2012 아우디테크데이(AudiTechday)가 2011년 9월 17일부터 25일까지 독일 뮌헨 근교 스튜디오에 특설된 행사장에서 전 세계 자동차 전문기자들을 대상으로 개최됐다. 올 해의 주제는 "Future Mobility". 세부적으로는 미래 사회를 위해 무엇이 필요한가라는 화두 제시를 비롯해 미래의 엔진, 미래의 에너지로 나뉘어 워크샵이 진행됐다. 두 번째로 미래의 엔진에 관한 내용이다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

미래의 파워트레인에 대한 연구는 오랜 역사를 갖고 있다. 하지만 현실적으로 큰 진보는 이룩하지 못하고 있다. 내연기관이라는 큰 틀에서 벗어나지 못하고 있다는 것이다. 그것은 에너지 문제일 수도 있고 파워트레인 기술의 문제일 수도 있다.

아우디는 미래의 엔진에 대해 크게 네 개의 축을 기본으로 포트폴리오를 구성하고 있다. 우선은 당연히 내연기관인 TFSI와 TDI 등이 두 축을 이루고 하이브리드 등 전동화를 중심으로 하는 e-tron, 그리고 마지막으로 먼 미래의 e-fuel 등이 그것이다. 이 이야기는 내연기관을 축으로 단계적인 발전을 시도하고 있다는 것을 의미한다.

이는 미래의 다양한 이동성을 고려한 것이다. 지역과 환경에 따라 수없이 많은 이동수단이 필요할 것이고 아우디는 그 모든 것을 충족시킨다는 목표를 설정하고 있다. 선진국의 자동차환경과 후진국의 그것이 같을 수 없다. 선진국이라고 해도 그들의 처한 환경과 기술적 우위 정도에 따라 추구하는 방향이 다르다.

최근 수년 동안 배터리 전기차에 대한 광풍이 있었지만 여전히 앞으로도 오랫동안 자동차에서는 가솔린과 디젤 등 내연 기관이 가장 중요한 위치에 있을 것으로 보인다. 아우디는 이 두 분야에서 직분사 기술과 터보차저, SCR 시스템 등을 적용해 많은 발전을 이루었다. 현재 100여 개가 넘는 모델 버전의 CO2 배출량이 140 g/km(225.31 g/mile) 미만이며, 33개 버전은 배출량이 120 g/km(193.12 g/mile)가 채 되지 않는다.

아우디는 1999년 2.5리터 V6 TDI를 처음 선 보인 이래 34%의 이산화탄소 배출량 저감을 달성했다. 앞으로도 2020년까지 추가로 20%를 더 저감한다는 목표를 설정하고 있다. 이번에 소개한 것 중 주목을 끄는 것 중 하나가 3.0리터 V6 TDI 전기 바이터보(electric biturbo)다. TDI 엔진용 전기 추진 터보차저이다. 수퍼차저와 전기 컴프레서로 구성된 과급시스템으로 전동화 시대에도 '달리는 즐거움은 여전히 여전히 유저들의 바이어스 포인트라는 것을 말해 주는 대목이다. 전기 과급장치를 사용해 저항 없이 엔진회전이 급상승해 최대의 성능을 이끌어 내며 환경성능도 향상시킨다. 당연히 연비 성능 향상도 추구하고 있다.

가솔린 엔진도 2000년 이래 2012년까지 모두 31%의 이산화탄소 저감을 실현했다. 2020년까지 20%를 더 줄인다는 목표다. 오늘날 스파크 이그니션 엔진의 트렌드는 다운사이징(Downsizing)과 다운스피딩(Downspeeding)이다. 배기량을 줄이고 직분사와 터보차징을 활용하는 다운사이징(downsizing)으로 요약된다. 이로 인해 자동차의 토크는 크게 높아졌다. 더불어 다운스피딩(downspeeding: 엔진 회전 속도 감소)이나 연료를 절약할 수 있는 긴 기어 비의 변속기 채용 등을 가능하게 했다. 이 모든 기술들은 효율성(Efficiency) 증대를 위한 것이다.

아우디는 효율성 증대를 위해 실린더 온 디맨드 시스템(cylinder on demand system : 기통 휴지 시스템) 을 개발해 적용했다. 4.0 TFSI 및 1.4 TFSI 엔진에서는 부분 부하(part-load) 시 4개 또는 2개의 실린더가 작동을 정지한다.

앞으로는 여기에 2스테이지 수퍼차저를 비롯해 새로운 원재료, 마찰 최소화, HCCI와 린 번, 저압 EGR, 앳킨슨 엔진, 가변 기어 등 새로운 기술, 대체 에너지 등이 등장하게 될 것으로 보고 있다.

최근에는 1.8리터와 2.0리터 TFSI 엔진에도 다양한 기술을 채용하고 있다. 아우디 밸브리프트 시스템(Audi valvelift system; AVS), 실린더 헤드 안에 통합된 배기 매니폴드, 전기 웨이스트게이트(wastegate)로 제어되는 터보차저, 전동식 냉각수 조절장치가 달린 혁신적인 온도 관리 시스템, 흡입 매니폴드로의 주입과 직접 주입을 결합시킨 이중 연료 주입 시스템 등이 그것이다.

아우디는 이번에 "라이트 사이징(Rightsizing)"이라는 새로운 용어를 사용했다. TFSI 엔진에서는 앞으로 “라이트사이징(Rightsizing: 규모 효율화)”이 결정적인 역할을 하게 될 것이라는 것이다. 이 개념은 향후 7년에 걸쳐 연료 소비량 15% 감축을 목표로 가솔린 엔진을 최적화하는 혁신적인 기술들의 집합을 말한다. 효율성 향상을 위한 각종 보조 시스템들도 큰 역할을 하게 될 것이다. 예를 들어, 내비게이션 데이터를 지능적으로 사용하면 미리 예상해서 엔진을 멈추고 자동차가 좀 더 오래 관성으로만 주행하도록 할 수 있다.

규모의 효율화에서 가장 중요한 것은 엔진 차징의 개발이다. 아우디는 낮은 엔진 속도에서 보다 최적화된 토크와 다이내믹함을 구현하고자 하고 있다. 그를 위한 접근법으로 2 스테이지(2-stage) 차징 개념이 있다. 현재 터보차저에서 사용하는 소재들에는 온도 저항성이 높은 강철 합금과 알루미늄화 티타늄(titanium-aluminide)으로 제작된 터빈 휠(turbine wheels)이 있다. 새로운 연소 방법의 활용은 진보적인 엔진 차징 기술 개발과 특히 차징 압력을 증가시키는 것도 중요하다.

특히 흥미로운 점은 팽창 단계를 더 길게 할 수 있는 저압 배기 가스 재순환과 밀러/앳킨슨 사이클(Miller and Atkinson cycles)이다. 이 두 기술 모두 중부하(mid-load)에서 고부하(high-load) 조건에까지 효율성을 크게 높여준다. 저부하 조건에서는 HCCI(예혼합 압축착화; homogeneous charge compression ignition), 희박 연소법(lean combustion methods), 가변 밸브 드라이브(variable valve drives) 등이 효율성을 높일 수 있는 잠재적인 새로운 방법을 제시한다.

아우디의 하이브리드 기술과 e-트론

그리고 세 번째로 전동화가 있다. 아우디는 이미 리튬 이온 배터리를 사용한 풀 하이브리드 시스템을 적용한 A6 하이브리드, A8 하이브리드, Q5 하이브리드 콰트로 등을 출시했다. 모두 EV모드가 있다. 대부분의 자동차회사들이 그렇듯이 토요타 방식의 직병렬 혼합형이 아닌 병렬 하이브리드 모델이다. Q5 하이브리드 콰트로는 네 바퀴 모두를 구동한다. 아우디의 하이브리드 시스템에는 전기 모터로만 주행하는 EV 모드, 양쪽 동력원을 효율적으로 제어하는 D 모드, 다이내믹한 운전 스타일을 특징으로 하는 S 모드 등이 있다.

이번에 새로이 선 보인 것으로는 마일드 하이브리드 시스템의 일종인 i-HEV다. i는 intelligent를 의미한다. 주행 중에 가속페달에서 힘을 빼면 엔진의 시동이 꺼진다. 전기모드가 있는 것은 아니다. 포르쉐가 처음 소개했던 코스팅 기능은 페달에서 힘을 빼면 엔진회전이 공회전 수준으로 떨어지는데 비해 아우디의 i-HEV는 아이들링 스톱 시스템처럼 엔진 시동이 꺼져 버린다. 정지상태에서만 시동이 꺼지는 것이 아니라 주행 중에도 그 시스템이 작동하는 것이다. 그로 인해 평균 10%의 연비 성능의 향상을 기대한다고 한다. 실제로 뮌헨 근교에서 짧은 시승을 했을 때의 느낌은 의외로 위화감이 없었다. 이것은 내연기관의 효율성을 극대화하기 위해 여전히 많은 연구가 이루어지고 있음을 보여 주는 내용이다.

한편 아우디는 e-트론(e-tron)을 전면에 내 세우고 있다. e-트론은 기본적으로 쉐보레 볼트와 같은 컨셉의 레인지 익스텐더(range extender)를 지향한다. 기술적으로는 플러그 인 하이브리드(듀얼-모드 하이브리드)로 분류된다. 아우디의 A1 e-tron은 전기모드로 90km/h의 속도로 50km까지 주행이 가능하고 항속거리는 600km에 달한다.

아우디는 2020년까지 아우디는 모든 세그먼트에 e-트론 버전을 라인업한다는 계획이다. 그 첫 단계로 올해 말 양산형 R8 e-트론 모델이 한정판으로 출시된다. A3 e-트론도 2014년에 양산에 들어갈 예정이다. Q7과 A4의 플러그 인 하이브리드도 개발에 박차를 가하고 있다.

도심 운전을 전제로 한 소형 A1 e-트론은 레인지 익스텐더가 추가로 장착되어 있다. 전기 모터는 최대 75kW의 출력으로 앞바퀴를 구동하며, 전기 모드에서의 운행 범위는 대략 50km(31.07 miles)이다. 뒤쪽의 254cc 로터리 엔진은 15kW의 출력을 내며, 교류 발전기를 통하여 12kWh 배터리를 충전함으로써 총 250km (155.34 miles)까지 주행할 수 있도록 해 준다. 아우디는 뮌헨에서 최초의 A1 e-트론 모델로 대대적인 플리트 테스트(fleet test)를 수행했으며 지금까지 50,000km (31,069 miles) 이상을 달렸다.

아우디는 뉘르부르크링 레이스 코스의 북쪽 루프에서 R8 e-트론이 세운 세계 기록과 르망 24시간 레이스에서 우승한 R18 e-트론 콰트로를 통해 이미 전기 구동 차량의 잠재력을 증명해 보이고 있다.

아우디에게 전동화(electrification)에 대해 새로운 접을 하고 있다. 단순히 배터리 전기차에 집중하는 것이 아니다. 새로운 유형의 에너지 저장 기술과 지능적인 구동 전략, 전동화 4륜 구동차 ‘e-트론 콰트로’ 등 가능한 모든 기술들을 연구해 가능성을 타진하고 있다. 중장기적으로는 e-트론 기술이 아우디의 대표적 기술들 중 하나가 될 것이라고 강조하고 있다. 밥 루츠가 그의 저서 'Car guys & Bean Counters'를 통해 레인지 익스텐더 시장의 확대를 장담한 것이 떠 오른다.


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