Mercedes-Benz OM651

OM651 디젤 엔진(OM 651 DE 22 LA) 

OM651 엔진은 벤츠에서 2008년 10월 C250 CDI BlueEFFICIENCY를 통해 선보인 생산한 4세대 직렬 4기통 커먼레일 디젤엔진으로 1.8 liter (1796 cc) 와 2.1 liter (2143 cc) 두 개의 다른 서브모델을 가지고 있습니다.(이번 정리에서 1.8L 버전은 생략하겠습니다.) 독일의 Untertürkheim에서 제조 후 MDC Power GmbH에 의해 독일의 Thuringia에서 조립됩니다. 2012년 현재, 국내에 시판되는 벤츠에 들어간 OM651 엔진은 모두 2143cc 의 엔진으로 버젼명은 OM 651 DE 22 LA 입니다. 

OM651 엔진의 실린더는 직경 83mm 에 99mm 스트로크로 구성되며 압축비는 16.2:1입니다. 압축비가 17.5에서 16.2로 줄어듦으로써 연소과정이 최적화 되고 이로인해 배출 가스 감소가 가능해졌다고 합니다. 

엔진의 캠사프트(camshaft)가 엔진의 뒤쪽에 장착되어 엔진의 전체적인 높이를 낮게 유지할 수 있습니다. 이로 인해 엔진 본넷이 차 뒤로갈수록 높아져 날렵한 선을 갖게 됨과 동시에 보행자와의 충돌 시 높은 안정성을 확보하게 됩니다. 

부드러운 동작을 위해 마찰력이 적은 롤러 베어링을 가진 두개의 Lanchester 발랜스 샤프트가 4기통에서 나오는 진동을 억제하기 위해 사용됩니다. 엔진의 단조 크랭크축도 8개의 균형추를 가지며 각 균형추는 5개 베어링으로 지지됩니다. 연접봉(connecting rod)은 단조강으로 되어 있으며 벤츠의 엔지니어들이 최적화한 무게를 가집니다. 알루미늄 피스톤은 마찰을 최소화 하기 위해 주철로 된 베럴 안에서 동작합니다. 또한 두 개의 수냉식 재킷은 냉각기능이 충분히 발휘될수 있도록 보장합니다.  

엔진은 두 개의 플라이휠을 사용하는데 메인 플라이 휠과 보조 플라이휠은 스프링을 연결됩니다. 이는 구동렬(drivetrain)에서 오는 크랭크축의 진동을 억제하기 위해서입니다. 

OM 651 서브 모델

OM 651은 다시 출력에 따라 3개의 모델로 분류됩니다. 

200 CDI 

- 100 kW/136 hp at 3000-4600 rpm and 360 Nm at 1600-2800 rpm  (single VTG turbo)

220 CDI

- 125 kW/170 hp at 3200-4800 rpm  and 400 Nm at 1400-2800 rpm  (two-stage turbo)

250 CDI

- 150 kW/204 hp at 4200 rpm  and 500 Nm at 1600-1800 rpm  (two-stage turbo)

위의 수치들은 리밋이 걸려있는 상태에서 나온 수치들이며 리밋이 해제되면 좀 더 성능을 뽑을 수 있을 것으로 판단됩니다. 파워의 성능만 놓고 본다면 적어도 220hp 정도로 이야기 되고 있습니다. 

200 CDI 엔진을 사용하는 벤츠의 모델: B 200 CDI 

220 CDI 엔진을 사용하는 벤츠의 모델 :  C 220 CDI BlueEFFICIENCY, GLK 220 CDI BlueEFFICIENCY, GLK 220 BlueTEC, E 220 CDI BlueEFFICIENCY

250 CDI 엔진을 사용하는 모델 : ML 250 BlueTEC, SLK 250 CDI BlueEFFICIENCY, C 250 CDI BlueEFFICIENCY, GLK 250 CDI BlueEFFICIENCY, GLK 250 BlueTEC, E 250 CDI BlueEFFICIENCY, CLS 250 CDI BlueEFFICIENCY, S 250 CDI BlueEFFICIENCY

OM651 엔진의 특징

two-stage 터보챠저

OM651 엔진은 BorgWarner사에서 생산된 트윈 터보차져가 설치되어 있는데 하나는 저속 회전에 반응하여 빠르게 감기는 고압에 작은 터빈이며 다른 하나는 고속 회전에 반응하도록 설계된 저압에 큰 터빈입니다. 저속 회전을 돕는 고압 터보는 우회 배관을 가지고 있는데 이는 속도가 올라갈수록 증가되는 배기가스의 양에 의해 자칫 고압 터빈에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위한 것이며 속도가 일정 속도 이상 올라가면서 동작하지 않게 됩니다. 터보차져에 의해 최종 압축된 공기의 압력은 3 bar 정도입니다. 

사실 트윈터보는 최근 개발되는 엔진에 거의 들어가는 부속이 되었는데요 트윈터보를 이용하면 고연비를 유지하면서도 저 RPM에서도 높은 토크를 만들 수 있기 때문입니다. 물론 터보챠저가 없는 흡기보다는 단점이 몇가지 있습니다만 분명 단점보다 장점이 많은 모듈입니다. 

아래 그림은 터보차져의 위치(위 그림)와 BorgWarner사에서 생산된 트윈 터보차져의 모습(아래 그림)입니다. 터보차져는 다음에 보다 자세히 정리해 보도록 하겠습니다. 

 

개선된 연료 분사

커먼레일 방식의 연료분사에 사용되는 레일 압력은 2,000 bar 이고 최대 발화 압력은 200 bar 이며 Delphi 사에서 제작한 piezo-injector(압전기방식)를 사용합니다. 이로 인해 유연한 인젝션 타이밍이 가능하고 연비향상과 배출감소를 만들었습니다. 최대 발화 압력이 200 bar로 향상된 점은 성능향상에 중요한 포인트입니다. 또한 고압의 연료펌프는 연료를 필요할 때만 흡입하게 되는데 이로 인해 디젤 엔진의 온도가 일정량 감소하는 효과를 가져오게 된다고 합니다. 이는 엔진 냉각에 필요한 추가적인 전력 소모를 줄이게 됩니다.

개선된 냉각/윤활 방식

개선된 냉각 모터는 필요에 따라 동작/정지 됩니다.(on-demand). 이를 통해 냉각 모터에 사용되는 전력 소모를 줄일 수 있는데요 OM651 엔진에서 정상 운행 중에 기대되는 냉각수의 온도는 100도라고 합니다. 그러니 계기판의 온도 계이지가 100도까지 올라가도 문제가 없다는 것이죠. 물론 운전자의 운전 습관에 따라 80도 정도에도 정상동작할 수 있다고 합니다. 오일 펌프도 냉각 모토와 같이 on-demand 방식으로 동작합니다. 이를 통해 또한번의 전력 소모 개선이 가능하다고 합니다. 정말 연비 향상을 위해 철저하게 아끼는 군요 ;-) 

가변 인테익 메인폴드(Variable Intake Manifold) 도입

사실 가변 인테익 메인폴드는 OM651만의 기술은 아닙니다. 인테익 메인폴드는 토크와 연관이 있는데요 이 인테익 메인폴드로 들어오는 공기의 스피트가 가변으로 조절되게 함으로써 토크를 보다 유연하게 다스릴 수 있게 한 것입니다. 이 기술이 OM651에 들어가게 된 것이죠. 

인터쿨러와 EGR(Exhaust gas recirculation) 쿨러 개선

엔진으로 들어오는 공기가 터보챠저에 의해 압축되면 공기의 온도가 급격히 상승하게 됩니다. 이 때 인터쿨러는 터보차져에 의해 압축되어 들어오는 공기의 온도를 140도 정도로 낮춰주는 역할을 하게 됩니다. 아래 그림과 같이 자동차의 앞 범퍼의 그릴 안에 보일듯 말듯 설치된 것이 바로 인터쿨러입니다. 

디젤엔진은 EGR(Exhaust gas recirculation, 배기 가스 재순환) 방식을 사용하는데요. 동작원리는 이렇습니다. 추운 겨울에 자동차를 시동하면 엔진이 차갑습니다. 즉 워밍업이 필요한데요 이 때 빠른 워밍업을 위해 뜨거운 배기가스를 바로 배출하지 않고 적절하게 식힌 후( 이 때 쓰이는게 EGR 쿨러입니다) 엔진을 대펴주는 데 재사용 하는 것이죠. OM651 엔진에서는 EGR쿨러도 개선되어 보다 효율적인 EGR 운용이 가능하다고 합니다. 

OM651  엔진의 성능

220 CDI 엔진의 경우 디젤 엔진답게 최고토크(400 Nm)가 낮은 rpm 영역에서 나와주기 때문에 고속주행이 아닌 일반적인 주행 상황에서도 밀어주는 힘을 느낄 수 있도록 제작되었습니다. 또한 터보챠져의 도움으로 1400-2800 rpm 과 같이 넓은 RPM영역에서 최고토크를 보여주기 때문에 운전의 재미를 더해 줍니다. 그리고 3200-4800 rpm에서 170 hp 의 최대마력을 냅니다. 아쉬운 점은 레드존이 5000rpm 부터 시작되기 때문에 디젤 엔진이라는 태생적 한계를 가지고 있는 건 어쩔 수 없습니다. ;=)

아래 그림은 250 CDI(150 kW/204 hp@4200rpm and 500 Nm @1600-1800rpm) 엔진의 다이아그램 입니다. 

OM651 엔진에 대한 평가는 "International Engine of the Year (2012)"를 참조해 주세요. International Engine of the Year에서 발표한 BMW 3(F30), AUDI TDI 와의 비교 결과를 보실 수 있습니다. 

<reference>

http://paultan.org/2008/04/11/new-mercedes-benz-om651-twin-turbodiesel/

http://www.prova.de/archiv/2008/00-artikel/0034-om651/index.shtml

http://nl.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_OM651

http://de.wikipedia.org/wiki/Mercedes-Benz_OM_651#OM_651_DE_22_LA_red

http://autospeed.com/cms/title_StateoftheArt-Diesel-Technology/A_110964/article.html