[이것은 무엇인가?] 180도, 270도와는 다르다! BMW F450GS의 독특한 "135도 크로스플레인 크랭크축"의 장점은?

BMW가 F450GS에 새롭게 탑재한 병렬 2기통 엔진은 시판되는 모터사이클 중에서는 유일무이한 "135도 위상 크랭크축"을 가장 큰 특징으로 한다. 현재 병렬 2기통 엔진의 주류인 270도 크랭크축, 그리고 스포티한 180도 크랭크축과는 어떻게 다르며, 어떤 혁신을 가져왔을까? 이 글에서 자세히 설명한다.

독특한 사운드와 감각을 실현하는 135도 위상 크랭크축

최근에는 270도 위상 크랭크축이 병렬 2기통 엔진의 표준이 되었으며, 90도 V트윈과 유사한 박동감과 토크감을 제공한다. 혼다 아프리카 트윈/NC750X, 야마하 MT-07 시리즈, 스즈키 GSX-8 시리즈, BMW F900/800 시리즈, 트라이엄프 본빌 시리즈 등에서 널리 채택되고 있으며, 특히 미들급(400~800cc)에서 압도적인 지지를 받고 있다.

이러한 흐름 속에서 BMW는 F450GS에 135도 위상 크랭크축을 채용한 완전히 새로운 병렬 2기통 엔진을 도입했다. 이는 양산 모터사이클에서는 최초로 135도 크랭크를 채용한 사례이다.

9월부터 국내 출시되는 신형 F450GS. 178kg의 가볍고 컴팩트한 차체, 48PS의 출력, 96만1000엔부터 시작하는 가격대가 매력적이다.

신형 F450GS는 420cc DOHC 병렬 2기통 엔진에 135도 크랭크를 채용했다. BMW 디자인, 인도 TVS가 생산한다.

400cc 전후의 경쟁 모델 비교 (BMW 자료). 135도 크랭크는 독특하며, 출력은 경쟁 모델과 동등하거나 그 이상이다.

먼저 "위상 크랭크축"이란 무엇인가? 다기통 엔진에서 크랭크 핀의 위치가 크랭크축 상에서 어긋나 있는(오프셋된) 것을 말한다. 이를 통해 각 실린더의 점화 시기를 조절하여 엔진의 박동감과 타이어가 노면을 밀어내는 느낌(트랙션)을 크게 변화시킬 수 있다.

커넥팅 로드가 연결되는 크랭크축의 일부가 크랭크 핀이다. F450GS는 이 부분을 135도의 위상각으로 오프셋하여 270도, 180도 크랭크와는 다른 감각을 추구한다.

135도 크랭크의 가장 큰 장점은 독특한 사운드와 감각이다.

1번 실린더가 상사점(TDC)에 있을 때, 2번 실린더의 크랭크 핀은 135도만큼 오프셋된다. 2번 실린더는 1번 실린더보다 225도 짧은 간격으로 점화되며, 이후 다음 점화 타이밍까지는 495도라는 비교적 긴 간격이 생긴다.

135도 크랭크의 점화 시기. 2번 실린더는 1번 실린더보다 225도 뒤에 점화하고, 이후 1번 실린더가 495도 후에 다시 점화한다. 의성어로 표현하면 "두두... 두두..." 와 같은 느낌일까.

반면, 크랭크 핀을 270도 오프셋한 270도 크랭크는 1번 실린더 점화 후 270도 뒤에 2번 실린더가 점화한다. 이후 1번 실린더는 450도의 크랭크축 회전 후 다시 점화한다. 의성어로는 "도드... 도드..." 와 같은 느낌일 것이다. (도표는 혼다 NC700S/X 출시 당시 자료. 아래도 동일.)

즉, 135도 크랭크는 270도 크랭크보다 토크 발생 시간이 짧고, 토크 펄스 간격이 길어 점화 시기가 불규칙하다. 이는 깊고 거친 사운드를 만들어내며, 뒷바퀴의 트랙션을 잡기 쉬워 오프로드나 미끄러운 노면에서의 컨트롤 성능을 향상시킨다.

BMW는 135도 크랭크의 사운드를 "독특한 오프비트 배기음"이라고 표현한다. 또한 "90도 V트윈(예: 두카티)과 45도 V트윈(예: 할리 데이비슨)의 중간 정도의 톤을 가지지만, 어느 쪽에도 완벽하게 일치하지는 않는다. 270도 크랭크보다 더 '불규칙하고' 거친 인상을 준다"고 말한다.

270도와 180도 크랭크의 장점을 모두 갖추다

135도 크랭크는 270도 크랭크와 유사한 저속~중속에서의 박동감을 제공하면서도, 180도 크랭크 특유의 고회전 영역으로의 부드러운 가속감을 동시에 실현한다.

270도 크랭크는 전 영역에 걸쳐 V트윈 엔진과 같은 "도도독" 하는 토크감을 특징으로 한다. 연소 간격은 90도 V트윈 엔진과 동일하다. 270도 크랭크를 가진 병렬 2기통 엔진은 원래 90도 V트윈 엔진의 박동감과 트랙션 성능을 얻기 위해 고안되었다.

180도 크랭크는 스포티한 모델에 많이 채택되며, 가와사키 Ninja 650/Z650RS, Ninja 250, 야마하 YZF-R25/R3, 혼다 CBR250RR, CBR400R/NX400 등에서 볼 수 있다. 크랭크 핀을 180도 오프셋하면 두 피스톤이 번갈아 상하 운동을 하여 1차 진동(수직 진동)을 상쇄하고, 엔진을 고회전까지 부드럽게 회전시킬 수 있다.

180도 오프셋 크랭크 핀을 가진 180도 크랭크는 1번 실린더 점화 후 180도 뒤에 2번 실린더가 점화한다. 크랭크축 회전 720도마다 다시 점화한다.

135도 크랭크는 "225도"라는 점화 간격이 270도 크랭크의 "270도"와 가깝기 때문에 저속에서는 270도 크랭크와 유사한 박동감을 느낄 수 있다. 다른 간격인 "495도"는 180도 크랭크의 "540도"와 가깝기 때문에 고속에서는 180도 크랭크와 유사한 부드러운 가속감과 고주파 사운드를 얻을 수 있다. 말 그대로 270도와 180도 크랭크의 장점을 모두 취한 것이다.

270도 크랭크에 가까운 박동감과 180도 크랭크를 연상시키는 회전 질감도 인상적이다. https://news.webike.net/motorcycle/527664/

참고로 360도 오프셋 크랭크 핀을 가진 360도 크랭크(0도 오프셋으로도 볼 수 있음)는 크랭크축 1회전(360도)마다 균등하게 점화하여 저속부터 안정적인 토크감과 박동감을 제공한다. 현재 모델로는 가와사키 W800, 야마하 TMAX, 그리고 최근 단종된 할리 X350/X500 등이 있다.

단일 밸런서로 엔진 경량화가 가능한 매력

135도 크랭크는 밸런서 구조를 단순화할 수 있어 엔진 경량화에도 이점이 있다. 270도 크랭크는 관성 토크(라이더가 의도하지 않은 피스톤 왕복 운동으로 발생하는 토크)를 상쇄하는 장점이 있지만, 엔진의 록킹 커플 진동(회전 진동)을 억제하기 위해 여러 개의 무거운 밸런서가 필요할 수 있다.

반면, 135도 크랭크는 간단한 단일 밸런서 구조로 불쾌한 1차 진동을 상쇄할 수 있다. 이를 통해 엔진 설계를 가볍게 할 수 있다. F450GS의 엔진 유닛은 놀랍게도 41.5kg에 불과하다.

크랭크 오프셋으로 인한 진동은 간단한 기어 구동식 단일 밸런서로 상쇄된다. 불쾌한 진동을 억제하면서도 기분 좋은 박동감을 유지한다.

과거에 "135도 점화 간격"의 V트윈이 존재했다!

F450GS의 135도 크랭크 병렬 트윈은 최초이지만, "135도 점화 간격" 자체는 1980년대 혼다 V트윈 엔진에서 실용화된 바 있다.

이는 45도 V트윈 엔진에 90도 위상 크랭크를 조합하여 실현되었으며, XLV750R 등의 모델에 채택되었다. 이론적으로 피스톤 움직임과 점화 간격은 135도 크랭크와 동일하다.

1983년에 데뷔한 혼다 XLV750R은 파리-다카르 랠리를 겨냥해 개발된 대형 오프로드 모델이었다. 1989년에 데뷔한 프리미엄 크루저인 퍼시픽 코스트 역시 유사한 엔진을 탑재했다.

당시 채택 이유는 밸런서 샤프트 없이 이론적으로 1차 진동을 제거하기 위해서였다. 하지만 지나치게 부드러워 인기를 얻지 못하고 단종되었다. BMW의 현재 접근 방식과는 완전히 다른 목적이었다.

단점을 꼽자면...

135도 크랭크의 단점을 굳이 꼽자면, 극저속에서의 끈기(테너시티)는 270도 크랭크가 더 우수하다는 점이다. 135도 크랭크는 270도 크랭크(0~270도)에 비해 하나의 점화 간격(0~225도)이 짧다. 135도 크랭크도 스톨 직전의 아주 낮은 RPM에서는 어느 정도 버텨주지만, 270도 크랭크가 조금 더 길게 버텨줄 가능성이 높다.

또한, 애프터마켓 머플러 선택지가 당장 늘어나지는 않을 것으로 예상된다. 전 세계 트윈 실린더 시장은 270도 크랭크가 지배적이다. 135도 크랭크는 현재 F450GS에만 독점적으로 사용되고 있어 개발 노하우가 축적되지 않았고, 애프터마켓 커스텀 머플러가 출시되기까지는 시간이 걸리거나 선택지가 제한적일 가능성이 높다.

하지만 이러한 단점들을 상쇄하고도 남을 만큼 135도 크랭크는 많은 장점을 가지고 있다. 270도와 180도 크랭크의 장점을 모두 결합한, 진정한 크로스오버적인 매력을 지니고 있다. 향후 개발과 파생 모델의 가능성을 기대해 본다.

※ BMW F450GS의 향후 개발에 대한 스쿠프 기사는 여기를 클릭!

BMW는 2012년에도 "315도 크랭크"를 출시한 바 있다! 당시 허스크바나 Nuda 900/R에 탑재되었으며, F650/800GS에 사용된 병렬 2기통 엔진을 기반으로 했다. (사진: Webike 커뮤니티)

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