최근 도요타, 혼다, 닛산을 포함한 일본 자동차 업체 8개사는 2020년 이후 연비가 30% 이상 개선된 차세대 엔진 개발에 협력하기로 했다. 이번 공동 연구는 완성차 업체는 물론이고 대학과 정부까지 참여해 자국 자동차 산업의 활로를 찾으려는 몸부림이다.
일본 자동차 업체는 친환경차 하이브리드카(HEV)에 집중하면서 생긴 내연기관 성능 향상 공백을 메우는 데 총력을 쏟고 있다. 글로벌 자동차 시장에서 연비 및 효율성 향상이 가장 중요한 화두로 대두됐기 때문이다. 일본은 물론이고 유럽과 미국 자동차 업체도 연비 향상을 위한 기술 개발에 박차를 가하는 배경이다.
이에 비해 현대·기아차로 대표되는 국내 자동차 업계는 신엔진 개발 및 연비 향상에 소극적이라는 분석이다. 센서와 인젝터 등 주요 엔진 부품과 제어 기술을 아직 내재화하지 못한 원인이 크다. 향후 자동차 기술 패권을 좌우할 연비 경쟁에서 경쟁력을 갖추기 위한 전략이 시급하다는 지적이다.
최근 내연기관 엔진은 전자 제어에 바탕을 두고 성능과 연비를 동시에 개선하는 것이 화두다. 가솔린 엔진은 디젤 엔진에서 주로 사용되던 직접 분사, 공기 과급, 압축 착화 등의 개념을 도입해 디젤 엔진 수준 효율성을 추구한다. 또 디젤 엔진은 배기가스를 최소화하면서 연료 분사 제어 및 공기 과급 성능을 개선해 연비와 출력을 높이는 것이 화두다.
이 과정에서 가장 중요한 것이 연료 직접 분사 및 공기 과급 시스템이다. 하지만 이 같은 시스템은 기술적 난이도가 높아 보쉬, 콘티넨털, 덴소 등 소수의 글로벌 부품업체가 시장을 주도하는 것이 특징이다. 또 엔진제어장치(ECU)뿐만 아니라 관련 부품까지 모두 일원화해서 공급하기 때문에 완성차 업체가 관련 기술을 내재화하는 것도 쉽지 않다.
모세준 한국자동차산업연구소 연구위원은 “연비 향상을 위한 주요 엔진 부품은 기술적 장벽이 높아 독과점 공급이 지속될 가능성이 높다”며 “완성차 상품 경쟁력을 확보하려면 핵심 부품 내재화 및 신 엔진 개발에 역량을 집중해야 한다”고 지적했다.
시장조사업체 IHS 조사에 따르면 하이브리드카를 포함한 내연기관 자동차의 판매 비중은 2012년 89%에서 2020년 88%로 큰 변화가 없을 전망이다. 전기차와 플러그인하이브리드(PHEV) 등 전기동력차 판매도 지속적으로 늘어나지만 내연기관의 시장 지배력이 상당 기간 지속될 것이라는 분석이다. 이에 따라 내연기관의 연비 향상과 효율성 개선은 자동차 시장 경쟁력 확보에 가장 중요한 과제다.
내연기관 연비 개선을 위한 기술 혁신은 △연소 시스템 개선 △제어 시스템 최적화 △에너지 손실 최소화 △차량 경량화 등의 방향으로 발전하고 있다. 연비에 영향을 미치는 변수가 그만큼 많다는 의미다. 하지만 현재 내연기관 원천 에너지의 절반 이상이 손실되고 있다는 점을 감안하면 엔진 기술 혁신이 가장 시급한 과제다.
이에 따라 글로벌 완성차 및 부품업체는 연소에 필요한 공기와 연료량을 정밀하게 조절해 연료 사용량을 최소화하는 데 초점을 맞추고 있다. 또 제어 시스템은 주행 상황에 따라 불필요한 연료 사용을 억제하는 것이 중요하다. 마찰과 열 손실로 발생하는 에너지 손실을 최소화하고 최적 설계와 소재 혁신 등을 통한 경량화 설계도 연비 개선의 큰 줄기다.
최근 내연기관 기술 혁신을 주도하는 업체는 독일의 폴크스바겐그룹이다. 이 업체는 직접분사, 터보차저 등의 상용화를 주도하면서 TDI(디젤), TSI(가솔린)와 같은 독자적인 엔진 브랜드를 구축했다. 폴크스바겐은 1990년부터 직접분사와 터보차저 기술을 적용한 TDI 엔진을 상용화, 엔진 다운사이징을 본격적으로 추진했다. 또 2000년대 들어 디젤 엔진에 적용되던 기술을 가솔린 엔진으로 확대했다. 특히 지난해에는 엔진 부하가 적을 때 일부 실린더를 일시 정지시켜 연비를 최고 20%까지 향상할 수 있는 ‘액티브 실린더 기술(ACT)’까지 상용화했다.
일본 자동차 업체 중에서는 마쓰다의 기술 혁신이 가파르다. 특히 이 업체가 2010년 공개한 ‘스카이액티브’ 엔진은 변속기, 차체, 섀시까지 망라해 차량 전 부문에 걸쳐 연비 향상에 초점을 맞췄다. 마쓰다는 이를 바탕으로 2015년까지 연비를 30% 이상 향상시킨다는 목표다.
이 같은 완성차 업체의 기술 개발을 좌우하는 핵심 변수는 연료 분사 및 공기 과급 시스템이 될 전망이다. 특히 연료를 실린더에 직접 분사해 혼합비를 높이고 연소 효율을 높이는 직접분사 시스템이 중요하다. 이 시스템은 연료의 압력, 타이밍, 분사량을 정밀하게 조절할 수 있는 초정밀 가공 기술이 핵심이다. 1990년대 디젤 엔진을 중심으로 확산된 직접 분사 시스템은 최근 가솔린 엔진으로 적용이 확대되고 있다. 실제로 지난 2012년 900만개 수준이던 가솔린 직접 분사 시스템 시장은 2020년 3300만개로 디젤 시장을 추월할 전망이다.
공기를 압축해 엔진에 보다 많은 양의 공기를 공급하는 공기 과급 시스템은 터보차저와 슈퍼차저로 구분된다. 특히 배기가스를 재활용해 출력 손실이 없고 엔진 효율이 높은 터보차저가 주로 사용된다. 우리나라 자동차 업계는 이 같은 핵심 부품의 해외 의존도를 낮추고, 신엔진 선행 투자를 확대하는 것이 최우선 과제로 꼽힌다.
업계 관계자는 “국내 완성차는 물론이고 부품업체가 공동으로 신엔진 및 제어 기술을 내재화하려는 움직임이 없었던 것은 아니지만 최근에는 사실상 중단된 상태”라며 “미래 자동차 시장 패권을 좌우할 연비 향상에 국가적 관심을 기울여야 할 시점”이라고 지적했다.
