05서울모터쇼-BMW수소엔진차 H2R

수소는 배기가스가 없고 무한한 양의 에너지를 재생시킬 수 있는 까닭에 전세계적으로 미래형 연료로 주목 받고 있다. 이에 BMW 그룹은 지난 1978년부터 꾸준히 수소연료 엔진을 연구해왔다.
BMW H2R은 BMW가 최초로 개발한 수소연료 경주차량이다. 공기역학적으로 최적화된 H2R의 외관은 탄소섬유 강화플라스틱(carbon-fiber-reinforced plastic)을 사용하여 공기저항계수(drag coefficient)가 단지 0.21에 불과하다. 길이 5,400mm, 너비 2,000mm의 H2R은 탱크에 수소연료를 가득 채워도 무게가 1,560kg(운전자 포함)에 지나지 않으며, 배기가스라고는 수증기가 전부이다.
BMW 760i을 기반으로 개발된 V12 6.0X 엔진은 수소를 태워 5,500rpm에서 285마력의 힘을 얻음으로써 6.0초의 놀라운 가속력(0-100km/h)을 뿜어낸다. 2,000rpm에서 337Nm의 최대토크를 발휘하는 H2R은 지난해 9월 프랑스 미라마스(Miramas) 시험장에서 실시한 성능 측정 실험에서 시속 185마일(302.4km)을 돌파하는 등 무려 9개의 기록을 갱신함으로써 수소엔진 차량의 미래가 얼마나 역동적이고 강력한 것인지 입증했다.
H2R의 H2는 수소의 원자기호를 R은 BMW 수소차량의 기념비적인 주행기록을 나타낸다.

BMW H2R 주행 기록
- 플라잉스타트로 1km 주행: 11.993초 – 300.190 km/h
- 플라잉스타트로 1마일 주행: 19.912초 – 290.962km/h
- 스탠딩스타트로 1/8마일 주행: 9.921초 – 72.997km/h
- 스탠딩스타트로 1/4마일 주행: 14.933초 – 96.994km/h
- 스탠딩스타트로 0.5 km 주행: 17.269초 – 104.233km/h
- 스탠딩스타트로 1마일 주행: 36.725초 – 157.757km/h
- 스탠딩스타트로 10마일 주행: 221.052초 – 262,094km/h
- 스탠딩스타트로 1km 주행: 26.557초 – 135.557km/h
- 스탠딩스타트로 10 km 주행: 146.406초 – 245.892km/h

• 플라잉스타트(flying-start): 미리 몇 번의 랩을 주행한 후 출발선을 지나는
순간부터 시작하는 방식
• 스탠딩스타트(standing-start): 출발선에 정지한 상태에서 출발하는 방식

모든 기록은 국제자동차연맹(FIA)과 국제모터스포츠협회(IMSA)의 감독 아래 측정되었다.

수소연료에 맞춘 12기통 엔진
BMW는 H2R을 제작하기 위해 BMW 760Li의 가솔린 엔진을 기반으로 엔진의 연료주입 시스템을 수소연료에 적합하게 변형시켰으며 밸브트로닉(Valvetronic valve drive)과 같은 최첨단 기술을 적용했다.
BMW H2R 엔진은 일반 엔진과 비교할 때 수소 분사밸브와 연소실의 재질 선택에 있어 가장 뚜렷한 차이점을 보인다. 기존 BMW 시리즈 엔진은 연료가 연소실로 곧바로 분사되는 데 비해, 수소엔진은 분사밸브가 흡기판(intake manifolds) 바로 안에 있다. 미라마스 시험 주행에 사용된 수소엔진은 오직 수소만으로 운행되는 단일모드로 설계되었으며, 수소 특유의 낮은 윤활 정도를 보완하기 위해 특수 재질로 만들어진 밸브 링이 사용되었다.

높은 효율성을 가진 수소
그러나 무엇보다도 가장 중요한 점은 수소의 연소성질이 휘발유나 경유와는 매우 다르다는 사실이다. 표준기압에서 수소는 휘발유와 경유보다 더 빨리 연소하며, 휘발유보다 약간 낮은 온도에서 발화한다. 수소엔진 내에서 형성되는 수소/산소 혼합물의 높은 연소율은 휘발유 엔진보다 더 높은 온도를 발생시킨다. 따라서 BMW H2R 엔진은 피스톤이 최고 사점(dead center)에 도달할 때까지 연료와 공기의 혼합물이 연소되지 않아도 최대출력을 내도록 설계되었다.
이러한 수소/산소 혼합물의 높은 연소압력은 굉장한 이점을 갖고 있으며 같은 양의 에너지로부터 보다 강력한 파워를 창출해냄으로써 뛰어난 효율성을 나타낸다. 이는 BMW H2R이 연소과정 처리가 탁월한 환경 친화적 엔진을 장착했으며, 실질적으로 수증기 이외엔 아무것도 배출하지 않는다는 것을 보여준다.
한편 수소엔진은 수소를 흡기판에 최대한 늦게 분사하기 때문에 특별한 조건의 분사밸브를 필요로 한다. 이를 위해 새롭게 개발된 H2R의 분사밸브는 기체인 수소가 액체인 휘발유보다 더 많은 부피를 차지하는 까닭에 일반 밸브보다 조금 더 큰 것이 특징이다. 뿐만 아니라 전력 가동 중 최고 엔진속도에서 정확한 양의 수소를 아주 짧은 시간 안에 매우 빠른 속도로, 그러나 최대 부하 미만으로 분사할 수 있도록 개발되었다.

안전성
BMW H2R의 연료공급 시스템은 BMW 시리즈 개발 과정을 통해 검증된 컨셉을 기반으로 설계되었다. 액화수소 11kg 용량의 진공 엔진탱크는 이중벽으로 제작되었으며 탱크 위에 달린 조작밸브는 4.5bar의 압력으로 열리게 되어있다. 또한 극저온 용기 속의 누출을 막기 위해 설치된 2개의 추가안전밸브는 탱크 내부의 압력이 5bar을 넘을 경우 자동으로 열리기 때문에 매우 안전하다.
BMW H2R의 정밀한 안전 시스템은 포뮬러원에서 적용되었던 텔레매틱 제어시스템으로 관리되며 탱크 안과 탱크 연결부 등에 부착된 4개의 수소 센서가 수소의 누출을 즉시 탐지하고 보고하게 된다.

섀시와 서스펜션
BMW의 엔지니어와 BMW GmbH의 개발 전문가들은 BMW H2R의 구조와 섀시를 제작함에 있어, 최첨단의 기술과 BMW 스포츠카의 혈통을 이어나가는데 심혈을 기울였다. 차량의 섀시와 서스펜션 구조에는 모노코크 알루미늄 스페이스 프레임이 사용되었다. BMW H2R의 알루미늄 구조는 차량의 경량화(공차중량: 1,560kg)와 더불어 부식에 강한 특성을 가진다. 또한 포뮬러원 경주용 차량과 마찬가지로 차량 외부에는 탄소섬유 강화플라스틱(carbon-fiber-reinforced plastic)을 사용하여 차량의 내구성을 높였다.

수소기술 개발의 지속적인 선도자
그 우수한 효율성에도 불구하고 BMW H2R의 엔진은 수소엔진 개발에 있어 첫걸음을 뗀 것에 불과하다. BMW 그룹 연구부서의 전문가들은 엔진의 최적 작동시점에서 50%의 효율성을 달성한다는 장기적 목표를 세우고 수소엔진 연구를 계속하고 있다. 이 목표는 연소과정을 최대 활용함과 동시에 수소의 우수한 연소특성(에너지 활성화의 낮은 온도 및 높은 속력)을 이용함으로써 이루어질 것이며, 이밖에도 이 효과로부터 엔진 마찰력의 감소와 모든 부품 활용의 극대화, 그리고 전반적인 에너지 관리의 향상 등이 얻어질 것으로 기대된다.
한편 모든 특성을 종합해 볼 때 가솔린 엔진은 여전히 많은 장점을 가지고 있기 때문에, BMW는 그동안 수소와 가솔린 모두를 연료로 사용할 수 있는 듀얼 모드가 적용된 차량을 개발해 왔다. 현재 136마력 출력 이상의 수소자동차 개발에 있어 전 세계 1위를 달리고 있는 BMW 그룹은 앞으로 3년 안에 세계 최초의 듀얼 모드가 적용된 7시리즈를 출시할 계획이다.

데스크(charleychae@carisyou.com)