BMW 이노베이션데이 2016의 두 번째 주제는 이피션트 다이나믹스(Efficient Dynamics). 올 해에는 전동화에 대한 본격적인 공세와 더불어 내연기관의 기술 개발에 관한 내용을 공개했다. 이미 "/> BMW 이노베이션데이 2016의 두 번째 주제는 이피션트 다이나믹스(Efficient Dynamics). 올 해에는 전동화에 대한 본격적인 공세와 더불어 내연기관의 기술 개발에 관한 내용을 공개했다. 이미 "/> 16 BMW 이노베이션 데이- 3. 모듈러 엔진 기술로 해법을 찾는다 > 브랜드와 마케팅 | 글로벌오토뉴스

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16 BMW 이노베이션 데이- 3. 모듈러 엔진 기술로 해법을 찾는다

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2016-08-06 11:14:50

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BMW 이노베이션데이 2016의 두 번째 주제는 이피션트 다이나믹스(Efficient Dynamics). 올 해에는 전동화에 대한 본격적인 공세와 더불어 내연기관의 기술 개발에 관한 내용을 공개했다. 이미 오래 전부터 준비해 온 것들을 본 궤도에 올려놓고자 함이라고 BMW측은 강조하고 있다. 지난 7월 런칭한 iPerformance를 중심으로 한 전동화 전략과 내연기관의 기술 개발 현황을 소개했다. 딩골핑과 란츠후트 공장을 돌며 현장에서의 워크샵과 시승이 진행됐다. 두 번째로 내연기관의 기술 개발에 대해 살펴 본다. 

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지금 내연기관의 과제는 앞으로도 상당 기간 사용되어야 하는데 그 과정에서 연비성능을 높이고 배기가스를 줄여야 한다는 것이다. 그동안은 실험실 내에서의 측정으로 나온 데이터를 바탕으로 제원표를 만들었고 판매가 가능했다. 그런데 실주행 데이터(RDE)와 큰 차이가 난다는 지적이 나오기 시작했고 그 대안을 찾고 있었다. 모듈러 엔진이라든가 물 직분사 엔진, HCCI, 스카이액티브 등 메이커마다 방법은 다르지만 치열한 연구가 진행되어 왔다.

그것이 2015년 폭스바겐 디젤게이트로 인해 수면 위로 부상했고 이제는 개발에 더 속도를 내야 하는 상황이 됐다. 한국 정부는 그들이 인증해 준 데이터가 잘못됐다고 호들갑을 떨며 자신들의 책임은 전혀 없는 것처럼 떠들고 있다. 하지만 세계 각국은 현실적인 대안을 찾기 위해 다양한 규제를 제시하며 자동차회사들을 이끌고 있다. 그 과정에서 논란이 일기도 하지만 큰 방향에서 합의는 이루어져왔다. 

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ICCT(International Council on Clean Transportation : 국제청정교통위원회)는 2014년 실주행시의 질소산화물의 평균 배출량은 유럽 배기가스 규제인 유로6 규제치의 7배에 달한다고 발표했었다. ICCT는 15대의 디젤 승용차에 대해 유럽과 미국에서 실시된 실주행 데이터를 해석해 발표했다.

지금까지 자동차회사들이 카탈로그상에 기재한 연비와 이산화탄소 배출량 수치는 실험실 내에서 얻은 것이다. 다이나모라고 하는 기기 위에 차를 올려 놓고 일정 시험모드, 예를 들면 LA4, CVS75, JC08 등에 따라 자동차를 구동시켜 배기파이프를 통해 배출된 배출가스를 근거로 산출한 수치이다.그 수치가 실제 주행시의 수치와의 차이가 난다는 사실은 우리 모두가 체험해 왔었고 전문가들은 수차례 지적해 왔다.

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그것을 개선하기 위해 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)라고 하는 국제기준조화를 목적으로 개발한 배기가스 및 연비측정의 시험방법 도입이다. 유럽에서는 2017년 9월에 신차에 적용이 시작되는 유로6c부터, 일본에서는 2018년 내에 적용 예정인 차기 배기가스 규제부터 각각 도입한다. WLTP는 다양한 나라와 지역에서의 이용을 상정해 기존의 표준 시험모드보다 폭넓은 주행 패턴을 구성하는 것으로 보다 실제에 가까운 배기가스와 연비 및 이산화탄소 배출량의 측정이 가능하다.

주행 테스트도 지금까지보다 더 현실적으로 된다. 가속 페이스도 늘리고 시가지 주행, 지방도로, 고속도로 주행 등을 시뮬레이션 할 수 있도록 60km/h 이내, 80km/h 이내, 100km/h 이내, 그리고 130km/h 이상 등 4단계로 측정한다. 또 새로운 사이클에서의 주행거리는 지금까지의 11km에서 23km로 늘린다. 평균속도도 높여 이전에는 33.4km/h에서 47km/h로 했다. 

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여기에 RDE(Real Driving Emission)가 더해져 실제 도로에서 통상 주행시의 배기가스 상태로 측정하게 된다. 그때 거의 모든 상황에서 규제되고 있는 한계치를 넘기지 않는다고 하는 원칙이 적용된다. RDE 도입에 의해 소위 디피트 디바이스(Defeat Device; 무효화 장비)와 엔진과 캐털라이저의 컷 오프 장치는 사실상 사용 불가능하게 된다. 프랑스는 수년 전부터 이미 RDE 수치와 제원표 수치의 차이가 있다는 사실 때문에 2020년부터는 디젤차 금지법을 추진하고 있었다. 

RDE(Real Driving Emission)의 도입 목적은 실제 운전시의 유해 가스 배출량과 실험실 수치의 갭을 메우기 위한 것이다. 유럽에서는 2017년 9월부터 도입될 것으로 보인다. 

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유로6c와 동시에 적용개시 될 것으로 보이는 유로6d-TEMP부터 도입이 예정되어 있다. 자동차에 배기가스 계측기(PEMS)를 탑재하고 실제로 노상을 주행하면서 배기가스를 측정한다고 하는 실험 방법으로 기존 시험방법과 달리 실주행시의 배기가스 측정이 가능해진다. 이 때문에 앞서 언급한 실주행시의 평균 질소산화물 배출량이 규제치의 약 7배나 되는 디젤차에는 아주 엄격한 규제 강화가 되는 것이다. 자동차회사들이 그때까지 짧은 시간 내에 새로운 기준을 충족시킬 수 있을지에 대해관심이 집중되고 있다. 

한편 미국에서는 비표준 모드를 이용한 규제를 강화함으로써 보다 실제에 가까운 배기가스를 측정할 수 있도록 하는 움직임이 있다. 높은 차량 속도와 높은 가속도에서의 주행과 에어컨을 작동시킬 때의 주행 등 표준 모드에서는 커버할 수 없는 주행 패턴을 비 표준 모드로 규정한다. 거기에 근거해 배기가스의 규제치를 엄격히 함으로써 실 주행과의 갭을 줄일 수 있다는 것이다.

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여기에 더해 배기가스 규제에서는 NMOG(Non-Methane Orgarnic Gases)/NMHC(Non-Methane Hydrocarbons)와 NOx, 그리고 PM의 규제강화가 추진된다.예를 들어 미국에서는 기업별 평균 NMOG와 NOx의 규제치를 현행 Tier2의 표준 구분(Bin5)에 대해 2017년형 시점에서 약 46%, 2025년형 시점에서 약 81%까지 낮출 것을 요구하고 있다. PM도 2021년형까지 70%, 2028년형까지 90% 저감하지 않으면 안된다.

이런 규제 강화는 질소산화물과 PM의 배출이 많은 디젤차에 더 엄격한 환경을 만들 것으로 보인다. 이를 해소하기 위해 자동차회사들은 보다 높은 수준의 후처리 장치를 개발 채용해야 학 그것은 비용증가로 이어진다. 그렇게 되면 소형차는 디젤 엔진을 탑재하기가 어려워질 수도 있다.가솔린 차에서는 포트분사보다 PM이 배출되기 쉬운 직분 터보차저 엔진에서 PM규제의 강화가 예상된다.

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한편 연비와 이산화탄소의 기준도 더욱 강화된다. 유럽에서는 2025년에 80g/km 미만이 요구될 가능성이 있다. 

미국 캘리포니아주의 완전무공해법(ZEV)의 규제 강화도 예상된다. 캘리포니아에서는 승용차의 판매대수 중 지정 비율의 판매대수를 ZEV 등 친환경차로 하지 않으면 안되도록 하고 있다.  2018년형 모델부터 적용이 시작되는 차기 ZEV 규제에서는 현재는 친환경차에 포함되어 있는 하이브리드차가 대상에서 제외되고 ZEV의 비율을 더 높이도록 하고 있다. 

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BMW는 2013년 업계 최초로 모듈러 엔진을 소개했다. 이미 2시리즈 등을 통해 국내에도 소개된 모듈러 엔진은 하나의 실린더 모듈을 바탕으로 그것을 가솔린과 디젤 엔진에 공유하는 것은 물론이고 3/4/6기통 엔진 모두에 적용한다는 것이다. 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. 

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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. 보어와 스트로크가 약간씩 다르긴 하지만 모두 같은 엔진 블록을 사용하며 같은 생산 라인에서 제조된다는 것이 포인트다. 

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이로 인해 엄청난 비용저감을 할 수 있게 되고 그만큼을 새로운 기술의 개발에 사용하겠다고 2013년 당시 천명했었다. 그것을 입증하듯이 2015년에는 물 직분사 엔진의 개발에 성공했다고 발표했다. 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. 

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주로 고회전을 많이 사용하는 터보 엔진에 효과를 본다. 연비 성능을 최대 23% 가량 개선하고 엔진 성능도 10% 증강시킨 이 기술은 RDE가 부상한 시대에 부응한다. 옥탄가가 낮은 연료 (RON 95)에서도 출력이 최적화되어 직분사 시스템이 장착된 터보차저 엔진은 세계 어느 곳에서도 적용할 수 있다는 것이 시대의 흐름을 읽은 기술로 평가받고 있다. 

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BMW는 올해 750d xDrive에 뉴 수퍼 디젤이라고 하는 직렬 6기통 디젤 엔진을 탑재했다. 모듈러 엔진 컨셉을 도입한 것이다. 이미 3기통과 4기통은 생산하고 있는데 6기통까지 그 폭을 넓혔다는 것이다. 4스테이지 터보차저를 두 개의 유닛으로 구분한 것이 포인트다. 관성을 줄여 연비 성능을 높이고 오일펌프의 냉각기능은 필요시만 작동하도록 되어 있다. 고압 EGR모듈도 업그레이드했다. 메인인 고압 EGR 외에 서브 EGR이 작동하는 방식이다. 인젝션 시스템의 압력을 2,500바까지 높였다. 물론 배기가스 후처리 시스템인 Nox Storage Catalyst와 SCR, DPF 등도 채용하고 있다. 8세대 DDE(Digital Diesel Electronics)를 채용한 것도 포인트다. 이런 기술들의 동원으로 성능을 줄이지 않고도 이산화탄소 배출량을 190g/km로 억제했다. 이는 RDE 측정에도 대응할 수 있다. 

아직 발표되지 않은 3~4기통 모듈러 엔진의 2세대의 개발 상황도 소개했다. 각 부분의 개량와 최적화를 통해 이산화탄소 배출량을 4~5% 저감해 유로6c는 물론이고 RDE, WLTP 등도 충족할 수 있는 수준을 목표로 하고 있단다. 터보차칭은 2스테이지를 사용하며 고압과 저압을 구분한다. EGR도 6기통 엔진의 원리를 적용한다. 인젝션 압력을 출력에 따라 2,200~2,700바까지 높인다.

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가솔린 엔진도 이산화탄소 배출량을 5% 이상 저감해 유로6와 RDE 등의 클리어를 목표로 개발하고 있다. 3기통은 5kg, 4 기통은 8kg의 무게를 덜어낸다. 이를 위해 인젝션 압력을 200바에서 350바로 높인다. 냉각 헤드를 분리하는 것도 추진하고 있다. 

BMW 그룹은 1995년~2008년 사이에 유럽 판매 신차의 연료 소모량을 25% 이상 감소시켰다. 2008년부터 2020년까지 전 세계 판매 신차의 연료 소모량을 25% 추가로 절감하겠다는 목표를 세웠다. 2014 년 2월까지 BMW와 MINI는 이산화탄소 배출량이 120g/km 이하인 모델을 이미 39종이나 출시했다. 그리고 2015년 9월에는 BMW 그룹에서 생산한 모델 100종이 2014년 9월 발효 예정인 엄격한 유로 6(Euro 6) 배출가스 기준을 이미 충족했다.

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이를 위해 차체 경량화를 비롯해 터보차저 기술의 개발, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)의 사용 확대, 공기역학기술, 다단변속기의 채용 등 할 수 있는 모든 방법을 동원하고 있다.

이번 이노베이션데이에서도 특별한 움직임을 보인다기보다는 그들이 추진해 오고 있는 기술들을 소개하는 자세를 취했다. 이미 오래 전부터 준비해 오고 있었다는 얘기이다. 다만 최근 미국의 상황에서 알 수 있듯이 비용 문제와 각국 자동차회사들과의 관계 등으로 실현하지 못한 부분도 있다. 

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하지만 이제는 그런 저런 상황을 고려할 수 없게 되었다. BMW 이노베이션데이 2016은 지금 자동차회사들이 그 어느때보다 바쁘게 움직이고 있다는 것을 실감하게 했다. 단지 기술만으로 세상이 변하는 것은 아니지만 최종 소비자들을 생각하는 기술 개발만이 결국은 시장에서 호응을 얻을 수 있다는 것을 짐작케 해 주는 이벤트였다. 
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