일본 토요타 자동차는 5월 28일, 스바루, 마쓰다와 함께 ‘멀티 패스웨이 워크숍’을 개최했다. 이번 워크숍에서 토요타는 신형 2.0리터 4기통 터보 엔진에 더해 신형 1.5리터 터보 & 자연 흡기 엔진의 3종류 엔진을 개발 중임을 밝혔다.
이 엔진들은 가솔린을 연료로 할 뿐만 아니라 E100과 같은 연료, 탄소 중립 연료, 그리고 수소 연료 등을 감안해 내연 기관으로 전동화의 미래에 대응해 나가는 것을 목표로 하고 있다. 배터리 EV를 전제로 개발한 차량과 조합해 최신형 PHEV도 디자인할 수 있도록 부피가 작다는 점도 포인트.
신규 엔진 가운데 가장 확장성이 높은 신형 2.0L 4기통 터보 엔진을 먼저 살펴보자.
이 신형 2.0리터 4기통 터보 엔진은 놀랍게도 레이스카 영역까지 감안한 설계를 진행했다. 이 엔진에 대한 존재가 처음 나온 것은 올해 초 도쿄 오토 살롱이 처음이다. 도요타 쇼오 회장의 프레젠테이션에서 모터스포츠를 이기는 엔진의 개발을 사토 츠네지 사장에게 부탁했다고 하며, 붉은색 엔진 헤드를 가진 엔진 1기가 사진으로 공개된 바 있다.
당시에는 전동화 시대임에도 엔진 개발을 멈추지 않는 토요타의 근성에 대해 재확인했다. 그리고 그 엔진의 출력을 대략 리터당 200마력 정도로 총 출력 400마력 정도로 추산했다. 메르세데스-AMG 2기터 트윈스크롤 싱글터보 차저 엔진(M137)의 영역이었다. 주목할 점은 도요타 이사 부사장 겸 CTO의 나카시마 유키에 따르면, “400마력도 목표하고 있지만 각 부품을 교체한 600마력도 보이고 있다”고 한 대목이다.
이번 워크숍에서 그는 또 전동화 시대를 감안한 엔진의 경량화 및 축소를 엔진 개발 초기에 개발자들에게 당부했다. 이렇게 만들면 엔진의 케이스를 축소됨으로서, 2023 재팬 모빌리티 쇼로 공개한 렉서스 LF-ZC와 같이 어색한 배터리 EV 보디에 탑재하는 것도 가능해진다. 같은 맥락으로 배터리 EV의 바리에이션으로서, 같은 바디를 가지는 PHEV를 만들 수 있다.
개발자들은 우선 엔진의 쇼트 스트로크화. 지금까지 토요타는 다이나믹 포스 엔진으로서 보어 × 스트로크비를 1.2 정도로 한 롱 스트로크 타입의 엔진을 추구했었다. 스트로크를 길게 하면, 견고한 텀블(세로 소용돌이)류로 혼합기를 만들고, 연소 효율을 올릴 수 있었기 때문이다. 연비도 좋다. 하지만 최종의 엔진 모습은 종장의 엔진(피스톤 엔진은 기본적으로 종장이지만)이 되어 버렸다.
문제는 전동화로 전환하는 자동차들은 디자인 선택범위가 줄어든다. 따라서 우선은 쇼트 스트로크로 해, 제대로 가동시키는 기술을 개발해 왔다고 한다. 쇼트 스트로크로 하면, 엔진의 높이 방향을 억제되어 엔진의 탑재성이 좋아진다. 쇼트 스트로크 엔진이면 보닛 높이를 낮출 수 공기 저항도 개선. 주행 저항의 대부분을 차지하는 공기 저항을 개선함으로써 연비에도 도움을 주기 때문이다.
일반적으로 차량의 공기 저항은 전면 투영 면적과 Cd값(공기 저항 계수)의 승산에 의해 기초적인 값이 구해지고, 속도의 제곱에 의해 저항값(힘)이 증가해 간다. 파워(마력, 에너지)=힘×속도 때문에 차체의 공기 저항은 속도의 3승으로 영향을 받게 된다. 즉, 엔진 사이즈를 줄이면 공기저항을 줄이기 위한 스타일링을 개선할 수 있다. 바꿔 말하면 차를 전진시키기 위한 파워도 줄일 수 있다.
물론 쇼트 스트로크화의 장점은 더 있다. 먼저 엔진의 회전 수 한계를 올릴 수 있으며, 추가 출력 추구도 가능하다. 흡배기 각도의 광각화에 의해 실린더 헤드 높이를 억제할 수도 있는 것도 장점이 된다.
하지만 단점도 있다. 토요타가 지금까지 추구해 온 롱 스트로크에 의한 연소 효율보다는 상대적으로 뒤처진다. 따라서 이를 더 끌어올릴 필요가 있다. 이에 대해 나카지마 CTO는 “전동화와 조합하는 것으로 좋은 곳을 사용한다”고 말한 것 외에 전동화와 조합하지 않아도 효율을 올리는 기술을 추구해 나간다고 했다.
토요타는 후지 24시간 레이스에서 그 엔진의 결과물을 취재진들에게 공개하고 실제 레이스에도 투입해 작동한다는 것을 증명했다. 더 나아가 나카지마 CTO에 의하면, 이 엔진은 시뮬레이션을 바탕으로 개발해 어느 정도 폭을 갖게 한 마력과 토크의 조합을 실현할 수 있다고 한다.
아울러 시판 엔진은 아니지만, 이 엔진을 베이스로 한 600마력 엔진을 목표로 개발하고 있다. 그 때는 실린더 헤드 등은 교체할 필요는 있지만, 엔진 케이스는 같은 것을 사용할 수 있고, 반대로 거기를 보면서 개발함으로써 레이싱 엔진의 비용을 대폭 낮출 수 있다 .
현재 2.0리터의 터보 엔진은 슈퍼 포뮬러나 SUPER GT로 사용되고 있는 NRE(닛폰 레이싱 엔진)가 있다. 좋지만 매우 비싸다. 이것을 이번에 공개한 엔진으로 바꾼다면 비용이 매우 절감될 뿐 아니라 더 많은 참가자가 모터 스포츠에 진입할 수 있다.
토요타는 향후 이 엔진을 기존 토요타의 3S형과 같이, F바리에이션, G바리에이션이라고 하는 확장을 감안하고 있다. 아울러 양산이 확정되면 원가 절감도 현재에서 더 할 수 있을 것으로 내다보고 있다. 좋은 무언가를 덜어낸 다기 보다는 대량화와 공통화의 관점으로 비용을 낮춘다는 것이다.
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