자료 - 최강의 디젤 엔진, 폭스바겐 TDI

스페셜 리포트입니다. 콜록.

자료제공:폭스바겐 코리아

폭스바겐 디젤 엔진의 시작
1976년을 시작으로 올해 29주년을 맞이하는 폭스바겐의 독자적인 기술 ‘TDI’. 폭스바겐은 디젤 엔진에 있어서 선구자적인 역할을 해온 브랜드이다. 1970년대 초반의 석유 파동으로 모든 자동차 브랜드들이 다른 대체 에너지를 찾기 위해 고군분투할 때 폭스바겐은 1.5리터 골프 디젤 모델을 선보였다. 1976년에 선보인 1.5리터 골프 디젤 모델은 당시로서는 파격적이었던 5000rpm까지 회전할 수 있었던 첨단 디젤 엔진이었으며, 현대적 개념의 승용 디젤 엔진의 효시라 할 수 있는 모델이다. 정지상태에서 100km/h에 이르는 가속 성능이 18초, 최고 속도가 140km에 달하였다. 그러나, 폭스바겐 개발자들은 이에 만족하지 않았다. 보다 강한 파워를 가진 엔진이 필요하다고 생각되어, 1982년에는 터보챠저가 장착된 1.6리터 터보 디젤(TD) 엔진을 선보이게 된다. 1989년, 골프에 장착된 TD 엔진은 산화 촉매 장치를 기본 장착하여, 저공해 엔진으로서 독일 정부에서 인증서를 수여받기도 하였다.

그리고 드디어 1990년, 폭스바겐은 연소실로 연료를 직접 분사하여 고효율을 추구하는 직분사 방식과 엔진의 열효율을 향상시키는 터보챠저가 결합된 터보 직분사 디젤엔진, 즉 TDI를 개발하기에 이르게 된다. 이로써 경제적이면서도 강한 파워를 자랑하는 신세대 디젤 엔진의 새 역사가 시작된다. TDI 개념이 시장에 첫 선을 보인 것은 1991년에 선보인 4기통 디젤 엔진이었다. 그 당시 디젤 엔진의 가장 큰 골칫거리였던 소음과 입자성 매연은 폭스바겐의 TDI와 함께 혁신적으로 감소되었다. 폭스바겐의 TDI 엔진은 낮은 소음은 물론 연료 경제성이 15%까지 향상되어 경쟁사의 디젤 엔진 대비 절대적인 비교 우위를 차지하게 된다.

1993년, 가변식 터빈 지오메트리(VGT, Variable Turbine Geometry)의 개발로 폭스바겐의 TDI 엔진은 새로운 국면을 맞이하게 된다. 폭스바겐은 기존 90마력의 1.9TDI에 가변식 터빈 지오메트리가 선보이면서 110마력의 1.9 TDI 엔진을 출시하였다. 이로써 디젤 엔진과 스포츠 드라이빙이라는 당시로서는 함께 할 수 없었던 요소가 경제성이라는 토대 위에서 새롭게 결합되었으며, 폭스바겐은 이러한 고성능 디젤 엔진의 출현을 기념하기 위해 새로운 1.9 TDI 모델에 은색 TDI 로고 중 ‘I’를 빨강색으로 표시했다.

1999년, 고압 연료 분사 방식으로 폭스바겐은 또 한번 디젤 엔진 기술의 발전을 가져온다. 연료의 분사 압력과 완전 연소가 직접적인 관계가 있다는 사실에 착안, 폭스바겐은 고압 연료 펌프와 인젝터가 일체화되어 각 실린더마다 장착되는 ‘펌프-인젝터(PD)’ 방식을 도입하기로 한다. 이와 함께, 본격적인 연료 분사 직전에 미량의 연료를 미리 분사하여 연소실의 온도를 높이고 폭발 충격을 완화하여 고효율과 저소음을 동시에 실현하기도 하였다. PD 방식이 최초로 적용된 1.9리터 TDI 엔진은 마력은 5마력 증가하였으나 토크가 30%가량 대폭 증가하여 실질적 주행 성능이 탁월한 폭스바겐 TDI의 장점이 한층 강화되었다. 이 115마력 1.9 TDI 엔진의 엠블렘에서 ‘DI’ 두 글자를 빨간색으로 표시하여 기술과 성능의 차별성을 강조하는 재치도 잊지 않았다.

그리고 2000년, 펌프 인젝션 방식의 150마력 버전의 1.9 TDI가 출시되면서 여기에는 ‘TDI’라는 로고 전체를 빨간색으로 표시하게 되었다. 당시 디젤 엔진으로서는 상상하기 어려웠던 리터 당 마력비를 달성한 이 고성능 디젤 엔진은 TDI의 스포티함을 시장에 확실히 각인하는 중요한 역할을 한다. 이후 2001년, 최강의 TDI 엔진인 V10 TDI를 출시하면서 폭스바겐은 또다시 디젤 기술력의 최강자임을 입증하게 되었다. 이후 313마력, 105.8kg•m 토크의 초강력 V10 TDI 엔진이 투아렉과 페이톤에 얹혀지면서 디젤 승용차 역사에 또 하나의 장을 열게 되었다.

이러한 일련의 디젤 엔진 기술의 발전으로 다양한 폭스바겐의 TDI 모델들은 다른 디젤 엔진과는 차별화되는 강점을 가지게 되었다. TDI 엔진으로 폭스바겐은 소위 소형차를 이르는 A 세그먼트에 큰 변화를 가져온다. 소형차도 디젤 엔진 덕분에 보다 높은 토크로 강력한 힘을 발휘할 수 있게 되었던 것이다. 폭스바겐 TDI 엔진의 발전은 많은 사람들이 디젤 엔진에 대한 잘못된 생각들을 바꿔주는 계기를 마련해주었다.

연비 이외에 동급의 가솔린 엔진과 비교했을 때 디젤 엔진의 가장 큰 장점은 바로 높은 토크이다. 또한 디젤 엔진은 약 45% 정도 적은 이산화탄소, 산화질소 그리고 탄화수소를 배출한다. 최근에는 디젤 미립자 필터(DPF) 덕분에 환경 오염에 대한 주범이라는 오인에서 보다 멀리 벗어날 수 있게 되었다. 이로 인해 디젤 엔진은 세계적으로 규정하고 있는 모든 환경 기준을 만족시킨다. 디젤 엔진은 이제 또 다른 시대를 맞이했으며, 폭스바겐은 이러한 디젤 엔진의 선구자 역할을 해오고 있다.

폭스바겐 TDI – 최적의 연료 효율성은 기본, 강력한 토크와 엔진 성능 그리고 최소한의 진동

폭스바겐 TDI 엔진의 컨셉은 복잡한 것이 아니다. 효율적인 연료 소모율을 가지고 높은 토크를 발휘하며, 운전자는 디젤 엔진 특유의 운전 재미를 느낄 수 있는 엔진이 바로 TDI이다. 여기에 디젤의 골칫거리였던 미세먼지와 분진을 최소화시켜, TDI는 친환경적인 컨셉까지 두루 갖춘 차세대 디젤 엔진이다.

TDI라는 개념은 높은 토크, 뛰어난 엔진성능 그리고 최적의 연소 효율과 동의어로 간주된다. 기술적인 측면에서 폭스바겐은 타사의 디젤 엔진과 구분하기 위해 직분사 방식과 터보 차저를 갖춘 폭스바겐의 모든 최첨단 디젤을 TDI(Turbo Diesel Injection)라고 부르고 있다. 모든 TDI 엔진의 기본적인 공통점은 높은 체적효율과 효율적인 연소를 위한 고압 연료 주입과 가변식 터빈 지오메트리(VTG)라고 할 수 있다.

오늘날 좋은 엔진을 평가하는 기준은 최고 출력이나 토크 등의 고성능 뿐만 아니라, 진동이 없는 부드러운 작동 특성도 그 한가지 중요한 요소이다. 90도 V6형 엔진 레이아웃을 채용한 V6 TDI 엔진은 좌우 실린더 뱅크 사이의 관성력을 완벽하게 상쇄시킨다. 또한, 오프셋 형식의 크랭크 축은 2차 관성 모멘트 조차도 거의 완벽하게 상쇄하므로, 진동을 원천적으로 방지하였다.

효율적이고 깨끗한 폭스바겐 TDI 직접 분사 시스템

직분사 방식의 디젤 엔진은 현존하는 내연 기관 중 가장 높은 45% 수준의 열효율을 달성하고 있다. 즉, 연료가 갖고 있는 화학 에너지가 운동 에너지인 엔진 출력으로 최대한 많이 전환된다는 것이다. 이 같은 고효율의 핵심 요소는 연소실의 형태와 연료 분사 방식이다. 연료 분사의 효율성을 극대화하기 위하여 폭스바겐은 2,050 bar의 극단적으로 높은 연료 분사압을 실현한 펌프-노즐(Pump-Nozzle, PD) 시스템을 개발하였다. 연료의 분사 압력이 높을수록 연료 입자가 곱게 쪼개질 수 있으며, 연료가 산소와 결합할 수 있는 면적이 극대화되므로 연소 효율이 향상되는 것이다. 그 결과, 더 높은 출력, 더 깨끗한 배기 가스, 그리고 향상된 연료 경제성을 얻을 수 있다.

진동과 소음. 압축비가 매우 높은 디젤 엔진으로서는 어쩔 수 없는 부분으로 여겨져 왔던 단점이었다. 그러나, 폭스바겐 TDI는 이 연소 과정을 보다 부드럽게 하기 위하여 본격적인 연료 분사 이전에 미량의 연료를 미리 연소실에 분사하는 ‘파일럿 인젝션(pilot injection)’이라는 개념을 도입하였다. 그 결과, 연소실의 압력이 상대적으로 서서히 증가하므로 진동과 소음이 현격하게 감소될 수 있다.

가변 터빈 지오메트리(VTG, Variable Turbine Geometry) – 더욱 향상된 토크

TDI 엔진의 성능과 토크를 더욱 증대시키기 위하여, 폭스바겐은 대응 영역을 넓힌 가변식 터보차저를 업계 최초로 장착하였다.

터보차저는 배기 가스와 함께 버려지는 에너지를 재활용한다. 터보챠저는 같은 축의 양 끝에 장착된 두 개의 터빈 (turbine)으로 이루어진다. 배기 가스가 터빈 휠을 회전시키면 같은 축의 반대쪽 끝에 장착된 압축 휠(compressor wheel)이 엔진으로 공급되는 흡기를 압축한다. 공기는 압축할수록 뜨거워지므로, 압축된 흡기는 흡기 인터쿨러를 통하여 냉각된 후에 엔진으로 공급된다. 차가운 공기가 뜨거운 공기보다 부피를 더 적게 차지하기 때문에 더 많은 공기와 산소가 연소실에 도달할 수 있게 된다.

터보차저의 주요 단점은 작동하려면 일정량의 배기 가스 압력이 필요한데, 배기 가스는 엔진의 회전수가 일정 수준 이상이어야 충분해진다는 것이다. 그 결과, 그래서 고안한 것이 바로 터보렉(turbo lag)이다. 낮은 회전수에서도 터보챠저가 제 효과를 발휘하려면 배기 가스의 압력을 조절할 필요가 있다. VTG는 가변식 가이드 베인(vane)을 이용하여 엔진 속도가 낮을 때는 배기가스의 통과 단면적을 좁혀서 압력을 증가시키고, 반대로 고회전시에는 단면적을 넓혀서 배기 가스가 충분히 터보챠저를 회전시키도록 유도한다.

VTG는 주행 상황이 계속 변화하여 가속 페달을 빈번하게 밟았다가 놓는 상황에서 민첩하게 반응하므로 특히 효과적이다. 즉, 어떤 엔진 회전수에서나 터보 랙이 없이 풍부한 토크를 제공하기 때문이다. 앞서 거론했듯이 터보챠저는 엔진의 열효율을 향상시키므로 경제성과 환경 보호 성능도 개선하는 효과를 선사한다.

폭스바겐 TDI 엔진 모델의 현재와 미래

폭스바겐은 TDI 기술을 바탕으로 세계 최강의 디젤 엔진인 V형 10기통 TDI엔진은 물론 세계 최고 연비의 3기통 TDI 엔진까지 다양한 엔진을 개발해 양산 승용 모델에 적용하고 있다. 현재 유럽 폭스바겐 자동차의 판매량 중 40% 이상은 TDI 모델이 차지한다. 실제로 폭스바겐에서 생산하고 있는 120여 개 이상의 승용차 모델 중 50여 개 이상이 디젤 엔진을 탑재하고 있다. 속도 무제한 고속도로인 독일의 아우토반에서 220km/h이상의 속도로 내달리는 폭스바겐 차량 중 절반은 스포츠카나 고성능 가솔린 엔진을 탑재한 승용차가 아닌 TDI 디젤 엔진을 탑재한 일반 승용 모델이다.

현재 유럽, 미국 시장에서 가장 많이 팔리고 있는 디젤 승용차 모델은 골프 TDI이다. 2004년 폭스바겐 골프 모델의 전체의 생산량은 약 56만대, 그 중에서 골프 TDI 모델은 독일 내에서만 전체의 약 14%가량인 약 7만8천대 이상이 작년에 판매되었다. 독일을 비롯한 유럽 각 등지에서는 디젤 모델이 가솔린 엔진보다 오히려 더 환경친화적이고 조용해서 이미 수년 동안 그 품질과 내구성이 검증되었다.

폭스바겐은 앞으로도 디젤 엔진에 대한 수요는 증가할 것으로 기대하고 있다. 디젤 엔진은 에너지를 절약하기 위한 하나의 연료로 각광을 받고 있으며, 보다 혁신적인 대체 에너지가 개발, 실용화되기 전까지 디젤 엔진은 끊임없이 연구, 발전될 것이다.

2005년 국내에서 경유 승용차 판매가 허가됨에 따라 ‘디젤 엔진의 최강자’를 자부하는 폭스바겐은 국내에서 판매되고 있는 전 승용차 라인 업의 디젤 모델 도입을 검토 중이다. 2005년 9월, 넘치는 파워를 가진 디젤 SUV인 투아렉 V6 TDI 외에도 가솔린 3000cc급의 높은 토크를 발휘하는 골프 2.0 TDI, 그리고 디젤 엔진이라고는 믿기 어려울 정도로 조용하지만 최강의 성능을 가진 페이톤 V6 TDI부터 시작하여 폭스바겐은 앞으로도 디젤 엔진에 대한 잘못된 선입견을 바꿔줄 최강의 성능을 가진 TDI 엔진 모델들을 꾸준히 국내에 소개할 예정이다.

기사&사진제공 : 글로벌 오토뉴스(http://global-autonews.com )