이래서 외계인 소리 나왔구나! 포르쉐 911 엔진의 진화에 담긴 비밀은?

포르쉐 911(Porsche 911) 드라이브 기술의 역사는 끊임없는 혁신과 독특한 유산의 이야기다. 현재 하이라이트는 992 세대를 위한 고성능 부분 하이브리드화다.

 

60년간의 911 드라이브 개발의 중간 결과물인 배기량은 두 배로 늘고, 출력은 네 배 강력해졌지만, 기본 콘셉트는 변함없다. 911/718 시리즈의 오퍼레이팅 엑설런스 부문 책임자인 토마스 크리켈베르그(Thomas Krickelberg)는 “6기통 박서 엔진의 개선성과 적응력에 거듭 놀라고 있다.”라고 말한다.

 

미래에는 전기 배기가스 터보차저가 탑재되어 배기가스는 줄이면서 더 강력한 출력과 추진력을 제공할 것이다. 그렇다면 70년째에 접어들면서 계속해서 재창조되고 있는 이 환상적인 포르쉐 드라이브 진화의 기반은 무엇일까?

 

메츠거 엔진(Mezger engine)

포르쉐가 1963년 901로 알려진 미래형 911을 공개했을 때, 6기통 박서 엔진은 배기량 2리터에 130PS의 출력을 발휘했다. 포르쉐의 박서 엔진 제작 전문가인 알브레히트 로이슬(Albrecht Reustle)은 “콤팩트한 디자인, 가벼운 무게, 최고의 성능”이라고 오늘날까지 적용되는 박서 엔진의 특성을 요약했다. 1993년까지 그는 이 엔진이 유명해진 설계 엔지니어인 한스 메츠거(Hans Mezger) 밑에서 일했습니다.

터보차저가 장착된 911

 

모든 세대의 911은 드라이브 기술의 이정표를 세웠다. 모터스포츠에서 테스트된 터보 기술은 1974년 911 생산에 적용되었다. 배기가스 터보차징과 연료 분사의 조합 덕분에 930 타입은 유럽에서 260PS의 성능과 효율성 측면에서 경쟁 모델보다 한발 앞서 나갔다.

 

처음부터 엄격한 배기가스 규제를 충족했다. 크리켈베르그는 “돌이켜보면 터보차징이 엔진의 세계 전체에 혁명을 일으켰다는 것을 알 수 있다.”라고 말한다.

 

터보 엔진은 버려질 수 있는 뜨거운 배기가스의 에너지를 사용하기 때문에 엔지니어들의 꿈의 엔진이다. 터보 엔진의 핵심은 터보차저로, 터빈 휠과 압축기 휠이 서로 단단히 붙어 있는 구조로 이루어져 있다.

터빈은 엔진 배기가스로 구동되며 200,000rpm에 가까운 속도를 회전한다. 압축기 휠은 같은 속도로 회전하며 실린더에 압축 공기를 공급한다. 신선한 공기가 추가로 공급되면 연소가 촉진되어 엔진의 성능이 향상된다.

 

엔진 부품에 과도한 부담을 주지 않으려면 배기가스 흐름에 의해 터보차저에서 발생하는 압력을 제한해야 한다. 부스트 압력이 특정 한계에 도달하면 배기가스는 웨이스트 게이트라는 바이패스 밸브를 통해 빠져나간다.

인터쿨링을 통한 성능 향상

 

포르쉐 엔지니어들은 지속적인 개발 작업을 바탕으로 터보 원리를 개선했다. 공기는 압축되고 터빈 쪽의 높은 온도로 인해 뜨거워진다. 이는 실린더의 충전과 분사된 연료의 연소에 부정적인 영향을 미친다.

 

1978년 모델부터 모터스포츠에서 이미 테스트된 것처럼 압축된 흡기 공기가 연소실로 가는 도중에 냉각되었다. 쿨러는 그릴 아래의 인상적인 리어 스포일러에 장착되었다. 이 정교한 인터쿨링은 특정 시장에서 성능을 300PS까지 끌어올리고 놀라운 엔진 탄력성을 가능하게 한다.

 

터보 엔진의 또 다른 내재적 문제는 가속 시 반응 지연이라는 초기에는 다루기 까다로운 문제였다. 저속에서 911 터보는 자연흡기 엔진의 약한 엔진과 매우 유사하게 가속에 반응한다. 하지만 약 3,500rpm부터 엄청난 추력이 시작된다. 개발자 크리켈베르그는 “더 나은 주행성을 달성하기 위해 이 ‘터보 랙’을 줄여야 했다.”라고 설명한다.

 

바이터보, 혁신의 결과물

 

포르쉐는 4세대 911 터보(993)를 통해 해결책을 제시했다. 1995년 봄, 408PS의 출력을 자랑하는 당시 가장 강력한 양산형 포르쉐가 출시되었다. 포르쉐 최초로 두 개의 터보차저와 두 개의 인터쿨러가 장착된 3.6리터 파워 유닛은 강렬한 인상을 남겼다.

 

두 개의 작은 터빈이 하나의 큰 터빈보다 더 빠르게 가속한다. 특히 작은 로터의 낮은 관성 모멘트는 긍정적인 영향을 미친다. 크리켈베르그는 “도로에서 안정적으로 힘을 발휘하기 위해 993 터보에는 향상된 사륜구동이 기본으로 장착되었다.”라고 덧붙인다.

 

엔진 제어 및 센서의 발전과 최신 배기 후 처리 기술 덕분에 마지막 공랭식 911 세대의 터보 모델은 당시 가장 낮은 배기가스를 배출하는 양산 자동차로 기록되었다.

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21세기, 수랭식 냉각으로의 전환

 

1990년대 후반 5세대 911(996)의 6기통 박서 엔진에서 공랭식에서 수랭식으로 전환한 것을 아우구스트 아흐라이트너(August Achleitner)는 “새로운 기술을 향한 티켓”이라고 불렀다. 당시 기술 제품 기획 책임자였던 아흐라이트너는 2001년부터 2018년까지 911 시리즈를 담당했다.

 

수랭식 냉각은 성능 향상, 소비 효율 향상, 배기가스 및 소음 법규 준수를 위한 전제 조건이었다. 포르쉐 설계 엔지니어들은 실린더당 4개의 밸브가 있는 실린더 헤드를 개발했다.

 

“1970년 초에 공랭식 4밸브가 장착된 예비 V12 엔진 테스트가 908 타입에서 수행되었으며, 이후 917에 사용될 계획이었다. 이 아이디어는 1980년대 911 시리즈 양산 개발에서 다시 채택되었고, 964 세대를 통해 테스트 벤치에서 그 진가를 발휘했다. 하지만 실린더 헤드가 말 그대로 녹아내렸다.”라고 알브레히트 로이슬(Albrecht Reustle)은 회상했다.

 

다시 한 번 모터스포츠에서 해결책이 나왔다. 성공적인 내구성을 갖춘 프로토타입 962는 이미 959 슈퍼카와 마찬가지로 수랭식 실린더 헤드로 작동하고 있었다. 당시 공랭식 엔진의 퇴출을 둘러싼 많은 논쟁에도 불구하고 996 세대는 획기적인 성공을 거두었다.

 

가변 터빈 지오메트리

 

2006년, 911 터보(997)는 출력과 토크가 10% 이상 증가하는 등 눈에 띄는 성능 향상으로 큰 반향을 일으켰다. 무엇보다도 전 세계적으로 독보적인 새로운 기술인 가변 터빈 지오메트리(VTG) 덕분이었다.

이를 통해 터빈 블레이드를 통과하는 배기가스의 각도와 단면을 조정하여 더 넓은 속도 범위에서 터보차저 효율을 최적화할 수 있었다. 토마스 크리켈베르그는 “VTG의 개발은 선구적이었으며, 20년 가까이 가스 엔진 터보 기술에서 VTG는 USP 역할을 해왔다. 터빈으로 가는 배기가스의 흐름을 변화시키려면 화씨 1,832도를 초과하는 온도에서 작은 블레이드를 특별히 수정할 수 있어야 합니다.”라고 설명했다. 이 터빈은 우주왕복선에도 사용된 소재를 사용했다.

 

배기량 줄이고, 출력과 효율 향상

 

수랭식 및 VTG 도입 이후 다음 이정표는 2015년 991 세대의 기본 모델인 카레라와 카레라 S의 터보차징이었다. 크리켈베르그는 “배기량을 줄이면서 동시에 상당한 성능 향상을 달성할 수 있었다.” 라고 말했다. 바이터보 차저를 장착한 새로운 엔진 세대를 통해 총 20PS의 출력이 더 향상되었으며, 소비 전력도 감소했다.

 

스포티한 하이브리드화

 

디자인 엔지니어들은 2024년 여름, 현재 911 세대(992)의 오버홀을 통해 6기통 박서 엔진을 완성하기 위한 새로운 길을 다시 모색하고 있다.

 

신형 911 카레라 GTS는 특히 경량화된 고성능 하이브리드 파워트레인을 탑재한 최초의 도로 주행용 911이다. 새롭게 개발된 혁신적인 엔진은 출력을 크게 높이고 가속력을 향상시켰을 뿐만 아니라 미래의 배기가스 배출 기준에 대비하고 있다.

 

“우리는 911에 가장 적합한 하이브리드 시스템을 선택하기 위해 모든 종류의 아이디어와 접근 방식을 개발하고 테스트했다. 그 결과 911과 718 시리즈의 전체 콘셉트에 부합하고 성능을 크게 향상 시키는 독특한 엔진이 탄생했다.”라고 911 및 718 시리즈 책임자인 프랭크 모저(Frank Moser)는 말한다.

이 기술의 핵심은 전기 보조 터보차저다. 배기가스로 구동되는 터빈과 컴프레서 사이에는 전기 모터가 있다. 그 기능은 가속 시 순식간에 고속에 도달하고 지연 없이 즉시 부스트 압력을 높이는 것이다. 터보차저는 소형 전기 모터에 의해 날개를 달게 된다.

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911 엔진 및 하이브리드 시스템 프로젝트 매니저인 마티아스 호프스테터(Matthias Hofstetter)는 “이 기술을 통해 자연흡기 엔진과 유사한 응답성을 구현할 수 있다. 그리고 가속 수치는 포르쉐의 순수 전기 스포츠카와 비슷한 수준이다”라고 설명한다.

 

토마스 크리켈베르그는 저속에서의 가속력은 놀랍다며 “기존 기술로는 미래의 배기가스 규제를 준수하면서 의도한 성능 향상을 실현할 수 없었을 것이다.”라고 말했다.

 

여러 가지 조치를 통해 원하는 결과를 얻었다. 배기량은 3.0리터에서 3.6리터로 다시 증가했으며, 전기 보조 장치 덕분에 가솔린 엔진은 이제 두 개의 터보차저가 아닌 하나의 터보차저만 필요하며, 응답성과 역동성이 향상되었다.

 

“덕분에 무게를 줄이고 엔진을 콤팩트하게 유지할 수 있습니다.”라고 디자인 엔지니어인 로이슬은 설명한다. 고전압 시스템 덕분에 교류 발전기와 에어컨 컴프레서를 전기로 구동할 수 있어 팬 드라이브가 더 이상 필요하지 않게 되었다. 20% 더 평평한 크랭크케이스는 펄스 제어 인버터 피드 및 DC/DC 컨버터와 같은 추가 구성 요소를 위한 공간을 만들어 냈다.

 

호프스테터는 “911을 더 길거나 더 넓거나 더 무겁게 만들고 싶지 않았다. 기존 패키지를 최적으로 활용하고 싶었다.”라며 “”라고 말한다. 이는 무게 관리와 함께 눈에 띄는 성능 향상을 의미한다. 전기 보조 터보차저가 장착된 엔진은 GTS 버전에 처음 적용되어 541PS와 610Nm의 토크를 제공한다.

 

파워트레인에는 강화된 새로운 8단 듀얼 클러치 변속기(PDK)에 통합된 영구 여자 동기식 모터도 포함되어 있다. 이는 최대 150Nm의 구동 토크로 아이들링 속도에서 바로 박서 엔진을 보조하며 최대 40kW의 출력을 제공한다.

 

플러그인 하이브리드와 같은 순수 전기 구동은 T-하이브리드 911의 목표가 아니었다. “배터리가 너무 크거나 무거워지는 것도 원치 않았기 때문이다.”라고 호프스테터는 1.9kWh의 용량을 설명하며 말했다.

대신 전기 보조 터보차저의 시스템 기반 이점인 배기 에너지 회수를 활용한다. 배기가스 터보차저의 전기 모터는 발전기 역할도 한다. 배기가스 에너지에서 추출한 최대 15PS의 전력을 생산한다.

이는 간단하면서도 흥미로운 원리다. 전기 모터는 속도 제어 장치처럼 작동한다. 분당 회전수가 높아져 부스트 압력이 급상승하면 모터가 터빈을 감속한다. 그러면 전기가 생성되어 배터리나 전기 엔진에 공급된다.

 

이러한 효율적인 에너지 회생 덕분에 상대적으로 작은 배터리는 일상적인 사용에 적합하며, 특히 셀 화학이 T-하이브리드의 요구 사항을 염두에 두고 특별히 설계되었기 때문에 더욱 그렇다. 호프스테터는 “이 기술을 통해 배터리는 짧은 시간에 많은 에너지를 공급할 수 있으며, 비교적 빠르게 재충전할 수 있다.”라고 설명한다.

 

전기 터보차저의 또 다른 장점은 익숙한 웨이스트 게이트가 불필요하다는 점이다. 이는 이 분야에서 세계 최초다. 호프스테터는 “터빈을 우회하던 에너지가 사용되지 않고 증발하곤 했다. 이제 압력 조절이 전기 에너지를 생성한다.”라고 설명한다. 이는 엔진의 효율성과 연료 소비에도 긍정적인 영향을 미친다.

 

“하이브리드화, 에너지 회수, 엔진 내 마찰 감소, 냉각 최적화, 최적의 연소실 설계와 결합된 터보차징은 미래의 배기가스 및 배기가스 규제를 준수하기 위한 완벽한 공식이다. 동시에 성능과 효율성 측면에서 점점 더 높아지는 기대치를 충족하고 있다”라고 엔진 개발자인 로이슬은 단언한다. 그는 이 공식의 구현은 “관련된 모든 사람의 뛰어난 팀워크 덕분”이라고 말한다.

 

911에 탑재된 6기통 박서 엔진은 한스 메츠거가 오리지널 911을 위해 발명했던 혁신적인 엔진의 전통을 고스란히 이어받은 콤팩트한 파워풀한 엔진이다.

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