토요타자동차, TNGA 기반 엔진·트랜스미션 개발

토요타자동차㈜(이하, 토요타)는 「좋은 차 만들기」를 위한 구조개혁인 「Toyota New Global Architecture(TNGA)」을 기반으로 뛰어난 주행 성능과 높은 환경 성능의 병행을 추구하여 엔진·트랜스미션·하이브리드 시스템을 큰 폭으로 진화시켰다고 밝혔다. 이 신형 파워트레인은 2017년 이후 탑재 차량을 대폭적으로 확대한다.

토요타는 TNGA를 기반으로 차량을 골격부터 바꾸어 低후드화·低중심화·운동 성능의 향상을 도모한다. 자동차의 기본 성능인「주행」·「회전」·「정지」를 업그레이드 시키기 위해, 플랫폼을 중심으로 전면적인 검토를 수행하여 2015년 출시한 4세대 프리우스부터 신플랫폼의 채용을 확대하고 있다. 동시에, 차량의 핵심이 되는 파워트레인에 대해서도 低중심화와 함께 뛰어난 주행성능과 높은 환경성능을 양립시킨 신형의 개발에 주력해 왔다.

이번에 새로 개발한 파워트레인은 경량·컴팩트화, 低중심화, 엔진의 고속 연소, 트랜스미션의 다단화·高효율화 등 기본 성능의 향상을 철저하게 추구함과 동시에, 이렇게 실현된 기본 골격을 통일화하기 위해 모듈 설계(통일 설계)를 수행하여 향후 「바탕(기본)」이 좋은 차 만들기의 기반으로 삼는다.

신형 파워트레인은 높은 환경 성능은 물론, 주행 성능 면에서는, “토요타의 주행을 바꾸기”위해 「Direct & Smooth」를 테마로 중점적으로 개발에 임했다. 토요타가 생각하는 「좋은 차」의 원점이라고도 할 수 있는 「Fun To Drive」, 즉, 타서 즐겁고 설레는 주행의 느낌, 드라이버의 뜻대로 반응하는 주행 성능과 뛰어난 고연비 등 환경 성능의 병행을 추구하였다. 이 신형 파워트레인에 의해, 동력 성능을 약 10% 향상시키면서 연비는 약 20% 향상시켰다. 이것은 파워트레인 자체가 기여한 부분으로, 차량 탑재 시 공력 성능, 경량화 등 차량 전체의 진화에 의해 동력 성능·연비 향상을 추가로 할 수 있다.

신형 직렬 4 기통 2.5 L직분사엔진

엔진 잠재력을 최대한 끌어내기 위해 TNGA을 기반으로 기본 골격을 처음부터 다시 검토해 구조·구성을 쇄신함으로써 높은 주행 성능과 환경 성능을 양립시킨 신형 엔진을 「Dynamic Force Engine」이라 칭하고 향후도 한층 더 진화시켜 갈 예정이다.

이번에 개발한 신형 엔진은 고속연소기술, 가변제어시스템을 채용했다. 또한 배기·냉각·기계 작동시 등의 다양한 에너지 손실을 줄여 열효율을 향상시킴과 동시에 고출력을 가능케 했다. 신개발 2.5 L가솔린차용 엔진·하이브리드차(HV)용 엔진은 각각 세계 탑 레벨*3의 열효율 40%·41%를 달성하였다. 동시에 치밀한 제어에 의한 高응답성화와 全속도 영역에서의 高토크화 등 많은 신기술의 채용에 의해 큰 폭으로 진화했다.

신형 8단·10단 오토매틱 트랜스미션

에너지 손실을 최소한으로 하고 전달 효율을 높이기 위해 기어와 클러치 등에 다양한 대책을 가했다. 기어는 톱니 면의 마찰 계수를 낮게 하는 새로운 가공을 하여 기어가 서로 맞물릴 때의 에너지 전달 손실을 줄였으며, 클러치는 기구 내의 마찰재 형상을 최적화하여 회전시의 클러치 손실 토크를 약 50% 저감(종래 6단 AT 대비)하는 등 세계 탑 레벨의 전달 효율을 달성하였다.

나아가 기어를 넓히고 고성능·소형 토크 컨버터를 신개발하여, 록업 영역을 확대했다. 이에 의해 액셀 조작에 신속하고 매끄럽게 반응함으로써 드라이버의 의도대로 반응하는 다이렉트감 넘치는 주행을 추구했다.

또한 Direct Shift-10AT 는, 8단에서 10단으로 단수를 높여 전체 기어수를 늘리면서, 저중속역을 중심으로 각 단의 사용 영역(단수)을 최적화하는 크로스 기어를 채용. 이에 의해 FR(전륜구동) 프리미엄차에 어울리는 부드럽고, 세계 최고 속도 레벨*3의 빠른 변속이 낳는 리드미컬한 “기분 좋은 주행”을 추구.

이렇게 주행에서는 일상의 도심 주행을 중심으로 고속 주행까지 고객이 확실히 실감할 수 있는 실용적인 주행 현장에서의 기본 성능을 높였다. 가속이나 추월 가속시에도 신속하고 부드러운 액셀 조작으로 드라이버의 의도대로 리드미컬한 주행을 가능케 했다.

토요타 하이브리드 시스템(THSⅡ)

4세대 프리우스에 적용된 소형·경량·低손실화 기술을 계승, 2.5L 엔진용 하이브리드 시스템을 발전시키고, FR용의 고성능 멀티 스테이지 기술을 새로 개발했다.

2.5L의 THSⅡ는 소형·경량·低손실화 기술, TNGA에 의한 높은 연소 효율/고출력과의 시너지 효과로 뛰어난 동력 성능과 고연비를 실현하였다.

멀티 스테이지 THSⅡ는 하이브리드차의 주행의 이미지를 일신하는 초기 가속 성능과 다이렉트감 넘치는 주행을 실현. 고속 주행시의 시스템 효율 향상뿐 아니라 연비도 향상시켰다.

플러그인하이브리드 시스템도 개선했다. 기존의 모터 주행에 추가해 지금까지 발전기로서 사용하였던 모터를 주행용으로도 사용하는 듀얼모드드라이브 시스템에 의해 강력한 EV모드 주행을 실현하였다. 또 대용량의 리튬이온전지의 채용으로 프리우스 PHV의 EV주행 환산 거리(EV주행거리)를 60 km이상 큰 폭으로 늘렸다.

신형 파워트레인의 향후의 전개

신형 파워트레인은 TNGA에 의한 차 만들기에 의해 기반기술의 개발 효율과 품질 향상을 실현하여 양품염가의 상품을 대폭적으로 전개하는 것이 가능해진다. 이것은 「보다 좋은 차」를 고객에게 빨리 전달함과 동시에, 친환경 고연비차의 보급 촉진에도 연결된다.

2021년까지의 5년간 엔진은 이번에 개발한 2.5 L가솔린엔진을 포함해 9종·17 베리에이션, 트랜스미션은 다단화 AT, 신기구의 무단변속기(CVT)등 4기종·10 베리에이션, 하이브리드 시스템은 6기종·10 베리에이션의 투입할 예정이다.

이와 같이 토요타는 향후 TNGA에 의한 모듈 개발에 의해 단기간에 많은 기종을 전개해, 탑재 차종은 2017년 출시 신형차를 시작으로 순차적으로 확대한다. 5년 후인 2021년에는 토요타 단독의 연간 판매대수(일본·미국·유럽·중국)의 60% 이상을 목표로 하고 있다.

이에 의해 2021년 토요타 단독 판매차의 CO2 배출량 감축 효과는 신형 파워트레인의 연비 향상 기여분만으로도 15%이상*1을 전망한다.

파워트레인 컴퍼니의 개발 체제의 재정비·강화

파워트레인 컴퍼니의 개발 체제도 재정비·강화를 진행시켜 나간다. 향후 보급이 진행되는 HV나 플러그인하이브리드차(PHV) 등 차량 전동화의 추진을 위해 모터·배터리·파워컨트롤 유닛(PCU) 등의 하이브리드 기술 개발을 더욱 가속해 나간다.

1) 기술 공유에 의한 그룹 총력의 레벨업

토요타는 종래부터 주요한 기술·시스템은, 「자사 내 제작에 의해 손바닥화」하는 것을 기본 자세로 하여 연구·개발에 임하고 있다. 자사 개발로 지식·노하우·경험을 축적함으로써, 「오늘의 실패를 내일의 개선」으로 연결시킬 수 있어 토요타의 연구·개발의 진화를 뒷받침해 왔다.

하이브리드 시스템의 개발과 세계 최초의 양산형 HV 「프리우스」의 출시, 일찌감치 시판을 실현한 연료전지자동차(FCV) 「MIRAI」의 개발 등은 오랜 세월에 걸친 이러한 대응의 성과라고 생각한다.

그러나 향후 CO2 배출량 감축을 향해 현재 이상의 페이스로 전동화 기술의 개발·상품 전개를 진행시키기 위해서는, 지금처럼 토요타 자체적으로 모두 대응해 나가는 것은 어렵다.
토요타 독자로 보유해야 할 기술을 엄선해 「내제화·손바닥화」하면서, 향후는 토요타 자동차 그룹 내에서 기술 공유를 진행시켜 공동 개발 분야를 확대한다.

토요타 자동차 그룹을 횡으로 아우르는 오베야(大部屋, 일본어로 큰방의 의미, 목표와 문제, 해결방법, 납기, 진도 등을 나타내고 공유하는 협동 프로젝트룸을 일컫는 토요타자동차 내부용어)에 의한 공동 개발을 강화, 그룹 내에서의 리소스를 효율적으로 활용해 높은 기술의 조기 확립을 도모, 「3(쓰리) 업」, 즉, 「그룹 총력의 레벨업」 「개발의 스피드업」 「보급·확대에 의한 스케일업」을 지향한다.

2) 전동화의 코어 기술인 하이브리드 기술의 개발 체제 강화

하이브리드 기술의 기간이 되는 모터·배터리·PCU 등은, PHV·FCV·EV 등의 전동 차량의 기간 기술이기도 하다. 향후의 차량 전동화를 뒷받침하여 「환경 기술개발의 코어 기술」이라고 할 수 있는 하이브리드 기술의 개발 스피드를 가속하기 위해, 하이브리드 기술개발의 인원을 증강한다. 구체적으로는, 2017년부터 체제의 재정비를 진행시켜 2021년까지의 5년간, 하이브리드 기술개발자의 약 30% 증강을 계획하고 있다. 그 후도 개발 상황에 따라 순차적으로 강화할 예정이다.

토요타는 지구 환경 보전에 이바지하기 위해서 「2050년의 신차 CO2 배출량 90% 감축(2010년 대비)」을 목표로, 환경 대응 기술개발의 기본 방침인 「에너지 보존」의 철학 하에, 엔진·트랜스미션의 진화와 HV·PHV의 보급에 의해, CO2 배출량 감축을 위한 연비 향상을 추진한다. 동시에, 장래 석유를 중심으로 한 화석연료의 소비 억제를 시야에 넣은 「에너지 다양화 대응」을 위해, 수소를 활용하는 FCV와 EV 등의 제로 에미션차의 개발을 진행시켜 추가의 CO2 배출량 감축을 통해, 「친환경차는 보급함으로써 환경에 공헌」한다는 관점에서 환경 대응 기술의 개발과 친환경차의 시장 도입에 임하고 있다.

향후도, TNGA에 의한 「좋은 차 만들기」에 의해 「Fun To Drive」와「지구 환경 공헌」을 양립하는 「보다 좋은 차」의 시장 투입과 CO2 배출량 감축을 가속하기 위해 토요타 그룹의 총력을 결집해 대응을 강화해 나갈 것이다.