아우디의 배출가스 후처리 기술, 효율적이고 깨끗하다

아우디는 점점 더 엄격해지는 배출가스 기준을 만족시기기 위해 복잡한 배출가스 후처리 시스템을 사용하고 있다. 엔진의 기술 외에도 최신 가솔린 및 디젤 엔진은 강력하고 정교한 배출가스 정화 시스템을 사용해 엄격해지고 있는 기준을 만족시킨다. 특히 미립자 필터는 TDI, TFSI 엔진의 촉매 배출가스 후처리 과정을 보완하는 역할을 한다.

배출가스 정화를 위한 당면 과제는?

디젤 엔진에 대한 질소산화물 배출기준은 점점 더 엄격해지고 있다. 2000년 이후 유로3 기준은 여전히 500mg/km으로 되어 있는 반면 2020년 이후 유로6d에 따른 신규 기준은 80mg/km로 강화되었다. 20년이라는 시간이 흐르면서 기준은 6배 이상 엄격해졌다.

유로5에서 유로6로 기준을 강화한 것 만으로도 전체 질소산화물 감소량의 56%를 달성했다. 2020년 1월 1일 유로6d 기준은 이전에 시행되던 유로6d TEMP 기준을 대체했다. 2021년 1월 1일부터는 최초 인증을 받는 모든 신차들은 실제 주행을 통해 배출가스를 측정하는 RDE(Real Driving Emissions) 테스트를 포함한 새로운 기준을 만족시켜야 한다.

화학 약어인 NOx로 불리는 질소산화물은 엔진 연소과정에서 공기중의 질소가 산소와 반응할 때 생기는 물질이다. 질소산화물의 비율은 디젤 엔진에서 특히 높은데 디젤이 과급기를 통해 공기를 더 많이 사용하도록 설계되어 있기 때문이다.

아우디는 V6 TDI의 배기가스 후처리 시스템을 어떻게 설계했나?

아우디는 폭스바겐 그룹 내의 신형 Evo 3세대 V6 TDI 엔진의  기본 개발을 담당하고 있다. 더 엄격한 배출가스 기준에 의한 요구사항들이 지속적으로 증가함에 따라 엔지니어는 배출가스 정화의 효율성을 향상시킬 수 밖에 없다. 배출가스 후처리의 경우 무엇보다 촉매 변환기를 더 크게 설계해야 한다. 

현재 V6 TDI 엔진을 개발하는 아우디는 모든 기술의 컴팩트한 조합에 성공했다. 두 실린더뱅크 측면의 바깥에 있는 두 배기가스 트레이의 흐름은 터보차저가 위치한 방화벽 앞의 엔진 뒷편으로 이어진다. 배기가스의 다이렉트 다운스트림에는 NSC로 불리는 산화촉매가 위치하고 있다. NSC는 질소산화물 저장 촉매(NOx Storage Catalyst)를 의미한다. SCR 디젤 미립자 필터(SPDF)가 바로 뒤에 위치하고 있고 약칭 SCR은 선택적 촉매 저감장치(Selective Catalytic Reduction)을 말한다. 두번째 SCR은 차량 하부 배기 시스템의 후방에 위치하고 있다.

TDI 엔진의 다단계 배기가스 정화 작업은?

엔진에 가까이 위치한 산화촉매(NSC)는 재생단계까지 일시적으로 질소산화물을 저장할 수 있다. 이 촉매는 콜드 스타트 이후 낮은 엔진  온도에서 효과적이며 재생은 엔진 컨트롤 유닛에 의해 시작된 단기 혼합물의 농축 과정을 통해 발생한다. 

따라서 질소산화물을 저장하고 그 이후 중화작업을 하는것 외에도 촉매는 일시적으로 저장된 질소산화물의 산소분자를 이용해 연소되지 않은 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소와 수증기로 산화시키는 역할도 하게 된다.

질소산화물을 줄이기 위한 또 다른 조치는 애드블루(AdBlue)를 주입하는 것이다. 이 수용성 요소 용액은 온도가 다른 두 지점에서 배기 시스템에 투입되기 때문에 각 지점에서  1개의 분사 모듈을 사용해 전체 시스템을 트윈 도징(Twin dosing)이라 부른다.

그 후 화학적 과정이 배기 시스템에서 발생해 애드블루는 암모니아로 변하게 된다. 암모니아는 엔진에 가까이 설치된 SCR과 DPF와 반응하며 배기 시스템의 끝 부분에 설치된 두번째 SCR에는 아직 변환되지 않은 상태의 질소산화물이 남아 있다. 이 과정을 거치면 지구 대기의 4/5를 차지하는 물과 질소의 형성을 시작하게 된다. 

트윈 도징(twin dosing)으로 얻을 수 있는 것은?

애드블루를 두번 분사하는 것은 매우 효과적이다. 배기 시스템의 다양한 영역에서 다양한 조건을 활용해 다양한 작동조건에 맞춰 전체 시스템의 효과를 극대화한다.

이 과정을 통해 아우디는 질소산화물의 90% 이상을 넓은 범위의 온도와 작동 범위에 걸쳐 변환시킨다. 따라서 애드블루를 두번 분사하는 것은 결정적으로 질소산화물 배출기준을 만족하는데 크게 기여한다. 그러나 자동차가 고속도로에서 고속주행을 하거나 트레일러를 견인하는 등의 장시간 높은 부하 상태에 놓일 경우 엔진에 가까이 설치된 SCR과 DPF를 통과하는 배기가스 온도가 급격히 높아져 질소산화물 변환율이 낮아지게 된다. 

그 상태가 지속되면 배기 시스템의 끝부분에 위치한 두번째 SCR에 애드블루를 분사하게 된다. 이 과정을 통해 전체 시스템의 작동을 통해 질소산화물 변환율을 높이며 기준을 만족시키게 된다.

V6 TDI 엔진은 언제 출시되며 어떤 모델에 적용되나?

V6 TDI 트윈 도징 기술은 Evo 3세대부터 지속적으로 사용할 예정이다. 세개의 성능을 가진 3리터 디젤엔진이며, 이 엔진을 탑재하는 모든 모델에 대해 내년부터 설치될 것이다.

아우디는 어떻게 가솔린 엔진의 오염물질 수치를 낮추나?

TDI 엔진과 마찬가지로 TFSI 엔진을 위한 다양한 엔진 기술, 즉 터보 직분사 가솔린 엔진에서 시작한다. 아우디는 밀러 연소 과정으로 알려진 B 사이클을 다양한 엔진에 사용한다. 특히 여유로운 운전을 하게 되면 연비가 상당히 좋아진다. 낮은 부하와 낮은 엔진 회전 속도에서 2단계 아우디 밸브리프트 시스템(AVS)는 흡기 밸브를 빠르게 닫는다. 이렇게 하면 낮은 스로틀 손실과 긴 팽창 단계를 결합해 배출가스를 만들고 연비를 향상시키는 압축 단계를 단축시킬 수 있게 된다.

실린더 온 디멘드 시스템은 엔진을 더 효율적으로 운영하기 위한 또 다른 방법이다. 부하가 낮은 작동 조건에서는 개별 실린더의 작동을 멈추게 한다. 그리고 또 다른 방법은 간접적 분사다. FSI 가솔린 직분사를 보완하며 연료 소비량을 줄이며 엔진 출력을 높이는 것이다. 배기 시스템에서 가솔린 미립자 필터(GPF)의 사용은 모든 시스템에서 공통적으로 사용하게 된다.

 

가솔린 미립자 필터에서 왜 SI 엔진이 필요한가?

아우디의 가솔린 엔진은 대부분 효율적인 TFSI 기술, 즉 가솔린 직분사 엔진을 사용한다. 터보는 대부분의 모델에 부가적으로 사용된다. 불리한 작동 범위에도 불구하고 효과적인 배기가스의 정화를 목표로 하기 때문이다.

GPF는 특히 냉간 시동시 가솔린 엔진에서 발생하는 탄소미립자 배출을 90%까지 줄인다. 2018년부터 유로6d TEMP 배출가스 규제 기준에 따라 인증 받은 아우디의 모든 모델은 가솔린 미립자 필터가 장착되어 있으며, 아우디 A4 아반트 g-tron, 아우디 A5 스포트백 g-tron,  아우디 A3 스포트백 30 g-tron 같은 천연가스를 사용하는 EA888 모델의 2리터 TFSI 엔진과 1.5리터 TFSI 엔진 등 2가지는 예외다. 압축천연가스(CNG)로 불리는 메탄은 미립자 배출이 전혀 없기 때문에 미립자 필터가 불필요하다. 

가솔린 미립자 필터는 어떻게 작동하나?

배기가스는 촉매변환기 뒤의 세라믹 보디를 통해 흘러가야 한다. 이 가솔린 미립자 필터의 작동원리는 디젤 엔진의 것과 유사하다. 배기가스는 구멍이 많은 세라믹 셀 벽을 통과하며 각각 흡입구와 배기쪽을 향해 작고 폐쇄된 채널을 만들게 된다. 

거친 세라믹 표면에 미립자가 붙게 되며 디젤 엔진 보다 더 단순한 과정으로도 생기게 된다. 가솔린 엔진의 설계 원리 덕분에 스파크 점화 엔진의 배기가스 온도는 압축 점화 엔진의 온도보다 훨씬 높다. 엔진 컨트롤 유닛을 통한 제어 가능한 산소 공급과 그에 따른 배기 시스템의 추가적인 단기 온도 상승 덕분에 디젤 엔진 보다 훨씬 적은 양으로도 산화 및 중화가 쉽다.

아우디의 시스템은 경쟁 브랜드와 무엇이 다른가? 

아우디는 특히 대형 가솔린 미립자 필터를 사용한다. EA888 2리터 4기통 엔진의 경우 부피가 3.2리터나 된다. 후방 압력 최적화를 특징으로 한 설계로 출력과 토크 곡선을 만드는데 유리하다. GPF의 작동은 모든 모델에서 센서를 통해 모니터링 한다. 

모니터링 덕분에 재생 빈도와 지속시간은 필터의 상태를 최적화하며 운전자의 실제 일상 주행 프로필을 기반으로 한다. 이 과정을 통해 오염물질 배출량과 환경 부담을 줄이는 동시에 필터 사용 수명을 늘린다. 

출처:아우디

 

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