BMW 직접분사 트윈터보 6기통 306마력 엔진의 내막
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2006-05-11 05:51:53 |
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BMW 직접분사 트윈터보 6기통 306마력 엔진의 내막
지난 4월 말 독일 뮌헨 BMW의 연구개발센터(FIZ)에서는 전 세계 자동차 전문기자들을 대상으로 한 ‘BMW이노베이션데이 2006’ 행사가 있었다. 필자도 이 자리에 참석했었는데 여기에서 보여준 BMW의 여러가지 기술 중에 가솔린 엔진의 발전 가능성이 아직 끝나지 않았다는 것을 증명해 준 것이 있었다. BMW는 V10엔진으로 2년 연속 인터내셔널 엔진 오브 더 이어로 선정된데 이어 이번에는 또 다른 기술을 선 보이고 있는 것이다. 이미 현지 취재기사를 게재했지만 이번에는 BMW가 제시하고 있는 가솔린엔진의 큰 미래도에 대한 기술적인 내용을 외지 기사를 조합해 살펴 본다.(편집자 주).
BMW는 BMW 이노베이션데이2006을 통해 ‘파워와 연비’라고 하는 상반된 과제에 대해 정면으로 도전하는 자세를 보여 주었다. 다른 메이커들이 아직은 실험실 내에서밖에 할 수 없었던 것을 BMW는 차례대로 양산 엔진에 반영해 오면서 그들만의 선진성을 과시해왔다.
2밸브에서 4밸브로, 그리고 연속가변밸브타이밍=VANOS를 실용화하고 가변 밸브 리프트=밸브트로닉으로 진화해 온 것이다.
그리고 다음 단계로서 BMW는 직접분사기술과 터보 기술을 조합시킨 신세대 가솔린 엔진을 발표했다. 그런 BMW의 선진적인 엔진, 즉 스프레이 가이디드식 직접분사 과급엔진이란 어떤 시스템일까?
우선 가솔린 직접분사기술에 대해 살펴보자.
가솔린 엔진의 경우 점화 플러그로 혼합기에 불을 붙여야 하는데 연료와 공기를 어떻게 혼합시키는가가 큰 포인트로 된다. 종래의 엔진에서는 인테이크 매니폴드 내에서 공기에 연료를 혼합시킨 혼합기를 실린더 내에 흡입했다. 이 방식을 포트 분사방식이라고 한다. 그 장점으로서는 메커니즘이 간단하다는 것이다. 공기와 연료는 의외로 혼합되기 쉬운 것이다.
한편 파워와 효율을 더욱 추구하기 위해 실린더 내에 연료를 직접분사하는 소위 직접분사방식도 고안되었다. 이미 1950년대에 메르세데스가 기계식의 분사엔진을 실험개발했다. 이는 레이싱카에 탑재되어 르망 24시간 레이스에 출전, 엔진의 성능에서는 라이벌을 압도하는 속도를 과시했었다.
그런데 직접분사엔진은 연료를 컨트롤하는 것으로 파워를 제어할 수 있기 때문에 스로틀이 불필요하다고 설명하는 엔지니어가 많다. 스로틀이 없는만큼 펌프 손실을 없애는 것이 가능하다고 이해하기 쉬운데 실제는 직접분사기술은 인젝터에 관한 기술이다. 스로틀레스의 흡기량 제어에 관한 기술로 독립한 것이다. ‘직접분사는 곳 스로틀레스’는 아닌 것이다. 많은 메이커들이 직접분사시스템을 채용하게 되었는데 현재 시판되고 있는 통상적인 자동차에 탑재된 엔진 중 스로틀레스 기술은 BMW의 밸브트로닉밖에 없다.
그런데 왜 직접분사기술이 추구되었던 것일까. 그것은 연료를 직접분사함으로써 실린더를 냉각하는 것이 가능하게 되고 그만큼 ‘충진→린번→연비가 좋다’고 하는 이미지가 있었는데 질소산화물(NOx)의 문제등으로 최근 직접분사엔진은 린번이 아닌 스토이키 연소로 되어 있다.
우리나라에 직접분사 기술이 소개된 것은 현대자동차가 기술제휴를 했던 일본의 미쓰비시 GDI(Gasoline Direct Injection)으로 기억된다. 이것은 초 린번을 실현하기 위한 기술로서 채용되었지만 현재는 어디에도 초 린번을 하고 있지 않다.
지난 3월 2006 제네바오토쇼에 BMW는 직접분사 트윈터보 직렬 6기통을 발표해 세계를 놀라게 했었는데 실은 2005년 2월에 개최된 하이테크 세미나에서 그 기본 기술은 이미 발표되었었다. ‘Spray Guided 직접분사 엔진의 가능성’이라는 제목으로 발표된 프레젠테이션에서는 최종적으로는 희박연소(린번 Lean Burn)의 터보 과급엔진을 개발하는 것이었는데 이번에 발표된 Spray Guided 직접분사엔진은 아직 이론공연비로 연소하는데 그치고 있다.
그러면 BMW가 개발한 ‘Spray Guided 직접분사기술’이란 어떤 것일까?
Spray Guided식은 연료를 만드는 장소에 최적의 타이밍으로 핀 포인트로 분사하는 것으로 점화 플러그 부근에 연료가 짙은 영역을 만들면 성층연소(희박연소)도 가능하게 된다. 실린더 내에 연료를 직접분사하는 방식은 디젤 엔진에서는 이미 상식으로 되어 있어 그 기술이 응용되고 있다고 할 수 있다.
일본 미쓰비시가 GDI에서 채용한 제 1세대의 직접분사시스템은 Wall Guided 직접분사라고 불리는 것으로 실린더 내의 공기의 흐름에 따라 연료를 성층화해 린번을 실현하는 것이었다. 하지만 실린더와 피스톤에 연료가 부착하고 그 때문에 연소효율이 나빠지는 점도 있었다. 이에 대해 Spray Guided직접분사에서는 압축행정에서 연료를 핀 포인트로 분사하기 때문에 연소효율의 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.
토요타의 신형 V6/V8 직접분사엔진은 Spray Guided식이 아닌데 분사를 수차례로 나누어 충진효율을 높이기도 하고 연료와 공기를 적당히 혼합시키려는 연구가 나타나있다. 이것도 직접분사를 지원하는 유력한 기술이라고 할 수 있다.
이에 반해 BMW의 Spray Guided 직접분사는 흡기행정에서 1회, 압축행정에서 2회 분사를 하는 것으로 치밀한 연소를 가능하게 하고 있다.
조금은 어려운 내용이기는 한데 BMW가 제공한 자료상에서 나온 내용만으로 설명하자면 지금 전 세계에 판매되고 있는 엔진을 자사제도 포함해 연구한 결과 엔진의 전문가가 사용하는 정상운운전의 연비(단위는 g/kw h 축연료소비율 n=2000rpmWe=0.2kj/dm3)에서는 린번과 기통휴지를 사용해도 340을 밑도는 연비는 실현되지 못하고 있는 것으로 알려졌다. 그 때부터 340이라고 하는 벽을 돌파하는 것이 목표로 되었다고 BMW는 설명하고 있다.
밸브트로닉에서는 가까스로 340의 수치를 보이고 있는데 새로 개발한 Spray Guided식 직분사에서는 295라고하는 뛰어난 수치를 보이고 있다. 그 결과 정상적인 상황에서의 열효율은 30% 가까이에 달하게 되었다.
그런데 이번 엔진에는 밸브트로닉은 채용되지 않았다. 아무래도 과급된 흡입공기를 컨트롤하기 위해 스로틀이 필요했을 것으로 보인다.
이러한 직접분사기술에 저속에서도 이용할 수 있는 터보차저 기술을 도킹해 터보의 타임래그가 없는 응답성이 뛰어난 고성능 엔진을 완성한 것이다. 터보로 과급하면 실린더 내의 온도가 고온으로 되는데 직접분사시스템에 의해 빨리 냉각시킬 수가 있다.
여기에 직접분사와 터보차저의 상성이 좋은 이유가 있다. 발표된 3리터 엔진은 트윈터보화되어 최고출력 306ps, 최대토크는 400Nm을 발휘하고 있다.
BMW의 실키 식스에 주어진 새로운 직접분사와 터보차저 기술이 실제의 차량에 탑재된 것을 지난번 이노베이션데이 2006 에서 수동변속기 사양을 잠깐 몰아보았는데 우선은 응답성이 아주 예민하다는 것이었다. 다시 표현하면 너무 민감해 익숙해지기까지 시간이 필요할 것 같은 정도였다.
지난 4월 말 독일 뮌헨 BMW의 연구개발센터(FIZ)에서는 전 세계 자동차 전문기자들을 대상으로 한 ‘BMW이노베이션데이 2006’ 행사가 있었다. 필자도 이 자리에 참석했었는데 여기에서 보여준 BMW의 여러가지 기술 중에 가솔린 엔진의 발전 가능성이 아직 끝나지 않았다는 것을 증명해 준 것이 있었다. BMW는 V10엔진으로 2년 연속 인터내셔널 엔진 오브 더 이어로 선정된데 이어 이번에는 또 다른 기술을 선 보이고 있는 것이다. 이미 현지 취재기사를 게재했지만 이번에는 BMW가 제시하고 있는 가솔린엔진의 큰 미래도에 대한 기술적인 내용을 외지 기사를 조합해 살펴 본다.(편집자 주).
BMW는 BMW 이노베이션데이2006을 통해 ‘파워와 연비’라고 하는 상반된 과제에 대해 정면으로 도전하는 자세를 보여 주었다. 다른 메이커들이 아직은 실험실 내에서밖에 할 수 없었던 것을 BMW는 차례대로 양산 엔진에 반영해 오면서 그들만의 선진성을 과시해왔다.
2밸브에서 4밸브로, 그리고 연속가변밸브타이밍=VANOS를 실용화하고 가변 밸브 리프트=밸브트로닉으로 진화해 온 것이다.
그리고 다음 단계로서 BMW는 직접분사기술과 터보 기술을 조합시킨 신세대 가솔린 엔진을 발표했다. 그런 BMW의 선진적인 엔진, 즉 스프레이 가이디드식 직접분사 과급엔진이란 어떤 시스템일까?
우선 가솔린 직접분사기술에 대해 살펴보자.
가솔린 엔진의 경우 점화 플러그로 혼합기에 불을 붙여야 하는데 연료와 공기를 어떻게 혼합시키는가가 큰 포인트로 된다. 종래의 엔진에서는 인테이크 매니폴드 내에서 공기에 연료를 혼합시킨 혼합기를 실린더 내에 흡입했다. 이 방식을 포트 분사방식이라고 한다. 그 장점으로서는 메커니즘이 간단하다는 것이다. 공기와 연료는 의외로 혼합되기 쉬운 것이다.
한편 파워와 효율을 더욱 추구하기 위해 실린더 내에 연료를 직접분사하는 소위 직접분사방식도 고안되었다. 이미 1950년대에 메르세데스가 기계식의 분사엔진을 실험개발했다. 이는 레이싱카에 탑재되어 르망 24시간 레이스에 출전, 엔진의 성능에서는 라이벌을 압도하는 속도를 과시했었다.
그런데 직접분사엔진은 연료를 컨트롤하는 것으로 파워를 제어할 수 있기 때문에 스로틀이 불필요하다고 설명하는 엔지니어가 많다. 스로틀이 없는만큼 펌프 손실을 없애는 것이 가능하다고 이해하기 쉬운데 실제는 직접분사기술은 인젝터에 관한 기술이다. 스로틀레스의 흡기량 제어에 관한 기술로 독립한 것이다. ‘직접분사는 곳 스로틀레스’는 아닌 것이다. 많은 메이커들이 직접분사시스템을 채용하게 되었는데 현재 시판되고 있는 통상적인 자동차에 탑재된 엔진 중 스로틀레스 기술은 BMW의 밸브트로닉밖에 없다.
그런데 왜 직접분사기술이 추구되었던 것일까. 그것은 연료를 직접분사함으로써 실린더를 냉각하는 것이 가능하게 되고 그만큼 ‘충진→린번→연비가 좋다’고 하는 이미지가 있었는데 질소산화물(NOx)의 문제등으로 최근 직접분사엔진은 린번이 아닌 스토이키 연소로 되어 있다.
우리나라에 직접분사 기술이 소개된 것은 현대자동차가 기술제휴를 했던 일본의 미쓰비시 GDI(Gasoline Direct Injection)으로 기억된다. 이것은 초 린번을 실현하기 위한 기술로서 채용되었지만 현재는 어디에도 초 린번을 하고 있지 않다.
지난 3월 2006 제네바오토쇼에 BMW는 직접분사 트윈터보 직렬 6기통을 발표해 세계를 놀라게 했었는데 실은 2005년 2월에 개최된 하이테크 세미나에서 그 기본 기술은 이미 발표되었었다. ‘Spray Guided 직접분사 엔진의 가능성’이라는 제목으로 발표된 프레젠테이션에서는 최종적으로는 희박연소(린번 Lean Burn)의 터보 과급엔진을 개발하는 것이었는데 이번에 발표된 Spray Guided 직접분사엔진은 아직 이론공연비로 연소하는데 그치고 있다.
그러면 BMW가 개발한 ‘Spray Guided 직접분사기술’이란 어떤 것일까?
Spray Guided식은 연료를 만드는 장소에 최적의 타이밍으로 핀 포인트로 분사하는 것으로 점화 플러그 부근에 연료가 짙은 영역을 만들면 성층연소(희박연소)도 가능하게 된다. 실린더 내에 연료를 직접분사하는 방식은 디젤 엔진에서는 이미 상식으로 되어 있어 그 기술이 응용되고 있다고 할 수 있다.
일본 미쓰비시가 GDI에서 채용한 제 1세대의 직접분사시스템은 Wall Guided 직접분사라고 불리는 것으로 실린더 내의 공기의 흐름에 따라 연료를 성층화해 린번을 실현하는 것이었다. 하지만 실린더와 피스톤에 연료가 부착하고 그 때문에 연소효율이 나빠지는 점도 있었다. 이에 대해 Spray Guided직접분사에서는 압축행정에서 연료를 핀 포인트로 분사하기 때문에 연소효율의 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.
토요타의 신형 V6/V8 직접분사엔진은 Spray Guided식이 아닌데 분사를 수차례로 나누어 충진효율을 높이기도 하고 연료와 공기를 적당히 혼합시키려는 연구가 나타나있다. 이것도 직접분사를 지원하는 유력한 기술이라고 할 수 있다.
이에 반해 BMW의 Spray Guided 직접분사는 흡기행정에서 1회, 압축행정에서 2회 분사를 하는 것으로 치밀한 연소를 가능하게 하고 있다.
조금은 어려운 내용이기는 한데 BMW가 제공한 자료상에서 나온 내용만으로 설명하자면 지금 전 세계에 판매되고 있는 엔진을 자사제도 포함해 연구한 결과 엔진의 전문가가 사용하는 정상운운전의 연비(단위는 g/kw h 축연료소비율 n=2000rpmWe=0.2kj/dm3)에서는 린번과 기통휴지를 사용해도 340을 밑도는 연비는 실현되지 못하고 있는 것으로 알려졌다. 그 때부터 340이라고 하는 벽을 돌파하는 것이 목표로 되었다고 BMW는 설명하고 있다.
밸브트로닉에서는 가까스로 340의 수치를 보이고 있는데 새로 개발한 Spray Guided식 직분사에서는 295라고하는 뛰어난 수치를 보이고 있다. 그 결과 정상적인 상황에서의 열효율은 30% 가까이에 달하게 되었다.
그런데 이번 엔진에는 밸브트로닉은 채용되지 않았다. 아무래도 과급된 흡입공기를 컨트롤하기 위해 스로틀이 필요했을 것으로 보인다.
이러한 직접분사기술에 저속에서도 이용할 수 있는 터보차저 기술을 도킹해 터보의 타임래그가 없는 응답성이 뛰어난 고성능 엔진을 완성한 것이다. 터보로 과급하면 실린더 내의 온도가 고온으로 되는데 직접분사시스템에 의해 빨리 냉각시킬 수가 있다.
여기에 직접분사와 터보차저의 상성이 좋은 이유가 있다. 발표된 3리터 엔진은 트윈터보화되어 최고출력 306ps, 최대토크는 400Nm을 발휘하고 있다.
BMW의 실키 식스에 주어진 새로운 직접분사와 터보차저 기술이 실제의 차량에 탑재된 것을 지난번 이노베이션데이 2006 에서 수동변속기 사양을 잠깐 몰아보았는데 우선은 응답성이 아주 예민하다는 것이었다. 다시 표현하면 너무 민감해 익숙해지기까지 시간이 필요할 것 같은 정도였다.
