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BMW와 메르세데스 벤츠, 모듈러 엔진으로 쇄신한다

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-02-07 13:35:02

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BMW와 메르세데스 벤츠는 각각 이노베이션데이, 테크데이라는 이벤트를 통해 그들이 개발하고 있는 새로운 기술들은 소개한다. 전 세계 자동차 전문기자들을 한 자리에 모아 설명을 하고 또 역으로 세계 각지로부터 모인 기자들로부터의 반응도 얻는다. 2016년에 BMW는 이피션터 다이나믹스(Efficient Dynamics)라는 제목으로 모듈러 엔진 2세대에 대해 소개 했고 메르세데스 벤츠는 인텔리전트 드라이브 트레인 솔루션(Intelligent Drivetrain Solution), 메르세데스 벤츠 포괄적 엔진 전략’이라는 제목으로 다임러 전체의 파워트레인의 비전을 설명했다. 모듈러 엔진으로 쇄신한다는 것이 포인트다. 두 브랜드의 모듈러 엔진을 살펴 본다. 

 

 

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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.


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.


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.


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.

 

 

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메르세데스 벤츠는 인텔리전트 드라이브 트레인 솔루션(Intelligent Drivetrain Solution)’을 통해 BMW와 마찬가지로 가솔린 엔진과 디젤 엔진은 물론이고 BEV, PHEV, FCEV, 그리고 48볼트 보조 전원 시스템 등 전방위적인 부문에서의 기술 개발을 추구한다고 밝혔다. 이 때 밝힌 것이 6기통 엔진을 V형에서 직렬로 바꾼다는 내용이었다. 기본적으로는 모든 모델의 하이브리드화다. 토요타는 ‘환경 챌린지 2050’을 통해 2050년 신차의 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 90% 줄인다는 목표를 제시한 바 있다. 수치대로라면 내연기관은 없어진다는 얘기이다. 자동차업계는 이를 전동화라는 말로 표현하고 있다.

 

또 다른 한편으로는 ‘메르세데스 벤츠 포괄적 엔진 전략’이라는 주제를 통해 4기통부터 12기통까지 모든 내연기관 엔진을 쇄신한다고 밝혔다. 새로운 엔진의 특징은 BMW가 먼저 소개했던 모듈 방식이다. 기통당 500cc의 배기량으로 4기통은 2리터, 6기통은 3리터, 8기통은 4리터, 12기통은 6리터가 된다.

 

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BMW의 모듈러 엔진과 컨셉은 같지만 완전히 똑 같지는 않다는 것이 메르세데스 벤츠측의 설명이다. 메르세데스 벤츠는 기통당 500cc라고 하는 것은 딱 떨어지는 표현은 아니라고 말한다. 엔진에 따라서는 보어에 약간의 차이가 있다. 공통점은 실린더의 보어 사이 피치-실린더 스페이스라고도 한다.-가 90mm 라고 하는 대 원칙이다. 그래서 생산 시스템이 같은 것이 사용된다고 하는 것이다. 또 이론상으로는 1.5리터는 3기통이지만 메르세데스 벤츠는 3기통 엔진을 개발할 계획이 당장에는 없다.


이 새로운 전략에는 엔진의 개발과 생산만이 아니라 파워트레인의 테스트 벤치(실내 시뮬레이션) 시책도 포함되어 있다. 이런 설비에 모두 3억 유로를 투자해 차세대 파워트레인을 연구하고 있다. 그러니까 메르세데스 벤츠가 전동화 전략을 추진해 앞으로 내연기관 엔진은 폐지한다고 하는 이야기는 옳지 않다는 것이다.

 

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지금 메르세데스 벤츠가 모든 엔진을 새로 설계하는 이유는 단지 생산효율과 이산화탄소 저감만은 아니다. 모듈화에 의해 생산효율과 이산화탄소 배출 저감이 가능하지만 2017년 시작되는 EU의 연비측정 모드가 NEDC에서 WLTP로 바뀌는 것도 이유다. 측정모드의 기준이 바뀌면 엔진의 기본 설계도 바뀌어야 한다. 이 새로운 WLTP는 평균속도는 34km/h에서 46.6km/h로, 평균 단위시간당 일률은 4kW에서 7kW로 올라간다. 또한 실주행 배기가스(RDE; Real Drive Emission)도 테스트 해 공표되기 때문에 차세대 파워트레인은 아주 높은 장벽을 넘어야만 한다.


그 때문에 가솔린 엔진에도 분진제거장치(PDF)를 장비하고 디젤은 트윈 EGR과 트윈 SCR(뇨소수를 PDF 안에도 분사)을 채용하고 터보와 일체화해 엔진에 설치된다. 연비만이 아니라 배기가스 청정화에의 연구도 동시에 이루어진다는 것이다. 엔진 내부의 기술에서 주목을 끄는 것은 나노슬라이드(Nanoslide)라고 하는 실린더 안쪽의 코팅이다. 포뮬러 원에서 사용되고 있는 기술로 피스톤과 실린더에서 발생하는 마찰을 대폭 저감할 수 있다고 한다. 또 보기류를 포함한 엔진 중량도 상당 수준 경량화한다. 2017년 출시 예정인 직렬 6기통 가솔린 엔진은 S500e(PHEV)에 탑재되어 등장할 예정이다. 이 하이브리드 시스템은 메르세데스 벤츠 최초의 48V 보조 전원을 가지며 EV주행 거리는 약 50km로 늘어난다.

 

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직렬 6기통 엔진은 M256형이라고 불리며 4기통과 공통의 모듈로 설계된다. 최고출력 408ps, 최대토크는 500Nm에 달한다고 한다. 하지만 PHEV이기 때문에 EV주행도 가능하다. 이는 메르세데스 벤츠의 차세대 파워트레인의 정점에는 이 직렬 6기통 엔진과 PHEV로 될 가능성이 있다는 얘기이다. 포스트 디젤이라고도 할 수 있다.

 

자동차업계의 기술을 리드해 가는 독일 프리미엄 브랜드들의 이런 방향설정은 그 자체로 시사하는 바가 크다. 토요타는 독일 메이커들의 기술 방향을 따르지 않고 독자적인 행보를 하고 있지만 궁극적인 목표점은 같아 보인다.

 

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