Nikkei Automotive_2017.8 특집 (p40~53)

가변 압축비의 전모
닛산이 노리는 발전 엔진에 대한 포석

닛산자동차가 2018년에 가변 압축비 엔진을 양산한다. 일찍부터 많은 연구가 있었지만, 실용화되지 않았던 “꿈의 기술”. 엔진 개발의 긴 역사에 이름을 새기는 쾌거다. 연비성능과 동력성능을 크게 높일 뿐만 아니라, 전기자동차 시대의 새로운 엔진의 모습을 내다본 포석이기도 하다. 가변 압축비의 전모를 밝혀본다.

Part 1. 연비와 주행을 고차원에서 양립
2025년에 열효율 50%의 발전 엔진 실현

20년 이상의 연구와 개발을 거쳐, 닛산이 드디어 가변 압축비(VCR: Variable Compression Ratio)를 2018년에 실용화한다. 연비와 주행의 양립과 더불어, 초고효율의 발전 전용 엔진의 실현을 확인하였다. VCR을 사용하여, 2025년 무렵에 엔진의 열효율을 50%로 한다는 높은 목표를 내세웠다. 독자의 멀티링크로「초(超)Long Stroke」를 실현,「Super Lean burn(초 희박연소)」에 도전한다.

「이 엔진은 굉장하다」(독일 자동차회사의 엔진기술간부). 닛산이 실용화하는 엔진의 압축비를 14에서 8의 범위에서 무단계로 바꿀 수 있는 가변 압축비 기술. 통상은 서로 경쟁 관계에 있는 타사의 엔진 기술자도, 닛산이 VCR을 양산하는 것에 놀라고, 칭송한다. VCR의 연구사례는 40년 이상 전부터 있었다. 복잡한 기구로, 개발 난이도가 상당히 높아서 지금까지 실용화되지 못했다. 닛산과 비슷한 멀티링크식 VCR을 연구하는 야마가타대학의 고마쓰(小松) 교수는, 닛산의 VCR에 대해「연구에만 멈춰있어서, 양산은 불가능할거라 생각했다」라고 말한다.

닛산은 인피니티 브랜드의 신형 SUV「QX50」을 2018년에 발매한다. QX50의 직렬 4기통 터보 가솔린 엔진「MR20DDT」에, 세계에서 처음으로 VCR을 채용한다. 연비 성능과 동력 성능을 모두 크게 높일 수 있다. 닛산의 VCR은, 피스톤을 지지하는 커넥팅 로드 대신에 설치한 3개의 링크와 모터로, 피스톤의 상하 위치를 움직여서 압축비를 바꾸는 것이다. 저중(低中)부하의 연비 성능이 떨어지는 주행 영역에서는 압축비를 높여 열효율을 올린다. 한편, 토크를 크게 할 때는 과급량을 늘리고, 압축비를 낮게 하여 노킹(이상 연소)을 억제한다.

배기량 3.5L로 자연흡기 V형 6기통 가솔린 엔진과 비교하여, VCR 엔진의 최대 토크는 10%이상, 연비 성능은 27% 높다. 최대 토크는 390N∙m(최고출력 200kW)에 달한다. 복잡한 구조인 VCR의 개발에는 긴 시간이 걸렸다. 연구에 15년, 양산 개발에 6년이다. 초기에 관여한 기술자의 대부분은 닛산을 퇴직. 후진이 뒤를 이어 연구 개발을 계속하여 양산까지 도달할 수 있었다

부품제조업체의 협력도 크다. 히타치오토모티브 시스템즈는 중핵 부품인 모터와 감속기로 구성되는「VCR 액추에이터」를 개발하였다. VCR 엔진의 양산 개발을 이끈 기가(木賀) 씨(닛산 제1파워트레인 개발본부 파워트레인 주관)는「(히타치오토가) 아무것도 예측할 수 없는 단계부터 협력해 준 덕분에 실현할 수 있었다」라고 말한다.

-- 과거 60년의 진화를 10년 이내에 실현 --

Part 2. 20년 이상 매달린 집념
독자의 멀티링크에 많은 목적

커넥팅 로드 대신에 3개의 링크를 설치하는 닛산의 가변 압축비 기술. 압축비를 연속적으로 바꿀 수 있을 뿐만 아니라 진동이나 마찰 손실을 크게 줄이는 구조로 하였다. 생산부문과 밀접하게 연계하여 소형화를 실현하고 압축비의 불규칙을 엄밀하게 관리한다. 히타치오토의 액추에이터는 개발 도중에서 구조를 대담하게 변경하여 작게 하였다.

「완전히 새로운 구조로, 개발 중에 시험한 결과가 (설계대로 작동한) 정상치인지, (설계 부족으로 인한) 이상치인지조차 알 수 없는 상태였다」. 닛산자동차가 양산하는 멀티링크 기구의 가변 압축비 기술. 양산 개발을 이끈 기가(木賀) 씨는 암중모색의 개발이었다고 회상한다.

시작품의 수는 통상의 2배 이상이었다. 적합품을 만들기까지의 공정수는 통상의 3배에 달했다. 압축비가 변하면 완전히 다른 엔진을 만드는 것과 같기 때문이다. 시작(試作)한 엔진을 실제 차량에 탑재하여 주행시킨 거리는 지구를 몇 바퀴나 주행한 거리일 것이다.

과거의 경험을 살리기 어렵고, 문제가 발생할 때마다 원인이 무엇인지 알 수 없어 고민하였다. 그래도 FTA(Fault Tree Analysis)를 우직스럽게 반복하면서 원인을 하나 하나 발견하며 대처해 왔다. 20년 이상에 걸쳐 포기하지 않고 개발한, 닛산의 집념의 산물이 VCR 엔진이다.

-- 열효율 40%를 크게 초월하는 잠재 능력 --
VCR 엔진의 연비 성능을 크게 높일 수 있는 것은, 열효율이 떨어지는 저중(低中)부하 영역에서 압축비를 14로 높일 수 있기 때문이다. 상용(常用) 영역의 대부분을 14로 설정하고 있다. 마쓰다의「SKYACTIV-G」도 가솔린 엔진에서 압축비가 14에 달한다. 단, 과급하지 않고 자연흡기로 실현한다. 닛산이 압축비를 높이기 어려운 과급 엔진으로 14라는 높은 값을 달성할 수 있는 이유는, VCR이라는 “궁극의 무기”로, 노킹(이상 연소)할 것 같으면 압축비를 떨어뜨려 회피할 수 있기 때문이다.

닛산의 VCR 엔진은, 과급압을 올리고 엔진 부하가 떨어지는 것에 따라 압축비를 낮춰간다. 회전 속도가 4,500rpm 정도까지로 최대 토크의 약 절반인 150~200N∙m일 때, 압축비를 11전후로 한다. 또한 과급압을 높여 최대 토크 부근까지 올리면, 압축비를 8로 낮춘다. 일반적인 과급 엔진과 같은 수준으로, 이거라면 노킹을 억제할 수 있다.

압축비를 14로 제어하는 부하 영역 중, 열효율이 특히 떨어지는 저부하 영역에서는 펌핑 손실을 크게 억제하는 아이디어도 낸다. 흡기 밸브를 늦게 닫는 미러 사이클과, 배기가스의 일부를 기통 안으로 돌려보내는 내부 EGR(배기가스 재순환)을 병용한다.

-- 4기통분의 압축비를 동시에 변경 --
닛산은 VCR의 기본 구성을 2000년대 전반에 거의 확정했었다. 피스톤에 이어지는 커넥팅 로드를 대신하여, U(Upper)링크와 L(Lower)링크, C(Control)링크의 3개로 크랭크 축을 움직이는 닛산만의 멀티링크 기구다. VCR기구의 제안은 과거에 많았으며, 엔진 블록을 상하로 움직이는 거대한 것부터 커넥팅 로드를 신축하는 비교적 간단한 것까지 다양하다. 멀티링크식의 제안도 많다. 특징은 링크가 늘어날수록 설계의 자유도를 높일 수 있지만, 부품 수가 증가하여 개발이 복잡해진다.

닛산이 3개의 링크를 사용하기로 한 이유는, 부품 수의 증가를 최소한으로 한데다, 압축비를 바꾸는 것 이외의 이점을 추구했기 때문이다. 중에서도 엔진의 진동과 마찰 손실을 줄이는 것에 주목하였다. 압축비를 바꿀 때는 우선, 모터와 감속기로 구성되는「VCR 액추에이터」에 연결되는 A링크로 제어축을 돌린다. 제어축이 돌아가면, 같은 축에 이어진 C링크를 매개로, U링크에 이어지는 L링크가 움직인다.

-- 링크를 똑바로 내린다 --
엔진의 진동을 크게 줄일 수 있는 이유는, 왕복 운동하는 피스톤의 상사점과 하사점의 가속도가 같은 정도가 되도록 3개의 링크를 설치했기 때문이다. 직렬 4기통 엔진에서 커지는 2차 진동을 억제하고, 2차 밸런서를 없앴다. 일반적인 엔진의 경우는, 상사점 부근의 피스톤 가속도는 하사점 부근의 약 2배가 된다. 피스톤의 왕복 운동과 같은 주파수의 1차 진동과 함께, 피스톤 가속도의 차이에 기인하는 고차의 2차 진동이 꼭 발생한다. 배기량이 어느 정도 큰 엔진에서는 2차 밸런서를 설치하여, 2차 진동을 억제하게 된다. 닛산은「세레나」에 탑재하는 직렬 4기통 엔진에서, 2차 밸런서를 사용한다.

닛산이 과거에 발표한 복수의 논문에 따르면, 3개의 링크 기구에서 2차 진동을 억제할 수 있는 이유는, 많은 계산을 반복하여 피스톤의 왕복운동이 단진동(사인파)에 가까워지는 링크 배치를 발견하였기 때문이다. 단진동에 가까우면, 상사점, 하사점의 가속도는 같은 정도가 된다.

-- 생산공정에서 정밀도를 엄격하게 관리 --
15년의 연구기간 동안 VCR의 구성을 대부분 결정한 닛산. 2005년에는 연구 단계의 시작기를 공표하였다. 그러나 2011년에 양산 개발로 이행한 후에도 많은 연구를 거듭하여 성능 향상에 힘썼다. 예를 들면 연구 단계의 시작기와 양산기에서 크게 변한 것이, 제어축을 크랭크축의 바로 아래로 옮긴 것이다. 좌우 방향에서 봐서 제어축과 크랭크축의 중심 위치를 가깝게 하여, 크랭크축에 걸리는 비틀림 토크를 억제하였다. 시작기와 비교하여 절반 이상이 줄었다고 한다.

엔진 동작 중, C링크와 L링크의 체결점은 좌우 방향으로 흔들리는 궤도를 그린다. 제어 축을 바로 아래로 이동했기 때문에, 체결점의 궤도상에 크랭크축의 중심점을 겹칠 수 있다. 기존에는 궤도와 중심점이 어긋나 있었고, 어긋난 만큼 크랭크축에 비틀림 토크가 발생했었다. 비틀림 토크와 관성력, 마찰 손실을 억제하는 아이디어로 인해, VCR 엔진의 최고 회전 속도는 6,000rpm으로 충분한 속도에 달한다. 그러나 이 이상 빨라지면, 링크 체결점의 마찰 손실 등이 지나치게 커질 것 같다.

-- 히타치오토의 액추에이터 개발, 축에 팔을 압입하여 내구성 향상 --
닛산이 VCR 액추에이터의 기본 구성을 검토한 후, 양산 개발을 담당한 곳은 히타치오토다. 히타치오토는 설계부터 생산까지 아이디어를 내면서 닛산의 VCR 엔진 개발을 지원했다. 히타치오토의 가나가와현 아쓰기사무소에서 VCR 액추에이터를 생산하여, VCR 엔진을 생산하는 닛산의 요코하마 공장에 납입한다. 하모닉 드라이브는 닛산이 조달한 후에 히타치오토에 납입하는 형태를 취하고 있다.

VCR 액추에이터는 엔진 하부의 오일 팬 외측에 탑재한다. 이물질 혼입이 발생하기 쉬운 기름 속에서 모터를 사용하는 것을 피하기 위해서다. 오일 팬의 측면에 구멍을 뚫어 A링크를 통해 제어축으로 연결한다. 링크를 통하는 구멍에는 기름이 빠지는 것을 방지하는 실(Seal)을 설치하였다.

모터로 A링크를 움직여서 제어축을 회전한다. 고압축비일 때는 모터를 정전(正轉)시켜서 A링크를 늘이는 방향으로, 저압축비일 때는 모터를 역전(逆轉)시켜서 A링크를 당기는 방향으로 움직인다. 모터의 소비전류는 A링크를 어느 위치에 유지할 때는 수A로 작다. 모터를 움직일 때는 최대 수십A가 된다.

Part 3. 유럽은 간이식에 도전
우선, 포르쉐가 18년에 채용할 것인가?

유럽의 가변 압축비는 2단계의 가변폭에 그치는 간이식이다. 2025년에 한층 엄격해지는 CO₂ 배출량 규제에 대한 대책을 전망한다. 주로 커넥팅 로드의 변경에 그치는 저가의 구성으로 하여, 비용 대비 효과가 높다고 계산하고 있다. 세계적인 엔진개발 업체인 FEV, AVL 등이 열심히 제안하여, 우선은 고성능 스포츠카로 실용화할 것 같다.

유럽이 가변 압축비(VCR) 기술의 개발을 가속하고 있다. 유럽의 자동차회사의 엔진 개발에 큰 영향을 미치는 엔진개발 업체 FEV(독일)와 AVL(오스트리아)이 압축비를 2단계로 바꿀 수 있는 간이식 VCR을 개발. IAV(독일)는 자세한 내용은 밝히지는 않지만 VCR을 개발하고 있으며, 이미 자동차회사와의 공동 개발에 들어갔다.

유럽이 VCR의 개발에 도전하는 이유는 CO₂ 배출량 규제의 강화 때문이다. 특히, 유럽에서 논의 중인 2025년의 규제치를 의식하고 있다. CO₂ 배출량은 68~78g/km로, 2021년의 95g/km와 비교하여 20% 정도 줄이는 방향으로 논의가 진행되고 있다. 3사는「엄격한 규제치로 인해 VCR의 필요성이 높아진다」라고 입을 모아 말한다.

FEV와 AVL이 개발하는 VCR은, 모두 커넥팅 로드에 주목한 것이다. FEV에 따르면, 가변폭을 2단계에 멈추는 이유는, 유럽 등의 새로운 연비시험모드「WLTC(World Wide Light-Duty Test Cycles)」에서 주행 영역의 대부분을 고압축비만으로 달릴 수 있다고 계산하기 때문이다. 노킹을 억제하기 위해, 압축비를 부분적으로 낮추기 때문에 충분하다. 세세하게 바꿀 필요성이 작고, 닛산과 같은 무단계식 VCR은 필요 없다고 판단하였다. 2단계의 가변폭에 멈추면, 구성은 간단해진다. 계산의 전제가 되는 파워트레인 구성은, 배기량 2.0L의 직분사 터보 가솔린 엔진에 48V 전원 대응 모터를 조합한 간이 하이브리드 기구다. 현 단계에서는 구성이 복잡하고 고가가 될 것 같은 무단계식 VCR을 채용할 여지는 작을 것 같다.

-- FEV의 VCR은 250유로 정도 --
2단계식 VCR의 개발에서 리드하고 있는 FEV는, 순조롭게 진행되면 2018년에 유럽의 자동차회사가 고성능 스포츠카에 채용한다고 한다. 특허를 조사한 결과 독일 포르쉐가 유력하다. 현시점에서 일본계 자동차회사와는 개발하고 있지 않다. FEV의 개발품은, 커넥팅 로드의 소단부에 편심한 링을 탑재하여, 피스톤 위치를 상하로 움직이는 것이다. 새로운 커넥팅 로드에 간이 액추에이터를 추가하여 실현,「기존의 엔진 구성을 크게 바꾸지 않고 탑재할 수 있다」(FEV 재팬)는 점이 특징이다. 250유로 정도의 추가 비용으로, 연비 성능을 6~7% 올릴 수 있다고 한다. 커넥팅 로드의 질량은 조금 증가하지만, 시작(試作) 엔진의 최고 회전 속도는 7,000rpm에 달한다.

-- AVL은 2021년의 양산을 목표 --

  -- 끝 --