[테크닉] 폭스바겐 '유로5 EA189' 엔진, 디젤 게이트는 어떻게 해결되나?

▲ 폭스바겐 그룹 채널 - 디젤 이슈의 기술적 배경(6분)

지난 21일, 폭스바겐 그룹이 유튜브 채널에 자사의 디젤 엔진과 관련한 영상을 게시했다.

디젤 엔진의 후처리 기술로 배출가스가 저감되는 원리, 배출가스 규제 기준을 만족하기 위한 추가 설계, 엔진 제어 유닛(ECU)의 역할, 유로5 EA189 디젤 엔진에 대응한 문제 해결법을 순차적으로 설명하고 있다.

처음엔 실린더 유입된 압축된 공기와 디젤 연료가 분사돼 연소 후 폭발한다. 이때 피스톤이 상하로 움직이는 행정을 거쳐 배출가스가 만들어진다. 배출가스가 EGR(배기가스 재순환 장치)를 거쳐 실린더로 되돌아오는 과정에 엔진 내부에 장착된 녹스(knox)를 거쳐 가스 온도를 최적화시킨다.

압축 챔버로 유입된 배출가스는 터보차저를 구동시키면서 뒤쪽의 산화 촉매 컨버터(OCC)로 넘어간다. 배출가스 속 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 컨버터에 흡착시키는 역할을 한다. 금속 촉매를 이용해 환원 처리하는 과정에서 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)이 생성된다. OCC를 통과한 배출가스는 DPF(디젤 분진 필터) 장치로 미세 먼지류 내지 그을음(PM)을 걸러낸다.

EGR+DPF로 구현된 디젤 엔진은 설계상 유럽의 유로5 표준을 만족한다. 

그렇지만 미국에서 만족시켜야 할 배출가스의 규제 기준은 이보다 엄격해서 배출가스를 저감하는 두 가지 유형의 기술을 추가로 적용했다고 한다. 일반 차량은 배출가스 속 질소산화물을 저장하는 컨버터(NOC)를 이용해 이산화탄소(CO₂)와 질소(N₂) 분자로 분리시키는 것이었는데, 이 방법으론 질소산화물을 최대 70 % 정도만 저감할 수 있었다.

트럭과 버스를 비롯한 대형차의 경우, SCR(선택적 환원 촉매) 시스템을 이용하는 방식이 적용됐다. 애드블루(AdBlue)와 같은 요소수를 이용해 DPF를 통과한 배출가스와 함께 분사시키면, SCR 촉매 컨버터를 거쳐 질소를 요소수에 용해시키고 이산화탄소를 배출하는 방법으로 질소산화물이 효과적으로 저감될 수 있다. 

현재 국내 출시된 일부 유로6 디젤 차량은 NOC 내지 SCR을 복합 적용하는 구조 설계가 적용돼, 유로5 디젤 차량보다 질소산화물 배출량이 더 낮다. 유로5  디젤 차량의 질소산화물 배출량 기준은 0.2 g/km, 유로6 디젤 차량은 0.018 g/km 수준이다. 대표적으로 현대 기아차는 유로6를 만족시키기 위해 고온 연소 시스템인 LNT(Lean NOx Trap)를 적용했으며, 쉐보레 올란도, 푸조 2008, 아우디 및 메르세데스 벤츠 등 일부 유로6 차량은 SCR이 적용됐다.

그럼 엔진 외부에 장착된 엔진 제어 유닛(ECU)은 어떤 역할을 할까?

ECU는 차량의 엔진이 동작하면서 나타나는 변화를 주요 부위에 장착된 센서로 실시간 감지해 우수한 동력 성능과 배출가스가 적게 배출될 수 있도록 각각의 모듈 동작을 최적화시키는 역할을 한다. 배출가스를 포집할 때는 주요 성분이 환경 규제를 만족시키는지 검사하고, 다이나모미터(dynamometer)에 차량을 올려 주행 시험을 거친다.

유로5 EA189 엔진에 설치된 ECU 소프트웨어의 경우, 사전 시험 주행 때만 배출가스 저감 장치가 동작하고, 이 외의 주행 상황에서 이 장치가 동작하지 않도록 막아 기준보다 수십 배가 넘는 양의 질소산화물이 배출됐다.

폭스바겐은 EA189 디젤 엔진에서 발견된 문제를 시정하기 위해 다음과 같은 기술적 해결 방안을 제시했다.

유로5 EA!89 디젤 엔진 중 2.0 및 1.2 TDI 엔진은 ECU 소프트웨어를 업데이트하는 방법으로 문제를 해결할 수 있다고 밝혔다. 상황에 따라 동작하지 않았던 배출가스 저감 장치를 정상적으로 동작하도록 되돌리는 것이다. 이 업데이트 작업은 30분 정도가 걸린다.

1.6 TDI 디젤 엔진은 에어 플로우 미터(Air flow meter, 공기 흐름 제어 장치)를 장착했다. 엔진 내부로 흡입된 공기의 양을 제어해 디젤 연료의 연소 환경을 최적화시켜 EGR의 작동 효율을 높여준다.

추가로 장착되는 플로우 스트레이트너(Flow straightener)는 공기의 흐름을 좋게 해, ECU로 연결되는 센서의 부족한 감지 능력을 보완한다. 이를 통해 배출가스를 보다 효율적으로 저감시킬 수 있다는 것이다. 장치 설치가 끝나는대로 2.0 TDI 및 1.2 TDI 엔진과 동일한 방식으로 ECU 소프트웨어 업데이트가 진행된다. 이 작업은 약 1시간이 소요된다.

위 방법으로 시정될 폭스바겐 그룹의 유로5 EA189 디젤 엔진은 독일 연방 자동차청(KBA)의 최종 승인을 거쳤다.

2016년 1월 말부터 해당 엔진이 장착된 모든 폭스바겐 그룹 차량을 대상으로 리콜이 실시될 예정이다. 시정하는데 걸리는 시간이 1시간 내외로 오래 걸리지 않고, 안전한 방법으로 진행되기 때문에 수리 직후 차량을 곧바로 이용할 수 있다.

우리나라서 판매된 유로5 EA189 디젤 차량 5종(골프, 제타, 파사트, 티구안, 아우디 A3)도 위 방법으로 1월 말부터 리콜이 순차 진행될 것으로 보인다.

그럼 최근 문제된 유로6 3.0 V6 TDI 디젤 엔진(2015~2016년형 폭스바겐 투아렉, 아우디 Q7, 포르쉐 마칸 디젤)은 어떤 방법으로 해결될까? 일반 도로 주행에서 배출가스 저감 장치가 동작하지 않도록 한 ECU 소프트웨어 조작이라면 위 방법과 비슷한 방식으로 리콜 조치가 진행되지 않을까?