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디젤 배기가스 저감 기술의 종류와 발전

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2007-11-29 06:17:16

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디젤 배기가스 저감 기술의 발전

완전 무공해 자동차의 미래가 불확실해진 상황에서 세계의 자동차회사들은 일대 혼란을 겪고 있다. 화석연료를 사용하지 말아야 된다는 명제는 수 차례 확인해 오고 있지만 그 대안이 나오지 않고 있다는 얘기이다. 대신 가솔린과 디젤, 에탄올, CNG, LPG, 바이오매스, 수소, 하이브리드, 태양열 등 가능한 모든 수단을 강구해야한다는 쪽으로 정리되고 있다. 모든 메이커들이 말은 그렇게 하고 있지만 그를 위해 들여야 하는 엄청난 비용 때문에 섣불리 어떻게 될 것이라고 예측을 못하고 있다. 그나마 기초기술을 확보하고 있는 유럽 메이커들과 규모의 경제를 충족시키고 있는 메이커들이 상대적으로 우위에 있다는 분석 정도가 고작이다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

그래서 다시 주목을 끌고 있는 것이 가솔린과 디젤 등 기존 내연기관 엔진의 기술 개발이다.
이미 여러 차례 소개한 바 있지만 그것은 간단하게 “Green & Clean”이라고 요약해서 표현할 수 있다. 다시 말하면 이산화탄소 배출에서 가솔린에 비해 유리한 디젤엔진은 매연과 질소산화물을 저감해 좀 더 클린(Clean) 해져야 하고 반대로 가솔린 엔진은 좀 더 연비 성능을 높이고 이산화탄소 배출을 줄여 그린(Green)해져야 한다는 것이다.

오늘날 디젤 기술의 발전은 눈부시다. 메이커에 따라 가솔린보다 더 클린한 디젤엔진이 나오고 있다. 그런데 2010년경이 되면 거의 모든 메이커들이 가솔린을 앞서는 환경성능을 가진 디젤엔진을 사용하게 될 것으로 전망되고 있다. 물론 최근 등장한 메르세데스 벤츠 등의 디소토 엔진이 실용화되면 가솔린 엔진이 부활할 것으로 보인다.

2010년을 기준으로 배출가스 규제 기준이 가장 엄격할 것으로 예상되는 것은 미국의 규제치다. 2009년에 출시되는 2010년형 모델에 대해 질소산화물의 배출량이 0.27g/kWh, PM 배출량은 0.013g/kWh를 요구하고 있다. 미국 못지 않게 디젤 관련 배출가스 규제 기준이 엄격한 일본도 소위 말하는 포스트 신장기규제에 비하면 매연은 비슷한 수준이지만 질소산화물은 일본 규제치의 1/3에 이를 정도로 엄격하다. 때문에 현재 일본에서는 이 미국규제보다 더 강한 규제를 마련하고 있다.

이 규제를 클리어하기 위해서는 연소과정에서의 개량이 필요할 뿐 아니라 후처리 기술도 한 단계 업그레이드 되지 않으면 안된다. 이제는 상식이 된 내용이지만 디젤엔진에서는 연소온도를 올려 매연을 저감시키면 대신 질소산화물이 증가하고 연소온도를 낮추면 질소산화물은 감소하지만 매연은 증가하는 상관관계가 있다. 이 문제 해결을 위해 연소과정에서 한쪽을 해결하고 나머지 한쪽은 후처리 기술로 처리하는 방식을 취해왔다. 예를 들면 EGR(Exhaust-Gas Recirculation; 배기가스 순환장치)에 의해 연소온도를 낮춰 엔진으로부터 배출되는 질소산화물을 저감시키고 DPF(Diesel Particulate Filter)를 장착함으로써 매연 배출을 줄인다는 얘기이다.

그리고 최근에는 역으로 연소온도를 높여 매연을 줄이고 뇨소SCR(Selective Catalytic Reduction: 선택 환원촉매)로 질소산화물을 저감하는 방식을 많이 사용하고 있다.

그런데 이 두 방식은 모두 일장일단이 있다. 전자의 방식은 연소온도를 낮추면 연소가 나빠지는 점을 해결해야 한다. 후자는 정기적으로 뇨소수를 보충하지 않으면 안된다. 연료 사용량 대비 약 5%의 뇨소수가 필요한데 그만큼의 비용도 들고 필요할 때마다 보충해야 한다는 번거로움이 있다. 뿐만 아니라 그에 필요한 인프라도 있어야 한다. 이 때문에 현대자동차는 지난 가을 대형 트럭용 디젤엔진을 개발하면서 SCR이 아닌 EGR방식을 채용했다고 밝혔었다.

오늘날처럼 디젤엔진으로부터의 유해 배기가스의 배출이 획기적으로 저감된 것은 커먼레일방식이 지대한 역할을 했다. 메르세데스 벤츠가 1997년 커먼레일 시대를 연 이래 연료 분사의 자유도가 높아졌다. 그로 인해 연료 배관에 항상 고압의 연료를 넣어둘 수 있어 엔진회전수가 낮아도 고압분사가 가능하기 때문에 연료를 미립화하기 쉽다. 또 연료의 분사시기는 인젝터의 솔레노이드에서 자유로이 설정할 수 있기 때문에 분사회수를 복수회로 나누어 소음이 줄고 배기가스도 줄어든다.

오늘날의 디젤엔진은 소음을 억제하기 위해 사전 분사, 메인 분사, 타다남은 매연 발생을 억제하는 애프터 분사 등을 행하며 사전 분사와 메인 분사의 간격을 좁힘으로써 매연과 질소산화물을 저감시키고 있다.

특히 기존의 솔레노이드보다 분사간격이 짧은 피에조식 인젝터를 독일 보쉬(Bosch)와 덴소 등이 실용화해냈다. 보쉬사의 로드맵을 보면 분사압력은 앞으로 더욱 높아질 것으로 보이며 2006년에는 180MPa(Mega Pascal)를 달성했고 2007년에는 200MPa를 달성해 실용화를 앞두고 있다. 특히 커멘레일 내부의 압력을 증폭해 250 MPa의 분사압으로 하는 방식도 개발하고 있는데 실제로 실용화될지는 아직 미지수라고 한다.

어쨌거나 규제가 강화되면서 비용은 더 많이 들지만 세계적인 추세는 EGR+DPF에 더해 뇨소SCR 등을 동시에 채용하는 추세로 가고 있다. 그 과정에서 초점이 되고 있는 것은 후처리 장치를 통해 질소산화물을 억제하는 것이다.

그런데 SCR방식도 세 가지로 크게 나뉜다.

우선은 보쉬사가 사용하는 시스템으로 정화율이 50~80% 정도에 이르는 뇨소 SCR. 안정적으로 정화시킬 수 있는 것이 장점인데 정기적인 뇨소수의 보급이 필요하며 뇨소수의 비용이 연료비의 약 5%정도 든다는 단점이 있다.

또 하나는 가솔린의 희박연소 엔진에도 사용되고 있는 질소산화물 흡장환원촉매다. 뇨소SCR과 같은 정도의 정화율을 보이며 뇨소수와 같은 환원제를 사용하지 않기 때문에 사후관리가 필요없다는 장점이 잇다. 하지만 장기간 사용하면 정화율이 떨어지며 또한 질소산화물환원시에 연료를 많이 공급할 필요가 있고 연비가 나빠진다는 단점이 있다.

마지막으로 배기가스중의 HC(탄화수소)와 반응해 질소산화물을 환원하는 HC-SCR이 있다. 하지만 정화율이 낮고 질소산화물을 대폭 저감시키는데는 한계가 있다는 단점이 있다.

자동차회사들은 이미 이중 한 가지를 선택해 채용한 경우도 있고 아직 검토 단계에 있는 메이커도 있다. 결국 보쉬와 델파이, 덴소 등 부품 업체들의 기술력이 어떻게 발전하느냐에 따라 달라질 수밖에 없다는 얘기이다.

하지만 어떤 형태로든 유럽의 대부분 메이커들과 일본의 혼다 등은 이미 클린 디젤 개발을 완료해 규제가 가장 엄격한 미국과 일본시장 진출을 추진하고 있다. 이미 2001년부터 2005년까지 미국시장에서는 하이브리드카의 증가율보다 디젤차의 증가율이 높다는 점에서 긍정적인 견해를 피력하고 있기도 하다. 물론 그를 위해서는 그만큼의 비용이 많이 들어갈 수밖에 없다. 그것을 여하히 해결해 내느냐가 관건이다.

하지만 이산화탄소의 급증으로 인해 갈수록 심각해져 가는 상황에서 디젤차의 수요는 증가할 수밖에 없다는 것이 전문가들의 일반적인 견해다. 어쨌거나 디젤 엔진의 기술발전은 하이브리드와 스파크 플러그가 없는 가솔린 엔진 등의 등장과 맞물려 새로운 장이 펼쳐질 것으로 보인다.
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