카라이프 - 자동차상식

자동차 서스펜션(Ⅲ) 매커니즘 이해 2004-12-16
지난달에는 자동차 바퀴의 정렬 상태를 가리키는 휠 얼라인먼트(wheel alignment)에 관해 살펴보았다. 캠버, 킹핀 각, 토, 캐스터 등 휠 얼라인먼트 설정은 서로 유기적으로 연관되어 있다. 따라서 서스펜션의 성능을 결정하는 것은 서스펜션의 기본적인 구조와 휠 얼라인먼트다. 이번호에는 서스펜션의 다양한 형식들에 관해 살펴보자. 서스펜션의 분류 서스펜션은 양쪽 휠의 완충방식에 따라 독립식과 일체식으로 나뉜다. 일체식은 양쪽 휠이 리지드 액슬(rigid axle)로 연결되어 하나로 동작하는 것이다. 독립식은 양쪽 서스펜션이 별개로 움직이는 형태여서 일체식에 비해 성능이 뛰어나다. 하지만 어쩔 수 없이 일체식 서스펜션을 사용하는 경우도 많다. 예를 들어 뒷바퀴굴림 방식의 승용차에서는 디퍼렌셜 기어와 드라이브 샤프트를 포함하는 리지드 액슬에 의해 양쪽 뒷바퀴가 서로 연결되기도 한다. 일체식 서스펜션 일체식은 구조가 단순하기 때문에 튼튼하고 원가도 적게 들어간다. 휠이 위아래로 움직일 때 얼라이먼트의 변화가 작아 타이어 마모율이 낮다. 반면, 휠이 위아래로 움직일 때 휠과 연결된 리지드 액슬도 함께 움직여야 하므로 쇼크 업소버와 스프링이 감당할 완충 부하가 커지게 된다. 따라서 차체에 노면충격이 크게 전달되고 승차감에서 불리하다. 또한 양쪽 바퀴가 서로 연결되어 있으므로 어느 한쪽에만 충격이 와도 차체 전체에 진동이 전달된다. 일체식 서스펜션의 가장 간단한 형태가 리프 스프링(leaf spring) 방식이다. 스프링 강판을 몇 장 겹쳐 차체를 지탱한다. 리프 스프링 방식은 화물차의 뒷바퀴 서스펜션에서 흔히 볼 수 있다. 이보다 발전된 형태가 링크 타입(link type)이다. 일체식의 링크 타입 서스펜션은 리프 스프링 대신 코일 스프링을 쓰고, 액슬을 몇 개의 링크기구로 지지하는 형태다. 양쪽 각각에 어퍼암과 로어암을 연결한 것이 4링크식이다. 5링크에서는 양쪽을 가로지르는 래터럴 로드(lateral rod)가 더해진다. 휠이 위아래로 움직일 때 액슬이 함께 움직이는 일체식 서스펜션의 단점을 보완한 것이 드 디온(De Dion) 방식이다. 드 디온 방식에서 양쪽 바퀴는 드 디온 튜브에 의해 서로 연결되지만, 디퍼렌셜은 차체에 고정된다. 따라서 차체에 전달되는 노면충격을 줄일 수 있다. 디퍼렌셜에서 양쪽 휠까지는 조인트가 있는 드라이브 샤프트가 연결되어 휠이 위아래로 움직이는 경우에도 동력이 전달된다. 독립식 서스펜션 차체에 연결된 암(arm)에 의해 휠을 지탱하는 스윙 암(swing arm) 방식, 상하에 배치되는 V자 형태의 어퍼/로어 컨트롤 암(upper/lower control arm)으로 차체를 지탱하는 더블 위시본(double wishbone) 방식, 그리고 어퍼 컨트롤 암을 생략하고 대신 쇼크 업소버/스프링 세트를 너클에 연결하는 맥퍼슨 스트럿(MacPherson Strut) 형식으로 나뉜다. 스윙 암 방식의 대표적인 예가 트레일링 암 방식이다. 차체 중심선에 거의 수직한 축을 중심으로 양쪽 암이 회전할 수 있도록 구성된 것이다. 양쪽 암의 회전축이 차체 중심선에 완전 수직인 형태가 풀 트레일링 암, 그렇지 않은 것이 세미 트레일링 암이다. 더블 위시본 방식은 상하 컨트롤 암의 제원에 따라 휠 얼라인먼트의 변화나 주행상태에 따른 자세조절 설계가 쉽다. 따라서 조정안정성과 동적 성능을 중요시하는 고급차와 스포츠카에 널리 쓰인다. 더블 위시본 서스펜션을 변형해, 한쪽에 3∼5개의 링크를 써서 너클의 위아래 움직이는 동작을 제어하는 방식을 멀티링크 방식이라 한다. 독립식 서스펜션에서 멀티링크 방식은 일체식에서 말하는 링크방식에 비해 여러 개의 링크를 사용한다는 점은 공통되지만 독립식인가 일체식인가의 큰 차이가 있다. 설계자유도가 큰 더블 위시본 방식은 서스펜션의 부하가 크지 않고 노면 진동을 잘 걸러주는 효과가 있다. 대신 상하 컨트롤 암이 공간을 차지해 공간효율이 나빠지는 단점이 있다. 이러한 더블위시본의 단점을 해결하고, 더블 위시본에 필적하는 동적 성능을 갖춘 것이 맥퍼슨 스트럿 타입이다. 쇼크 업소버와 스프링을 하나로 조립하고, 이 조립체를 너클에 거의 수직으로 고정한다. 따라서 맥퍼슨 스트럿 서스펜션이 차지하는 수평공간은 크게 줄어들게 되고, 큰 엔진룸이 필요한 앞바퀴 굴림방식에서 매우 효용이 뛰어나다. 불과 몇 년 전까지만 해도 국내에서 판매되는 거의 대부분의 승용차의 앞쪽 서스펜션은 맥퍼슨 스트럿 방식이었다. 최근에는 더블 위시본과 맥퍼슨의 장점을 조합한 형태의 서스펜션도 등장하고 있다. 더블 위시본 방식은 어퍼 컨트롤 암이 차지하는 공간 때문에 앞바퀴굴림 방식의 승용차에서는 사용하기 매우 힘든 것으로 생각되었다. 하지만 어퍼 컨트롤 암과 너클을 연결하는 링크를 적절히 설계해 공간에 큰 손해를 보지 않고도 더블 위시본 서스펜션의 장점을 추구할 수 있게 된 것이다. 앞바퀴·뒷바퀴 서스펜션 서스펜션은 앞바퀴와 뒷바퀴 서스펜션으로도 나눌 수 있다. 차체의 앞쪽과 뒤쪽에 뭐 그리 다른 서스펜션이 필요할까 생각할 수도 있지만 앞바퀴와 뒷바퀴는 역할과 허용된 공간이 다르다. 덩치 큰 엔진이 주로 차체 앞쪽에 놓이므로, 앞바퀴 서스펜션은 공간효율이 뛰어나도록 설계되어야 한다. 더욱이 뒷바퀴는 휠의 바운싱 운동(bouncing motion)만을 제어하지만, 앞바퀴는 조향 기능과 관련한 대책까지 마련되어야 한다. 앞에서 말한 것처럼 앞바퀴 서스펜션으로는 맥퍼슨 스트럿 방식이 널리 쓰인다. 더블 위시본 방식은 엔진이 뒤쪽에 있는 뒷바퀴굴림차, 그리고 비교적 공간이 풍부한 SUV 등에서 예전부터 쓰여왔다. 최근에는 더블 위시본 방식을 개량해 앞바퀴 서스펜션에도 더블 위시본을 쓰는 경우가 늘고 있다. 뒷바퀴에 널리 쓰이는 멀티링크 형식도 최근 앞바퀴에 달리는 예가 많아지고 있다. 뒷바퀴 서스펜션으로는 한때 리지드 액슬 방식이 널리 쓰였다. 뒷바퀴에 동력을 전달할 필요가 없는 앞바퀴굴림 방식에서는 10년 전까지 트레일링 암이 대표적으로 쓰였으나, 현재는 대부분 멀티링크를 이용한다. 공간효율에 그리 손해를 보지 않고서도 설계가 자유로운 장점 때문이다.
플랫폼 공유 자동차 메이커의 선택이 아닌 필수 생존.. 2004-11-19
언제부터인가 세계 자동차 시장은 몇 년 내로 6개 메이커만 살아남는다는 말이 떠돌았다. 자동차 관련 기사에 세계적인 메이커들의 인수합병이 자주 오르내리면서 더불어 등장한 말이 ‘플랫폼 공유’. 자동차 전문지의 비교 시승기에서는 생판 다른 두 차가 나와 형제차니 쌍둥이차니 하며 강한 유대감을 뽐낸다. 새차 소식의 결정체라 할 수 있는 모터쇼 기사에는 ‘어떤 차가 무슨 플랫폼을 썼다’는 식의 계보 밝히기가 빠짐 없다. 플랫폼 공유는 거대 메이커들 사이에서만 이루어지는 먼 나라 얘기가 아니다. 우리가 타고 다니는 싼타페와 그랜저 XG, 트라제 XG 등은 바로 EF 쏘나타의 플랫폼에서 나온 차들. 소형차가 나오면 으레 해치백 버전이 더해지는 것도 플랫폼 공유의 한 단면이다. 대우와 삼성이 외국 메이커 밑으로 들어가면서 국산차의 플랫폼 공유는 더욱 활발하게 이루어질 전망이다. 개발비용 줄이는 최선의 방법 자동차는 크게 어퍼보디와 프레임, 섀시, 언더보디로 나뉜다. 어퍼보디는 차의 외관에 드러난 부분으로 승객과 엔진, 화물을 감싼다. 우리가 흔히 말하는 자동차 보디가 어퍼보디다. 프레임은 차의 기본 뼈대를 이루는 골격으로 보네트와 도어, 트렁크, 인테리어 등을 뺀 상태의 구조물이다. 보디와 부속품을 뺀 부분을 섀시라 하고, 여기에는 엔진과 트랜스미션, 스티어링 장치, 브레이크 등을 포함한다. 언더보디는 보디의 밑면으로 뒤 서스펜션과 디퍼렌셜 등으로 구성된다. 플랫폼이라 하면 사전적 의미로는 ‘기반’을 말한다. 자동차에 있어서 플랫폼은 명확하게 규정된 정의가 없지만 보통 섀시와 언더보디 부분을 가리킨다. 플랫폼 공유라 하면 이 부분을 함께 쓰는 것. 플랫폼의 변형은 언더보디 사이즈를 바꾸는 것을 말한다. 같은 플랫폼으로 여러 차를 만드는 이유는 원가절감 때문이다. 개발비의 가장 큰 비중을 차지하는 플랫폼을 같이 쓰면 개발비뿐 아니라 부품 공급비용을 줄일 수 있고 생산공정도 간단히 만들 수 있다. 또한 생산 후 애프터서비스나 보수, 부품관리 등 폭넓은 분야에서 비용을 아낄 수 있다. 플랫폼 통합이 가속화되는 이유는 크게 세 가지. 첫째, 자동차 생산비에서 부품과 소재가 차지하는 비중이 점점 커져 통상적인 수익 기준이던 차종 당 연산 25만 대, 모델 주기 4~6년으로는 채산성 확보가 어려워지고 있다는 것. 둘째, 메이커간 경쟁이 심해져 글로벌 생산망을 확보하기 위한 원가 경쟁력의 중요성이 커지고 있다. 셋째, 세계적으로 강화되고 있는 환경 및 안전규제를 만족시키기 위한 새차 개발비용 부담이 커지고 있다. 플랫폼 통합에 가장 성공했다는 평을 듣고 있는 폭스바겐은 아우디와 스페인의 세아트, 체코의 슈코다를 인수하면서 승용차 플랫폼을 단 3개로 줄였다. 우리나라 현대-기아의 경우 합병 당시 합친 플랫폼이 무려 24개. 검토 결과 플랫폼을 7개로 줄여도 모든 라인업을 완성할 수 있다는 결론을 얻었다. EF 쏘나타와의 플랫폼 공유로 태어난 옵티마는 개발기간 20개월에 투자금액 2천200억 원으로 모두 4천500억 원이 들었던 EF 쏘나타의 절반밖에 안 썼다. 다양한 모델로의 변신 플랫폼 공유에는 여러 가지 방법이 있다. 형제차 만들기는 디비전을 많이 거느리고 있는 거대 메이커들이 주로 쓰는 방식. 디비전마다 라인업을 채우는 데 효과적이다. 디자인을 달리하고 엔진과 파워트레인, 서스펜션 세팅 등을 손봐 성격이 다른 차를 만들어낸다. GM의 시보레 말리부, 뷰익 센추리, 올즈모빌 인트리그, 폰티액 그랑프리는 모두 한 뼈대에서 나온 차들. 플랫폼 공유는 보통 한 개 메이커 또는 그룹 내에서 이루어지지만, 로터스 엘리제를 바탕으로 태어난 오펠 스피드스터처럼 다른 메이커 사이에 오가는 경우도 있다. 모델 다양화는 한 개의 차로 스타일을 달리할 때 쓰는 방법. 세단형을 기본으로 해치백이나 왜건, 쿠페, 컨버터블 등을 만들어낸다. 해치백의 뒤를 늘려 노치백을 만들거나 세단을 왜건으로 바꾸기도 한다. 해외의 경우 도요타 캠리와 솔라라처럼 세단을 2도어 쿠페나 컨버터블로 바꾸는 경우가 흔하다. GM대우의 라세티는 세단 바탕으로 해치백을 만들고 왜건까지 더했다. 이들은 기본 스타일이 비슷하면서 용도에 맞게 차체를 줄이고 늘린 형제 모델들. 이와 달리 완전히 다른 차로 변신하기도 한다. 현대 티뷰론은 아반떼의 쿠페 버전이라 할 수 있지만 완전히 다른 차가 되어버렸다. 업그레이드는 기본 모델을 바탕으로 윗급의 차를 만드는 것. 흔히 럭셔리 디비전을 따로 갖고 있는 메이커들이 주로 쓰는 방법이다. 렉서스의 ES330은 도요타 캠리를 기본으로 한 것이고, 혼다 어코드는 어큐라 TL로 팔린다. 럭셔리 디비전이 없더라도 한 메이커 안에서 비슷한 크기의 차를 고급화하기도 한다. 쏘나타를 고급화한 그랜저 XG가 그런 경우. 한편 세단 바탕의 SUV 등, 완전히 다른 세그먼트로 변형시키기도 한다. 혼다 CR-V는 시빅을 베이스로 했고, 현대 투싼과 기아 스포티지는 아반떼 XD로부터 나왔다. 플랫폼 공유는 장단점을 지니고 있다. 메이커의 입장에서는 개발비를 큰 폭으로 줄이면서 새차를 만들 수 있다. 여러 개의 디비전을 거느리고 있다면 디비전별 모델 늘리기에도 유용한 수단. 비록 뼈대는 같더라도 디자인과 엔진, 트랜스미션, 서스펜션 세팅 등을 달리하면 얼마든지 개성이 다른 차를 만들 수 있다. 하지만 속은 그대로 둔 채 껍데기만 바꿔 새차로 내놓는다면 기본적인 주행특성이 같은 모델들의 개수만 늘어날 뿐, 실질적인 선택의 폭이 줄어드는 단점이 있다. 여기에 플랫폼 공유를 통한 비용절감 효과가 차값에 반영되지 않는다면, 소비자들에게는 이래저래 반갑지 않은 일이 될 것이다.
자동차 서스펜션(Ⅱ) 2004-11-16
지난달에는 서스펜션의 기본기능에 관해 살펴보았다. 서스펜션을 설계할 때는 노면진동과 충격을 흡수하는 것은 물론이고, 롤(roll)과 다이브(dive), 스쿼트(squat)의 대응을 고려해야 한다. 또한 서스펜션의 가장 중요한 성능 중 하나가 주행안정성과 코너링 특성이다. 서스펜션의 성능을 결정하는 것은 서스펜션의 기본적인 구조(흔히 서스펜션 지오메트리라고 한다)와 휠 얼라인먼트다. 이번호에는 휠 얼라인먼트의 기본적인 사항들에 대해 알아보자. 휠 얼라인먼트 휠 얼라인먼트(wheel alignment)는 자동차 바퀴의 정렬 상태를 가리키는 용어다. 바퀴의 정렬 상태는 토인(tow-in), 캠버(camber), 캐스터(caster) 등으로 표시하게 된다. 바퀴가 제대로 정렬되어 있지 않으면 안정된 직진주행이 힘들고 타이어가 편마모되는 등 주행성능에 좋지 않은 영향을 준다. 캠버(camber) 캠버는 타이어가 수직에서 기울어진 정도이다. 타이어 위쪽이 차체 바깥쪽으로 기울어진 것을 포지티브 캠버(positive camber), 차체 안쪽으로 기울어진 것을 네거티브 캠버(negative camber)라고 한다. 흔히 마이너스 캠버라고 하는 것은 네거티브 캠버를 말한다. 캠버는 차종에 따라 달라지지만 대개 0.5∼0.2°다. 미세하게 차체 바깥쪽으로 기울어지도록 설계하는 이유는 여러 가지다. 캠버를 포지티브로 설정하면, 바퀴가 하중을 받았을 때 아래쪽이 과다하게 벌어지는 것을 막을 수 있다. 캠버의 양은 차가 달릴 때 상황에 따라 항상 변한다. 원심력을 받아 바깥쪽으로 차체 무게중심이 이동하면 캠버는 네거티브 쪽으로 변한다. 이때 지나치게 네거티브 캠버로 바뀌는 것을 막기 위해 캠버를 포지티브로 설정해 놓는 것이다. 또한 이렇게 해야 달릴 때 타이어가 빠지더라도 차체 바깥으로 굴러나가는 경향을 줄일 수 있다. 포지티브 캠버이면 스티어링 휠을 돌릴 때도 힘이 덜 든다. 스티어링 휠을 돌리면 앞바퀴도 함께 움직이는데, 바퀴의 가운데를 중심으로 도는 것이 아니라 타이어 안쪽을 중심으로 회전한다. 따라서 포지티브 캠버가 되면 이 회전반경(흔히 오프셋이라고 한다)이 줄어 스티어링 휠 조작이 가벼워지는 것이다. 또한 차체 무게는 바퀴가 최종적으로 떠받치지만 이 하중은 서스펜션의 각 관절에 여러 힘으로 분산된다. 이때 포지티브 캠버라면 바퀴와 지면 사이의 접지중심이 바퀴 근처의 관절에 가까워진다. 따라서 관절이 받는 부담도 덜 수 있는 것이다. 물론 모든 차들이 포지티브 캠버로 설정되어 있는 것은 아니다. 서스펜션 지오메트리의 변화가 작은 차들은 처음부터 네거티브 캠버로 설정되기도 한다. 경주차의 앞바퀴는 2∼4°의 네거티브 캠버로 정해, 코너링 때 최대한의 접지력을 발휘할 수 있도록 한다. 토 인(tow-in)/토 아웃(tow-out) 토(toe)란 바퀴의 앞쪽 끝을 가리키는 것이다. 토가 안쪽으로 치우쳐 있으면, 즉, 좌우 바퀴를 위에서 보았을 때 앞쪽이 안쪽으로 오므리고 있으면 토 인(toe-in). 반대로, 바퀴 앞쪽이 바깥쪽으로 벌어져 있으면 토 아웃(toe-out)이다. 토 인은 정차한 상태에서 약 2∼8mm가 되도록 설정한다. 토 인 역시 차의 주행상태에 따라 영향을 받게 된다. 이 때 캠버, 다른 변수들의 영향을 받는데, 대개 토 아웃으로 바뀌는 경향을 보인다. 이같은 현상을 줄이기 위해 정차상태에서 약간의 토 인이 되도록 설정하는 것이다. 달릴 때 토 상태가 나빠지면 타이어가 정확하게 직진하는 것이 아니라 약간 비스듬히 끌려가는 셈이 된다. 사람으로 보면 발을 꼬아 신발을 끌고 다니는 것과 같다. 신발이 빨리 닳는 것은 물론이고 관절에도 이상이 생길 수 있다. 토 상태가 나쁘면 타이어 마모가 빠르고 편마모가 생기는 이유가 된다. 토 상태는 쉽게 조정할 수 있는 반면, 비교적 틀어지기도 쉽다. 따라서 늘 관심을 가지고 보는 것이 좋다. 킹핀 각(king pin angle) 앞바퀴는 너클에 달려 회전한다. 따라서 스티어링 휠을 돌리면 너클이 회전해 바퀴가 움직인다. 이런 모습을 앞에서 보았을 때, 너클의 회전 중심축은 지면에 수직한 방향에서 비스듬히 기울어져 있다. 이 너클의 회전 중심축이 지면 수직방향으로부터 기울어진 정도를 킹핀 각이라 한다. 킹핀 각 역시 차종에 따라 다르지만 보통 6∼9°로 설정된다. 킹핀 각 설정의 가장 큰 목적은 오프셋(offset) 양을 줄이는 것이다. 킹핀 중심선과 타이어 중심선의 지면에서 거리가 오프셋 양이다. 오프셋이 커지면 스티어링 휠을 돌릴 때 타이어가 굴러가야 할 반경이 커지므로 스티어링 휠 조작에 힘이 든다. 또 달릴 때 노면충격이 전해지면, 이 충격량은 오프셋을 지렛대로 해 서스펜션의 관절에 전달된다. 따라서 오프셋이 커지면 노면충격이 크게 전달되고 서스펜션의 내구성이 약해지는 것이다. 정차한 상태에서 스티어링 휠을 돌릴 때 유심히 관찰해보면, 차체가 미세하게 들려 올라가는 것을 느낄 수 있다. 이러한 효과가 킹핀 각에 의해 생긴다. 스티어링 휠을 돌릴 때 차체가 올라가므로, 차체 무게는 스티어링 휠의 복원력으로 작용하게 된다. 킹핀각이 커질수록 직진 안정성이 좋아지게 되는 것이다. 캐스터(caster) 킹핀을 옆에서 보면 수직으로 서있지 않다. 위쪽이 차체 뒤쪽을 향해 약간 기울어진 형태로 누워있다. 킹핀을 옆에서 보았을 때 수직으로부터 후방으로 기울어진 정도를 캐스터라고 한다. 보통 캐스터는 0.5∼1°로 설정되어 있다. 캐스터의 의미는 의자의 바퀴를 생각해보면 쉽게 이해할 수 있다. 킹핀 중심선이 지면에 만나는 점을 캐스터점이라고 한다. 포지티브 캐스터는 점지점이 캐스터점의 뒤쪽에 위치하게 된다. 차가 달릴 때 노면저항은 차체 앞쪽으로부터 뒤쪽으로 작용하는데, 이때 접지점이 이미 캐스터점의 뒤쪽에 위치해 있으므로 바퀴가 역학적으로 안정된 상태가 되는 것이다. 캐스터가 크면 직진 안정성은 좋아지는 반면 스티어링 휠 조작이 힘들어진다. 또 좌우 휠의 캐스터 각이 다르면, 좌우 바퀴의 접지면에서 작용하는 힘에 불균형이 생겨 편진동이 일어난다. 파도모양의 편마모가 일어나는 원인이 되는 것이다. 스러스트 앵글(trust angle)과 셋백(set back) 차체 중심선과 타이어의 중심선이 어긋난 각도를 스러스트 앵글이라 한다. 물론 차종에 관계없이 스러스트 앵글은 0이 되어야 한다. 과도한 노면충격으로 서스펜션 암(arm) 자체 또는 마운팅 포인트가 변형되거나, 제원과 다른 불량품을 사용하면 스러스트 앵글이 일어난다. 셋백(set back)이란 앞바퀴의 한쪽이 다른 쪽에 비해 뒤로 물러선 정도를 말한다. 셋백 역시 0의 값이 되어야 당연하다. 휠 얼라인먼트의 상호작용 캠버, 킹핀 각, 토, 캐스터 등 휠 얼라인먼트 설정은 서로 유기적으로 연관되어 있다. 예를 들어 직진안정성을 높이기 위해 캐스터 각을 크게 하면, 반작용으로 스티어링 휠 조작력이 커진다. 스티어링 휠 조작력을 작게 하기 위해 킹핀 각을 크게 하면, 달릴 때 토 인에 영향을 미친다. 따라서 서스펜션을 설계할 때는 차의 성격과 주행성능을 고려해, 서로 얽힌 휠 얼라인먼트 변수들을 가장 합리적인 값으로 설정한다. 따라서 모든 차에 맞게 통일된 휠 얼라인먼트 값은 없다. 각 차종의 규정값에서 허용오차 범위라면 큰 염려없이 운전할 수 있다.
국내 친환경차 개발, 어디까지 왔나 미래의 빅 파이.. 2004-11-15
환경오염을 줄이기 위한 정부기관의 관심과 메이커들의 노력이 서서히 결실을 맺어가고 있다. 특히 정부는 미래형 자동차를 비롯해 차세대 이동통신·전지·반도체, 디지털 TV/방송, 지능형 로봇, 바이오 신약, 디스플레이, 디지털 컨텐츠, 지능형 홈 네트워크 등을 ‘희망찬 미래 한국을 위한 성장동력 비전’으로 정해놓고 이들 분야를 중점 육성할 계획이다. 이 계획이 제대로 진행되면 2012년 고용창출 150만 명, 수출 180억 달러, 100조의 부가가치를 얻게 된다. 연료전지차 이전의 대안인 하이브리드카 도요타·혼다 등은 이미 상용화에 성공 정부가 구상하는 미래형 자동차의 핵심은 환경을 오염시키지 않고 에너지의 효율성도 뛰어난 친환경차의 개발이다. 친환경차의 연구·개발은 지난 10년 동안 연료전지차, 전기자동차, 하이브리드카, 천연가스(CNG) 자동차, 액화석유가스(LNG) 자동차 등 다방면으로 진행되어 왔다. 그 가운데 자동차용 미래 동력원으로 가장 주목받고 있는 것이 하이브리드와 연료전지 두 가지다. 한때 무공해차로 각광받았던 전기차는 충전에 따른 사용상의 불편이 큰 데다 운전감각의 차이와 비싼 값 등을 이유로 최근 개발이 주춤한 상태다. 전기차 대용으로 등장해 최근 실용화에 이른 것이 하이브리드카다. 휘발유 엔진과 전기 모터를 같이 얹음으로써 편의성과 연비, 친환경성을 모두 만족시킨 하이브리드카는 화석연료와 전기를 함께 쓰기 때문에 ‘무공해차’가 아닌 ‘저공해차’라고 할 수 있다. 요즘에는 전세계 메이커 거의 모두가 하이브리드카를 개발하고 있다고 해도 지나친 말이 아니지만, 이 분야에서는 97년 첫 양산 하이브리드카(프리우스)를 선보인 도요타나 혼다 등 일본업체가 한발 앞서있다. 사실 내연기관을 함께 쓰는 하이브리드카는 무공해차로 가기 위한 과도기적 형태여서, 다음 단계의 주역은 연료전지차가 될 것이 거의 확실하다. 연료전지차는 수소를 연료로 전기를 만들기 때문에 충전에 따른 불편이 적고 공해도 없다. 상용화를 위해서는 기술적 문제가 남아있지만 미래의 자동차가 석유 대신 수소로 달리게 되리라는 데에는 이견이 없다. 이미 혼다 FCX, 닛산 엑스트레일 FCV 등 일부 연료전지차가 개발되어 도로를 달리고 있고, 연료전지 기술은 앞으로 더욱 빠르게 발전해나갈 전망이다. 내연기관은 휘발유 등을 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리지만 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌린다. 이때 전기모터를 돌리는 에너지를 생산해내는 것이 바로 연료전지다. 물의 전기분해와 반대로 수소와 산소를 화학적으로 반응시켜 전기를 만들고, 이 전기를 이용해 모터를 돌리는 것이 원리다. 연료전지차는 하이브리드 전기자동차를 능가하는 연료효율과 휘발유 자동차 수준의 연료공급 편의성을 겸비하고 물만 배출할 뿐 배기가스가 전혀 없는 완전 무공해차다. 현재 연료전지는 수소와 메탄올, 청정 휘발유 등을 이용하고 있다. 수소는 직접 에너지로 사용되고 메탄올과 청정 휘발유는 일단 수소로 전환시킨 뒤 모터를 돌리는 전기 에너지를 생산한다. 휘발유를 쓰는 내연기관의 에너지 효율은 20%에 불과하지만 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%에 이른다. 한편 메이커들은 최근연료전지차를 개발하는 것과 동시에 그 이전 단계인 하이브리드카도 속속 내놓고 있다. 우리 정부가 지원하는 미래형 자동차 부문에서 가장 중점을 두고 있는 것 역시 하이브리드카와 연료전지차다. 특히 하이브리드카 분야는 해외에서 이미 양산차가 나오고 있어 국내 메이커들의 분발이 요구된다. 메이커들 입장에서 볼 때 하이브리드카와 연료전지차는 천문학적인 파이를 안겨줄 매력적인 상품임이 분명하기 때문이다. 국내 기업 중 현대·기아가 가장 적극적 GM대우는 GM의 선진 기술 활용할 계획 최근 국내 메이커들의 친환경차 개발 현황을 살펴보면, 현대·기아가 가장 적극적인 연구·개발에 나서고 있고, GM대우는 직접 기술을 개발하기보다는 모기업인 GM과의 협력을 통한 기술개발 계획을 세워놓고 있다. 반면 르노삼성과 쌍용은 아직까지 친환경차에 대한 이렇다할 청사진을 밝히지 않고 있다. 현대·기아는 지난 2000년 4월 미국의 연료전지 전문회사인 UTC 퓨얼셀(United Technologies Corp. Fuel Cells)사와 손잡고 연료전지차 개발 및 실용화에 들어가 2001년 3월 국내에서 처음으로 싼타페 연료전지자동차를 개발했다. 또한 전세계 주요 자동차, 석유 및 에너지, 연료전지 관련기업과 미국 정부기관이 참여하고 있는 캘리포니아 연료전지 파트너십(California Fuel Cell Partnership)에 2001년부터 운영위원사 자격으로 참가, 연료전지차의 기술 표준화 및 실용화 사업에도 적극 뛰어들고 있다. 현대는 지난 10월 1일 서울 하얏트 호텔에서 정몽구 회장, 이해찬 국무총리, 이희범 산자부 장관, 곽결호 환경부 장관, 강동석 건교부 장관, GE 캐피탈 이멜트 회장, 경제 5단체장, 언론사 사장을 비롯한 정·재계·언론·학계 등 국내외 주요인사 400여 명이 참석한 가운데 ‘차세대 성장동력 산업-미래형 자동차 개발 기념식’을 가졌다. 행사에 참석한 이해찬 국무총리는 “정부는 세계 자동차산업의 패러다임 변화에 대응하기 위해 미래형 자동차를 차세대 성장동력 산업의 하나로 선정하게 되었다”며 “하이브리드카와 연료전지차를 빨리 상용화할 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 말했다. 이날 행사는 현대가 개발한 클릭 하이브리드카를 정부에 전달하는 것을 기념하고 정부와 메이커의 의지를 재확인하는 자리였다. 예전에도 메이커가 만든 하이브리드카나 연료전지차가 관공서에 소규모로 납품되는 일이 있었지만, 이번처럼 50대에 이르는 대규모 납품은 처음이다. 현대는 클릭 하이브리드카를 10월말까지 환경부에 단계적으로 공급하고, 환경부는 공급받은 차를 경찰청 업무용 차로 지원할 계획이다. 현대는 클릭 하이브리드카의 개발 및 시험주행과 별도로 내년 말까지 베르나 후속 모델인 ‘MC’(프로젝트명)의 하이브리드카도 개발해 2006년부터 판매할 계획이다. 이를 위해 2006년까지 1조 원을 투입하고 연구·개발 인력도 6천200명에서 1만 명으로 늘릴 예정이다. 현대는 2006년 본격적인 하이브리드카의 양산 이후 2010년까지 모두 3천억 원을 더 투자해 하이브리드카의 생산 규모를 30만 대로 키운다는 계획이다. GM대우는 모기업인 GM과의 협력으로 연료전지차 및 하이브리드카를 개발할 예정이다. 올해 파리 오토살롱에서 선보인 GM대우의 첫 SUV(컨셉트카 시보레 S3X)는 BAS(Belt Alternator Starter)를 이용한 하이브리드 시스템을 얹고 있다. 이 시스템은 공회전 때 엔진을 끄고, 감속 중 연료 공급을 차단해 연료효율을 높인다. 엔진이 자동으로 꺼진 상황에서도 에어컨을 비롯한 모든 편의장비들은 정상 작동한다. S3X는 오는 2006년 양산차로 선보일 예정이다. 또한 GM대우는 2007년 북미 지역에 출시될 GM의 대형 픽업과 SUV용 하이브리드 시스템 AHS Ⅱ(Advanced Hybrid System Ⅱ)를 도입해 국내에도 선보일 계획이다. AHS Ⅱ는 동급 엔진에 비해 35%의 연비 향상 효과를 내는 것으로 알려지고 있다. 한편 하이브리드카 개발을 위한 국내 자동차 부품업체의 개발 노력도 가속화하고 있다. 현대중공업은 지난 8월 28일 일본에 이어 세계에서 두 번째로 연료 소모를 크게 줄일 수 있는 차세대 자동차용 전동기(모터)를 개발했다고 밝혔다. 현대중공업이 개발한 전동기는 12kW급 전동기 2종과 20kW급 전동기 1종이다. 기아 스포티지 메탄올 연료전지차(2000년) 1998년부터 약 2년간 90억 원의 개발비를 투자해 결실을 본 메탄올 연료전지차다. 당시 정부의 G7 프로젝트(선도기술개발사업)의 일부분으로 현대·기아와 한국과학기술연구원(KIST)이 함께 개발한 고분자전해질형 연료전지 스택과 SK가 개발한 메탄올 연료변환기를 얹었다. 메탄올 연료전지차로는 다임러크라이슬러, GM, 도요타, 닛산, 폭스바겐, 혼다에 이어 세계에서 7번째. 기본 모델은 기아 스포티지 전기차로, 10kW급 시스템을 얹고 최고시속 126km, 0→시속 100km 가속 18초의 성능을 낸다. 대우 레조 연료전지차(2000년) 다임러크라이슬러, 포드, GM, 도요타, 혼다, 닛산, 마쓰다, 르노, 폭스바겐에 이어 세계에서 10번째로 개발된 대우의 연료전지차(DFCV-1)다. 1998년 1월부터 2000년 10월까지 34개월에 걸쳐 개발되었다. 10kW급 연료전지 스택과 12V 배터리 모듈로 구성된 연료전지 구동 시스템을 얹었고 수소탱크의 크기는 49X다. 현대 싼타페 연료전지차(2001년) 2000년 4월 현대와 미국 UTC 퓨얼셀 사가 공동으로 개발해 2001년 3월 선보인 연료전지차다. 세계에서 처음으로 350기압까지 수소를 안전하게 충전할 수 있는 수소탱크를 얹은 것이 특징. 연료전지와 배터리를 조합해 제동할 때의 에너지는 배터리로 회수하고 가속할 때는 배터리의 에너지를 사용해 연비효율과 동력성능을 높였다. 싼타페 연료전지차는 미국 캘리포니아에서 열린 ‘미쉐린 환경친화자동차 경주대회’에서 매번 좋은 성적을 거두고 있다. 2001년 대회에서는 배기가스와 소음부문에서 금메달(2개), 연비와 곡선주행 부문에서 은메달(2개)을 수상했고, 지난해 대회에서는 배기가스, 이산화탄소(CO2), 연비부문에서 3개의 금메달과 소음부문에서 1개의 은메달을 땄다. 현대가 미국 정부 에너지성이 주관하는 연료전지차 시범운행 및 수소 충전소 인프라 구축 사업의 시행사로 선정된 데에는 싼타페 연료전지차의 역할이 컸다. 현대 클릭 하이브리드카(2004년) 클릭 하이브리드카는 현대가 지난해 5월 개발에 들어가 올해 양산까지 16개월 동안 106억 원을 투자해 선보였다. 직렬 4기통 1.4X 알파Ⅱ 엔진을 기본으로 전기모터를 달아 최고출력 83마력, 최대토크 11.9kg·m의 성능을 낸다. 출발 및 가속 때 전기모터가 작동해 엔진의 출력을 보조하고 연료소모를 줄인다. 구동계통은 1.4X 엔진과 모터, 무단변속기(CVT)로 구성되어 있다. 공기저항계수는 0.344이고 타이어 사이즈는 175/65 R14이다. 현대가 공개한 자료에 의하면 클릭 하이브리드카의 최고시속은 161km, 0→시속 100km 가속은 10.9초다. 무게는 1천80kg이고 공인연비는 18.0km/X 에 이른다. 현대 투싼 연료전지차(2004년) 싼타페 연료전지차의 후속모델로 올해 개발되었다. 싼타페의 결점을 크게 개선해 성능과 내구성을 높인 것이 특징. 특히 싼타페와 달리 영하의 온도에서도 운전이 가능하도록 보완했다. 투싼 연료전지차는 올해 말 캘리포니아 등에서 5년간 30여 대가 시범 운행될 예정이다. 한편 기아는 투싼의 형제차 뉴 스포티지를 바탕으로 최근 연료전지차를 개발해 시험 운행중이다. GM대우(시보레) S3X(2004년) GM대우가 만든 컨셉트 SUV인 S3X는 BAS(Belt Alternator Starter) 하이브리드 시스템, 하이브리드 파워트레인을 얹고 있다. BAS 시스템은 정차 때 엔진을 끄고 속도가 줄어들 때 연료를 미리 차단시켜 연비를 높인다. 일반적인 교류 발전기를 대체하는 정밀 전기모터와 발전기로 효율적인 재충전이 이뤄진다.
서스펜션(I) 2004-10-20
자동차를 살 때는 누구나 승차감을 고려한다. 차의 동력성능은 주로 엔진과 트랜스미션에 따라 좌우되지만 운전환경에 영향을 미치는 승차감은 서스펜션에 의해 달라진다. 서스펜션의 기본적인 기능은 달릴 때 차체에 전해지는 노면의 진동과 충격, 그리고 소음을 줄이는 것이다. 차는 달릴 때 주행상태에 따라 많은 힘을 받는다. 코너링할 때는 원심력을, 가·감속할 때는 차체가 앞뒤로 쏠리는 힘을 받게 된다. 이러한 여러 가지 주행환경에서 차체를 안정적으로 제어해 운전자에게 안락함을 주는 것이 서스펜션의 기본적인 역할이다. 차는 안락성 못지않게 주행안정성도 중요하다. 편안하지만 이리저리 휘청대는 차는 안전에 위험요소가 될 수 있기 때문이다. 따라서 서스펜션은 안락한 승차감과 조종안정성을 모두 만족시키기 위해 연구되고 있다. 승차감과 조종안정성이 서로 맞지 않으면 차의 성격에 따라 가장 적절한 주행감각이 이루어지도록 서스펜션을 설계한다. 노면의 충격과 진동 흡수 노면의 충격과 진동을 흡수하는 기본기능은 서스펜션의 스프링(spring)과 쇼크 업소버(shock absorber)에 의해 이루어진다. 스프링은 차체의 무게를 지탱하고 노면의 충격과 진동이 일어날 때 차체와 휠 사이의 상대운동을 가능하게 한다. 차체의 입장에서 본다면 노면의 굴곡을 따라 휠이 운동할 수 있는 것이다. 노면 충격은 휠의 상하운동을 통해 스프링에 흡수된다. 충격을 흡수해 변형된 스프링은 진동하려는 성격을 가지고 있다. 따라서 스프링 진동이 줄어들지 않으면 노면 충격은 진동으로 변해 차체에 전달되게 된다. 파도가 많은 바다를 배가 항해할 때처럼 승객은 울렁거림을 느끼게 될 것이다. 스프링의 진동을 줄여주기 위한 장치가 쇼크 업소버다. 쇼크 업소버는 휠이 차체에 대해 상대운동하는 것을 마찰로 방해한다. 스프링의 진동을 줄여주는 장치로, 흔히 댐퍼(damper)라고도 한다. 스프링과 쇼크 업소버는 서로 궁합이 맞아야 잘된 세팅이라 할 수 있다. 스프링에 비해 쇼크 업소버의 강도가 약하면 스프링의 진동이 없어지지 않고 차체에 전달된다. 반면 쇼크 업소버의 강도가 강하면 효율적으로 충격을 흡수할 수 없다. 스프링과 쇼크 업소버의 구체적인 종류들과 구성에 관해서는 다음 기회에 살펴보기로 한다. 주행중 차체의 자세 제어 서스펜션은 노면의 충격과 진동 흡수 외에도 주행중 차체의 자세를 안정되게 유지하는 기능을 한다. ①롤(roll) 제어 차가 코너링할 때 차체는 회전반경 바깥쪽으로 기울어지려는 힘을 받는다. 이와 같이 차체가 회전반경 바깥쪽으로 쏠리는 정도를 롤(roll)이라고 한다. 코너링할 때 차체가 바깥쪽으로 기울어지면 그만큼 승객의 몸도 쏠려 불안감을 느끼게 된다. 차체의 좌우 쏠림을 줄이기 위해서는 스프링과 쇼크 업소버의 강성을 높이는 간단한 방법을 생각할 수 있다. 그러나 이 방법은 서스펜션의 전반적인 강성을 높여 충격 흡수와 진동 방지라는 기본기능이 손해를 입을 가능성이 크다. 차체의 좌우 쏠림을 줄이기 위해 양쪽 서스펜션에는 스태빌라이저(stabilizer)라는 스프링 막대가 서로 연결되어 있다. 차체가 바깥쪽으로 기울어지면 같은 방향의 서스펜션은 움츠러들고, 반대쪽은 늘어나게 된다. 따라서 스태빌라이저는 양쪽 서스펜션의 서로 다른 동작을 제한해 차체의 좌우 기울어짐을 줄인다. 스태빌라이저는 양쪽 서스펜션이 서로 다른 동작을 하는 경우에만 작용하므로, 전체적인 차체 충격에 대한 강성에는 영향을 주지 않는다. 스태빌라이저의 강도가 커지더라도 운전자가 느끼는 서스펜션의 부드러움에는 큰 차이가 나지 않는다. 하지만 스태빌라이저의 강도가 지나치게 세어지면 양쪽 서스펜션이 독립적으로 움직이지 못하는 단점이 있다. 따라서 스태빌라이저의 강성은 양쪽 서스펜션의 스프링, 쇼크 업소버의 강성과 조화하도록 설계된다. ②다이브(dive)와 스쿼트(squat) 제어 급브레이크를 밟으면 차의 앞부분이 급격히 아래로 숙여진다는 것은 누구나 알고 있을 것이다. 이런 현상을 다이브(dive) 또는 노즈다운(nose down)이라고 한다. 반대로 급출발할 때는 차의 머리가 들리는 현상을 경험해보았을 것이다. 이런 현상을 스쿼트(squat)라고 하고, 앞뒤로의 차체 움직임을 피칭(pitching)이라고 한다. 코너링 때 차체가 바깥으로 기울어지는 것이 승차감에 악영향을 미치는 것과 마찬가지로 브레이크를 밟을 때 다이브 현상이 생기거나 급출발할 때 앞머리가 들리는 것도 불안한 느낌을 준다. 특히 속도를 줄일 때 다이브 현상이 커지면 뒷바퀴의 접지력이 줄어들어 조종안정성이 불안정해지고 제동성능이 떨어진다. 마찬가지로 가속할 때 생기는 스쿼트 현상은 앞바퀴의 접지력을 떨어뜨리게 된다. 스쿼트 현상은 정지상태에서 출발할 때 주로 일어난다. 출발할 때 큰 엔진 힘이 갑자기 차체에 전달되기 때문이다. 스쿼트 현상을 찾아내기 위해서는 가속도 센서를 이용해 가속에 의한 차체 기울어짐을 추정하거나, 드로틀 밸브의 열린 양을 파악해 엔진파워를 추정하는 방식이 사용된다. 이러한 방식으로 급가속이 판단되면 쇼크 업소버의 감쇠력을 조절함으로써 스쿼트 현상을 방지하게 된다. 즉 급가속일 때는 바로 쇼크 업소버의 감쇠력을 강하게 조절해 차체 움직임을 둔화시키고 급가속 상태가 없어지면 쇼크 업소버의 감쇠력을 원상태로 바꿔주는 것이다. 이러한 안티 스쿼트 제어구조는 안티 다이브 제어구조에도 똑같이 활용될 수 있다. 그러나 스쿼트 현상은 급출발 때 매우 짧은 시간에 일어나는 반면 다이브 현상은 고속에서 감속할 때 상대적으로 긴 시간동안 나타날 수 있다. 따라서 안티 다이브 제어를 위해서는 이를 미리 고려해 서스펜션 구조(흔히 서스펜션 지오메트리라고 한다)를 설계한다. 더욱 확실한 방법은 스프링의 강성이 조절될 수 있도록 하는 것이다. 공기 스프링 이용이 그런 예다. ③차고(vehicle height) 제어 차고(vehicle height)는 지면으로부터 차체가 얼마나 높이 위치하는가를 말한다. 승차인원이나 적재화물 등 차체 무게가 변하면 차고도 달라지게 된다. 예를 들어 트렁크에 무거운 책을 가득 실으면 차체 뒤쪽이 지면쪽으로 내려앉는다. 차고가 달라지면 차체는 설계된 대로 움직여주지 않는다. 따라서 주행상황에 맞게 차고를 조절하고, 차체의 자세를 유지하는 것을 차고 제어라 한다. 차고를 알아낼 때는 서스펜션의 암(arm)과 차체의 상대위치를 활용한다. 타이어가 지면에 접촉하고 있는 이상, 차고가 변화하려면 서스펜션의 암과 차체의 상대위치가 바뀌기 때문이다. 예를 들면 고속주행 때에는 차고를 낮춰 공기저항을 줄이면서 동시에 조종안정성을 얻는다. 비포장 도로를 달릴 때는 차고를 높여 차체를 보호하고 서스펜션이 움직일 수 있는 공간을 확보하는 것이다. 차고 조절기능이 있으면 정차 때 차고를 낮춰 승객이 타고 내리기도 쉽게 할 수 있다. ④차체 자세 제어(vehicle dynamics control) 최근에는 여러 가지 서스펜션의 기능들을 전자식으로 제어할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 차의 주행상태를 계산해 알맞은 차체 자세를 항상 유지해주는 것이다. 이러한 서스펜션과 제어기술을 흔히 차체 자세 제어(vehicle dynamics control)라고 한다. 각종 전자적인 제어 기술이 뒷받침되어야만 가능한 조종안정성은 요즘 새차 카탈로그에서도 볼 수 있는 용어가 되고 있다.
스트레스 가장 적은 차, 르노삼성 SM5 2004-10-18
‘스트레스 지수’ 르노삼성차가 가장 낮아 결과를 자세히 살펴보면(표1), 12개의 스트레스 항목 가운데 하나라도 경험한 적이 있다는 응답자는 40.1%였다. 자동차 메이커별로는 르노삼성이 23.6%로 가장 적었고, 그 다음은 현대(37.1%), 기아(43.9%), GM대우(47.2%), 쌍용(54.8%) 순으로 나타났다. 수입차의 경험률(42.6%)은 국내 자동차 메이커 가운데 중위권인 기아와 비슷한 수준이었다. 스트레스의 내용을 ‘차원’별로 살펴보면 불편 차원의 누적지적률이 42.2%로 가장 많았고, 분노(25.1%), 손실(24.9%), 불안(23.9%)은 비슷한 수준을 보였다. 르노삼성은 4개 차원 모두에서 확실한 1위를 차지했고, 쌍용은 불편, 불안, 분노 차원에서 최하위, 수입차는 손실 차원에서 최하위를 기록했다. 문항별로 살펴보면 ‘불편하지만 참고 지내는 잔고장이 있다’의 지적률이 22.8%로 가장 높았고 다음은 ‘제조회사에서 잘못 고쳐 2회 이상 고치러 간 고장이 있다’ 13.8%, ‘고장 때문에 차를 쓰지 못한 날이 있다’ 11.2%의 순이었다. 가장 낮은 항목은 4.3%의 지적률을 보인 ‘대형 사고로 이어질 수 있는 위험한 고장이 있었다’지만, 문항의 심각성을 고려하면 결코 낮은 수치라 할 수 없다. 경험한 적이 있다고 답한 문항의 수를 100대당 평균으로 산출한 스트레스 지수(SP100: Stress Per One Hundred Vehicles)는 르노삼성이 57 SP100으로 가장 낮았고, 그 다음은 현대(102 SP100), 기아(134 SP100), GM대우(136 SP100), 쌍용(182 SP100) 순이었다. 르노삼성의 57 SP100는 산업전체평균인 116 SP100의 1/2이다. 르노삼성은 모든 차원과 문항에서 뛰어난 결과를 나타냈고, 쌍용은 4개 차원 가운데 손실을 제외한 3개 차원, 12개 문항 가운데 9개에서 가장 높은 스트레스 점수를 보였다. 수입차는 손실 차원에서 스트레스가 높았는데(41.7%), 그 이유는 ‘예상보다 많은 돈을 수리비용으로 썼다’(16.9%), ‘고장 때문에 차를 쓰지 못한 날이 있다’(16.1%) 등의 항목 때문으로 풀이할 수 있다. GM대우는 ‘언제 문제가 생길지 항상 불안하다’에서 가장 높은 지적률(14.8%)을 보였다. 스트레스 없는 ‘베스트 10’에 현대차 가장 많아 2002년도부터 2004년도까지 3년간 조사한 품질스트레스의 결과는 표2와 같다. 2004년도에 분석대상이 된 33개 모델(2003년에 구입) 가운데 1위는 르노삼성 SM5(56.8 SP100)였고, 최하위는 현대 다이너스티(207.3 SP100)와 쌍용 무쏘 스포츠(207.3 SP100)였다. 스트레스 없는 차 ‘베스트 10’을 살펴보면, 르노삼성 SM5와 SM3이 월등한 차이로 1, 2위를 기록했고, 다음으로 현대 클릭, 그랜저 XG, 베르나, 싼타페, 트라제 XG, 아반떼 XD가 뒤를 이어 현대의 6개 모델이 3위부터 8위에 올랐다. GM대우와 기아는 각각 라세티(97.2 SP100)와 쏘렌토(102.9 SP100)가 10위 안에 들었다. 품질스트레스가 많은 차 ‘워스트 10’에는 쌍용 무쏘, 현대 다이너스티가 207.3 SP100으로 공동 1위였고, 다음은 쌍용 코란도(206.2 SP100), 기아 카렌스Ⅱ(179.4 SP100), GM대우 레조(178.8 SP100) 순이었다. 메이커별로 보면 쌍용과 기아가 각각 3개 모델, 그리고 현대와 GM대우 각각 2개 모델이 워스트 10에 포함되었다. 쌍용은 특히 판매대수가 많은 3개 주력모델이 모두 워스트 10에 든 점이 눈에 띈다. 지난 3년간의 결과를 살펴보면 르노삼성 SM5는 흔들리지 않는 1위를 지키고 있다. 또 하나 돋보이는 것은 현대자동차의 약진이다. 현대는 분석 대상이 된 12개 모델 가운데 10개가 14위 이내에 포함되어 있는데, 2002년도에는 5개, 2003년도에는 7개였던 것에 비추어 보면 현대차의 품질이 빠른 속도로 좋아지고 있음을 알 수 있다. 반면 GM대우의 후퇴는 눈에 띌 정도로 크다. GM대우는 2002년도 베스트 10에 4개 모델을 올렸고 2003년도에는 단 한 모델도 없다가 2004년에 와서야 2002년에 선보인 라세티가 겨우 10위 권에 진입했다. 기아는 2003년도에 3개 모델이 포함되었으나 2004년도에는 쏘렌토 한 모델밖에 남지 않았다. 또한 쌍용은 2003년도에 체어맨 한 모델이 베스트 10에 들었으나, 2004년도에는 포함된 모델이 하나도 없다. 연도별 워스트 10을 살펴보면 2003년도 워스트 10 가운데 현대 다이너스티, 기아 카렌스Ⅱ, 대우 레조, 기아 리오, 현대 투스카니 등 5개 모델이 2004년도 워스트 10에도 포함되었다. 특히 현대 다이너스티는 3년 연속 워스트 10에 오른 유일한 차다. 이같은 내용은 자동차 전문 리서치회사 (주)에프인사이드가 매년 7월에 실시하는 대규모 자동차 기획조사를 토대로 한 것으로, 조사의 모집단은 e-메일 사용자이고 자료 수집은 온라인 우편조사를 통해 이루어졌다. 자료제공: (주)에프인사이드 ☎(02)543-5294∼5, www.f-inside.com 2002년도∼2004년도 모델별 품질스트레스 점수(SP100) +SP100 산업평균 2004년도 조사(2003년 구입자) 2003년도 조사(2002년 구입자) 2002년도 조사(2001년 구입자) 순위 업체 모델명 평균116.2+ 모델명 평균 107.2+ 모델명 평균 108.4+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 르노삼성 르노삼성 현대 현대 현대 현대 현대 현대 GM대우 기아 현대 현대 현대 현대 기아 기아 기아 기아 GM대우 GM대우 쌍용 쌍용 기아 쌍용 GM대우 기아 현대 기아 GM대우 기아 쌍용 현대 쌍용 SM5 SM3 클릭 그랜저 XG 베르나 싼타페 트라제 XG 아반떼 XD 라세티 쏘렌토 에쿠스 뉴EF쏘나타 테라칸 스타렉스 오피러스** 옵티마 카니발Ⅱ 스펙트라 마티즈2 매그너스 체어맨 무쏘 비스토 렉스턴 칼로스 엑스트렉** 투스카니 리오 레조 카렌스Ⅱ 코란도 다이너스티 무쏘스포츠 56.8 58.3 81.7 83.8 88.1 89.4 91.1 95.1 97.2 102.9 104.5 108.4 120.5 121 122.7 123.6 130.3 132.7 132.8 134.6 150.9 151.4 155 158.5 160 161.3 170 178.6 178.8 179.4 206.2 207.3 207.3 SM5 싼타페 뉴EF쏘나타 그랜저XG 테라칸 쏘렌토 아반떼 XD 스펙트라 옵티마 체어맨 매그너스 클릭 라비타 칼로스 베르나 누비라 렉스턴 스타렉스 트라제 XG 카스타 에쿠스 비스토 코란도 싼타모 갤로퍼 카니발Ⅱ 리오 레조 무쏘 카렌스Ⅱ 다이너스티 마티즈Ⅱ 투스카니 39.9 59.3 64.2 72.2 73.9 85.4 85.4 86.1 86.2 88.9 92.2 96 96.7 106.7 108.5 113.6 114.4 116.5 116.5 121.7 121.9 128.1 130.8 131.2 136.4 144.7 150.5 164 165.6 182.7 187.1 205.4 211.4 SM5 아반떼 라비타 베르나 리오 라노스 EF 쏘나타 레간자 누비라 매그너스 옵티마 그랜저 XG 스펙트라 레조 싼타페 마티즈 카니발 트라제 XG 무쏘 카렌스 코란도 투스카니 테라칸 렉스턴 에쿠스 스포티지 다이너스티 체어맨 비스토 아토스 티뷰론 갤로퍼 레토나 37.4 76.3 78.5 85.5 88.2 89.7 90.2 91 94.2 101.4 101.9 103.4 108.3 109.4 111.6 119.8 122 126.9 131.8 138.9 141 141.2 144.9 150.6 152.7 167.4 167.6 175.3 179.9 187.2 190.3 205.1 228.4 * 2002년도 조사는 10문항, 2003∼2004년도 조사는 12문항임. 2003년, 2004년도간 문항상의 차이 있음. 불충분표본의 크기가 2002년도는 30사례 미만, 2003∼2004년도는 60사례 미만임 ** 2003년도 상반기에 선보인 모델. 하반기에 나온 모델(예: 기아 쎄라토)은 분석에서 제외했음
스몰 블록 V8 엔진 50년 ③엔진발달사 - 높은 .. 2004-10-18
1911년 시작된 시보레의 역사에서 가장 기념비적인 기술을 꼽는다면, 많은 미국의 자동차 전문가와 매니아들은 단연 스몰 블록(small-block) V8 엔진을 꼽을 것이다. 1955년 첫선을 보인 이 엔진은 기본설계가 지금까지 이어져오고 있는 역사적인 엔진일 뿐 아니라, GM의 모든 브랜드를 통틀어 가장 대중적으로 쓰인 V8 엔진이기도 하다. GM 엔진기술의 전환점이 된 이 엔진을 개발하는 데에는 불과 28개월밖에 걸리지 않았다. 1955년 처음 등장한 스몰 블록 V8 엔진은 새 모델인 벨 에어(Bel Air)에 처음으로 얹혔다. 중소형차에 얹기 위해 만든 이 엔진은, 처음에는 작은 크기 때문에 마우스 모터(mouse motor)라는 별명을 얻었다. 스몰 블록이라는 이름은 1958년 시보레에서 대형 승용차와 트럭에 얹기 위해 만든 새로운 설계의 348ci(ci는 입방인치, 5.7X) 빅 블록 V8 엔진과 구별하기 위해 붙인 것이다. 시보레 엔진 중 처음으로 1ci당 1마력 내 50년간 발전했지만 핵심설계는 변화없어 스몰 블록 V8 엔진을 얹은 첫 모델인 시보레 벨 에어는 멋진 스타일과 높은 성능으로 큰 인기를 얻었다. 첫 스몰 블록인 265ci(4.3X) V8 엔진은 경쟁사의 V8 엔진들보다 훨씬 작고 심지어 시보레의 직렬 6기통 엔진보다도 가벼웠다. 벨 에어에 처음 얹힌 V8 엔진은 162마력과 180마력의 두 종류였고, 같은해 중반에 선택장비로 더해진 고성능 패키지를 달면 195마력까지 낼 수 있었다. 이 195마력 엔진은 힘 부족에 시달리던 코베트에도 얹혀, 코베트를 전설적인 스포츠카로 만드는 원동력이 되었다. 처음 등장한 이후 몇 년 사이에 기술발전과 함께 출력은 더 높아졌고, 1970년대 초반까지 이어진 미국 빅3의 엔진 출력경쟁의 시발점이 되었다. 1957년에는 배기량을 283ci(4.6X)로 키우고 기계식 연료분사방식을 쓰면서, 시보레 엔진 중 처음으로 1ci(16.4cc)당 1마력의 힘을 낼 수 있게 되었다. 뛰어난 성능과 함께 부드러우면서 강력한 힘을 내는 이 방식의 엔진은 이후 ‘퓨얼리’(fuelie)라는 애칭을 얻었다. 1960년대에 들어서도 스몰 블록 V8 엔진은 코베트는 물론 셰벨, 노바, 카마로 등 중소형 스포츠 모델에 널리 쓰였다. 특히 1967년형 카마로에 얹힌 350ci(5.7X) 엔진은 1세대 스몰 블록 엔진의 완결판으로, 1992년까지 기본설계의 큰 변화 없이 끈질기게 살아남았다. 1992년에는 2세대 LT1, 1997년에는 3세대 LS1 엔진으로 진화하며 여러 첨단장비와 소재가 쓰이기 시작했다. 그러나 90도 각도의 V형 실린더 블록, 푸시로드 방식의 오버헤드 밸브, 실린더당 2밸브 구조 등 핵심적인 설계는 거의 변하지 않았고, 올해 50주년을 맞아 4세대 LS2 엔진으로 발전했다. 스몰 블록 V8 엔진의 장점은 블록의 크기뿐 아니라 전반적인 부품들이 가볍고 설계가 단순해 신뢰성이 높다는 것이었다. 지금까지 150여 종의 다양한 변형 엔진들이 나왔지만, 주요 부품 대부분을 공유할 수 있을 정도로 부품호환성이 높다. 또한 높은 품질의 여러 개조부품들도 다양하게 나와, 튜닝 매니아들이 가장 선호하는 엔진 중 하나로 꼽히고 있다. 성능을 높이기 위한 비용과 노력을 아낄 수 있는, 자동차 수리와 개조를 취미로 하는 미국 사람들에게는 가장 매력적인 엔진의 하나로 인정받고 있는 것이다. 스몰 블록 V8 엔진은 처음 등장한 이후 지금까지 모두 7천만 대 이상 만들어졌고, 아직도 많은 수가 자동차뿐 아니라 선박, 발전기용 동력원 등 다양한 용도로 쓰이고 있다. 4세대 스몰 블록 V8 LS2 엔진의 특징 입구지름이 큰 드로틀보디는 엔진으로 들어가는 공기흐름을 원활하게 해준다. 또한 전자제어식 드로틀 컨트롤(ETC) 장치를 써 가속반응이 빠르다 흡기 매니폴드는 플라스틱으로 만들어 가볍고, 한 덩어리의 부품으로 되어있어 조립정밀도가 높다 실린더헤드 안의 캠샤프트는 밸브작동량을 키워 흡기효율이 높고, 캠샤프트 센서를 앞쪽으로 옮겨 윤활효율이 좋다 각 실린더의 스파크플러그마다 실린더 헤드 위의 점화코일을 바로 연결했다. 각 실린더마다 정확하게 점화할 수 있어 점화효율이 높다 새로운 설계로 알루미늄 오일팬의 무게를 줄이고, 과격하게 달려도 윤활성능을 유지할 수 있게 만들었다 배기 매니폴드 벽면의 두께를 4mm에서 3mm로 줄였다. LS1 엔진의 것보다 무게가 가벼워진 것은 물론 배기가스 흐름도 원활해졌다
현대의 승용차용 휘발유 엔진 개발사 ③엔진 - 시리.. 2004-10-13
55세대 쏘나타는 스타일과 메커니즘에서 4세대보다 크게 진보했다. 특히 새 쏘나타의 심장이 미쓰비시의 그늘에서 벗어나 완전한 독립을 이룬 것은 큰 의미를 지닌다. 소형차와 준중형차의 엔진은 이미 90년대 초반과 중반에 기술독립을 이루었지만 중형차인 쏘나타의 엔진은 4세대에 이르기까지 기술 도입선인 미쓰비시의 그늘에서 벗어나지 못했기 때문이다. 5세대 쏘나타에 얹힌 세타(θ) 엔진은 순수한 현대의 기술로 설계, 생산한 다섯 번째 엔진이다. 현대는 지난 2001년 개발에 들어가 46개월만에 세타 엔진을 완성했다. 국내 메이커가 설계한 엔진 가운데 해외 업체에 보내 기술이전비용을 받는 것은 세타 엔진이 처음이다. 현대는 다임러크라이슬러, 미쓰비시와 공동으로 미국에 설립한 글로벌 엔진 얼라이언스 합작법인을 통해 모두 5천700만 달러의 로열티를 받고 내년부터 세타 엔진의 기술을 이전하게 된다. 4세대 모델에 독자 개발한 엔진 처음 얹어 세타 엔진으로 미쓰비시 그늘에서 벗어나 지금의 현대는 독자 개발한 엔진을 외국업체에게 넘겨줄 정도의 기술력을 갖게 되었지만, 첫 세대 쏘나타가 나온 80년대 중반만 하더라도 지금과는 상황이 크게 달랐다. 85년 선보인 1세대 쏘나타의 심장은 미쓰비시가 개발한 시리우스 엔진으로, 당시 소나타는 1.8X와 2.0X 두 가지 시리우스 엔진을 얹었다. 2세대 쏘나타의 심장 역시 미쓰비시가 개발한 MPI 방식의 시리우스 엔진이었다. 이 엔진은 카뷰레터 대신 전자제어 연료분사장치(EFI, Electronic Fuel Injection)를 달아 성능을 높인 것이 특징이다. 특히 연료분사노즐을 한곳에 설치한 SPI(Single Point Injection) 방식이 아니라 각 흡기 매니폴드마다 분사노즐을 설치한 다중연료분사장치(MPI, Multi Point Injection)를 써 카뷰레터 엔진에 비해 출력이 15%, 토크는 6% 정도 높았다. 85년 7월부터 국내 생산을 시작한 시리우스 엔진은 1.6X, 1.8X, 2.0X의 다양한 배기량으로 엘란트라, 쏘나타, 그랜저에 얹히면서 93년 5월 국내생산 100만 대를 넘어섰다. 이후 현대는 흡배기 계통을 손봐 성능을 개선한 새 시리우스 엔진을 93년 3세대 쏘나타에 얹었다. 4세대 EF 쏘나타 역시 시리우스 엔진을 개선한 2.0X DOHC 엔진을 얹는 한편 현대가 독자 개발한 V6 델타 엔진을 얹어 화제를 모았다. 중형차로는 처음으로 국내 기술로 개발한 엔진을 얹은 것이다. 델타 엔진은 실린더 블록과 헤드를 알루미늄으로 만들어 크기와 무게를 줄인 것이 특징이다. 현대는 지난 2000년 4세대 쏘나타의 페이스리프트 모델인 뉴 EF 쏘나타에 1.8X 시리우스 엔진 대신 또 다른 독자개발 엔진인 1.8X DOHC 베타 엔진을 얹었다. 베타 엔진은 지난 95년 현대가 개발한 것으로, 아반떼와 티뷰론 1.8 모델에 먼저 얹었다. 두 종류의 독자개발 엔진을 더했지만 뉴 EF 쏘나타는 여전히 시리우스 엔진을 개선한 2.0X DOHC 시리우스Ⅱ 엔진을 썼다. 앞서 말한 것과 같이 5세대 쏘나타는 엔진 부문에서 완전한 독립을 이룬 첫 중형차로 기록된다. 지난 20년간 개선을 거듭하며 쏘나타에 얹었던 시리우스 엔진 대신 현대가 새로 개발한 세타 엔진만 얹기 때문이다. 이제 현대는 소형차와 준중형차는 물론 중형차까지 완전한 엔진 기술독립을 이룬 셈이다. 한편 현대가 독자 엔진을 개발하기 시작한 것은 제2차 석유파동 직후인 지난 1980년의 일이다. 당시 전세계 휘발유 값이 치솟자 유지비가 싼 디젤차의 필요성이 커졌고, 현대는 해외로부터 승용차용 디젤 엔진 기술을 도입하려고 했지만 여의치 않았다. 결국 현대는 휘발유를 쓰는 포니의 새턴 엔진을 대체할 디젤 엔진을 개발하기로 하고 독일의 소규모 업체인 엘코에게 용역을 주었다. 독일 현지에서 실차 실험을 거쳐 양산 준비작업까지 진행되었지만 기술적인 어려움과 석유파동의 완화로 1981년 말 현대는 디젤 엔진 개발계획을 백지화했다. 83년 처음으로 독자기술 엔진 개발 시작 첫 작품 알파 엔진, 스쿠프에 얹어 데뷔 현대가 스스로의 힘으로 엔진을 개발하기 시작한 것은 1983년, 정주영 현대그룹 회장의 지시로 ‘신엔진개발계획’을 세운 때부터다. 계획에 따라 수석부사장 직속의 엔진개발실이 생겼고, 1984년 기술개발실로 확대되면서 경기도 용인 마북리로 자리를 옮겼다. 이것이 현대의 연구개발조직인 마북리 연구소의 시작이다. 마북리 연구소에서 개발을 진행한 첫 독자기술 엔진은 멀티밸브를 얹은 전자제어 연료분사방식의 1.5X급이었다. 대중적인 수요와 성능을 고려해 자연흡기방식과 터보차저 과급방식의 두 가지를 설계했고, 1991년 1월 개발에 성공해 알파(α)라는 이름을 붙였다. 이후 현대는 알파 엔진을 응용한 다양한 변형 엔진을 선보였다. 대표적인 것이 린번 엔진과 독자설계의 DOHC 엔진이다. 희박연소를 이용해 연비를 높인 린번 엔진은 1989년, DOHC 엔진은 1990년에 개발을 시작해 각각 1991년과 1994년에 발표되었다. 이들 중 먼저 상품화가 이루어진 것은 DOHC 엔진으로, 1995년 아반떼 1.5에 처음으로 얹혀 판매에 들어갔다. 린번 엔진은 개발 이후 한동안 쓰이지 않다가, IMF 경제위기로 소비자들이 유지비 절감에 관심이 높아진 1998년에 엑센트와 아반떼에 얹혀 빛을 보았다. 첫 독자기술 엔진의 개발로 자신감을 얻은 현대는 1990년 준중형차와 중형차에 쓸 베타(β) 엔진, 1992년 경차에 쓸 입실론(ε) 엔진, 1993년 대형 승용차용 V6 델타(δ) 엔진 개발에 들어갔다. 엔진 개발에는 엄청난 비용이 필요하지만, 알파 엔진을 개발하면서 얻은 경험을 토대로 개발과 생산에 들어가는 비용을 줄여 나갔다. 새로 개발한 엔진들은 저공해와 고효율, 환경친화성이 강조되는 추세에 따라 여러 가지 새로운 기술이 쓰였다. 1994년 엑센트에 얹혀 선보인 뉴 알파 엔진은 가볍고 재활용이 가능한 플라스틱 실린더 헤드 커버와 점화시기를 정확하게 조절할 수 있는 직접점화장치(DLI)가 쓰였다. 1995년 아반떼 1.8을 통해 처음 선보인 베타 엔진은 워터펌프 임펠러, 에어클리너 등으로 플라스틱의 사용범위를 넓혔고, 1997년 발표한 아토스의 입실론 엔진은 에어클리너와 실린더 헤드 커버 등을 하나로 묶은 플라스틱 부품을 썼다. 1998년에 나온 EF 쏘나타 2.5의 델타 V6 엔진은 국내기술로 개발한 엔진 가운데 처음으로 실린더 블록을 비롯한 주요 부품을 알루미늄 합금으로 만들었다. 1998년 현대는 미쓰비시의 V6 엔진을 가변흡기방식(VIS) 등으로 개선한 시그마 엔진을 선보였고, 1999년에는 에쿠스에 V8 4.5X 오메가 엔진을 얹어 발표했다. 오메가 엔진은 에쿠스 프로젝트와 함께 미쓰비시와 함께 개발한 휘발유 직접분사방식(GDI) 엔진으로, 설계는 미쓰비시, 생산은 현대가 맡았다. 이후 현대는 GDI 엔진을 일반 전자제어 연료분사방식의 MPI 엔진으로 개선했다. 현대는 순수 독자 기술로 세타 엔진을 설계, 생산한 데 이어 여섯 번째로 개발한 람다(λ) 엔진에 큰 관심과 기대를 걸고 있다. 람다 엔진은 V6 3.3X를 기본으로 북미 수출용 쏘나타와 함께 내년 상반기 선보일 그랜저 XG 후속 TG에도 얹힐 예정이다. 람다 엔진은 그랜저 시리즈가 얹고 있는 시그마 엔진보다 최고출력이 25%, 최대토크와 연비도 5% 이상 높아 국제적인 제품경쟁력을 갖추었다는 평가를 받고 있다.
배기가스 줄이기(Ⅱ) 2004-09-15
배기가스를 줄이는 방법은 연소과정에서 배기가스가 적게 나오도록 엔진을 설계, 제어하는 연소 전 제어전략과, 이미 엔진에서 발생된 배기가스를 효율적으로 정화하는 연소 후 제어전략으로 나뉜다. 연소 전 제어전략은 연료공급 시스템에서 외부로 증발 배출되는 연료를 막고, 엔진 내부에서 가장 효율적으로 연소가 되도록 공연비와 점화타이밍을 컨트롤하는 것이다. 엔진의 구조와 연소방식 자체를 개선한 린번 엔진과 휘발유 직접분사 엔진은 연소 때 발생되는 배기가스를 크게 줄일 수 있다. 엔진에서 연료가 연소되기 전의 이러한 구성들은 엔진에서 발생되는 유해배기가스의 양 자체를 줄이자는 것이다. 하지만 아무리 정밀하게 제어해도 연료와 공기를 완벽하게 연소시켜 유해한 배기가스를 완전히 막을 수는 없다. 연소과정에서 일단 생성된 유해배기가스는 공기중으로 내보내기 전에 해롭지 않도록 다른 성분으로 바꿔주어야 한다. 이것이 배기가스 재순환 시스템, 촉매장치 등을 통해 성분을 바꿔주는 연소 후의 배기가스 제어방식이다. 배기가스 재순환 시스템 배기가스 재순환(EGR, Exhausted Gas Recirculation) 시스템은 특히 질소산화물(NOX)을 줄이기 위한 것이다. 연소실의 온도가 뜨거우면 공기 중의 산소와 질소가 결합해 연료는 불완전 연소인 채로 두고 질소산화물을 만들어낸다. 압축압력이 높은 디젤이 휘발유 엔진보다 연소실 온도가 높다. 질소산화물은 디젤 엔진의 대표적인 공해배출 물질이다. EGR 시스템은 배출된 배기가스를 다시 흡기 매니폴드로 들어가게 해 혼합가스가 연소실에서 연소될 때의 온도를 떨어뜨리기 위한 것이다. 배기가스를 혼합가스에 섞어 연소실로 보내 연소시키면 연소의 속도와 온도가 떨어져 결과적으로 질소산화물을 줄일 수 있기 때문이다. 이때 아주 작은 양의 배기가스만 EGR 밸브를 통해 흡기시스템으로 들어가도록 해야 하고 엔진이 충분히 데워졌을 때 그리고 공회전 상태가 아닐 때만 들어가도록 해야 한다. 엔진이 차가워 연소가 불안정할 때 혹은 공회전 상태로 최소한의 공기와 연료를 사용하고 있을 때 배기가스가 들어가면 연소속도가 지나치게 떨어져 엔진 작동이 불안정해질 수 있다. 전자식 진공 조절밸브 시스템 전자식 진공 조절밸브(EVRV, Elec-tronic Vacuum Regulator Valve) 시스템은 EGR 밸브에 도달하는 진공의 정도를 조절하기 위한 장치다. 이 밸브는 순차적으로 흡기 매니폴드로 들어가는 배기가스의 양을 조절한다. 전자 제어 모듈(ECM, Electronic Control Module)이 엔진회전수, 부하, 오토매틱의 토크컨버터 클러치 작동, 엔진 온도 등의 데이터를 기초로 배기가스의 필요한 양을 계산한다. 이 신호들은 ECM에 의해 계산되고 EVRV 시스템의 일부인 정전류전자회로(CCEC, Constant Current Electronic Circuit)로 보내진다. CCEC는 ECM에서 받은 데이터를 해석해 진공 레귤레이터로 신호를 보낸다. 공기분사 시스템(Air Injection System)은 탄화수소와 일산화탄소를 줄이기 위한 것이다. 배기 매니폴드에 신선한 공기를 분사함으로써 뜨거운 가스가 연소할 수 있도록 한다. 기본적으로 벨트에 의해 펌프를 돌리는 공기펌프 분사시스템과 배기 시스템의 자연 맥동(pulse)을 이용해 공기가 배기 매니폴드로 흘러 들어가게 하는 펄스 시스템이 있다. 촉매장치 배기가스에 포함된 오염물질들의 주성분은 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물이다. 이들 오염물질을 줄이기 위해서 마련된 것이 컨버터이다. 초기의 컨버터는 백금과 팔라듐으로 코팅된 작은 펠릿(작은 구슬모양)을 사용했고 백금과 팔라듐은 일산화탄소와 탄화수소를 연소시키는 촉매로 작용했다. 800℃ 이상의 고온에서 일산화탄소를 이산화탄소로, 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 바꿔주는 것이다. 뜨거운 컨버터는 일산화탄소와 탄화수소를 줄이는데는 도움이 되었지만 반대로 질소산화물을 줄이는데는 역효과를 냈다. 질소산화물의 규제가 한층 강화되면서 메이커의 엔지니어들은 이중촉매장치(dual catalytic converters)로 눈을 돌렸다. 질소산화물을 분해하기 위해 컨버터의 구조를 이중으로 만들고, 촉매에 로듐을 첨가했다. 요즘 거리를 달리는 모든 승용차에 달린 이 컨버터는 3개의 원소로 3개의 오염물질을 없앤다는 뜻에서 삼원촉매장치(three-way catalytic converter)라 한다. 차의 배기 시스템에 촉매장치가 달리기 시작한 것은 오래 전부터지만 날이 갈수록 그 중요성과 기능성이 높아지고 있다. 일단 엔진을 벗어난 배기가스의 대부분은 이곳 촉매장치에서 완전연소가 시도된다. 불완전연소가스인 탄화수소와 일산화탄소는 정밀한 연소제어를 통해 상당히 줄어들 수 있다. 하지만 고성능 고압축비 엔진일수록 질소산화물의 양은 커지고, 특히 디젤 엔진의 질소산화물을 줄이려면 고용량, 고효율의 촉매장치 개발이 중요한 이슈가 되는 것이다. 컨버터는 납 성분이 들어간 연료를 사용하지 않는 이상 주기적인 점검이나 교환이 필요없다. 하지만 차가 낡아짐에 따라 컨버터도 낡는다. 컨버터가 낡는다는 말은 컨버터 속에 이물질이 끼어 제 역할을 못하게 된다는 뜻이다. 매연이 많아질 뿐 아니라 백프레셔(backpressure)가 커져 차의 출력이 떨어지게 된다. 연료를 바꾸려는 움직임 정밀한 연소제어, 그리고 연소 후의 배기가스 정화에 관한 것들은 엔진의 구조를 크게 바꾸지 않으면서 배기가스를 줄이려는 노력이다. 오랜 시간동안 배기가스와 싸워온 자동차 메이커의 기술진들은 연료를 태우면서도 배기가스를 최대한 억제하기 위해 많은 노력을 해왔다. 위에서 말한 대부분의 것들이 지금 현재 길을 달리고 있는 승용차에 쓰이고 있고, 이들 중 린번과 직접분사 엔진은 내연기관 엔진의 공해를 줄이는 획기적인 기술로 이해되고 있다. 하지만 이 정도로는 석유라는 화석연료를 사용하는 한 배기가스를 줄이는 것에 한계가 있다. 따라서 이미 오래 전부터 메이커들은 엔진 또는 연료를 바꾸려는 움직임을 보여왔다. 수소를 태워 수증기만을 내뿜는 수소자동차, 석유대신 천연가스를 쓰는 NGV(Natural Gas Vehicle), 메탄올에 휘발유를 섞어 태우는 알코올자동차 등은 연료를 바꾸어 배기가스의 질을 바꾸는 노력이다. 그 외에 태양열을 이용하는 태양열 자동차, 배터리와 모터로 차를 움직이는 전기차는 연료를 태워 에너지를 얻기보다는 전기를 동력원으로 사용하려는 움직임이다. 휘발유 엔진과 모터를 병행하는 하이브리드카는 이미 해외 시장에서 시판되어 도로 위를 달리고 있다. 수소차는 폭발성이 있는 수소탱크를 차에 다는 문제, 수소의 대량생산, 수송문제를 안고 있다. NGV는 우리나라에서도 이미 시범적으로 운행되고 있다. 알코올자동차의 주 연료인 메탄올은 이산화탄소와 수증기밖에 나오지 않는 좋은 연료지만 메탄올의 대량생산과 경제성 문제, 정책적 과제들로 미래가 분명하지 않다. 수많은 집광판(태양열을 받아 전기를 생산하는 판)을 차체에 붙여도 힘이 모자랄 태양열 자동차는 아직 현실과는 거리가 멀다. 값싼 전기료에 경제성은 뛰어나지만 전기차는 배터리의 재활용 문제, 주행거리, 축전지의 값이 해결해야 될 과제로 남아있다. 따라서 많은 전문가들은 차세대 무공해 자동차는 수소와 산소의 화학결합 때 발생하는 전기에너지를 동력원으로 이용하는 연료전지차가 될 것이라고 예측하고 있다. 연료전지의 성능과 안정성이 확보된다면 미래의 차는 대부분 연료전지차로 대체될지 모를 일이다. 하지만 이때까지 꽤 긴 시간 동안 엔진과 모터를 함께 사용하는 하이브리드카가 시장에서 두각을 나타낼 것으로 전망된다. 많은 선진 메이커들이 먼 미래의 시장을 위해서 연료전지차를, 가까운 시장을 위해서 하이브리드카를 개발하는 데 전력을 쏟는 이유다.
자동차의 새 경향과 첨단 기술 메이커간 치열한 기술.. 2004-09-14
미래의 자동차는 어떤 모습일까? 아마도 그 답은 메이커들이 각종 모터쇼에 선보이는 컨셉트카에서 점쳐볼 수 있을 것이다. 요즘에는 도어를 여닫는 방식이 다양해지고 복잡한 실내가 예전에 비해 한결 간소화되고 있다. 기계적으로 제어하는 장치를 전기적으로 제어하는 바이 와이어 기술이 보급되면서 자동차를 보다 정교하게 조종하는 것이 가능해졌다. 기어단수는 5단을 넘어서 6, 7단으로 치닫고 있고, 기어비를 연속적으로 변화시키는 무단변속기의 성능도 날로 좋아지고 있다. 연료전지차 시대로 가는 중간과정에서 각 메이커들은 하이브리드카 개발에 온 힘을 쏟아 붓고 있다. 사고를 예방하기 위해 차로이탈경보 시스템이 개발되었고, 소극적 안전장비인 에어백도 날로 첨단화하고 있다. Exterior 양해지는 도어 방식 요즘 승용차들은 대부분 힌지가 앞쪽에 달린 스윙 방식 도어를 달고 있다. 원박스카나 미니밴은 슬라이딩 도어를 많이 달고, 몇몇 고성능 스포츠카는 걸윙 도어도 쓴다. 그러나 최근 선보이는 차들을 보면 도어 방식이 훨씬 다양해지고 있음을 알 수 있다. 자동차가 널리 보급되기 전 마차에 쓰이던 스윙 도어가 늘어나고 있고 스포츠카에 쓰이는 걸윙 도어가 쿠페나 SUV에도 달리고 있다. B필러를 중심으로 앞 뒤 도어가 캐비닛처럼 활짝 열리는 스윙 방식의 도어는 최근 모터쇼에서 빠지지 않고 등장한다. 지난해부터 올해까지 선보인 현대 OLV와 이큐브드, 닷지 카후나, BMW 엑스액티비티, 포드 모델 U, 미쓰비시 세로(SE·RO) 등 많은 컨셉트카가 장롱처럼 양옆으로 활짝 열리는 스윙 도어를 달고 있다. 지난해 도쿄 모터쇼에서 선보인 벤츠 F500 마인드는 도어 앞·뒤에 모두 힌지가 달려 어느 쪽으로도 열 수 있다. 롤스로이스 창립 100주년을 기념해 올해 제네바 오토살롱에서 롤스로이스가 선보인 컨셉트카 100EX는 2도어 스타일임에도 도어가 팬텀처럼 앞쪽으로 열린다. 캐비닛 타입의 도어를 단 양산차도 하나 둘 늘고 있다. 새턴 이온, 시보레 코발트, 롤스로이스 팬텀 등이 캐비닛 방식 도어를 달고 있는 대표적인 차다. 캐비닛 방식의 스윙 도어를 달면서 B필러를 없애는 차들도 늘고 있다. 컨셉트카 현대 OLV, 다지 카후나, BMW 엑스액티비티, 포드 모델 U, 마쓰다 와슈 등이 그렇다. 한편 최근에는 소형차에 슬라이딩 도어를 다는 경우도 있다. 슬라이딩 도어는 스윙 도어보다 넓은 면적을 개방할 수 있고 좁은 곳에서도 문을 여닫기 쉬운 것이 장점이다. 올해 제네바 오토살롱에서 선보인 컨셉트카 오펠 트릭스는 운전석 도어가 보통 승용차처럼 열리지만 조수석쪽 도어는 슬라이딩 방식이다. 얼마 전 푸조가 공개한 1007도 슬라이딩 도어를 달고 나와 화제를 모았다. 1007의 슬라이딩 도어는 전동으로 열려 타고 내리기 쉽고 리모컨으로도 여닫을 수 있다. 지난해 도쿄 모터쇼에 나온 도요타 파인N이나 다이하쓰 컨셉트카 E3 컨셉트는 뒤 도어만 슬라이딩 방식이다. 마쓰다의 컨셉트카 와슈는 도어가 항공기 문처럼 조금 열린 다음 옆으로 슬라이딩되는 것이 특이하다. 그밖에 스포츠카의 전유물로 여겨지던 걸윙 도어는 인피니티 트라이언트, 다이하쓰 UFE-Ⅱ, 랜드로버 레인지 스토머 등에 쓰이면서 SUV로 영역을 넓혀가고 있다. Interior 간결해지는 실내 얼마 전까지만 해도 고급차에는 대시보드와 센터 페시아에 각종 스위치가 많이 붙어있었다. 첨단장비들이 늘어나면서 이를 제어하는 스위치의 수도 덩달아 늘었던 것. 그러나 요즈음에는 스위치들이 다시 간결해지는 추세다. 이러한 추세를 이끈 것은 BMW다. 뉴 7시리즈의 대시보드는 구형과 달리 상당히 간단하고, 세계에서 처음으로 시프트 바이 와이어 시스템을 쓴 6단 AT 역시 스티어링 휠 옆에 달린 작은 버튼으로 조작할 수 있다. 시프트 레버가 차지하고 있던 공간에는 i-드라이브 컨트롤러가 자리한다. ‘직관적인 드라이브’(Intuitive Drive)라는 이름에서 알 수 있듯이, i-드라이브 시스템은 운전자가 쉽게 각종 장비를 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 컴퓨터 마우스처럼 생긴 컨트롤러를 8가지 방향으로 움직이거나 다이얼을 돌려 메뉴를 선택한 다음 클릭해 AV 시스템과 내비게이션, 온도조절, 전화, 교통상황 점검, 차체 점검 등 모두 700가지의 기능을 선택할 수 있다. 조작 내용은 센터 페시아의 LCD 모니터에 바로 표시된다. 아우디의 MMI(Multi Media Interface)도 BMW의 i-드라이브 시스템과 같이 복잡한 각종 장비를 효율적으로 다루기 위한 시스템이다. 컨트롤러가 암레스트 끝 부분에 자리잡은 i-드라이브와 달리 MMI 컨트롤러는 기어박스 아래에 달려 있고 크기도 i-드라이브보다 작다. 컨트롤러를 돌리거나 눌러서 여러 기능을 조작할 수 있고 주변에 달린 4개의 컨트롤 스위치로 CD와 TV, 내비게이션, 라디오 등 다양한 기능을 이용할 수 있다. High Technology 바이 와이어(by-wire) 바이 와이어는 기계적으로 구동하는 장치를 전기적으로 제어하는 것을 말한다. 가장 대표적인 것은 드로틀-바이 와이어 기술. 보통 액셀 페달을 밟으면 케이블로 연결된 드로틀 밸브가 열리는데, 드로틀-바이 와이어에서는 드로틀 밸브에 모터가 달려 엑셀 페달의 위치를 센서로 읽고 그 센서 값을 기초로 모터를 조작해 드로틀 밸브를 열어준다. 따라서 운전자가 위험한 상황에서 액셀러레이터를 잘못 조작하더라도 전자제어유닛이 위험을 감지해 안전을 지켜줄 수 있다. 또한 눈길에서 액셀 페달을 지나치게 밟아 바퀴가 헛도는 것을 막아줄 뿐만 아니라 코너링에서 과다한 엔진 출력으로 차체가 미끄러지는 것도 방지해줄 수 있다. 연료가 아닌 공기의 양으로 엔진 출력을 제어할 수 있기 때문에 연비 향상과 매연 감소에도 도움이 된다. 브레이크-바이 와이어 기술도 활발히 쓰이고 있다. 보통 차는 브레이크를 밟으면 유압기구가 작동, 제동이 된다. 브레이크 페달과 휠 브레이크 사이에는 배력장치가 있어 운전자가 브레이크 밟는 힘을 증폭시킨다. 차체를 세우기 위해 휠 브레이크에 작용하는 힘은 운전자가 밟는 힘보다 매우 크다. 브레이크-바이 와이어에는 휠 브레이크를 전기적으로 작동시키는 장치가 달려 있다. 브레이크 페달의 작동을 센서가 감지하고 적절한 힘으로 브레이크 구동장치를 작동시켜 주행속도를 줄인다. 또한 브레이크-바이 와이어 기술로 페달 위치를 늘 일정하게 유지할 수 있어 운전이 편리하고 ABS가 작동할 때 페달에 느껴지는 불쾌한 진동의 원인도 해결할 수 있다. 전기적으로 정밀하게 브레이크를 제어할 수 있으므로 위급한 상황에서의 제동성능도 향상된다. 또한 각 바퀴마다 독립적으로 제동을 가해 차체의 움직임을 안정되게 제어할 수도 있다. 스티어-바이 와이어는 조이스틱 자동차를 떠올리면 이해하기 쉽다. 스티어링 휠의 회전과 바퀴의 회전을 연결하는 기계적인 구조를 없애고 조이스틱을 이용해 차체를 조향하는 것이다. 이미 벤츠는 스티어링 휠뿐만 아니라 브레이크와 액셀 페달 기능도 조이스틱으로 조종하는 ‘사이드스틱카’(Sidestic Car)를 테스트하고 있고, BMW도 조이스틱으로 운전할 수 있는 차를 시험중이다. 바이 와이어 기술을 이용하면 페달이나 스티어링 휠을 없앨 수 있어 실내가 넓어지고 사고 때 각종 장치로 인한 운전자의 부상도 줄일 수 있다. BMW의 i-드라이브나 아우디의 MMI도 모두 바이 와이어 기술이 밑바탕이 된 메커니즘이다. Powertrain 늘어나는 기어단수 기어단수가 5단을 넘어서 6, 7단으로 치닫고 있다. 기어단수를 늘리면 엔진의 힘을 효율적으로 쓸 수 있어 가속성능과 연비, 정숙성이 모두 좋아진다. 벤츠가 지난해 선보인 7G-트로닉은 세계 첫 7단 AT다. 고출력 엔진에서 각 기어단수가 담당해야 할 부담을 줄여 진동과 소음을 줄이고 연비를 개선(100km 주행 때 연료소모 0.6X 감소)했다. 보통의 자동기어로 킥다운을 하면 바로 아래 단수나 2단이 내려가지만 G-트로닉은 3단 아래로도 변속되는 것이 특징이다. 최근 데뷔한 4세대 BMW M5는 V10 5.0X 507마력의 큰 힘을 3세대 7단 SMG 트랜스미션으로 컨트롤한다. SMG는 F1에서 시작된 수동기어 기반의 시스템으로, 클러치를 밟지 않고 스위치만으로 변속할 수 있다. 3세대 SMG 트랜스미션은 2세대보다 변속 속도가 20% 빨라지고 운전상황에 맞게 매뉴얼 6가지, 드라이브 5가지 등 11가지의 다양한 모드를 갖추고 있다. 한편 7단 트랜스미션이 나왔지만 한 쌍의 맞물린 기어를 사용하는 변속기는 단수 늘리기에 한계가 있다. 이런 문제를 해결할 수 있는 트랜스미션이 무단변속기(CVT, Continuously Variable Transmission)다. 변속기란 제한된 엔진 회전수와 출력, 토크 안에서 원하는 차의 속도와 운전 상황에 알맞은 엔진 회전수를 얻기 위한 것이므로 기어비가 다양할수록 세밀한 제어가 가능하다. CVT는 엔진이 최대토크 시점을 계속 유지할 수 있도록 기어비를 연속적으로 바꾼다. 구동 풀리와 종동 풀리에 거는 벨트(또는 체인) 접촉면의 직경을 세밀하게 조절해 기어비를 바꾸는 것. 요즘의 CVT는 금속 벨트와 풀리를 사용하는 방식이 대부분이지만 아우디가 큰 토크에 견딜 수 있는 체인식을 선보여 무단변속기의 기술을 한 단계 끌어올렸다. 한편 닛산은 가동식 바퀴(파워 롤러)를 사용하는 트로이덜 형을 선보여 화제를 모으고 있다. 닛산 엑스트로이드 CVT는 닛산과 자트코가 함께 개발한 트로이덜(troidal) 구조로 고출력 엔진에 쓸 목적으로 만들어졌다. 마주보고 있는 2개의 마찰판 사이에 회전 디스크(파워 롤러)를 배치하고 그 회전축 각도에 따라 기어비를 제어하는 방식이다. 일본 현지에서 닛산 세드릭과 글로리아 3.0 모델에 옵션으로 달리고 있다. Engine 하이브리드와 연료전지 한때 친환경적인 미래의 교통수단으로 가장 주목받았던 차는 전기자동차다. 그러나 전기차는 충전에 따른 사용상의 불편이 큰 데다 비싼 값, 낯선 운전감각 등의 약점을 안고 있었다. 그래서 대안으로 떠오른 친환경차가 바로 연료전지차다. 연료전지차의 기본적인 원리는 전기차와 크게 다르지 않다. 전기를 충전하는 대신 연료인 수소를 이용해 전기를 만들고, 그 전기의 힘으로 모터를 돌린다. 상용화하려면 몇 가지 기술적 문제들을 해결해야 하지만 미래의 자동차가 석유 대신 수소를 쓰게 되리라는 데는 이견이 없다. 연료전지차 시대로 가는 중간단계에서 많은 관심을 끌고 있는 것이 하이브리드카다. 하이브리드카는 볼보 PCC처럼 터빈을 얹기도 하지만 대부분 휘발유 엔진과 모터를 함께 쓴다. 큰 토크를 필요로 하는 출발 때 모터로 차를 움직이고 어느 정도 속도에 이르면 자동으로 시동을 켜 엔진 힘으로 바퀴를 돌린다. 언덕길이나 급가속 등 큰 힘이 필요할 때는 모터가 엔진에 힘을 보태고, 브레이크를 밟으면 모터가 발전기 역할을 하며 필요 없는 운동에너지를 전기로 바꿔 배터리에 보관한다. 세계 첫 양산 하이브리드카는 1997년 선보인 도요타 프리우스로, 1.5X 70마력 휘발유 엔진과 44마력 전기 모터를 함께 써 22.3km/X의 놀라운 연비를 기록했다. 비슷한 시기에 북미에서 선보인 혼다의 하이브리드카 인사이트 역시 32km/X에 이르는 놀라운 연비를 보였다. 하이브리드의 선구적인 기술을 갖고 있는 도요타는 지난해 9월 프리우스의 2세대 모델을 선보였다. 도요타와 혼다가 하이브리드카 시장을 이끌고 있는 가운데 올해 북미국제오토쇼에서는 포드 이스케이프 하이브리드, 도요타 FTX, 렉서스 RX400h 등이 선보여 SUV와 트럭에까지 하이브리드 바람을 불러 일으켰다. 도요타 CS&S(Compact Sports&Speciality)나 MTRC는 하이브리드가 이제 스포츠카 시장까지 넘보고 있음을 말해준다. 하이브리드 시스템은 다양한 차종에 쓰이면서 날로 발전하고 있다. 초창기에는 높은 경제성이 큰 비중을 차지했지만 지금은 같은 배기량의 엔진을 얹고도 보다 큰 힘을 낼 수 있게 하는 출력 보강의 의미도 지니고 있다. Safety 차로이탈경보 시스템 닛산은 올해 가을 인피니티 FX45/35를 통해 북미에 차로이탈경보(LDW, Lane Departure Warning) 시스템을 선보였다. LDW 시스템은 소형 카메라와 속도감지 센서, 마이크로 프로세서를 활용해 졸음운전 등으로 뜻하지 않게 차로를 벗어나는 것을 막기 위한 시스템이다. 룸미러 위에 달린 조그마한 카메라가 지속적으로 전방 상황을 찍고 센서가 이를 판독한다. 차로를 이탈하면 계기판에 경보등이 뜨고 경보가 울려 운전자가 이를 알아차릴 수 있게 한다. 혼다의 LKAS(Lane Keeping Assist System)도 같은 기능을 한다. 즉 카메라가 차 앞의 도로상황을 살피고, 컴퓨터가 차로의 위치와 차의 진행방향을 판단한다. 차가 차로를 벗어나려고 하면 경보음이 나오고 계기판에 경고등이 들어와 운전자가 알 수 있도록 한다. 일본 내수용 혼다 어코드에 쓰이는 IHCC(Intelligent Highway Cruise Control)는 레이더가 앞차와의 거리를 측정하고 앞차와의 상대속도를 계산해 안전거리를 유지하도록 돕는다. 크루즈 컨트롤을 작동한 상태에서 앞차와 가까워졌을 때 운전자가 속도를 줄이지 않으면 자동으로 속도가 줄고, 앞차가 차로를 바꾸거나 속도를 높이면 원래 설정한 속도로 돌아간다. 혼다의 CMS(Collision Mitigation brake System) 역시 사고를 막아주는 시스템이다. 라디에이터 그릴 안에 자리한 레이더가 앞차와의 거리를 지속적으로 측정해, 속도에 비해 앞차와의 거리가 지나치게 가까워지면 계기판에 불이 들어오고 경고음이 울린다. 이를 운전자가 무시하고 거리를 계속 좁히면 경고음 및 표시가 강조되고 약하게 브레이크가 작동되면서 프리텐셔너가 안전벨트를 가볍게 잡아당긴다. 그래도 운전자가 별다른 조치를 하지 않으면 브레이크가 강하게 작동되면서 추돌 충격을 줄이기 위해 프리텐셔너가 안전벨트를 강하게 잡아당긴다. safety 지능형 스마트 에어백 성인 기준으로 개발된 에어백은 어린이와 몸이 작은 여성들에게 치명적인 피해를 줄 수 있다. 이를 막기 위해 몇 해 전부터 메이커들은 에어백의 팽창압력을 20∼30% 낮추고 어린이를 반드시 뒷좌석에 앉히라는 경고문을 실내에 붙이고 있다. 또한 유아용 시트를 조수석에 달거나 작은 여성이 앞좌석에 탈 때를 대비해 조수석 에어백의 작동을 조절하는 별도의 스위치도 마련해놓고 있다. 그러나 아무리 경고문을 붙이고 스위치를 마련해놓는다 하더라도 운전자가 주의를 기울이지 않으면 소용이 없다. 그래서 센서를 통해 승객의 신체나 상황을 파악, 그에 맞게 에어백을 작동시키는 스마트 에어백이 등장하게 되었다. 스마트 에어백은 각종 센서를 통해 승객의 탑승 유무를 파악하고 몸 사이즈나 앉은 자세, 실제 충격의 크기 등을 종합해 에어백의 작동 유무와 팽창압력을 조절한다. 조수석에 승객이 타지 않았을 때는 에어백이 작동하지 않기 때문에 차를 수리할 때 조수석쪽 모듈은 손보지 않아도 된다. 또한 충돌의 정도와 안전벨트의 착용 유무에 따라 다르게 작동한다. 즉 큰 충돌에서는 에어백이 완전히 터지지만 가벼운 충돌에서는 에어백 대신 안전벨트 프리텐셔너만 작동한다. 이같은 강약조절형 에어백은 포드가 이미 실용화했고, 다른 메이커들도 비슷한 종류의 스마트 에어백을 개발중이거나 완성했다. 에어백 시스템은 승객의 위치는 물론 자세까지 감지해낼 수 있는 수준의 스마트 에어백으로 계속 발전해나갈 전망이다. 이미 BMW는 승객의 움직임을 감지해 시트에서 잠깐 몸을 들더라도 그 상태에 알맞게 에어백을 작동시키는 시스템을 개발중이고, 도요타는 적외선센서를 이용해 승객의 위치와 크기까지 파악할 수 있는 시스템을 연구하고 있다.
2WD와 4WD 특성 살피기 ③매커니즘 - 4WD라.. 2004-09-03
2WD와 4WD의 메커니즘 차이를 이해하려면 굴림방식을 먼저 알아야 한다. 자동차는 신차 개발단계에서 엔진의 위치와 굴림바퀴를 정하는 것이 보통이다. FF(Front engine Front wheel drive)는 앞에 엔진이 있고 앞바퀴에 구동력을 전한다. FR(Front engine Rear wheel drive)은 엔진이 앞에 있지만 뒷바퀴가 힘을 쓰는 경우다. MR(Mid engine Rear wheel drive)은 엔진이 뒷바퀴 축보다 안쪽에 있으면서 뒷바퀴를 굴리고 RR(Rear engine Rear wheel drive)은 엔진도 굴림바퀴도 뒤쪽에 있는 경우다. 4WD는 어떨까? 답은 간단하다. 나머지 두 바퀴에 구동력을 보내면 되기 때문이다. 하지만 내용을 파고들면 그리 간단하지가 않다. 엔진 위치 따라 4WD 구성 달라져 FF의 경우 보네트를 열고 앞에서 보았을 때 실린더 블록이 가로로 놓여 있다. 엔진에서 만들어진 힘은 크랭크샤프트를 통해 나란히 배치된 트랜스미션에 전달되고, 기어를 통해 역시 수평인 구동축으로 전해진다. 즉 크랭크축을 포함해 트랜스미션이 앞 차축과 평행을 이루게 된다. 이런 구조를 바탕으로 4WD를 만들면 뒤쪽으로 동력을 전하기 위해 세로 방향의 구동축이 있어야 한다. 또한 세로로 전해진 엔진의 회전력을 다시 좌우 바퀴로 나누는 리어 디퍼렌셜과 드라이브 액슬이 필요하다. 도시형 SUV인 볼보 XC90, 렉서스 RX330, 랜드로버 프리랜더, 포드 이스케이프, 현대 싼타페와 투싼, 혼다 CR-V 등이 여기에 속한다. 4WD에서 구동력을 나누는 일은 차 앞쪽의 트랜스미션에 하나로 합쳐진 센터 디퍼렌셜에서 담당한다. 앞바퀴굴림을 바탕으로 한 4WD는 로 기어가 달리지 않는데, 좁은 엔진룸에 엔진, 트랜스미션, 앞 디퍼렌셜과 구동력 배분을 위한 센터 디퍼렌셜이 들어가야 하므로 로 기어가 포함된 트랜스퍼를 넣을 공간이 부족하기 때문이다. 이런 방식의 4WD는 앞뒤 구동력을 100:0에서 최대 60:40으로 나눈다. 구조상 가로배치 엔진과 트랜스미션 때문에 앞쪽에 무거운 부품이 모여 있고, 액셀 페달, 브레이크 작동에 따라 무게중심의 이동이 커서다. 뒤쪽 구동력이 크면 가속할 때 가벼운 뒤쪽에서 스핀을 일으키고, 코너를 돌 때 액셀 페달을 살짝만 밟아도 뒷바퀴가 밀리면서 접지력을 잃을 가능성이 커진다. 구동력 배분은 차의 무게중심이 가장 중요한 기준이 된다. FR의 경우는 엔진과 트랜스미션이 하나의 축으로 이어진 가로배치가 대부분이다. 즉 엔진-트랜스미션-드라이브샤프트- 리어 디퍼렌셜이 직선으로 이어지고, 여기서 좌우로 꺾여 바퀴로 연결되는 간단한 구조다. 이를 바탕으로 4WD를 만들려면 트랜스미션 이후에 앞쪽으로 구동력을 나누는 트랜스퍼나 센터 디퍼렌셜을 넣어 앞쪽 샤프트를 돌릴 수 있도록 만든다. 여기에도 앞바퀴를 위한 디퍼렌셜과 드라이브 액슬이 있어야 하고, 파트타임 4WD의 경우 프리휠 허브나 FRRD(Free Running Differential system)을 통해 앞바퀴로 가는 동력을 잇고 끊는 장치가 더해진다. 앞뒤 동력배분은 트랜스퍼 혹은 센터 디퍼렌셜에서 맡는다. 파트타임 4WD는 센터 디퍼렌셜이 없고 트랜스퍼만 달린다. 즉 4WD를 선택하면 앞뒤 디퍼렌셜이 그대로 연결되어 구동력이 무조건 50:50으로 나뉜다. 이 경우 반경이 작은 코너를 돌 때, 네 바퀴의 회전수가 달라 타이어가 미끌리는 현상(tight corner braking)이 생긴다. 전자제어 방식의 액티브 4WD는 센터 디퍼렌셜에 포함된 전자식 클러치가 구동력 전달을 맡는다. 앞뒤 바퀴의 회전차가 생기면 클러치를 떼 동력을 잠깐 끊어 자유롭게 돌아가도록 한다. 앞뒤 구동력 배분은 0:100에서 50:50까지 자동으로 조절된다. 앞바퀴에 구동력이 몰려 바퀴가 헛돌면 앞바퀴가 접지력을 잃어 언더스티어가 일어나고 코너에서 차가 밖으로 밀린다. 이때는 액셀 페달에서 발을 떼면, 무게가 앞으로 옮겨가므로 구동력이 사라진 앞바퀴는 접지력을 살려 코너를 돌아 나간다. 때문에 앞바퀴굴림보다 뒷바퀴굴림 베이스의 4WD는 구동력 배분 범위가 넓다. 이렇게 뒷바퀴굴림을 바탕으로 한 4WD의 경우로 트랜스미션과 센터 디퍼렌셜, 로 기어 트랜스퍼가 차 바닥에 들어가므로 캐빈룸의 바닥이 높다. 로 기어가 달린 4WD SUV는 대부분 이런 구조이고, 프레임 안쪽 공간에 이런 장치들을 넣는 보디 온 프레임 방식이 많다. 랜드로버는 디스커버리와 레인지로버, 포르쉐 카이엔, 폭스바겐 투아렉과 BMW X5와 X3, 현대 테라칸, 기아 쏘렌토, 쌍용 무쏘, 코란도, 렉스턴 등이 이 방식을 쓴다. 예외도 있다. 아우디는 앞바퀴굴림을 바탕으로 한 AWD를 쓰지만 엔진을 가로로 놓는다. 아우디의 특허인 콰트로 시스템을 모든 차에 쓰기 위해 처음부터 AWD를 고려했기 때문이다. 흔히 엔진을 가로로 놓으면 트랜스미션이 한쪽으로 몰리기 때문에, 좌우로 가는 드라이브 액슬 길이가 달라진다. 액셀 페달을 밟으면 구동력이 달라져 스티어링 휠이 돌아가는, 토크 스티어가 생긴다. 이를 막기 위해 아우디는 FF임에도 엔진을 세로로 놓는 방식을 택했고, AWD로의 전환도 쉽다. 획기적인 4WD 시스템으로 BMW의 ‘x드라이브’를 꼽는다. 앞뒤 구동력 배분이 0:100부터 100:0까지 가능하다. 이는 정밀제어를 통해 자동차 전체의 핸들링 특성을 아예 바꾸어 버린다. 코너 진입에서는 뒷바퀴굴림처럼, 탈출할 때는 앞바퀴굴림처럼 움직이는 것이다. 4WD를 채택한 것은 네 바퀴에 엔진 힘을 고르게 전달해 접지력을 높이는 데 목적이 있다. 이런 장점이 있음에도 2WD를 내놓는 이유는 일반적인 운전환경에서는 두바퀴굴림만으로 충분하기 때문이다. 4WD보다 메커니즘이 간단한 만큼 차값이 싸고 무게도 덜 나가는 장점이 있다. 2WD SUV는 승용차형 굴림방식에 쓰임새 좋은 실내공간을 채용한 아이디어의 산물이다.
배기가스 줄이기(Ⅰ) 2004-08-18
대기오염은 이미 오래 전에 사회문제화 되었다. 한때 공해의 주범으로 손꼽혔던 공장, 발전소, 공공건물의 굴뚝에서 내뿜는 매연은 많이 줄어든 반면, 차의 매연은 도시 대기오염의 주범으로 떠올랐다. 1970년대에 미국 정부는 늘어나는 오염물질을 줄이기 위한 노력을 시작했다. 깨끗한 공기를 위한 연방법안(Federal Clean Air Act)이 선포되었고 이 법안을 수행하는데 미국 환경청이 선임되었다. 자동차 배기가스 허용기준이 설정되었고 여러 해 동안 허용기준은 계속 강화되었다. 자동차회사는 배기가스를 줄이기 위해 연구를 거듭할 수밖에 없었고, 결과적으로 각각의 차에서 발생하는 오염물질은 계속 줄어들었다. 차의 매연을 줄이기 위한 첫 시도는 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 시스템이었다. PCV는 블로바이 가스(blow-by gas)와 크랭크케이스 증기를 연소실로 돌려보내는 장치다. 흡기시스템으로부터 신선한 공기를 크랭크케이스로 보낸다. 흡기시스템에서 온 흡입공기는 크랭크케이스를 돌아 블로바이 가스와 증기를 몰고 PCV 밸브와 호스를 통해 흡기 매니폴드로 들어간다. PCV 밸브는 매니폴드의 부압에 따라 흡기로 들어가는 블로바이 가스의 양을 조절한다. PCV 밸브는 엔진이 아이들링 상태에 있을 때와 같이 강한 진공이 생길 때만 블로바이 가스가 들어가도록 조절한다. 이러한 PCV 시스템은 지금 나오는 모든 차의 엔진에 달려있다. 블로바이 가스와 크랭크케이스에 쌓인 가스는 PCV 시스템으로 제거할 수 있다. 엔지니어들은 연료탱크와 기화기에서 나오는 휘발유 증기를 제어해야 했는데, 이 문제는 증발 배기 컨트롤(Evaporative Emission Controls) 시스템으로 해결했다. 차의 배기가스를 줄이기 위해, 연소과정에서 생기는 배기가스 자체를 줄이는 연소 전 제어(Pre-combustion Control)와 어쩔 수 없이 생긴 매연을 배기 시스템에서 효율적으로 정화하는 연소 후 제어(Post-combustion Control) 전략이 이루어지고 있다. 우선 연소 전 제어 방법으로는 기계식 연료공급 시스템, 증발 배기 컨트롤 시스템, 점화타이밍과 연료 혼합 제어, 린번 엔진, 휘발유 직접분사 등이 있다. 기계식 연료공급 시스템 불과 10여 년 전까지만 해도 차의 연료공급 시스템은 카뷰레터와 같은 기계적 공급장치가 상당수를 차지했다. 이러한 기계식 연료공급장치에서는 흡입되는 공기의 양에 따라 연료를 정밀하게 제어하기 힘들어 이를 고려한 몇 가지 공해방지장치를 갖추기도 했다. 흡입공기의 온도가 지나치게 낮으면 적절히 가열될 수 있도록 흡기온도조절장치를 단 것이 대표적인 예다. 증발 배기 컨트롤 시스템 휘발유는 증발성이 강하다. 낮은 온도에서도 증발되는 탓에 휘발성이 강한 기름이라는 뜻으로 휘발유라고 한다. 증발 배기 컨트롤(Evaporative Emission Control) 시스템은 증발되는 휘발유를 다시 사용할 수 있도록 해준다. 휘발유는 연료탱크뿐 아니라 카뷰레터에 있는 동안, 또는 드로틀 보디에 있을 때도 증발하려는 성질이 있다. 엔진이 가동중일 때나 식어있을 때나 정도의 차이는 있지만 증발하려는 성질은 변함이 없다. 요즘 엔진은 어느 것에나 캐니스터(canister)가 있어 엔진이 꺼져 있을 때 증발하려는 휘발유가 새어나가지 않도록 막아준다. 시동을 걸 때는 에어클리너를 거친 공기가 캐니스터를 지나가면서 증발된 휘발유를 흡기시스템으로 보내 사용하도록 한다. 이 가스 상태의 휘발유는 하나 혹은 여러 개의 튜브를 통해 흡기 매니폴드나 카뷰레터 혹은 에어클리너로 보내지고 엔진으로 들어가 연소된다. 많은 전자식 연료분사 엔진에서는 ECU(전자제어유닛)가 솔레노이드 밸브를 통해 흡기 매니폴드의 진공을 이용해 증발된 연료가스를 캐니스터로부터 뽑아낸다. 점화타이밍과 연료 혼합 제어 자동차 공해가 사회문제로 떠오른 후, 여러 해 동안 메이커들은 두 방면으로 집중해 배기가스를 줄이는 노력을 해왔다. 정밀한 점화진각(Ignition Timing Advance) 장치를 통한 점화타이밍(Ignition timing) 제어와 운전조건에 따른 공기/연료 혼합비 제어가 그것이다. 점화타이밍과 공연비는 모든 종류의 엔진 작동에서 연소효율에 큰 영향을 미치므로, 많은 제어 기술이 개발되고 계속 발전해왔다. 대부분의 점화타이밍과 공연비 제어 시스템, 장치들은 유해배기가스를 줄이는 데 일시적인 해결책이 되었다. 배출가스 허용기준이 강화되면서 메이커의 엔지니어들은 이 문제를 전자식 점화장치와 연료분사장치, 그리고 ECU로 풀려고 하였고 이 시도는 큰 성공을 거두었다. ECU는 센서에서 들어오는 입력 신호를 받아들이고 이것을 토대로 엔진의 상태를 계산하고 출력 신호를 점화타이밍과 공연비에 적절하도록 내보내 엔진을 제어한다. 이렇게 나온 것이 지금 승용차의 대부분을 이루는 전자제어 엔진이다. 전자식 연료공급 시스템은 차의 역사에서 출력향상과 공해방지의 두 마리 토끼를 잡는데 가장 큰 기여를 한 기술이라 할 수 있다. 린번 엔진 연소과정에서 생기는 배기가스를 줄이는 가장 획기적이고 성공적인 시도가 극도로 옅은 혼합가스를 사용하는 것이다. 공기와 연료의 무게비가 20: 1이 되지 않을 정도로 옅은 혼합가스를 사용하는 것이다. 혼합가스가 너무 옅으면 화염의 전파력이 좋지 않아 출력이 많이 떨어지고 엔진이 안정적으로 동작할 수 없다. 보통 엔진에서 화염 전파가 원활한 공연비는 10∼17 정도인 것으로 알려져 있다. 하지만 전자제어 시스템의 발전으로 혼합가스의 농도, 점화시기 등을 정밀하게 제어하는 것이 가능해져서 20: 1 이상의 희박한 혼합가스를 사용할 수 있게 되었다. 이러한 희박한 혼합가스를 사용하는 것을 린번 엔진(lean burn engine)이라고 부른다. 린번 엔진은 도요타가 84년 처음 도입했지만, 당시에는 연비 향상만을 고려했으므로 운전자가 다루기에 힘든 엔진이 되어 버렸다. 실패를 안은 도요타는 정밀하게 제어되도록 개선한 린번 엔진을 92년에 다시 내놓아 업계의 비상한 관심을 끌었다. 린번 엔진은 실린더 내에서 혼합가스의 유동을 이용해 연료가 점화플러그 주위에 모이도록 한다. 따라서 연료가 모인 점화플러그 근처에서는 마치 이론공연비의 혼합가스가 연소되는 것처럼 안정된 연소가 이루어지게 된다. 린번 엔진의 가장 큰 장점은 해로운 배기가스를 적게 배출한다는 것과 완전연소로 인해 연료 효율이 높아진다는 것이다. 펌핑손실(pumping loss)이 줄어들어 연비도 10∼15% 정도 향상된다. 94년에는 린번 엔진 배기가스의 많은 부분을 차지하는 질소산화물을 줄이는 방법도 개발되어, 최근 희박연소 엔진은 배출가스 규제와 연비율 향상 규제에 대응하는 기술로서 주목받고 있다. 휘발유 직접분사 휘발유 직접분사(GDI) 엔진은 린번 엔진과 전혀 다른 개념은 아니다. 연료를 실린더 외부에서 분사해 흡기밸브를 통해 실린더 내부로 공급하는 일반적인 휘발유 엔진과는 달리 GDI 엔진은 연료를 실린더 내에 직접 분사한다. 따라서 보다 높은 공연비에서도 원활한 연소가 이루어지도록 연료의 분사량과 분사각도를 조절할 수 있다. 덕분에 현재 GDI 엔진에서 안정적으로 연소시킬 수 있는 공연비는 40: 1 정도까지 확대되고 있다. 즉 GDI 기술은 린번 기술을 더욱 발전시킨 것이라고 할 수 있다. GDI 엔진에서는 연료가 점화플러그 주위에 골고루 분포되도록 휘발유를 잘게, 그리고 고르게 분사하는 것이 키 포인트다. 그런 의미에서 연료를 분사하는 인젝터는 GDI 엔진에서 핵심기술이다. 고르게 분사된 연료가 점화플러그 주위에 보다 잘 모이도록 피스톤 형상을 개선하고, 연료분사 각도를 적절히 선정하는 것도 지속적으로 연구되고 있는 부분이다. 린번 엔진이 펌핑손실을 줄여 연비를 높이는 것이라면, GDI 엔진은 이에 더한 여러 장점을 가지고 있다. 정확한 연료를 정밀하게 분사함으로써 린번 엔진보다 펌핑손실을 훨씬 더 많이 줄일 수 있음은 물론이다. 또한 초희박 상태에서 연소되는 만큼 열 발생이 줄어 냉각손실도 줄어든다. 이밖에도 연소실에 분사된 휘발유가 분사 후 즉시 기화하고, 이에 따라 연소실의 온도가 낮아진다는 장점도 갖고 있다.
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