2014 BMW 이노베이션데이가 BMW의 프루빙그라운드가 있는 프랑스 마르세이유 미라마 근교에서 개최됐다. BMW 의 이노베이션데이는 그들이 개발하고 있는 신기술을 소개하고 앞으로의 방향성을 제시하는 자리다. 기본적으로는 그들의 기술을 홍보하는 장이지만 전 세계 자동차 전문기자들로부터 그들이 개발하고 있는 기술들에 대한 의견을 듣는 장으로서도 활용하기도 한다. 올해는 BMW 의 이피션트 다이나믹스 기술 중 7가지가 주제였다. 첫 번째 워크샵에서는 플러그인 하이브리드와 뉴 엔진 패밀리, 그리고 공기역학에 대해 소개했다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

1. X5 플러그 인 하이브리드 프로토 타입

BMW는 이미 두 가지 플러그 인 하이브리드카를 i 브랜드로 개발했다. i3는 EV 베이스의 레인지 익스텐더 버전을 라인업하고 있고 i8 는 플러그인 하이브리드 타입이다. BMW i8은 플러그인 하이브리드 시스템을 채용한 수퍼카를 지향한다. 2013 프랑크푸르트 모터쇼를 통해 공식 데뷔했으며 올 해부터 시판이 시작됐다. 한국시장에는 올 가을 상륙이 예정되어 있다.

파워트레인은 1.5리터 트윈파워 가솔린 터보와 플러그-인 하이브리드 시스템으로 조합되며 0→100km/h 가속성능은 5초 이하. i3처럼 카본 파이버를 많이 사용해 무게 증가를 최소화 한 것도 특징이다. 변속기는 6단 자동이며 시스템의 종합 출력은 362마력이다. 최고 속도는 250km/h에서 제한된다.

i8은 BMW 모델 중에서는 처음으로 1.5리터 3기통 엔진이 올라가는 모델이다. 엔진 출력은 231마력으로 리터당 154마력의 출력을 발휘한다. 역대 BMW의 엔진 중에서 리터당 출력이 가장 높은 것이다. 이 3기통 엔진은 정평이 난 BMW의 직렬 6기통 엔진을 반으로 나눈 것이며 트윈파워 터보와 직분사, 고압 분사, 밸브트로닉 같은 최신의 기술이 망라돼 있다.

소형 전기 모터는 131마력의 힘을 내며 엔진의 힘을 보조하는 역할을 한다. 전기 모터 단독으로도 구동력 공급이 가능하다. 전기차 모드에서 가능한 최고 속도는 120km/h, 주행 거리는 35km까지 가능하다. 리튬 이온 배터리도 i8을 위해 별도로 개발했다. EU 혼합 모드로 i8의 공인 연비는 40.3km/L, CO2 배출량은 59g/km이다.

그 i8의 시스템을 유용해 양산 모델인 X5에 적용해 프로토 타입을 이번에 공개했다. BMW가 i시리즈에 이어 빨리도 양산 모델인 X5에 플러그인 하이브리드 시스템을 적용한 것은 시사하는 바가 크다. BMW는 배터리 전기차를 대도시용 세컨드로서의 용도를 상정하고 있다. 연간 생산대수도 초기에는 1만 7,000대 정도로 잡고 있다. 그러나 각 나라별로 심화되는 배기가스 규제를 클리어하기 위해서는 그것만으로는 부족하다.

그래서 유럽은 물론 미국과 중국시장에서 높은 인기를 구가하고 있는 SAV 모델부터 적용을 시작한 것이다. 이는 앞으로 다른 모델에까지 적용의 폭이 넓어질 수 있다는 점을 시사함과 동시에 배터리 전기차보다는 플러그인 하이브리드카가 좀 더 현실적인 대안이라고 생각하고 있다는 것을 말해 준다. 특히 BMW의 DNA인 주행성을 감안하면 하이브리드의 부스트 기능을 활용할 수 있는 쪽을 선택하는 것이 옳다고 생각하고 있다는 얘기이다. 더불어 배터리 전기차의 항속거리의 한계도 극복할 수 있다는 장점도 간과할 수 없다.

X5 플러그인 하이브리드가 i8과 다른 점은 뉴 엔진 패밀리라고 명명한 시리즈 중 2.0리터 직렬 4기통 가솔린 엔진을 베이스로 한다는 점이다. 최고출력 180kW, 최대토크 350Nm을 발휘한다. 변속기는 8단 AT가 기본이며 구동방식은 xDrive.

시스템의 레이아웃은 i시리즈와 비슷하다. 2차 전지(배터리 팩)는 리튬 이온. 2차 전지는 리튬 이온 배터리로 모터 단독으로는 최대 35km, 최고속도는 120km/h로 주행 가능하다.

시스템 출력은 225kW, 이산화탄소 배출량은 89g/km. EV모드로는 30km까지 주행이 가능하며 120km/h의 속도까지 올릴 수 있다. EV모드 주행거리를 30km로 한 것은 운전자 80%가 하루 주행거리 30km 이하였다는 조사 결과를 근거로 하고 있다.

주행모드는 전기구동을 주로 하는 ECO PRO 모드와 Comfort 모드, 성능위주로 내연기관이 주가 되며 EV모터는 부스터로서의 역할을 하는 Sport 모드등 세 가지로 구분된다.

BMW는 플러그인 하이브리드의 주행 상황에 따라 최적의 효율성을 낼 수 있도록 하는 프로그램을 제시했다. 먼저 아침에 출근하는 시간에는 EV모드를 주로 해 연비를 최우선으로 하는 것을 상정했다. 평균 속도는 50~60km/h로 내연기관 엔진을 작동을 하지 않는 상황이다. 물론 경우에 따라서는 하이브리드 모드로 주행을 할 수도 있다.

두 번째는 EV모드를 최대로 활용하는 것으로 퇴근 후 목적지까지의 도로 상황 등을 정확히 알고 있으면서 연비주행을 하고자 할 때는 버튼을 눌러 EV모드로 주행한다. 이 때 내연기관을 작동시키고자 하면 별도의 킥 다운 스위치를 눌러야 한다. 의도적으로 배기가스를 최소화하고자 하는 의지의 표현이라고 할 수 있다.

세 번째는 내비게이션 데이터와 카메라, 레이더 등으로 도로의 상황을 파악해 그에 맞는 주행모드를 자동으로 선택하면서 최적의 효율성을 추구하는 단계다. 필요에 따라서 EV모드만으로, 하이브리드 모드로 또는 스포츠 모드로 주행을 한다. 이 때는 운전자가 개입하지 않고 시스템이 최적의 상황을 분석해 주행모드를 결정한다.

워크샵 진행 도 중 프루빙 그라운드를 세 바퀴씩 돌아볼 수 있는 기회가 있었는데 내비게이션 연동이 되지 않은 상태였기 때문에 내연기관 엔진과의 차이점에 대해서만 느껴 볼 수 있었다. 결론은 그냥 BMW였다. 어떤 경우든 그들의 DNA인 달리는 즐거움을 손상시키지 않는다는 자세는 타협이 없다는 것을 다시 한 번 보여 주었다.

신형 모듈러 엔진 패밀리

지난 15년 동안 BMW 그룹은 유럽 시장에서 판매된 자사 신차의 이산화탄소 배출량을 약 30% 감소시켰다. 2012년 초 기준으로, BMW와 MINI 모델 레인지에는 이산화탄소를 킬로미터 당 140그램도 배출하지 않는 차들이 무려 73종이나 포함되어 있으며, 그 중 30종의 BMW 모델들은 120g/km 미만의 배출량을 기록하고 있다.이는 연비로 계산하면 4.5리터/100km다.

BMW는 2020년까지 지금보다 더 좋은 연비와 환경 성능 달성 목표를 설정했다. 그를 위해 첫 번째 최적화(Optimisation), 액티브 하이브리드의 적용 확대, 전동화, 수소에너지 사용 등 네 개 부문으로 나누어 기술 개발을 추진하고 있다. 최적화는 기존 내연기관 엔진의 개량을 의미하는 것으로 에어로 다이나믹 성능의 향상, 인텔리전트 경량 디자인 인텔리전트 에너지 관리, 엔진 최적화, BMW 트윈파워 터보 테크놀러지 등이 여기에 해당한다.

BMW는 여전히 내연기관 엔진은 앞으로도 상당기간 동안 주력 엔진이라는 생각을 갖고 있다. 그렇다면 가능한 모든 방법을 동원해 연비성능을 향상시키고 이산화탄소를 비롯한 배기가스를 저감해야 한다.

그 핵심에 있는 것이 2011년 4월 개발을 발표한 실린더 모듈을 베이스로 한 새로운 BMW 이피션트 다이나믹스 엔진 패밀리가 있다. 2012 이노베이션데이를 통해 실제 1.5리터 3기통 엔진을 탑재한 모델을 선보였다. 이 엔진은 올 해 출시되는 i8PHEV에 가장 먼저 탑재된다. 2014년에는 이 뉴 엔진 패밀리의 최종 완성 버전을 공개한 것이다.

BMW의 이피션트 다이나믹스 엔진 패밀리의 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 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. 모든 가솔린 및 디젤 엔진의 공통된 특징 중 하나이며, 앞으로 3실린더 엔진에도 사용되도록 고안되었다. 구체적으로는 가솔린 엔진은 밸브트로닉과 HPI(High Prcision Direct Injection)에 터보차저가 결합된다. 터보차저는 싱글, 트윈스크롤, 트윈 터보 등 세가지가 각각 조합된다. 디젤 엔진은 가변 터보차저 지오메트리와 커먼레일 직분사 시스템에 터보차저가 결합된다. 가솔린과 달리 디젤의 터보차저는 싱글, 트윈, 트라이 터보자처가 조합된다.

여기에 밸브트로닉과 조화를 이루게 된 실린더 온 디맨드 시스템이 추가된다. 실린더 온 디맨드 시스템은 실린더 컷 오프(Cylinder Cut-Off: 기통 휴지)와 개념이 약간 다르다. 예를 들어 8기통 중 네 개의 실린더의 작동을 중지시키는 것이 아니라 모든 실린더의 연료 공급을 동시에 줄여 효율성을 높인다는 것이다. '끄지 않고 낮춘다'는 원리를 채택하면 최소한의 연료 소모와 배기가스 배출, 역동성, 안락함, 파워 전달 등이 더 좋다고 BMW는 주장한다. BMW의 이 독점적인 기술은 다양한 크기와 출력을 가진 엔진에 적용할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다.

이는 밸브트로닉 기술이 있어서 가능한 것이다. 밸브트로닉은 2001년에 첫 선을 보인 기술로 스로틀 조절 없이 가솔린 엔진의 부하를 제어한다. 최신의 밸브트로닉은 시스템이 보다 정교해지면서 인테이크의 밸브 리프트를 보다 세밀하게 컨트롤이 가능해 졌다. 이로 인해서 엔진 응답성은 더욱 빨라지는 효과가 있고 토크 밴드도 넓어졌다.

이런 기술이 동원된 BMW 이피션트다이나믹스 엔진 패밀리는 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. 가솔린과 디젤 엔진 각각 부품 공유율이 60%에 달하며 가솔린과 디젤엔진간에도 30~40%의 부품을 공유할 수 있게 된다. 그로 인해 제작시간이 저감되며 무엇보다 큰 비용저감을 달성할 수 있다. 4기통과 6기통 엔진이 같은 라인에서 생산이 가능하다. 시장의 상황에 따라 4기통의 수요가 증가하면 6기통 대신 4기통 생산을 늘려 대응할 수 있다는 점도 큰 장점이다.

모듈러 엔진의 경우, 실린더 당 약 500cc를 적정 배기량으로 하고 있는데 그것을 모든 엔진에 공통되게 적용할 수 있다. 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.

이 엔진군은 실린더 당 파워 레인지가 디젤은 1.5리터 3기통이 70 – 85 kW/220 – 270, 2.0리터 4기통은 110 – 140 kW/330 – 400 Nm, 가솔린은 각각 55 – 170 kW/150 – 320 Nm, 135 – 190 kW/280 – 400 Nm으로 2년 전 발표 당시보다 출력과 토크가 크게 증강된 것이 특징이다.

X5 에어로 다이나믹스

2004년 처음 도입한 이피션트 다이나믹스는 파워트레인 외에도 많은 분야에서 추구해야 하는 도전이다. 엔진 성능 개량을 통해 연비 성능을 향상시키고 성능을 증대시키는 것도 중요하지만 공기역학성능을 높여 효율성을 증대시키는 것도 무엇보다 중요하다는 것이 오늘날 자동차업계의 공통된 생각이다.

공기역학성능은 자동차의 속도가 60~70km/h 속도 범위에서 가장 영향이 크다. 다시 말해 우리가 무심코 운행하는 실용영역에서 공기저항에 따라 연비 성능과 주행성에 적지 않은 차이를 보인다는 것이다.

BMW 공기역학성능 증대를 위해 차체 각 모서리 부분에 이르기까지 세밀하게 설계해 공기 저항을 줄이려는 노력을 하고 있다. 그 결과가 이번에 프로토 타입으로 선 보인 X5의 차체다. 박스카라는 한계에도 불구하고 공기저항계수 Cd치 0.31이라는 놀라운 수치를 달성한 것이 포인트다.

공기 저항은 자동차의 프로포션 디테일 부분에서 40%, 휠과 휠 아치에서 30%, 언더 보디 20%, 그리고 에어 인렛 부분에서 10%를 좌우한다. 그래서 아키텍처를 베이스로 새 모델의 설계에 들어 갈 때 이 모든 것을 감안한 디자인을 해야 한다.

BMW는 2007년부터 2013년까지 에어로 블래이드와 에어 스커트 부분에서 18%, 에어 플립 컨트롤에서 8%, 에어 커튼과 에어 브리더에서 4%, 패시브 램 에어 립 부분에서 2%씩 각각 공기 저항을 줄이는 데 성공했다. 이런 모든 부분의 통합적인 제어로 0에서 100%까지 공기 흡입을 제어하는데 그로 인해 전체적으로 50%의 공기저항을 줄였다고 밝혔다.

액티브 에어 플랩 컨트롤 시스템도 Cd치를 5%나 향상시켜 준다고 한다. 라디에이터와 에어인테이크 부분의 공기를 엔진 온도에 따라 차단하기도 해 공기저항을 줄이는 시스템으로 엔진 웜업을 빨리하는 기능까지 포함된다. 물론 연비성능 향상 효과도 있다.

더불어 이 모든 에어로 파츠는 기능성과 예술성을 동시해 고려해 설계했다는 점도 과거와는 다른 부분이다.

뒤쪽의 테일램프까지 각을 주어 공기 흐름을 제어하는 등의 종합적인 노력을 통해 전체적으로는 10%의 저항을 저감했으며 이는 4% 연비성능 향상 효과를 가져왔다고 한다.