Techtrend

ACL / Techtrend

Techtrend


BMW 물직분사 엔진, 본격적인 실용화가 진행되고 있다.

작성자
acl
작성일
2017-09-01 13:02
조회
70



BMW가 2015년 물 직분사 가솔린 엔진의 실용화 기술 성공을 발표했다. 이 기술은 2016년 출시한 M4 GTS에 직렬 6기통 직분 터보차저 가솔린 엔진에 채용되어 실용화에 들어갔다.  우선은 소량 생산차에 탑재해 사용자의 반응이 좋다는 것을 확인했다고 한다. 현재 물 직분사에 공을 들이고 있는 것은 BMW와 보쉬, 그리고 엔지니어링회사인 FEV등이다.
물 직분사 엔진이 연비 성능을 향상시키고 동력성능을 높이는 것은 기통 내의 온도를 내려 냉각손실을 줄이며 노킹 한계를 높일 수 있기 때문이다. 전 영역에서 사용되는데 그 중에서도 전 부하에서의 연비성능 향상의 효과가 크다. 전 부하에서 노킹을 억제하기 때문에 연료를 짙게 분사해 냉각하는 연소 대신 물을 분사하기 때문이다.

BMW는 연료에 대해 질량비에서 50%의 물을 분사할 경우 전 부하에서의 연료소비량이 약 18% 가량 크게 줄어든다고 밝히고 있다. 필자는 2015년 프랑스마르세이유에 있는 BMW 최대 실험센터에서 직접 운전해 보고 향상된 연비 성능 효과를 경험했다. 당시 워크샵 현장에서는 1시리즈 해치백 모델에 물 직분사 시스템이 채용된 것을 약 5km 가량 시승해 볼 수 있었다. 주행시험장인 만큼 높은 속도가 가능했다. 엔진은 1.5리터 직렬 3기통 모듈러 엔진으로 2시리즈 액티브 투어러 등을 통해 이미 경험해 본 적이 있는 가솔린 사양이었다.

시험도로를 주행한 후 18.8%의 연비성능 향상을 기록했다. 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. 동승석에는 주행 데이터를 측정할 수 있도록 장착된 컴퓨터를 엔지니어가 주시하며 상황 설명을 했다.

c8491ee1e7c25a3184249b2761a621a4_1504054

BMW가 보쉬와 공동으로 개발한 물 분사 시스템은 말 그대로 물을 연료 및 공기와 함께 실린더에 분사해 폭발하게 하는 기술이다. 물 분사 시스템은 2차 세계대전 시절 후기형 프로펠라(프롭) 전투기의 조종간에 사용되는 등 끊임없이 시도되어 왔었다. 레이싱카에서도 이미 사용됐다. 연비성능보다 출력 향상에 초점을 맞춘 기술이었다.

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 매니폴드 방식이 적용되어 시판됐고 직분사 방식 모델도 출시할 계획이다. 물 분사 시스템은 BMW M4 MotoGP 세이프티 카(Safety Car)에 처음으로 도입됐다. 그것이 BMW M4 GTS로 실용화된 것이다. 이 차는 레이싱용 머신이라고 할 수 있다. 물 직분사에 의해 직렬 6기통의 최고출력을 317ps에서 368ps로, 최대토크는 600Nm에서 700Nm으로 증강됐다.

하지만 BMW가 물 직분사를 개발하고 있는 것은 고성능 스포츠카의 출력 향상이 목표가 아니다. 다운사이징으로 배기량을 낮춘 엔진을 탑재한 중소형차의 출력을 유지하면서 연비성능을 높이는데 있다. 다운사이징 엔진은 배기량을 낮추면 실 주행시에 엔진의 고부하역을 사용한다. 물 직분사 엔진은 고부하역에서 효과가 높기 때문에 연비성능 향상에 기여한다는 것이 BMW측의 설명이다.

고부하역에 주목하는 것은 앞으로 실시될 연비와 배기가스의 새로운 주행시험모드인 WLTC(Worldwide Lightduty Test Cycle 경형차 테스트 사이클)와 RDE(Real Driving Emissins 실주행 배기가스)에 대응하기 위한 것이다. 지금 적용되고 있는 NEDC모드에 비해 고부하역을 많이 사용해 주행한다. 기존 엔진의 연비측정치가 나빠지는 것을 물 직분사로 최소한으로 억제하고자 하는 것이다.

c8491ee1e7c25a3184249b2761a621a4_1504054

연비성능을 높이는 기술은 많지만 동시에 동력성능도 높이는 기술은 적다. 최근 주목을 끄는 흡기량을 줄이는 밀러 사이클과 대량 EGR, 희박연소 등을 출력에서 손해를 본다. 때문에 달리는 즐거움을 슬로건으로 하는 BMW는 그런 선택을 하기가 쉽지 않다. 여전히 감성은 중요한 세일즈 포인트이고 그것을 희생하게 되면 브랜드 존재가치가 희석될 수 있다.

물 직분사 방식은 유해 배기가스를 줄이는데도 효과도 있다. BMW에 따르면 전 부하에서 HC(탄화 수소)를 약 9% 저감한다고 한다. 한편 질소산화물의 저감에는 그다지 효과가 없지만 이는 삼원촉매로 대응할 수 있다는 설명이다.

2015년 기술 발표 당시 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 배합 등의 효과로 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.

M 4GTS에 탑재되는 물직분사 엔진은 흡기포트로부터 분사하기 때문에 비용도 적게 든다. 주로 물 탱크와 펌프, 인젝터의 추가 정도로 실현 양산 규모가 커지면 그만큼 비용도 줄어든다는 설명이다.

c8491ee1e7c25a3184249b2761a621a4_1504054

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.

대표적인 것들이 린번 터보와 고정밀 직분사 터보차저, HCCI(균질예혼합압축착화), 가변압축비 엔진, 그리고 물 분사 가솔린 엔진 등이다. 마쓰다는 2018년 HCCI엔진의 출시를 예고했다. 내연기관 엔진의 비율이 절대적으로 높은 상황에서 이들의 연비 성능을 높이고 배출가스를 줄이는 것이 어쩌면 전동화보다 더 중요한 일일지도 모른다.

재규어랜드로버의 제레미 힉스는 황소 한 마리가 1년 동안 내뿜는 CO2의 양이 가솔린 자동차가 8,000 마일(12,875 km)을 주행해야 달성할 수 있는 양과 같으며, 2013년 조사 결과 나무를 태워서 발생하는 연기가 미세먼지의 17%를, 교통수단이 18%를 차지했다고 하는 사실에 대해서 눈감는 것은 불합리 하다고 주장한다.

물직분사 기술이 중소형 엔진에 채용되면 내연기관의 진화가 또 다른 전기를 맞을 가능성도 있다. 우선은 고성능 차량에 채용해 좋은 반응을 얻었다는 점에 주목할 필요가 있다. 그것이 중소형차에도 실용화되게 되면 내연기관에 대한 관심도는 그만큼 높아질 것이다.


 


출처 : http://global-autonews.com/bbs/board.php?bo_table=bd_013&wr_id=925