2017년 국내에 선보인 토요타자동차의 올-뉴 캠리는 ‘TNGA(Toyota New GlobalArchitecture)’를 바탕으로 만들어진 ‘완전신형(完全新型)’ 세단으로 다시 태어났다. 8세대로 거듭난 토요타 캠리는 기존과는격을 달리하는 총체적인 변화를 통해 새로운 개념의 중형 세단을 제안한다. 본지는 완전신형으로 거듭난캠리의 파워트레인에 대해 다룬다.
TNGA 기반의 完全新型 파워트레인
올-뉴 캠리는 현재 토요타가 핵심 가치로 내걸고 있는 ‘더 좋은 차 만들기(もっといいクルマづくり)’를 위한 새로운 신차 개발체계, ‘TNGA(Toyota New GlobalArchitecture)’를 바탕으로 만들어진다. 올-뉴캠리의 심장은 기존 엔진의 개량품이 아닌 완전히 새롭게 개발된 엔진이다. ‘다이나믹 포스 엔진(Dynamic Force Engine)’으로 명명된 신규 엔진은 TNGA의설계 사상에 기초하여 만들어진 2.5리터급 직렬 4기통 자연흡기앳킨슨 사이클 엔진이다.
TNGA의 기치 하에 만들어지는 새로운 파워트레인은 ‘최대 열효율 향상’과 ‘고효율영역의 확대’, ‘토크의 향상’, ‘더 넓은 기어 대응 영역’, 그리고 ‘높은 응답성’의다섯 가지를 모두 구현하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 지금까지 토요타가 발전시켜 왔던 각종 손실저감 기술들이 총동원된다. 또한 파워트레인의 총체적 효율을 극대화하고 더 넓은 회전 영역에 걸친 성능및 연비 향상을 추구한다.
이를 위해서 엔진은 기본적으로 더 높은 열효율을 가져야 한다. 그리고더 낮은 회전수까지 고효율 영역이 넓어져야 한다. 그리고 이를 위해서는 저속 토크 역시 필히 향상되어야한다. 변속기는 보다 넓은 대응 영역을 가져야 하며 부드러우면서도 즉각적인 변속이 가능해야 한다. 올-뉴 캠리의 파워트레인은 이러한 목표 하에 만들어진 ‘완전신형’ 파워트레인이다.
엔진, ‘공기의 흐름’에주목하다
새로운 엔진의 핵심은 TNGA가 주창하는 낮은 무게중심과 함께 ‘공기의 흐름’에 주목하고 있다. 여기서말하는 공기의 흐름이란 흡기 포트를 타고 들어 온 공기가 연료와 섞여 혼합기가 되고 연소실에서 연소되는 과정을 거쳐 배기 포트로 배출되는 일련의과정을 가리킨다.
일반적으로 자동차 엔진 내부를 지나는 공기는 흡기관을 통해 들어와 배기밸브가 열리면서 연소실로 유입된다. 이 때 흡기 밸브를 타고 들어 오는 공기는 실린더 내부를 향하여 수직으로 떨어지지 않는다. 흡기 포트로 들어 온 공기는 흡기 밸브와 연소실(실린더 헤드), 그리고 실린더 내벽을 타고 종(縱)방향으로 소용돌이 치듯 돈다. 이 과정에서 공기는 흡기 포트 및 흡기밸브의 형상을 따라 제각각의 방향으로 실린더 안에 유입된다.
토요타가 새 엔진을 개발하면서 주목한 ‘공기의 흐름’이란 실린더 내부의 공기가 와류(渦流)하는 현상이다. 다이나믹 포스 엔진의 개발은 이 흡기 와류를 인위적으로유도하는 것에 착안하고 있다. 이를 통해 더 많은 공기를 보다 효율적으로 실린더 내에 모을 수 있다는것이다. 이는 곧 더 높은 연소 효율을 기대할 수 있다는 것을 의미한다.
엔진, 소용돌이를 일으켜라
이 ‘공기의 흐름’을 개선하기위해 새로운 엔진은 기존과 전혀 다른 형태의 실린더 헤드 내부 구조를 갖는다.
특히 공기의 유속 감소를 막기 위한 특유의 흡/배기 밸브 및 포트의구조가 특징적이다. 기존의 자동차용 엔진의 흡/배기 포트는대부분 밸브를 시작으로 하는 곡선형을 이루는 것이 일반적이다. 하지만 다이나믹 포스 엔진의 흡/배기 포트는 전반적으로 직선형에 더 가까운 형상을 취하고 있다.특히흡기 포트는 아예 직선에 가깝게 만들어져 있다. 여기에 흡기 밸브와 만나는 부위의 하단에는 와류 현상을적극적으로 유도하기 위한 턱까지 만들어 놓았다.
실린더 헤드에서 밸브와 접촉하는 부위인 밸브 시트는 레이저 클래딩(LASERCladding)이라는 신공법을 통해 제작되었다. 이는 상기한 직선형의 흡/배기 포트를 실현하기 위한 기술 중 하나로, 특수 합금을 레이저로고속 분사하여 입히는 방식을 취한다. 토요타는 향후 이 기술을 모든 신형 엔진에 차례로 도입할 예정이다.
밸브의 배치에서도 흡기 와류를 유도하기 위한 설계가 적용되어 있다. 다이나믹포스 엔진의 흡기 밸브-배기 밸브 간 뱅크각은 41도로, 통상의 엔진에 비해 더욱 마주보는 각도를 취하고 있다. 밸브시트의내경도 더욱 확대되어 공기가 더 원활하게 유입될 수 있도록 했다.
효율을 높이기 위한 체계적인 뒷받침
다이나믹 포스 엔진은 새롭게 개발된 D4S 인젝터를 채용했다. 신형 인젝터는 포트 인젝터와 실린더 인젝터의 두 가지로 구성된다. 그중에서도 실린더 인젝터는 새로운 엔진을 위해 완전히 새로 개발된 부품이다. 신규 실린더 인젝터는 다중구조의 분사 노즐을 갖추고 있으며 노즐 내부의 형상은 종래의 원통형이 아닌, 원뿔형으로 타공한 점이특징이다. 이를 통해 연료를 더 넓게, 더 골고루 분사할수 있도록 하여 더 높은 효율을 끌어낸다.
새 엔진은 신형의 인젝터 외에도 앳킨슨 사이클 구현을 위한 IN-VVT 흡기밸브지연 제어 기구가 탑재되어 있다. 이 뿐만 아니라 가변제어 시스템을 한층 대대적으로 적용하여 보다 철저하게연소를 관리한다. 흡기에는 VVT-iE, 배기에는 VVT-i 가변 밸브 타이밍/리프트 기구를 설치했다. 또한 이 모든 것은 토요타식 앳킨슨 사이클 구조가 갖는 스몰 보어(실린더내경), 롱 스트로크(행정 길이) 구조에 철저하게 맞춰서 제어된다.
이 외에도 기계적인 부분에서는 고강도 커넥팅 로드와 저마찰 체인 채용을 시작으로 경량 피스톤 도입과 개선된 피스톤스커트 표면 처리 공법을 도입했다. 여기에 전동워터펌프 및 가변용량 오일펌프, 전자제어 서모스탯을 채용하는 등, 각종 신기술들을 도입하여 새 엔진의성능을 뒷받침한다. 또한 엔진과 차체가 물리는 부위인 마운트의 배치를 최적화하고 신규 밸런서와 수지코팅 베어링을 도입하여 진동 또한 효과적으로 줄인다. 아울러 이와 같은 기술들을 통해 배기, 냉각, 각종 기구의 작동 등에 기인한 에너지 손실을 최소화한다.
‘고속 연소’ 개념의 완성– 오토사이클에 준하는 성능 개선
다이나믹 포스 엔진은 연소실 내 공기의 흐름을 인위적으로 유도하는 새로운 설계 개념과 각종 전자제어 시스템을총동원하여 ‘고속 연소(高速燃燒)’의 개념을 구현해냈다. 이를 통해 엔진 자체의 열효율을 크게 향상시켰다. 토요타는 새 엔진의 열효율이 무려 40%에 달한다고 주장하고 있다. 물론 제조사의 자체 기준에 따른 발표이기에 액면 그대로 신뢰할 수는 없다. 하지만기존의 앳킨슨 사이클 엔진에 비해 확실한 성능 개선이 이루어졌음에는 분명하다.
올-뉴 캠리의 다이나믹 포스 엔진은205마력/6,600rpm의 최고출력과25.5kg.m/4,800rpm의 최대토크를 발휘한다. 새로운 엔진은 기존의 2.5리터 앳킨슨 사이클 엔진에 비해 더 빠른 응답성과 더 높은 압축비를 구현해 냈다.
다이나믹 포스 엔진의 가장 큰 성과라 할 수 있는 점은 바로 출력과 저속 토크의 향상이다. 새로운 엔진은 토요타의 자연 흡/배기 앳킨슨 사이클 엔진이 가지고있었던 한계점 중 하나인 부족한 출력과 저속 토크 문제를 해결하여 여타의 오토사이클 엔진과 유사한 수준까지 끌어 올렸다. 이것이 중요한 이유는 앳킨슨 사이클 엔진의 한계를 넘어 섰다는 데 있다. 그동안앳킨슨 사이클 엔진은 전기모터가 있어야 부족한 점이 보완되는 하이브리드 전용 엔진으로 인식되어 왔다. 하지만새로운 엔진은 이제 더 이상 하이브리드 전용이 아닌, 단독으로 사용해도 될 수 있는 경지까지 오른 것이다. 그리고 앳킨슨 사이클의 우수한 효율을 일반 가솔린 자동차에서도 누릴 수 있다는 점 역시 새 엔진이 가진 큰의의라 할 수 있다.
변속기 - 더 작고, 더스마트한 다이나믹 포스 엔진의 조력자
기어를 사용하는 변속기는 기어가 많아질수록 자연히 그 크기가 커지게 되어 있다.하지만 올-뉴 캠리에 탑재되는 신형 8단 자동변속기만큼은 예외다. 신형 8단 자동변속기는 기존에 사용해 왔던자동 6단 자동 변속기보다 더 작은 크기를 자랑하기 때문이다.
올-뉴 캠리의 다이나믹 포스 엔진과 짝을 이루는 신형 변속기는 전륜구동전용으로 설계된 8단 자동변속기다. 신형 8단 변속기는 기존에 토요타에서 사용하고 있었던 6단 자동변속기에비해 전장은 5mm 짧고, 기어가 내장되는 부분은 15mm나 더 짧다. 토크 컨버터의 크기도 더 작다. 이러한 극단적인 소형/경량화는 연비의 향상과 더불어 TNGA의 핵심인 ‘저중심’을실현하는 데 기여한다.
새로운 변속기는 단순히 크기만 작은 것이 아니다. 새로운 변속기는더 작은 크기에 더 복잡한 구조에서도 우수한 변속 성능과 신뢰도를 확보하기 위해 다양한 기술들이 적용되어 있다.각 기어에는 마찰 계수를 낮추는 새로운 공법이 적용되었고 클러치에 사용되는 마찰재의 형상도 최적화되었다. 이로써 기어가 맞물릴 때 동력을 전달하면서 발생하는 동력 손실과 클러치에서 발생하는 토크 손실을 대폭 잡아냈다. 또한 오일의 흐름을 제어하고 클러치 플레이트 간의 간섭 및 저항을 줄인 신규 습식 다판 클러치를채용하여 구동 손실 저감을 도모한다.
이를 통해, 새로운 8단자동변속기는 기존 전륜구동용 6단 자동변속기에 비해, 최소 40%, 최대 55%의 구동손실을 줄였다. 그 뿐만 아니라 대응 가능한 최대 토크도 더 높아졌으며 한층 개선된 응답성을 갖는다. 새롭게 개발된 다이나믹 포스 엔진과 자동 8단 변속기의 조합은 당초목표로 했던 ‘최대 열효율 향상’과 ‘고효율 영역의 확대’, ‘토크의 향상’, ‘더 넓은 기어 대응 영역’, 그리고 ‘높은 응답성’의 다섯 가지를 모두 구현해내고 있다.
앳킨슨 사이클의 한계를 넘으려 하는 새 엔진과 스마트한 신형 변속기는 올-뉴캠리의 향상된 주행 질감을 이루는 힘줄 중 하나다. 다음 연재에서는 올-뉴 캠리의 새로운 하이브리드 시스템에 대하여 다룬다.
