베스트 셀러

육십년 동안 이어진 911의 엔진 개발을 중간 결산하면, 배기량과 출력이 각각 두 배와 네 배로 커졌고 기본 콘셉트는 변하지 않았다. “6기통 박서 엔진의 확장성과 변화 가능성에 늘 놀랍니다.” 911/718 시리즈 프로젝트 책임자인 토마스 크릭켈베르크가 감탄하며 말한다. 앞으로는 배기가스 배출량을 줄이면서 더 큰 출력과 추진력을 제공하는 일렉트릭 터보차저를 사용할 계획이다. 70년을 맞이한 지금도 여전히 재창조되는 이 훌륭한 기반은 무엇인가?

낭비되는 뜨거운 배기가스를 에너지로 활용하는 터보 엔진을 모든 엔지니어는 꿈의 기술로 여긴다. 핵심은 터빈 휠과 컴프레서 휠이 견고하게 연결된 터보차저다. 터빈은 엔진의 배기가스로 구동되고 회전 속도는 20만 rpm을 넘어선다. 컴프레서 휠은 동일한 속도로 회전하며 실린더에 압축 공기를 공급한다. 이렇게 추가된 신선한 공기는 연소를 촉진하여 엔진 성능을 향상시킨다. 엔진 부품에 과도한 부하를 가하지 않으려면 터보차저를 통과하는 배기가스에 의해 생성되는 압력을 제한해야 한다. 부스트 압력이 특정 한계에 도달하면 배기가스는 웨이스트 게이트로 불리는 바이패스 밸브를 통해 배출된다.

인터쿨러로 성능 향상

포르쉐 엔지니어들은 개발을 지속하며 터보의 원리를 개선하고 있다. 압축 과정과 터빈 부분의 높은 온도로 인해 뜨거워진 공기는 실린더 유입과 분사된 연료의 연소 특성에 부정적인 영향을 미친다. 1978년식 모델부터 압축된 흡기는 모터스포츠에서 이미 입증한 대로 압력 손실 없이 스로틀 밸브로 이동하는 중에 냉각된다. 쿨러는 강력한 리어 스포일러의 그릴 아래에 달려 있다. 이처럼 정교한 인터쿨링을 거쳐 출력은 300마력으로 커지고, 엔진의 출력 범위는 유연하게 확장되었다.

가속 시 반응이 지연되는 터보 엔진의 또 다른 근본적인 문제를 초기에는 제어하기 쉽지 않았다. 낮은 회전 범위에서 가속할 때 911 터보의 반응은 자연 흡기 엔진과 유사했지만, 3500rpm 정도부터는 엄청난 부스트가 발생했다. “매끄럽고 안정적인 가속과 주행성을 위해 이 ‘터보 랙‘을 개선해야 했습니다”라고 개발자 크릭켈베르크가 설명한다.

바이터보: 엄청난 발전

포르쉐는 4세대 911 터보(993)에 해결책을 들고나왔다. 408마력으로 당시에 가장 강력했던 포르쉐 모델을 1995년 봄 선보였고, 3.6L 엔진에 처음으로 터보차저와 인터쿨러를 두 개씩 달아 깊은 인상을 남겼다. 가속할 때 두 개의 작은 터빈이 하나의 큰 터빈보다 더 빠르게 가속한다. 무엇보다 작은 로터의 낮은 관성 모멘트가 긍정적인 영향을 미친다. “도로에서 출력을 안정적으로 다루기 위해 993 터보에는 더욱 발전한 사륜구동 시스템을 기본으로 적용했습니다”라고 크릭켈베르크가 부연 설명한다. 엔진 제어와 센서의 발전, 최신 배기 후처리 기술 덕분에 마지막 공랭식 911 세대의 터보는 그 시대에 배기가스를 가장 적게 배출하는 양산차로 꼽혔다.

수랭식이 적용된 21세기

아우구스트 아흐라이트너는 1990년대 말 5세대 911(996)의 6기통 박서 엔진이 공랭식에서 수랭식으로 전환하는 것을 “신기술로 향하는 입장권”이라고 묘사했다. 당시 아흐라이트너는 기술 제품 기획 부서의 책임자였고, 2001년부터 2018년까지 911 시리즈를 총괄했다. 수랭식은 성능 향상, 연료 소비 감소, 배기가스와 소음 규제 충족을 위한 필수 조건이었다. 포르쉐 설계 엔지니어들은 연소실당 네 개의 밸브가 달린 실린더 헤드를 개발했다. “1970년에 V12 엔진용 공랭식 4밸브 타입 908의 사전 테스트가 있었고, 이 엔진은 나중에 917에 사용할 것이었습니다. 1980년대에 이 아이디어가 911 시리즈 개발에 채택되어 타입 964에서 테스트되었는데, “실린더 헤드가 말 그대로 녹아 버렸어요”라고 로이스틀레는 회상한다. 해결책은 모터스포츠에서 다시 찾아냈다. 성공적인 내구레이스 프로토타입 962는 이미 수랭식 실린더 헤드를 적용해 주행했고, 959 슈퍼 스포츠카도 마찬가지였다. 당시 공랭식 엔진 사용 중단과 관련한 모든 논쟁에도 불구하고 타입 996은 획기적인 성공을 거뒀다.

“터보차저는 내연기관의 세계에 혁명을 일으켰습니다.”

토마스 크릭켈베르크

가변 터빈 구조

2006년, 911 터보(997)는 출력과 토크가 10% 이상 높아져 확연하게 향상된 성능으로 주목받았다. 성능 향상은 새롭고 독보적인 가변 터빈 구조(VTG) 덕분이었다. 이 기술은 터빈 블레이드의 크기와 형태를 조절해 더 넓은 엔진 회전수 영역에서 터보차저의 효율을 최적화한다. “VTG 개발은 획기적이었고, 20년 가까이 가솔린 엔진용 터보 기술의 고유한 장점으로 인정받았습니다”라고 크릭켈베르크가 설명한다. “터빈으로 향하는 배기가스 흐름에 변화를 주려면, 섭씨 1000도 이상 온도에서 소형 블레이드를 별도로 조정할 수 있어야 합니다.” 이를 실현하고자 우주 왕복선에 사용하는 재료를 도입했다.

더 적은 배기량, 더 높은 출력과 효율성

수랭식 도입 이후, 또 다른 획기적인 변화는 2015년에 나왔다. 991 시리즈의 기본 모델인 카레라와 카레라 S에 터보차저를 적용했다. “배기량을 줄이는 동시에 성능을 크게 향상했습니다”라고 크릭켈베르크는 설명한다. 바이터보 차저를 갖춘 새로운 세대 엔진을 사용해 출력을 20마력 키우면서 연료 소비를 줄였다.

스포츠 하이브리드화

설계 엔지니어들은 현재 911 세대(992)의 2024년 여름 페이스리프트에 맞춰 6기통 박서 엔진의 완성도를 높일 새로운 방법을 모색해 왔다. 신형 911 카레라 GTS는 경량화한 퍼포먼스 하이브리드를 적용한 최초의 일반 도로 주행용 911이다. 새로 개발한 이 혁신 기술을 이용해 출력을 높이고, 가속 성능을 개선하고, 미래 배출기준에 대비할 수 있다. “911에 꼭 맞는 하이브리드 시스템을 결정하기 위해 다양한 아이디어와 접근 방식을 개발하고 테스트했습니다. 그 결과 911의 전체 콘셉트에 부합하면서도 퍼포먼스가 크게 향상된 독특한 구동장치가 탄생했습니다” 라며 911과 718 시리즈 책임자인 프랭크 모저가 말한다.

신기술의 중심은 일렉트릭 터보차저다. 배기가스로 구동되는 터빈과 컴프레서 사이에 가속 시 매우 빠르게 고속에 도달해 즉각적인 부스트 압력을 생성하는 전기모터를 배치했다. 터보차저는 소형 전기모터로 작동한다. “이 기술을 이용하면 반응 특성이 자연 흡기 엔진과 유사해집니다. 가속 시간은 순수 전기 스포츠카와 비슷한 수준입니다.” 911/718 구동장치 프로젝트 책임자인 마티아스 호프슈테터가 설명한다.

시리즈 책임자 크릭켈베르크는 낮은 회전 범위에서의 가속이 놀랍다고 말한다. “이전 기술로는 미래 배출가스 법규를 준수하는 동시에 원하는 수준의 성능에 도달할 수 없었을지도 모릅니다.” 여러 가지 방법을 동원한 결과, 배기량은 3.0L에서 3.6L로 다시 증가했고 전력 지원을 이용해 터보차저는 두 개에서 하나로 줄어 반응 특성과 역동성이 향상되었다. 

원리는 간단하고 흥미롭다. 전기모터는 속도 제어기처럼 작동하는데, 분당 회전수가 높아져 부스트 압력이 너무 커지면 터빈을 감속한다. 이때 생성된 전기가 배터리에 공급된다. 효율적인 에너지 회수 덕분에 배터리가 상대적으로 작아도 일상적인 사용에는 충분하다. 배터리 셀의 화학적 성질 또한 T-HEV 요구 사항에 맞게 특별히 설계했다. “이 기술을 이용하면 배터리는 짧은 시간에 많은 에너지를 공급하며, 재충전이 상대적으로 빠르게 이뤄집니다”라고 호프슈테터가 설명한다.

웨이스트 게이트가 필요 없는 구조 또한 일렉트릭 터보차저의 장점이다. 이 형태로는 세계 최초다. “이전에 터빈을 지나 전달되던 에너지는 사용되지 않은 채 사라졌지만, 이제 압력을 조절해 전기 에너지를 생성합니다.” 호프슈테터가 설명한다. 엔진 효율과 연료 소비에도 긍정적인 영향을 미친다.

“하이브리드화, 에너지 회수, 최적의 연소실 설계와 결합한 터보차저는 미래 배기가스 배출 법규를 만족하는 동시에 증가하는 성능과 효율성 요구를 충족하는 완벽한 방법입니다.” 엔진 개발자 로이스틀레가 요점을 알려준다. 그는 이 콘셉트를 실현한 것은 “관련된 모든 사람이 한 팀이 되어 일궈낸 뛰어난 성과”라고 말한다.

911의 6기통 박서 엔진은 콤팩트하면서 여전히 강력하다. 과거에 한스 메츠거가 오리지널 911을 위해 발명한 혁신적인 엔진의 전통을 그대로 이어간다.