돈 주도고 못 배우는 클린 디젤 자동차 이야기

 

디젤 엔진이라고 하면 '힘은 좋은데 느린 엔진'으로 트럭이나 버스에서 사용하는 이미지가 강하게 남아있지만, 사실은 효율성이 높은 엔진입니다. BMW 미니에도 배기가스 정화 기술을 활용한 디젤 엔진이 탑재되었다고 합니다. 이러한 환경 성능과 고연비를 잡은 고성능 엔진을 겸비한 클린 디젤 자동차에 대해 이야기해보고자 합니다.

 

<목차> 1. 디젤 자동차가 '클린' 이라고 할 수 있을까? 2. 왜 클린 디젤 자동차는 검은 연기를 내뿜지 않을까? 3. 클린 디젤 엔진은 어떤 점이 좋을까? 4. 디젤 자동차는 느리지 않을까? 5. 폭스바겐은 어떤 방법으로 미국의 배기가스 규제를 통과했을까?

 

 

1. 디젤 자동차가 '클린'이라고 할 수 있을까?

'클린(clean)'이라는 단어가 디젤 자동차에 붙으면서 위화감을 느끼는 사람도 있을 것입니다. 가솔린 자동차가 더 청정하지 않나요? 그동안 디젤 자동차는 연료비가 저렴하고 튼튼하지만 시끄럽고 가속 중에 새까만 연기를 내뿜어 거리의 공기를 오염시키는 원흉이라는 이미지가 있었습니다.

하지만 유럽을 비롯한 여러 나라에서 디젤 자동차의 배기가스 규제를 강화하고 새로운 규제를 마련하면서 디젤 자동차의 환경 성능은 크게 개선되었습니다. 이로 인해 디젤 엔진을 탑재한 승용차의 판매가 늘고 차종도 다양해졌습니다.

현재의 배기가스 규제를 통과한 디젤을 '클린 디젤'이라고 합니다. '클린 디젤'은 디젤 자동차의 낡은 이미지를 없애려고 의도적으로 사용하는 명칭입니다. 배기가스 정화 기술은 자동차 제조 회사마다 다릅니다. 애초에 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 열효율이 높아 이산화탄소 배출량은 적습니다. 여기에 질소산 화물이나 미세먼지(Particulate Matter, PM) 등의 대기 오염 물질을 줄이면서 공해가 적은 자동차가 되었고 가솔린 자동차보다 연비도 높아졌습니다. 또한, 저공해 엔진을 만들기 위해 개발한 기술로 연비와 쾌적성을 더욱 높였습니다. 1960~1970년대의 디젤 엔진이 만들어내는 배기가스의 오염도를 100이라고 하면 최신 '클린 디젤'은 5 정도입니다. 이산화탄소 배출량도 옛 디젤 엔진이나 현재의 가솔린 엔진보다 적습니다. 디젤 엔진의 연료는 경유이며, 예전에는 경유에 유황분이 많이 들어 있었습니다. 이유는 황분이 유황 산화물의 형태로 배출되어 산성비나 여러 대기 오염의 원인이 되었습니다. 그러나 현재는 경유에서 유황분을 제거하는 저유황화가 진행되어, 연료에서 기인하는 환경오염도가 상당히 감소했습니다.

디젤 자동차를 판매하려면 해당 지역의 배기가스 규제를 준수해야 합니다. 이는 배기가스 규제 수치를 비교하여, 그 지역과 시대의 디젤 자동차가 얼마나 청정한지 판단할 수 있음을 의미합니다. 일본의 디젤 자동차 배기가스 규제는 석유파동이 일어난 1974년부터 시작되었습니다. 당시의 규제 수치를 100으로 설정한 경우, 현재(포스트 신장기 규제) 배기가스 속 질소산화물 규제 수치는 5로 강화되었습니다. 또한, 배기가스 미세먼지 규제는 1994년부터 시작되었으며, 현재는 당시 기준 수치의 1%를 규제 기준으로 삼고 있습니다. 이를 통해 디젤 자동차의 청정도를 이해할 수 있습니다.

 

2. 왜 클린 디젤 자동차는 검은 연기를 내뿜지 않을까?

검은 연기의 정체는 배기 가스에 섞인 미세먼지입니다. 미세먼지는 연료가 타고 남은 찌꺼기, 즉 그을음 같은 것으로 연료를 필요 이상으로 분사하면 발생합니다. 예전 디젤 자동차는 오르막길 같은 상황에서 필요 이상으로 가속 페달을 밟았고 이 탓에 검은 연기를 더욱 대량으로 발생시켰습니다. 검은 연기를 내뿜는 디젤 자동차를 본 적이 있는 사람도 많을 것입니다.

'그렇다면 연료 분사를 줄이면 되잖아?'라고 생각하는 사람도 있을 것입니다. 그런데 연료를 줄이면 이번에는 연소 온도가 상승해서 질소산화물이 증가합니다. 질소산 화물은 광화학 스모그의 원인이기도 하며 건강에도 악영향을 끼칩니다. 그래서 클린 디젤의 경우 두 가지 대책을 내세워 검은 연기를 배출하지 않도록 만들어졌습니다.

첫 번째는 연소 상태를 조절하는 것입니다. 디젤 엔진은 압축해서 고온이 된 공기에 경유를 분사해 자연 발화시키는데, 연료를 분사하는 타이밍으로 연소 상태를 조절합니다. 예전 디젤 엔진은 공기를 압축한 상태에서 연료를 단번에 분사해 연소했습니다. 그러나 현대의 디젤 엔진은 연소 1회에 연료를 4~5회 분사합니다. 이 덕분에 좀 더 균일하고 안정적인 연소를 실현했습니다. 엔진을 컨트롤하는 유닛인 ECU (Engine Control Unit)가 인젝터에 분사량을 지령하고 이를 인젝터가 정확히 실행하는 것입니다. 1분에 2,000회, 즉 1초 동안 30회 이상 연소하면서 연소 1회마다 4-5회 이상 연료를 분사하는 그야말로 번개 같은 속도를 자랑합니다.

두 번째는 '후처리'라고 부르는 촉매를 이용한 정화입니다. 디젤 미립자 필터 DPF (Diesel Particulate Filter)라는 필터로 미세먼지를 붙잡고 일정량 이상 미세먼지가 모이면 연료 분사합니다. 필터에 모인 미세먼지를 태워서 분해하는 것입니다. 또 배기가스 속에 요소를 분사해 질소산화물을 분해하는 선택형 환원 촉매(SCR. Selective Canalytic Reduction)라는 시스템을 도입한 차량도 있습니다.

 

3. 클린 디젤 엔진은 어떤 점이 좋을까?

클린 디젤은 기존 디젤 엔진의 열효율을 높여 배기 가스를 깨끗하게 만들고 연비를 높인 것입니다. 디젤 엔진은 공기를 압축하고 연료를 분사하여 자연 발화를 일으키기 때문에 연료 분사량과 타이밍을 이용해 출력이나 연비를 조절할 수 있습니다. 연료 분사를 세밀하게 제어하면 배기가스의 유해 성분을 크게 줄일 수 있습니다.

연료 분사 장치는 고도의 시스템이므로 파워 트레인의 단가가 가솔린 엔진보다 높아져 차량 가격이 비싸지만, 연료를 낭비하지 않으므로 연비가 향상되고 배기 가스도 깨끗합니다. 또한 연료 가격도 휘발유보다 저렴하므로 많은 거리를 달릴수록 이익이 커집니다. 클린 디젤 승용차는 정숙성도 높아서 주행 중에도 매우 쾌적합니다. 디젤 엔진은 압축비가 높고, 저회 전 영역에서는 배기량이 두 배 이상인 가솔린 자동차보다도 힘이 좋아 가속 성능이 좋습니다. 엔진이나 구동계의 부품도 튼튼하며, 하이브리드 자동차나 전기 자동차처럼 배터리 교체 비용 문제도 없습니다. 다만, 아이들링 스톱 시스템이 탑재되어 있을 경우 도심에서도 연비가 나쁘지 않습니다.

참고로 클린 디젤에는 터보 차저가 장착되어 있습니다. 배기 가스의 압력이 가솔린 엔진보다 높기 때문에 터빈을 돌리기 쉬우므로 터보 차저와의 상성이 좋습니다. 이것은 클린 디젤 승용차의 또 다른 매력입니다.

 

4. 디젤 자동차는 느리지 않을까?

'디젤 엔진을 장착한 자동차'라는 표현을 들으면, 먼저 트럭이나 버스, 덤프트럭과 같은 중량급 상용차가 떠오르며, '화물이나 사람을 많이 실을 수 있지만 속도는 그리 빠르지 않은 차량'이라고 생각할 수 있습니다. 그러나 디젤 엔진은 연료 효율이 우수하고 힘이 강하기 때문에 상용차에 적합한 것뿐만 아니라, 빠른 속도를 내는 승용차에도 적합합니다.

예를 들면, 메르세데스 벤츠가 1970년대 후반에 발표한 'Cl11'이라는 콘셉트카는 디젤 엔진을 탑재했는데, 이탈리아의 '나르도 서킷'이라는 테스트 코스에서 시속 322km/h라는 최고 속도를 기록한 바 있습니다. 또한 가혹한 내구 레이스로 알려진 르망 24시 레이스에서도 2006-2014년에는 아우디와 푸조의 디젤 엔진 자동차가 우승을 차지했습니다. 현재는 도요타나 포르셰가 만든 하이브리드(가솔린 엔진과 모터를 결합) 차량이 우승을 놓고 각축을 벌이고 있지만, 한때는 "디젤 엔진이 아니면 우승할 수 없다."라는 말까지 있었을 정도입니다. 디젤 엔진의 높은 열효율이 연비 성능과 토크를 높여주기 때문입니다. 엔진의 회전수를 더 높일 수 있는 쪽은 가솔린 엔진이지만, 디젤 엔진은 힘이 강한 만큼 변속기의 기어비를 낮추는 방식으로 같은 속도를 낼 수 있습니다. 양산형 4 도어 세단을 기반으로 한 머신으로 경쟁하는 세계 투어링카 선수권 (WTCC)에서도 디젤 엔진이 활약하고 있습니다.

 

5. 폭스바겐은 어떤 방법으로 미국의 배기가스 규제를 통과했을까?

2015년 겨울, 자동차 업계에 충격적인 소식이 알려졌습니다. 세계적인 자동차 제조업체인 폭스바겐이 미국의 배기가스 규제를 위반한 방법으로 통과해왔다는 사실이 밝혀졌습니다. 미국에서는 자동차 보유 대수가 많은 까닭에 배기가스 규제가 매우 엄격합니다. 미국에서 자동차를 판매하려면 이 배기가스 규제를 통과해야 합니다. 이 때문에 자동차 제조업체들은 기술력을 총동원하여 배기가스를 정화하는 시스템을 만들고 있습니다. 그러나 폭스바겐은 배기가스 검사가 실제 주행이 아닌 실험실에서 실시된다는 점을 악용해 미국에서 판매하는 일부 차종의 규제를 사실상 무력화시켰습니다. 이러한 사실은 대학의 연구 기관이 실제 주행하는 자동차의 배기가스 성분을 측정한 결과, 규제 수치를 크게 벗어나는 다량의 유해 성분을 검출하면서 발각되었습니다.

문제가 된 어느 디젤 자동차 배기가스를 대기에 방출하기에 앞서 요소(암모니아를 해롭지 않게 만든 것)를 물로 희석한 요소수를 배기가스에 분사해 정화하는데 실험실에서 검사를 받을 때는 적절한 양을 분사했지만 실제로 주행할 때는 분사량을 줄입니다. 실험실에서는 타이어가 몰리 위를 구르므로 실제 주행과 달리 차체가 움직이지 않아 가속하거나 감속할 때 발생하는 가속도가 발생하지 않으며 스티어링도 조종되지 않습니다. 그래서 이런 정보를 바탕으로 '실제 주행과는 다른 상태'라고 판단하면 컴퓨터가 연료나 요소수의 분사량을 검사 모드로 전환했던 것입니다. 다른 차종은 요소 SCR을 사용하지 않는 배기가스 후처리 장치를 탑재했는데, 검사를 받을 때만 배기가스 재순환량을 늘려서 실제로 주행할 때보다 가속 성능을 희생해 가며 배기가스를 강화했다고 합니다.

엔진을 제어하는 최신 컴퓨터는 매우 고성능입니다. 처리 속도가 빠를 뿐만 아니라 엔진을 효율적으로 제어하기 위해 운전자의 조작이나 주행 상태에 맞춰서 연료 분사량이나 점화 시기를 조절하는 보정값을 모드별로 준비하고 적절히 전환합니다. 물론 이러한 제어 방법을 악용해 규제를 빠져나가는 것은 법률로 금지되어 있습니다. 폭스바겐은 대기 오염 방지법을 위반했을 뿐만 아니라 의도적으로 위법한 수법을 사용해 규제를 통과한 데 대한 징벌적 추징금으로 막대한 벌금이 부과되었습니다.

그렇다면 왜 폭스바겐은 이런 위험을 감수하면서까지 위법한 수법으로 규제를 통과했을까요? 그 이유 중 하나로 북미 시장에서는 사용자의 평가가 자동차의 판매를 크게 좌우한다는 점을 들 수 있습니다. 차량 가격이나 카탈로그 연비뿐만 아니라 러닝 코스트(정비 등 차량을 유지하기 위한 비용)도 인기에 영향을 끼치는 까닭에 실제 주행 시에는 요소수의 소비량을 줄였던 것입니다.