자동차 연비 하락의 주범 토크컨버터는 무엇일까?

이제 자동차 구매할 때 자동변속기를 장착하지 않은 자동차는 상상조차 할 수 없는 시대가 되었고 수동변속기 차량은 구시대 유물로 취급하거나 수동변속기 자동차를 소유하면 주위 사람들로부터 "왜 자동변속기를 선택 안 하셨어요?"라는 질문은 물론 가까운 사람이나 가족들한테 "왜 불편함을 사서 자처하냐?"라는 핀잔 등을 들을 것이다. 하지만 20년 전만 해도 자동변속기보다 일정한 속도에 맞춰 운전자가 알맞은 기어를 변속하는 수동변속기를 탑재한 자동차가 훨씬 더 많았으며 그 당시 자동변속기 단수는 3, 4단이 대부분이고 동력 손실도 커서 수동변속기와 비교 시 연비와 가속력에서 열세를 보였다.

그러나 시대가 지나면서 3, 4단이 주류였던 자동변속기가 5단이 되더니 그 뒤에 6단과 7단 자동변속기가 등장하게 되었고 최근에는 8단 심지어 9단 자동변속기까지 등장하게 되었다. 다단 자동변속기의 등장과 함께 수동변속기와 비슷한 구조를 지니면서도 클러치 페달을 밟을 필요가 없게 된 MCP 또는 2개의 클러치가 홀수 또는 짝수의 기어를 각각 담당하는 DCT 그리고 풀리 크기가 가변적으로 변하는 CVT가 수동변속기를 뛰어 넘는 효율성을 자랑하고 있다.

하지만 DCT 그리고 MCP를 제외한 다단변속기나 CVT는 예나 지금이나 변속기 내부의 오일 압력을 통해 동력을 전달해줘야 하며 이러한 역할을 하는 부품이 바로 토크컨버터이다.

엔진, 자동변속기 사이에 있는 토크컨버터

토크컨버터는 엔진에 붙어 있는 플라이휠의 동력을 전달 받아 토크컨버터 내부 베인에 있는 오일이 토크컨버터 미션 축에 붙은 터빈을 때리면서 변속기에 동력이 전달된다. 쉽게 설명하면 두 개의 선풍기가 마주보고 있는 상태에서 둘 중 하나의 선풍기가 작동하면 맞은 편 선풍기의 바람개비도 돌아가는 것과 같은 원리이다.

물리적으로 직접 동력을 전달하는 수동변속기나 DCT 등과 달리 부드러운 출발이 가능하다는 장점이 있지만 변속기 내부 오일의 압력으로 동력을 전달하기 때문에 동력이 손실된다는 단점이 있다. 하지만 1990년대 이후 토크컨버터 내부에 동력을 물리적으로 전달하는 록업클러치가 토크컨버터 내부에 적용되면서 동력 손실을 줄이기 시작했다.

록업클러치는 운전자의 엑셀레이터 페달을 밟는 정도 주행상황에 따라 개입시기가 달라지는데 4단 자동변속기를 탑재한 1990-2000년대 초반 자동차들의 경우 완만한 가속 상황에서 4단으로 변속 후 마치 5단이 들어간 것처럼 엔진회전수가 살짝 낮아지는데 이런 경우 록업클러치가 활성화되어 유압이 아닌 직접 동력이 전달되면서 연비가 상승한다.

연비하락의 주범 토크컨버터는 있어야 할까? 없어야 할까?

토크컨버터는 유압으로 동력을 전달하는 자동변속기의 핵심 부품이기 때문에 자동변속기에서 없어서는 안 되는 필수 부품이지만 한편으로는 연비를 갉아먹는 주범이기도 하다. 그래서 최근에 출시되면 자동변속기의 토크컨버터는 물리적으로 동력을 전달하는 록업클러치의 개입 시기를 빠르게 설정해 연비를 높이고 있다.

그렇다면 토크컨버터가 삭제된다면 어떻게 될까? 연비를 더욱 높이기 위해 하이브리드 자동차 모델의 자동변속기 또는 CVT에는 토크컨버터가 없다. 토크컨버터가 없으면 1,500rpm 이하의 저회전에서 엑셀레이터 페달을 밟게 되면 진동이 증가하게 된다.

무엇보다도 가장 큰 문제는 큰 힘을 필요로 할 때 충분한 힘을 낼 수가 없다. 현재 출시되는 자동차 취급설명서에는 표기되지 않지만 1세대 SM5 등 오래된 자동차 취급설명서를 보면 등판능력까지 표기되어 있는데 대부분 우리가 알고 있는 상식과 다르게 자동변속기가 오히려 수동보다 등판능력이 좋다.

지금은 자동변속기가 다단화되어 같은 자동차 모델이라도 1단 기어비가 자동변속기 기어비가 수동변속기보다 더 큰 경우가 많지만 자동변속기 단수가 4단이 대부분인 과거에는 1단 기어비가 수동이 자동보다 더 큰 경우가 많았다. 기어비는 크면 클수록 큰 힘을 내지만 기어비가 커버하는 속도영역이 작은 단점이 있다. 따라서 이론적으로 기어비만 따지면 4단 자동변속기 기어비가 작기 때문에 5단 수동변속기를 탑재한 자동차보다 등판능력이 떨어져야 한다.

그러나 등판능력은 반대로 4단 자동변속기가 5단 수동변속기 더 높은데 그 이유는 자동변속기 내부에 있는 토크컨버터가 시동이 꺼지지 않으면서도 큰 힘을 내 수 있는 역할을 하기 때문이다. 따라서 토크컨버터라는 부품이 없다면 과거 자동변속기가 탑재된 차량은 평지 위주로만 주행을 해야 할 것이다.

일부 하이브리드 자동차 모델들이 가파른 언덕에서 출발을 못하거나 속도를 낼 수 없는 가장 큰 이유가 효율성을 높이기 위해 토크컨버터가 삭제되었기 때문이다. 이런 경우에는 토크컨버터가 삭제된 대신 저회전에서 토크가 높은 전기모터가 토크컨버터 역할을 대신하게 된다.

그러나 하이브리드 자동차가 아닌 단일엔진을 탑재한 대부분의 자동차의 자동변속기는 토크컨버터가 반드시 있어야 가파른 오르막 구간 등 극한 상황에서도 큰 힘을 낼 수 있다. 따라서 최근 자동변속기는 출발 기어인 1단 기어를 제외한 나머지 기어에서 록업클러치를 활성화시켜 동력 손실을 최소화하고 있다.

김진우 기자 <탑라이더 kimjw830@top-rider.com>