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 역사이래, 인류는 항상 금속으로 엔진을 만들어 왔다. 최근에는재료역학의 발달로 인해, 금속 외의 다른 합성 재료를 사용하는 시도가 나타나고 있지만, 여전히 지구상의 모든 엔진의 주류는 금속이다. 강철과 알루미늄 등의금속은 엔진이 잠에서 깨어난 시점부터 가동 시간 내내 발생하는 고열과 마찰 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 네 번째 이야기는 대한민국을 대표하는 자동차 기업, 현대자동차그룹에서 사용하고 있는 소형 가솔린 엔진에 대한 이야기다. 이엔진은 작게는 경차부터 크게는 준중형 승용차와 소형 크로스오버 등에 이르는 다양한 차종에 널리 쓰이고 있는 엔진이다. 이 엔진의 이름은 카파(Kappa) 엔진이다.
현대자동차그룹의 소형 차종을 책임진다
현대 카파엔진은 본래 입실론(Epsilon) 엔진을 대체할 차세대 소형 엔진으로 개발을 시작했다. 이엔진은 입실론 엔진에 비해 우수한 동력성능과 연비를 달성하는 것을 목표로 개발되었다.
카파 엔진의 특징 중 하나는 실린더 헤드와 블록에모두 고압 주조 알루미늄을 사용하고 있다는 데 있다. 이는 소형 차종을 위한 엔진에게 있어 가장 중요한요소라 할 수 있는 ‘가벼운 무게’를 위한 것이라 할 수있다. 가벼운 무게는 곧 소형 차종의 상품성에 지대한 영향을 끼치는 ‘연비’의 향상에 크게 기여하기 때문이다. 무게를 줄이기 위한 시도는 단순히재료에 국한된 것이 아니라, 엔진을 구성하는 요소들 중 일부를 일체형으로 설계하여 불필요한 중량 발생을억제했다. 이를 통해 현대 카파엔진은 최저 82.4kg밖에나가지 않는 가벼운 무게를 자랑한다.
카파 엔진의 실린더 블록은 소형 엔진에게 필요한 강건한구조강성을 확보하기 위해 사다리형 프레임 구조로 설계되었고, 실린더의 내마모성을 확보하기 위해 각 실린더내측에 주철 라이닝을 채용했다. 피스톤은 이황화 몰리브덴 코팅이 적용되며 피스톤 오일 링에는 자사의타우(Tau) 엔진에 적용한 바 있는 PVD(PhysicalVaper Deposition, 물리적 증착) 공법을 적용하는 등의 공을 들였다. 아울러 냉각 시스템의 설계에도 공을 들였으며, 흡기 매니폴드에는가벼운 무게와 우수한 내열성을 양립한 엔지니어링 플라스틱을 적용했다.
카파 엔진의 또 다른 특징으로는 크랭크 축이 실린더의중심에서 약간 벗어나 있는 오프셋 배치를 사용하고 있다는 점이다. 대부분 왕복엔진들의 크랭크 축이 실린더의중심과 완전히 일치하는 것과는 다르다. 이는 피스톤과 커넥팅 로드 등에서 발생하는 횡 방향의 힘을 억제하기위한 것으로, 엔진의 기대수명을 늘리고 소음과 진동을 줄이기 위한 것이라고 할 수 있다.
카파 엔진은 기본적으로 4기통 레이아웃을 바탕으로 하지만 이를 변형한 3기통 레이아웃 또한사용하고 있다. 3기통 사양은 1.0리터 모델에만 해당되고나머지 바리에이션은 모두 4기통 레이아웃을 따른다. 실린더보어(내경)는 71mm와 72mm 사양이 존재하고 스트로크(행정 길이)는 사양에 따라 84mm, 75.6mm, 78.8mm, 그리고 97mm의 4종이 존재한다. 총배기량은 1.0리터(998cc), 1.2리터(1,197cc), 1.25리터(1,248cc), 1.4리터(1,397cc), 그리고 1.6리터(1,579cc)의 5개 바리에이션이 존재한다.
카파엔진은 실린더 헤드 역시 고압 주조 알루미늄 합금으로만들어 진다. 밸브트레인은 기통 당 4밸브의 DOHC(Double Overhead Cam) 방식을 채용했다. 카파엔진은 3기통 사양과 4기통 사양이 공존하므로, 3기통 사양은 총 12개, 4기통사양은 총 16개의 밸브가 실린더 헤드에 설치된다. 캠 구동에는소음 저감 설계가 적용된 강철제 타이밍 체인을 사용하며, 구동부의 마찰계수를 낮추는 설계를 적용함으로써높은 효율을 이끌어낼 수 있도록 했다.
카파 엔진은 5종의자연흡배기 바리에이션 외에도 다양한 형태가 존재한다. 그 중에는 직분사(GDI) 기구와 터보차저를 적용한 사양은 물론, 앳킨슨 사이클을 적용한사양도 존재한다.
도입부에서도 언급하였듯이, 현재 카파 엔진은 현대자동차 그룹의 소형 차종에 가장 널리 쓰이고 있는 엔진이다. 가장 작은 배기량을 갖는 3기통1.0리터 버전은 현재 기아자동차의 경차 모닝(Morning)과 레이(Ray)에 사용되고 있다. 자연흡배기 1.0리터 카파 엔진은 76마력의 최고출력과 9.7kg.m의 최대토크를 발휘한다. 1.0리터 카파 엔진은 LPG를 연료로 사용하는 Lpi 사양도 마련되어 있으며, 74마력의 최고출력과 9.6kg.m의 최대토크를 발휘한다.
또한, 여기에직분사 기구와 터보차저를 얹은 1.0 T-GDI 버전도 존재한다. 카파 1.0 T-GDI 엔진은 100마력의 최고출력과 17.5kg.m의 최대토크를 발휘한다. 이 엔진은 모닝 터보 모델이외에도 최근에 소형 크로스오버 모델인 스토닉에도 적용된 바 있다. 단, 스토닉에 사용되는 카파 1.0 T-GDI 엔진은 120마력의 최고출력을 낸다.
카파 엔진의 1.2리터와 1.25리터 사양은 주로 수출용 차량에 사용되고 있는 엔진이다. 1.2리터사양은 카파 엔진의 설계적인 기반을 이루는 버전이기도 하다. 1.2리터 카파 엔진은 77마력의 최고출력과 11.4kg.m의 최대토크를 발휘하며 1.25리터 카파 엔진은 80마력의 최고출력과 11.8kg.m의 최대토크를 발휘한다. 이 사양의 엔진을 사용하는차종으로는 현대 i10, i20 등이 존재하며, 기아자동차에서도피칸토(Picanto, 모닝의 수출형), 리오(Rio) 등의 소형 차종을 중심으로 사용하고 있다.
카파 엔진의 1.4리터사양은 1.0리터급과 함께 국내 시장에서 사용되고 있는 유닛 중 하나다. 1.4리터 카파 엔진은 일반적인 MPi(다점 연료분사)를 사용하는 자연흡배기 사양, 그리고 직분사 기구와 터보차저를 사용하는 T-GDi 사양으로 나뉜다. 국내 시장을 기준으로 자연흡배기 사양은현대 엑센트를 비롯하여 기아 스토닉 등의 소형 차종이 사용하고 있으며, 1.4리터 T-GDi는 현대 i30와 벨로스터 등에 사용되고 있다. 자연흡배기 사양의 1.4리터 감마 엔진은 100마력의 최고출력과 13.6kg.m의 최대토크를 내며, 감마 1.4 T-GDI 엔진의 경우에는 140마력의 최고출력과 24.7kg.m의 최대토크를 발휘한다.
카파 엔진의 바리에이션 중에는 1.6리터 사양 또한 존재하는데, 이는 상기한 엔진들과는 배기량을비롯해 많은 부분에서 다르다. 1.6리터 카파 엔진은 앳킨슨 사이클을 채용하는 등, 친환경 차량을 위한 엔진으로서 설계되었다. 앳킨슨 사이클은 1회의 행정에 1회 회전하는 엔진으로, 1행정 당 2회 회전해야 하는 오토 사이클 엔진에 비해 펌핑 손실이적어, 더욱 뛰어난 열효율을 기대할 수 있다. 또한 직분사기구를 적용하여 효율을 더욱 끌어 올린다.
이 엔진을 사용하는 차는 바로 현대자동차 최초의 본격친환경 자동차라고 할 수 있는 ‘아이오닉(IONIQ)’, 그리고같은 플랫폼와 하이브리드 시스템을 사용한 기아자동차 ‘니로’가있다. 최고출력은 105마력, 최대토크는 15.0kg.m의 성능을 낸다. 또한 이 엔진을 기반으로 구성된 현대자동차의 하이브리드 시스템은 시스템 합산141마력의 최고출력과 27.0kg.m의 최대토크를 낸다.
