가변 배기량 엔진이란 무엇인가

자동차 엔진은 공기를 빨아들이고 연료를 공급한 후 연소시켜 피스톤에 일을 함으로써 출력을 얻는다. 엔진은 차가 서 있는 상태에서 엔진만 돌아가는 아이들링부터 고속 고부하 조건까지 아주 넓은 범위에서 작동한다. 가솔린엔진의 경우 빨아들이는 공기량을 조절해서 출력을 제어한다. 이 흡입공기량이 작아질수록 공기량 제어밸브인 스로틀밸브를 많이 닫아야 하고 이에 비례해서 스로틀밸브를 지나는 공기 압력은 감소한다. 압력이 낮아진 공기를 실린더 내에서 다시 압축하기 위해 일을 해야 하며 이 과정에서 연료가 불필요하게 소모되기 때문에 연비가 나빠진다. 이를 ‘펌핑 손실’(흡입과 배기과정에서 발생하는 손실)이라고 부른다.

펌핑 손실을 줄일 수 있는 방법 중 하나는 흡입하는 공기를 스로틀밸브에서 막지 않고 작동하는 실린더 수를 줄이는 것이다. 예를 들어 6기통 엔진을 장착한 차량이 일정속도로 달릴 때 일반 엔진의 경우 스로틀밸브를 막아 공기량을 반으로 줄여 작동한다면 실린더 휴지(休止) 기술을 적용한 엔진은 스로틀밸브를 막는 대신 작동하는 실린더 수를 반으로 줄여 3기통만 작동하는 것이다. 바로 이 실린더 휴지 기술(cylinder deactivation)이 적용된 엔진을 ‘가변 배기량 엔진’(variable displacement engine)이라고 한다. 이 기술의 기본 작동원리는 실린더를 휴지시키기 위해 밸브를 열어주는 캠의 동작이 밸브에 전달되는 것을 막는 것이다. 그렇게 하면 흡기와 배기밸브를 닫은 상태에서 피스톤만 왕복운동을 할뿐 점화도, 연료 공급도 되지 않는다.

브랜드마다 다른 이름으로 불리는 기술

실린더 휴지 기술은 개발한 회사마다 약간씩 다른 이름으로 불린다. 가장 먼저 실용화한 엔진은 1981년 GM의 캐딜락 L62 ‘V8-6-4’ 엔진이다. 캐딜락이 이튼(Eaton)과 개발한 이 기술은 엔진을 출력요구 조건에 따라 8실린더에서 6실린더 그리고 4실린더로 줄여 운전할 수 있도록 하였으나 많은 문제가 발생해 조기 은퇴하였다.

그 후 시간이 지나며 엔진제어기술이 발달해서 소비자가 거의 느낄 수 없을 정도로 실린더 수를 부드럽게 조절하는 기술이 개발되었다. 2001년 다임러(Daimler AG)가 ‘액티브 실린더 컨트롤’(Active Cylinder Control)이라고 명명한 기술을 CL600, S600 차량의 5.8L V12에 적용하였다. 작은 출력이 필요할 경우 한쪽 실린더 뱅크만(6기통) 작동했다.

메르세데스-벤츠가 개발한 MDS 시스템(Multi-Displacement System)이 적용된 V8 엔진은 2004년 헤미(Hemi)차량부터 시작하여 2009년까지 크라이슬러와 지프, 닷지 차량에 장착되었다. 이 기술은 출력이 적게 필요할 경우 실린더 점화 순서에 따라 점화하며 하나씩 걸러서 4기통만 작동한다.

혼다는 2003년 6기통 엔진에 VCM(Variable Cylinder Management)이라는 기술을 적용했다. 그 후 어큐라(Acura) 차량에도 적용하였는데 고속도로 정속주행에서 한쪽 뱅크(3기통)만 작동하였고 2008년 어코드에 장착된 엔진은 6기통부터 4기통 그리고 3기통 운전까지 가능하게 되었다. 소음을 줄이기 위해 능동소음상쇄(Active Noise Cancellation)기술을 적용하였고 진동을 줄이기 위해 능동진동엔진마운트도 달았다.

GM이 적용한 Tula의 Dynamic Skip Firing의 연비개선효과

2005년 GM은 ‘액티브 퓨얼 매니지먼트 시스템’(Active Fuel Management)이라는 실린더 휴지 기술을 적용하여 한쪽 실린더 뱅크만 작동할 수 있게 했다. 나아가 2018년 ‘다이내믹 퓨얼 매니지먼트’(Dynamic Fuel Management)로 발전시켰는데 필요에 따라 임의의 실린더를 휴지시킬 수 있는 기술이다.

또한 GM은 실리콘밸리의 벤처회사 툴라 테크놀로지(Tula Technology)와 미국 델파이(Delphi)의 DSF(Dynamic Skip Fire) 기술에 기초를 둔 실린더 휴지 기술을 다기통 엔진에 적용하여 15%에 이르는 연비개선을 얻었다고 발표하였다. 2019년 쉐보레의 실버라도(Silverado)와 지엠씨(GMC) 시에라(Sierra)에 적용될 예정이다.

2012년 폭스바겐은 ACT(Active Cylinder Technology)라는 기술을 4기통 엔진에 적용했는데 이는 4기통 양산 엔진에 적용한 첫 번째 사례다. 저부하와 중부하 조건에서 2번째와 3번째 실린더를 휴지시키는 이 기술을 적용해서 연료소모를 0.4에서 1까지 감소시킬 수 있었다(시속 50km 정속조건에서 최대감소를 얻었다). 넓은 운전조건에서 이 휴지기술을 이용할 수 있으며 반응도 빨라 13~36밀리초(milliseconds)에 이루어진다.

포드는 2016년 1.0L 3 실린더 에코부스트(Ecoboost) 엔진에 한 실린더를 휴지시키는 기술을 선보였다. 셰플러(Schaeffler)그룹과 포드가 협력하여 개발했는데, 반응이 14밀리초( milliseconds)일 정도로 빠르고 연비저감 효과가 6%에 이른다. 진동을 방지하기 위해 새로운 듀얼매스플라이휠(dual-mass flywheel)과 진동감쇠 클러치 디스크(vibration-damping clutch disc)를 사용하였다. 3기통 엔진에 실린더 휴지 기술을 적용하기 어렵다는 일반적인 인식을 바꾼 기술이다.

2017년 11월 마쓰다(Mazda)는 실린더 휴지 기술을 적용한 2.5L 4기통 엔진을 2018 CX-5 모델과 마쓰다 6 모델에 적용했다. 시속 40km에서 80km 사이의 정속 주행조건에서 바깥의 두 실린더가 휴지되는데 발생하는 진동을 방지하기 위해 토크 컨버터에 원심추(centrifugal pendulum)를 적용하였다.

실린더 휴지 기술, 연비 저감의 탁월한 효과

회사마다 각기 다른 이름으로 부르는 실린더 휴지 기술(cylinder deactivation)은 원래 12, 8, 6기통 엔진에 적용되었는데 최근에는 4기통과 3기통 엔진까지 확장되었다. 이 기술을 이용하면 엔진이 부분부하 조건에서 작동하는 저속이나 중속에서의 정속주행 같은 경우에 펌핑 손실을 대폭 줄일 수 있으므로 엔진 효율이 높아지고 연료소비를 5~15% 정도 절약할 수 있다. 소프트웨어와 하드웨어에서 괄목할 만한 성장을 보인 엔진제어기술의 발달과 방진, 방음 기술 발달에 따라 주요한 연비 저감 기술로 자리매김하고 점차 확대될 전망이다.

전광민

연세대학교 기계공학부 교수