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토요타의 새 가솔린 엔진, 자연흡기의 새 가능성 제시

작성자
acl
작성일
2015-06-24 21:03
조회
1940

토요타가 새 가솔린 엔진을 공개했다. 새로 개발된 가솔린 엔진 패밀리는 효율을 극대화 하는데 포커스가 맞춰졌다. 일반 엔진에도 앳킨슨 사이클이 적용된 게 가장 큰 특징이고 우선적으로 1리터와 1.3리터 두 가지가 선보였다. 토요타에 따르면 연비는 최소 10%가 좋아진다. 열효율도 38%까지 높아졌다. 토요타의 새 가솔린 엔진 라인업은 총 14가지로 나오게 된다.

일본 메이커는 다운사이징 터보의 도입에 소극적이었다. 최근 들어서야 다운사이징 터보를 내놓기 시작하지만 유럽 메이커에 비하면 그 수는 매우 부족하다. 일본 메이커는 하이브리드에 주력해 왔고 내연기관도 여전히 자연흡기에 무게가 실려 있다. 토요타가 이번에 공개한 새 가솔린 엔진도 자연흡기 방식을 유지하고 있다. 최근 트렌드와는 반대되는 행보지만 자연흡기 엔진의 새 가능성을 엿볼 수 있다는 의미도 있다.

이번에 공개된 새 엔진은 3, 4기통 가솔린 엔진이다. 배기량은 1리터와 1.3리터 두 가지이고 이는 토요타의 소형 엔진 중에서는 핵심 유닛이라고 할 수 있다. 토요타의 1리터와 1.3리터는 1999년 데뷔한 이후 조금씩 개선이 되어왔지만 이번에 가장 큰 변화를 맞게 됐다.

가장 크게 달라진 것은 오토 사이클이 아닌 앳킨슨 사이클이 적용된 것이다. 앳킨슨 사이클은 이미 하이브리드의 엔진에서 흔하게 볼 수 있지만 일반 자동차의 엔진에는 거의 쓰이지 않는다. 앳킨슨 사이클이 효율은 좋지만 고회전에 불리하고 이에 따라 리터당 출력도 낮기 때문이다. 때문에 앳킨슨 사이클은 하이브리드의 내연기관에만 쓰이고 있다.

하지만 새 1리터와 1.3리터는 일반 자동차용 엔진으로 개발됐다. 차후 하이브리드나 터보 모델이 추가될 수 있지만 일단은 일반 자동차에 먼저 탑재된다. 토요타의 일반 엔진에 앳킨슨 사이클이 쓰인 것은 이번이 처음이다. 핵심은 크게 빠른 연소와 높은 압축비, 그리고 펌핑 로스와 마찰 저항을 줄이는 것이다. EGR도 기본이다. 빠른 연소를 위해서는 인테이크 포트를 새로 디자인했다. 새 디자인은 빠른 공기의 흐름을 유도하며 차후 터보의 세팅까지도 감안한 디자인이다. 접시 모양의 피스톤 역시 마찬가지다. 이 엔진에 적용된 전자식 가변 캠 페이징 기구는 VVT-iE(Variable Valve Timing-intelligent Electric)로 불린다.

연소 효율을 위해서는 압축비도 높였다. 압축비가 높아지면 효율은 좋지만 노킹 현상이 발생한다는 우려가 있다. 토요타는 노킹이 발생하기 전에 연소를 빠르게 진행하는 한편 실린더 월의 온도를 정교하게 컨트롤해 노킹 없이 연소 효율을 높일 수 있었다고 밝혔다. 압축비는 13.5:1까지 높아졌다. 마쓰다 스카이액티브의 14.0:1보다는 낮지만 일반 엔진보다는 크게 높은 것이다. 참고로 마쓰다 차기 가솔린 엔진은 압축비가 18까지 올라갈 것으로 알려졌다.

앳킨슨 사이클은 압축 행정 중에 순간적으로 인테이크 밸브의 오픈 시간을 늘려 효율을 높인다. 흡기 밸브가 열려 있는 시간이 오토 사이클보다 길고 피스톤과 크랭크샤프트의 연결 구조는 좀 더 복잡하다. 팽창비와 압축비를 다르게 하면서 펌핑 로스를 줄일 수 있고 이 때문에 오토 사이클에 대비 연비가 10% 내외로 좋아진다. 대신 고출력이 힘들다는 단점이 있다. 토요타는 낮은 리터당 출력은 높은 압축비를 통해 해결했으며 풍부한 저속 토크로 상쇄가 가능하다고 밝혔다. 그리고 피스톤 스커트의 디자인을 개량하는 한편 코팅 처리된 베어링을 적용해 마찰 저항도 줄였다.

새 1.3리터 가솔린은 고성능 엔진만큼이나 압축비가 높다. 열효율은 38%로 가솔린 엔진 중에서는 가장 높은 수준이다. 현행 유닛은 열효율이 35%이고 현재 프리우스 엔진의 열효율이 38.5%이다. 토요타에 따르면 기존 엔진 대비 최대 15%의 연비 개선 효과가 있다. 내년에 나올 프리우스의 가솔린 엔진은 열효율이 40% 이상 올라갈 것으로 알려졌다. 토요타가 2011년에 선보인 퓨처 컨셉트 2는 열효율이 43.7% 이상이었지만 상용화될지는 미지수이다.

새 1리터 엔진도 열효율이 37%로 상승했다. 이 1리터 엔진 역시 1.3리터와 비슷한 인테이크 포트, EGR이 적용됐으며 압축비도 11.5:1로 높였다. 스톱 스타트까지 더할 경우 연비 개선 효과는 최대 30%이다. 1리터 엔진은 자회사인 다이하쓰와 공동으로 개발했다. 새 가솔린 엔진은 자연흡기가 기본이지만 하이브리드에도 적용이 가능하고 직분사와 터보도 조합이 가능하다.

이번에 공개된 가솔린 엔진은 토요타의 핵심 파워트레인 전략 중 하나이다. 내년에 나오는 TNGA(Toyota New Global Architecture)의 모델에 가장 먼저 탑재되며 토요타 시티의 뉴 PJDB(Powertrain Joint Development Building)에서 개발을 맡은 첫 번째 엔진이기도 하다. 앞으로 2년 동안 토요타 엔진 라인업의 30%를 커버하게 된다.

아직 출력의 수치는 공개되지 않았지만 적어도 효율 면에서는 지금보다 좋아질 게 확실하다. 반면 앳킨슨 사이클의 약점을 얼마나 메울 것인지가 토요타의 숙제이다. 토요타의 새 가솔린 엔진은 기본적으로 전기 모터가 보조하는 하이브리드에 적합한 유닛이다. 일반 모델에 적용된다고 하지만 차후 하이브리드가 나올 때 별도의 튜닝 없이 그대로 적용할 수 있다는 이점이 있다. 다른 장점으로는 터보 엔진 대비 제작 비용이 낮다. 토요타의 새 가솔린 엔진은 자연흡기 방식의 새 가능성을 제시하는 한편 효율과 생산 비용까지 고려한 해법이라고 할 수 있다.

 

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