세계 최고 수준의 파워트레인 기술을 쌓아 올리다
파워트레인 경쟁력을 위한 개발자들의 이야기를 들어봣다.
파워트레인은 내연기관 자동차의 핵심 기술로 꼽힌다. 파워트레인의 완성도에 따라 자동차의 성능 및 주행 품질이 결정되기 때문이다. 파워트레인의 또 다른 특징으로는 ‘현대 기계공학의 결정체’라고 불릴 만큼 높은 기술장벽이 존재하고, 이로 인해 후발주자가 선두 주자를 따라잡기 어려운 분야라는 점이다. 지구상에 자동차가 등장한 지 130년이 지났지만, 여전히 엔진과 변속기 모두를 자체 기술로 만드는 자동차 제조사는 한 손으로 헤아릴 만큼 적은 이유도 바로 이 때문이다.
첫 독자 개발 엔진 알파를 탑재한 현대차 스쿠프이런 배경 가운데 현대차그룹은 파워트레인 경쟁력을 확보하기 위해 끊임없이 노력해 왔다. 또한 그 과정에서 기술적 성취를 이뤄왔다. 특히, 엔진 분야에서 거둔 현대차그룹의 성과는 우리나라 자동차산업에서 중요한 의미를 갖는다. 현대차그룹은 1991년 우리나라 최초의 독자 엔진인 알파 엔진을 성공적으로 개발한 데 이어서 베타, 입실론, 델타, 감마, 람다, 타우, 카파, 누우 등의 3기통부터 8기통까지 이르는 엔진 풀라인업(*가솔린 기준)을 자체 역량으로 확보한 바 있다.
해외 자동차 제조사들이 세타 엔진 기술을 도입하면서 우수성을 인정 받았다현대차그룹의 엔진 기술은 해외에서도 인정받고 있다. 2004년에는 월드 엔진 프로젝트(GEMA, Global Engine Manufacturing Alliance)로 탄생한 엔진 기술을 해외 자동차 제조사인 다임러 크라이슬러와 미쓰비시에 수출하며 대한민국 자동차 역사에 길이 남을 쾌거를 달성했다. 또한 미국의 유명 자동차 컨설팅 업체인 워즈오토(Wards Auto)가 매년 선정하는 ‘세계 10대 엔진상’에서는 2009년부터 2011년까지 타우 엔진으로 3년 연속 수상했으며, 이후 1.6 감마(2012년), 2.0 누우 플러그인 하이브리드(2016년), 1.4 카파 T-GDi(2017년), 3.3 람다II T-GDi(2018년), 스마트스트림 G1.6T(2020년), 스마트스트림 G2.5T(2021년) 등으로도 시상 무대에 올랐다.
현대차그룹이 개발한 전륜 8단 습식 DCT는 쏘렌토(MQ4)를 통해 처음 소개됐다변속기 분야에서도 값진 결과를 거두었다. 변속기에는 고도의 정밀성과 까다로운 기술이 필요하다. 이로 인해 독자 엔진을 확보한 자동차 제조사도 변속기만큼은 변속기 전문 제조사로부터 공급받는 경우가 일반적이다. 그러나 현대차그룹은 1991년 전륜 4단 자동변속기를 시작으로 전륜 5단 자동(2005년), 전륜 6단 자동(2008년), CVT(2009년), 전륜 6단 건식 DCT(2011년), 후륜 8단 자동(2011년), 전륜 8단 자동(2016년), 전륜 8단 습식 DCT(2020년) 등을 모두 독자 개발하는 데 성공했다. 참고로 자동변속기, 수동변속기, DCT, CVT 등의 원리가 다른 모든 종류의 변속기를 자체 역량으로 확보한 자동차 제조사는 전 세계에서 현대차그룹이 유일하다.
전동화구동시험1팀 임혁 파트장(좌측)과 연구개발품질확보팀 신용욱 책임연구원(우측)이 파워트레인 개발자로 겪은 여러 가지 이야기를 전했다이처럼 의미 있는 업적을 이룬 현대차그룹 파워트레인 기술의 중심에는 언제나 뜨거운 열정과 집념으로 묵묵히 연구에 전념해 온 개발자들이 존재한다. 이들의 헌신과 노력 덕분에 현대차그룹의 파워트레인 기술이 발전할 수 있었기 때문이다. 엔진과 변속기 분야에서 현대차그룹의 기술을 쌓아 온 수많은 개발자들 가운데 전동화구동시험1팀 임혁 파트장과 연구개발품질확보팀 신용욱 책임연구원을 대표로 만나 개발자로서 소회를 들어봤다.
“엔진도 결국 사람이 만듭니다”, 엔진 개발 전문가 임혁 파트장
임혁 파트장은 지난 1995년 현대차에 입사한 이래로 줄곧 엔진만을 연구한 베테랑 개발자다. 지난 2012년 국내 최고 권위의 공학상인 IR52 장영실상과 2023년 국회 산업통상자원중소벤처기업위원회 위원장상을 각각 수상하면서 대외적으로도 엔진 기술 발전에 대한 공헌을 인정받은 바 있다. 그가 현대차에서 개발자의 삶을 시작한 계기는 엔진 연구에 대한 욕심 때문이었다. 대학원에서 엔진 시험을 전공한 임혁 파트장은 보다 심화된 연구를 하기 위해서는 자동차 제조사의 환경이 더 낫다는 판단 아래 대학원을 그만두고 현대차의 문을 두드렸다. 그는 현대차가 당시 독자 엔진을 개발한 국내 유일의 자동차 제조사라는 점 또한 진로 결정에 영향을 미쳤다고 말했다.
“대학원생 시절 참가한 학회에서 현대차의 엔진 연구 수준이 높다는 사실을 알고 현대차에 지원했습니다. 입사 초기 마북리연구소에서 만난 선배님들 모두 학구적이고 진취적인 모습이셨죠. 그때 쌓은 경험은 이후 엔진 개발에 대한 저의 소양을 다지는 토대가 되었습니다. 2013년부터 2017년까지는 현대차그룹 미국기술연구소(Hyundai America Technical Center)에 엔진 시험 주재원으로 파견 나간 뒤 복귀했으니, 올해로 30년째 현대차 엔진 개발 부서에서 동고동락했다고 볼 수 있습니다.”
델타 엔진은 EF 쏘나타, 그랜저 XG, 트라제 XG, 투스카니, 투싼(JM) 등 2000년 전후 현대차 주력 모델에 적용돼 인기를 끌었다그가 처음 개발에 참여한 엔진은 현대차의 첫 독자 개발 6기통 엔진인 델타 V6 2.5 시작 1호기였다. 이후로는 쏘나타(NF, YF, LF, DN8), 그랜저(HG, IG), 투싼(LM, NX4), 싼타페(TM, MX5), 팰리세이드, 제네시스 G80(RG3) 등 현대차그룹을 대표하는 주요 모델의 엔진 개발을 담당했다. 현재 임혁 파트장은 현대차그룹의 주력 엔진인 스마트스트림 G2.5(형식명 G4K) 엔진 개발을 맡고 있다.
스마트스트림 G2.5 엔진은 터보차저, 터보 하이브리드, 후륜구동 대응 터보차저 등의 여러 사양으로 개발됐다스마트스트림 G2.5 엔진은 2.5 자연흡기(쏘나타 DN8, 그랜저 GN7)를 기본으로 2.5 T-GDi(싼타페 MX5), 2.5 T-GDi 하이브리드(신차 탑재 예정), 후륜구동 대응 2.5 T-GDi(제네시스 G80 RG3, GV80 JX1), 2.5 T-LPDi(포터II) 등으로 세부 사양이 다양하다. 이렇듯 여러 개의 엔진 개발에 매진하는 임혁 파트장 한 사람의 역할이 그만큼 중요할 수밖에 없다. 그 역시 엔진 개발에는 사람이 중요하다고 답했다.
“엔진도 결국 사람이 만듭니다. 엔진 개발 과정에서 ‘내 작품’이라는 수식어가 붙는 순간 남다른 애정과 열정을 쏟을 수 밖에 없습니다. 개발자 입장에서는 수많은 시행착오와 고민 끝에 완성된 결과물이 고객으로부터 좋은 반응을 얻을 때 정말 큰 보람을 느끼게 됩니다.”
그렇다면 그가 개발에 참여했던 엔진 중에 가장 애착이 가는 엔진은 무엇일까? 임혁 파트장은 개발에 참여한 모든 엔진에 애착이 가지만, 그중 하나만 고르자면 스마트스트림 G2.5 T-GDi 엔진이라고 언급했다.
스마트스트림 G2.5T 엔진은 중형 전륜구동 모델, 대형 후륜구동 모델에 두루 활용된다임혁 파트장이 엔진 개발 과정에서 이슈를 해결한 사례로 2017년 여름 미국기술연구소에서 남양연구소로 복귀하자마자 스마트스트림 G2.5 엔진 개발에 투입돼 고군분투했던 일화를 떠올렸다. 그는 당시의 상황을 이렇게 설명했다.
“한국에 와서 개발 중인 스마트스트림 G2.5 엔진을 살펴보니 엔진 하드웨어 개발이 대부분 끝난 상태였지만, 정작 엔진 연소에서 중요한 역할을 담당하는 가변밸브기구가 제대로 작동하지 않았습니다. 가변밸브기구를 공급하는 업체의 실력 부족이 주원인이었죠. 이를 타개하기 위해 당시 엔진개발센터장님과 협의해 이미 양산에 성공한 e-CVVT(electrical continuous variable valve timing)라는 가변밸브기술을 적용하기로 했습니다. e-CVVT는 전동식 액추에이터로 작동하는 가변밸브기구로 당시 쏘나타(LF), 그랜저(IG), 싼타페(TM) 등에 먼저 적용돼 품질 안정화를 이룬 상태였습니다. e-CVVT의 품질은 이미 검증됐으니 이를 적용한 스마트스트림 G2.5 엔진의 완성도도 높으리라 확신했습니다.”
물론 그가 이런 결정을 내리기까지의 과정은 결코 녹록치 않았다. 새로운 기구를 적용하는 것은 엔진 기초 설계를 다시 해야 한다는 의미이기 때문이다. 그를 포함한 엔진 개발자들은 e-CVVT 가변밸브기구를 탑재하기 위해 2년 동안 설계 변경, 엔진/차량 시험 등을 포함한 개발 과정을 또다시 반복했다. 늦은 시간과 주말까지 이어진 이들의 헌신 끝에 2019년 드디어 스마트스트림 엔진 양산에 성공할 수 있었다. 임혁 파트장이 그때의 감동을 이렇게 떠올렸다.
“만약 원인 파악 직후 빠르게 개발 방향을 바꾸지 않았다면, 스마트스트림 G2.5 엔진을 제때 양산할 수 없었을 것입니다. 제 경험상 완성도가 부족한 엔진은 반드시 문제를 일으켰으니까요. 후배와 가끔 그 시절을 되돌아보며 당시의 판단이 얼마나 중요했는지 이야기를 나눕니다.”
임혁 파트장은 내연기관 기반의 차세대 파워트레인 연구도 맡고 있다현재 임혁 파트장은 효율성 향상에 초점을 맞춘 스마트스트림 G2.5 고전압 일렉트릭 슈퍼차저와 스마트스트림 G2.5 기반 전기차용 발전모듈 외에도 탄소중립연료인 이퓨얼(e-Fuel) 등의 신기술 개발에도 참여하고 있다. 또한, 기존 엔진의 효율 및 성능 향상을 위해 각종 연구를 진행하고 있다. 그는 전동화 시대에도 내연기관이 할 일이 존재하며 새로운 시대에 맞춰 내연기관 기술도 변화하고 있다고 설명했다.
“최근 들어 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 주행거리연장 전기차(EREV)가 LCA(Life Cycle Assessment)나 WTW(Well-to-Wheel) 관점에서 우수한 효율성과 환경성 등으로 다시 조명을 받고 있습니다. 엔진과 PE 시스템을 최적으로 조합한 엔진 개발 컨셉트를 제시한다면 더 나은 친환경 파워트레인의 시대를 열지 않을까요? 가까운 미래에는 탄소 기반의 합성연료인 이퓨얼에 대응하는 엔진도 제 역할을 하리라 생각합니다.”
임혁 파트장의 개발 경력은 올해 30년차를 맞이했다그렇다면 그와 같은 베테랑 개발자로 거듭나기 위해서는 어느 정도의 경험을 쌓아야 할까? 그는 엔진 개발 전체 과정을 한 번씩 겪을 때마다 개발자의 실력이 달라진다고 평가했다. “새로운 엔진 개발에는 약 5년이 걸립니다. 엔진을 두 번째 개발할 때는 엔진에 대한 이해력이 높아지고, 세 번째 개발에서는 엔진 개발에 필요한 것들이 정확히 무엇인지 알 수 있습니다. 네 번째 개발에서는 앞으로의 엔진 개발 방향과 로드맵에 대한 큰 그림까지 생각할 수 있게 되죠.”
마지막으로 그는 동료들에게 전하고 싶은 이야기도 잊지 않았다. “그동안의 성과는 엔진시험, 엔진설계, 엔진해석, 차량개발 부서 동료들이 있었기에 가능했습니다. 여러분과 함께했던 지난 30년은 너무나 뜻깊었고, 앞으로 발전할 미래도 더욱 기대됩니다.”
“끊임없는 자기 혁신이 개발의 원동력입니다”, 변속기 개발 전문가 신용욱 책임연구원
신용욱 책임연구원이 미로처럼 구성된 밸브바디 내부를 설명했다변속기에는 다양한 유압시스템이 적용된다. 유체 커플링으로 동력을 전달하는 토크컨버터, 유압 회로로 변속기를 제어하는 유압제어 시스템(밸브바디-펌프 시스템) 등이 대표적이다. 지난 2005년 현대차에 입사해 변속기 개발자로서 커리어를 쌓은 신용욱 책임연구원은 이중 밸브바디 설계 및 유압시스템 개발을 담당해왔다. 밸브바디는 미로처럼 연결된 회로에 유체 흐름을 통해 변속 장치가 작동할 수 있게끔 하는 장치이며, 복잡한 유로 설계 및 높은 개발 난도가 특징이다. 이렇듯 까다로운 개발 조건에도 불구하고 그가 출원한 특허는 총 113개에 달한다. ‘가장 효율적인 동력 전달 구조를 누가 먼저 찾느냐’가 중요한 글로벌 변속기 업계에서 연구원의 특허는 곧 실력을 의미한다.
현대차그룹이 독자 개발한 전륜 8단 습식 DCT그는 먼저 변속기에 대한 개념을 다음과 같이 설명했다. “변속기는 오케스트라 지휘자와 같습니다. 엔진 구동력을 적정한 회전수와 토크로 전환해 자동차가 원활하게 주행할 수 있도록 돕기 때문이죠. 엔진이 감당하는 부하(Load)를 조절하는 것도 변속기의 몫입니다. 이에 따라 우수한 변속기는 내연기관, 모터 등 동력원과 함께 차량의 성능과 효율을 극대화합니다.”
신용욱 책임연구원의 성과는 2015년 우수사원상, 2016년 하반기 우수특허상(습식 DCT 유압시스템), 2020년 우수기술인, 2023년 현대차그룹 학술대회 구동부문 특별상 수상 등이 있을 만큼 그는 사내에서 큰 인정을 받았다. 이와 관련해 신용욱 책임연구원이 개발한 변속기 기술을 하나씩 소개했다.
신용욱 책임연구원이 처음 개발에 참여한 아반떼(HD) LPi 하이브리드의 CVT“제가 처음 설계에 참여한 유압시스템은 국내 최초의 LPG 하이브리드 자동차인 아반떼(HD) LPi 하이브리드에 탑재됐습니다. 이어서 1.0~1.6L 배기량의 카파, 감마 엔진과 짝을 이루는 CVT의 밸브바디 설계도 담당했죠. 아반떼(CN7)의 우수한 효율성을 구현한 스마트스트림 IVT의 밸브바디 기술 선행 개발에도 참여했습니다. 제가 설계하고 개발한 현대차그룹 CVT가 글로벌 전역을 누비고 있다는 사실이 뿌듯합니다.”
밸브바디는 유로를 여닫아 유체의 흐름을 조절하는 방식으로 변속기를 제어한다신용욱 책임연구원이 가장 자부심을 갖는 기술은 쏘렌토(MQ4), 싼타페(MX5), 아반떼 N 등에 탑재한 전륜 8단 습식 DCT의 유압시스템이다. 현대차그룹의 역대 변속기 가운데 가장 우수한 변속 성능과 동력 전달 효율을 확보했기 때문이다. 그 비결을 신용욱 책임연구원이 자세히 소개했다.
“밸브바디의 유압시스템은 기계식 오일펌프로 유압을 형성하는 과정에서 동력 손실이 일부 발생하며, 이는 변속기 전체의 동력 손실에서 가장 큰 비중을 차지합니다. 여기에는 오일펌프의 효율 및 사이즈가 가장 큰 영향을 미칩니다. 그러나 전륜 8단 습식 DCT에 고안한 유압시스템은 기계식 오일펌프가 아닌, 변속기 제어가 필요할 때만 오일펌프를 작동하는 온디맨드(On-demand) 방식을 채택했습니다. 따라서, 필요한 곳에 필요한 만큼만 전동식 오일펌프가 작동해 동력 손실이 적습니다. 또한, 밸브바디에 쓰이는 유량을 축소하고 오일펌프 사이즈를 최소화한 유압시스템을 구성해 우수한 변속 응답성은 물론 연료 효율성을 3% 가량 개선할 수 있었습니다. 앞으로 자동차 업계에서 이보다 나은 유압시스템은 나오기 어려우리라 생각합니다.”
전륜 8단 습식 DCT는 밸브바디 내부에 전동식 오일펌프를 적용해 동력 손실이 적다신용욱 책임연구원은 자동변속기설계팀, 선행변속기개발팀, 지능화구동제어리서치랩 등에서 변속기 관련 업무를 15년간 수행했고 이후 선행기술원으로 자리를 옮겨 인공지능을 활용한 기계 설계 개발을 담당했다. 올해부터는 연구개발품질확보팀 품질체계파트에서 엔진, 변속기를 포함한 전동화 설계 및 시험 부문의 연구개발에 ‘고장 모드 및 영향도 분석(FMEA, Failure Mode Effective Analysis)’ 기법을 적용하고 리딩하는 역할을 맡았다. 이외에도 그가 개발자로 쌓은 노하우와 연구개발 품질확보를 위해 설계 및 발명에 적용했던 연구기법인 ‘강건설계’, ‘발명 문제 해결 이론 (TRIZ, Theory of Solving Inventive Problem)’ 등을 현재 맡은 업무에 활용하고 있다고 이야기했다.
“연구개발품질확보팀은 품질 문제가 생기지 않도록 연구개발의 설계 및 고안 단계부터 사전 품질을 확보하는 곳입니다. 여기서 저는 튼튼하고 신뢰도 높은 결과물이 나올 수 있도록 다른 개발자들에게 연구 기법을 소개하고, 파워트레인 부문 협력사의 기술 역량을 평가하고 있습니다. 그러나 품질만큼은 저를 포함한 개발자 모두가 품질 관리 최전방에 서 있다고 봅니다.”
올해부터 신용욱 책임연구원은 다른 개발자들에게 연구 기법을 소개하고 사전 품질을 확보하는 연구개발품질확보팀으로 보직을 옮겼다올해부터 연구개발의 사전 품질을 이끌고 연구방법론을 전파하는 그는 ‘개발자로서 중요한 역량’에 대해 생각하게 됐다고 이야기했다. 더불어 이에 대한 답으로 ‘끊임없는 자기 혁신’을 제시하며 어느 책의 내용을 인용해 자신의 의견을 펼쳤다. “대학생 시절 <누가 나의 치즈를 옮겼나>를 인상 깊게 읽었습니다. 그 책엔 미로를 헤매는 두 마리의 쥐가 등장하는데, 큰 치즈만을 찾고 이에 만족하는 쥐 한 마리와 치즈 크기가 줄어드는 것을 깨닫고 새로운 치즈를 탐색하는 쥐가 대조적인 모습으로 그려지죠. 저는 현재에 안주하는 삶이 아닌 지속적인 자기 개발과 혁신을 추구하고 있습니다. 그래야만 개인과 조직 모두에게 좋은 결과를 가져다주기 때문이죠.”
마지막으로 신용욱 책임연구원은 과거 함께 했던 동료들에게 감사의 인사를 전했다. “동료들의 도움과 협조가 없다면 작은 부분조차 완성할 수 없는 것이 바로 자동차입니다. 득점왕인 축구선수도 조직력 없는 축구팀에 있다면 경기에서 이기기 어려운 것처럼 말이죠. 제가 힘들 때 같이 울어주고 위로해 준 그룹원들을 비롯해 지금까지 함께한 동료들이 가장 고맙습니다. 그들 덕분에 자동차 개발이 제 인생을 걸고 도전할 만큼의 가치 있는 일이 될 수 있었습니다.”
지금까지 살펴본 것처럼 글로벌 자동차 시장에서의 퍼스트 무버로 도약하고 있는 오늘날 현대차그룹의 저력에는 파워트레인 개발자들의 헌신이 깃들었다. 더 나은 미래를 향한 개발자들의 열망이 성장의 자양분으로 작용한 것이다. 앞으로도 현대차그룹은 뛰어난 상품성과 우수한 가치의 다양한 자동차를 선보이기 위해 끊임없이 노력할 것이다.
사진. 조혁수
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