2015 BMW 이노베이션데이에 참가했다. 올 해의 행사는 2015년 7월 3일 프랑스 마르세이유 북쪽에 위치한 BMW의 가장 큰 미라마 프루빙그라운드에서 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. 올 해에는 Next Efficient Dynamics라는 주제로 물분사 가솔린 엔진과 2시리즈 액티브 투어러의 플러그인 하이브리드 시스템, 그리고 BMW의 첫 번째 연료전지 전기차의 프로토타입 등이 공개됐다. 첫 번째로 물 직분사 가솔린 엔진에 관한 내용과 서키트에서의 짧은 시승 느낌을 적는다.

"엔진의 BMW." 내연기관 엔진에서 트렌드세터의 역할을 해 오고 있는 BMW를 칭하는 용어다. 밸브트로닉과 더블 VANOS 등 엔진 헤드기술을 리드함은 물론이고 고정밀 직분사 시스템의 도입으로 일거에 리터당 100마력 시대를 연 것도 BMW다. 나아가 밸브트로닉과 고정밀 직분사, 터보차저를 채용한 엔진을 ‘트윈파워 터보’라고 칭하며 다운사이징 시대를 주도해 왔다. 그 명칭 때문에 모든 엔진이 같은 터보차저 시스템을 채용하고 있다고 오해할 소지가 있다. 하지만 엔진에 따라 싱글터보, 트윈 스크롤 터보, 트윈 터보 등으로 구분된다. 출력 사양이 같더라도 채용되는 과급기는 다르다.

사실 올 해의 관심사는 HCCI((Homogeneous Charge Compression Ignition ; 예혼합 압축착화))라는 신기술의 실용화였다. 시동시 또는 가혹한 환경에서는 기존의 가솔린처럼 연료와 공기가 섞인 혼합기를 스파크 플러그로 폭발시키고, 부하가 적게 걸리는 회전 구간에서는 디젤처럼 자동으로 압축착화가 이루어진다. 디젤의 CAI(Controlled Auto Ignition)와 가솔린의 SI(Spark Ignition)의 장점을 한 엔진에 모은 것이다. 이는 메르세데스 벤츠와 폭스바겐, GM 등이 2010년 출시를 예고했다가 다시 5년이 미뤄진 상태다. 그래서 올 가을 프랑크푸르트오토쇼를 통해 시판차를 보게 될 수 있지 않을까 하고 기대하고 있다.

그런데 그 전에 BMW가 물 직분사 가솔린 엔진의 실용화 기술 성공을 발표했다. 보쉬와 공동으로 개발한 물 분사 시스템은 말 그대로 물을 연료 및 공기와 함께 실린더에 직접 분사해 폭발하게 하는 기술이다. 물 분사 시스템은 2차 세계대전 시절 후기형 프로펠라(프롭) 전투기의 조종간에 사용되는 등 끊임없이 시도되어 왔었다. 필자의 경우도 2000년경 레이서 출신 미케닉과 디젤 엔진의 매니폴드에 물을 분사해 시험 주행을 해 본 적도 있었다.

당사자는 획기적이라고 들떴지만 정작 자동차회사들은 거들떠 보지도 않았다. 당시에는 순수한 물로 실험을 했었지만 실린더 내 부식과 겨울철 물이 얼어 버린다는 단점이 이미 지적되었기 때문이다. 그래서 물과 메탄올을 혼합해서 실험을 하기도 했었다. 결과는 마찬가지였고 겨울철 물이 얼어 버린다는 단점 등과 함께 실용화되지 못한 기술이다.

그것을 보쉬와 공동으로 BMW가 실용화에 성공한 것이다. BMW는 물분사 시스템의 도입으로 연비 성능을 최대 23% 가량 개선하고 엔진 성능도 10% 증강시켰다고 밝혔다. 기본적인 개념은 정밀한 제어를 통해 엔진 실린더에 직접 분사되는 물은 냉각 효과를 내며, 특히 전속력 또는 전속력에 가깝게 주행 중일 때 엔진 출력과 토크를 향상시키는 동시에 연료소비와 이산화탄소 배출을 줄여준다는 것이다. 주로 고회전을 많이 사용하는 터보 엔진에 효과를 본다.

에어컨에서 유래한 5리터 가량의 물 저장탱크의 물은 워터 펌프를 통해 필터와 고압 펌프를 지나 연소실 내로 보내진다. 물이 증발하는 기관인 흡기 매니폴드 플리넘 챔버로 미세한 스프레이처럼 물이 분사되어, 주변 에너지를 추출해 엔진의 연소 온도를 약 섭씨 25도 정도 낮추어준다.  특히 전속력 주행 시 이 냉각 효과 덕분에 연비가 크게 향상되는 한편, 다양한 방법으로 연소 과정이 개선된다.

실린더 안으로 분사된 물이 엔진 내부 열을 낮춰 노킹을 방지하고 그로 인해 연비와 출력 성능도 높여준다. 달리 말하면 연소과정을 약간 늦춘다는 개념이다. 분사된 물은 수증기 상태로 그 수증기로 인해 상사점이 연장된다는 것. 이 때 사용되는 물의 양은 연료 대비 최대 30%에 이른다.

 
이로 인해 연료 효율성이 높아진다. 물 분사에 의한 냉각 효과로 온도를 충분히 낮추어 전속력이나 전속력에 가깝게 주행 할 때, 추가적으로 연료를 분사할 필요가 없다. 연료와 공기의 균일한 배합과 향상된 풀로드(full load) 효율 덕분에 실제 연비가 최대 8%까지 개선되기 때문이다. 

더불어 연소 온도가 낮아져 이산화탄소 배출도 저감된다. 그만큼 노킹 현상도 줄어든다. 또한 기존 3기통 엔진의 압축비를 9.5 : 1에서 11.0 :1높아져 중간 속도 또는 저속 주행 시에도 최적의 효율을 나타낸다. 발화 시점이 빨라지고 부스터 압력이 높아져 엔진 출력과 토크도 최대 10% 향상된다. 냉각된 흡기의 산소 함량이 증가되면 출력도 높아지기 때문이다.

한편 옥탄가가 낮은 연료 (RON 95)에서도 출력이 최적화된다. 직분사 시스템이 장착된 터보차저 엔진은 세계 어느 곳에서도 적용할 수 있다는 얘기이다. 냉각 효과로 피스톤, 밸브, 촉매 컨버터와 터보 차저의 열 부하를 감소시키기도 한다.

물은 별도의 탱크에 저장하는데 외부에서 물을 계속 보충하는 것이 아니라 에어컨에서 생성된 물(응결수)을 사용한다. 이 물은 앞서 언급한 메탄올을 혼합하지 않은 순수한 물이다. 겨울에는 적게 사용하고 여름철에는 많이 사용하기 때문에 에어컨으로부터의 응결수 공급에 대한 걱정은 하지 않아도 된다고 한다. 엔진이 꺼질 때마다, 호스 시스템의 모든 물은 탱크로 유입 저장된다. 이 덕분에 영하의 기온에서도 시스템 부품이 동결하는 것을 막고 엔진 부식을 방지한다. 게다가 물 탱크 자체가 차량 내부에서 서리를 방지할 수 있는 위치에 탑재되어 있다.

현재 개발 중인 것은 매니폴드 방식과 직분사 방식 두 가지로 우선 2016년에 M 모델에 매리폴드 방식이 적용되어 시판되고 1년 뒤에는 직분사 방식 모델도 출시할 계획이다. 물 분사 시스템은 BMW M4 MotoGP 세이프티 카(Safety Car)에 처음으로 도입됐다.

이미 BMW M4 MotoGP 세이프티 카에 채용되어 실험을 한 바 있다. 이 차는 레이싱용으로 BMW M GmbH사에서 설계한 M4 기반 모델이다. 직렬 6기통 고회전 M 트윈파워 터보 엔진을 장착하고 있다. BMW M4 기본형에 탑재된 엔진의 최고 출력은 431마력, 최대토크는 56.08 kgm이다(복합 연비: 11.36-12.04km/l, 복합 CO2 배출량: 204-194 g/km). 물 분사 시스템 도입으로 BMW M4 MotoGP 세이프티 카는 레이스 트랙에서 더 강력한 출력과 토크, 연료 효율성까지 갖추게 되었다.

워크샵 현장에서는 1시리즈 해치백 모델에 물 직분사 시스템이 채용된 것을 약 5km 가량 시승해 볼 수 있었다. 서키트인 만큼 높은 속도가 가능했다. 엔진은 1.5리터 직렬 3기통 모듈러 엔진으로 2시리즈 액티브 투어러 등을 통해 이미 경험해 본 적이 있는 가솔린 사양.

80km/h, 130km/h, 180km/h의 속도로 풀 가속을 하며 연비 성능과 물 소모량 등을 직접 컴퓨터를 통해 확인 할 수 있었다. 각 실린더마다 물 분사가 이루어지는 정도도 그래픽으로 표시된다. 

주행 후의 결과는 연비 성능 향상이 기존 엔진 대비 18.8% 향상된 것으로 나타났다. 이 때 사용된 물의 양은 0.09리터, 물의 축적 양은 시간당 2.1리터였다. 다른 참가자는 20.9%의 연비 성능 향상과 물 사용량 0.11리터, 물 축적량 시간당 1.7리터를 기록했다.

하지만 서키트 주행이 그렇듯이 직접 비교하지 않으면 기존 엔진과의 성능에서의 차이를 체감할 수는 없다. 이번에도 모듈러 엔진의 토크감 증대와 소음 진동의 저감이라는 차이는 확인할 수 있었지만 물 분사시스템을 채용하지 않은 차와의 직접 비교는 할 수 없었다.

오늘날 많은 자동차회사들이 각 나라별로 강화되고 있는 규제에 대응하기 위해 전동화의 폭을 넓히는 등 다양한 대응 방안을 찾고자 노력하고 있다. 하지만 현실적으로 전동화 차량의 폭넓은 시장 확대가 어려운 상황에서 내연기관의 효율성을 높이기 위한 노력도 끊임없이 실시하고 있다.

그 대표적인 것들이 린번 터보와 고정밀 직분사 터보차저, HCCI, 그리고 오늘 만난 물 분사 가솔린 엔진 등이다. 내연기관 엔진의 비율이 절대적으로 높은 상황에서 이들의 연비 성능을 높이고 배출가스를 줄이는 것이 어쩌면 전동화보다 더 중요한 일일지도 모른다. BMW는 그런 면에서 트렌드세터로서의 진 면목을 다시 한 번 과시하고 있다.