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아우디의 가솔린 및 디젤 엔진의 배기 후처리 장치

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2020-11-15 08:54:58

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전동화 물결에 밀려 내연기관에 대한 주목도가 낮다. 하지만 여전히 열효율을 높이기 위한 다양한 노력이 경주되고 있고 연소 과정은 물론 연소 후처리 기술 개발로 크게 발전하고 있다. 특히 올 해 메르세데스 벤츠와 폭스바겐이 질소산화물을 거의 배출하지 않는 2.0리터 디젤 엔진을 발표하면서 새로운 시각이 생기기 시작했다. 그 중에서 이번에는 아우디의 가솔린과 디젤 배기 후처리 기술에 대한 내용을 일문 일답식으로 정리해 본다.(편집자 주)

아우디는 점점 더 낮은 배출 제한을 충족하기 위해 복잡한 배기 후 처리 시스템을 사용하고 있다. 엔진 내 기술의 활용 외에도 최신 가솔린 및 디젤 엔진은 특히 강력하고 정교한 배기 가스 정화 시스템으로 인해 엄격한 기준을 충족한다. 미립자 필터는 TDI 및 TFSI 엔진 모두에서 촉매 배기 후 처리를 보완한다

현재 배기 가스 정화의 과제는 무엇인가? 

디젤 엔진에 대한 질소 산화물 배출의 예에서 설명하는 요구 수준은 배출 법규가 얼마나 엄격해 졌는지 보여준다. 2000 년 이후의 유로 3 제한은 여전히 500mg / km로 설정되었지만 2020 년부터 유로 6d에 따라 새로운 형식 승인에 허용되는 것은 80mg / km다. 20 년 동안 6분의 1 미만으로 떨어진 것이다. 유로5에서 유로6로의 전환만으로도 총 감축액의 56 %가 발생했다. 2020 년 1월 1일에 유로 6d 표준은 새로 승인된 모델에 대해 이전에 유효한 유로 6d TEMP 제한을 대체했다. 2021년 1월 1일부터 최초 승인을 원하는 모든 신차는 실제 일상에서의 배출을 목표로 하는 RDE (Real Driving Emissions: 실 주행 도로 테스트) 테스트 방법의 엄격한 요구 사항을 포함하여 새로운 표준을 준수해야 한다. 질소 산화물 (NOx)은 연소 과정에서 공기의 질소가 산소와 반응할 때 형성된다. 질소 산화물의 비율은 디젤 엔진의 경우 과잉 공기로 작동하도록 설계 되었기 때문에 특히 높다. 

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아우디는 V6 TDI 용 배기 후 처리 시스템을 어떻게 구성 했는가?

아우디는 폭스바겐 그룹 내에서 새로운 Evo 3 세대의 V6 TDI 엔진의 기본 개발을 담당하고 있다. 더 엄격한 배출 기준에 따른 요구 사항이 계속 증가함에 따라 엔지니어는 배기 가스 정화의 효율성을 개선해야 한다. 배기 후처리의 경우, 무엇보다도 더 큰 설계 부피의 촉매 변환기가 필요하다. V6 TDI의 현재 새로운 개발을 통해 모든 기술의 컴팩트한 조합을 달성했다. 두 개의 실린더 뱅크 측면 외부에 있는 두 개의 배기 가스관의 흐름은 배기 가스 터보차저가 있는 방화벽 앞의 엔진 뒤에서 수렴한다. 

배기 시스템의 바로 하류에는 NSC라고하는 산화 촉매가 있다. 이는 NOx Storage Catalyst를 의미한다. SCR 코팅된 디젤 미립자 필터 (SDPF)가 바로 이어진다. 약어 SCR은 선택적 촉매 환원을 의미한다. 두 번째 SCR 촉매는 차량 바닥 아래의 배기 시스템 하류에 있다. 

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다단계 배기 가스 정화는 TDI 엔진에서 어떻게 작동하는가? 

엔진에 가까운 산화 촉매 (NSC)는 재생 단계까지 일시적으로 질소 산화물을 저장할 수 있다. 이 촉매는 저온 시동 후와 같이 낮은 엔진 작동 온도에서도 효과적이다. 재생은 엔진 제어 장치에 의해 트리거되는 단기 혼합물 농축을 통해 발생한다. 따라서 촉매는 질소산화물을 저장한 후 중화하는 것 외에도 일시적으로 저장된 질소산화물의 산소 분자를 사용하여 미 연소 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소와 수증기로 산화시킨다. 질소 산화물을 줄이는 또 다른 단계는 애드블루(AdBlue) 첨가제 주입에 의해 시작된다. 이 요소 수용액은 온도가 다른 두 지점에서 배기 시스템에 주입되기 때문에 각 지점에서 하나의 도징 모듈을 사용하여 전체 시스템을 트윈 도징이라고 한다. 그 후, 요소 열분해의 화학적 공정이 배기 시스템에서 발생하여 애드블루 첨가제를 암모니아로 전환한다. 암모니아는 엔진에 가까운 SCR 코팅된 디젤 미립자 필터 (SDPF) 및 배기 시스템의 하류에 위치한 두 번째 SCR 촉매에서 아직 변환되지 않은 질소산화물과 반응한다. 그 결과 지구 대기의 약 4/5를 차지하는 물과 원소 질소가 형성된다. 

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트윈 도징 시스템의 이점은 무엇인가?

수성 애드블루 요소 용액의 이중 투여가 특히 효과적이다. 배기 시스템의 다양한 영역에서 다양한 조건을 활용하여 다양한 작동 조건에 맞게 조정된 전체 시스템의 효율성을 향상시킨다. 이러한 방식으로 광범위한 온도 및 작동 범위에서 질소 산화물의 90 % 이상을 변환한다. 따라서 트윈 도징은 질소산화물 배출 제한을 충족하는 데 결정적으로 기여한다. 차량이 고속도로에서 또는 트레일러 견인과 같이 장기간 고부하 조건에서 주행하는 경우 엔진에 가까운 SDPF의 배기 가스 온도가 크게 증가하여 질소 산화물 전환율이 감소한다. 이는 더 낮은 온도 수준에서 차량 바닥의 훨씬 더 하류에 위치한 두 번째 활성 SCR 촉매의 상류에 애드블루를 두 번째 주입하기 위한 단계를 제공한다. 이를 통해 전체 시스템은 광범위한 범위에서 높은 전환율을 달성 할 수 있다. 

이 V6 TDI 엔진은 언제 출시되며 어떤 모델 범위에서 사용되는가?

V6 TDI의 트윈 도징 기술은 Evo 3 세대부터 사용된다. 3 가지 성능 등급의 배기량 3 리터의 디젤 엔진에서 사용할 수 있으며 이 엔진을 특징으로 하는 모든 모델에 2021년부터 채용될 예정이다. 아우디는 스파크 점화 (SI) 엔진에서도 정교한 배출감소 기술을 강조한다. 

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가솔린 장치의 오염 물질 수준을 어떻게 줄이는가?

TDI와 마찬가지로 배기가스 정화는 TFSI 장치, 즉 직분사 터보차저 가솔린 엔진을 위한 다양한 내부 엔진 기술로 시작된다. 다양한 엔진에서 밀러 연소 프로세스라고도 알려진 B 사이클을 사용한다. 특히 편안한 주행 스타일에서 연비 성능을 높여 준다. 저 부하 및 낮은 엔진 속도에서 2 단계 아우디 밸브 리프트 시스템 (AVS)은 흡기 밸브를 더 일찍 닫는다. 이는 특히 주로 발생하는 부분 부하 작동 범위에서 낮은 스로틀 손실 및 긴 확장 단계와 결합하여 압축 단계를 단축시켜 배출 및 연비 이점을 제공한다. 주문형 실린더 시스템은 소비를 줄이는 또 다른 엔진 내 방법이다. 부하가 적은 작동 조건에서 개별 실린더를 비활성화한다. 대체 방법은 간접 주입이다. FSI 가솔린 직접 분사를 보완하고 연료 소비를 줄이며 엔진 출력을 증가시킨다. 배기 시스템에서 가솔린 미립자 필터 (GPF)를 사용하는 것은 모든 시스템에 공통적이다.

SI 엔진에 가솔린 미립자 필터(GPF)가 필요한 이유는 무엇인가? 

대부분의 아우디 가솔린 구동 모델은 효율적인 TFSI 기술, 즉 가솔린 직접 분사 엔진을 사용한다. 터보차징은 대부분의 모델에서 추가로 사용된다. 목표는 열악한 작동 범위에서도 배기 가스를 효과적으로 정화하는 것이다. GPF는 특히 가솔린 엔진을 냉간 시동 할 때 발생하는 탄소 미립자 배출을 90 %까지 감소시킨다. 2018 년부터 유로 6d TEMP 배출 표준에 따라 승인 된 아우디의 모든 모델에는 가솔린 미립자 필터가 장착되어 있다. 단 예외가 있다. A4 Avant g-트론/A5 스포츠백 g-트론 및 A3 스포츠백 30 g-트론의 1.5 TFSI 장치가 그것이다. 이러한 엔진에는 CNG (압축천연가스)라고도 하는 메탄이 미립자 배출없이 연소되기 때문에 이러한 필터가 필요하지 않다. 

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가솔린 미립자 필터는 어떻게 작동하는가? 

배기가스는 촉매 변환기 뒤의 미세 구멍이 있는 세라믹 본체를 통해 흐른다. 이 가솔린 미립자 필터의 작동 원리는 디젤 엔진의 배기 가스 정화 기술과 유사하다. 배기가스는 다공성 세라믹 셀 벽을 통해 흐른다. 다공성 세라믹 셀 벽은 각각 흡기 및 배기 측으로 작은 폐쇄 채널을 형성한다. 입자상 물질은 거친 세라믹 표면에 달라 붙는다. 가솔린 장치는 모든 작동 조건에서 입자상 물질을 생성하지 않기 때문에 개별 주행 스타일에 따라 디젤 엔진보다 간단한 프로세스에서 필터 재생이 발생한다. 마찬가지로, 설계 원리로 인해 스파크 점화 엔진의 배기 가스 온도는 압축 점화 엔진의 온도보다 높다. 엔진 제어 장치를 통한 제어 가능한 산소 공급과 배기 시스템의 추가 단기 온도 상승으로 인해 디젤 장치보다 분명히 적은 전하량은 산화 후 중화에 쉽게 적합하다. 

경쟁 제품과 비교할 때 아우디의 시스템이 다른 점은 무엇인가? 

아우디는 특히 방대한 가솔린 미립자 필터를 사용한다. EA888 2 리터 4 기통 엔진의 경우 부피는 3.2 리터다. 배압 최적화를 특징으로 하는 설계는 유리한 출력 및 토크 곡선을 가능하게 한다. GPF 작동은 보드 전체의 모든 모델에서 센서 모니터링된다. 이 모니터링 프로세스 덕분에 재생 빈도와 지속 시간은 필터의 상태에 맞춰져 있으며, 이는 모든 고객의 실제 개인 일상 주행 프로필에서 비롯된다. 이는 배출물과 환경적 부담을 줄이고 필터의 수명을 늘린다.​
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