신형 그랜저의 엔진이 구형 쏘나타보다 시끄러운 이유
엔카매거진 | 2016.01.29 11:31
가솔린 직분사 엔진은 장점이 많다. 포트분사 엔진보다 연비가 좋아 배기가스 배출이 적고, 더 강한 힘을 내서 차를 잘 달리게 한다. 반면 고압 인젝터의 장비로 인한 소소한 단점도 있다. 특유의 인젝션 소음이 난다는 것과 부품값이 비싸다는 것. 국내 메이커 중에서는 현대와 기아가 직분사 엔진을 적극 투입하고 있다. 반면 르노삼성과 쉐보레는 상대적으로 인색한 편이다.
글_ 정상현 기자
예전부터 알고 지내던 학교 선배가 얼마 전 차를 바꿨다. 지금까지 타던 차는 2006년 생산된 현대 쏘나타(NF, 가솔린 2.0 모델)였다. 이번에는 급을 높여 그랜저(HG, 가솔린 2.4 모델)로 올라섰다. 차체와 엔진 배기량이 커진 데다 최신 모델이니까 새 차에 대한 그의 만족도가 높은 건 자명한 일. 한데 예상이 빗나갔다. “새 차 받은 거 축하한다”는 필자의 말에 그는 한숨을 푹 쉬었다. 고작 5,000km 달렸는데 10만km 넘게 탔던 쏘나타보다 엔진이 더 시끄러운 기분이라며 인상을 팍 썼다. 아무래도 차에 이상이 있는 게 분명한데, 정비소에서는 정상이라는 말만 되풀이 했단다. 하지만 필자의 판단에 따르면 정비소는 결코 거짓말을 하지 않았다. 그렇다고 그가 예민하게 구는 것도 아니다. 그의 차는 정말이지 지극히 정상이니까.
이 글은 이와 비슷한 고민을 겪고 있는 ‘최신형 자동차 오너’들에게 바치는 기사다. 요즘 차들은 예전에 나왔던 자동차들보다 대체로 엔진 소리가 시끄럽다. 설령 방음이 잘 되어 있다고 해도 엔진룸 주변에 서면 가솔린 엔진인데도 디젤차처럼 거친 소리가 인다. 그 이유는 엔진의 연료 분사 방식에서 찾을 수 있다. 요즘 가솔린 엔진들은 예전과 달리 실린더 내에 직접 연료를 쏘는 ‘직분사 엔진’이 많은 탓이다.
최신형 엔진의 필수품, 직분사 인젝터
엔진은 혼합기(연료+산소)의 ‘폭발’로써 힘을 낸다. 따라서 엔진이 힘을 내기 위해서는 엔진 내에 연료를 쏘아 주어야만 한다. 이러한 연료분사 방식에 따라 오늘날의 가솔린 엔진은 포트분사(PI) 방식과 직접분사(DI) 방식 엔진으로 나뉜다. 이 둘의 차이를 짚어내기 전에, 우선 최근 가솔린 엔진의 발전 흐름을 살펴보는 게 도움이 된다. 이를 알아보고 나면 왜 최신 엔진에 직접분사 방식이 도입되고 있는지를 유추할 수 있기 때문이다.
80년대까지만 해도 대부분의 가솔린 엔진은 실린더로 전달되는 공기 흐름에 의해 ‘수동적’으로 혼합기를 만드는 카뷰레터 방식(기계식)이 대부분이었다. 이후 배기가스 규제 강화에 따라 전자적으로 제어하는 연료 분사 방식이 개발되었는데, 이때부터 요즘 쓰이는 것과 유사한 간접분사 방식이 쓰였다. 초기에는 스로틀 보디에 인젝터를 달아 전체 실린더로 들어가는 연료를 하나의 인젝터가 공급하는 게 주류였다. 이를 단일 연료분사 시스템(SPI)라고 일컫는다. 하지만 이 방식으로는 각각의 실린더에 연료(또는 혼합기)를 고르게 보낼 수 없다는 단점이 있었다. 이를 보완하기 위해 각 실린더에 연결된 흡기 포트(흡기 밸브 안쪽에 위치)에 인젝터를 개별적으로 다는 방식이 개발되었다. 이것이 바로 우리에게 익숙한 다중 연료분사 시스템(MPI)으로서 현재 널리 쓰이는 포트분사 방식에 해당한다.
이러한 연료 분사 방식의 발전 방향은 그야말로 명확하다. 배기가스를 줄이고, 연료 효율을 높여 좋은 연비를 내게 하고, 엔진 성능을 끌어올려 차를 잘 달리게끔 하는 거다. 이를 위해서는 연료분사를 정밀하게 하면 된다. 하지만 포트분사 방식은 연료가 실린더에 들어가기 전에 연료를 뿌린다. 즉 흡기 밸브 위쪽에서 미리 연료를 쏜다는 얘기다. 하지만 혼합기는 실린더 안쪽에서 폭발이 이뤄진다. 그렇다면 차라리 폭발이 진행되는 실린더 안쪽으로 직접 연료를 쏘아주면 안 될까? 이런 질문으로부터 출발한 방식이 바로 가솔린 직분사 엔진이다. 직분사 엔진의 인젝터는 실린더 안쪽에 직접적으로 연료를 쏜다. 그야말로 다이렉트(direct)인 것. 그래서 영문으로는 GDI(Gasoline Direct Injetion)나 DFI(Direct Fuel Injection), DPI(Direct Petrol Injection) 등으로 불린다.
가솔린 직분사 엔진이 포트분사식보다 출력과 연비가 좋은 건 그저 연료분사 위치가 바뀐 탓이 아니다. 핵심 중 하나는 연료분사 압력의 차이에 있다. 포트분사식처럼 흡기 포트 쪽에 인젝터를 달면 밸브 개폐 타이밍 때문에 연료를 마음대로 쏘기 어렵다. 하지만 실린더로 직접 연료를 쏘면 자유로운 연료 분사가 가능하고 분사 압력도 높일 수 있다. 이처럼 연료를 고압으로 쏘면 같은 양의 연료로 더 좋은 성능을 이끌어낼 수 있다. 아울러 포트분사식에 비해 연료 자체가 실린더 내부를 냉각시키는 역할을 한층 적극적으로 수행한다. 이에 따라 노킹까지 줄어 압축비를 높일 수 있다. 또한 정밀한 연료분사로써 희박연소가 가능하다. 초기 시동 때의 배출가스도 포트분사식보다 더 적다. 연료의 기화가 포트분사식보다 유리한 까닭이다.
소음과 비싼 가격이 약점
참고로 보쉬가 공급하는 현대차의 감마 1.6L 직분사 엔진용 인젝터의 분사 압력은 최대 150바(bar)다. 이에 따른 약점도 있다. 고압 인젝터는 연료를 포트분사식보다 훨씬 강하게 쏘기 때문에 특유의 연료분사 소음이 난다. 그래서 앞서 언급한 사례와 같은 일이 벌어진다. 쏘나타는 포트분사식 쎄타 2.0L 엔진이고, 그랜저의 세타 2.4L 엔진은 직분사식으로서 특유의 찰찰거리는 인젝션 소음이 났던 것. 하지만 엔진 성능은 그랜저 쪽이 월등히 우세하다. 아울러 연비마저도 그랜저가 예전의 쏘나타보다 더 좋다.
다른 단점도 존재한다. 직분사 엔진은 대체로 압축비가 높아 연료 품질에 민감하다. 그래서 대부분의 직분사 엔진들은 옥탄가 95 이상의 고급휘발유를 권장한다. 이는 운전자 입장에서 적잖은 부담이다. 아울러 실린더로 직접 연료를 분사하므로 흡기 포트 쪽에 카본 찌꺼기가 누적된다는 문제도 있다. 물론 포트분사 엔진도 카본 찌꺼기가 낀다. 하지만 포트분사식 엔진은 흡기 포트 쪽으로 연료를 쏘면서 그 분사 압력으로 이러한 카본 축적을 피할 수 있다. 반면 직분사는 실린더로 직접 연료를 쏘므로 이러한 '세척 기능'이 태생적으로 불가능하다.
무엇보다 가장 큰 단점은 인젝터의 값이다. 직분사 인젝터를 양산하기 위해서는 정밀한 인젝터 가공 기술은 물론 실린더 안쪽의 폭발을 견딜 수 있는 내구성까지 챙겨야 한다. 따라서 흡기 포트 쪽에 달리는 인젝터보다 고가일 수밖에 없는 노릇이다. 이러한 원가 상승 압박은 결국 소비자의 부담으로 이어지기 마련. 그래서 직분사 엔진의 도입은 대게 프리미엄 브랜드 위주로 이뤄지고 있다.
이처럼 직분사 엔진은 효율 상승과 성능 향상이라는 커다란 장점을 갖고 있다. 하지만 유지보수의 불리함, 특유의 소음, 비싼 값이라는 약점도 품는다. 이러한 연유로 완성차 메이커의 성향에 따라 직분사를 적극 도입하는 곳도 있고, 여전히 포트분사를 고집하는 회사도 있다. 우리나라 메이커를 예로 들면 현대와 기아차는 직분사 엔진을 널리 쓰고 있으며 르노삼성이나 쉐보레는 이에 인색한 편이다. 폭스바겐과 아우디, BMW, 포르쉐 등의 유럽 브랜드는 직분사 엔진을 일찌감치 도입했지만 일본의 토요타는 "우리는 포트분사 엔진으로도 직분사 수준의 성능과 연비를 낼 수 있어 포트분사를 고집한다"고 선언하기도 했다. 따라서 '무조건 직분사 엔진이 좋다'는 건 위험한 논리다. 결국은 선택의 문제일 뿐이라는 얘기다.
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