오늘도 어제와 변함없는 연구생활을 보내고 있던 지난 초겨울, 울산대학교 임옥택 교수님으로 부터 오토저널에 연재 되고 있는 일본의 자동차기술동향에 관한 원고 의뢰의 연락을 받게 되었다．필자가 한국을 떠나 일본에서 자동차 내연기관에 관한 연구를 시작하게 되었던 이유를 되새기며, 추천해 주신 임옥택 교수님과 한국자동차공학회에 감사하는 마음으로 승쾌히 수락하였다. 필자가 일본에서 연구생활을 시작한지도 올해로 13년이 되며, 그동안 필자의 입장도 유학생에서 연구원 생활을 걸쳐, 이제는 자신이 연구생할에 몰두하였던 공간에서 학생들을 지도하게 되었다. 지금까지 필자의 연구내용의 성격상, 일본의 자동차 회사와 자동차 부품 관련 회사등과 공동연구의 기회를 많이 가질 수 있었고, 일본정부 관할 하의 신 에너지 개발 기구 (New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO) 의 프로젝트에도 참가하면서 많은 것을 느끼고 경험하며, 일본의 자동차 문화를 이해하게 되었다.

글 / 공준덕 (리츠메이칸 대학 )
제공 / 한국자동차공학회 오토저널 2월호공준덕_리츠메이칸 대학

지금부터 오토저널의 지면을 빌려서 소개하는 내용들은 일본의 자동차 동향의 일부분에 불과하지만, 한국에서 연구생할을 하고 있는 후배들과 자동차에 관심을 가지고 게신 많은 분들에게 조금이나마 도음이 되리라고 기대 하면서, 여섯 차례에 걸쳐서 일본의 자동차 기술동향을 소개 하고자 한다. 첫회에는 일본의 자동차 배기가스 규정의 과거와 현재에 대해 가볍게 접하면서, 필자가연구에 몰두 하고 있는 혁신적 디젤엔진 배기가스 정화시스템 ECR에 대해 기술한다．

일본의 배기가스 규정의 과거와 현재

1950년􀅭1960년대의 일본 자동차 정세는, 고속도로의 발달과 모터 제네레이션에 의해 가속성과 연비가 좋고, 운전 특성이 뛰어난 자동차의 개발이 추진 되었으며, 압축비 향상과 노킹현상 방지에 도움이 되는 연소실 개발
과 유연 가솔린이 도입 되었던 시기였다. 그러나 1960년 􀅭1980년대에 접어 들면서, 가솔린엔진에 의한 대기 오염 문제로 인한 머즈키 규제(Muskie Laws) 대응 방안이 대두되고, 일본정부는 대기오염 방지법과 당시 세계에서 가장 달성하기 어렵다는 배기가스 규정［가솔린엔진 51/53 규제］을 설정하였다. 이로 인해 일본의 자동차 회사들과 각 연구 단체가 협력하여 삼원촉매장치와 전자제어 기술 개발에 성공하고, 무연 가솔린을 투입하면서 당시의 배기가스 규정에 대응하는 자동차 엔진을 개발하게 되었다.

디젤엔진에 대해서도［49규제］가 설립 되지만, 가솔린엔진 규제와 비교해 그다지 까다롭지 않았던 이유로 인해 엔진 구조변경과 연료 분사시기 지연 방식을 도입하면서 규제에 대응했다. 1981년􀅭1999년대에는 전 세계가 오일 쇼크를 경험하면서, 일본 정부는 석유 대체 연료의 개발에 박차를 가하게 되며, 대체 에너지 법안의 제정, 자원 에너지청의 창설, 신 에너지 개발 기구(NEDO)를 창설 하였다. 이 당시의 가솔린엔진은 4Valve-DOHC, 터보차저, 가변 밸브 타이밍 시스템, 희박 연소, 연소실 내부 연료 직접 분사 방식(DI 엔진),EGR 시스템 등의 새로운 기술들이 개발되고, 진보된 삼원촉매 시스템과 병용하면서 규제 성분을 거의 100%에 가깝게 저감할 수 있게 되었다. 이 시기의 후반기에 접어 들면서 디젤엔진은 연료 소비율이 낮고 내구성과 신뢰성이 뛰어날 뿐만 아니라, 이산화탄소의 발생량이 적은 특성으로 인해 지구 온난화 방지에 바람직한 동력원으로 재평가 되어, 슈퍼-차저 인터쿨러(가변 터보), 코먼레일식 연료 펌프, DPF(Diesel Particulate Filter), DOC(Diesel Oxidation Catalyst), SCR(Selective Catalytic Reduction), SNCR(Selective Non - Catalytic Reduction) 등의 기술이 개발되면서 저공해 디젤엔진의 연구 개발이 본격화 되었다.

환경의 세기로 불리는 21세기를 맞이하여, 지구 환경의 보전과 지속적 발전이 가능한 사회의 구축을 향한 대처가 활발한 가운데, 자동차로부터 배출되는 유해 배기 가스의 저감화가 한층 더강하게 요구되고 있다. 가솔린 엔진에 대해서는 2000년에［가솔린 엔진53 규제］에서 22년만에 규제치가 강화되는 것과 동시에 Cold-Start Mode가 새롭게 추가되었다. 현재의 진보한 삼원촉매 시스템은 난기 후에는 규제 성분을 100% 가깝게 저감하는 것이 가능 하지만, 냉간 시동 시의 촉매 시스템이 활성 온도에 달성하기까지 규제 성분이 대량으로 배출되는 것이 문제점 이다. 이러한 상황속에서 저온활성 촉매의 개발, 촉매의 온도상승 특성의 향상, 저온 시의 HC 흡착기술이 요구되고, 촉매의 성능 향상에는 촉매성분의 담지양을 증가하는 것이 효과적이지만 비용 증가로 연결된다. 이 때문에 촉매의 상류부에의 담지량을 부분적으로 증가시키는 방법과 촉매의 분산 상태를 향상시켜 배기가스의 반응 면적의 확대를 도모하는 방법이 실현되고 있
다. 그리고 가까운 미래에는 가솔린엔진에도 연비를 규제하는 법안이 확정되었다. 그 대책 방안으로서 일본의 자동차 메이커의 상당수는 다이렉트 인젝셴 방식(ＤＩ엔진)＋희박 연소를 혼용하여 가솔린엔진에 적용할 것이라고 필자는 예상하고 있다. 그러나 이 방식은 배기가스 중의 잔류산소 농도가 높고, PM이 발생하는 결점으로 인해 종래의 삼원촉매를 사용할 수 없기 때문에, NOx 선택 환원 촉매나 NOx흡장 환원 촉매에 DPF기능을 추가한 새로운 촉매의 개발이 급피치로 진행되고 있다.

디젤엔진에 대해서는 1999년에 장기 규제가 완료 하게 되면서 신단기 규제 및 신장기 규제가 준비되었다. 신장기 규제에 대해서는, 관계 기관이 기술적 대책이 마련되었다고 판단하여 실시 년도를 앞 당길 뿐만 아니라, 세계에서 가장 실현하기 어렵다는 포스트 신장기 규제<표1>의 실시를 확정지었다. 이상과 같이 규제가 더욱 강화되고 있는 가운데, 디젤엔진은 유해 물질의 배출 저감화를 향한 연비 개선과 배기가스 후처리기술이 개발되어 왔다. 특히 후처리기술은 눈부신 향상을 실현하게 되며, 그 중에서도 SCR은 그 효과의 확실성이 인정받아 세계 각국에서 채택 보급되는 추세이므로, 본 원고에서 재차 설명할 필요성은 없을 것이다. DPNR (Diesel Particulate - NOx Reduction), SCR 등을 포함한 현재의 촉매장치에 의한 배기가스 정화방식의 원리는 그다지 어렵지 않지만, 주행모드 JC08과 JE05을 고려하면, 엔진 제어 시스템을 포함한 무수의 조건을 촉매장치에 병용하지 않고 규제 레벨을 달성하는 것은 불가능한 실정이다. 이와같이 최근의 배기가스 후처리시스템은 그 내용이 막대하고 시스템의 구조가 너무나도 복잡하게 형성되어 있으므로, 상세한 내용은 서면상의 이유로 본 원고에서는 생략 하고자 한다. 배기가스 후처리시스템에 관한 상세한 내용은, 필자가 현재 일본의 호리바 제작소(堀場製作所)와 함께 진행하고 있는 획신적 디젤엔진 배기가스 정화장치 ECR시스템의 최종 평가 결과를 소개하는 기회에 같이 설명하고자 한다.

전기 화학적 수법에 의한 디젤 NOx, PM동시 저감 시스템

본 연구는 츠메이칸대학 (立命館大學) 요시하라 요시노부 (吉原福全) 교수에 의해 고안 되었으며, 그 획신적인 내용이 인정 받게되어 2004년 3월 􀅭 2009년 3월까지 독립 행정법인 신 에너지 산업기술 종합 개발기구(NEDO)의 혁신적 차세대 저공해자동차 종합기술개발프로그램∙혁신적 후처리시스템의 연구 개발의 일환으로서 행해지고 있다. 필자는 2006년부터 이 연구에 참가하고 있으며, 본 원고에서는 이 연구의 혁신적인 내용의 일부분을 소개 한다.

디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 CO2의 배출량이 적고 지구 온난화 문제에 유용하지만, 질소산화물(NOx)과 입자장물질 (PM)의 배출량이 많기 때문에 대기 환경보전의 관점으로부터 그 배출양의 저감화가 강하게 요구되고 있다. 가까운 미래에는 디젤엔진의 배기가스 규제 레벨은 가솔린엔진과 동등한 레벨까지 어려워진다고 예상되며, 이것을 클리어 하려면 연소 제어에 의한 배출가스 개선에 추가해 혁신적인 배기가스 후처리 기술의 개발이 불가결하다. 이러한 상황속에서 필자 등은 전기 화학 수법에 의한 PM, NOx의 동시 분해 수법(Electro Chemical Reduction, ECR)을 개발하였다. ECR은 다공질 전극과 기밀질 전해질로 형성된 연료 전지용 전기 화학 셀과는 틀리며, 전해질과 양 전극이 다공질 구조로 형성된 가스투과성을 가진 전기 화학 셀에 커다란 특징이 있다.

이 가스 투과성을 가진 전기 화학 셀을 이용한 ECR은 <그림 1>에 나타내듯이 배기가스를 양극측 으로 부터 음극 측에 통과시켜, 양극측에서는 필터링에 의해서 PM를 포집하고 음극측에서는 NOx 흡장재에 의해NOx을 흡장한다. 그리고 양 전극에 전압을 인가 함으로서 고체 전해질에 의해 산소 이온을 강제적으로 음극에서 양극으로 이동시켜, 양극에서는 산화 분위기가 형성되어 PM가 산화되는 것과 동시에 환원 분위기가 형성 되는 음극에서는 NOx가 환원되어, PM과 NOx의 동시 저감이 실현된다. 아울러 양극 측에서는 HC, CO 등의 산화 분해와 음극에서의 NOx 흡장을 촉진하기 위한 배기가스 중의 NO의 NO2 변환이 행해진다.

지금까지 고체 전해질에는 안정화 산화 지르코늄(Yttria Stabilized Zirconia, YSZ)을 이용하고, 모의 배기가스 (O2, NOx, N2 Balance)를 사용한 ECR의 PM, NOx 동시 분해 시험을 실시한 결과, 약 90%의 PM저감과 약 90%의 NOx 분해를 실현할 수 이었으며, 높은 실용화의 가능성을 증명하였다. 한편으로는 YSZ의 작동온도가 약 400℃로 높고, JE05 JC08 모드 운전중의 배기가스 온도를 상정 했을 경우, ECR 시스템의 저온 작동화가 불가결하다. 현재 전해질에는 저온 상태에서 이온도전성을 가진 가드리움 첨가 세리아 (Gadoliniumdoped Ceria, GDC)를 이용함과 동시에 배기가스 중의 공존 가스 CO2의 영향을 줄이기 위한 NOx 흡장제의 고분산 담지가 실현되어, 실제 배기가스를 이용했을 경우 에도 높은 PM, NOx 동시 분해와 ECR 시스템의 저온 작동화가 가능하게 되었다. 그리고 <그림 2>에 나타내듯이 여러가지 형태의 하니컴 ECR시스템의 개발에 성공하여,신장기 규제 대응의 디젤엔진을 사용한 JC08모드 운전에 의한 최종 평가를 실시하고 있다.