2008년 들어 디젤차의 보급 확대를 위한 노력이 가속화되고 있다. 하지만 그런 시장의 확대에 비해 디젤엔진에 대한 구체적인 정보에는 많은 관심을 보이지 않고 있는 것이 우리의 현실이다. 그런데 한국자동차공학회에서 발행하는 오토저널 2008년 2월호에 ‘경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술’에 관한 특집이 실렸다. 이에 글로벌오토뉴스에서는 자동차공학회의 허락을 얻어 그 내용을 순서대로 게재한다. 모두 6꼭지로 이루어져 있으며 이번은 그 다섯 번째인 일본의 경유차 PM∙NOx 규제동향 및 저감기술에 관한 내용이다. (편집자 주)

5. 일본의 경유차 PM,NOx 규제동향 및 저감기술

1. 서론
경유차량은 고출력, 고내구성, 높은 연료경제성의 장점을 가지고 있는 동시에 이산화탄소 배출량 저감을 통한 지구 온난화 억제에 가장 효과적인 대책으로 인식되고 있다. 또한 경유차량의 약점이었던 진동과 소음 문제가 획기적으로 개선되어 유럽을 중심으로 디젤엔진을 고급승용차에도 탑재하기 시작하면서 보급이 급격히 증가되고 있는 추세에 있다.

글 / 김용우_SK에너지

그러나 경유차량은 디젤엔진의 연소특성상 인체유해 배출가스인 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(Particulate Matter, PM)을 다량 배출하므로 환경오염문제를 해결하기 위하여 선진 각국에서는 경유차량 배출가스 규제를 단계적으로 강화하고 있으며, 이러한 환경규제에 대응하면서 에너지 경제성을 높이고 지구 온난화가스 배출문제도 해결하기 위한 경유차량 배출 유해가스의 저감대책 마련이 시급한 실정이다. 최근 경유차 기술은 혁신적인 기술진보를 거듭해가며 배출되는 배기가스 클린화를 실현해 나가고 있으나 향후 대폭 강화되는 중장기 PM-NOx 배출가스 규제를 만족시키기 위해서는 연소개선에 의한 엔진배출 유해가스 배출저감에는 한계에 도달했다고 할 수 있으며 배가스 클린화 효율을 보완하는 목적으로 후처리시스템 개발의 중요성이 날로 부각되고 있다.

본 고에서는 일본의 도심 대기질 개선을 위한 디젤차 PM-NOx 배출가스 규제 현황과 관련 후처리장치 기술동향에 대해서 살펴보기로 한다.

2. 경유차량 신차등록대수 및 보유대수 추이
<그림 1>에 나타낸 바와 같이 일본의 과거 11년간 보통화물트럭 신차등록대수 추이를
살펴보면 1996년부터 2002년까지 지속적으로 감소되다가 2003년부터 급격하게 등록대
수가 증가하는 경향을 보여 2006년에 약 210만대로 정점에 달하고 있다. 이는 2003
년부터 노후 운행차량에 대한 자동차 NOx∙PM법과 동경도 8도현시 조례에 의한 운행규제가 시작되어 신차교체 수요가 폭발적으로 증가한 게 주요 원인이라고 할 수 있다.

한편, 소형트럭에 대한 신차등록은 1992년의 112만대를 정점으로 지속적으로 감소되고 있어 전체 경유차 보유대수는 계속적으로 감소되는 경향을 보이고 있다.

3. 일본의 경유차량 배출가스규제
일본의 경유차에 대한 배출가스 규제는 1972년 PM규제 제정을 시작으로, 1974년에는 추가로 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 규제가 제정되었다. 최근에 와서는 1994년에 단기규제, 1998년 장기규제, 2003년에 신단기 규제, 2005년에 신장기 규제가 시행되어 점진적으로 강화된 PM과 NOx에 대한 배출가스 규제기준이 도입되고 있다. <그림 2>는 대형트럭과 버스 (차량 총중량 3.5톤 이상)의 PM과 NOx에 대한 배출가스 규제동향을 나타내고 있다. 2010년 PM과 NOx의 규제목표치는 1994년 규제치의 PM의 경우 1/70, NOx의 경우 1/10수준으로 단기간에 규제기준이 크게 강화되고 있다.

(1) 자동차 NOx∙PM법
대기오염방지법에 의해 교통정체 등으로 대기오염이 심각한 도로의 대기오염물질 농도를 측정한 결과 대도시권을 중심으로 환경기준을 달성하지 못하고 있는 것으로 나타나 대도시권의 심각한 대기오염 문제해결의 필요성이 대두되었다. 이에 1992년에 자동차 NOx법이 제정되었고, 2001년에는 입자상물질(PM) 배출규제를 추가한 자동차 NOx∙PM법으로 개정되었다. 본 자동차 NOx∙PM법에서는 NOx와 PM배출량이 적은 차를 사용하도록 하는『차종규제』를 도입하여 대도시권 (동경도와 주변 3개현, 오사카∙효고현, 아이치∙미에현)에서 소유 및 운행 가능한 차종을 제한하고 있다.

(2) 개정 자동차 NOx∙PM법
자동차 NOx∙PM법 시행으로 대책지역 내 대기환경은 개선되었으나 교통량이 많은 교차로 등의 국지적인 오염과 대책지역 이외 차량의 도심유입 문제에 대한 대책마련이 필요하게 되었다. 2007년 5월에 개정된 자동차 NOx∙PM법에서는 국지오염대책의 일환으로 대기오염이 심각한 교차로 등을 중점대책지구로 지정하여 대기정화대책을 마련하게 되고, 중점대책지구 내 교통량이 증가할 가능성이 있는 건물 신축 시에는 배출량 억제방안 제출을 의무화시키고 있다. 또한, 대책지역 이외 유입차로 인한 대기오염문제 해결을 위해 대책지역 주변에서 중점대책지구로 운행하는 차량의 사업자에 대해 대상차량의 배가스 배출기준 적합성 유무를 정기적으로 보고하도록 하고 있다.

(3) 동경도 환경확보조례
동경도를 포함한 수도권지역의 부유입자상물질 (SPM)에 의한 대기오염은 심각한 수준이며 특히 도심 대기질 오염의 주범으로 인식되고 있는 노후한 대형 디젤차량에서 배출되는 입자상물질(PM) 배출을 줄이는 것이 가장 효과적인 개선대책이라고 할 수 있다. 반면, 일본정부의 자동차 배출가스 규제는 신차에 대한 규제가 중심으로 운행차에 대한 실질적인 규제가 없는 실정이었다. 이에 동경도는 입자상물질이 건강에 미치는 영향을 중시하여 2000년 12월에 일본정부의 규제일정에 선행해서 운행경유차 배출가스규제를 포함한『환경확보조례』를 제정하였고, 2003년 10월부터 PM배출기준 부적합 디젤차의 운행규제를 시행하였다.

본 조례에서는 운행차 배출 PM을 중점관리하기 위해 PM 배출기준 부적합 디젤차의 도내운행을 금지하고 있으며, 부적합 차량은 동경도 인증 PM저감장치의 장착, 저공해차 (CNG, LPG 등)로의 대체, 배출규제기준에 적합한 신차로 교체방법으로 대응할 것을 의무화하고 있다. 동경도가 제창한 환경확보조례에 근거한 디젤차 규제는 <그림 3>에 나타낸 바와 같이 수도권내 3개현과 4개시까지 확대 시행되게 되었다.

4. 경유차량 연비규제 동향
1997년 12월 지구온난화방지회의 (COP3)에서 교토의정서가 채택되어 선진국을 대상으로 2008부터2012년까지 1990년 대비 5%의 온실가스 삭감목표가 설정되었고 일본의 CO2 삭감할당량은 6%로 결정되었다. 일본은 CO2 삭감목표 6%를 달성하기 위해 1999년 3월에 가솔린 승용∙화물차의 2010년 연비기준 목표치와 경유 승용∙화물차의 2005년도 연비기준 목표치가 공시되었고 현재 대부분의 차량이 연비기준 목표치를 달성하고 있다. 경유차량에 대한 연비기준 목표치 대상범위확대와 목표치 개정작업이 진행되어 2006년 3월에는 중형경유차 (차량 총중량 3.5톤 이상)에 대한 2015년 연비기준 목표치가 제정되었다. <표 1>에 나타낸 바와 같이 2015년 기준 목표치가 달성될 경우, 경유 중형차의 연비는 2002년도 대비 약 12% 개선되게 된다.

5. 일본 국토교통성 인증 PM-NOx 저감장치
자동차 NOx∙PM법에 따라 2002년 10월부터 배출기준 부적합 차량은 대책지역내 등록이 불가하며, 유예기간이 경과된 운행차에 대해서는 자동차검사에서 불합격 판정을 받게 된다. 예를 들어 단기규제(PM 0.7 g/kWh, NOx 6.0 g/kWh) 적합 엔진형식인 KC엔진탑재 차량의 경우에는 한 단계 강화된 장기규제 수준(PM 0.25 g/kWh, NOx 4.5 g/kWh)으로 유해 배출가스를 줄여야 자동차검사를 통과할 수있으며, 이를 위해서는 PM을 70%, NOx를 30% 이상 저감하는 PM-NOx 저감장치를 의무적으로 장착하여야 한다. 현재까지 일본 국토교통성으로 부터 공식인증받은 PM-NOx저감장치를 NOx저감방식에 따라 분류하면 다음과 같다.

(1) HC-SCR 방식 (SK Energy, ACR, 케미칼오토)
본 저감장치는 전단에 NOx 선택환원촉매, 후단에 PM정화용 DPF를 배치하여 NOx와 PM을 동시에 저감한다. 본 시스템에서는 배가스 중에 포함된 NOx를 NOx 선택환원촉매가 담지된 세라믹 또는 메탈지지체에 약 200~600도 배가스 온도범위에서 NOx 배출량에 적정량의 환원제 (경유)를 분사하여 NOx를 무해한 N2로 정화시켜 제거한다. PM정화용 DPF는 DPF내 PM축적량에 따라 촉매식 자연재생과 연료분사식 강제재생을 병용해서 제어할 수 있도록 설계되어 있다.

(2) EGR + DPF (DEPRO사)
본 저감장치는 Retrofit EGR에 의해 실린더 내 연소온도와 압력을 낮추어 NOx발생을 저감하고 있다. 한편, PM저감은 촉매재생식 DPF와 흡기/배기 Throttling 의한 배가스 승온시스템을 결합하여 광범위한 운전영역에서 DPF의 연속재생이 가능하도록 하고 있다.

(3) 에멀젼 연료방식 (S&S엔지니어링)
경유에 물을 일정비율 혼합하여 에멀젼화시킨 연료를 사용하여 NOx와 PM발생량을 저감하는 기술로 에멀젼 경유를 제조하는 장치와 발생된 PM을 포집∙제거하는 DPF의 조합으로 구성되어 있다. 본 시스템의 NOx발생저감원리는 에멀젼연료 내 수분입자의 증발열 흡수로 의해 실린더 내 연소피크 온도가 떨어지는데 기인한다. 한편, 연료 내 수분입자의 고온팽창에 의한 미폭 (微爆) 효과로 연료와 산소의 균일한 Mixing이 완전연소를 촉진하여 PM생성도 일부 억제되는 것으로 보고되고 있다.

6. 향후 경유차 규제 및 기술개발
일본 환경성 발표자료에 의하면 <표 2>에 나타낸 바와 같이 환경기본법에서 정한 대기환경기준 달성률이 과거 10년간 꾸준하게 개선되는 추세를 보여 2004년도 시점에서 NO2가 89%, SPM(부유상입자상물질)이 96%에 이르고 있다.

한편 <표 3>에 나타낸 바와 같이 향후 2009년 도입 예정인 포스트 신장기규제에 대응하기 위해서는대형디젤차(차량 총중량 3.5t 이상)의 경우, NOx 배출량을 신장기 규제의 65%, PM 배출량이 63% 수준까지 저감시켜야 한다. 따라서 연소최적화기술, 흡배기제어기술 및 배가스 후처리기술 등에 대한 지속적인 기술개발이 요구되고 있으며 일본의 연구기관에서 활발한 개발이 진행되고 있으며 일본 정부에서도 의지를 가지고 강력히 정책을 추진중에 있다.