현대기아차가 10월 27-28일 이틀 동안 경기도 화성의 롤링 힐스에서 2015 현대 기아 국제 파워트레인 컨퍼런스가 개최되었습니다.
늘 그랬듯이 보쉬, 컨티넨탈, 델파이, 덴소 등 핵심부품업체 그리고 각 기관 및 대학 연구소 관계자 1,100여명이 참가했다고 하는데요. 여기서 현대기아차는 두 가지 핵심 파워트레인을 선보였습니다. 바로 전륜구동형 8단 자동변속기 1.6L GDI 카파 엔진입니다.
새로운 카파 1.6 리터 GDI 엔진의 가장 큰 특징은 연소효율성을 높이면서 이산화탄소 저감 등 배기가스를 낮춰 보다 더 친환경성을 갖춘 엔진이라고 볼 수 있습니다. 앳킨슨 사이클의 장점은 압축비와 폭발비를 다르게 설정하여 가솔린 엔진의 단점인 펌핑 로스를 줄여 연비를 높인 엔진이며 쏘나타, K5 하이브리드에 적용되는 2.0L 누우 엔진에 이어 1.6L 엣킨슨 사이클 엔진을 공개했으며 새로운 1.6L GDI 카파 엔진은 신형 아반떼 기반으로 제작되는 소형 하이브리드 모델(AE) 등에 적용될 예정입니다.
카파 1.6L GDI 엔진은 같은 배기량 감마 엔진과 비교해서 엣킨슨 사이클 적용하여 압축비 상승을 도모했으며 오일압으로 밸브 타이밍을 가변적으로 조정하는 CVVT에 OCV라는 오일 컨트롤 밸브가 통합되어 부품 개수를 줄였으며 오일 흐름 유동성을 더욱 원활하게 보장합니다. 또한 배기가스를 다시 흡기 밸브를 통해 재순환시키는 EGR 밸브는 3가지 단계로 구분 되었으며 재순환하는 배기가스 냉각성능을 98% 개선시키고 이로 인해 밸브 타이밍 리스펀스 증대 효과를 얻을 수 있게 되어 연료소모를 약 3% 줄일 수 있다고 합니다.
헤드와 실린더 블럭 냉각을 분리시켜 실린더 온도는 105도 그리고 헤드 온도는 88도를 유지하도록 설계되었습니다. 따라서 엔진 온도가 적정 수준 이상 올라갈 때 발생하는 노킹 현상을 근본적으로 억제시킴과 동시에 냉간 시 최대한 빠른 속도로 적정 수준의 온도까지 올라갈 수 있어 연비향상을 포함해서 초기시동 시 낮은 배기가스 온도로 촉매 활성화가 안되어 배출가스가 그대로 나오는 타이밍을 더욱 줄여 환경 개선에도 일조하게 되었습니다.
인젝터 분사압력은 200bar까지 끌어올렸는데요. 현재 생산되는 GDI 엔진 인젝터 분사압력이 보통 120-150bar 수준이라는 점을 감안하면 상당히 높은 수치입니다. 4개의 실린더에 한 개씩 탑재되는 인젝터의 홀 개수는 6개 이며 6개의 홀을 통해 연료가 분사됩니다.
열 효율 40% 달성한 카파 1.6L GDI 엣킨슨 사이클 엔진
흔히 디젤 엔진이 연소효율성이 높다고 알려져 있으며 현재 디젤 엔진의 열 효율성 대략 45% 정도입니다. 반면 가솔린 엔진은 30%를 겨우 넘는 수준인데요. 현대 카파 1.6L GDI 엣킨슨 사이클 엔진은 효율성 높인 엣킨슨 사이클과 함께 EGR 냉각성능 향상 및 CVVL OVL 통합 헤드, 실린더 블럭 분리 냉각을 실현하면서 열효율 40%를 달성했다고 합니다.
그 결과 최고출력 105마력, 최대토크 15kg.m의 힘을 낼 수 있으며 토요타 프리우스, CT200h에 탑재되는 1.8L 가솔린 엔진의 경우 최고출력이 99마력 최대토크 14.5kg.m 수준의 힘을 내는 것과 비교하면 카파 1.6 GDI 엔진은 스펙적인 측면에서는 잘 나온 셈이라고 볼 수 있습니다.
카파 엔진은 기아 올 뉴 모닝, 레이 등에 탑재되는 3기통 1.0L 엔진부터 유럽과 인도에 판매되는 i20, 리오 그리고 엑센트에 탑재되는 1.25-1.4L 가솔린 엔진이 출시되어 있습니다. 1.6L 엔진은 카파가 아닌 감마 엔진인데요. 감마가 아닌 카파 1.6L GDI 엔진으로 출시된 데는 현대기아차의 이유가 있다고 생각됩니다. 생산성 향상이 이유일 수도 있고 원가절감이 이유일 수도 있고 감마 엔진의 한계일 수도 있고요. 그렇다면 1.6L 카파 엔진의 1개 실린더 크기는 어느 정도일까요? 아래 도표는 현재까지 출시된 카파 엔진의 보어 스트로크 수치 그리고 현대가 출시할 1.6 카파 엔진의 예상 수치입니다.
제가 카파 1.6 GDI 엣킨슨 사이클 엔진 보어 72mm 스트로크 97mm라고 쓴 이유는 최근 출시되는 4기통 엔진 라인업을 보면 보어는 그대로 두고 스트로크 길이로 배기량을 조절하고 있는 추세입니다. 대표적으로 쉐보레 말리부, 크루즈, 스파크에 최근부터 탑재되는 SGE 엔진 라인업을 보면 1.0L부터 1.5L까지 보어 사이즈는 그대로 두고 스트로크 길이만 조정하고 있기 때문이지요.
현대기아 카파 엔진을 보면 카파 1.4L 엔진을 제외한 나머지 엔진들의 보어는 71mm로 동일합니다. 단지 스트로크 길이만 다를 뿐이죠. 따라서 카파 1.6 GDI 엣킨슨 사이클 엔진은 보어는 1.4L 카파 엔진과 비슷하다고 생각됩니다. 관건은 스트로크 사이즈인데요. 이를 위해 엔진 배기량을 구하는 공식을 응용해서 카파 1.6 GDI 엣킨슨 사이클 엔진의 실린더 스트로크 사이즈를 구해 보았으며 97mm 일 것으로 예상했습니다.
스트로크 사이즈가 97mm라고 결론 낸 이유는 위 급 엔진인 누우 2.0L 엔진 그리고 세타 2.4L 엔진 스트로크가 97mm로 동일하기 때문입니다. 그리고 4기통 가솔린 엔진 중에서 스트로크가 97mm 넘는 엔진이 잘 없습니다. 보어 72mm 스트로크 97mm로 가정하고 배기량을 계산하면 약 1,579cc가 되어 1.6L 조건을 만족시킵니다.
위 도표 수치는 제가 예상한 수치입니다. 따라서 실제 상세한 제원이 공개되면 제 예상치를 크게 빗나갈 가능성이 높습니다. 따라서 이 엔진이 탑재되는 현대차 소형 하이브리드 AE가 빨리 출시되기를 바라고 있습니다.
더불어 올해 말 현대 아반떼에 2.0L 엔진이 탑재되는데 일반 가솔린 엔진이 아닌 쏘나타, K5 하이브리드에 탑재된 엣킨슨 사이클 엔진입니다. 최고출력 150마력 최대토크 18.3kg.m내는 이 엔진이 현행 아반떼에 탑재 된다고 하는데요. 따라서 카파 1.6 GDI 엣킨슨 사이클 엔진 또한 소형차 모델인 엑센트 후속 등에 탑재될 가능성이 있다고 판단됩니다.
그렇다면 현행 1.6L 감마 GDI 엔진을 카파 1.6 GDI 엣킨슨 사이클 엔진이 대체할까요? 그럴 수도 있습니다. 하지만 아직은 먼 미래의 이야기라고 생각되며 현대 아반떼 기아 쏘울 등에 탑재된 132마력 감마 1.6 GDI 엔진 또한 나무랄 데 없는 엔진이기 때문에 당장 대체될 가능성은 적다고 생각됩니다.
