고성능, 고효율 아우디 TDI 엔진 어떻게 발전해 왔나?

아우디의 터보 직분사 디젤 엔진인 TDI가 탄생 25 주년을 맞았다. 그래서 전 세계 자동차 전문기자들을 대상으로 해마다 진행하는 ‘아우디 테크 데이’가 올해는 ‘TDI 테크 워크샾’으로 덴마크 코펜하겐에서 진행됐다. 아우디의 의지를 담아 진행된 이번 TDI 테크 워크샾에서는 지난 25년 간의 TDI 개술 발전을 살펴보고, 최근 선보인 다양한 신기술과 그 성과를 설명하며, 향후 전개될 아우디 TDI의 미래를 전망했다.

언제나 새로운 미래를 설계하기 위해서는 과거를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 지난 25년 동안 아우디는 지속적으로 TDI 엔진 관련 기술 분야에서 선도적 역할을 해왔으며, 수많은 기술 이정표를 세웠다. 그 역사적인 이정표들을 정리했다.

1970년대: 석유 파동의 영향으로 TDI 엔진 개발 시작

아우디는 1970년 중반에 TDI의 개발을 시작했다. 석유 파동은 연료 절약형 신형 엔진 제작의 계기가 되었다. 예비 개발 기간 동안, 10명의 아우디 엔지니어들로 구성된 개발팀은 멀티젯 프로세스(multi-jet process)를 결정했다. 시스템 공급업체인 보쉬는 최대 900bar의 압력을 증강하는 전자제어식 축 피스톤 분사 펌프를 개발했다. 2개의 스프링 홀더는 두 단계에 걸쳐서 서로 다른 양의 리프트로 노즐 니들을 열었다. 적은 양의 연료를 예비 분사하게 해서 연소를 더 부드럽고 음향을 더 쾌적하게 만들었다.

1989년: 2.5 TDI 첫 선

아우디는 아우디 100 (Audi 100)에 장착된 2.5 TDI를 프랑크푸르트 암 마인(Frankfurt am Main)에서 열린 1989국제오토쇼(IAA)에서 처음 발표했다. 이 첫 번째 TDI 모델은 2,461cc의 직렬 5기통 엔진이었으며, 완전 전자제어식 직분사 터보 디젤이었다. 당시 이 엔진이 디젤 엔진의 약진을 일으켜 유럽에서의 차량 생산 증가를 가져오고, 새로운 시대를 열 것이라는 것을 아무도 의심하지 않았다.

최고출력 120마력 및 2,250rpm에서 최대토크 27kg•m의 성능으로 경쟁 환경에서 완전히 새로운 표준을 제시했다. 아우디 100 2.5 TDI의 최고속도는 거의 200km/h에 육박하면서도, 당시 기준으로 연비는 17.5km/l에 달했다. 1994년부터, 신형 레이디얼 피스톤 펌프와 옥시 캣(oxi-cat) 및 배기가스 재순환계를 구비한 5기통 엔진의 아우디 A6는 최고출력이 140마력에 달했으며, 최고출력 115마력 버전도 선택 가능했다.

1991년: 1.9 TDI와 VTG 터보차저

아우디의 TDI 엔진은 이어 중간 사이즈 급에서의 성공을 위한 도전에 나섰다. 1991년 4기통 1.9 TDI를 장착한 아우디 80은 최고출력 90마력 및 최대토크 18.6kg•m의 성능을 발휘했으며, 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

아우디는 1997년에 다시 새로운 혁신을 일으켰다. 자동차 디젤 엔진에서 실린더 헤드 당 4개의 밸브가 설치된 V6 TDI가 그것이다. 2.5리터 엔진으로 최고출력 150마력 및 최대토크 31.6kg•m을 만들어냈다. 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 사용되었으며, 마지막 세대의 모델은 최고출력이 180마력에 이르렀다.

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 신개념 커먼레일 시스템은 1,350bar의 압력으로 연료를 분사했다. 최고출력 225마력 및 최대토크 49kg•m의 V8 TDI는 듬직하고 세련된 엔진이었다. 최고속도 역시 새로운 수준인 242km/h로 끌어올렸다.

2001년: 1.2 TDI

2001년 아우디는 오랫동안 남을 역작을 남겼다. 아우디 A2 1.2 TDI는 평균 연비 33.4km/l, 이산화탄소 배출량 81g/km를 달성했다. 콤팩트 5도어와 엄격한 공기 역학적 형태로 제작된 알루미늄 바디는 배기량 1.2리터3기통 엔진과 만나 최고출력 61마력 및 최대토크 14.3kg•m을 만들어냈다. 엔진은 실린더 당 2개의 밸브, VTG 터보차저와 연료 분사 압력 2,050bar의 펌프-인젝터를 비롯해, 아우디가 전년도에 도입한 폭스바겐 그룹의 기술을 구비했다. 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 멤버이며, 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 디젤 미립자 필터가 배기가스를 정화했다.

피에조 직렬 인젝터도 처음으로 도입됐다. 이러한 인젝터들은 아주 적은 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. 아우디는 2009년에 제2세대를 소개했다.

2008년: V12 TDI

2008년 후반 Q7에 적용된 이 12기통 엔진은 세계에서 가장 강력한 자동차용 디젤 엔진이라는 영예를 아우디 TDI 기술에 안겨주었다. 2,000bar의 커먼레일 시스템과 2개의 VTG 터보차저가 장착되었으며, 60도의 실린더 뱅크각은 탁월한 질량 균형 및 굉장히 부드러운 주행을 제공했다.

배기량 6.0리터의 V12 TDI는 최고출력 500마력 및 1,750rpm과 3,250rpm 사이에서 최대토크 102kg•m을 만들어냈다. 이 엔진을 장착한 대형 SUV Q7은 스포츠카와 같은 가속 성능으로 정지상태에서 100km/h까지 5.5초 만에 도달했으며, 제한 최고속도는 250km/h 에 달했다.

2009년: 3.0 TDI 클린 디젤

아우디는 특히 미국 시장에서 점점 더 엄격한 배기가스 배출 기준을 요하는 것에 대응해 2009년 클린 디젤 기술을 소개했다. 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.