자동차의 엔진은 두 가지의 상반된 속성을 가지고 있다. 한 가지는 차가움이고, 나머지 하나는 뜨거움이다. 이렇게 두 가지의 상반된 속성을 갖는 이유는 금속으로 만들어지기 때문이다. 증기기관으로부터시작된 엔진의 역사 이래 인류는 항상 금속으로 엔진을 만들어 왔다. 최근에는 재료역학의 발달로 인해금속 외의 다른 합성 재료를 사용하는 시도가 나타나고 있다. 그렇지만 여전히 지구상의 모든 엔진의 주류는금속이다. 강철과 알루미늄 등의 금속은 엔진이 잠에서 깨어난 시점부터 가동 시간 내내 발생하는 고열과마찰 등의 모든 부담을 감당할 수 있으며, 대량생산에도 적합하기 때문이다.
금속으로 만들어진,차가우면서도 뜨거운 자동차의 심장, 엔진의 세계로 독자 여러분을 초대한다. 본 기사에서 다룰 수많은 자동차의 엔진들 중 그 마흔 여덟 번째 이야기는 2019년현재, 현대자동차그룹의 주력 4기통 엔진으로 밀고 있는 최신예가솔린 엔진, ‘스마트스트림 G’ 엔진에 대한 이야기다.
첨단 기술로 무장한 현대자동차그룹의 최신예 4기통 심장
현대 스마트스트림 G(SmartstreamG) 엔진은 현대자동차그룹이 지난 2017년부터 전격 발표한 ‘스마트스트림 파워트레인’을 구성하는 핵심 요소 중 하나다. 현대자동차그룹이 발표한 스마트스트림 파워트레인의 개념은 엔진의 크기와 배기량을 무작정 줄이는 단순한 다운사이징전략에서 탈피하는 것에서부터 출발한다. 그리고 배기량은 그대로 두는 대신 엔진 자체의 열효율을 높이는정공법을 통해 ‘연소효율의 향상’과 ‘배출가스 저감’이라는 두 가지 목적을 달성하고자 하는 접근법을 취하고있다.
스마트스트림 G 엔진은특정한 엔진을 지칭하는 표현이라고 보기에는 어렵다. 정확히는 설계 기반은 서로 다르지만 같은 설계사상을공유하고 있는 엔진들을 뭉뚱그린 것에 가깝다. 스마트스트림 G 엔진의 1.6리터 사양은 감마엔진을 설계 기반으로 하고 있지만 2.0 리터사양은 누우엔진을 기반으로 하고 있다.
명칭으로 사용하고 있는 스마트스트림은 공기와 연료의흐름을 효율적으로 제어한다는 의미의 ‘Smart’와 한층 강화된 운동성능을 의미하는 ‘Stream’을 합친 것이다. 이와 같은 작명은 갈수록 심화되는국가별 연비 환경규제에 대응하는 한 편, 차량 성능에 대한 운전자의 기대요구를 만족시키고자 하는 의도를담은 것이라 할 수 있다.
스마트스트림 파워트레인은 가솔린 엔진인 스마트스트림G와 디젤 엔진인 스마트스트림 D, 그리고 차세대 CVT 변속기인 스마트스트림 IVT 등으로 구성된다. 현대자동차가 5년여에 걸쳐 개발한 스마트스트림 파워트레인은 기아K3와 현대 아반떼 등을 시작으로, 8세대 쏘나타에도 탑재되고있으며, 현재도 신규 모델에 순차적으로 도입하는 중이다. 스마트스트림G 엔진은 현재까지 1.6리터 사양과 2.0리터 사양, 그리고 2.5리터사양 등이 존재한다.
스마트스트림 G 엔진은‘연비와 열효율의 극대화’를 최우선 목표로 하여 개발되었다. 그리고 이를 실현하기 위해 ‘새로운 기본구조’와 ‘연비 개선을 위한 신기술 적용’,‘적극적인 외부 EGR(배기가스 재순환장치) 채용’, 그리고 ‘독자적인 제어시스템 구축’이라는 방법론을 적용했다.
스마트스트림 G 엔진의새로운 기본구조는 연소효율의 극대화와 열손실 및 마찰 최소화를 동시에 구현하고자 하는 새로운 개념의 구조설계다.특히 텀블(와류) 현상을 크게 유도하는 흡기포트의 구조설계가 특징이다. 이러한 구조설계는 연소실 내로 흘러 들어가는 공기의 유속(流速)을 빠르게 만들어 줌으로써 더 많은 양의 공기를 더 빠른 속도로 유입될 수 있도록 한다.
이러한 방식을 채용하게 되면 직분사 엔진의 효율이크게 향상될 수 있을 뿐만 아니라, 고전적인 다점분사(Multi-PointInjection, MPI) 방식으로도 이득을 볼 수 있다. 이 외에도 열에 취약한 부위들을집중적으로 냉각시키는 설계 개념을 도입하여 노킹 현상을 줄이는 한 편, 경량화 기술과 최신 코팅 기술등을 활용하여 마찰계수를 크게 저감하는 ‘FOMS(Friction-Optimized Moving System, 마찰저감시스템)’를 적용함으로써 마찰로 인해 일어나는 에너지 손실을 최소화했다.
스마트스트림 G 엔진은연비 개선을 위한 다양한 신기술을 적용했다. 자연흡배기(NaturallyAspirated) 방식의 엔진에는 듀얼 포트 연료 분사(Dual Port FuelInjection, DPFI) 기구와 고시동에너지를 이용한 배기가스 재순환장치인 HIE-EGR(HighIgnition Energy EGR)을 전격 채용했다. 여기에 세계 최초의 독자 시스템인연속가변밸브듀레이션(CVVD) 시스템 등 차세대 가변 밸브 시스템을 도입했다.
그 뿐만 아니라, 통합적인‘열 관리’ 개념을 구현한 ITMS(Integrated Thermal Management System)을 통해 차량의 운전 조건에 따른 스마트한열 관리 제어로 마찰 손실의 추가적 개선이 가능해졌다. 그리고 이와 같은 신기술에 대한 독자적인 제어시스템을도입하고 각 엔진에 최적화된 제어 알고리즘을 적용함으로써 신기술 도입의 효과를 뒷받침하도록 했다. 또한, 고성능을 중시하는 터보 엔진의 경우에는 최대 350bar의 고압으로연료를 분사하는 최신의 직분사 기구를 적용했다.
스마트스트림 G 엔진을최초로 도입한 차종은 기아자동차의 준중형 승용차, K3의 2세대모델이다. K3에 탑재된 스마트스트림 G 엔진은 1.6리터 자연흡배기 버전으로, 123마력의 최고출력과 15.7kg.m의 최대토크를 발휘한다. 이 엔진은 우수한 동력전달력을갖춘 차세대 CVT인 스마트스트림 IVT와 짝을 이루며 준중형승용차인 K3에 충분한 동력성능을 제공한다. 이 조합의 파워트레인은현대자동차 아반떼의 페이스리프트 모델에도 그대로 투입되어 현재도 주력 파워트레인으로 기능하고 있다.
스마트스트림 G 엔진은2019년 상반기 출시된 현대자동차의 8세대 쏘나타에도 도입되었다. 쏘나타에 탑재된사양은 2.0리터 자연흡배기 사양으로, 160마력의 최고출력과 20.0kg.m의 최대토크를 발휘한다. 그리고 이 외에도 8세대 쏘나타에는 2.5리터 버전의 스마트스트림 엔진 또한 탑재될 예정이다.
