압축비 매직, 마쓰다의 스카이액티브 기술

마쓰다의 스카이액티브는 파워트레인과 보디, 섀시를 모두 아우르는 기술이다. 스카이액티브 기술을 통해 평균 연비를 30% 이상 높일 수 있다는 입장이다. 이는 CO2 배출량 23%에 해당되는 것이며 2015년에는 모든 마쓰다 차에 스카이액티브가 도입된다. 스카이액티브 기술의 가솔린과 디젤은 매우 높고 낮은 압축비로 효율을 극대화 했다. 마쓰다는 가장 이상적인 내연기관이라고 자신한다.

스카이액티브 엔진의 포커스는 효율의 향상에 있다. 내연기관은 꾸준한 개량을 거듭해 오고 있지만 여전히 에너지의 로스가 많다는 마쓰다의 설명이다. 마쓰다는 엔진의 열효율을 높이는 동시에 내부 저항과 엔진 무게를 줄이는데 포커스를 맞췄다. 궁극적으로는 내연기관의 열효율 60%를 달성한다는 계획이다.

마쓰다의 접근은 압축비와 공연비, 연소 듀레이션, 연소 타이밍, 펌핑 로스, 기계적인 마찰 저항 6가지로 압축된다. 이 6가지를 최적화한다는 계획이다. 이중 두드러지는 것은 압축비이다. 최근 공개된 스카이액티브 가솔린과 디젤의 압축비는 14:1이다. 이는 현재까지 나온 가솔린 중에서는 가장 높고 디젤 중에서는 가장 낮은 것이다.

스카이액티브-G로 불리는 새 2리터 가솔린은 기존의 2리터 MZR 대비 연료 소모와 CO2 배출량은 15%가 낮다. 반면 옥탄가 87 연료 기준으로 중저속 토크는 15%가 강하다. 마쓰다는 압축비를 높임으로써 열효율이 비례해 높아졌고 이와 함께 연비도 좋아졌다고 밝혔다. 반면 점화 타이밍을 늦추고 공연비를 짙게 해 높은 압축비에 따른 노킹을 줄였다고 덧붙였다.

일반적인 4기통 엔진의 4-1 대신 4-2-1 타입의 배기 매니폴드를 채용한 것도 노킹의 발생을 줄여주는 요소이다. 다른 메이커가 이 방법을 채택하지 않은 이유는 냉간 시동 시 촉매의 예열에 많은 시간이 걸리기 때문이다. 마쓰다는 점화를 늦추면서 이런 문제를 해결했다. 연소 듀레이션을 줄인 것은 연소의 속도를 빠르게 해 미처 타지 못한 공연비가 높은 열에 노출되는 시간을 줄여준다.

2.0 가솔린의 보어×스트로크는 83.5×87.5mm로 MZR 2.0보다 보어가 작다. 보어를 줄인 것도 열효율은 높이고 냉각으로 인한 로스를 줄이기 위함이다. 거기다 S-VT(Sequential Valve Timing)를 채용하면서 펌핑 로스도 20%가 감소했다. S-VT는 흡배기 모두에 적용된다.

흡기 행정에서 실린더가 밑으로 내려갈 때 최대한 흡기 밸브와 스로틀의 열림이 지속된다. 피스톤이 BDC(Bottom Dead Center)에 도달하면 흡기 행정은 끝나지만 흡입된 공기가 필요 이상으로 많으면 피스톤이 압축 행정을 위해 위로 움직이면서 잔여 공기를 배출한다. S-VT는 컴팩트한 가변 오일 펌프에 의해 구동된다. 이 엔진은 피스톤은 20%, 커넥팅 로드의 무게는 15% 줄였으며 내부 마찰 저항은 30%가 감소했다.

새 2.2 디젤은 스카이액티브-D로 불린다. 압축비는 양산 디젤 중 가장 낮은 14:1로 현재의 2.2 MZR-CD 대비 연비가 20% 향상됐다. 그리고 SCR(Selective Catalytic Reduction) 없이 북미의 티어 2 빈 5 배기가스 기준까지 만족하는 디젤 중 하나이기도 하다. 마쓰다는 압축비를 낮추면서 공기와 연료를 보다 효율적으로 혼합할 수 있다고 밝혔다. 효율이 높다는 것은 오염 물질의 배출이 적은 것과 통한다. 마쓰다는 스카이액티브-D는 NOx 후처리 장치가 없어도 전 세계의 배기가스 기준을 만족한다고 자신한다. 매연의 배출을 실질적으로 없앴다는 설명이다.

낮은 압축비로 인한 시동성의 저하를 막기 위해 세라믹 예열 플러그와 EVVL(Exhaust Variable Valve Lifts)을 적용했다. EVVL은 뜨거운 배기가스의 순환을 원활하게 하는 역할을 한다. 압축비가 낮으면서 각 엔진 부품이 받는 스트레스가 줄어든 것도 장점이다. 최대 연소실 압력은 현 2.2리터 디젤의 2430 psi에서 1860 psi로 20%가 감소했다. 실린더 헤드는 배기 매니폴드와 통합하면서 3kg, 알루미늄 실린더 블록은 25kg의 경량화 효과가 있다.

변속기 역시 스카이액티브 기술이다. 스카이액티브 변속기는 수동과 자동, CVT는 물론 듀얼 클러치까지 나온다. 스카이액티브-드라이브로 불리는 6단 자동변속기는 모든 기어에 록 업 클러치가 연결된다. 록 업 클러치 비는 현 5단의 64%에서 88%까지 올라간다. 저속부터 작동하는 록 업 기능은 동력 전달 손실을 줄여주는 것은 연비 향상의 효과도 있다. 마쓰다는 6단 자동 적용으로 7%의 연비 개선 효과가 있다고 밝혔다. 새 MCM(Mechatronics Control Module)은 변속기 케이스와 통합되며 변속 품질을 높여준다. 이 6단 자동은 대응 토크 27.5kg.m과 46.9kg.m 두 가지로 나온다.

6단 수동 역시 적용 모델에 맞춰 두 가지 버전으로 나오며 기존의 수동에 비해 변속기 자체의 무게는 7~16%가 줄었다. 스카이드라이브-MT로 불리는 6단 수동은 앞바퀴굴림 전용으로 개발됐으며 시프트 노브의 중립에서 기어가 물리기까지의 거리도 4.57cm로 줄였다.

스카이액티브-보디는 기존 대비 8%, 스카이액티브-섀시는 14%가 경량화 됐다. 마쓰다 경량화 프로젝트의 핵심 중 하나라고 할 수 있다. 마쓰다는 모든 신차의 무게를 구형보다 100kg 가까이 덜어내는 게 목표이다. 무게는 줄어들었지만 프런트와 리어로 이어지는 굴곡을 줄여 강성을 더욱 높였다. 고장력 강판의 사용 비율을 40%에서 60%로 늘린 것도 포인트이다.