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토요타, TNGA 대응하는 파워트레인 공통화 추구한다

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2017-01-24 08:36:25

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토요타는 TNGA라는 모듈러 플랫폼을 개발해 그 첫 번째 작품으로 프리우스를 선보였고 이어서 C-HR에도 적용했다. 앞으로 등장하는 뉴 모델들은 이런 TNGA라는 개발 시스템을 적용하게 된다. 이번에는 파워트레인 관련 플랫폼을 새로 개발해 발표했다. 정확히는 공통화라고 할 수 있다.

 

20세기까지만 해도 자동차회사들의 풀 모델체인지라고 하면 플랫폼과 디자인, 엔진을 한꺼번에 바꾸는 것을 의미했다. 하지만 플랫폼 공유화의 컨셉이 등장하면서 플랫폼과 파워트레인의 변화는 각자의 로드맵을 따르게 됐다. 그래서 세대 구분도 과거와는 많이 달라졌다. 전체적인 상품 컨셉의 변화를 세대의 진화로 분류하고 있다.

그것이 모듈러라는 개념이 도입되면서 더 복잡하게 전개되고 있다. 토요타가 모듈러 플랫폼에 속하는 TNGA라는 차체 플랫폼에 이어 이번에는 파워트레인의 플랫폼을 새롭게 정립했다. 플랫폼이라는 표현보다 더 넓은 의미로 사용되는 아키텍처라고도 할 수 있지만 공통화라는 용어가 더 적합할 것도 같다.

 

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토요타가 발표한 파워트레인의 새로운 아키텍처는 2.5리터 직렬 4기통 직접분사 가솔린 엔진에 더해 8단과 10단 자동변속기와 앞바퀴 굴림방식용 2.5리터 엔진과 조합한 하이브리드카용 시스템, 뒷바퀴 굴림방식용 4단 변속기구를 갖춘 하이브리드 시스템 등이 그것이다.

 

8단 AT는 이미 미국시장용 일부 모델에 조합되어 있는데 2.5리터 직렬 4기통 엔진은 2017년 중 중형차에 탑재될 것으로 보인다.

 

파워트레인에의 공유화를 확대한 것은 상품성과 생산효율, 개발효율의 향상을 위한 것이다. 상품성에서는 새로운 파워트레인에서 연비성능을 향상시키면서 주행성능을 높인다. 생산효율에서는 가공과 조립 기준을 통일해 다른 기종을 유연하게 생산할 수 있는 라인을 구축한다. 또한 소형, 중형, 대형 등 엔진 종류별로 정리 통합해 엔진 전체로는 종류를 40% 줄인다.

 

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그것이 완성되면 2021년에는 19기종 37개 베리에이션에 의한 새로운 파워트레인 전개가 예정된다. 엔진이 9기종 17 베리에이션, 변속기가 4기종 10 베리에이션, HEV 시스템이 6기종 10 베리에이션으로 된다. 이들은 일본은 물론이고 미국, 유럽, 중국 등 주요시장에서의 판매대수 60% 이상에 탑재된다. 이에 따라 연간 100만대 규모로 새로운 파워트레인으로 대체하게 된다.

 

이들 중 가장 먼저 등장하는 것은 2.5리터 직렬 4기통 직분사 가솔린과 그 HEV 시스템이다. HEV 시스템에 조합되는 엔진의 열효율은 41%. 지금까지 토요타 가솔린 엔진 중 가장 열효율이 높은 것은 1.8리터로 40%였다. 단 가솔린차용은 40%다. 이 엔진은 2017년 출시되는 신형 캠리에 탑재된다.

 

이 엔진을 시작으로 2021년까지 9기종 17 베리에이션의 엔진군에 공통하는 설계지침이 채택된다. 설계지침에 근거한 모든 엔진에서 열효율을 높이고 출력과 연비성능을 높인다. 동시에 개발공수도 줄인다.

 

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TNGA 대응의 신형 엔진은 기종에 관계없이 고속연소와 흡입효율 향상을 목표로 한다. 부품형상이 아니라 연소형태를 공통으로 하는 것을 노리고 있다. 최적의 연소를 위한 요소기술을 개발하고 그것을 어떤 엔진에도 전개 가능하도록 모듈화해 모든 엔진에 신속히 채용한다. 구체적으로는 텀블류를 많게 하면서 흡입효율이 떨어지지 않는 포트 형상을 만든다.

 

보어X스트로크도 90X98mm에서 87.5X103.4mm로 극단적인 롱스트로크로 바뀌었다. 스트로크와 보어의 비율은 약 1 : 2로 다른 엔진에도 공통 아키텍처로 채용을 확대해 간다고 한다.

 

여기에 새로운 직분 인젝터도 채용했다. 분사압은 20MPa로 분사공을 6개 설계했다. 배기 매니폴드를 기존 엔진에 비해 길게 했다. 공기저항을 적게 해 배기가스의 압력 손실을 억제한다. TNGA에 맞춰 긴 배기 매니폴드를 탑재할 수 있도록 했다.

 

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한편 중형차용 HEV 시스템인 THSⅡ는 2.5리터 직렬 4기통 가솔린을 베이스로 한다. THSⅡ는 엔진에 모터를 조합한 트랜스액슬, 기존에 비해 소형 경량화한 파워 컨트롤 유닛(PCU)으로 구성되며 탑재되는 리튬 이온 배터리와 니켈 수소 배터리 중 선택할 수 있다. 트랜스 액슬은 4세대 프리우스에 새로 채용된 평행축식을 2.5리터용으로 변경했다.

 

PCU는 프리우스용과 기본적으로 같다. 프리우스와 같은 배터리 셀을 사용하면서 중형차용으로 셀의 수를 늘려 성능을 높였다. 프리우스에 비해 셀의 수는 리튬이온이 56개에서 70개로, 니켈수소는 168개에서 204개로 늘었다. 배터리팩의 전압은 리튬이온이 207.2V에서 259V로, 니켈 수소는 201.6V에서 244.8V로 승압됐다. 전류 용량은 리튬 이온이 4.0Ah, 니켈 수소가 6.5Ah다.

 

이로 인해 중간가속에서 가속시간이 10% 단축됐으며 JC08모드 연비는 20% 향상됐다. 앞바퀴 굴림방식용 8단 AT와 조합하면 6단 AT의 조합에 비해 가속시간은 12%, 연비는 20% 개선된다.

 

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한편 2017년 봄 출시할 렉서스 LC에 탑재할 모터와 4단 AT를 조합한 멀티 스테이지 하이브리드 시스템과 10단 AT도 공개했다.

신형 HEV 시스템은 HEV이면서도 스포티한 주행이 가능하다. HEV 시스템을 탑재한 LC500h의 최고출력은 264kW로 5.0리터 V형 8기통을 탑재한 LC500을 능가하는 발진시 구동력을 실현할 수 있다고.

 

더불어 고속주행에서도 시스템의 효율을 높였다. 통상의 HEV는 저속운행시에는 EV 주행으로 하고 속도가 올라가면 엔진 주행으로 전환하는 경우가 많다. 신형 HEV 시스템에서는 고속역에서도 엔진을 사용하지 않고 EV모드로 주행하도록 해 연비 성능을 향상시키고 있다.

 

새로 개발한 10단 AT는 렉서스 LC 이외에도 뒷바퀴 굴림방식 상급차에 조합한다. 10단 AT와 조합한 5.0리터의 최고출력은 349kW/7,100rpm, 최대토크 530Nm/4,800~5,600rpm을 발휘한다.

 

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변속을 다단화하기 위해서는 유성치차와 클러치, 브레이크, 원웨이 클러치 등 구성요소를 늘릴 필요가 있다. 하지만 새로 개발한 토요타의 10단 AT에서는 지금까지의 8단 AT의 경우와 구성요소의 합계 수를 같게 할 수 있도록 했다. 10단 AT는 주행 질감의 향상과 연비의 개선이 포인트다.

 

토요타는 앞으로 PHEV에도 같은 사상을 확대한다는 방침이다. 부품 공유화를 추구하면서 환경에의 대응도 꾀한다. 2050년에는 판매대수의 70%를 HEV와 PHEV로 한다는 목표를 설정하고 있다.  

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