엔진 다운사이징

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1 개요

기존의 대배기량의 구형 엔진을 최신 기술을 활용한 고성능의 소배기량 엔진으로 바꿔 효율성을 높이는 방법. 연료의 방식이나 과급 여부를 지정해놓은 것은 아니지만 보통은 자연흡기 가솔린 엔진을 소배기량의 슈퍼차저나 터보차저 혹은 둘을 동시에 이용한 트윈차저등의 과급기를 이용한 (보다)저배기량 엔진으로 대체하는 것을 말한다.[1] 가솔린 엔진에서는 GDI 엔진, 더 넘어 HCCI 엔진과 함께 전 세계적인 자동차 제조사들의 유행이자 목표가 되고 있다.

2 배경

엔진 다운사이징은 날로 높아지는 유가와 강화되는 배출가스 규제[2]를 극복하기 위해서 자동차 업계가 내놓은 방법이다. 과거에는 저렴한 유가와 비교적 약한 배출가스 규제로 가솔린 엔진 자동차 제조사들은 배기량을 늘리는 데 그리 거부감이 없었다. 여기에는 저렴한 휘발유 가격때문에 대배기량 자동차를 선호하는 미국, 그리고 자동차의 배기량과 크기가 신분의 상징인 대한민국같은 자동차 소비자들의 욕구도 한 몫 했다.

여기에 더해 배기량을 줄이면서도 마력과 토크 등 성능을 유지할 수 있는 과급기 기술 부족도 엔진 다운사이징의 방해 요소가 되었다. 이전 세대의 과급기 기술은 과급기 작동 회전수 범위가 좁고 자주 쓰이는 회전수 영역에 맞춰 설정이 제대로 이뤄지지 않아 터보랙이라는 고질적인 성능 문제가 있었고, 내구성 면에서도 여러 관리문제[3]등으로 스포츠카를 제외한 일반용 차량에서는 그리 널리 쓰이지 못했다.

그러나 석유 가격의 급등과 환경 오염에 따른 전 세계의 규제 강화가 겹치면서 어떻게든 연비는 높이고 배출가스는 줄이는 것이 자동차 업계의 제1목표가 되었다. 또한 과급기의 여러 문제점은 기술 발전에 따라서 어느 정도 극복 또는 참을 수 있는 정도의 불편으로 줄어 들며 엔진 다운사이징이 유럽의 자동차 제조사를 중심으로 유행처럼 퍼지기 시작했다.

3 특징과 장점

엔진 다운사이징은 종전 엔진에 약간의 개량을 거쳐 터보차저[4]만 얹는 경우도 많지만, 추가적인 성능 향상과 에너지 효율성 향상 차원에서 과급기와 잘 맞는 휘발유 직분사 기술을 적용하는 경우가 많다.

엔진 다운사이징은 비슷한 토크와 출력, 가용 RPM을 가지는 대배기량 자연흡기엔진과 소배기량 과급엔진이 있을 때 연비와 배출가스 발생량은 소배기량 과급엔진이 우수한 것을 이용한다. 과급기를 달면 기본적으로 엔진의 열효율이 높아지며, 소배기량 과급엔진이 대배기량 자연흡기엔진보다 가볍고 특히 실린더 수가 줄어드는 경우 마찰 등으로 낭비되는 에너지도 적어지기 때문이다. ECU 맵핑을 하는 경우 과급기의 부스트 압력을 조절하는 것으로 쉽게 출력을 상승시킬 수 있는 장점이 있으나, ECU가 복잡해지므로 애프터마켓에서 조절하기가 힘들어지므로 터보차저 GDi(T-GDi) 엔진의 사제 ECU 맵이 풀리는데는 엔진의 국내 출시로부터 오랜 시간이 걸렸다.

그러나 엔진에 부담을 주는 과급기를 쓰는 방식인 만큼 관리에 더 많은 주의가 필요한 점은 변함없다. 순정 엔진에는 엔진 냉각수를 이용한 수냉식 오일쿨러, 피스톤 냉각용 오일젯, 소듐주입 중공밸브 등이 적용되어 있으므로 애프터 마켓 과급기 튜닝 엔진보다는 덜하지만, 순정 엔진이라도 기존의 자연흡기(NA) 방식에 비해 엔진오일에 민감하여 상대적으로 고품질, 고점도의 엔진오일을, 그것도 자주 교환해야 한다. 일례로 현대자동차는 자연흡기 엔진에 주로 SAE 5W-20 점도의 엔진오일[5]을 사용하고 있지만 터보엔진에는 SAE 5W-30 점도의 터보전용 엔진오일[6]을 사용하고 있으며, 취급설명서에서 자연흡기 엔진은 15,000km(가혹기준 7,500km) 마다 엔진오일을 교환할것을 권장하고 있지만 터보차저 엔진은 8,000km(가혹기준 5,000km) 마다 교환할 것을 권장하고 있다.[7]

또한 실린더의 수가 줄어들면 그만큼 엔진의 진동과 커지며 회전질감이 거칠어진다. 실린더 당 출력이 강해져 엔진에 부담을 주는 과급체계에서는 더욱 이러한 단점이 두드러진다. 이는 밸런스 샤프트나 옵셋 크랭크 샤프트같은 기술을 적용하여 어느 정도 완화할 수 있지만 100% 극복할 수 있는 문제는 아니다.

토크곡선은 2,000rpm 부근의 저rpm 영역부터 최대출력이 발생하는 5,000rpm 지점까지 플랫한 곡선을 그리도록 설정하나, 보통 5,000rpm 이후 영역에서는 자연흡기에 비해 토크가 급속하게 떨어진다.[8] 이러한 설정 때문에 다운사이징 엔진에서는 보통은 보기 어려운 플랫한 출력 곡선이 나오는 경우가 종종 있는데 토크는 일정한 것이 좋지만, 출력이 플랫한 형태로 나오는 것은 반드시 좋다고 말하기는 어렵다. 출력은 토크와 회전수의 외적에 비례하므로 플랫 출력이라는 것은 회전수가 오르면 그에 비례하여 토크가 떨어진다는 의미가 된다. 저회전 영역부터 발휘되는 플랫토크는 높은 토크의 장점을 살려 이 영역대를 자주 쓰는 일상 주행이 편리하나, 반대로 회전수를 짜내야 하는 고속 주행에서의 토크 하락은 앞으로 더 보완해야 할 문제이다.

아무래도 엔진 다운사이징에서 오는 이점이 있듯, 단점도 존재한다. 바로 엔진 내구성이 떨어진다는 것. 실제로 링크 글에도 나와있듯 갈수록 엔진의 고장 빈도가 높아지고 있으며 이는 엔진의 다운사이징이 큰 영향을 끼친 것으로 보인다. 또한 최근에는 배기가스 및 오염물질이 많아진다는 이야기도 생겨나면서, 일부 업체에서는 도로 배기량을 키우고 다운사이징을 포기하려는 움직임도 있다고 한다.

4 엔진 다운사이징의 흐름

큰 차에 작은 엔진을 넣는다는 개념은 사실 꽤 예전부터 있었던 것으로, 사브와 볼보가 속한 국가 스웨덴은 큰 배기량에 따른 세금을 엄청나게 물리기로 유명했기 때문에 위 두 회사는 터보차저 위주의 과급기를 적극적으로 사용해 왔다. 두 업체 모두 자동차 뿐만이 아닌 항공기, 선박 엔진 등도 개발하는 기술력이 있었기 때문에 가능했던 것. 그러나 다운사이징 개념이 확산될 즈음에는 두 회사 공히 덩달아 자동차 분야에서 사세가 기울어 가고 있었기 때문에 별다른 주목은 받지 못했다.

폭스바겐이 골프의 2.0 가솔린 자연흡기 엔진을 1.4 가솔린 트윈차저 엔진으로 바꾸며 엔진 다운사이징의 물꼬를 텄고, BMW 역시 3.0 N55와 2.0 N20 트윈파워 터보엔진을 필두로 전 차종에 터보엔진을 적용하고 있으며, 이는 메르세데스-벤츠 또한 마찬가지이다. 아직까지 엔진 다운사이징에 가장 적극적으로 나서는 것은 유럽계 자동차 제조사들이다.이 동네는 엔진 키우기 바쁘잖아

가솔린 엔진에 터보차저를 적용하는 것에 매우 보수적이었던 대한민국의 현대자동차 역시 북미형 쏘나타의 3.3 람다를 2.0 세타 T-GDi로 대체하며 다운사이징의 포문을 열었다. 현대자동차는 이 외에도 1.0 카파 TCI와 1.6 감마 T-GDi, 3.3 람다 T-GDi를 활용하여 한국 내수용 중형차의 2.0 T-GDi나 준중형차의 1.6 T-GDi는 엔진 다운사이징이라기 보다는 출력 업그레이드라는 말이 적절하겠지만 엔진 다운사이징에 적극적으로 나서고 있다. 대표적인 사례는 그랜드 카니발/카니발R의 2900 → 2200 다운사이징과 기아 쏘렌토 풀모델 체인지 2500(현대 A 엔진)→2200/2000 다운사이징, 그리고 기아 봉고 2900 → 2500(현대 A 엔진)다운사이징 죄다 기아차인 건 넘어가자. 그런데 보수적이던 이유가 현대가 국민을 봉으로 알아서가 아니고, 애초에 내수 호갱님소비자와 시장이 요구해 온 "고정 배기량에 차체만 비대해져"온 한국시장의 특성인지, 중형차 다운사이징이라고 하면 1.6 터보를 생각해야지 기존 배기량에 터보로 출력을 올린걸 기대하니 그런거다. 다운사이징이 널리 적용되면 경차 600cc 소형차 1000cc 중형차 1500cc, 준/대형차 2000cc대가 되야 정상. 그래서 다운사이징이라고 해놓고 출력업을 하는 실정
2015년 현대 쏘나타 7세대(LF)와 기아 K5 2세대(JF)에 1.6 리터 직분사 터보엔진을 올리면서 2.0리터와 2.4리터에 대해서도 엔진 다운사이징이 들어갔다.

미국계 제조사들도 과거와 달리 이제는 엔진 다운사이징에 적극적으로 나서고 있다. 포드는 1.6, 2.0 에코부스트 엔진을, 제너럴 모터스는 1.4 터보와 2.0 터보 직분사를 적극적으로 활용하고 있다. 또한 피아트 산하 크라이슬러, 닷지, 지프, 램의 경우에는 상업용 차량에 들어있는 커민 대배기량 디젤 엔진이 아닌 비교적 소형 디젤엔진들도 적극적으로 미국시장에서 팔고 있다. 그 결과로 포니카의 상징인 포드 머스탱조차 이전같으면 상상할수 없었던 마쯔다제 4기통 2.3L 터보엔진이 떡하니 들어가 있고, 대배기량 픽업트럭의 강자 F-150조차 2.7L 터보, 3.5L 터보 엔진을 장착했을 정도이다. 피아트 산하 램 1500 트럭의 경우에는 6기통 3.0L 에코디젤을 탑재했는데, 이게 마세라티 콰트로포르테, 기블리에 들어가는 디젤 옵션 엔진과 같을 뿐더러, 마력은 적지만 트럭의 특성상 중요한 토크가 5.7L 자연흡기 엔진을 바른다! GM 계열인 한국GM 역시 국내에 1.4 터보 엔진을 적용한 트랙스를 시작으로 지금까지 가솔린 엔진 터보차저에 매우 미온적이던 크루즈에도 2014년형부터 트랙스와 같은 엔진을 적용하기 시작했다. 말리부는요? 그딴거 없습니다. 다운사이징에 소극적이던 일본 메이커의 참여도 시작되었는데 르노-닛산 얼라이언스의 MR16DDT[9]가 그것이다.

엔진 다운사이징은 전 세계적인 가솔린 엔진의 추세지만 그것을 반기지 않는 사람도 있다. 미국을 중심으로한 NA 고배기량 머슬카 마니아나, 고회전 엔진을 쥐어짜거나 다기통 엔진의 부드러운 반응, 커다란 배기음[10]을 즐기는 사람들은 터보차저를 단 다운사이징을 그리 환영하지 않는 반응을 보인다. 포뮬러 원 팬들은 낮은 배기량과 rpm을 극복하기 위해 2014년부터 도입된 터보엔진을 매우 싫어했다. 하지만 원래 안은 4기통이었다는게 충공깽.

페라리는 488에 다운사이징 터보를 적용해 그 우수성을 인정받았고,[11] 애스턴 마틴도 기존에 고수하던 6.0L 자연흡기 엔진을 버리고 DB11에 5.2L 트윈터보를 장착했으며, 람보르기니도 슈퍼카 시장에서는 다운사이징 압박이 크지 않지만 시장 변화에 언제나 열려 있다고 밝혔다.[12] V12 자연흡기 엔진을 고수해 왔던 제조사들도 세계적인 흐름에 따라가는 셈이다.

엔진 배기량을 기준으로 자동차세를 걷는 대한민국의 기초자치단체 역시 대놓고 엔진 다운사이징을 반대하지는 못하지만 그렇다고 환영하는 반응 역시 보이지 못하고 있다. 과급기 여부는 자동차세에 반영을 하지 않고 있어 배기량을 줄이는 것 = 세수감소가 되기 때문. 배기량으로 세금 매기는 자체가 불공평한것이 2.0 터보엔진이 2.4 자연흡기엔진보다 더 비싸고 기름도 많이 먹고 출력도 훨씬 강한데 세금은 적게 내기 때문이다[13]

사실 과거 1970년대 오일쇼크 당시에도 엔진 다운사이징 바람이 불었었다. 이 당시까지 최고의 위치에 있던 미국차가 다운사이징 대응이 늦어지면서 유럽과 일본차에게 밀려나게 된 것. 결국 지금은 2차 다운사이징 열풍이라 할 수 있겠다.

5 엔진 다운사이징 같아 보이지만, 실제로는 엔진 다운사이징으로 볼 수 없는 경우

엔진 다운사이징의 개념은 구형 대배기량 엔진과 비교할 때 출력과 토크를 어느 정도 유지하거나 개선하면서도 배기량이 작은 엔진을 쓰는 것이기에 과급기의 여부가 중요하지는 않다. 과급기를 쓰지 않아도 가변 밸브 타이밍이나 GDI처럼 자연 흡기 엔진의 다운사이징을 하는 방법은 얼마든지 있다. 그렇지만 이러한 기술 발전 없이 무작정 배기량과 함께 마력과 토크까지 떨어트려 힘없는 자동차를 만드는 것은 엔진 다운사이징이라고 하지 않는다.대신 망했어요라고 부른다.

가장 쉽게 찾아볼 수 있는 예가 현대자동차가 엔진 개발 능력이 없거나 초기 단계였을 시절에 내놓은 준중형, 중형차다. 초기의 현대차는 큰 차체에 걸맞지 않은 작은 엔진을 얹어 오르막길에서 퍼지는 경우가 많았다. 중형차에 1.5리터 엔진을 얹은 현대 스텔라가 대표적이다.[14] 이렇게 '그냥 작은 엔진'을 얹은 차는 '세금 적게 내는 큰 차'를 찾던 당시 대한민국의 니즈(...)에 영합해 나온 물건으로, 엔진 다운사이징과는 무관하다.[15]

이 문제는 굳이 현대자동차만의 이야기는 아닌데, 당시 대우 로얄도 중형차에 1.5리터 엔진을 얹어서 내놓았고, 대우 에스페로도 중형차[16]에 1.5리터 엔진이 얹혀 나오는 등 '그냥 작은 엔진'을 얹은 차는 1980~1990년대 대한민국에서 꽤 자주 볼 수 있는 차였다.

그리고 이 유구한 전통(...)은 삼성이 자동차산업에 진입하면서 르노삼성 SM5 2세대(EX1)에 닛산 티아나보다 작은 2리터 엔진을 얹고, 프린스 위에 브로엄을 두었듯 SM5위에 SM7을 두면서 21세기에도 재현되었다. 세금 무서운 건 21세기에도 여전해서[17] 중형차가 2.3리터[18]부터 시작하는 건 좀 부담스러울 거라 생각한 모양이다.

이러한 힘 없는 차에 대한 반동인지 지금의 대한민국의 주요 자동차 제조사들은 세계 기준에 뒤지지 않는 배기량의 엔진을 적용하고 있으며, 엔진의 성능도 세계 수준과 충분히 경쟁할 수준으로 발전하여 적어도 지금 팔리는 승용차들은 적어도 힘이 부족하다는 비난은 그리 받지 않는다.오히려 일반 소비자들이 배기량과 마력 덕후가 된 것이 문제라면 문제.[19]
  1. ↑ 디젤 엔진은 이제는 웬만하면 터보차저를 기본으로 넣고 있다. 과급기 없이 토크만 높고 출력이 엉망인 디젤 엔진은 이제는 승용차나 일반 상용차에서는 드물다.
  2. ↑ 대표적으로 CO2규제. 유럽에서 판매되는 모든 자동차는 2021년까지 Co2 배출량을 95g/km 수준까지 낮춰야 한다. 이는 현재 대부분 차량들의 Co2 배출량의 60-70% 수준까지 낮춰야 한다는 이야기.
  3. ↑ 과급기를 쓸 경우 피스톤이나 실린더에 가해지는 스트레스가 커진다. 특히 터보차저의 경우 터빈이 작동할 경우 터빈의 회전속도가 50,000~200,000rpm에까지 이르러 매우 고온인 상태인데, 시동이 꺼져 오일 순환이 갑자기 멈추면 터빈 베어링에 오일이 산화된 슬러지가 생성되고 이 것이 굳어버리는 문제가 있기 때문에 반드시 후열이 필요하다. 따라서 터보차저가 장착된 차량은 후열을 제대로 하지 않을 경우 터빈 임펠라에 오일 슬러지가 쌓여 효율이 떨어지고 수명이 짧아진다. 다만 후열 문제는 시동이 꺼져도 일정시간 동안 터보차저에 엔진오일과 냉각수를 순환시켜 자동으로 후열을 해주는 방법이나 ILSAC GF-5 등급 같이 슬러지 생성을 제한한 엔진오일 등으로 어느 정도 극복되었다.
  4. ↑ 슈퍼차저는 과급에 동력 손실이 적지 않은 만큼 추가적인 성능 향상보다는 성능 유지와 연비 향상 목적으로는 그리 효율적인 선택은 아니다.
  5. ↑ API-SM, ILSAC GF-4 등급. SK루브리컨츠 ZIC A+ OEM. 정비지침서 상 권장점도는 5W-20 혹은 5W-30. 2세대 제네시스만 자연흡기 엔진에도 5W-30 점도의 엔진오일을 사용.
  6. ↑ ACEA A5 등급. 에쓰-오일토탈윤활유 SSU GXO OEM. 정비지침서 상 권장점도는 5W-30 혹은 5W-40.
  7. ↑ 그렇다고 해서 현대차의 순정 가솔린 터보 엔진에 애프터 마켓 터보엔진처럼 10W-60 같은 수준의 무식하게 높은 점도의 오일을 쓸 필요는 없다. 순정인 5W-30 점도가 정히 불안하다면 그 보다 한 단계 높은 5W-40 점도면 충분하다. 순정 오일이 불안하지만 점도를 바꾸기 싫다면 디젤 엔진이나 유럽식 가솔린 엔진용으로 사용되는 ACEA A3/B4나 C3 등급을 받은 제품을 사용하는 것도 좋다. A3/B4나 C3 등급은 고온에서의 점도유지력을 나타내는 HTHS 값이 3.5 이상으로, 2.9 ~ 3.5 인 A5/B5 등급의 제품보다 뛰어나기 때문이다. 사족으로 5W-40 점도의 제품들의 ACEA 등급은 대부분 A3/B4나 C3이다.
  8. ↑ 일반적인 가솔린 DOHC 엔진의 최대토크는 4,000rpm, 최대출력은 6,000rpm 전후로 나온다.
  9. ↑ 대한민국에서는 3세대 SM5의 TCE 트림에 적용된다.
  10. ↑ 터보차저가 장착될 경우, 배기가스가 터빈과 충돌하여 고유의 배기음을 잃게된다.
  11. ↑ 이 엔진을 GTC4LUSSO에도 장착한다. V12로 출시해 다운사이징 V8트림을 내놓은 셈.
  12. ↑ 람보르기니, "우린 여전히 V12를 사랑해"
  13. ↑ 다만, 공인연비는 2.0이 더 높다.
  14. ↑ 당시 현대차는 미쓰비시의 플랫폼과 파워트레인을 많이 활용하고 있었으나, 현대 스텔라는 포드 코티나를 바탕으로 만든 것이다.
  15. ↑ 과급기를 활용해 배기량을 줄이면서 출력을 유지 또는 개선하고 연비 개선, 배기가스 배출 감소를 노리는 게 엔진 다운사이징이다.
  16. ↑ 에스페로가 중형이냐 준중형이냐에 대해서는 논란이 있을 수 있으나, 일단 이 문장에서는 중형으로 분류했다. 에스페로의 스펙은 전장 4,615mm, 축거 2,620mm로 르망(4,260/2,520)보다는 로얄(4,617/2,668)에 가까우며, 초기형(1990년식)에는 2리터 엔진 모델만이 있어 후기형(1996년식)을 중형차에 1.5리터 엔진을 얹은 모델로 볼 수 있다. 1990년대 초반의 뉴 쏘나타(4,680/2,650)와 엘란트라(4,375/2,500)의 스펙과 비교하여도, 에스페로는 준중형보다는 중형에 가까운 덩치임을 알 수 있다.
  17. ↑ 쉐보레 크루즈 1.8과 쉐보레 말리부 2.4가 까이는 이유 중 하나가 세금이다. 2014년 기준, 신차 기준으로 1599cc(1.6리터) 자동차의 1년 지방세는 291,000원, 1799cc(1.8리터)의 1년 지방세는 467,740원으로 17만원 넘게 차이가 난다. 1999cc(2리터)는 519,740원, 2399cc(2.4리터)는 623,740원으로 10만원 정도 차이가 난다. 참고로 2999cc(3리터)는 779,740원.
  18. ↑ 2299cc로 잡는다면 1년 지방세는 597,740원. 1999cc보다 7만 8천원 더 낸다.
  19. ↑ 현기차의 유럽형 모델은 국내 모델보다 오히려 배기량이나 마력을 줄이는 경우가 많다. 대한민국 자동차 시장은 북미 시장의 영향을 받아 배기량과 마력을 중시하는 성향이 강한데다 그나마 배기량별 세금 부담이 과중하지는 않다. 유럽 시장은 이러한 세제 문제에서 더 까다로울 뿐더러 친환경과 연비 중시 성향을 보여 일반적인 주행에 넘치는 성능은 연비와 오염물질 배출을 줄일 수 있다면 낮추는 것.