자동차 생산기술의 발전은 첨단 장비의 발전 이상으로 중요한 역할을 해 왔다. 오늘날 글로벌 자동차회사들의 최대의 과제는 연비와 이산화탄소로 대변되는 환경 기술 개발과 더불어 획기적인 비용저감을 할 수 있는 생산기법 도입이다. 시장 다변화에 대응할 수 있는 다양한 라인업 구축이라는 두 마리 토끼를 잡아야 하는 처지에 있는 것이다. 그래서 도입되고 있는 것이 메가 플랫폼이다. 차체와 엔진 플랫폼의 집약화로 요약된다. 다품종 소량 생산과 비용 저감이라는 모순을 해결하기 위함이다. 플랫폼이라는 용어는 아키텍처, 플로어 등 다양한 형태로 사용되고 있으나 최근에는 부품 공용화율이 60%가 넘으면 같은 플랫폼으로 본다. 외지의 자료와 해외 기술 세미나 참가시 얻은 자료를 종합해 정리해 본다. 두 번 째로 엔진 플랫폼의 집약화에 대한 내용이다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

BMW는 2011년 현재 연구가 진행 중이며 3~4년 내에 실용화를 목표로 하고 있는 BMW 트윈파워 터보 기술을 바탕으로 하는 새로운 BMW 그룹 이피션트 다이내믹스 엔진군을 발표했다.

기본 컨셉은 하나의 최적화된 실린더를 베이스로 가솔린과 디젤 엔진은 물론이고 3기통, 4기통, 6기통까지 확장한다는 것이다. 시작은 6기통 엔진이다. 2006년 처음으로 발표된 현행 6기통 엔진의 기술을 극대화시켜 하나의 실린더로 축약해 4기통 엔진에 적용하고 그것을 다시 3기통 엔진에도 확대한다는 것이다.

BMW는 현재 엔진 헤드부문에서 VANOS, 밸브트로닉(가솔린), VTG(디젤) 기술로 업계를 리드해왔다. 여기에 직분사 시스템의 도입과 커먼레일 시스템의 개량, 그리고 그게 걸맞는 터보차저(싱글, 트윈 스크롤, 트윈) 시스템에 이르기까지 파워와 연비성능은 향상시키면서 중량은 저감하는 기술을 동원한다.

이를 BMW 그룹의 이피션트 다이내믹스 엔진군이라고 하며, BMW 트윈파워 터보 기술이라고 약칭하고 있다. 이는 모든 가솔린 및 디젤 엔진의 공통된 특징 중 하나이며, 앞으로 3실린더 엔진에도 사용되도록 고안되었다.

하나의 실린더로 집약하는 모듈러 엔진 시스템 개념의 도입이 포인트다. BMW 그룹은 모듈러 엔진 개념의 사용을 통해 다양한 사이즈의 엔진뿐만 아니라 가솔린과 디젤엔진 모두에서 사용될 수 있는 부품의 지속적인 개발을 이뤄낼 뿐 아니라 이를 통해 BMW 엔진 포트폴리오 안에서 부품간의 통일성, 시너지 정도를 극대화하려 하고 있다. 하나의 실린더 모듈을 바탕으로 그것을 가솔린과 디젤 엔진에 공유하는 것은 물론이고 3/4/6기통 엔진 모두에 적용한다는 것이다.

모듈러 엔진의 경우, 실린더 당 약 500cc를 적정 배기량으로 하고 있는데 그것을 모든 엔진에 공통되게 적용할 수 있다는 얘기이다. 그러니까 3기통, 4기통, 6기통 엔진이 각기 상황에 따라 다른 배기량을 갖고 있는 것이 아니라 모듈러 시스템에 의한 하나의 실린더 배기량에 정해지면 기통수에 따라 총 배기량은 정비례해 달라진다는 것이다.

그렇게 해서 전체 엔진군에 걸쳐 사용되는 동일하거나 공통적인 부품의 비중이 60%까지 올라간다. 다시 말해 가솔린과 디젤 엔진 내 3/4/6기통에서는 각각 60%, 가솔린과 디젤 엔진간에는 40%의 부품 공유가 가능해진다는 것.

또한, 이 원칙에 의해 개발된 모든 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 미래 BMW 혹은 MINI 모델 각각에 있어 앞바퀴 굴림방식의 가로 배치 및 뒷바퀴 굴림방식의 세로 배치 설치의 기본이 된다. 개발 및 제조 과정의 효율성은 BMW 모듈러 엔진 및 각 차량의 구동 장치 간 표준화된 인터페이스를 통해 추가로 확보될 수 있다.

새로이 도입된 엔진은 이전에 요구된 양의 1/4 수준으로 이미 장기적인 경제적 생산 전략에 필요한 수익성을 확보할 수 있다. BMW 모듈러 엔진 시스템 덕분에, BMW 그룹은 규모의 경제를 누림과 동시에 상당히 늘어난 양의 개별 부품을 생산하게 된다.

또한, 높은 수준의 공통, 통일성 덕분에 추가적인 엔진 버전을 개발하는 데 필요한 비용과 노력을 감소할 수 있다. 예를 들어, 기존 엔진의 고성능 버전이나 개별 시리즈를 위한 하이브리드 버전 등 비교적 소량 생산될 때도 경제적일 수 있다. 적용되는 엔진은 3/4.6기통 까지이며 V8과 V12는 기존 방식이 그대로 적용된다.

모듈러 엔진 시스템을 통해 얻을 수 있는 효과는 1.개발 및 제조의 효율성 확보, 2.가솔린 엔진과 디젤엔진 부품간의 공유범위 확대, 3.공용부품 범위 확대, 4.엔진 룸 내 인터페이스 최적화, 5.파생 엔진의 신속한 개발, 5.생산과정에서의 유연석 확보, 6.모든 엔진에 대한 기술상 최선의 솔루션 확보, 6. 규모의 경제 효과 등이다.

궁극적으로는 비용 저감의 효과를 얻어 낼 수 있다. 하지만 그로 인해 생산 단가가 떨어지는 것을 목표로 하지는 않는다고 설명한다. 그보다는 이 시스템의 도입으로 더 높은 성능을 추구해 BMW 유저들에게 BMW에서 원하는 것을 제공하고자 한다는 얘기이다.

이런 공통 부품 비중의 증가 덕분에, 시너지 효과가 상당히 늘어날 뿐만 아니라, 제조 공정 안의 유연성도 증가한다. 뮌헨 및 오스트리아 슈타이어에 있는 회사 본사의 엔진 제조 설비에서, 모든 사이즈의 가솔린 엔진 및 디젤 엔진을 생산하는 것이 가능해지게 된다. 이러한 전략 덕분에, 새로운 모델이 출시되는 상황 등에서 발생하는 갑작스러운 수요 변화에도 상당한 수준의 유연성으로 대응할 수 있게 될 것이다. 새로운 장르나 세그먼트의 모델을 개발할 때 훨씬 발 빠르게 대응할 수 있다는 것이다.

IHS Automotive사는 2018년에는 이 시리즈의 생산량이 전체의 95%를 차지할 것으로 전망했다. BMW의 신형 엔진 시리즈는 1.5리터급을 3기통, 2리터급을 4기통, 3리터급을 6기통으로 해 보어 피치등을 공용화한 모듈 설계 엔진이다.

BMW의 신형 직렬 엔진에서 놀라운 것은 넓은 범위의 배기량을 단일 플랫폼으로 커버할 뿐 아니라 가솔린 엔진과 디젤 엔진 양쪽을 커버할 것이라는 점이다. 가솔린과 디젤에서 블랙까지 공용화할지, 보어 피치등 기본 수치의 공용화에 그칠지는 현 시점에서는 알 수 없지만 가솔린 엔진에서도 직분 터보에서 연소압이 높아지고 디젤과 공용화하는 조건은 일치한다고 IHS는 지적한다.

열 발생 패턴과 연소시간을 공통으로

한편 엔진에서는 최상위의 고정요소로 연소 특성을 꼽았다. 배기량이 다른 엔진에서도 열 발생 패턴과 연소기간을 모든 엔진에서 공통으로 되도록 개발한 것이다.

연소특성을 공용화하는 가장 큰 이점은 캘리브레이션(엔진 제어의 파라미터를 최적화하는 작업)의 공정을 대폭 생략할 수 있다는 것이다. 기존 엔진에서는 1.3~1.5리터, 1.8!2.0리터, 2.3~2.5리터 등 배기량 클래스에 따라 엔진계열이 다르고 연소 컨셉도 달랐다. 이 때문에 엔진 부품 설계와 캘리브레이션도 각각 개별적으로 실시했다.

이에 대해 마쓰다의 스카이 액티브 엔진은 우선 이상 연소를 추구하고 이를 모든 배기량에 전개한다고 하는 사고방식으로 바꾸었다. 차세대 가솔린 엔진인 스카이액티브-G는 14.0이라고 하는 높은 압축비에 의한 고토크, 저연비가 특징이다. 이것을 실현하기 위해서는 피스톤 맨 위에 설계된 캐비티(움푹한 곳)의 형상과 고온의 연소가스를 신속히 배출하기 위한 연소실 형상 등의 결정이 중요하게 된다.

'Common Architecture에서는 2.0리터 엔진을 베이스로 해 개발, 연료를 분사할 때의 분무의 넓이와 연소실내에서의 혼합기의 유동현상 등을 1.3리터 엔진에도 그대로 사용하도록 각 부의 형상과 수치를 결정했다. 이를 위해 예를 들면 배기량이 달라도 에어플로우 센서부의 유속분포와 배기량과 스로틀 밸브의 하류 용적의 비가 같아지도록 설계하고 있다. 이렇게 해서 기존에는 배기량이 다르면 다른 열 발생의 패턴이 신형 엔진에서는 거의 같아졌다. 연소 패턴이 같기 때문에 기본적인 캘리브레이션의 정밀도가 높아지고 시행착오가 크게 줄어 캘리브레이션 작업도 효율성이 높아졌다.

이런 연소 패턴의 공용화에 의해 스카이액티브 엔진에서는 베이스 엔진의 개발 공수는 걸리지만 파생 엔진의 개발을 효율화할 수 있다. 그 결과 엔진 시리즈 평균의 개발 공수, 개발 기간은 공히 기존의 약 1/2로 줄었다.

그런데 연소 패턴의 공용화에는 과제도 있다. 예를 들면 기존의 엔진에서는 2.0리터 엔진의 스트로크를 줄여 1.8리터 엔진을 설계하는 수법(또는 그 반대)이 일반적이다. 피스톤과 실린더 헤드 등의 부품을 공용화할 수 있고 같은 트랜스퍼 머신으로 가공할 수 있기 때문이다.

하지만 연소 패턴을 공용화하려면 배기량 당 이상적인 보어와 스트로크비로 하지 않으면 안되고 보어를 그대로 두고 스트로크만 줄이는 기존의 수법은 사용되지 않는다. 즉 마쓰다의 'Common Architecture' 개발에서는 기존의 설계 수치보다도 부품의 공용화는 오히려 어려워진다.

이 때문에 마쓰다는 'Common Architecture' 실현을 위해 유연생산방식을 동시에 도입했다. 이는 엔진의 실린더 헤드와 실린더 블록도 모두 기존의 트랜스퍼 머신처럼 전용기가 아닌 범용공장기계의 MC(머시닝 센터)에서 가공한다는 것이다.

가공하는 작업은 가공 기준점은 통일하지만 보어 직경, 보어 피치, 크랭크 구멍직경 등 주요한 수치는 달라도 상관없다. 이 때문에 다른 배기량용 엔진 부품을 혼류 생산할 수 있다.

범용기에 의한 가공 라인에서는 전용기를 사용한 라인보다 가공이 필요한 시간이 길어지는 경향이 있다. 이에 대한 대책도 마련해 적극 대응하고 있다. 기존 실린더 블럭 가공 라인에서는 공정이 45로 나뉘어 있었지만 신 가공 라인에서는 겨우 4공정으로 집약됐다.

오픈 데크 구조, 로어 블록 구조 등 엔진의 기본 구조는 배기량이 달라도 공통이다. 가공하는 부품의 형상도 보어 피치등의 수치가 다르고 설계 사상은 같은 것으로 이 역시 가공의 효율화에 기여하고 있다.

부품 공용화 효과에 한하는 일본 메이커들

이처럼 세계 자동차회사들이 추구하고 있는 매가플랫폼과 달리 일본 메이커들은 플랫폼의 집약에서 뒤져 있다는 분석이다.

자동차전문조사회사인 미국의 IHS Automotive 사는 앞으로 하나의 플랫폼 당 생산량은 크게 확대되어 생산규모가 100만대를 넘는 플랫폼의 세계 생산대수에 점하는 비율이 2011년의 32.3%에서 2019년에는 49.1%로 거의 절반 가까이 될 것으로 예측했다. 2019년 시점에서 폭스바겐의 세계 생산대수는 1,100만대로 예측되는데 그 중 약 630만대가 MQB를 베이스로 한 차종이 된다는 것이다. 생산대수의 60% 가까이가 MQB 플랫폼 하나에서 나온다는 얘기.

이에 비해 같은 시점에서 르노닛산의 생산대수는 약 920만대로 예상되며 그 중 CMF를 베이스로 하는 차종은 180만대로 생산대수 전체의 20% 정도에 그칠 것으로 보인다. 마찬가지로 토요타에서는 2019년 시점에서 TNGA(Toyota New Global Architecture)를 사용한 차종의 생산대수는 600만대로 전체 생산대수의 약 55%를 점할 것으로 전망된다. 그러나 그 내용은 K플랫폼(D세그먼트)가 340만대, C플랫폼이 190만대, B플랫폼이 70만대로 한 플랫폼당 생산규모는 MQB보다 적을 것이라고 한다.

일본 메이커가 차체 플랫폼 통합 이상으로 보고 있는 것은 엔진 플랫폼의 통합이다. 유럽 메이커들은 앞으로 엔진시리즈의 집약을 강력히 추진할 것으로 보이기 때문이다.

이런 가솔린과 디젤 엔진의 플랫폼 집약은 다임러 AG도 추진하고 있는 것으로 알려져 있다. 이처럼 유럽 메이커들이 엔진 시리즈의 집약을 추진하는 것은 폭스바겐 이외의 유럽 메이커에 있어서도 직분 기술에 과급기를 조합한 다운사이징 엔진이 주력으로 되고 엔진의 종류는 집약해 주력 요구의 차이에 대해서는 과급압의 조정으로 대응하도록 한다는 배경이 있다.

이에 비해 일본 메이커들은 2018년에도 다운사이징 엔진의 도입은 한정적일 것이라고 IHS는 전망하고 있다. 토요타와 혼다는 상위 3위까지의 엔진 시리즈가 점하는 비율이 현 시점에서 60% 정도에 그치고 있지만 2018년이 되어도 그다지 집약은 진행되지 않을 것으로 전망되고 있다. 실제로 일본 메이커들은 앞으로 엔진 시리즈의 쇄신을 순차적으로 진행을 고려하고 있지만 유럽 메이커처럼 엔진 플랫폼을 집약한다고 하는 강한 의사는 없어 보인다는 관측이다. 엔진의 개발 제조 비용 저감 부분에서 일본 메이커에는 아직 개선의 여지가 남아 있다고 할 수 있을 것 같다.

폭스바겐은 이미 가솔린 엔진 시리즈를 집약해 차종에 의한 출력 요구의 차이에는 과급기 종류의 사용 구분과 과급압의 튜닝에 따라 대응한다고 하는 수법을 채용하고 있다. 이에 따라 폭스바겐의 엔진에서는 상위 세 개의 엔진 플랫폼이 생산량 전체의 약 90%를 점할 정도로 집약이 진행되어 있다.