BMW 이노베이션데이 2006-더 가볍게, 더 강하게!!

얼마전에 독일 뮌헨의 BMW 본사에서 BMW 이노베이션데이 2006 가 열렸습니다. 글로벌 오토뉴스에서 그 기사를 공개했습니다.(^^)

BMW 이노베이션데이 2006-더 가볍게, 더 강하게!!

BMW가 전 세계 자동차 전문기자들을 그들의 본사가 있는 뮌헨으로 초청해 그들이 개발하고 있는 새로운 엔진과 관련된 기술들을 공개했다. 올 해의 특징은 그동안 디젤 엔진의 발전에 비해 상대적으로 늦은 감이 있던 가솔린 엔진의 개량에 획기적인 테크놀러지를 도입했다는 것이다. 언제나 그렇듯이 BMW는 그들의 브랜드 아이덴티티인 ‘드라이빙 다이나믹스’을 살리면서 출력과 토크를 증강시키고 연료소비의 최소화, 최적의 중량저감을 실현해 내고 있음을 강조했다. BMW 이노베이션데이 2006 현장에서 만난 신기술들을 소개한다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)
사진/BMW코리아

흔히들 에너지 문제의 심각성을 논하면서도 정작 새로 등장하는 자동차들은 차체의 크기 뿐 아니라 엔진 배기량도 증대되어 온 것이 지금까지의 현실이었다. 물론 그만큼의 엔진 관련 소프트웨어의 발전으로 출력과 토크도 과거와 비교할 수 없을 정도로 증강되어 그 어느때보다 달리는 즐거움을 만끽할 수 있는 시대에 살고 있다. 그리고 그것은 자동차를 타는 사람들에게는 어떤 형태로든지 욕구를 충족시켜주는 것으로 인식되어 왔다.

하지만 자동차회사들은 에너지 문제의 심각성을 잘 알고 있고 그 때문에 언제까지나 배기량을 늘려 출력을 키울 수만은 없는 상황에 이르렀다. 그래서 체감 파워가 더 좋은 디젤엔진의 발전에 집중하거나 또는 역으로 하이브리드 시스템 등을 도입해 연비에 초점을 맞추는 형태로 발전하고 있는 것이 오늘날의 현실이다.

따라서 사람들은 가솔린 엔진의 발전에는 한계가 있다고 생각하기에 이르렀다. 이산화탄소 배출량에서 디젤엔진에 뒤질 뿐 아니라 실용영역에서의 토크감이 디젤에 비해 상대적으로 부족해 적어도 유럽시장에서는 디젤이 가솔린을 압도하고 있는 상황인 것이다.
그런데 그런 유저들의 욕구를 너무나 잘 알고 있는 BMW가 새로운 대안을 제시했다. 그들의 브랜드 아이덴티티인 드라이빙 다이나믹스를 살릴 수 있는 출력과 토크를 크게 증대시키면서 최적의 중량 저감과 연료소비의 최소화 등을 달성한 통합 개념의 테크놀러지를 개발한 것이다.

기본적인 컨셉은 이피션트 다이나믹스(EfficientDynamics)다. 번역하자면 ‘효율적인 역동성’이라고 할 수 있을 것 같다. 풀어 설명하면 종합적인 효율성을 살리면서 역동적인 주행성을 살린다는 것이다. 이는 좀 더 강력한 파워를 내면 중량은 낮추고 연비는 향상시키는 통합적인 개념을 말한다. 그러니까 같은 배기량의 엔진을 사용하면서 출력은 훨씬 높이고 또한 그 출력을 더 강력하게 사용할 수 있도록 차체 중량을 저감해 결과적으로 연비 효율까지도 높인다는 것이다.

BMW마니아들은 그들이 BMW를 구입하는 이유 중 가장 큰 것 중 하나가 최고 수준의 ‘달리는 즐거움’을 추구할 수 있다는 것을 든다. 물론 거기에는 높은 수준의 경제성도 포함되어 있다. BMW는 이것을 이피션트 다이나믹스(EfficientDynamics)라고 칭하고 그들의 개발 활동은 바로 이 두 가지 기준을 충족시키기 위한 것이라고 강조하고 있다.
2006 이노베이션데이에서 BMW는 새로운 개념의 드라이브 트레인 기술과 에너지관리, 그리고 재료 기술에 관한 최신 개발 상황을 공개했다.

린번 직접연료분사장치 HPI

‘엔진의 BMW’라는 별명대로 BMW는 엔진 부문에서 소위 말하는 트렌드세터(TrendSetter)로서의 입지를 탄탄히 구축해오고 있다. 4밸브 테크놀러지로부터 가변 VANOS 밸브관리, 그리고 더블 VNOS에서 밸브트로닉 밸브관리에 이르기까지의 과정에서 BMW는 발군의 기술혁신을 이루어왔다. 이는 연비 향상과 배출가스 저감으로 이어지면서 출력과 성능은 향상시켜왔다.

BMW는 다른 일본이나 유럽 메이커들과 달리 그동안 연료직접분사방식(DI, FSI 등으로 표현)을 채용하지 않았다. BMW는 연료개선 효과가 좁은 회전역에만 제한되어 있기 때문에 그들이 원하는 수준에 미치지 못했다는 것이 이유였다. 그래서 BMW는 밸브트로닉 기술을 도입한 것이다. 이 기술은 이미 대부분의 BMW 모델들에 적용되어 효과를 입증해 보이고 있다.

그런 기술 개발의 결과는 수치로 입증되고 있다. 예를 들어 1983년형 BMW323i와 현행 BMW325i를 보면 확실히 차이가 드러난다. 직렬 6기통 엔진을 탑재한 이 두 모델들은 시대적인 변화와 함께 엔진 출력은 57%, 토크는 24%나 향상되었다. 가속성도 24%나 빨라졌다. 그만큼 차량 중량도 38%가 증가한 반면 공기저항계수는 16%가 낮아졌다. 그러나 연료소비는 1983년 당시보다 20%가 줄었다. 또한 배출가스는 95%이상 개선되었다.

그것이 완성되는 단계에서 이번에 다시 선 보인 것이 2세대 연료직접분사시스템이다. HPFI, 즉 High Precision Fuel Injection로 HPI로 약해서 표현하고 있다. 고정도 연료인젝션(High Precision Fuel Injection)이라고 표현해도 무방할 것 같은 2세대 직접분사 가솔린 인젝션을 채용함으로써 BMW는 엔진속도와 부하, 그리고 모든 주행 조건 등 넓은 대역에서 출력 향상과 연료소비의 획기적인 저감을 이룩했다. HPI는 다른 표현으로 하자면 린번(Lean Burn) 연료직접분사장치이다.

HPI에는 다른 연료직접분사 시스템을 사용하는 엔진들처럼 커먼레일 시스템을 채용하고 있다. 디젤에 사용되는 커먼레일 시스템은 압력이 1,600바 이상이지만 가솔린 엔진에 사용되는 것은 200바 정도로 상대적으로 압축은 쉽지만 연소실 내로 직접분사해 폭발력을 높이는데 기여하고 있다.

이로 인해 HPFI는 훨씬 정확한 혼합기 분사량과 높은 압축비를 가능케 해 효율성을 이상적으로 향상시키며 연료 소비를 실제 상황에서 큰 폭으로 저감해 준다.
이 모든 것은 밸브 사이의 피에조 인젝터의 중앙 위치에 의해 가능하게 된 것이다. 이 위치에서 외부에 대해 오픈하는 혁신적인 인젝터는 연료를 원뿔형으로 극히 일관되게 연소실에 연료를 분사해 준다.
결과는 배기량은 같은 3.0리터이면서 최고출력이 265hp에서 272hp로 출력이 증강되었다. 이에 반해 중량은 10kg이 저감되었고 연비는 12%나 향상되었다.

트윈 터보차저로 출력과 토크 획기적인 향상

그리고 또 하나 혁신적인 것이 소형 터보차저 두 개를 동시에 채용해 2세대 연료직접분사방식과 어울려 최고출력을 306마력, 최대토크를 400Nm까지 끌어 올리는데 성공하고 있다. 배기량을 늘리지 않으면서 파워를 획기적으로 증강시킨 것이다. 대형 터보차저가 6개 실린더에 모두 공기를 보내는 것이 아니라 두 개의 소형 터보차저는 각각 세 개씩의 실린더에 압축공기를 보낸다.

이런 소형 터보차저의 큰 장점은 낮은 관성 모멘트로 운전자가 가속페달을 미세하게 조작해도 즉각적으로 높은 압력을 발생 출력을 낸다는 것이다. 따라서 더 이상 터보래그라는 말이 나오지 않게 하고 있다..엔진 회전 1,300부터 5,000rpm사이에서 똑 같은 수준을 발휘하며 7,000rpm 부근까지 엔진회전을 부드럽게 상승시켜주는 것도 특징.

BMW로서는 처음으로 직렬 6기통 엔진에 트윈 터보차저와 HPFI, 그리고 마그네슘과 알루미늄을 병용한 크랭크케이스를 채용해 지금까지 터보차저에서 볼 수 없었던 응답성과 엄청난 출력과 토크를 고회전에서까지 발휘하고 있다. 물론 이 새로운 터보차저 엔진은 BMW 직렬 6기통의 전형적인 부드러움을 손상시키지 않고 있다.

이 두 가지 첨단 테크놀러지의 결합으로 BMW그룹은 터보차저가 발명된 지 100년이 지난 시점에서 새로운 역사를 수립하게 되었다. 터보차저 엔진은 스위스 엔지니어 알프레드 부치에 의해 1905년 11월에 특허 등록되었으며 수닙년 동안 선박과 항공엔진의 출력 증강에 지대한 역할을 수행해왔다. 그리고 승용차에 터보차저가 채용된 것은 그보다 훨씬 뒤의 일로 유럽에서의 첫 번째 시리즈는 1973년 BMW2002터보가 시작이었다.

터보차저 100년 역사를 통해 BMW는 여러가지 기록을 수립해 왔다. 1960년대 말 BMW는 투어링카 레이스에 터보차저엔진을 사용한 첫 번째 메이커였다. 1983년에 브라질 레이싱 드라이버 넬슨 피케(Nelson Piquet )가 운전한 BMW 브라밤(Brabham)이 포뮬러 1에 터보차저 레이싱카로 처음 출전했다. 그당시 BMW의 엔진 전문가들인 1.5리터 배기량으로 1000마력 이상의 출력을 낼 수 있었다. 하지만 안전을 이유로 엔진파워 증강은 중단되고 말았다.
한편 지금까지 양산 자동차에서 모든 터보 컨셉은 비경제적으로 여겨져왔다. 이것은 터보차저가 오랫동안 터보가 폭넓게 확산되지 못한 이유이기도 하다.

하지만 BMW는 트윈 터보차저 테크놀러지의 직접분사방식을 채용한 직렬 6기통의 개발로 BMW는 엔진의 원칙에 대한 새 장을 열었다.
우선은 파워의 획기적인 증대다. BMW의 현행 모델에 직렬 6기통 3.0리터 최고출력 265hp를 발휘해 이미 자연흡기로서는 높은 성능을 자랑하고 있다. 그런데 여기에 터보차저를 채용해 3.0리터 자연흡기 엔진보다 출력은 15%가 증대된 206hp, 토크는 약 30%가 증대된 400Nm에 달한다. 뿐만 아니라 연비 개선에도 중요한 기여를 했다. 높은 내열성의 특수철강으로 된 터빈은 1,050℃ 까지 온도를 조절할 수 있어 연료공급시의 냉각효과가 필요없다. 그 결과 낮은 부하로 큰 폭의 연료소모 저감을 이룩하고 있는 것이다.

터보차저를 채용한 직렬 6기통의 또 다른 양상은 이미 자연흡기에서 그 우수성을 보여 준 초경량 캠샤프트와, 더블 VANOS배리어블 캠샤프트 조정, 그리고 전기구동 냉각펌프 등에서도 나타난다.
이로 인해 과거 터보차저 엔진의 단점이었던 타임래그가 없어졌고 또 터보차저의 최대의 단점이었던 연료효율도 높였으며 응답성 향상으로도 이어졌다.
BMW의 트윈 터보는 가솔린 엔진과 디젤엔진에 모두 적용된다.

에너지 흐름의 관리-브레이크 에너지 재생

또 하나 눈길을 끄는 것은 에너지의 흐름을 효율적으로 관리해 손실을 최소화하기 위한 노력이다. 자동차에서 발생하는 기계적인 에너지와 열 에너지를 가능한 되살려 활용하면 그만큼의 연료저감을 달성할 수 있다는 아이디어다..
대표적인 것이 BER(Brake Energy Regeneration), 즉 브레이크 에너지 재생 시스템이다. 언뜻 하이브리드카에서 사용되는 회생 브레이크를 떠 올릴 수 있다.

하이브리드카와 다른 것은 브레이크 에너지를 재생하는 것은 같지만 그것을 별도의 대형 충전용 배터리가 아니라 통상적인 배터리에 공급한다는 것이다. 또한 배터리에 저장된 에너지를 하이브리드카의 경우는 구동계통을 작동하는데 사용하지만 여기에서는 오디오라든가 각종 조명을 작동하는 전력으로만 사용된다는 것이다. 물론 IAC(Intelligent Alternator Control)와 상호작용을 통해 전기 에너지를 생성한다. 개발 엔지니어들은 이 기술을 마이크로 하이브리드, 또는 마일드 하이브리디제이션 (mild-hybridisation)이라고 칭한다.

브레이크 재생에너지라고 하는 이 컨셉의 적용으로 BMW는 전에는 그냥 사용되지 않았던 에너지를 브레이크 디스크로부터 열 에너지로 전환해 전기 파워로 만들고 이렇게 해서 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때마다 온보드 네트워크에 추가적인 에너지를 생성한다.
이 컨셉은 이미 2005년 프랑크푸르트모터쇼를 통해 BMW 컨셉트카 X3 이피션트다이나믹스를 통해 소개된 적이 있는 것이다. 이 브레이크 에너지 재생 시스템은 내년부터 대부분의 BMW모델들에 채용될 것이라고 한다

첨단 초경량 소재의 개발

BMWM는 경량화에 대한 그들의 개발 과정도 상세히 소개했다.
BMW의 초기 모델인 딕시(Dixi)가 처음 등장했을 때의 차량 중량은 737kg이었는데 2005년형 3시리즈는 1,325kg이나 된다. 그 과정에서 과거에는 강철의 사용 비율이 71%에 달했던 것이 지금은 57%로 떨어졌고 반대로 플라스틱은 3%에서 무려 23%로 늘었다고 한다. 또한 경량 소재도 3% 수준에서 14%까지 증가했으며 유리의 사용 비율은 5%에서 3%로 줄었다고 한다.

이번에 선 보인 경량 소재 중 가장 주목을 끈 것은 마그네슘과 알루미늅을 병용한 크랭크케이스다. 이는 물론 기본적으로 안전을 전재로 해서 개발이 진행된 것이라는 말을 잊지 않았다.
또한 경량 강화 열가소성 소재, 즉 글래스파이버 강화 폴리프로필렌의 사용 비율을 늘린 것이다. 예들 들어 펜더 부분에는 이 강화 플라스틱을 사용해 미세한 충돌시에는 저절로 복원되어 경제적인 손실을 줄이고 있다.

Efficient Dynamics

그리고 이들을 통합해 전체적으로 원하는 성능을 추구하는 것이 바로 이피션트 다이나믹스다.
일반적으로 그동안 자연흡기 엔진에서는 이 정도 수준의 파워 증강은 배기량 증대로만 얻을 수 있었다. 물론 그때에도 중량 증가와 전체적인 밸런스가 맞는지도 고려해야 한다는 전제조건도 따른다.
그런데 BMW는 HPFI와 터보차저 테크놀러지를 결합하는 엔진의 중량을 4.0리터 8기통 자연흡기엔진보다 약 70kg이 더 가볍게 만들었다. 그로 인해 인테이크 매니폴드 연료 인젝션 방식의 터보차저 엔진과 비교해도 BMW의 HPFI방식의 신형 엔진은 연료 효율이 10% 가량 더 좋다.

에너지 흐름의 관리와 통합되어 전체적인 효율을 높이는데 기여하고 있다. 브레이크 에너지 재생으로 인한 연비개선 효과가 3%라고 한다.그리고 경량 소재의 개발도 드라이빙 다이나믹스를 향상시키는데 지대한 역할을 하고 있다.
결국 BMW의 아이덴티티인 드라이빙 다이나믹스를 강화하면서 중량 저감을 실현하고 그로 인해 연비를 향상시키며 결과적으로 배출가스를 저감하는데로 이어지는 이런 일련의 과정이 이피션트 다이나믹스인 것이다.

기사&사진 제공 : 글로벌 오토뉴스