엔진은 자동차의 심장이다. 그 정도로 엔진의 역할과 비중은 크다. 디자인이 멋지고, 실내가 안락하며, 각종 편의 사양을 탑재한 자동차라 하더라도 엔진이 부실해 제대로 달리지 못하면 가치가 떨어진다. 또한 섀시의 완성도가 뛰어나도 엔진이 뒷받침되지 않으면 자동차의 성능과 운전 재미는 반감된다. 요즘처럼 친환경이 이슈인 시기에는 엔진의 역할이 더욱 중요하다. 성능을 유지하면서 효율까지 좋아야 연비를 높이고 배출가스량을 줄일 수 있기 때문이다. 하지만 이런 엔진을 만들기란 말처럼 쉽지 않다.
그런 의미에서 최근 나오는 현대자동차 엔진의 완성도는 눈에 띄게 좋아지고 있다. 최고출력과 최대토크, 연비, 이산화탄소 배출량 등의 객관적 수치가 개선됐다는 점이 바로 그 증거다. 또한, ‘워즈오토’ 같은 매체가 선정하는 올해의 엔진상에 매년 이름을 올리며 그 우수성을 입증하고 있다.
최근 현대차 엔진의 완성도가 개선되고 있는 데에는 여러 이유가 있다. 그 중 가장 대표적인 요인은 WRC 참가다. 지난 세 편의 WRC 기술 내재화 콘텐츠에서 소개한 것처럼, 현대차는 2014년 WRC에 복귀한 이후 직접 경주차를 만들면서 다양한 기술과 노하우를 축적하고, 이를 양산차에 적용하고 있다. 엔진 기술 역시 마찬가지다. 극한 상황에서 한계 속도로 달리는 WRC 경주차의 엔진 기술을 양산차에 내재화하며 성능과 효율을 끊임없이 개선하고 있다.
현재 현대팀의 WRC 경주차는 독일에 위치한 현대모터스포츠법인에서 개발하고 있으나, 경주차 엔진의 내구 및 성능 시험, 해석 등 엔진 개발 업무 중 많은 부분을 경기도 화성 소재의 현대차그룹 남양연구소와 협업해 진행하고 있다.
과거 현대차가 WRC 복귀를 준비하던 2010년대 초반에는 경주차의 개발 업무 대부분을 남양연구소에서 맡아 진행했다. 때문에 양산차 엔진을 만들던 연구원들이 WRC 경주차 엔진 개발에 직간접적으로 참여하는 경우가 많았고, 연구원들은 이 경험과 기술을 양산차 엔진 개발에 적용하는 방법을 고민하기 시작했다.
엔진선행개발팀의 김종혁 책임연구원과 한융희 책임연구원도 마찬가지다. 이들은 초기 WRC 경주차에 탑재된 감마 엔진부터 현재 WRC 경주차에 탑재 중인 엔진의 개발에도 참여했다. 동시에 양산차 엔진의 선행 개발까지 담당하고 있다. 경주차와 양산차의 경계를 넘나들며 다양한 엔진을 개발하고 있는 것이다. WRC 기술의 양산차 내재화에 앞장서고 있는 두 연구원을 만나 엔진 기술의 내재화에 대한 이야기를 나눠봤다.
Q. WRC 경주차의 엔진과 양산차 엔진의 가장 큰 차이는 무엇일까?
김종혁 책임연구원(이하 김종혁) | 가장 큰 차이는 제조 공법과 소재다. 양산차 엔진의 경우 대량 생산을 한다. 하지만 경주차 엔진은 그렇지 않다. 소수의 경주차를 위해 비싼 소재를 써서 엔진을 맞춤 제작한다. 반면, 양산차의 엔진은 가격을 맞추기 위해 무작정 비싼 소재를 쓸 수 없다.
또한 WRC 경주차 엔진은 좋은 성적을 내기 위해 모든 것을 쏟아 붓는 만큼, 양산차에 쓰지 않았던 신기술을 적용하기도 한다. 가혹 조건에서 경기를 치르는 WRC 경주차를 통해 엔진에 적용된 신기술을 검증하고 다양한 피드백을 통해 데이터를 쌓는 것이 가능하다. 이 데이터는 결국 시간이 흘러 양산차에 반영되는데, 이게 바로 내재화라 할 수 있다.
Q. 경주차의 엔진 기술을 양산차 엔진에 내재화 할 때 어려운 점 중 하나가 비싼 소재를 그대로 쓸 수 없다는 데 있다. 이런 비용 문제를 해결하면서 적용한 내재화 사례는 무엇인가?
한융희 책임연구원(이하 한융희) | 차세대 고성능용 선행 연구 엔진을 개발할 때 비용 문제가 있었다. 경주차에서 영감을 받은 기술로 터보 차저를 개발했더니 일반 양산차에 적용할 수 없는 수준으로 단가가 너무 높았다. 그래서 양산 부품의 성능 향상을 목적으로 고성능 부품 일부를 미리 적용함으로써 물량을 확보하는 방식으로 부품 단가를 낮추는 방법을 고안했다.
현재 비용 문제를 해결 중인 기술도 있다. 바로 고성능 엔진에 쓰일 캠샤프트다. 캠샤프트는 엔진의 흡·배기 밸브를 열고 닫는 각 실린더의 캠을 하나로 연결한 축(샤프트)인데, 이 캠의 형상에 따라 엔진 성격이 달라진다. 캠 형상에 따라 밸브의 한계가 정해지는데, WRC 경주차 엔진에 적용되는 캠 형상을 참고해 고성능 엔진에 미리 반영해 봄으로써 출력이 향상된다는 사실을 확인 수 있었다. 반면, WRC 경주차에 적용된 엔진과 양산차의 엔진은 내구 목표 자체가 다르다 보니 경주차 엔진의 캠 형상을 양산 엔진에 반영하기 위해서는 내구성을 더욱 확보해야만 했다. 이를 위해 WRC 엔진 밸브 시스템의 재질을 일부 적용해보면서 기술 내재화를 진행 중이다.
캠의 형상이 내구성과 무슨 상관이 있을까라고 생각될 수 있지만, 캠의 형상에 따라 밸브가 작동하는 속도가 달라지고 이에 따른 충격량도 달라지기 때문에 강성이 높은 소재와 더불어 까다로운 제작 기술이 수반돼야 한다. 이 과정에서 비용 문제는 필연적일 수밖에 없다. 이처럼 캠의 형상을 경주차처럼 바꾸는 과정은 까다롭지만, 양산차 엔진에 적용하기만 하면 성능을 높일 수 있다는 장점도 있다. 때문에 현재 해당 기술을 양산차에 내재화하기 위해 여러 가지 요소들을 최적화하는 과정을 진행 중이다.
Q. WRC는 가혹 조건을 달리는 일이 많고 이는 엔진 부하로 연결된다. 이 같은 문제를 해결하면서 얻은 내재화 기술은 없을까?
김종혁 | WRC 경주차는 혹서 지역을 많이 달리고 고성능 엔진을 쓰는 탓에 냉각 문제에서 자유로울 수 없다. 이 문제를 해결하기 위한 손쉬운 방법 중 하나는 차량 전방에 유입되는 공기의 양을 늘리는 것이다. 따라서 공력 성능에 방해가 되지 않는 선에서 범퍼의 흡기구를 키워 냉각 문제를 해결한다. 그러나 이런 방식을 양산차에 적용할 수는 없다. 세계 여러 나라의 충돌 안전 기준을 충족하는 디자인의 범퍼를 채택해야 하기 때문이다. 그래서 블록 워터 자켓 형상을 개선하고, 헤드 냉각을 최적화해 고성능 양산 엔진의 냉각 효율을 개선하는 방법으로 내재화하고 있다.
고성능차의 경우, 차체 전방의 개구 면적을 기존 양산차 기준 보다 추가로 확보하기 위해서는 디자인과 차량 성능에 관한 전사적인 공감대 형성이 무엇보다 중요하다. 이를 위해 차량개발 관련부서 외에 디자인 관련 부문과도 적극적인 협업을 진행하고 있다.
또한, WRC 경주차에서는 오일 윤활 문제를 해결하기도 쉽지 않다. 강한 횡가속도 같이 무게 중심 이동이 격한 상황이 자주 발행하는 WRC 특성상, 경주차에는 별도의 오일 순환 기술이 필요하다. 이 같은 문제를 해결하면서 축적한 기술을 고성능 N 모델에 일부 적용해 가혹한 운전 상황에서도 오일 순환이 원활하게 이뤄질 수 있도록 했다.
Q. WRC 경주차 엔진은 4기통이다. 반면, 현대차 양산 엔진에는 4기통 외에 다기통 엔진이 존재한다. 이런 다기통 엔진 개발 시 경주차 기술을 내재화하는 경우는 없을까?
한융희 | 고성능 WRC 경주차 엔진을 만들며 쌓은 기술력과 자신감을 바탕으로 또 다른 고성능 엔진을 만들어보자는 이야기가 있었다. 그렇게 해서 슈퍼카 수준으로 강력한 8기통 엔진의 선행 개발을 완료했다. 이 엔진에는 WRC 경주차 엔진에 쓰인 크랭크샤프트와 밸브 시트 기술이 응용됐다. 다만 내부적으로는 이미 세계적인 수준의 8기통 엔진을 만들 수 있다는 사실을 확인했지만, 아직 적용 가능한 차종의 개발이 진행되지 않고 있기에 적용을 잠시 보류하고 있다.
당장 적용 가능한 차종이 없는데도 불구하고 왜 많은 시간과 비용, 인력을 투입해 고성능 다기통 엔진을 선행 개발하는지 궁금할 수도 있다. 이유는 간단하다. 신차 프로젝트가 시작된 후 엔진을 개발하면 타이밍이 늦기 때문이다. 그래서 선제적으로 다양한 가능성을 염두에 두고 고성능 엔진을 만들었다. 물론, 이런 일이 가능했던 것은 WRC 경주차를 통해 축적한 고성능 엔진 개발 기술과 경험이 있었던 덕분이다.
Q. 혹시 이런 비슷한 과정을 통해 개발된 엔진은 없을까?
김종혁 | 물론 있다. 현재 선행 개발 중인 고성능 엔진으로, N 브랜드가 출범하기 전부터 개발에 착수했다. 현대차가 고성능차와 관련된 기술을 개발하기 위해 진행한 프로젝트 RM(Racing Midship)을 통해서 말이다. 프로젝트 RM이 시작된 시기는 WRC 재 참가 시점과 맞물린다. 즉, WRC 경주차의 엔진을 만들면서 축적한 기술을 프로젝트 RM을 통해 검증함으로써 고성능 엔진 기술을 상당 부분 미리 완성한 것이다. 한편, 이 과정을 통해 쌓은 기술을 현재 양산 중인 2.5ℓ 터보 엔진에 일부 적용하기도 했다. 그 결과, 일부 부품의 성능 및 내구성 강화에 도움이 됐다.
Q. 지금까지 이야기를 나눈 것처럼 경주차와 양산차를 개발하는 과정은 다르다. 하지만 이 과정에서 느끼고 깨달은 바가 많았을 것 같다.
김종혁 | WRC 경주차의 엔진 개발 초기, 독일에 위치한 현대모터스포츠법인과 협업을 했다. 덕분에 경주차 엔진을 개발하는데 많은 도움을 받을 수 있었다. 시야가 넓어졌고 사고방식도 달라졌다. 무엇보다 자신감이 생겼다. 양산차 개발 현장에선 경험해보지 못한 새로운 기술과 노하우를 배웠다는 점에서 온 차이가 컸다.
다른 요인도 있었다. WRC 현장의 엄청난 승부욕이었다. 모두들 한 마음으로 다른 팀과 제조사를 이기기 위해 엔진과 섀시 등 차체 전반적인 부분을 조금이라도 가볍고 빠르며 튼튼하게 만들고자 고군분투 했다. 그러기 위해서는 모방을 통해 뒤쫓아가는 것이 아닌, 새로운 시도와 도전을 통해 앞서나가는 방법이 필요하다는 것도 깨달았다.
한융희 | 대표적인 예가 WRC 참가 초기에 경주차 GDI 엔진의 인젝터 위치를 변경한 것이다. 현대차그룹의 모든 GDI 엔진은 인젝터가 흡기밸브 쪽에 위치하고 있었다. 그러나 이 방식은 흡기밸브와의 간섭을 이유로 인젝션 타이밍 등 분사 조건에서 신경 써야 할 부분이 많았다. 이러한 제약을 탈피하면서 흡기 효율 증대, 연료 분사 패턴 최적화를 위해 현대차는 최초로 WRC 경주차의 GDI 엔진 인젝터 위치를 배기밸브 쪽으로 옮겼다. 이렇듯 새롭게 시도했던 도전 과정에서 많은 우여곡절을 겪기도 했지만 그 결과 경주차의 성능을 점차 끌어올릴 수 있었고, 이는 결국 i20 WRC 경주차의 우수한 성적으로 이어졌다.
당시만 해도 우리에겐 이 모든 것이 새로운 경험이었다. 경주차 개발에 직접 참여하면서 우리 스스로 다른 제조사보다 좋은 차를 만들어야겠다는 의지와 열정이 생겼다. 이런 사고방식은 남양연구소로 돌아온 뒤에도 이어졌다. WRC 경주차를 개발했을 때처럼 타 제조사보다 뛰어난 차를 만들고 싶었다. 이렇게 다른 팀을 이기기 위한 마음가짐이 자연스럽게 내재화되어, 남양연구소 복귀 후 양산차를 개발할 때 과거와 다른 역량이 발휘될 수 있었다고 생각한다.
WRC 기술이 내재화된 고성능 양산차의 사례
김종혁, 한융희 책임연구원과의 인터뷰에서 언급된 WRC 기술의 내재화 사례를 좀 더 구체적으로 소개한다.
한계 상황에서도 엔진의 성능을 유지하는 냉각 및 오일 순환 기술
WRC 경주차는 엔진에 많은 열부하가 걸린다. 이를 해결하기 위해 여러 열관리 기술과 방법을 개발했고, 이 중 일부를 고성능 N 모델의 2.0ℓ 터보 엔진에 적용했다. 덕분에 i30 N이나 벨로스터 N은 장시간 서킷을 달려도 성능 저하가 거의 발생하지 않는다.
대표적인 기술 내재화 부분은 흡기와 배기 최적화를 통한 성능 향상이다. 기존 양산차 개발 시에는 패키지나 원가 측면에서 이를 최적화하기가 힘들었다. 하지만 고성능차 개발 경험을 쌓으면서 전사적 관점에서 성능 향상을 위해 부족한 부분을 찾는 노력이 많이 이뤄졌다. 특히, 엔진으로 공기를 공급하는 흡기 유로를 최적화하고 흡기 센서를 개선함으로써 엔진 응답성을 빠르게 향상시킬 수 있었다.
또한 인터쿨러 효율을 높이고자 위치를 최적화함으로써 냉각 성능을 향상시켰고, 고온 흡기 상황에서 성능 저하를 근본적으로 막기 위해 압축비를 기존 대비 낮춰 촉매와 배기 계통의 압력도 줄였다. 동시에 흡기 온도에 따라 엔진의 움직임을 최적화할 수 있도록 ECU 프로그램도 다듬었다. 차량개발부서 측에서도 전체적인 배기시스템 내경 사이즈를 최대한 확보하기 위해 담당자들과 협업해 용접 비드를 바깥쪽으로 구성하는 등 세부적인 부분도 놓치지 않고 개선하기 위해 노력했다.
고성능 엔진에서 중요한 것 중 하나가 바로 엔진오일 순환이다. 고성능 양산차는 빠른 가감속과 코너링이 잦아 일반차에 비해 엔진오일 순환 시스템을 강화해야 한다. 오일 팬에 들어있는 오일이 원심력에 의해 한쪽으로 쏠리기 때문이다. WRC 경주차 엔진의 드라이 섬프 방식이 좋은 대안이지만, 높은 가격 때문에 그대로 적용하기가 어렵다. 그래서 고성능 양산차의 경우 개발 단계에서부터 서킷 조건에서의 오일 공급 안정성을 확보할 수 있도록 시험 조건을 추가함으로써 오일 펌프 흡입구 형상 및 오일팬을 최적화했다. 이 과정에서 WRC 경주차의 오일 순환 기술이 많은 참조가 됐고, 그 결과 비용을 크게 높이지 않으면서도 내구성을 극대화할 수 있었다.
고성능차는 엔진회전수를 한계까지 올리는 경우가 일반차에 비해 훨씬 잦다. 그러나 엔진의 한계 회전수를 무작정 올리기란 쉽지 않다. 회전수를 올릴수록 운동에너지가 급격하게 커지기 때문이다. 때문에 회전수를 500rpm만 올려도 커진 운동에너지로 인해 엔진 내 부하가 심해진다. 일반적으로 WRC 경주차 엔진의 회전 한계는 8,500rpm에 달한다. 현대차는 이 엔진을 개발하면서 회전수를 올리고 부하를 낮추는 기술에 대한 노하우를 쌓았다. 가령 크랭크축과 밸브 등 움직이는 부분의 강성을 높이고 저항을 줄이는 기술을 확보했다. 이 기술을 고성능 터보 엔진에 내재화한 덕분에 선행 개발 중인 고성능 2.3ℓ 터보 엔진의 경우 양산차 기준으로는 매우 높은 수준인 약 7,000rpm까지 회전할 수 있도록 개발 중이다.
총 네 편에 걸친 WRC 기술 내재화 콘텐츠를 통해 살펴본 것처럼 현대차가 지난 2014년 WRC에 복귀한 이후, 현대차의 양산차에는 적지 않은 변화가 일어나고 있다. 엔진과 섀시, 크게 두 분야에서의 성능이 비약적으로 향상된 것이다. 무엇보다 자동차를 개발하는 연구원들의 실력이 향상되고, 차량을 개발하는 과정에서의 사고방식 역시 크게 바뀌었다는 점에서 현대차의 WRC 도전은 충분히 의미 있는 일이라 할 수 있다.
참고로 올해 WRC는 코로나19의 여파로 인해 7라운드로 축소 진행될 예정이다. 그 시작은 오는 9월 4~6일 진행되는 4라운드 '에스토니아 랠리'다. 2022 시즌 WRC 캘린더에 추가될 예정이었던 에스토니아 랠리가 코로나19로 인한 일정 조정으로 당겨진 것이다. 약 7개월 만에 WRC가 재개된다는 점, 그리고 WRC가 처음 진행되는 장소라는 점 때문에 이번 에스토니아 랠리는 많은 변수와 이변이 예상되고 있다.
하지만 현대팀의 변수와 이변은 상대적으로 적을 것으로 예상된다. 올 시즌부터 현대팀의 드라이버로 합류한 오트 타낙의 고향이 에스토니아라는 사실이 첫 번째 이유다. 물론 오트 타낙이 지난 시즌 디펜딩 챔피언이라는 사실 또한 무시할 수 없다. 무엇보다 현대팀 경주차의 성능이 탁월하다는 사실이 가장 큰 장점이다. 현대팀이 에스토니아 랠리에서 좋은 소식을 들려주길 기대해보며, 남은 올 시즌 WRC에서의 활약도 지켜보도록 하자.
HMG 저널 운영팀
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