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폭스바겐 디젤, 토요타 가솔린 엔진의 진화

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2018-03-29 16:43:59

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한 차례 폭풍이 지나갔다. 그냥 지나간 것이 아니라 폭스바겐 디젤 스캔들은 자동차 파워트레인의 흐름을 크게 바꾸게 했다. 각 나라마다 앞 다투어 내연기관 퇴출 시기를 정하고 배기가스 규제를 강화하고 있다. 동시에 전동화를 위한 다양한 시나리오가 등장하고 있다. 하지만 그 못지 않게 내연기관에 대한 새로운 접근도 이루어지고 있다. 메르세데스 벤츠의 직렬 6기통 엔진을 비롯해 닛산의 가변 압축비 엔진, 마쓰다의 HCCI(균질예혼합압축착화)엔진 등이 그것이다. 이번에는 디젤 스캔들의 당사자인 폭스바겐의 디젤 엔진에 대한 대책과 토요타의 롱 스트로크 터보 가솔린 엔진에 대해 살펴 본다.

 

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)


폭스바겐그룹은 2025년까지 전체 판매대수의 25% 인 300만대의 배터리 전기차 판매를 목표로 설정하고 있고 토요타는 2030년까지 전동화차 550만대를 목표로 내 세우고 있다. 그런 상황에서 최근 폭스바겐의 CEO 마티아스 뮐러가 ‘디젤 엔진은 반드시 부활한다.’는 발언을 한 것으로 알려졌다. 그의 발언에 관심을 보이는 미디어는 많지 않았다. 그는 왜 그런 발언을 했을까.

 

디젤 스캔들의 당사자인 폭스바겐의 최고 경영자가 그저 세간의 이목을 끌기 위해서 한 말은 아닐 것이다. 이야기는 복잡해지지만 에너지 구성과 발전 구성의 근본적인 전환이 없이 배터리 전기차는 의미가 없다. 예를 들어 에너지원에서부터 자동차를 구동하는 과정까지, 그러니까 Well to Tire 관점에서 가솔린차는 147g/km, 디젤차는 127g/km를 배출하는데 석탄화력으로 생산된 전력을 사용하는 배터리 전기차는 140g/km, 석유화력발전의 경우는 110g/km를 배출한다는 데이터가 있다. 반면 재생 에너지를 사용하는 배터리 전기차는 1g/km라고 한다. 이 역시 신빙성에 문제가 있지만 큰 틀에서 화석연료가 문제라는 점에서는 동의할 수 있다.

 

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2014년 기준 전 세계 에너지 소비구조는 석유 33%, 가스 24%, 석탄 30% 등이다. 중국의 경우는 석탄이 72%에 달하고 석유 19%, 가스 6%에 달한다. 전 세계 전력 생산 에너지의 비율로 보면 석탄이 40%, 천연가스 20%, 수력 16%, 핵발전 15%, 석유 6%로 모두가 공해를 유발하는 에너지다. 발전 구성을 봐도 희망하는 것과는 거리가 있다. 나라별로 일본이 27%, 미국 49%, 중국 79%, 인도 69%, 독일이 45%의 전기를 석탄으로 생산하고 있다. 우리나라도 40%의 전기를 석탄으로 생산하고 있다. 그를 위해 우리나라는 석탄 수입 세계 4위에 올라있다.

 

이 구조가 바뀌는 것이 그렇게 쉽지 않다. 미국이 수많은 총기 사고에도 불구하고 규제는 더 완화되고 있는 것에 비유해도 좋을 정도로 어려운 과제다. 정치인들이 내연기관 퇴출을 외치고 있지만 그들의 임기는 한정되어 있다. 오바마와 트럼프의 차이에서도 확인되고 있다. 특히 화석연료 생산 및 유통 대국인 미국의 자금력과 그것을 바탕으로 세계 질서를 좌우하는 현 상황에서는 말처럼 쉽게 바뀌지 않을 것이란 것이 전문가들의 대체적인 의견이다.

 

기술적인 문제도 있다. 지금의 리튬 이온 배터리로 항속거리를 늘리는 데는 한계가 있다. 금속 배터리에 관한 이야기가 나오고 있지만 2030년경 실용화를 예고하고 있다. 그런 상황을 잘 알고 있는 자동차회사들은 전동화를 통해 규제를 해결하고자 하고 있다. 전동화는 내연기관 엔진을 바탕으로 전기모터를 추가해 하이브리드나 플러그인 하이브리드 형태로 구동하는 것을 말한다. 거기에 수소연료전지 전기차도 포함된다. 최근에는 12V 배터리를 48V로 대체하는 마일드 하이브리드도 크게 부상하고 있다. 

 

그 전동화를 위해 자동차회사들은 앞서 언급한 데로 내연기관 기술 개발에 여전히 많은 공을 들이고 있다.

 

 

배기 후처리 시스템의 개량으로 유해가스 줄인 폭스바겐

우선 폭스바겐은 디젤 스캔들 이후 배출가스 저감을 위한 기술 개발에 많은 투자를 했다. 디젤차는 출력면에서는 가솔린과 크게 차이가 없지만 토크는 가솔린보다 20~30% 높다. 연비성능 또한 20% 가량 높다.

 

문제는 입자상 물질(PM)과 질소산화물(Nox)이다. 이들의 배출을 줄이기 위한 것이 연소 후처리 시스템인 DPF와 SCR이다. 구체적으로는 요소수, 즉 애드블루(Adblue)의 분사 모듈과 산화촉매, 그리고 선택환원촉매(SCR)를 코팅한 DPF로 이루어져 있다. 폭스바겐 스캔들이 발발한 2년 후인 2017년 독일 자동차연맹(ADAC)의 측정에서 폭스바겐의 질소산화물 배출량은 146g/km로 조사 대상 업체 중 두 번째로 적었다.

 

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폭스바겐은 선택환원촉매 기술의 개량 등에 의해 배출가스를 줄였다. 기술적으로는 우선 SCR 시스템의 상류에 질소산화물 흡장촉매(NSC)를 도입하는 것이다. 다시 말해 산화촉매에 질소산화물 흡장촉매를 추가하는 것이다. 이로 인해 배기온도 220℃ 이하의 낮은 온도에서 SCR 시스템의 질소산화물 변환율을 높일 수 있다고 한다. 또 하나 플로어의 SCR 시스템의 상류에 또 하나의 요소수 분사 모듈을 설치해 장시간 운전으로 배기온도가 높아져 엔진으로부터 고동도의 질소산화물이 배출될 경우에 대처한다.

 

그 기술을 채용한 파사트가 최근 일본과 한국시장에 출시됐다. 한국시장에는 디젤 버전만 출시했지만 해외시장에서는 디젤 버전이 더 비싸다. 후처리 시스템의 비용 때문이다. 하지만 폭스바겐측은 약 5,000~1,5000km 주행하면 그 비용을 회수할 수 있다고 주장하고 있다.

 

 

롱 스트로크화로 효율을 높인 토요타의 3.5리터 V6

토요타는 새로 개발한 3.5리터 V6 직접 분사 트윈 터보 가솔린 엔진을 롱스트로크화(보어 85.5mm, 스트로크 100.0mm)해 토크도 높이고 연비성능도 향상시켰다. 터보차저는 좌우 3기통에 각각 하나씩 배치했다. 최대 과급압은 200kPa 이상이다. 보어에 비해 스트로크를 길게 하면 회전속도가 낮아져 저중속 토크성능은 좋지만 고속역에서는 불리하다. 때문에 고 배기량으로 성능을 추구하는 엔진들은 대부분 숏 스트로크 타입으로 하는 것이 정설이다. 토요타는 연소 속도를 빨리 하고 피스톤과 커넥팅 로드 등을 가볍게 해 엔진 회전속도 저하를 억제했다고 설명한다.

 

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2리터급 하이브리드용 앳킨슨 사이클 엔진의 41%보다는 낮지만 동급 엔진 중에서는 높은 수준에 속한다고 한다. 현행 렉서스 LS에 탑재된 이 엔진은 최고 열효율이 37%라고 발표하고 있다. 열효율에 대해 공식적인 데이터를 제시하는 업체가 많지 않아 업체간의 비교는 어렵다.

 

토요타 내부에서 코드네임 V35A-FTS라고 칭하는 이 엔진은 압축비 10.4 : 1로 최고출력 422ps(310kW)/6,000rpm, 최대토크 61.2kgm(600Nm)/1,600~4,800rpm을 발휘한다. 차체 중량이 선대 모델보다 200kg 정도 무거워졌지만 일본 JC08모드 연비는 8.4km/리터에서 10.2km/리터로 향상됐다. 그 배경은 토요타의 새로운 설계 컨셉인 TNGA커먼 아키텍처에 있다.

 

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토요타의 TNGA 토요타 방식의 모듈러 플랫폼 개념으로 차체에 우선 적용됐으며 2016년부터 파워트레인에도 같은 컨셉을 도입하고 있다. 비용절감과 다양화라는 명제를 실현하고 있는 흐름의 반영이다. 프리우스의 1.8리터 엔진을 시작으로 캠리의 2.5리터 엔진, 그리고 렉서스 LS부터 탑재된 3.5리터 엔진 등이 이를 기반으로 하고 있다.

 

폭스바겐과 토요타 모두 전동화 전략을 가장 적극적으로 표방하고 있다. 그를 위해서는 내연기관의 개량이 뒷받침되어야 한다는 것을 알 수 있게 하는 내용이다. 

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