 소화하고 1개의 실린더는 1행정을 건너뛰고 1행정은 작동하는 방식이 가능해졌기 때문이다. 이와 같은 가변실린더 기술을 통해 연비는 17%까지 향상시킬 수 있다.

최근에는 직분사 엔진이 확대되면서 밸브 구동을 제어하는 가변 실린더 기술도 변화를 요구하게 됐다.

폭스바겐은 직분사 엔진의 성능과 가변실린더의 효율을 만족하기 위해 직분사 시스템과 MPI 방식의 연료분사 방식을 결합한 엔진을 내놨다. 지난 6월에 공개한 신형 W12 엔진에 탑재된 기술로, GDI, MPI, 가변실린더 기술이 결합해 기존엔진대비 30%의 효율이 향상됐다고 전했다.

직분사 터보 엔진과 관련한 가변실린더 기술도 조만간 공개될 예정이다. 델파이에 따르면 2016년이면 4기통 1.8리터 직분사 터보 엔진에 가변실린더 기술을 적용해 10% 이상의 연비 향상 효과를 볼 수 있을 것을 기대했다.