▲  쏘나타 3세대 경량화 차체 플랫폼. 현대자동차 제공

- 같은 양으로 더 멀리 … 연비 높은 車 개발 주력

알루미늄 뼈대·탄소섬유 연료탱크·다운사이징 엔진

車중량 10% 줄면 연비 6% 향상
탄소섬유 강화 플라스틱 활용해
가볍고 강도 높은 연료탱크 제작
후드·서스펜션엔 알루미늄 적용

터보차저로 엔진크기 작게 해
高성능·高연비 모두 만족 시켜
공기저항 줄이는 외관디자인에
변속기 단수 늘려 가속성능 향상

연료소비효율을 뜻하는 ‘연비(燃比)’는 자동차가 같은 양의 연료로 달릴 수 있는 거리를 나타낸다. 우리나라에서는 ‘㎞／ℓ’ 단위로 주로 사용된다. 연비 값이 클수록 연료 효율이 높은 차다. 즉, 고연비 자동차는 같은 양의 연료로 더 많은 거리를 주행할 수 있는 자동차를 의미한다. 완성차 업체들은 자동차가 같은 힘으로도 더 멀리 달릴 수 있도록 △파워트레인(차량 동력 전달체계) 효율 향상 △차량 경량화 △외부 저항 저감 등으로 연비를 높이는 데 주력하고 있다.

▲  탄소섬유 강화 플라스틱으로 만든 수소탱크

◇엔진 다운사이징으로 기통수 줄이고 연비는 올리고=연비향상기술을 좌우하는 부품은 엔진이다. 연료를 주행이 가능한 힘으로 바꾸는 과정에서 가장 큰 부분을 차지하는 엔진과 변속기의 효율은 연비에 가장 많은 영향을 미친다. 최근 엔진 기술의 트렌드는 ‘엔진 다운사이징’이다. 이는 배기량과 엔진 실린더의 수(기통수)를 줄이면서도 우수한 성능과 연비를 내는 기술이다. ‘터보차저’(엔진에 압축 공기를 불어 넣어 출력을 높이는 장치)와 ‘직접분사방식’ 등을 결합해 배기량과 기통 수를 줄이면서도 부족해진 성능을 보강해 강력한 출력과 높은 연비를 동시에 달성하는 방식이다.

몇 년 전만 해도 엔진의 주류는 ‘자연 흡기’ 방식이었지만, 최근에는 터보 엔진으로 옮겨가고 있다. 더 작은 배기량, 더 적은 부품, 더 작은 엔진으로 큰 엔진과 대등한 힘을 발휘할 수 있는 터보 엔진을 장착하면 자동차 무게에서 큰 비중을 차지하는 엔진 무게를 줄여 효율성을 높이고 배출가스를 줄일 수 있기 때문이다. 배기량이 낮아진다는 것은 중량, 마찰, 회전저항 등이 모두 낮아지는 것을 뜻한다. 터보 기술 발전으로 연비와 동력성능이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡는 것이 가능해지면서 엔진 배기량을 줄인 다운사이징 터보 엔진도 늘어나는 추세다.

‘변속기 다단화’도 연비를 높여준다. 엔진에서 나오는 힘을 바퀴로 전달해주는 변속기를 다단화해 차량 운전 상태에 따라 최적 변속 단으로 적용하면 구간별 동력 손실을 최소화해 연비는 물론 가속성능까지 향상시킬 수 있다.

업계 관계자는 “고단 기어의 기어비를 작게 설정해 단수를 높임으로써 같은 속력에서도 더 낮은 엔진 회전수를 유지하며 엔진에서 나오는 힘을 효율적으로 사용해 연비를 높일 수 있다”고 말했다.

▲  연비가 우수한 IVT 무단변속기

◇자동차 뼈대도 가볍고 강하게 = 최근 연비를 높이기 위해 자동차 뼈대인 차체를 비롯한 수많은 부품이 강한 충격을 견디면서도 최소한 무게를 갖도록 개발되고 있다. 차량을 가볍게 하면 엔진 부담이 줄어 연료소비 효율이 높아지고 유해가스 배출도 줄일 수 있어서다. 또 자동차의 기본 성능인 가속, 조향, 제동 성능의 향상과 부품의 수명이 증가하는 효과도 얻을 수 있다. 일반적으로 차량 중량이 약 10% 줄어들 경우 연비는 6% 정도 올라가는 것으로 분석된다. 단, 기본 성능을 무시하고 무작정 경량화를 추구할 수는 없다. 구조적으로는 안정감 있게 차체가 움직여야 하고, 사고 시 탑승자를 보호할 수 있는 안전성을 보장해야 하기 때문이다.

경량화 소재는 알루미늄, 마그네슘, 초고장력 강판, 고강도 복합 소재 등이 있다. 이들 소재는 기존 철에 비해 가격이 비싸 가격 경쟁력을 갖춰야 하는 자동차 산업에서 제한적으로 사용된다.

통상 하이브리드차(휘발유와 전기 혼용차)의 경우 내연 기관에 비해 배터리, 전기모터 등 장치가 추가 장착돼 중량이 늘어날 수밖에 없다. 이 경우 후드, 트렁크 등에 알루미늄을 적용해 경량화한다. 현대자동차의 ‘아이오닉’ 하이브리드 모델에는 후드, 테일 게이트, 백빔 등에 알루미늄 소재를 적용했다. 현대차 제네시스 G70도 최적의 경량화를 이룬 사례다. 후드와 앞뒤 서스펜션 등 차체 곳곳에 알루미늄 부품을 사용해 29.7㎏에 달하는 중량을 줄여 차체 크기에 한계가 있는 D 세그먼트(중형) 세단에서 30㎏ 가까운 경량화를 이뤘다.

강화플라스틱도 많이 쓰인다. 철 대신 플라스틱을 원재료로 사용해 중량을 기존대비 30%나 줄이면서도 철과 같은 강도를 유지하는 기법이다. 아이오닉에 적용된 연료탱크도 강화 플라스틱 소재로 제작해 연비를 크게 높였다.

‘탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)’은 플라스틱 수지에 탄소섬유를 보강재로 사용해 가볍고 충격 흡수가 뛰어난 소재다. 무게는 철의 50%, 강도는 철보다 10배 높다. 탄소섬유를 겹겹이 쌓아 굽는 까다로운 제조공정 때문에 대량 생산이 어렵고 비싼 만큼 슈퍼카 등에 제한적으로 사용됐다. 현대차 수소전기차 넥쏘에 적용된 수소탱크 내피는 수소의 투과를 최소화하는 ‘폴리아미드 라이너’(나일론 소재)로, 외피는 700bar의 높은 압력을 견디는 탄소섬유 강화 플라스틱으로 만들어졌다. 유리섬유를 수백 가닥 꼬아서 만든 ‘유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)’ 역시 스포츠카 업체 중심으로 많이 쓰이고 있다. 이들 소재는 생산성을 높이고 값을 낮추려는 여러 업체의 연구가 이어지고 있어 점차 사용범위가 넓어지는 추세다.

이 밖에 자동차 디자인으로 바람 저항을 줄여 연비를 올리기도 한다. 공기역학은 자동차 디자인에 있어 빼놓을 수 없는 요소다. 자동차는 대체로 시속 60㎞ 이상 속도부터 차체에 작용하는 저항력이 급격히 증가하는데 이는 연비, 최고 속도, 가속 성능 등에 영향을 준다. 일반적으로 저항의 크기는 속도의 제곱에 비례한다. 차가 시속 60㎞로 달릴 때 저항의 힘이 20㎏이라면, 시속 120㎞에선 80㎏이 된다.

완성차업체 관계자는 “바람의 저항을 가장 덜 받는 외관 디자인설계를 비롯해 차량으로 유입되는 공기를 통제하고, 주행 시 끊임없이 발생하는 노면과의 마찰을 줄이는 방식 등으로 공기 저항을 줄여 연료 소비 효율 향상을 추구한다”고 말했다.

권도경 기자 kwon@munhwa.com