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)

6. 영국 LEZ내 경유자동차 후처리시스템 적용 현황
1. 서론
최근 유럽 의회는 2007년 10월 24일 전체회의에서 EU집행위원회가 제안한‘자동차 이산화탄소 규제 전략안’에 대하여 결의안을 채택해 발표하였다. 이 결의안의 주된 내용은 자동차 제작사의 평균 이산화탄소 배출량 강제목표를 2015년부터 자동차기술 자체로부터 125g/km 이내로 한정하며, 장기적으로는 2020년 1월부터 94g/km, 2025년부터는 75g/km이내로 함이 주된 내용이다. 그러나 이는 당초 EU집행위원회에서 제시한 2012년까지 130g/km 보다는 완화된 것이지만, 그 동안 EU집행위원회가 자동차업계(유럽, 한국, 일본)와 자발적 협약 형태로 이산화탄소 배출규제를 해 오던 것에서, 법에 근거한 강제규제로의 전환을 도모하는 의견수렴과정의 첫 디딤돌을 놓은 것에 해당된다. 더불어 유럽연합은 인체위해의 심각한 수준을 세제곱미터당 50㎍의 미세먼지가 연간 35일 이상이 될 경우로 한계치를 정하고있다<표 1>. 따라서 이를 초과한 경우에는 각 국가별로 관련제도를 마련중에 있는 상황이다.

글/이진욱(한국기계연구원)

이와 같이 새로운 환경기준(이산화탄소 규제) 강화와 기존 유럽의 자동차 산업(소형화, 연비 강조)의 2가지 맥락에서 볼 때, 가장 유리한 내연기관(Internal Combustion Engine)인 직접 분사식 디젤엔진(Direct Injection Diesel Engine)은 21세기에 들어서면서 사회적 인식의 전환과 더불어 관련 첨단 엔진 기술개발로 인해 이의 사용증가가 예상되고 있다. 그러나 이와 함께 디젤엔진에서 발생되는 입자상 물질(PM,Particulate Matters)의 저감 기술은 디젤엔진만이 가지고 있는 현안 문제이다.

따라서 본 고에서는 대기 환경오염이 최대 현안 이슈로 떠오른 시점에서, 영국 특히 런던에서 진행되고 있는 경유자동차의 배기 후처리시스템 적용 현황을 최근 수립된 대기 환경정책과 함께 고찰하고자 한다.

2. LEZ 도입 배경 및 주요 현황
먼저, 영국 런던의 대기오염 수준은 그 동안의 많은 노력에도 불구하고, 유럽 주요 도시뿐 만 아니라 영국의 타 도시와 비교해 볼 때, 최저 상태인데, 이는 도로 교통(Road Traffic) 수단에 의한 오염물질 배출이 가장 주된 원인인 것으로 판단하고 있다<그림 1>. 이미 런던에서는 각 지역을 존(Zone)별로 구분해서 인적 및 물적 자원의 이동에 대한 비용 부담을 차등화하고 있으며, 특히 일부 중심 지역에 한해서는 교통 혼잡 통행료(Congestion Charging)를 부과하고 있는 실정이다. 또한 이미 2002년부터 영국정부는 자동차세를 자동차의 이산화탄소 배출량에 따라 15%에서 35%사이의 유동적인 세율을 적용하고 있다. 예를 들면, 이산화탄소 배출량이 139g/km인 Honda Jazz 구입 시, 자동차 구입가격의 15%에 대해서 세금을 부과하지만,Audi A4와 같이 이산화탄소 배출량이 153g/km인 경우는 자동차 구입가격의 35%에 대해서 세금을 부과한다. 현재에는 이와 함께, 2008년 2월부터 저공해 지역(LEZ,Low Emission Zone)시행을 앞두고 있는데, 최근 이에 대한 공식 여론조사 결과, 응답자의 약 75%가 이 제도 시행에 찬성한 상태이다.

<그림 2>는 런던의 주요 터미널 및 버스 정류장에서 쉽게 볼 수 있는 런던의 저공해 지역 홍보 포스터이다. 이 제도를 바탕으로 해서, 적용 대상 교통수단별로 언제부터 어떻게 이 제도가 영향을 미치며, 이를 위해 어떠한 노력(기술개발)을 해야 하는지에
광범위한 런던 대기 정화제도를 마련중에 있다. 참고로 이와 유사한 제도를 독일 바덴-뷔르템베르크주에서 2007년말에 시행 발표했는데, 이의 주된 내용은 미세먼지방지를 위한 차량통제법에 의해 2008년 3월부터 환경보호지역에서는 단지 친환경 차량만이 통행할 수 있으며, 특히 배기후처리 장치를 미부착하여 EURO III 기준을 만족하지 못한 디젤차량의 통행을 금지함인데, 농지 및 임업용 기관차와 병원 응급용 차량은 이 규정에서 제외되는 특징이 있다. <그림 3>은 런던의 저공해 지역 알림 표지판 및 LEZ 적용 지역을 나타낸 것이다. 런던 중심부를 기준해서 M25도로이내 반경 약 25km내 지역을 대상으로 하고 있다.

<표 2>는 LEZ 내 적용 차종 및 적용 배출허용기준을 나타낸 것이다. 모두 디젤엔진을 탑재한 중대형 경유 자동차에 국한하고 있으며, 일반 승용차, 이륜자동차와 1.2톤 이하 소형 화물차 또한 비도로용 및 군사용 차량 그리고 1973년 이전 등록된 차량(Historic Vehicle)에는 적용되지 않는다. 적용된 배출허용기준은 2008년 EURO III에서 시작하여 2012년 EURO IV까지 Phase-in하도록 설정되어져 있다. 따라서 기존 대상 차량 소유자는 (1) 배출허용기준을 만족하는 신규 차량구입 (2) 기존차량에 저공해 장치 부착 또는 대체연료 엔진 개조(예, 수소연료 버스) 그리고 (3) 기존차량 운행 시, 운행비 납부(Pay a Daily Charge, 2008년 기준 200파운드/운행일)중에서 한 가지의 방법을 택해야 하며, 이를 준수하지 않은 경우, 상당한 액수의 벌금을 별도로 납부 또는 해당 차량 운행중지를 위한 법적 강제 조치가 행해진다.

이 가운데에서, 저공해장치(Pollution Abatement Equipment) 장착의 경우에는Particulate Trap 또는 Partial Filter를 대상으로 하고 있다. 이 두 가지는 이들 장치로 인해 만족한 EURO 배출허용기준단계로 구분되는데, 예를 들어 Step-one EURO 기준 (EURO II 에서 III 또는 EURO III 에서 IV)을 만족하는 저감 성능은 Partial Filter에서 가능하다. 물론 Step-two EURO 기준 이상을 만족하기 위해서는 Particulate Trap 장치의 부착이 필수적이다.

그리고 기존 경유차량에 인증 완료된 저공해 후처리 장치(Particulate Traps과 Partial Filters)를 장착하고 인증시험을 신청하는 역할을 하는 주요 공급회사는 아래와 같으며, 대부분 EURO III와 IV 배출 허용기준을 만족할 수 있는 후처리시스템을 공급하고 있다.

􀓋Astra Vehicle Technologies 􀓋Eminox
􀓋GAT Eurocat (Eurofilter) 􀓋Clean Diesel Technologies
􀓋KleenAir Systems 􀓋Dinex Exhausts (Dinex DiPEX)
􀓋Per-Tec (PowerTrap) 􀓋Englehard DPX and Johnson Matthey
􀓋Lubrizol ECS

<표 3>은 이들 장치의 예를 나타낸 것으로써, KleenAir Systems사와 Per-Tec사에서는 EURO III 기준용 후처리장치를 주로 공급하고 있는 반면, 이 외 후처리장치는 모두 EURO IV를 만족함을 알 수 있다.

3. LEZ 대비 주요 후처리시스템 특징
기존 노후된 경유자동차 엔진에서 배출되는 유해물질을 후처리장치의 부착을 통해 대부분 저감하는 응용기술(Retrofit)의 개발로 인해, 현재 LEZ 제도 시행을 앞둔 영국에서는 이에 대한 제도적인 틀을 이미 마련한 상태이다. 이의 가장 핵심이 되는 LEZ 대비 주요 경유자동차 후처리장치 공급사의 저감장치 특징을 살펴보면 다음과 같다.<그림 4>와 같이 크게‘Wall Flow’방식의 실리콘 카본필터, Additive Injection 그리고 Fuel Borne Catalyst로 구성된 Active Regeneration 방식을 적용하여 PM을 약 90%까지 저감하는 특징이 있다. 세라믹벽면(Porous Type)을 통해 엔진배기는 빠져 나가며, 입자상물질만 필터에 축적이 되는데, 축적된 PM은 촉매연소가 가능하도록 사전에 배압이 모니터링된다. 이 장치의 연료 주입 및 제어장치 개략도와 실제 적용차량을 <그림 5>에 나타내었다.

􀓋Eminox CRT 시스템
연료첨가제 주입에 의한 촉매연소방식과 함께 디젤 산화촉매(DOC)를 결합한 연속재생방식인 이 시스템은 <그림 6>과 같은 배기성능을 가지도록 설계되어져 있는데, PM저감 뿐만 아니라, HC, CO저감이 동시에 가능하며, 주로 초저유황 경유를 사용하는 과급 디젤엔진에 적용되고 있다.

􀓋KleenAir 시스템
PM저감 효율을 최대 60%를 목표로 하여 기존 EURO II 차량을 EURO III를 만족하도록, 기존 배기 소음기 대신에 쉽게 장착할 수 있으며, 또한 스팀이나 Water Jet으로 쉽게 유지/보수할 수 있도록 설계 되어져 있어 비교적 경제적이다. 또한 기존 Wall-flow Filter보다 낮은 배압을 유지할 수 있도록 Freeflow Metal Filter를 적용한 특징이 있다. 그러나 낮은 PM 축적으로 인해 보다 자주 재생해야 하는 단점도 가지고 있다. <그림 7>은 필터 각 층이 Metal Fiber Fleece로 필터 각 층이 짜여져 Metal 촉매로 코팅되어 결합된 Metal Foil과 열적 내구성이 강화된 초미세‘Chrome-nickel Steel' Metal Power로 코팅된 Metallic Wire Mesh 재질로 구성된 Metal Filter를 나타낸 것이다.

􀓋Per-Tec 시스템
Partial DPF의 일종으로써, 구입비용(£1,365 정도)이 비교적 경제적이며, 특히 런던시내의 교통혼잡지역 특성(낮은 배기온도)과 고속주행 시 재생제어조건을 적용하여 약 50~60%의 PM저감 효율을 지니고 있다. 본 시스템은 크게 <그림 8>과 같이 전기히터와 세라믹 필터로 구성되며,주기적인 정화과정을 통해 전기히터의 오염을 최소화해야 한다.

􀓋Dinex 시스템
연속적인 재생을 위해 배출가스온도가 평균 240℃ 이상 유지되어져야 하며, <그림 9>에서 보듯이 세라믹계열의 SiC 재질을 중심으로 한 허니콤 필터가 주로 사용되며, 배출가스가 필터 벽면을 통과하는 방식의 허니콤 형태 필터들은 포집 효율이95% 이상이다. LEZ용 적용차량을 위해서, 기존단점인 엔진 배압 증가를 최소화하도록 필터 기공율(Porosity)을 크게 하는 방향으로 현재 개발 완료된 상태이다.

4. 결론
요약하면, 현재 영국은 기후변화와 관련하여 지구 온난화에 기여하는 이산화탄소 배출규제와 당면하고 있는 에너지 위기에 대비하여, 교통혼잡지역을 설정하여 신차 등록 감소 및 저에너지형 대중 교통수단 활성화를 유도하고 있다. 이와 더불어서 2008년부터는 저공해지역 제도를 도입하여 인체(위해성) 및 환경(대기질 개선)에 대한 유해물질 저감에 박차를 가하고 있다. 특히 성공적인 런던 LEZ 제도 정착을 위해서는 2008년부터 2012년까지 실제로 상용화 가능한 경유자동차용 후처리장치의 단계별 성능이 확보되어져야 한다. 이를 위해 영국 국내 뿐만 아니라 국제 전문관련기관에서의 기술개발협조를 이미 당부한 상태이다 (2007년 5월,Statement by the Mayor on the London Low Emission Zone 참고).

이러한 시대적 배경과 요구(Need)를 참조하여 국내 자동차 제작사 및 국내 전문기관에서 보유 또는 개발중인 경유자동차용 후처리시스템에 대해, 보다 적극적인 실용화를 국내뿐만 아니라 국제적으로 추진할 필요가 있다. 이를 위한 세부적 글로벌 기술지원 제도를 강화해야 한다.

지금까지, 산유국이면서 많은 에너지 자원을 가지고 있는 영국에서 진행되고 있는 자동차환경 관련 최근 정책을 간략히 살펴보았다. 이를 참고하여 우리도 보다 깨끗하고 청정한 대기환경을 구현하는 방법(3 低정책 : 자동차연료소비, 대기오염, 교통혼잡)을 확고히 설정하여 이를 로드맵대로 지속 진행하길바라면서 이 글을 맺고자 한다.
(자료제공: 한국자동차공학회)