BMW TwinPower Turbo technology란 무엇인가?

BMW는 멀지 않은 미래에 100% 전기 모터로 구동되는 모델이 상용화되어 대량생산이 가능할 것으로 예상하고 있습니다만 최근 글로벌 경기 침체로 그 시점이 뒤로 밀어지는 듯합니다. 이유는 간단한데요 경기가 호전되어야 석유 소비가 늘고 그렇게 되면 석유값이 오르고 자연스럽게 사람들은 전기차를 갈망하게 되는 시나리오였는데... 경기가 호전이 되지 않아 석유 값이 생각만큼 빨리 오르지 않는 거죠. 물론 기술적인 이유도 있겠죠... 이건 BMW 뿐만 아니라 모든 자동차 메이커들의 고민입니다.

이렇게 100% 전기 모터로 구동되는(주원료가 수소가 될 확률이 높습니다.) 모델의 개발이 늦어지자 바로 전기 모터 체제로는 갈 수 없으니 기존의 내연기관의 문제점을 조금이나마 극복해 높은 성능은 유지하면서 고연비를 내주는 엔진의 개발이 당분간 필요하게 되었습니다. 여기에는 환경 문제도 얽혀서 점차 배출가스 규제가 엄격해지는 점도 작용을 하는데요 무작정 실린더만 붙여서 배기량만 늘려 출력을 뽑아내는 시대는 끝난 것이죠.  바야흐로 고연비의 시대가 도래했습니다!

BMW TwinPower Turbo technology 

BMW TwinPower Turbo technology 는 BMW 오너라면 어디선가 많이 본 문구인데요 바로 이런 고민을 해결하기 위해 BMW가 최근 제시한 일종의 기술 집합체의 명칭으로 가솔린 엔진 뿐만 아니라 디젤 엔진에도 적용됩니다. 최근에 출시되는 모델들은 거의 예외없이 이 기술이 들어가 있어 본넷을 열어보시면 아래 사진과 같이 엔진 커버에 큼지막하게 " TwinPower Turbo" 라고 써 있습니다. 물론 이 기술이 들어가지 않은 엔진의 경우는 안 써 있습니다.

일단 이름만 보면 파워가 트윈이니까 쌔겠구나 하는 느낌과 끝에 터보가 들어가니 터보차져가 달렸겠구나 하는 짐작을 가질 수 있는데요 TwinPower 가 의미하는 것은 variable load control + fuel injection technology 입니다.  variable load control 은 몇 개의 기술로 구성되는데요   VANOS  , VALVETRONIC 그리고 variable turbine geometry 입니다. 간단히 정리하면 이렇습니다. 

BMW TwinPower Turbo technology =  variable load control + fuel injection technology + turbocharger

이른 보다 구체화 시키면 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

BMW TwinPower Turbo technology =  

+ variable load control 

    + VANOS (가솔린 엔진 전용 기술) 

    + VALVETRONIC (가솔린 엔진 전용 기술) 

    + variable turbine geometry(디젤 엔진 전용 기술)

+ fuel injection technology 

    + High Precision Injection direct fuel injection system(가솔린 엔진 전용 기술)

    + Common Rail direct injection system( 디젤 엔진 전용 기술)

+ turbocharger

    + single turbocharger

    + dual turbochargers

    + twin scroll turbocharger

    + triple turbo

자, 그럼 위에서 등장하는 용어들을 정리해보도록 하겠습니다. 

1)  VANOS  

VANOS 는 밸브 타이밍을 가변적으로 조절할 수 있는 기술인데요 캠샤프트의 포지션을 변경하여 밸브 타이밍을 조절할 수 있도록 하는 기술입니다. rpm과 악셀을 얼마나 밟았는지에 따라 레벨이 조정되는데요 rpm이 낮을 때는 흡기밸브를 정상 속도보다 좀 늦게 열도록 해서 부드러운 주행을 가능하게 하고 중간 rpm에서는 흡기 밸브를 정상 속도보다 빨리 열어서 토크를 증가시키고 연비를 향상시킵니다. 그리고 높은 rpm에서는 밸브를 다시 정상속도보다 늦게 열어서 폭팔력이 구동력으로 충분히 전달될 수 있도록 도와주는 기술입니다. 말로는 쉬운데 복잡한 기술입니다. 아래 VALVETRONIC 과 유기적으로 동작하며 이를 위해 엔진 내부에 일종에 ECU와 같은 전기적 제어장치가 별도로 장착되어 있습니다.

추가적으로 흡입 밸브 뿐만 아니라 배기 밸브도 조절 할 수 있는 기술을 Double VANOS 라고 합니다. 

2) VALVETRONIC 

VALVETRONIC 은 BMW에서 너무나 사랑하는 기술입니다. 자랑이 이만저만이 아닌데요 2001년부터 상용화된 기술로 11년이 지난만큼 성숙한 기술이기도 합니다. 앞서 설명드린  Double VANOS 와 유기적으로 결합해서 동작하는데요 흡기와 배기 밸브가 들어올려지는 높이를 가변적으로 변경하는 기술입니다. 현재 0.18mm 에서 9.9mm 까지 흡기/배기 밸브가 들어올려지는 높이를 조절할 수 있습니다. 

기존의 자동차들은 악셀을 밟으면 throttle 밸브라는 것을 열거나 닫는 방식을 이용해 실린더로 들어오는 산소의 양을 조절하였습니다. 산소가 많이 들어오면 연료도 그만큼 많이 섞여 실린더로 들어가기 때문에(직분사 기술이 없기 때문에) 보다 큰 출력을 발생시키게 되고 반대로 산소가 적게 들어오면 그만큼 연료도 적게 실린더로 들어가기 때문에 출력이 줄게 됩니다. 결국 악셀 페달이 throttle 밸브를 얼마나 열 것인가를 결정하는 역할을 한 것이죠. 그런데 VALVETRONIC 은 악셀 페달이 VALVETRONIC 모듈에 연결이 된 형국입니다. 위와 동일한 제어를 VALVETRONIC 이 전자적으로 처리하는 것입니다. 

자 그럼 VALVETRONIC 이 전자적으로 어떻게 처리를 할까요? 네 맞습니다. 바로 밸브의 열리는 높이를 전자적으로 결정하는 것이죠. 일단, 밸브가 높이 들어지는 것과 살짝 들어지는 것의 차이는 무엇일까요? 살짝 들어지면 공기가 실린더로 들어올 때 휘파람 불듯 빠르게 흡입되면서 swirl(소용돌이)이 발생하는데요 이는 소용돌이가 없을 때 보다 상대적으로 강력한 폭팔을 만들 수 있습니다. 하지만 단위시간동안 들어오는 산소의 양이 적어지는 단점이 있죠. 이는 적은 연료로 동일한 출력을 낼 수 있는 효과가 있지만 강력한 출력은 불가한 단점이 있습니다. 그래서 가속력이 불필요한 정속 주행의 경우는 이와 같이 벨브를 살짝 열고 가속을 할 때는 기존과 같이 밸브를 최대한 들어올려 만땅으로 열 개 됩니다. 바로 이것이 VALVETRONIC 의 핵심 원리입니다. 

VALVETRONIC 도 말로는 쉽습니다. 하지만 매우 복잡합니다.

3) variable turbine geometry

variable turbine geometry는 번역하면 "가변 터빈 기하학" 정도가 되는데요 BMW가 이미 널리 상용화된 디젤 VGT 기술에 자기들만의 명칭을 붙인 것입니다. 디젤의 VGT(Variable-geometry turbochargers) 기술은 이미 보편화된 기술인데요 터보를 돌릴 때 저속에서는 배출가스가 들어오는 부분에 팬을 조금만 열어서 터빈이 보다 빨리 돌수 있도록 하고 고속에서는 팬을 활짝 열어서 터빈이 상대적으로 배출가스의 양에 둔감하게 반응하도록 조절하는 기능입니다. 이를 통해 저속에서는 터보랙을 줄일 수 있고 고속에서는 터보의 오버런(너무 빨리 돌아 고장나는 것)을 막을 수 있습니다. 머 사실 이 기술은 듀얼터보나 삼터보로 보완할 수 있습니다.

4) High Precision Injection direct fuel injection system 와 Common Rail direct injection system

 High Precision Injection direct fuel injection system은 가솔린 엔진 전용 기술이고 Common Rail direct injection system은 디젤 엔진 전용 기술인데요 사실 둘 다 BMW만의 특별한 기술이 있는 것은 아닙니다. CRDI(Common Rail direct injection)은 디젤 엔진에 널리 알려진 커먼레일 직분사 방식인 것처럼 High Precision Injection direct fuel injection도 유사한데요 이는 전적으로 인젝터 기술에 의존하고 있습니다. 

인젝터란 무엇이냐? 아래 그림과 같이 바로 연료를 아주 미세하게 실린더 내부로 뿌려주는 장치인데요 연료를 얼마나 고압으로 미세하게 뿌리는가가 성능과 연비에 직결됩니다. 벤츠의 경우 인젝터 기술을 전적으로 와이퍼로 유명한 보쉬에 의존하고 있는데요 BMW도 상황은 비슷할 겁니다. 즉 이 기술은 자체 기술이라기 보단 인젝터와 인젝터 주변 부품에 전적으로 의존적인 기술인 것이죠. 보다 고압으로 보다 미세하게! 가 관건인 기술이 되겠습니다. 참고로 최근에 장착되는 인젝터들은 매우 고가입니다. 고장나면... 

5) turbocharger 

마지막으로 BMW는 다양한 종류의 터보차져를 도입했는데요 조금씩 다르긴 하지만 전체적인 원리는 유사합니다. 관련해서는 "2012/07/31 - [기술 정보/white paper] - Turbochargers"를 참고해주세요. 

결론

BMW의 BMW TwinPower Turbo technology 에 대해 정리해 보았는데요 보시면 아시겠지만 디젤 엔진을 위한 기술보다는 가솔린 엔진을 위한 기술이 훨씬 복잡하고 정교합니다. 아무래도 가솔린 엔진이 연비가 떨어지기 때문인데요 이런 정교한 기술이 들어감으로써 최근 나오는 가솔린 엔진은 매우 향상된 연비를 내면서 동시에 더 나은 성능도 낼 수 있게 된 것입니다. 이 기술은 향후 전기차의 시대가 오면 바로 쓰레기통으로 들어갈 기술이지만 현재로써는 매우 강력한 기술입니다. 

최근 BMW와 다른 제조사들이 발표하는 가솔린 엔진의 스팩을 보면 거의 직분사 엔진이 사용되고 있는데요 각 제조사 별로 위의 기능들과 유사한 기술들이 사용 되고 있습니다. 그러나 VANOS 와 VALVETRONIC 기술을 가진 BMW의 가솔린 엔진 기술이 사실 가장 뛰어난 듯 보입니다. 이런 기술들을 통해 BMW는 작은 배기량으로도 타사 대비 높은 마력과 토크 그리고 연비를 뽑아내고 있는 것이죠. 

BMW TwinPower Turbo technology 하면 가장 먼저 떠오르는 게 바로 BMW M Performance 모델인데요 BMW TwinPower Turbo technology 와 같은 철학을 가장 잘 반영한 모델이 되겠습니다. 관련 내용은 "2012/08/31 - [기술 정보/BMW] - BMW M Performance Automobile"를 참고하시기 바랍니다. 

최근 출시된 2013년형 BMW 7시리즈의 디젤 모델인 730d와 740d의 차이점을 보면 BMW TwinPower Turbo technology가 얼마나 우월한 기술인지 확인하실 수 있는데요 관련 정보는 "2012/09/19 - [모델 정보/BMW] - 2013 BMW 730d 740d F01"를 참고하세요.

REF.

http://en.wikipedia.org/wiki/VANOS

http://en.wikipedia.org/wiki/Valvetronic

http://paultan.org/2006/08/16/how-does-variable-turbine-geometry-work/

http://www.youtube.com/watch?v=qZ9k4Ohssu8&feature=fvwrel

http://www.bmw.com/com/en/insights/technology/efficientdynamics/phase_2/technology/engines.html

https://www.press.bmwgroup.com/pressclub/p/pcgl/pressDetail.html?title=bmw-group-innovation-day-2012-efficient-dynamics&outputChannelId=6&id=T0131855EN&left_menu_item=node__2368

http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-geometry_turbocharger

http://carscoop.blogspot.com/2012/09/bmw-announces-new-15-liter-turbocharged.html