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 세 번째로 울트라 모델과 전기 바이터보/e-디젤/레이싱 엔진 등에 대해 살펴보자.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

효율성을 높이면서 성능도 증대시키는 것이 오늘날 내연기관 개발자들의 숙제다. 아무리 환경성능을 중시하는 시대라 해도 성능이 떨어지면 소비자들은 고개를 돌린다. 아우디가 그런 시대적인 과제를 위해 제시하고 있는 것이 울트라 모델 라인업이다. 아우디가 말하는 울트라 모델은 가장 연료 효율적인 모델에만 부여된다. 현재 디젤 16개, 가솔린 7개 등 23개 모델이 라인업되어 있으며 앞으로도 확대해 간다는 방침이다.

TDI의 전동화 기술인 전기 바이터보(electric biturbo)라는 새로운 하이브리드 구성요소도 곧 시장 출시를 앞두고 있다. 플러그인 하이브리드 기술이 접목된 TDI를 비롯하여 모든 고객과 요구사항을 위한 맞춤형 솔루션이 제공될 예정이다. 연료 사용 시 이산화탄소 중립 운행이 가능하도록 지속 가능한 방식으로 생산된 아우디 e-디젤 생산에도 주력하고 있다.

레이싱은 아우디 DNA의 일부분이다. 레이스트랙은 양산차에 적용될 신규 개발 부품을 시험할 수 있는 가장 혹독한 무대다. 2006년 TDI 엔진은 르망 24시간 레이스에 처음 데뷔했다. 아우디는 이때부터 9차례 경주에 참가해 여덟 차례 종합 우승을 차지했다. 경주차와 양산차에 적용되는 요구사항은 원칙적으로 동일하다.

그 목적은 언제나 연료 한 방울까지 아껴가며 최대한 많은 것을 얻어내는 것이다. 아우디의 TDI 기술이 지닌 잠재력은 레이스의 성공을 통해 확실히 입증됐다. 아우디는 최근 세계에서 가장 유명한 내구 레이스인 르망24시간에서 1위와 2위를 모두 차지하는 원투 피시니(1-2 finish) 를 일궈내기도 했다.

1.아우디 울트라 모델- 고성능과 고효율의 양립

"아우디 울트라"라는 명칭은 각 모델 시리즈에서 가장 연료 효율적인 모델에만 주어진다. A3, A4, A5, A6, A7 모델 시리즈에 걸쳐 총 23대의 울트라 모델을 보유하고 있다. 이 가운데 16대에 TDI 엔진이 올라간다. 아우디 울트라 모델은 평균연비가 유럽 복합 모드 기준 20.4-31.3km/l, 이산화탄소 배출량이 85-122g/km 범위이다.

아우디 A3 울트라는 전체 아우디 라인업에서 가장 효율적인 모델로 최고출력 110마력, 최대토크 25.5kg·m를 발휘한다. 31.3km/l의 연비와 85g/km의 이산화탄소 배출량을 자랑한다. 5도어 아우디 A3 스포트백 울트라와 A3 세단 울트라는 30.3km/l의 연비와 88g/km의 이산화탄소 배출량, 아우디 A3 컨버터블 울트라는 20.4km/l의 연비와 114g/km의 이산화탄소 배출량을 기록한다.

뉴 A4 및 A5 울트라 모델에는 개량된 2.0 TDI가 탑재된다. 이 엔진은 최고출력 136마력~163마력과 최대토크 32.6kg·m~40.8kg·m 버전이 있다. 136마력 A4 세단은 연비와 이산화탄소 배출량이 각각 25.0km/l와 104g/km이고, 136마력 A4 아반트와 A5 스포트백은 각각 23.8km/l와 109g/km다. A4 세단과 A5 쿠페에는 163마력 엔진이 탑재된다. 163마력 A5 스포트백은 각각 23.3km/l와 111g/km이고, 163마력 A4 아반트는 각각 22.7km/l와 114g/km다.

A6 울트라 모델들은 190마력과 40.8kg·m버전이 탑재된다. 세부 모델의 연비와 이산화탄소 배출량을 살펴보면, S트로닉이 장착된 A6 세단은 22.7km/l와 114g/km, 수동변속기가 장착된 A6 세단은 22.2km/l와 117g/km, S트로닉 또는 수동변속기가 장착된 A6 아반트는 21.7km/l와 119g/km를 기록한다.

아우디 울트라 모델에 기본 제공되는 수동 변속기는 고단 기어들의 기어비가 다소 높게 설정되어 있다. A6 모델에 옵션으로 제공되는 S트로닉은 완전히 새로 설계된 변속기다. 효율성 프로그램이 내장된 운전자 정보 시스템과 스타트-스톱 시스템도 효율성에 기여한다. A3 및 A4 패밀리 모델은 공기역학적 개선과 낮은 차체 높이로 마무리된다. 모든 울트라 모델은 후면부에 적절한 레터링이 부착되어 시각적으로 구별이 가능하다.

2.전기 바이터보-내연기관의 또 다른 전동화 기술-

TDI 엔진은 배기 에너지에 의존하는 터보차저에 의해 축적된 과급 압력으로부터 동력을 얻는다. 전기 바이터보는 이 의존성을 끊는 기술이다. 보조 전기 컴프레서는 낮은 엔진 속도에서도 빠르게 증강되는 과급 압력 및 높은 토크를 가능하게 한다. 효율성을 높이면서 성능도 잡기 위한 것이다.

전형적인 배기가스 터보차저에 추가해, 전기 바이터보에는 직렬로 배치된 2차 차저가 있다. 터빈 휠을 대신하여, 7kW의 최대 구동력을 사용해 컴프레서 휠을 250밀리/초 내에 최대 속도로 가속하는 소형 전기 모터가 있다.

전기 컴프레서는 인터쿨러의 후속이다. 매우 낮은 엔진 속도와 이에 상응해서 터보차저의 배기가스 에너지가 낮으면, 바이패스 밸브는 닫히고, 공기는 전기 컴프레서로 라우팅된다. 이것은 유연하고 컴팩트하며 다양한 강제 유도 콘셉트로 통합될 수 있다.

아우디는 전기 바이터보와 관련한 2개의 기술 연구를 구축했다. 아우디 A6 TDI 콘셉트 카는 신형 3.0 TDI 모노터보로 구성되고, 아우디 RS 5 TDI 콘셉트 카는 3.0 TDI 바이터보로 구성된다. 모노터보는 추가 운동량이 없는 정상 상태에서 최고출력 326마력, 최대토크 66.3kg·m/1,500~ 3,500rpm 를 발휘한다. 전기 컴프레서는 이 범위 이하의 토크 곡선에서의 간격을 메우고, 빠른 반응 및 탄력성을 제공한다. 6단 기어에서 60에서 120km/h까지 가속시간이 13.7초에서 8.3초로 줄었다.

아우디 RS 5 TDI 콘셉트 카의 개량형 V6 바이터보는 최고출력 385마력, 최대토크 76.5kg·m/1,250에서 2,000rpm를 발휘한다. 전기 컴프레서는 기동시에 엄청난 파워를 제공한다. 운전자가 액셀러레이터를 밟으면, 약 4초 만에 100km/h에 도달한다. 과급 압력은 두 터보차저 간의 지능적인 상호작용 덕분에 기어 변경 즉시 사용할 수 있다.

하지만, 두 기술 연구의 가장 인상적인 특징은 낮은 엔진 속도에서도 빠르고 아주 매끄러운 동력의 전개이다. 전기 바이터보의 강점은 일상 주행에서 체감할 수 있다고. 낮은 엔진 속도를 유지하면서 지속적으로 저속 기어로 바꿀 필요가 없다. 스포티한 주행을 원하는 운전자들은 커브를 통과하는 힘과 즉각적인 동력 전달을 높게 평가한다. 원칙적으로 전기 바이터보는 가솔린 엔진 뿐만 아니라 곧 TDI 부문에서도 양산에 들어갈 것이다.

에너지 소비와 관련해 최종 효과는 본질적으로 중립이 되도록 전기 컴프레서를 구동하는 데 필요한 에너지는 크게 타력주행(coasting) 단계에서의 회복에 의해 발생된다. 트렁크에 있는 자체의 컴팩트한 리튬 이온 배터리 및 파워 일렉트로닉스가 갖춰진 별도의 48볼트 전기 시스템을 통해 전력이 공급된다. DC/DC 컨버터는 12볼트 전기 시스템에 접속을 제공한다.

신형 48볼트 서브시스템은 중요한 이점을 제공한다. 그것은 미래의 고성능 전기 소비기기, 즉 열전기 가열장치, 전기-기계식 리어 브레이크 또는 오일 펌프 및 워터 펌프와 같은 엔진 보조장치에 12볼트 전기 시스템보다 더 많은 에너지를 공급할 수 있다. 더 높은 전압이란 더 낮은 전류를 의미하고, 더 작은 케이블 단면적을 허용해 중량 감소의 효과가 있다. 아우디는 48볼트 전기 서브시스템을 여러 모델 시리즈에 곧 도입할 예정이다.

이와 병행하여, 아우디 엔지니어들은 또한 구동계를 전기로 움직이게 하기 위해 노력하고 있다. 이는 각 고객을 위한 맞춤형 솔루션이 될 것이다. 하이브리드 플랫폼은 전기 바이터보에서 플러그인 TDI 기술까지 수많은 솔루션을 제공한다. 전기 모터와의 조합으로 새로운 가능성을 연다. 연료 소비와 배출 행위 모두의 이익에 대한 하중점의 목표이동이 가능하다. 도시 교통에서 전기 모터는 배출가스가 전혀 없는 동력을 제공한다.

또 다른 흥미로운 전기로 움직이는 옵션은 전기 콰트로 구동인 e-콰트로다. 이미 많은 컨셉트카를 통해 선 보인 기술로 제2의 전기 모터가 뒷바퀴를 구동하는 반면, TDI 및 전기 모터는 앞바퀴를 구동한다. 배터리는 부분적으로 플로어 터널에 설치될 수 있다.

3.아우디 e-디젤-전기차 수준의 탄소 발자국

아우디는 미국의 줄(Joule) 사와 협력해서 미래의 디젤 연료에 대해 새로운 접근 방식을 취하고 있다. 이 생명공학 회사는 2007년에 매사추세츠 주의 베드포드(Bedford)에서 설립됐다. 특수 미생물의 도움으로 합성 연료인 아우디 e-디젤과 아우디 e-에탄올(e-ethanol)을 생산하고 있다. 이것들은 생산시에 공기 중에서 포집한 만큼의 CO2를 연소시에 다시 내놓기 때문에 기후변화에 대해 거의 중립적이다. 현재 예측으로는, 아우디 e-디젤로 작동하는 자동차는 재생 가능 자원을 사용하는 배터리-전기 자동차와 비슷한 수준의 탄소 발자국(carbon footprint)을 달성할 것이라고 한다.

아우디 e-디젤 및 아우디 e-에탄올을 제조하기 위해서는 물, CO2, 태양 에너지 및 대략 삼천분의 일 밀리미터 크기의 단세포 생물인 특수 미생물이 필요하다. 식물과 마찬가지로 이러한 생물은 탄수화물을 생성하고 성장하기 위해 햇빛과 폐기 가스로부터의 CO2 등을 활용하는 산소성 광합성으로 작동된다. 깨끗한 식수 환경이 필요하지 않으며, 바닷물 또는 폐수이면 충분하다. 산소성 광합성의 부산물 중의 하나는 산소이다.

줄(Joule)사의 전문가들은 이 광합성 절차를 이러한 미생물들이 디젤 연료의 중요한 구성요소인 알칸과 에탄올을 이산화탄소로부터 직접 생산하도록 조작했다. 이 연료는 물로부터 분리, 정제된다.

아우디 e-디젤은 황 및 방향족 화합물로부터 자유로운 고순도의 이점이 있다. 이것은 탄화수소 화합물의 다양한 혼합물인 석유 유도된 디젤에 완전히 대조적이다. 이 새로운 연료는 높은 세탄가 덕분에 탁월한 점화 성능을 제공한다. 그리고 화석 연료 디젤과의 무제한 혼합이 가능한 화학적 조성을 가지고 있다. 아우디의 청정 디젤 엔진에 아우디 e-디젤을 사용하기 위해 중대한 수정을 할 필요는 없다.

2012년 미국 뉴 멕시코 주 홉스의 햇빛이 많은 불모의 비 경작 지역에 아우디와 줄(Joule) 사는 공동으로 시범 시설을 구축했다. 두 회사는 2011년부터 협력하고 있다. 이 미국 회사는 자사의 특허 기술이 있으며, 아우디는 줄(Joule) 사의 독점적인 자동차 파트너이다. 아우디 엔진니어들은 연료와 엔진 테스팅 영역과 앞으로 몇 년 내에 생산이 시작되는 시장성 있는 연료를 개발하기 위한 전 과정 평가(LCAs) 준비에 전문지식을 쏟아 붓고 있다.

CO2 중립적인 연료의 개발에서 아우디의 활동은 줄(Joule) 사와의 제휴에 그치지 않는다. 독일 로베르 작소니(Lower Saxony)의 베르테(Werlte)에 있는 아우디 e-가스 생산 공장은 전력을 가스로 변환하는 세계 최초의 산업 공장이다. 이 공장에서는 대량의 풍력 및 태양 에너지를 저장해서 합성 메탄을 생산한다. 녹색 전기인 것뿐만 아니라 공정에는 물과 CO2외에 아무 것도 필요하지 않다. 아우디는 또한 프랑스의 Global Bioenergies와 함께 아우디 e-가솔린 합성에 대한 공동 연구를 수행하고 있다.

4.레이싱 엔진-모터스포츠의 기술을 양산차에

많은 자동차회사들은 자동차 경주를 양산차의 시험 무대로 활용하고 있다. 아우디는 그 중에서도 가장 가혹한 르망 24시간 내구 레이스에 비중을 두고 있다. 2006년 아우디는 처음으로 TDI 엔진을 얹고 이 경주에 출전했다. 아우디는 15차례의 경주에서 열 세 차례 종합 우승을 차지했다. 그 중 여덟 번은 TDI 엔진으로 거머쥐었다. 2014년 6월 15일에 이룩한 원 투 피니시(1위와 2위를 모두 차지)도 여기에 포함된다. 르망 경주 및 FIA 세계 내구레이스 챔피언십(WEC)에 출전하는 스포츠 프로토타입에도 양산 모델과 동일한 요구사항이 적용된다. 이들은 언제나 연료 한 방울까지 아껴가며 최대한 많은 것을 얻어내야 하며, 효율성을 높이는 동시에 연료 소모를 지속적으로 줄여야 한다.

수년에 걸쳐 르망 규칙이 개정되면서 갈수록 많은 제한 요건이 TDI 엔진에 적용됐다. 예를 들어, 2006년 이후 에어 리스트릭터 직경이 34%, 배기량이 거의 33% 감소됐다. 결과적으로 출력도 약 25% 줄어, 2006년에는 650마력이었으나 2013년에는 490마력으로 낮아졌다.

동시에 아우디는 엔진을 다운사이징하고 배기량 대비 출력을 높이는 데 매진했다. 이에 따라 리터 당 출력이 2006년 118마력/리터에서 2011년 146마력/리터로 거의 24% 증가했다. 이 기간 동안 '피스톤 영역 출력(각각의 실린더에 의해 전달되는 출력)'은 54마력에서 90마력으로 65% 증가했다. 아우디는 르망 레이스에서 주행 속도를 더욱 높이는 한편 연료 소모는 크게 줄였다.