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 있다. 아우디 TDI Tech Workshop 2014라는 타이틀로 진행된 아우디 TDI의 모든 것을 살펴 본다. 그 두 번째로 새로 선 보인 라이트사이징 엔진들을 소개한다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

아우디는 2020년까지 자사 신차 모델의 평균 이산화탄소 배출량을 95g/km라는 목표를 설정했다. 이를 위해 하이브리드 방식뿐만 아니라 전통적인 기술 분야에도 연구를 집중하고 있다. 마찰 감소, 열관리, 그리고 연료 분사와 강제 흡기 같은 연소 과정이 여기에 포함된다.

아우디는 다운사이징(소형화)보다는 각 차량 크기에 맞는 올바른 엔진 사이즈를 선택하는 라이트사이징(rightsizing, 적정 규모화)에 주력한다는 방침이다. 6기통 및 8기통 등 대 배기량 TDI 엔진의 효율성을 높여 차체에 걸맞는 엔진을 탑재한다는 것이다. 이들 엔진은 매우 낮은 회전수에서도 부드럽게 작동하므로 실제 주행 상황에서 높은 효율성을 제공한다고 주장한다.

이를 위해 1.4 TDI 를 비롯해 세로 배치형 뉴 2.0 TDI와 신형 3.0TDI, 4.2 TDI 등을 라인업했다. 하나씩 살펴 보자.

1. 신형 1.4 TDI- 모듈러 엔진 2탄

신형 1.4 TDI는 2리터 4기통 엔진에 이어, 폭스바겐 그룹의 모듈형 디젤 엔진 플랫폼(MDB)을 기반으로 제작된 두 번째 엔진이다. 1,422cc 직렬3기통 가로배치 엔진으로 스트로크(행정거리)는 2.0 TDI와 동일한 95.5mm이고, 보어(실린더 직경)는 81.0mm에서 79.5mm로 줄었다. 실린더 간격은 88.0mm다.

2005년까지 아우디 A2에 탑재됐던 선대 엔진과 달리, 신형 1.4 TDI는 알루미늄-실리콘 합금으로 제작된 경량 크랭크케이스를 채택했다. 이는 경쟁이 치열한 차급에서는 매우 보기 드문 일이다. 이 크랭크케이스는 중력 주조 공법으로 제작되어 높은 강도와 밀도, 균질성을 자랑한다. 적재적소에 늑골(ribbing) 구조를 더하고 정교한 대책들을 적용하여 엔진 주변 장치들의 소음 방출을 최소화한다.

크랭크케이스는 무게가 17kg에 불과하다. 이전에 사용된 주철 블록에 비해 12kg이나 가볍다. 엔진의 총 중량은 132kg이다. 주철로 제작된 피스톤 슬리브는 벽이 얇으며 열로 접합됐다. 피스톤과 커넥팅 로드의 무게는 감소됐다. 피스톤 간극, 피스톤 링의 윤곽과 장력이 저 마찰 손실에 맞춰 최적화됐다.

밸런스 샤프트는 크랭크샤프트와 반대 방향으로 회전한다. 밸런스 샤프트 구동장치는 오일 펌프와 진공 펌프가 하나의 케이스를 공유하는 이른바 "듀오 펌프"로 통합된다. 오일 펌프는 필요에 따라 3가지 압력 레벨로 전환된다. 또 다른 효율성 대책은 실린더 블록과 실린더 헤드의 냉각수 순환 루프를 각각 분리한 것이다. 워밍업 단계(warm-up phase)에서는 블록 루프를 정지시키고 오직 헤드 루프만 활성화할 수 있다. 헤드 루프는 실내 히터 열 교환기에 뜨거운 냉각수를 공급하는 역할도 겸한다. 1.4 TDI는 이러한 열관리 개념으로 냉간 시동 이후에 신속하게 정상 작동 온도에 도달한다.

캠 샤프트 구동장치에는 정교한 니들 베어링이 들어간다. 캠 샤프트는 엔진 생산 단계에서 별도의 프레임에 장착되어 결합된다. 이 새로운 밸브 구동 모듈은 높은 강성과 낮은 중량이 특징이다.

커먼레일 연료 분사 시스템은 2,000bar의 시스템 압력을 생성한다. 7홀 인젝터의 노즐 니들을 열고 닫는 역할은 솔레노이드 밸브가 수행한다. 압력이 높기 때문에 연료가 더 미세한 입자로 바뀌어 연소실에 분사되며, 따라서 효율성이 높아지고 유해 배출가스가 줄어든다.

1.4 TDI의 터보차저는 터빈 휠 베인을 공압식으로 조절한다. 인터쿨러는 별도의 순환 루프를 통해 수랭식으로 냉각되며 실린더 헤드에 장착된다. 저압 배기가스 재순환 시스템(AGR)도 수랭식이며, 터보차저 바로 상류 지점에 배기가스를 방출한다. 이를 통해 엔진 고온 상태 또는 중부하 및 고부하 조건에서 NOx 배출량을 감소시킨다. 반면에 비냉각식 고압 AGR은 냉간 시동 이후의 과정을 주로 책임진다. 이 신형 엔진은 유로6 배기가스 기준을 만족한다. 전체 배출가스 제어 시스템이 컴팩트한 크기와 유동손실 최소화를 위해 설계됐다.

신형 1.4 TDI는 90마력의 최고출력을 내고 1,500~2,500rpm 구간에서 23.4kg·m의 최대토크를 발휘한다.

2.세로배치형 뉴 2.0 TDI-양산 모델의 핵심

2.0 TDI는 A1부터 A6까지 다양한 모델에 탑재된다. 아우디의 중형 SUV인 Q5의 2.0 TDI는 세로배치형으로 설계됐고 EU6 배기가스 기준을 만족하는 인상적인 배출가스 제어 능력을 발휘한다. 150마력과 190마력의 두 가지 버전이 제공되며 최대토크는 32.6kg·m/40.8kg·m다. 150마력 버전의Q5는 0-100km/h 가속시간 10.9초, 최고속도 192km/h, 평균연비 20.4km/l, 이산화탄소 배출량 129g/km를 기록한다. 190마력 버전은 각각 8.4초, 210km/h, 17.5km/l, 149g/km로 변화한다.

2.0 TDI는 배기량이 1,968cc(보어 x 스트로크 : 81.0 x 95.5mm)이다. 2개의 밸런스 샤프트는 설치 위치가 오일 팬에서 크랭크케이스로 상향 재 배치됐고, 오일 미스트 윤활식 롤러 베어링에 장착된다. 캠샤프트의 구동 휠에도 니들 베어링이 사용된다.

캠샤프트는 별도의 베어링 프레임 속에 눌러 끼워진다. 새로운 밸브 구동 모듈은 강성이 높고 무게가 가볍다. 실린더 헤드의 밸브 스타가 90도 회전되어 있다. 두 캠샤프트 모두 실린더 당 1개씩의 흡기밸브와 배기밸브를 구동한다. 흡기 캠샤프트는 최대 50도까지 유압으로 조절 가능하다. 이 같은 가변 밸브 타이밍은 연소실 충진 효율, 소용돌이 생성, 효과적인 압축, 팽창 기간을 향상시킨다.

커먼레일 연료 분사 시스템은 최대 2,000bar의 시스템 압력을 생성한다. 솔레노이드 인젝터는 8홀 노즐을 통해 연료를 미세한 입자로 바꾼다. 인젝터의 미니 레일이 추가적인 연료 부피를 제공하여, 노즐 니들의 충격파를 최소화해 정확한 분사량을 확보한다. 예열 플러그 중 하나에 설치된 센서가 연소가 진행되는 동안에 압력 조건을 분석한다. 이 측정값은 엔진 관리 시스템에 영향을 준다.

피스톤 링에 가해지는 응력이 줄어들었기 때문에 엔진 회전이 부드럽다. 엔진을 제조할 때 실린더 라이너를 미세 가공하면서 호닝(honing) 공정을 실시하기 때문에 높은 정밀도가 보장된다. 2단 오일 펌프로 구동 에너지를 절약한다. 열관리 시스템은 엔진 난기 운전시 오일 온도를 신속하게 높이기 위해 전환식 펌프를 이용해 실린더 블록의 냉각수 루프를 정지시키는 것이 가능하다. 실린더 헤드의 마이크로 루프는 전기 펌프에 의해 순환되며, 실내 난방 시스템과 저압 배기가스 재순환 시스템 모두에 냉각수를 공급한다.

엔진에 근접한 위치에 장착된 산화 촉매 컨버터와 SCR(selective catalytic reduction, 선택적 촉매 환원) 코팅된 디젤매연 미립자 필터를 포함하는 배기가스 제어 시스템을 통해 유로6 기준을 만족한다. 비 냉각식 고압 배기가스 재순환(AGR) 시스템은 냉간 시동 이후 또는 매우 낮은 부하 조건에서 활성화되며, 실린더 헤드를 가로질러 수평으로 장착된다. 매우 컴팩트한 저압 AGR은 엔진에 직접 장착되며 냉각식이다. 이 시스템은 대부분의 운전 범위를 커버하며, 낮은 유동손실을 제공하도록 설계됐다.

터보차저의 가변 터빈 지오메트리(VTG)는 공압식으로 작동한다. 수랭식 인터쿨러는 흡기관에 통합된다. 이러한 타입의 구조는 짧은 기체 이동 경로, 높은 제어 품질, 뛰어난 효율성을 제공한다.

3.신형 3.0 TDI-라이트 사이징 엔진의 아이콘

2,967cc V6 TDI 는 기존 엔진보다 효율성이 13% 향상됐으며 유로6 배기가스 기준을 만족한다. 세 가지 버전으로 구성되며 베이스 엔진은 최고출력 272마력, 최대토크 59.1kg·m/1,250~3,250rpm을 발휘한다. 이 엔진을 탑재한 A7 스포트백은 0-100km/h 가속성능 5.7초, 최고속도인 250km/h(스피드리미터)를 발휘한다 EU 모드 평균 연비는 19.2km/리터에 달하고 이산화탄소 배출량은 136g/km에 불과하다.

울트라 모델 버전은 최고출력 218마력, 최대토크 40.8kg·m를 발휘한다. 0-100km/h 가속성능 7.3초, 최고속도 239km/h, 연비는 21.3km/리터, 이산화탄소 배출량은 122g/km에 불과하다. .

최대 180bar의 점화 압력으로 작동하는 신형 3.0 TDI의 실린터 크기는 기존 엔진과 같다. 보어×스트로크가 83.0×91.4mm이며, 배기량은 2,967cc. 실린더 뱅크는 서로 90도 각도를 이루고, 밸런스 샤프트는 실린더 크랭크케이스에서 회전한다. 실린더 크랭크케이스는 고강도 경량 버미큘러(vermicular) 흑연 주철로 제작된다. 철저한 세부 작업으로 이 부품에서 약간의 무게를 덜어냈다. 엔진 전체 무게는 192kg이다. 압축비는 16.0:1이다.

3.0 V6 TDI는 실린더 크랭크케이스와 실린더 헤드는 각자의 냉각수 회로를 가지며, 이들은 서로 밸브를 통해 연결된다. 난기 운전 단계에서는 오일 온도를 신속하게 높이기 위해 블록의 냉각수를 순환시키지 않는다. 또한 저 부하 조건에서도 에너지를 절약하기 위해 종종 냉각수를 순환시키지 않는다. 헤드 루프의 냉각수는 실내 난방 시스템 및 배기가스 재순환 시스템의 인터쿨러에 공급된다. 실린더 헤드의 냉각수 재킷은 압력 손실을 줄이기 위해 상부 및 하부 섹션으로 분할된다.

커먼레일 시스템은 압력이 최대 2,000bar까지 상승한다. 8홀 노즐이 있는 피에조 인젝터는 전환이 매우 빠르고 각 동력 행정 동안에 최대 8차례의 분사가 가능하다. 흡기관 입구에 장착된 센터 스월러 플랩은 압력 손실을 최소화하도록 돕는다. 낮은 회전수에서는 흡기 통로를 닫아 강력한 소용돌이를 일으켜 토크 생성을 촉진하는 반면, 높은 회전수에서는 흡기 통로를 열어 연소실이 충분한 양의 공기로 채워지도록 한다.

수냉식 터보차저는 터빈 측 전동 포지셔닝 메커니즘(VTG)의 공기역학과 정밀성이 향상되어 가속페달 움직임에 엔진이 더욱 신속하게 반응한다. 최대 부스트 압력은 1.6bar에서 2.0bar로 증가됐다. 배기 매니폴드도 개선됐다. 새로 개발된 오일 펌프는 넓은 특성 범위에서 부하 및 엔진 회전수에 맞춰 제어되며, 오일 쿨러는 온도에 맞춰 자동 제어되는 바이패스를 통해 루프에 통합된다.

유로6 배기가스 기준에 부합하는 배출가스 제어장치를 탑재한 덕분에 모든 버전의 3.0 TDI에는 "클린 디젤"이라는 명칭이 붙는다. 신형 엔진의 출시와 함께 이들 장치가 엔진에 최대한 근접한 위치로 옮겨졌기 때문에 제어 기능이 신속하게 활성화된다. 218마력 V6 엔진의 경우 대형 산화 촉매 컨버터가 터보차저 터빈 출구의 하류에 직렬로 설치된다. 그리고 그 바로 하류에 DPF(디젤매연 미립자 필터)가 장착된다. 이 필터의 내부 라이닝에는 SCR(선택적 촉매 환원)을 통해 배기가스 중의 질소산화물을 제거하는 코팅이 적용된다. 미터링 모듈은 차량용 요소수(AdBlue)를 주입한다.

새로운 배출가스 제어 구성요소 패키지의 도입으로 체인 구동장치에도 변화가 생겼다. 오일/진공 펌프 및 커먼레일 시스템의 고압 펌프에 각자의 구동장치가 장착된다. 니들 베어링에 장착된 중간 휠과 기어가 캠 샤프트 구동장치의 대형 체인 휠을 대체한다. 캠 샤프트는 중공형 축으로 조립되어 무게가 매우 가볍다. 이들은 매우 강인한 롤러 캠 팔로워를 통해 밸브를 구동한다. 캠 샤프트 베어링은 직경이 줄어들어 마찰이 적다.

4.4.2 TDI- 플래그십을 위한 고성능 엔진

아우디 A8에 사용하기 위해 업데이트된 4.2 TDI는 아우디 라인업에서 토크가 가장 높다. 최신 버전의 4,143cc V8 DOHC 트윈 터보 디젤로 최고출력 385마력/3,750rpm, 최대토크 86.6kg·m/2,000~2,750rpm을 발휘한다. 8단 팁트로닉 및 콰트로 구동계가 조합된다. 0-100km/h가속성능 4.7초, 최고속도인 250km/h(스피드리미터).

보어×스트로크 83.0×95.5mm. 버미큘러 주철 크랭크케이스(vermicular cast iron crankcase)는 250kg의 가벼운 엔진 중량을 실현하는데 기여한다. 4개의 체인 구동식 캠 샤프트가 롤러 캠 팔로워를 통해 총 32개의 밸브를 구동한다.

보울(bowl) 모서리가 보강된 알루미늄 피스톤은 새로운 배기밸브와 마찬가지로 온도 안정성을 더욱 향상시킨다. 커먼레일 시스템은 최대 2,000bar의 압력을 생성하고, 새로 개발된 8홀 노즐 피에조 인라인 인젝터는 디젤 연료를 연소실 내부로 분사한다.

2대의 VTG 터보차저는 주로 컴프레서 휠의 장착과 관련해 개선이 이뤄졌다. 각 터보차저는 최대 1.7bar의 부스트 압력으로 공기를 압축시키고 하류 인터쿨러를 통과시켜 한쪽 실린더 뱅크에 공급한다. 가변 터빈 지오메트리를 채택하여 거의 공회전 속도를 벗어나자마자 파워를 분출하기 시작한다.

이 디젤 엔진은 아우디 드라이브 셀렉트 시스템을 효율성 모드로 설정한 경우 800rpm의 낮은 회전수에서도 운전이 가능하다. 엔진 회전수가 낮으면 연료 소모가 크게 줄어든다. 아우디 A8 4.2 TDI 클린 디젤은 ECE 사이클을 기준으로 연비는 13.5km/리터, 이산화탄소 배출량은 194g/km.

아우디 A8의 4.2 TDI클린 디젤은 유로6 배기가스 기준 요구사항을 만족한다. 2개의 가열식 산화 촉매 컨버터가 엔진에 근접한 곳에 장착됐고, 그 뒤에 2개의 SCR 코팅된 디젤매연 미립자 필터가 위치한다. 미터링 모듈은 차량용 요소수(AdBlue)를 주입하여 질소산화물을 환원시킨다. 요소수는 2대의 탱크로부터 공급되며 총 저장 용량은 27리터다.