자동차기술의 현재와 미래-4. 자동차 배기후처리기술의 현황 및 전망
페이지 정보
글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
|
승인 2008-08-22 03:07:16 |
본문
1. 서론
이 글에서는 주로 디젤 후처리장치에 대해서 논하려고 한다. 가솔린 촉매의 경우 냉간 시동 후 배출되는 Hydrocarbon을 줄이기 위해 Hydrocarbon Trap이나 전기를 이용한 가열 등 다양한 방법이 강구되고 있고, 직접분사식(GDI) 가솔린 엔진의 경우에는 배출되는 NOx를 저감하기 위한 Lean NOx Trap의 개발이 진행되고 있으며, 또한 입자상물질의 입자 수 기준 규제에 대응한 준비가 진행되는 등 가솔린 후 처리장치에 대한 연구도 다양하게 진행되고 있지만, 현재 규제를 만족하기 위해 활발하게 진행되는 디젤 후처리장치에 초점을 맞추어 설명하고자 한다.
글 / 전광민 (연세대학교)
디젤 후처리장치에는 디젤산화촉매(DOC : Diesel Oxidation Catalyst), 매연여과장치(DPF : Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction : 주로 요소를 사용한 deNOx 장치를 칭하며 이를 Urea SCR이라고 부름), LNT (Lean NOx Trap) 등이 있으며 그 외에 디젤연료를 환원제로 사용하는 HC-SCR이 있다. 후처리장치는 엔진에서 배출되는 오염물질을 줄이는 장치이므로 엔진에서 어떤 물질이 배출되느냐에 따라 다른 특성이 요구된다. 기존의 엔진에서 배출되는 입자상물질은 육안으로 확인이 가능하고 인간의 폐에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려져 일찍부터 관심의 대상이 되었으며, 규제의 강화에 따라 유럽에서는 2009년에 시작되는 Euro 5 규제 이후에 생산되는 모든 차량에 DPF가 장착될 것으로 보인다.
이에 비해 눈에는 보이지 않지만 오존생성이나 산성비에 영향을 미치는 NOx를 저감하는 기술은 점차 디젤엔진에서 가장 중요한 기술로 여겨지고 있으며, NOx를 저감시키는 동시에 NOx와 Trade-off 관계에 있는 연비의 악화를 방지하기 위해 전 세계적으로 많은 완성차 업체와 촉매업체들이 노력하고 있다.
최근에는 엔진실린더 내 연소 온도와 연소 후 온도를 낮추어 NOx를 줄이려는 움직임이 활발하다. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 또는 PCCI (Premixed Charge Compression Ignition)이라 불리는 연소방식은 연료를 미리 공기와 혼합시키고 자연발화시키는 방식으로 부하가 낮은 경우에 적용할 수 있으며, 실린더 내의 온도가 낮아 NOx 발생량이 적다. 그러나 이 방식은 연비가 나빠지고 HC와 CO의 발생이 많아질 수 있으므로 이를 저감할 수 있는 DOC의 개발이 필수적이다.
이와 같이 새로운 연소방식에는 거기에 적합한 후처리장치의 개발이 필요하다. 점차 강화되는 규제를 맞추려고 노력하다 보면 연비가 나빠질 수 있고 이는 디젤엔진의 장점을 감소시키므로 다른 엔진과 경쟁하기 위해서는 연비 악화 방지를 고려함과 동시에 배기가 청정한 엔진을 개발해야 한다. 어떤 오염물질을 얼마나 저감할지, 또 남은 오염물질은 후처리 장치로 얼마나 감소시킬지 최적화하는 것이 엔진 분야에서 점차 중요한 이슈가 될 것이다. 앞으로는 이와 같은 엔진과 후처리장치의 연계 개발이 완성차업체와 촉매업체의 중요한 숙제이다.
DOC는 주로 HC와 CO를 산화시키는 역할을 하며, NO를 NO2로 산화시켜 DPF에서의 Soot 산화에 이용하거나 Urea SCR의 효율을 높이는 NO/NO2 비율을 만들기 위해 사용한다. 저온에서의 활성이 중요하여 주로 백금촉매를 사용하였으나 최근 가격이 급상승하여 업체들은 Pd로 대체하려고 노력하고 있다. 연료에 황이 있는 경우 DOC에서 Sulfate가 생성되어 입자상물질이 증가할 수 있으므로 주의해야 한다.
DPF는 Soot의 여과효율이 매우 높아 효율적이나 Soot의 재생 시에 발생할 수 있는 고온에 의한 손상을 주의하여야 하며, DPF 내에 쌓여있는 Soot의 질량을 정확히 예측하여야 한다. 주로 DPF 양단의 압력강하를 측정하여 질량을 예측하는데, 경우에 따라 이들 간의 관계가 달라질 수 있으므로 또한 주의하여야 한다. Urea SCR은 주로 Fe나 Cu-based Zeolite를 사용하며, Vanadium-based를 사용하기도 한다. 저온에서는 Cu가 유리하나 일본에서는 유해물질인 관계로 Fe를 선호한다. 이들의 효율은 NO/NO2 비율에 민감하며 1 정도일 때 효율이 높다. 저온에서의 활성 저하가 중요한 문제로, 주로 저온에서 사용되는 경우 강제가열이 고려되고 있으며 액체 상태에서 어는 것을 방지하는 것도 중요하다.
LNT는 Urea SCR에 비해 효율이 낮으나 연료를 환원제로 공급하므로 따로 환원제 공급망을 구축할 필요가 없어 유리하다. 하지만 황에 의해 피독되고, 잦은 NOx 재생의 경우 연비가 악화되는 단점이 있다. 또 촉매로 이용되는 백금의 가격이 최근 들어 상승함에 따라 LNT의 가격 경쟁력이 약화되고 있다. HC-SCR은 과거에는 20%대의 낮은 NOx 저감 효율로 그 실용성이 떨어졌으나, 최근에는 효율이 높아지고 있으며 엔진에서의 저온 연소로 인한 낮은 NOx와 높은 HC 농도로 인해 그 실용성이 높아지고 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 만들어 낼 경우 저온에서의 효율을 높일 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
아래에서는 올해 4월 미국 Detroit에서 있었던 SAE Congress에서 발표된 내용 중 주로 디젤배기후처리에 관한 부분을 정리하려 한다(Diesel Exhaust Emission Control SP-2154에 있는 내용).
2. Diesel Particulate Filter
최근에 강화되는 자동차 배기규제를 만족하기 위해 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질과 질소산화물을 줄이려는 연구개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. PM은 DPF에 의해서 걸러지고 산화되며, NOx는 배기재순환(EGR : Exhaust Gas Recirculation)이나 촉매(deNOx Catalyst)에 의해 감소된다. DPF와 관련하여 발표된 새로운 연구결과는 주로 포집방법과 재생방법에 관한 내용이었다. DPF의 주종은 세라믹을 이용한 필터인데 배기중의 PM은 얇은 세라믹 벽을 통과하면서 그 안이나 표면에 쌓인다. 초기에는 벽 안에 쌓이며 이로 인해 배압이 빠르게 증가한다(Deep Bed Filtration이라 부름).
그 다음에 표면에 쌓이는데 이때는 압력의 증가도 작고 이미 쌓인 부분에 또 쌓이기 때문에 아주 작은 입자도 걸러진다(Cake Filtration이라 부름). 이번에 발표된 SAE Paper에서는 DPF 벽안에 쌓이는 것을 방지하고 처음부터 벽 표면에 쌓이게 하기 위해 Pore 크기가 매우 작은 얇은 벽면(Layer)을 한 겹 더 추가한다는 내용이 있었다(SAE 2008-01-0618, 0620, 0621 참고). 이 경우에 Filtration Efficiency는 높고 Back Pressure 증가는 낮았으며, 쌓인 Soot과 Back Pressure 증가가 선형적이고 재생효율도 높았다.
하였다(SAE 2008-01-0335). 현대자동차의 연구결과는 가운데가 갈라지는 Ring-off-crack(ROC)이 온도의 구배와 열응력에 기인함을 보여주었다(SAE 2008-01-0765).
그 외에 Umicore에서 산화촉매가 Soot 입자와 직접 접촉해서 낮은 온도에서 산소와 반응하는 현상에 대해 보고하였는데, NO2에 의해 Soot이 산화되면서 산화촉매와의 직접 접촉이 감소하는 현상을 설명하였고 이를 NO2-Decoupling이라 명명하였으며(SAE 2008-01-211), Michigan Tech. University에서 CDPF에 쌓여있는 Soot의 질량을 간단한 대수방정식에 의해 계산하는 방식을 발표하였다(SAE 2008-01-363).
3. PM과 NOx의 동시 저감
도요타에서는 PM과 NOx를 동시에 저감하는 DPNR의 NOx 저감 성능을 높이는 연구를 보고하였다(SAE 2008-01-0065). 백금촉매가 열에 의해 Sintering되어 NOx 흡장능력이 감소하는 것을 막기 위해 CeO2와 Al2O3를 결합하여 촉매의 Sintering을 막고 NOx 저장을 높이는 방식을 소개하였으며 New NEDC에서 70% 이상의 NOx 저감 효과를 얻었다. GM에서는 Cu/Zeolite SCR/DPF를 소개하였다. Cu/Zeolite Based DPF에 SCR촉매를 입히고 NH3를 이용하여 NOx를 제거하는 PM과 NOx 동시 저감장치가 그것이며(SAE 2008-01-0072), DOC와 SCR 촉매가 DPF 재생 시의 고온에 의해 열화 되는 것에 대해 실험하였다.
4. LNT (Lean NOx Trap)
Oak Ridge National Lab.에서 엔진 실린더 내에 연료를 분사하는 두 가지 방식과 세 가지 촉매의 조합에 대해 NOx 저감 효과를 비교하였으며, 촉매후단에서의 NH3 배출농도를 비교하였다(SAE 2008-01-0448). Ford에서는 200℃ 이하의 낮은 온도에서 높은 활성을 가지는 Alumina-Based LNT에 대해 보고하였다(SAE 2008-01-0451). 기존의 Ba-on-alumina LNT 앞에 약간의 Ba이 포함된 Alumina-based LNT를 위치시켰을 때 높은 deNOx 효율을 얻었다. Umicore에서는 Tier 2 Bin 5를 만족할 수 있는 세 가지 NOx 저장촉매를 비교실험하였으며 (SAE 2008-01-0397), 고온에 잘 견디는 촉매를 앞에, 그
리고 탈황이 상대적으로 낮은 온도에서 일어나는 촉매를 뒤에 위치시키면 30,000mile 후에도 80% 정도의 deNOx 효율을 갖는다는 것을 보였다.
5. 기타
암모니아를 환원제로 이용하는 SCR (Selective Catalyst Reduction) 촉매와 관련하여 저온에서의활성화를 위한 방안, Cu-Zeolite 촉매의 효율, Vanadium 촉매의 이점, Hydrocarbon에 의한 촉매 피독에 대한 발표가 있었으며, 다양한 EGR System이 소개되었고 버너를 이용한 새로운 DPF 재생 방식 등에 관한 발표가 있었으나 지면 관계상 생략한다.
이 글에서는 주로 디젤 후처리장치에 대해서 논하려고 한다. 가솔린 촉매의 경우 냉간 시동 후 배출되는 Hydrocarbon을 줄이기 위해 Hydrocarbon Trap이나 전기를 이용한 가열 등 다양한 방법이 강구되고 있고, 직접분사식(GDI) 가솔린 엔진의 경우에는 배출되는 NOx를 저감하기 위한 Lean NOx Trap의 개발이 진행되고 있으며, 또한 입자상물질의 입자 수 기준 규제에 대응한 준비가 진행되는 등 가솔린 후 처리장치에 대한 연구도 다양하게 진행되고 있지만, 현재 규제를 만족하기 위해 활발하게 진행되는 디젤 후처리장치에 초점을 맞추어 설명하고자 한다.
글 / 전광민 (연세대학교)
디젤 후처리장치에는 디젤산화촉매(DOC : Diesel Oxidation Catalyst), 매연여과장치(DPF : Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction : 주로 요소를 사용한 deNOx 장치를 칭하며 이를 Urea SCR이라고 부름), LNT (Lean NOx Trap) 등이 있으며 그 외에 디젤연료를 환원제로 사용하는 HC-SCR이 있다. 후처리장치는 엔진에서 배출되는 오염물질을 줄이는 장치이므로 엔진에서 어떤 물질이 배출되느냐에 따라 다른 특성이 요구된다. 기존의 엔진에서 배출되는 입자상물질은 육안으로 확인이 가능하고 인간의 폐에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려져 일찍부터 관심의 대상이 되었으며, 규제의 강화에 따라 유럽에서는 2009년에 시작되는 Euro 5 규제 이후에 생산되는 모든 차량에 DPF가 장착될 것으로 보인다.
이에 비해 눈에는 보이지 않지만 오존생성이나 산성비에 영향을 미치는 NOx를 저감하는 기술은 점차 디젤엔진에서 가장 중요한 기술로 여겨지고 있으며, NOx를 저감시키는 동시에 NOx와 Trade-off 관계에 있는 연비의 악화를 방지하기 위해 전 세계적으로 많은 완성차 업체와 촉매업체들이 노력하고 있다.
최근에는 엔진실린더 내 연소 온도와 연소 후 온도를 낮추어 NOx를 줄이려는 움직임이 활발하다. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 또는 PCCI (Premixed Charge Compression Ignition)이라 불리는 연소방식은 연료를 미리 공기와 혼합시키고 자연발화시키는 방식으로 부하가 낮은 경우에 적용할 수 있으며, 실린더 내의 온도가 낮아 NOx 발생량이 적다. 그러나 이 방식은 연비가 나빠지고 HC와 CO의 발생이 많아질 수 있으므로 이를 저감할 수 있는 DOC의 개발이 필수적이다.
이와 같이 새로운 연소방식에는 거기에 적합한 후처리장치의 개발이 필요하다. 점차 강화되는 규제를 맞추려고 노력하다 보면 연비가 나빠질 수 있고 이는 디젤엔진의 장점을 감소시키므로 다른 엔진과 경쟁하기 위해서는 연비 악화 방지를 고려함과 동시에 배기가 청정한 엔진을 개발해야 한다. 어떤 오염물질을 얼마나 저감할지, 또 남은 오염물질은 후처리 장치로 얼마나 감소시킬지 최적화하는 것이 엔진 분야에서 점차 중요한 이슈가 될 것이다. 앞으로는 이와 같은 엔진과 후처리장치의 연계 개발이 완성차업체와 촉매업체의 중요한 숙제이다.
DOC는 주로 HC와 CO를 산화시키는 역할을 하며, NO를 NO2로 산화시켜 DPF에서의 Soot 산화에 이용하거나 Urea SCR의 효율을 높이는 NO/NO2 비율을 만들기 위해 사용한다. 저온에서의 활성이 중요하여 주로 백금촉매를 사용하였으나 최근 가격이 급상승하여 업체들은 Pd로 대체하려고 노력하고 있다. 연료에 황이 있는 경우 DOC에서 Sulfate가 생성되어 입자상물질이 증가할 수 있으므로 주의해야 한다.
DPF는 Soot의 여과효율이 매우 높아 효율적이나 Soot의 재생 시에 발생할 수 있는 고온에 의한 손상을 주의하여야 하며, DPF 내에 쌓여있는 Soot의 질량을 정확히 예측하여야 한다. 주로 DPF 양단의 압력강하를 측정하여 질량을 예측하는데, 경우에 따라 이들 간의 관계가 달라질 수 있으므로 또한 주의하여야 한다. Urea SCR은 주로 Fe나 Cu-based Zeolite를 사용하며, Vanadium-based를 사용하기도 한다. 저온에서는 Cu가 유리하나 일본에서는 유해물질인 관계로 Fe를 선호한다. 이들의 효율은 NO/NO2 비율에 민감하며 1 정도일 때 효율이 높다. 저온에서의 활성 저하가 중요한 문제로, 주로 저온에서 사용되는 경우 강제가열이 고려되고 있으며 액체 상태에서 어는 것을 방지하는 것도 중요하다.
LNT는 Urea SCR에 비해 효율이 낮으나 연료를 환원제로 공급하므로 따로 환원제 공급망을 구축할 필요가 없어 유리하다. 하지만 황에 의해 피독되고, 잦은 NOx 재생의 경우 연비가 악화되는 단점이 있다. 또 촉매로 이용되는 백금의 가격이 최근 들어 상승함에 따라 LNT의 가격 경쟁력이 약화되고 있다. HC-SCR은 과거에는 20%대의 낮은 NOx 저감 효율로 그 실용성이 떨어졌으나, 최근에는 효율이 높아지고 있으며 엔진에서의 저온 연소로 인한 낮은 NOx와 높은 HC 농도로 인해 그 실용성이 높아지고 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 만들어 낼 경우 저온에서의 효율을 높일 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
아래에서는 올해 4월 미국 Detroit에서 있었던 SAE Congress에서 발표된 내용 중 주로 디젤배기후처리에 관한 부분을 정리하려 한다(Diesel Exhaust Emission Control SP-2154에 있는 내용).
2. Diesel Particulate Filter
최근에 강화되는 자동차 배기규제를 만족하기 위해 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질과 질소산화물을 줄이려는 연구개발이 전 세계적으로 진행되고 있다. PM은 DPF에 의해서 걸러지고 산화되며, NOx는 배기재순환(EGR : Exhaust Gas Recirculation)이나 촉매(deNOx Catalyst)에 의해 감소된다. DPF와 관련하여 발표된 새로운 연구결과는 주로 포집방법과 재생방법에 관한 내용이었다. DPF의 주종은 세라믹을 이용한 필터인데 배기중의 PM은 얇은 세라믹 벽을 통과하면서 그 안이나 표면에 쌓인다. 초기에는 벽 안에 쌓이며 이로 인해 배압이 빠르게 증가한다(Deep Bed Filtration이라 부름).
그 다음에 표면에 쌓이는데 이때는 압력의 증가도 작고 이미 쌓인 부분에 또 쌓이기 때문에 아주 작은 입자도 걸러진다(Cake Filtration이라 부름). 이번에 발표된 SAE Paper에서는 DPF 벽안에 쌓이는 것을 방지하고 처음부터 벽 표면에 쌓이게 하기 위해 Pore 크기가 매우 작은 얇은 벽면(Layer)을 한 겹 더 추가한다는 내용이 있었다(SAE 2008-01-0618, 0620, 0621 참고). 이 경우에 Filtration Efficiency는 높고 Back Pressure 증가는 낮았으며, 쌓인 Soot과 Back Pressure 증가가 선형적이고 재생효율도 높았다.
하였다(SAE 2008-01-0335). 현대자동차의 연구결과는 가운데가 갈라지는 Ring-off-crack(ROC)이 온도의 구배와 열응력에 기인함을 보여주었다(SAE 2008-01-0765).
그 외에 Umicore에서 산화촉매가 Soot 입자와 직접 접촉해서 낮은 온도에서 산소와 반응하는 현상에 대해 보고하였는데, NO2에 의해 Soot이 산화되면서 산화촉매와의 직접 접촉이 감소하는 현상을 설명하였고 이를 NO2-Decoupling이라 명명하였으며(SAE 2008-01-211), Michigan Tech. University에서 CDPF에 쌓여있는 Soot의 질량을 간단한 대수방정식에 의해 계산하는 방식을 발표하였다(SAE 2008-01-363).
3. PM과 NOx의 동시 저감
도요타에서는 PM과 NOx를 동시에 저감하는 DPNR의 NOx 저감 성능을 높이는 연구를 보고하였다(SAE 2008-01-0065). 백금촉매가 열에 의해 Sintering되어 NOx 흡장능력이 감소하는 것을 막기 위해 CeO2와 Al2O3를 결합하여 촉매의 Sintering을 막고 NOx 저장을 높이는 방식을 소개하였으며 New NEDC에서 70% 이상의 NOx 저감 효과를 얻었다. GM에서는 Cu/Zeolite SCR/DPF를 소개하였다. Cu/Zeolite Based DPF에 SCR촉매를 입히고 NH3를 이용하여 NOx를 제거하는 PM과 NOx 동시 저감장치가 그것이며(SAE 2008-01-0072), DOC와 SCR 촉매가 DPF 재생 시의 고온에 의해 열화 되는 것에 대해 실험하였다.
4. LNT (Lean NOx Trap)
Oak Ridge National Lab.에서 엔진 실린더 내에 연료를 분사하는 두 가지 방식과 세 가지 촉매의 조합에 대해 NOx 저감 효과를 비교하였으며, 촉매후단에서의 NH3 배출농도를 비교하였다(SAE 2008-01-0448). Ford에서는 200℃ 이하의 낮은 온도에서 높은 활성을 가지는 Alumina-Based LNT에 대해 보고하였다(SAE 2008-01-0451). 기존의 Ba-on-alumina LNT 앞에 약간의 Ba이 포함된 Alumina-based LNT를 위치시켰을 때 높은 deNOx 효율을 얻었다. Umicore에서는 Tier 2 Bin 5를 만족할 수 있는 세 가지 NOx 저장촉매를 비교실험하였으며 (SAE 2008-01-0397), 고온에 잘 견디는 촉매를 앞에, 그
리고 탈황이 상대적으로 낮은 온도에서 일어나는 촉매를 뒤에 위치시키면 30,000mile 후에도 80% 정도의 deNOx 효율을 갖는다는 것을 보였다.
5. 기타
암모니아를 환원제로 이용하는 SCR (Selective Catalyst Reduction) 촉매와 관련하여 저온에서의활성화를 위한 방안, Cu-Zeolite 촉매의 효율, Vanadium 촉매의 이점, Hydrocarbon에 의한 촉매 피독에 대한 발표가 있었으며, 다양한 EGR System이 소개되었고 버너를 이용한 새로운 DPF 재생 방식 등에 관한 발표가 있었으나 지면 관계상 생략한다.
