아우디가 TDI 출시 25주년을 맞아 전 세계 자동차 전문기자들을 덴마크 코펜하겐의 디젤하우스로 불러 TDI의 과거와 현재, 그리고 미래를 설명했다. 디젤하우스는 1932년 오픈해 세계 최대의 디젤엔진을 생산해 코펜하겐의 화력발전소에 공급한 곳이다. 이곳 디젤하우스에 있는 1만 5,000리터 직렬 8기통 2스트로크 엔진은 여전히 로커암식의 캠샤프트를 움직이며 1분에 115회전을 하며 작동되고 있었다. 아우디 TDI Tech Workshop 2014라는 타이틀로 진행된 아우디 TDI의 모든 것을 살펴 본다. 그 첫 번째로 TDI가 이루어낸 성과를 짚어 보자.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

2009년 미국 메이커들이 배터리 전기차로 자동차산업을 살리겠다고 선언하면서 시작된 전동화(하이브리드카, 배터리 전기차, 플러그인 하이브리드카, 수소연료전지차) 바람이 20세기 말의 전기차 바람과는 달리 꾀 오랫동안 지속되고 있다. 배터리 전기차도 전력을 생산하는 과정에서 유해 배출가스를 생산하기 때문에 완전 무공해차가 아니다. 수소연료전지차도 마찬가지로 Well to Wheel(에너지 생산부터 자동차에서의 사용까지) 의 관점에서 보면 완전 무공해차가 아니다. 그럼에도 세계 대부분의 자동차회사들은 전동화를 추진하고 있다.

그 이유는 환경과 에너지 문제가 첨예하게 인식되고 있기 때문이다. 석유고갈론과 이산화탄소의 지구온난화 야기라고 하는 종교적인 믿음이 자동차회사들로 하여금 그렇게 하지 않을 수 없게 해 왔다. 적어도 일반인들의 눈에는 그렇게 비친다. 하지만 좀 더 들여다 보면 수면 위의 파도와는 달리 심해의 흐름에는 근본적인 변화가 없음을 알 수 있다.

아우디는 2030년까지 내연기관 엔진의 시장 점유율이 80%에 달할 것으로 전망했다. 아우디도 하이브리드와 플러그 인 하이브리드를 거쳐, 배터리 전기차, 그리고 수소연료전지차의 시대가 도래할 것이라고 하는 로드맵은 다른 메이커들과 같은 생각이다. 내연기관의 점유율이 80%에 달하는 상황에서 전동화의 비율이 40%를 차지할 것이라고 말하고 있다. 하이브리드카는 여전히 내연기관을 사용하기 때문에 그런 비율이 가능하다. 지금까지는 전동화의 전망은 2030년까지 20%에 달할 것이라는 시각이었다.

그럼에도 가솔린과 디젤 엔진이 주 동력원이 될 것이라는 생각은 변함이 없다. 특히 TDI 엔진은 지금까지 약 750만 대를 생산했다. 2013년 한 해만도 거의 60만 대를 생산하며 점차 세를 확대하고 있는 것이 그런 생각을 잘 보여 주고 있다.

최근 수년 사이 석탄 에너지에 대한 재조명과 셰일 에너지의 등장으로 석유 고갈론이 힘을 잃어 가고 있다. 더불어 앞서 언급했듯이 배터리 전기차와 수소 연료전지차도 완전무공해차가 아니다. 그렇다면 지금 사용하고 있는 내연기관의 효율성을 높이고 유해 배출가스를 저감하는 것이 지속가능한 자동차산업을 위해 더 현실적이라는 자동차회사들은 하고 있는 것이다.

실질적으로 파워트레인의 기술을 리드하고 있는 독일 메이커들의 움직임을 보면 이해할 수 있다. BMW 는 엔진 헤드기술의 지속적인 개량과 직분사 시스템을 채용해 2007년에 가솔린 엔진에서 리터당 100마력의 시대를 열였다. 메르세데스 벤츠는 린번 터보를 실용화해 연비성능을 획기적으로 향상시켰다. 아우디는 2007년 SCR의 채용으로 디젤엔진의 아킬레스건인 질소산화물의 배출을 대폭 줄여 메르세데스 벤츠의 블루텍과 함께 클린 디젤의 시대를 열었다.

여기에 HCCI(예혼합압축착화 엔진)도 2015년 상용화를 앞두고 있다. 전동화에 대한 투자보다 더 많은 시간과 비용을 들여 내연기관의 개량에 공을 들이고 있다는 얘기이다.

지속가능한 자동차사회를 위한 현실적인 대안은 내연기관

아우디가 1989년 프랑크푸르트오토쇼를 통해 아우디 A100에 완전 전자제어식 직분사 디젤 엔진 2.5 TDI를 탑재해 선 보인 것이 TDI의 시작이다. 이 엔진은 강제 흡기(과급), 연료 분사, 배출가스 제어 등 몇 가지 주요 추진 요인을 바탕으로 여러 단계를 거치며 발전을 거듭했다. 지난 25년 동안 TDI는 배기량 대비 출력이 130%, 토크는 125%가 증강됐다. 1989년 2.5리터 TDI의 최고출력 120ps, 최대토크 265Nm이었으나 2014년 3.0리터 V6 TDI는 326ps/650Nm를 발휘한다. 디젤 엔진도 리터당 100마력이 넘는 시대가 도래한 것이다. 이는 독일 자동차회사들의 공통된 흐름이다. 완성차회사와 부품회사와의 협업을 통해 이룩한 쾌거다.

동시에 일산화탄소와 질소산화물은 95%, 미세먼지는 99% 줄였다. 아우디가 유럽 국가에 판매한 신차의 평균 이산화탄소 배출량을 최근에도 매년 3%씩 감축시킬 수 있는 주요 요인도 바로 TDI 엔진 덕분이다. 현행 아우디 라인업에 포함된 156종의 TDI 모델들 가운데 58종이 85~120g/km 사이의 이산화탄소 배출량을 나타낸다. 아우디 A3 울트라 모델의 경우 1.6리터 TDI 엔진을 탑재해 무려 31.3km/l의 평균연비를 제공한다. 아우디가 차명에 부여한 "울트라(ultra)"라는 용어는 "높은 효율성(Efficiency)과 고성능(Performance)"을 양립한다는 의미의 네이밍이다. 현재 아우디는 디젤 16개, 가솔린 7개의 울트라 모델 레인지를 라인업하고 있으며 앞으로도 빠른 속도로 확대할 계획이다.

아우디는 높은 효율성, 청정성, 정교함, 안락함과 강력한 파워가 TDI의 장기라고 강조한다. 아우디 R8을 제외하고 모든 모델 시리즈에 TDI 엔진 라인업이 포함되어 있으며, 배기량은 1.6리터에서 4.2리터, 최고출력은 1.6 TDI의 90마력부터 4.2 TDI의 385마력까지 다양하다. 판매량 면에서 독보적인 선두주자는 2.0 TDI다. 지금까지 거의 300만 대 이상 판매됐고, 2013년 만해도 약 37만대가 판매됐다.

아우디는 여기에 새로 설계한 3.0 TDI 클린 디젤로 새로운 이정표를 제시하고 있다. 폭스바겐 그룹의 모듈러 엔진을 베이스로 하는 신형 3기통 1.4 TDI 클린 디젤도 컴팩트 모델을 통해 곧 선 보일 예정이다. 향후 V6 TDI 엔진은 보조 전기 터보를 이용해 낮은 회전수에서도 즉각적인 파워를 분출하여 효율성과 고성능이라는 두마리 토끼를 잡게 될 것이라고 주장하고 있다.

TDI 기술 향상을 위한 요소 기술

오늘날 클린 디젤이라는 용어를 사용할 정도로 디젤 엔진의 유해 배출가스를 획기적으로 줄일 수 있게 된 것은 터보차징과, 직접 연료 분사, 연소와 배출과정에서의 유해 배기가스 제어로 인한 것이다. 이 기술들을 통해 엔지니어들은 연료 소모를 줄이면서 출력과 토크를 높인다는 이율배반적인 기술을 양립시키는데 성공한 것이다.

그 첫 번째가 터보 차징(Turbocharging)이다. 아우디의 신형 3.0 TDI 터보차저는 최대 2.0bar의 부스트 압력을 생성한다. 이론적으로 전 부하 상태에서 시간당 1,200입방미터(1.2미터톤)의 공기를 압축할 수 있다. 최대토크는 47.6kgm에 달하며 분당 20만 회가 넘는 속도로 회전한다.

터보차저 기술 발전을 위해 아우디는 효율성, 토크 생성, 터보차저 전환, 음향, 경량 구조에 비중을 두고 있다. 이들 기술은 마이크로미터(백만 분의 1미터) 범위의 정밀도로 작업이 진행된다. 신형 3.0 TDI에 장착된 터보차저는 전기 VTG 액츄에이터(actuator)를 이용해 터빈 휠 베인(turbine wheel vane)의 위치를 200 밀리세컨드 (milliseconds) 이내로 조절한다. 이 장치는 새로 개발된 카트리지 내부에 설치된다. 이 카트리지는 반쪽으로 나눠진 부분을 서로 리벳(rivet)으로 결합해 완성한다. 따라서 얇은 리벳 덕분에 주조 접합 부분이 있는 기존 세대 부품에 비해 공기흐름이 더욱 원활하다. 특히 구동 부품들은 배기가스 온도가 섭씨 830도까지 상승하는 가혹한 조건에 노출되기 때문에, 온도를 더 높이기 위해선 신소재 채택이 요구된다.

두 번째로 커먼레일로 대표되는 직분 연료 분사시스템도 디젤 엔진 기술 발전에 지대한 역할을 했다. 오늘날 생산되고 있는 아우디 엔진 대부분은 최대 2,000bar의 커먼레일 분사 시스템 압력을 사용한다. 다음 목표는 2,500bar이며, 2,700바까지도 구상하고 있다. 이미 레이싱카에서는 초고압을 실현하고 있다. 아우디 R18 e-트론 콰트로 레이싱카의 4리터 V6 엔진은 2,800bar가 넘는 분사압력을 사용해 리터 당 약 136마력의 힘을 발휘한다.

아우디의 V형 엔진에 장착된 피에조 인젝터(piezo injector)는 노즐 직경이 0.1mm에 불과해 저부하 조건에서도 연료가 매우 작은 입자로 바뀌어 분사된다. 분사압력이 높을수록 더 정확한 비율의 혼합가스를 생성할 수 있어 출력과 토크가 높아질 뿐만 아니라 회전이 부드러워지고 유해 배출가스는 줄어든다.

신형 3.0 TDI의 커먼레일 시스템은 각 동력 행정 동안에 9차례의 개별 분사가 가능하다. 이중에서 사전 분사는 엔진이 저속에서 부드럽게 회전하도록 보장한다. 사후 분사는 미립자 필터의 재생(필터 상에 침착된 매연을 연소시켜 성능을 회복하는 과정)과 향후 NOx 저장 촉매 컨버터의 탈황(desulfatizing)을 담당한다. 분사 시스템은 수만 킬로미터 이상을 주행한 후에도 밀리그램 범위의 정밀성을 반드시 유지해야 한다. 아주 작은 편차만 발생해도 배출가스 시험 결과에 악영향을 줄 수 있다.

세 번째로 연소과정에서의 완전 연소의 추구와 더불어 배출가스의 제어기술도 클린 디젤에 지대한 역할을 했다. 내연기관에서 배출가스 제어 부품은 빠른 반응을 보여야 한다. 아우디 TDI 엔진은 효율성이 높아지면서 배기가스 온도는 지속적으로 떨어지고 있다. ECE 사이클 기준으로, 산화 촉매 컨버터 하류에서 측정한 온도가 섭씨 150도에 도달하려면 2.5분이 걸리는데, 문제는 이 온도 아래에서는 촉매에 의한 정화가 제대로 이루어지지 않는다.

아우디는 신형 3.0 TDI에 두 개의 촉매 컨버터들, 즉 대형 산화 촉매 컨버터 및 SCR 코팅된 디젤 매연 미립자 필터를 엔진과 매우 가까운 위치에 설계했다. 수랭식 SCR 펌프는 이들 사이에 위치한 짧은 곡관(bent connecting pipe) 속으로 차량용 요소수(AdBlue)를 주입한다. 218마력 버전의 신형 V6 디젤, 신형 V6 바이터보, 4.2 TDI는 산화 촉매 컨버터에 전기 히터도 장착한다.

지금 아우디는 SCR 이후 클린 디젤을 위한 신기술의 완전 단계에 있다. 아우디는 2015년 3.0 TDI에 산화 촉매 컨버터 대신 새로운 NOx 저장 촉매 컨버터(NOC, NOx Oxidation Catalyst)를 사용한다. NOC는 용량이 완전히 포화될 때까지 질소산화물을 저장한다. 엔진에서 혼합가스의 공연비를 농후하게 조절하면 저장된 질소산화물이 환원되어 NOC가 정화된다. NOC는 연료 소모를 최대한 낮추기 위해 배기가스 온도가 낮을 때에만 활성화한다. 엔진 시동 이후 또는 저부하 조건이 여기에 해당한다. 이 밖의 모든 상황에서는 SCR 코팅된 디젤매연 미립자 필터가 NOx의 환원을 담당한다. 아우디는 이 기술이 갈수록 강화되고 있는 미래의 배기가스 규제를 충족할 수 있다고 자신하고 있다.

배출가스 기준, 품질 요구사항, 경유 성분이 나라마다 다르다는 점에서 법규와 비즈니스에 기초한 추가적 요구사항도 TDI 개발에 영향을 주고 있다. 일찍부터 이산화탄소 규제를 강화해 온 유럽 국가들은 바이오 디젤 혼합물과 미래의 RDE(real driving emissions, 실제 도로주행 배출가스 규제) 테스트 사이클에 초점을 맞춘다. 아우디는 미국의 일부 주에 제공되는 신형 3.0 TDI에 ULEV-II 기준에 대응하는 2단 냉각식 배기가스 재순환 시스템을 탑재했다. 아직도 연료 품질이 큰 편차를 보이는 중국이 본격적인 디젤 시장으로 부상하게 되면 기준 고도와 희박한 공기밀도가 더욱 중요한 요인으로 작용하게 될 것이다.

아우디의 TDI기술에 대한 집념은 최근 자동차회사들이 내연기관에 대한 관점이 어떤지를 잘 보여 주고 있다.

참고 자료: 아우디 TDI 기술 이정표

1970년대: 석유 파동의 압력

아우디는 1970년 중반에 TDI의 개발을 시작했다. 석유 파동은 연료 절약형 신형 엔진 제작의 계기가 되었다. 시스템 공급업체인 보쉬는 최대 900bar의 압력을 증강하는 전자제어식 축 피스톤 분사 펌프를 개발했다.

1989년: 2.5 TDI

1989년 프랑크푸르트오토쇼에 2,461cc 직렬 5기통의 첫 번째 TDI를 선보였다. 완전 전자제어식 직분사 터보 디젤로 최고출력 120마력, 최대토크 27kg·m/2,250rpm을 발휘했다. 아우디 100에 탑재되어 최고속도는 거의 200km/h에 달하면서도, 당시 기준으로 연비는 17.5km/l에 달했다.

1991년: 1.9 TDI와 VTG 터보차저

1991년 4기통 1.9 TDI를 장착한 아우디 80은 최고출력 90마력, 최대토크 18.6kg·m를 발휘했다. 최고출력 110마력의 개량형 버전이 4년 후 아우디 A4에 탑재됐다. 이러한 성능 향상은 주로 배기 측에 있는 신형 터보차저와 가변 날개에서 기인했다. VTG 터보차저는 1,700rpm에서 시작하는 부드러운 초기 토크의 개발을 가능하게 했다.

1997년: 세계 최초의 V6 TDI

자동차 디젤 엔진에서 실린더 헤드 당 4개의 밸브가 설치된 V6 TDI는 2.5리터 엔진으로 최고출력 150마력, 최대토크 31.6kg·m을 추출했다. 이 엔진은 흡기에서 스월 및 탄젠설 채널뿐만 아니라 최대 1,850bar의 압력을 증강하는 레이디얼 피스톤 분사 펌프와 같은 솔루션을 제시했다. 이 2.5 TDI는 A4, A6 및 A8에 사용되었다.

1999년: V8 TDI

3,328cc의 배기량, 4개의 오버헤드 캠축, 32개의 밸브, 2개의 VGT 터보차저, 1999년 10월 당시 아우디 A8에 장착된 V8 TDI의 하이테크 제원이다. 고강도의 크랭크케이스는 경량의 버미큘러 흑연 주철로 제작되었으며, 차지 에어 및 재순환된 배기가스는 물로 냉각됐다. 당시 아우디의 커먼레일 시스템은 1,350bar의 압력으로 연료를 분사했다. 최고출력 225마력, 최대토크 49kg·m의 V8 TDI는 최고속도 242km/h의 성능을 발휘했다.

2001년: 1.2 TDI

2001년형 아우디 A2 1.2 TDI는 평균 연비 33.4km/l, 이산화탄소 배출량 81g/km라는 획기적인 성능을 보여 주었다. 5도어 해치백과 공기 역학적 설계의 제작된 알루미늄 차체는 1.2리터3기통 엔진을 탑재해 최고출력 61마력, 최대토크 14.3kg·m을 발휘했다. 엔진은 실린더 당 2개의 밸브, VTG 터보차저와 연료 분사 압력 2,050bar의 펌프-인젝터를 채용했다. A2 1.2 TDI는 오늘날까지 세계 유일의 5도어, 3리터 자동차로 남아있다.

2004년: 3.0 TDI

2004년에 소개된 3.0 TDI는 90도의 균일한 실린더 각도를 가진 아우디 V-엔진 패밀리의 첫 번째 멤버다. 90밀리미터의 실린더 공간 및 후면의 타이밍 체인을 탑재했다. 모든 대형 아우디 디젤 엔진과 마찬가지로 경량이지만 매우 강한 버미큘러 흑연 주철로 제작된 엔진 블록을 장착했다. 아우디에 도입된 DPF(디젤 미립자 필터)가 배기가스를 정화했다.

피에조 직렬 인젝터도 처음으로 도입됐다. 이러한 인젝터들은 아주 작은 양의 연료를 분사할 수 있었으며, 복합적인 시차 분사를 수행하기 위해 극도로 빠르게 개폐할 수 있었다. 이를 통해 최대 1,600bar까지 압력의 미세한 변조 상승과 함께 조용한 엔진 소음을 제공하는 연소 공정이 가능했다. V6 TDI는 최고출력 별로 204마력, 224마력, 233마력의 3개 버전이 출시됐다. 이는 모델 라인업 전반에 걸쳐 널리 사용됐다. 2009년에 제2세대로 발전했다.

2008년: V12 TDI

2008년 후반 Q7에 적용된 이 12기통 엔진은 2,000bar의 커먼레일 시스템과 2개의 VTG 터보차저가 장착되었으며, 60도의 실린더 뱅크각을 채용했다. 6.0리터의 V12 TDI는 최고출력 500마력, 최대토크 102kg·m/1,750rpm~3,250rpm을 발뤼했다. 이 엔진을 장착한 Q7의 0-100km/h가속 성능은 5.5초, 제한 최고속도는 250km/h 에 달했다.

2009년: 3.0 TDI 클린 디젤

미국 시장 공략을 위한 3.0 TDI 클린 디젤에는 2,000bar의 커먼레일 시스템과 혁신적인 연소실 센서 보드가 장착됐다. 미세 분무와 연료의 정확한 연소를 통해 미처리 배출가스의 비율을 최소화했다. SCR 촉매 컨버터는 배기 장치에서 질소 산화물을 감소시켰다. 수용성 첨가제 AdBlue는 고온의 배기가스와 만나 암모니아로 분해되고, 암모니아는 다시 질소 산화물과 반응해 물과 질소로 전환된다.

2013년에는 새로운 장치가 이전의 두 가지 장치, 즉 디젤 미립자 필터와 SCR 코팅을 통합했다. 필터 벽의 티탄산 알루미늄 또는 실리콘 카바이드같은 세라믹 담체가 질소산화물의 변환을 대체한다. 후속 암모니아 슬립 촉매(ASC)는 높은 부하에서 방출될 수 있는 잔여 암모니아 분자를 변환시킨다.