다운사이징 - 효율을 높이고 성능을 높이는 기술

BMW의 대형세단 7시리즈의 엔진은 지난 10년간 배기량은 1,400cc가 줄어들었지만 출력은 오히려 40마력 향상됐습니다. 2000년형 740iL모델은 배기량 4,398cc에 최대출력 286마력이었습니다. 그런데 2010년형 740Li는 배기량 2976cc에 최대출력 326마력으로 엔진 크기는 줄고 출력은 강해졌습니다. 쉽게 말하면 ‘기술발전’으로 인해 가능한 일이겠지요. 하지만 여기에는 자동차 산업의 보이지 않는 트렌드가 숨어 있습니다. 바로 ‘다운사이징’이 그것입니다. 원래 다운사이징은 미국 IBM사의 연구원 ‘헨리 다운사이징’의 이름에서 따온 것입니다. 1980년대보다 작고 빠른 컴퓨터의 개발을 주창한 사람입니다. 여기서 유래된 다운사이징은 회사의 규모를 줄이는 의미로 쓰기도 하고 제품의 크기를 줄이는 의미로 쓰기도 합니다. 자동차 업계의 ‘다운사이징’ 자동차 업계에서는 두 가지 의미로 쓰입니다. 일본의 자동차 업계는 1991년까지 호황이었습니다. 그래서 150여 개의 차종이 나왔는데 소품종 대량생산을 해야 수지를 맞추던 자동차 업계에는 ‘무리수’였습니다. 그래서 차종을 줄이는 계획을 세웠는데 이를 두고 ‘자동차업계의 다운사이징’이라고 부릅니다.

가벼워진 차제 다운사이징에는 엔진뿐만 아니라 차체의 무게를 줄이는 노력도 계속된다. BMW는 알루미늄을 활용해 무게를 줄였다. 2010년 출시된 5시리즈는 기존 보다 25kg이나 무게를 줄였다. <사진출처: BMW코리아>

일반적으로는 부품의 소형화, 단순화를 지칭하는 말로 쓰입니다. 대개 엔진의 크기를 줄이는 것을 말하지만 차체의 무게를 줄이고 변속기의 효율을 높이고 엔진의 성능을 높이는 여러 작업 역시 다운사이징이라고 합니다. 앞서 이야기한 BMW 대형세단이 엔진은 작아졌지만 출력은 그대로 유지하는 것이 다운사이징의 대표적 사례입니다. 다운사이징이 가능하게 하려면 어떤 기술을 써야 할까요. 좀 더 기술적으로 이야기하면 몇 가지 분야를 나눠서 살펴볼 수 있습니다.

크기는 같아도 강력해진 엔진 ‘다운사이징’의 목표는 간단합니다. 성능은 그대로 유지하면서, 혹은 개선하면서, 크기와 무게는 줄이는 것입니다. 그 가운데 핵심요소가 바로 ‘출력’과 ‘연비’입니다. 상식적으로 생각해봐도 두 마리 토끼를 잡는 어려운 일입니다. 과거에는 큰 엔진은 출력이 좋은 반면 연비가 나쁩니다. 작은 엔진은 연비는 좋지만 힘이 모자랐습니다. 당연한 이야기였지만 엔진기술을 비롯한 관련 기술이 발전하면서 두 마리 토끼는 잡을 수 있게 됐습니다. 엔진에 터보차저를 장착한 것이 바로 대표적인 다운사이징입니다. 폭스바겐의 골프는 가장 많이 팔린 차로 손가락에 꼽힙니다. 1974년부터 전 세계에 3,000만대 가까이 팔렸습니다. 당시 골프가 큰 인기를 얻으며 1970년대 태어나 활동하는 예술가들을 ‘폭스바겐 골프 세대’라고 부르기도 했습니다. 어쨌건 37년 가까이 명성을 이어오며 지난해 6세대가 출시돼 인기를 끌고 있습니다. 1974년 출시된 골프 1세대는 59마력의 1,300cc 또는 74마력의 1600cc 엔진이 주력이었고 110마력을 내는 1,800cc급 GTi도 있었습니다. 골프는 37년이 지난 지금까지도 배기량에는 큰 차이가 없습니다. 그러나 출력에서는 엄청난 차이가 납니다. 폭스바겐은 주로 터보차저를 이용해 같은 크기의 엔진으로도 꾸준히 출력을 늘려왔습니다. 2010년 출시된 골프 6세대는 1,400cc엔진에 터보차저를 적용해 158마력의 힘을 냅니다. 1세대 골프 1,300cc모델과는 약 3배 가까운 출력 차이를 보입니다. 단적으로 골프의 세대별 비교를 통해 다운사이징에 대해 설명했지만 이것만이 전부는 아닙니다. 한국자동차산업연구소의 연구 자료에 따르면 다운사이징의 기술과 트렌드에는 5가지 요소가 포함됩니다. 모두 ‘소기통’, ‘소배기량’의 엔진을 위한 것입니다. 여기에는 터보차저기술과 직접분사기술, 다단변속기 혹은 듀얼클러치변속기, 아이들 스톱 기술을 비롯해 경량화에 대한 이야기가 포함됩니다. 다운사이징의 기술 다운사이징을 하려면 필수적으로 엔진 배기량을 줄여야 합니다. 다운사이징의 목표가 고연비 친환경, 비용절감이기 때문입니다. 일반적으로 배기량이 3분의 2로 감소하면 연비가 15% 개선되고 배기량이 절반으로 줄어들면 연비가 25%나 개선됩니다. 그래서 작은 엔진에 큰 출력은 자동차 업계에서는 꼭 이뤄야 할 과제입니다. 작은 엔진, 큰 출력을 위한 주요 기술로는 터보차저가 꼽힙니다. 터보차저는 작은 엔진에서 큰 힘을 얻기 위한 기술입니다. 엔진이 작아지면 당연히 힘도 약해지지만 터보차저를 장착하면 얘기가 달라집니다.

터보차저는 엔진 배기가스를 이용해 터빈을 돌리고 공기압축기를 구동해 많은 공기를 엔진에 공급합니다. 결과적으로 엔진 출력은 크게 향상됩니다. 하지만 배기가스를 이용하기 때문에 가스 압력이 모자랄 경우 발생하는 반응지연현상(터보랙)이 발생합니다. 그래서 최근에는 작은 터빈을 2개 사용하기도 하고 배기가스의 경로를 바꿔 압력을 유지하는 방법도 사용됩니다. 특이한 방법으로는 미쓰비시 랜서 에볼루션에 사용된 터보도 있습니다. 배기가스를 이용하는 것은 동일하지만 터보랙을 방지하기 위해 배기기관에 연료를 분사해 고온을 유지하기도 합니다. 연료의 직접분사, 고압분사를 이용해 효율을 높이기도 합니다. 최근 GDI엔진이란 것이 바로 고압 직분사 엔진입니다. 대략 8~10%의 연비를 개선하는 것으로 알려졌는데 현대차의 쏘나타를 비롯해 폭스바겐의 폴로에 들어가는 1,200cc TSI엔진과 벤츠의 E클래스를 비롯해 C클래스 1,800cc CGI엔진이 직접분사 방식을 적용한 것입니다. BMW도 2006년 피에조 인젝터를 적용해 직분사 시스템을 도입했습니다.

터보차저는 배기가스를 이용해 공기를 압축하고 터빈을 돌려 엔진 출력을 높이는 방법이다. 최근에는 작은 엔진에서 큰 출력을 얻을 수 있고 터보가 작동하는 데 걸리는 시간(터보랙)을 줄일 수 있는 기술도 발전해서 친환경 엔진의 표준기술로 자리 잡았다.

엔진의 개선만이 아닙니다. 변속기도 연비를 높이는 데 효과적입니다. 최근에는 클러치 두 개로 구성된 듀얼클러치변속기(DCT)가 대세를 이루고 있습니다. 2003년 폭스바겐이 최초 탑재한 이후 지난 2008년까지 100만대를 돌파했습니다. 포르쉐도 변속기로 유명한 ZF와 공동 개발해 7단 DCT를 직분사 가솔린 터보와 조합시켰습니다. 현대차도 최근 개발을 마치고 내년 상반기 출시되는 차에 DCT변속기를 적용할 것으로 알려졌습니다. ‘아이들링 스톱’ 기술도 다운사이징에 빠질 수 없습니다. 특히 유럽시장을 중심으로 적용되고 있습니다. 2011년에는 700만~1,000만대 규모가 될 것으로 예상됩니다. 공회전을 줄이기 위해 차가 정지하면 엔진도 정지합니다. 다시 출발하기 위해 페달을 조작하는 순간 시동이 걸립니다. 보통 하이브리드 차에 적용되던 기술이지만 배터리 기술의 발전으로 일반차에도 확대되고 있습니다. 기아차가 유럽에서 판매하는 ‘시드’에도 2009년부터 적용됐습니다. 메커니즘 개선을 통한 부속품 수를 줄이고 크기를 줄이는 노력 못지않게 무게를 줄이는 노력도 계속됩니다. 무게가 10% 감소하면 연비가 6~8% 향상됩니다. 줄어든 무게만큼 연료효율도 좋아지고 성능도 개선되기 때문입니다. 폭스바겐은 2009년 폴로에 경량소재를 사용하면서 7.5%나 무게를 줄였습니다. 아우디와 BMW 등 독일 업체들은 알루미늄 사용을 늘려가면서 경량화에 들어갔습니다. 지난 4월 출시된 BMW 5시리즈는 이전보다 25kg이나 무게를 줄였습니다. 덕분에 민첩성과 연비 그리고 배기가스 저감효과까지 얻었다고 합니다. 계속되는 다운사이징 한국자동차산업연구소의 자료에 따르면 다운사이징은 자동차 업계의 숙원사업으로 계속 진행되고 있습니다. 폭스바겐은 직분사 터보엔진을 바탕으로 ‘다운사이징의 다운사이징’을 진행한다는 전략입니다. 또 벤츠는 최고급 S클래스부터 엔진 크기와 무게를 줄이는 전략을 쓰고 있습니다. E클래스의 1,800cc 직분사 터보엔진 역시 다운사이징 과정에서 탄생했습니다. BMW 역시 7시리즈의 고급 세단부터 경량화·소형화를 이뤄가고 있습니다. 7시리즈 엔진의 크기를 4,398cc에서 2,976cc로 크게 줄였습니다. 심지어 차기 3시리즈에는 1,400cc급 3기통 엔진을 장착한다는 계획도 있습니다. 자동차 엔진은 주로 4기통이 일반적인 것으로 알려졌지만 다운사이징 추세에 맞춰 기통수도 줄어들고 있습니다. 피아트500은 900cc급 2기통 엔진을 적용해 1,200cc급 기존 엔진에 비해 20%나 연비를 향상시켰습니다. 르노도 2012년 출시를 목표로 3기통 엔진을 준비하고 있고 푸조 역시 3기통 엔진을 2013년 도입할 계획으로 알려졌습니다.