스바루 신세대 박서 엔진 FB/FA시리즈의 진화

박서 엔진이라고 불리는 스바루의 수평 대향 엔진은 분명 통상적이지는 않다. 그럼에도 불구하고 그들은 엔진 레이아웃에 대한 고집을 꺾지 않고 있다. 더불어 수평대향 엔진의 한계를 극복하며 고성능화와 연비성능의 향상도 추구하고 있다. 스바루의 신세대 박서 엔진의 변화와 라인업을 살펴 보자.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

수평 대향 엔진. 실린더가 V형 또는 직렬로 나열되는 것이 아니라 마주 보는 레이아웃을 말한다. 엔진 룸을 열면 엔진 생김새가 통상적으로 우리가 볼 수 있는 것과는 다르다. 수평 대향 엔진의 특징은 피스톤이 좌우에서 서로 마주 보고 있다. 좀 더 정확히 말하면 크랭크샤프트를 중심으로 피스톤의 머리 부분은 바깥쪽을 바라 보고 있다. 때문에 피스톤의 움직임에 의해 발생하는 관성력이 맞은 편의 피스톤에 의해 상쇄된다는 점이 장점이다. 이 엔진 형태는 작동 균형이 뛰어나며 높은 rpm 범위까지 부드럽게 회전 수를 높일 수 있다. 또한 독창적 설계를 통해 엔진을 더욱 작고 가벼우며 차체 깊숙이 설치할 수 있도록 했다. 이러한 설계는 차체의 무게 중심을 낮추는 효과도 있다. 박서(Boxer)엔진이라고 하는 수평 대향 엔진을 탑재하고 있는 메이커는 스바루와 포르쉐.

그 중 스바루는 박서 엔진과 4WD 기술을 핵으로 브랜드의 독창성을 키워 오고 있다. 스바루가 처음으로 수평 대향 엔진을 개발한 것은 1966년으로 당시 코드네임은 EA였다. 당시 일본 내에서 국민차로 불렸던 360의 후속 모델 1000에 탑재되어 선보였었다. 이후 스바루는 수평대향 엔진에 대한 고집을 버리지 않고 4WD 시스템과의 조화로 독창적인 주행성을 추구해 오고 있다.

수평 대향 엔진의 특징은 가볍고 공간을 덜 차지한다는 점이다. 경량이면서 컴팩트하다는 것이다. 데뷔 당시 대대적인 인기를 끌고 있었던 FF(Front Engine Front Drive))와 어울려 개방적인 실내와 조종안정성이 주목을 끌었었다. 더불어 엔진의 전고가 낮아 최근 등장한 BRZ의 프론트 노즈를 낮게 하는데 기여하기도 했다.

수평 대향 엔진은 그런 장점 못지 않게 태생적인 한계도 있다. 자동차 성능이 비약적으로 발전하면서 운전자들은 좀 더 높은 출력을 발휘하는 엔진을 원하게 되었다. 수평대향 엔진은 성능을 올리는데 기본 조건인 배기량을 증대하기 위해서는 보어를 늘리는 방법밖에 없었기 때문에 한계가 있었던 것이다. 보어를 늘리는 것은 엔진의 전고와 관계되기 때문에 약간 여유가 있지만 스트로크를 키우면 플랫폼 내에 마운트하는데 공간의 제약을 받는다는 얘기이다.

그것을 극복하기 위해 스바루는 1989년 롱 스트로크, DOHC 4밸브 헤드를 채용한 2세대 EJ를 개발해 선보였다. 이 엔진은 오늘날의 관점에서 보면 오버 스퀘어이지만 배기량 확대와 터보차저를 채용해 성능을 높일 수 있었다는 점에서 스바루의 숨통을 터 주었다.

수평대향 엔진이 직렬이나 V형 엔진에 비해 어려운 것은 롱 스트로크화다. 보어는 실린더의 직경, 스트로크는 피스톤이 상하로 이동하는 거리를 말한다. 일반적인 패밀리카의 경우 앞바퀴 좌우 사이에 한정된 공간에 세로배치로 탑재하기 위해서는 스트로크 방향에의 확대는 제약이 있었다. 숏 스트로크는 고회전화에는 유리하지만 시판차의 대부분이 중저속역에서의 가속감에 유리한 롱 스트로크를 채용하는 추세다. 롱 스트로크형은 토크 중시형, 숏 스트로크형은 고회전 중시형이다.

박서 엔진은 그런 구조적 특징 때문에 스트로크의 변경에 의한 배기량 확대가 쉽지 않다. 때문에 보어를 확대할 수밖에 없었고 그에 따라 연소실이 확대되어 연소 효율면에서 불리하다. '더불어 수평 대향 엔진은 강력하다는 이점은 있지만 연비성능이 좋지 않다. '라고 하는 것이 당시의 정설이었고 효율성을 중시하는 시대에 이런 구조는 아킬레스 건이었다.

그래서 등장한 것이 3세대인 FB형이다. 2010년 포레스터부터에 FB20형이 탑재됐다. 이 엔진의 가장 큰 특징은 84.0×90.0mm라는 롱 스트로크를 실현했다는 것이다. 크랭크샤프트의 구조 변경, 실린더 헤드의 컴팩트화 등의 연구가 이루어져 스트로크 확대로 인한 공간을 확보한 결과다. 이에 따라 연소실을 컴팩트하게 하는 것이 가능하고 나아가 가변 밸브 타이밍 기구, EGR쿨러의 채용 등에 의해 연비성능을 크게 향상시킨 것이 포인트다. 이 엔진은 스바루의 핵심기술 중 하나인 ‘i-액티브 밸브 리프트 시스템(i-AVLS)’이 적용되어 있다.

FB20형의 사양은 1,995cc 수평 대향 4기통 MPI로 보어×스트로크가 84.0×90.0mm 에 압축비는 10.0 : 1로 최고출력 150ps/6,200rpm, 최대토크 196Nm(20.0kgm)/4,200rpm를 발휘한다. FB형은 이후 FB25형, FB16형으로 라인업을 확대했다. FB25형은 2,498cc 수평 대향 4기통으로 94.0×90.0mm로 오버 스퀘어형이다. 롱 스트로크화의 효과는 분명해 최고출력 173ps/5,600rpm, 최대토크 235Nm(24.0kgm)/4,100rpm을 발휘한다. 신세대 수평 대향 엔진으로 진화를 시작한 것이다. 변속기는 5단 MT 및 CVT(리니어트로닉), 4단 AT와 조합된다.

FB16형은 1,599cc 수평 대향 4기통 MPI, 보어×스트로크 78.8×82.0mm로 최고출력 115ps/5,600rpm, 최대토크 148Nm(15.1kgm)/4,000rpm을 발휘한다. 변속기는 CVT.

FA20 D4-S는 FB형과 마찬가지의 개발설계 하에 토요타와 공동 개발됐다. 직분 포트분사를 병용하는 D4-S 테크놀러지를 채용한 NA유닛은 스바루 BRZ와 토요타 86 전용으로 개발되어 고회전 고출력형을 지향하는 86.0×86.0mm의 스퀘어로 되었다. 1,998cc 수평 대향 4기통 직분+포트 분사방식으로 최고출력 200ps/7,000rpm, 최대토크 205Nm(20.9kfm)/6,400~6,600rpm을 발휘한다. FB20형과 비교하면 분명히 고회전형이다. 무엇보다 이 엔진은 FR인 BRZ와 86 전용을 전제로 개발되었기 때문에 FB20형과는 다른 부분이 많다. 변속기는 6단 MT 및 6단 AT와 조합된다.

신세대 수평대향 엔진의 최신 버전이 레가시 시리즈에 탑재되어 등장한 FA20 DIT. 이 엔진은 FB형과 병행해 개발이 진행되었기 때문에 직분+터보차저화와 가장 효율 좋은 고회전 고출력을 발휘하는 보어×스트로크를 추구한다. 성능은 스퀘어에 가까운 수치가 나오며 생산성을 고려해 FA20 D4-S와 같은 86.0×86.0mm으로 되었다고 한다.

형식명이 비슷하기 때문에 FA20 D4-S를 베이스로 해 터보화한 것으로 생각되지만 공통으로 되어 있는 것은 크랭크샤프트 정도다. 보어×스트로크가 같다면 스바루에서는 같은 형식명을 사용하는 것이 보통이다. 탑재 방법도 트랜스미션도, 구동계도 다른 것이기 때문에 그렇게 간단치만은 않다.

실제는 FB형을 베이스로 직분+터보차저화하고 거기에 맞춰 보어×스트로크를 변경했다고 하는 쪽에 가깝다. FA20 DIT의 사양은 1,998cc 수평 대향 4기통 트윈스크롤 터보 직분사로 보어×스트로크 86.0×86.0mm로 300ps/5,600rpm, 400Nm(40.8kgm)/2,000~4,800rpm를 발휘한다. EJ20형 터보에 맞먹는 고성능 엔진이라고 하는 포지셔닝을 하고 있다. 변속기는 CVT.