BMW가 2011 이노베이션데이를 통해 공개한 것 중 성능을 대폭 향상시킨 직렬 4기통 가솔린 엔진과 직렬 6기통 디젤 엔진, 그리고 신개발 8단 AT를 베이스로 한 예측 변속 시스템도 크게 주목을 끌었다. 엔진의 경우 기본적으로 모듈러 엔진 시스템을 기본으로 하고 있다. 트윈 터보 기술과 직분사, 그리고 밸브트로닉 테크놀러지의 숙성의 결과다. 트랜스미션은 내비게이션을 통해 2km 전방까지의 도로 상황을 파악해 그에 맞춰 최적의 기어 변속을 제어한다는 내용이다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

트윈 터보 직렬 4기통 엔진

BMW의 트윈파워터보의 기세가 등등하다. 6년 연속 인터내셔널 엔진 오브 더 이어 수상 경력을 갖고 있는 3리터 직렬 6기통에 적용되기 시작한 트윈 파워 터보는 지금 또 다른 길을 향해 돌진하고 있다. 모듈러 실린더 시스템에 의해 가솔린 및 디젤, 그리고 3/4/6기통 엔진의 공용화 비율을 60%까지 끌어 올려 엔진 개발과 생산에 새로운 혁명을 예고하고 있다.

그 과정에 있는 것이 이번에 새로 선 보인 2.0리터 직렬 4기통 엔진이다. 우선 6기통 엔진의 트윈터보차저 기술을 2.0리터 엔진에 처음으로 적용했다는 점에서 의의가 있다. 그로 인해 6기통 엔진과 같은 수준의 파워를 발휘한다. 그래서 이 엔진이 탑재된 X1의 차명이 xDrive28i로 표기된다.

BMW의 트윈파워는 직분사 시스템과 밸브트로닉를 의미하는 것이고 여기에 터보차저 시스템을 합해 트윈파워터보라는 용어가 생긴 것이다. 터보차저는 다시 싱글 터보와 트윈스크롤 터보, 트윈터보 등이 있다.

직렬 6기통은 물론이고 2.0리터 직렬 4기통 엔진도 다운사이징(Downsizing)의 구현이다. 미니 쿠퍼S에 탑재된 1.6리터 엔진도 트윈 스크롤 터보차저를 채용하고 있다. 다운사이징은 더 이상 새로운 아이디어는 아니다.

신형 직렬 4기통 엔진은 1,997cc 의 배기량에 트윈 스크롤 터보차저로 과급한다. 최고출력 245ps/5000rpm、최대토크 35.7kgm/1250rpm를 발휘한다. 자연흡기 3.0리터 직렬 6기통(258ps、31.6kgm）에 비해 출력은 약간 낮지만 토크는 더 높다.

이 엔진 기술군은 트윈스크롤 원칙에 따른 과급 개념, 직접 가솔린 분사, 이중 VANOS 배리어블 캠샤프트 컨트롤 및 밸브트로닉 배리어블 밸브 컨트롤로 구성되어 있다.

BMW X1 xDrive28i부터 탑재가 시작된 신 엔진은 BMW의 과거 가장 강력했던 4실린더 내연 엔진보다도 출력이 55kW나 높다. 1,250rpm전후 구간에서부터 35.7 Kg∙m의 최대 토크를 발휘하며 5,000rpm 영역까지 같은 수준을 유지한다. 흔히 말하는 플랫 토크의 전형은 변함이 없다. 이러한 장점 덕분에, 새로운 BMW 트윈파워 터보 엔진은 토크와 마력에서 기존 BMW 의 6실린더 엔진의 사양을 능가하는 성능을 발휘한다.

0-100km/h 가속성능이 6.0초로 0.7초나 단축됐다. 최고속도는 240km/h에 달한다. 연료 소비도 1.5리터가 줄어든 7.9리터/100km(유럽연합모드 연비는 12.66km/리터), 이산화탄소 배출량은 21% 에 달하는 36g이 줄어든 183g/km다. 이는 오토 스타트&스톱 장비와 시프트 업 인디케이터(MT차), 최신 직분 시스템, 밸브트로닉, 브레이크 에너지 회생 시스템 등의 효과다.

이러한 성능의 향상은 트윈파워 터보 기술의 채용과 기본 엔진에 대한 광범위한 혁신의 결과라고 BMW측은 강조한다. 수직으로 오프셋된 밸런스 샤프트는 진동 보정을 최적화하며 듀얼매스 플라이휠에 결합된 원심력 진자는 엔진 속도가 낮을 때 주로 발생하는 불규칙한 회전을 상당 수준 감소 시킨다. 따라서, 엔진의 높은 토크 출력은 운전자의 편안함에 영향을 전혀 미치지 않고도 발휘된다. 원심력 진자를 통해 성취되는 최상의 진동 제어는 다양한 엔진 속도에서도 구현된다.

BMW 이 엔진을 X1에 이어 3시리즈, 5시리즈, 1시리즈, X3, Z4 등에도 탑재할 계획이다. 이렇게 되면 BMW의 대표적인 직렬 6기통 엔진은 터보차저 버전만 남을 가능성이 크다.

258마력 사양의 3리터 직렬 6기통 디젤 엔진

직렬 6기통 디젤엔진의 진화도 포인트다. BMW의 엔진라인업에 직렬 6기통 디젤엔진이 처음 등장한 것은 1983년. 당시에도 최고수준의 성능을 자랑했다. 30년이 지난 시점에 등장한 신형 엔진은 당시에 비해 출력은 124%, 토크는 167%가 증강됐다. 연비성능은 30%가 향상됐으며 이산화탄소 배출량은 99% 저감됐다.

BMW가 개발 중인 모듈러 컨셉을 적용한 신형 엔진은 중량과 크기를 줄이고 내부 저항을 줄였다. 출력과 토크의 증강, 연비성능의 향상, 이산화탄소 배출량 저감, 유로6 대응, NVH 성능 향상 등을 추구하고 있다. 기존 엔진에 비해 신형 직렬 6기통 3리터 디젤엔진은 내부 마찰 계수, 중량, 연료 분사 측면에서 최적화가 한 단계 더 진화했다.

새 3리터 디젤은 반응성을 향상시키는 한편 분사 맵을 업그레이드 해 출력과 토크를 높였다. 터빈에는 가변 인테이크 지오메트리 기술을 적용했고 반응성 향상을 위해 터빈 휠의 무게도 줄였다. 커먼레일의 분사 압력은 1,800바로 솔레노이드 밸브 인젝터를 채용하고 있다. 이로 인해 보다 효율적인 재조정된 사전분사 시스템을 통해 높은 수준의 자가 동력 개발을 보장한다.

디젤 엔진의 음향 특성의 개량도 포인트다. 가변식 흡기 시스템을 갖춘 터보충전기의 최적화도 이루어져 안전성이 향상됐다. 동시에, 터빈 휠의 중량 감소로 과급기의 응답성이 향상되어 낮은 엔진 회전에서도 동력 전달이 원활해졌다. 보조 부품 배열 및 벨트 드라이브 등을 포함한 기본 부품의 구성도 이상적인 수준으로 개량되었다. 물론 배기가스 규제 기준에 대응하기 위한 것이다.

최대 토크는 2.04kg.m 증강된 57.0kg.m이며 1,500 rpm이라는 낮은 회전수에서 발휘된다. 신형 4기통 가솔린 엔진과 마찬가지로 플랫토크의 극대화가 포인트다. 실용영역인 1,500~3,000rpm 영역에서 똑 같은 토크 성능을 유지한다. 이 엔진이 탑재된 530 xD의 0→100km/h 가속 성능은 6.1초, 공인 연비는 17.42km/L이다. CO2 배출량은 150g/km으로 동급 최저 수준이다.

예측 변속 제어 시스템 채용한 8단 AT

변속기의 진화도 끝이 없다. 이미 9단까지 개발이 완료된 것으로 알려져 있는데 이번에는 도로의 상황에 따라 최적의 변속 포인트를 찾아 지능적으로 변속을 진행하는 시스템을 개발하고 있다. 기본은 ZF의 8단 자동변속기.

현재의 변속기 제어 시스템은 이미 운전자의 다양한 상황 및 요건을 허락하며 각 상황 별로 적합한 기어를 선택하는 수준에까지 이르러 있다. 토크 센싱에 의해 적절한 기어 변속 포인트를 찾아 내 연비 성능을 최적화하는 것은 오래된 기술에 속한다. 뿐만 아니라 운전자의 운전습성을 파악해 그에 맞는 패턴으로 변속 포인트를 실행하기도 한다.

BMW는 여기에서 한 발 더 나아가 다른 부품과의 상호 연결 및 네비게이션 정보의 사용을 통해 도로의 상황에 맞는 최적화된 변속 로직을 개발하고 있다. 토크센싱의 지나친 작동을 억제해 효율성과 안락성을 제고하고 달리는 즐거움을 손상시키지 않기 위함이다. 더불어 네트워크 기능의 지능적 사용을 통한 혁신적인 기술에 대한 모색도 이루어지고 있다.

먼저 내비게이션에 입력된 정보를 통해 도로의 높낮이 정도를 파악한다. 전방 2km까지의 상황을 분석하는 The Electronic Horizon.‘ 단계다. 다음으로 노면의 마찰력 정도까지 파악하고 그 정보를 분석해 최적의 변속 포인트를 찾아낸다. 그렇게 해서 잦은 변속으로 인한 효율성 저하를 막고 달리는 즐거움을 손상시키지 않기 위함이다.

이를 위해 필요한 장비는 카메라를 비롯해 앞뒤 레이더, 내비게이션, 초음파 등이다.

이 예측 변속 제어 시스템의 기본이 되는 BMW의 8단 자동변속기는 12기통 엔진의 힘과 성능에 이상적으로 맞추어진 것이다. 안락성, 스포티함, 효율성을 추구하는 8단 자동 변속기는 이전의 6단 자동 변속에 비해 기어 증가 범위를 늘렸다. 기어세트 구성을 통해 성능은 향상시킨 반면, 기어의 크기, 무게, 시스템의 내부 효율성에는 부정적인 영향을 미치지 않았다.

BMW 엔지니어들이 8단 자동변속기에서 가장 먼저 고려한 것은 원하는 정도의 효율성 개선을 이루기 위해서는 6단 자동 변속기에 비해 기어 수를 늘리고 더욱 넓은 범위의 기어 증속을 제공하는 변속 시스템이 필요하다는 사실이라고 밝혔다. 동시에 시스템의 내부 효율성을 최적화하기 위해 추가 부품의 수를 최소한으로 유지한다는 것이었다고 한다.

그 작업을 위해 ZF 프리드리히스하펜(Friedrichshafen) AG등 협력업체들이 참여했다.

BMW 760Li에서는 고속 주행에서 경제성과 12기통의 세련미를 동시에 구현하고 있다. 기어 수가 여덟 개로 늘어나면서 전체 기어 증속 범위는 늘어났음에도 불구하고 기어 사이의 단계가 전보다 작아진다. 달리는 즐거움을 위한 다이나믹성을 강화하기 위한 것이다.

신형 8단 자동 변속기는 이전 6단 자동변속기에 비해 약간의 부품수가 증가되었지만 효율성은 향상됐다. 예를 들어, 흔히 말하는 ‘기어 맞물림’ 효율성이 각각의 기어에서 98%를 넘는다. 6단 기어는 직접 기어로 구성되어 있어 마찰 손실이 전혀 없다. 신형 변속기의 무게 역시 이전 6단 자동 변속기와 거의 같은 정도로 가벼워, 기어세트 추가가 다른 부분의 무게 최적화를 통해 상쇄되면서 마찬가지로 자동차의 전반적인 효율성을 높여준다.

한번에 클러치가 두 개만 열리면서 이루어지는 최소의 컨버터 슬립, 높은 수준의 내부 효율성, 낮은 마찰 손실에 있어서, 높은 기어 단계에서는 변속 비율을 길게 하고 낮은 엔진 속도를 선호하도록 변속을 관리함으로써 이전의 5단 자동 변속기에 비해 연료 소모량을 6% 정도 줄였다.

새로운 변속기는 후륜구동 모델뿐만 아니라 사륜 구동, 그리고 다양한 종류와 성능의 엔진들에 사용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 동시에 8단 자동 변속기가 하이브리드 주행과 결합되어 가솔린 엔진과 전기 모터를 결합시키는 BMW 액티브 하이브리드(Active Hybrid) 기술의 일환으로 도입될 수도 있을 것으로 보인다.