1. 서론
디젤엔진은 1990년대에 새로운 연료분사방식인 Common-rail의 적용으로 효율과 소음 면에서 대폭 개선되어 유럽에서는 판매되는 승용차의 50% 정도가 디젤 차량일 정도로 인기가 높다. 디젤 차량이 가솔린이나 다른 연료 차량에 비해 연비가 좋아 이산화탄소 배출도 적고 토크도 높아 유리한 반면 엔진에서 생성되는 입자상물질(PM : Particulate Matters)과 질소산화물(NOx)의 농도가 다른 연료차량에 비해 상대적으로 커서 이들의 감소가 중요한 숙제이다.

글 / 전광민 (연세대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 31-2

디젤엔진이 다른 연료 엔진에 대한 우위를 유지하려면 유럽의 Euro 5, 6나 미국의 Tier 2 Bin 등의 강화되는 배기규제를 만족하면서도 연비가 악화되거나 가격이 너무 증가하지 않아야 한다. 이러한 두마리 토끼를 잡아야만 경쟁에서 이길 수 있기 때문에 전 세계적으로 치열한 기술개발 경쟁이 진행되고 있다. 이 글에서 소개하는 배기제로화 과제는 디젤분야에서의 배기오염저감기술의 중요성을 사전에 인식하고, 장래 관련 기술이 외국의 선진업체에 독점되는 것을 방지하기 위하여 자체적인 원천기술 확보를 목표로 4년 반 전에 산∙학∙연관의 협조로 시작하였다. 디젤엔진의 입자상물질과 질소산화물 저감기술의 확보가 주된 목표이며 2014년경의 Euro 6에 적용할 수 있는 기술의 개발에 집중하고 있다.

2. 사업개요 및 추진현황
미래형 자동차 배기가스제로화 기술개발 사업은 2004년도에 당시 과학기술부의 차세대성장동력사업 신규과제로 선정되어 시작되었으며, 본 사업의 효율적 수행을 위하여 총괄기관인 연세대학교에 2004년 7월 자동차배기제로화센터를 설립하여 진행하고 있다.

총 사업기간은 2004년 7월부터 2011년 7월까지 7년이며 1단계는 2004년부터 2007년까지 였고 2단계는 2007년부터 올해까지이며 3단계는 2009년부터 2011년까지로 예정되어 있다. 총 사업기간 동안 연구비는 약 260억원의 정부출연금과 민간 부담금으로 구성된다. 참여기관으로는 연세대학교, 현대자동차, 희성촉매, 한국기계연구원과 여러 위탁기관들이 있으며 연간 300여명의 참여연구원들이 산∙학∙연 협동연구를 하고 있다.
1단계에서 총 9개의 세부과제와 약 30여개의 위탁과제가 미래 배기 정화기술의 가장 핵심적인 원천기술에 대해 연구를 진행했다. 본 사업이 2005년 1월 산업자원부로 이관되어 2006년 1월 산업자원부 차세대 신기술개발사업으로 재편됨으로써 연구 방향이 좀 더 실용적인 쪽으로 변화하였다. 2단계에는 총 5개의 세부과제와 약 12개의 위탁과제로 축소되었으며 참여기업이 연구 개발에 참여함으로써 원천기술 확보와 함께 실용화를 목표로 사업을 진행 중이다.

최종 목표는 유로 6 규제를 만족하는 엔진과 관련된 배기가스 오염물질 저감 원천기술 확보이며, 엔진 내에서의 저감기술 및 후처리 장치의 최적화와 엔진과 후처리 장치의 연계기술 개발을 통하여 배기가스 제로화 달성을 위한 핵심 기술을 확보하고 실
용화하는 것이며, 주요 연구 내용은 엔진 배출 PM의 측정 및 저감, NOx 저감 기술, 엔진과 후처리 장치의 연계를 통한 최적화 및 신연소기술 등이다.

가장 중요한 행사로는 매년 개최하는 과제 성과발표회 및 전시회와 국제워크숍 <그림 1>이 있다. 과제참여자들의 연구 성과를 발표하고 소개하여 성과를 점검하고 사업을 홍보하며 참여자 간의 정보 교환을 한다. 또 국∙내외 저명한 산∙학∙연 인사들의 강연과 자유로운 토론을 통해 엔진과 후처리장치 분야의 해외 기술동향을 살피고 신기술을 습득∙교류하는 장이 되고 있다.

3. 연구내용

3.1 질소산화물저감기술
질소산화물 저감기술은 희성촉매의 촉매기술을 기본으로 하고 촉매장치의 성능향상과 관련된 여러 기술을 연세대학교와 한국기계연구원의 송영훈 박사팀이 개발하고 있다.

3.1.1 희성촉매의 EURO-6 대응 탈질촉매 및 촉매 시스템 연구
본 과제에서는 향후 배기규제(EURO-6, NOx 규제 0.08 g/km)에 대응할 수 있는 NOx 흡장형 촉매 및 Lean NOx 촉매 등과 같은 탈질촉매 원천기술의 기반 확보를 목표로 귀금속 전구체 개발, NSR개발, LNC개발 크게 세 가지 방향으로 접근하고 있다. 이는 촉매물질 및 반응전반에 걸친 원천기술/기초 연구이므로 대형차 및 고정원에도 적용 가능하고 아울러 배기가스 탈질에 관한 모든 반응 기구를 탐색하고 규명함으로써 에너지 효율문제를 해결함과 동시에 공해문제 해결에 크게 기여할 수 있는 엔진적용 기술이다.

귀금속 전구체 개발은 귀금속 상태를 제어함으로써 귀금속이 지지체 골격 속에 안정한 상태로 존재할 수 있도록 기존 함침공정과 다른 수열합성법으로 귀금속-지지체를 제조하여 DeNOx 활성과 연관성을 살펴보고 있으며, 저온용 Water Gas Shift Reaction용 촉매 개발을 위해 다양한 방법으로 귀금속 촉매를 제조하여 LNC 촉매 최적화를 진행 중이다. 또한 배기가스 온도가 저하되는 추세에 맞춰 저온용 NOx 저장물질을 개발하고 내구성 확보를 위해 귀금속 소결방지 방안과 황 피독에 의한 NSR 촉매 활성저하 억제 방안을 수립 중이다. 단품촉매에 대한 평가뿐 아니라 Euro-5용 실차 시스템을 구축하여 연료소모 대비 DeNOx 활성, 엔진배기가스농도 변화에 대한 DeNOx 활성을 전반적으로 검토하고 최종 DeNOx 시스템 개발을 앞두고 있다.

3.1.2 한국기계연구원 송영훈 박사팀의 수소이용 질소산화물 저감 기술 개발
최근에 urea-SCR이 실용화 되었으나 장치가 복잡하여 비용이 증가하고 암모니아계 환원제를 공급하는 인프라 구축의 필요성 등의 문제점이 지적되고 있다. 또한 머지않은 장래에 실현될 고효율 디젤엔진의 경우 지금보다 배기가스온도가 현저히 낮을 것으로 예상되고 있는데, 이에 대응할 수 있는 질소산화물 저감용 후처리 기술은 현재로서는 없다고 해도 과언이 아니다. 따라서 디젤엔진의 질소산화물 저감을 위해서는 혁신적인 디젤엔진 기술개발과 병행하여 새로운 후처리 기술의 개발이 필요하다.

이상과 같이 디젤 배기가스 저감기술의 여러 기술적 난관을 극복하고자 한국기계연구원에서는 디젤연료를 개질(Reforming)하여 수소와 일산화탄소로구성된 합성가스를 발생시키고, 발생된 합성가스를 LNT (Lean NOx Trap) 기술의 환원제로 활용하는 새로운 기술을 미래형 자동차 배기가스 제로화 사업단의 세부과제에 참여하여 개발하고 있다. 본 기술은 기존의 LNT 기술이 갖고 있는 문제점인 1) 저온배기가스 조건에서의 성능저하, 2) 촉매의 황 피독, 3) 높은 연비손실 등의 문제를 극복할 수 있는 기술로 평가되고 있다. 현재 디젤연료를 개질하여 질소산화물을 저감하는 기술개발을 시도하고 있는 외국의 자동차 제작사 또는 부품사로는 Toyota, Honada, Delphi, ArvinMeritor, Eaton 등을 들 수 있으며, 이들 가운데 일부는 해당 기술을 차량에 적용하는 단계까지 발전시킨 것으로 알려져 있다.

한편, 한국기계연구원의 경우 2007년도에 디젤연료 개질기를 개발하였으며, 2008년도에는 2,000cc급 디젤엔진에 개질기를 장착하여 질소산화물이 저감되는 성능을 평가하였다. 향후 본 기술은 자동차 부품회사에 이전되어 본격적으로 실용화 기술로서 개발이 추진될 예정에 있다.

3.1.3 연세대학교의 질소산화물 저감
연세대학교에서는 HC-SCR에 대한 연구를 주로하고 있다. HC-SCR은 디젤연료를 환원제로 쓰기 때문에 암모니아 같은 추가 환원제의 공급이 필요없어 유리하나 효율이 낮아 개선이 요구된다. 이 연구에서는 은 촉매를 이용한 실험을 통해서 저온에서 는 수소가 고온에서는 탄화수소가 환원제로 적합하다는 사실을 밝힌 바 있다. 촉매를 사용하는 연료 개질기(Fuel Reformer)를 이용하여 수소와 부분 산화된 HC 등의 환원제의 종류와 양을 조절하여 deNOx 효율을 높이는 연구를 하고 있다. 또 백금(Pt)과 로듐(Rh)양의 상대적인 양의 변화에 따른 deNOx 저감효과를 집중 측정하고 있다. 실험 장치는 아래 <그림 4>와 같다.

3.2 입자상물질 관련 연구
3.2.1 한국기계연구원 이용규 박사팀의 GTL/바이오 디젤 혼합유를 이용한 배출저감 및 후처리 기술 개발 연구
디젤 대체연료 중 하나인 GTL(Gas To Liquid)연료는 그 물성치가 원유를 정유하여 만든 디젤 연료와 유사하여 기존의 디젤 차량에 개조 없이 적용 가능하다는 특징으로 많은 관심을 얻고 있다. GTL 연료는 천연가스를 Fischer-Tropsch(FT) 공정을 통해 얻은 액체 합성 연료로서 기존의 디젤 연료에 비해 세탄가가 높아 점화 지연이 짧고, 입자상 물질의 주 생성 원인이 되는 황과 방향족 탄화수소의 함유량이 극히 적다는 장점이 있다. 이러한 GTL 연료의 특징은 디젤 기관에서 디젤 연료 대비, NOx의 경우 5 %, CO와 THC의 경우 30% 이상, PM의 경우 20% 이상의 저감 효과를 나타내고 있다. 그러나, GTL 연료의 향상된 배출물 특성과 기존의 디젤 엔진에 개조 없이 적용될 수 있고 기존의 디젤 공급 인프라에 대한 변경 혹은 개조 없이 사용할 수 있다는 탁월한 장점에도 불구하고 지구 온난화의 주범인 온실 가스 저감과 후처리 장치를 통한 최종적인 PM배출량 저감에 대한 필요성은 여전히 해결해야 될 문제로 남아 있다. 또한, CO2 감축을 위한 교토 의정서와 2010년까지 5%의 대체 에너지 사용을 의무화하는 요하네스버그 협약과 같은 친환경 에너지 필요성 및 신재생 에너지를 이용한 에너지 다양화에 대
한 요구의 증대는 엔진 배출 특성이 경유보다 우수한 GTL 연료의 적용만으로는 온실 가스 저감 및 재생 에너지의 활용이라는 측면을 만족시키기에는 역부족인 상황이다.

이러한 분위기에서 유지계 식물을 원료로 하는 바이오 디젤 연료의 의무적인 사용이 확대되고 있다. 바이오 연료의 경우, 유지계 원료를 이용하여 만들기 때문에 식물의 성장과정에서 흡수하는 온실가스 저감량이 인정되어 식물연료 1톤 사용 시 2.2톤의 이산화탄소 저감 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 바이오 연료 자체가 지니
고 있는 유동성 및 점도의 문제, 산화안정성이 낮아 시간이 지남에 따라 연료의 품질 변화 문제, 불법 유통 등에 따른 문제, 자동차 부품 회사와의 품질 관련 충돌 문제로 그 보급 확대에 어려움을 격고 있는 실정이다.

이러한 GTL 연료와 바이오 디젤 연료의 혼합을 통한 배출 가스 저감 및 온실 가스 저감 효과와 함께, 엔진에서 배출되는 입자상 물질에 대한 최종적인 저감 노력이 병행되어야 하며, 향후 디젤엔진의 PM의 규제는 질량 기준보다는 수농도를 관리하는 추이로 변화됨에 따라 50nm 이하의 극미세 나노 PM에 대한 후처리기술의 확보가 매우 중요하다. 현재까지 이러한 극미세 나노 PM은 기공의 크기가 수십 내지 수백 마이크론의 기존의 DPF 필터에 의하여 효과적으로 처리되지 못하고 있는 실정으로 효율적으로 이들을 처리할 수 있는 신개념의 기술 개발이 필요한 실정이다.

본 과제에서는 청정 디젤 대체 연료인 GTL의 적용을 통하여 연소실에서 배출되는 유해 배출물에 대한 원천적인 저감을 이루고, CO2 배출 저감에 대한 효과를 최대화하기 위하여 바이오 디젤과의 혼합 연료 적용을 위한 연구를 수행 중이다. <그림 5>에 나
타난 것과 같이 다양한 원료의 바이오 디젤 연료와 GTL, 디젤 연료와의 혼합비에 따른 연소 및 배출물 특성에 대한 연구를 수행 중이며, <그림 6>에 나타난 것과 같이 엔진에서 배출되는 입자상 물질의 성상과 수 분포 특성 분석에 관한 연구를 진행 중이다. 궁극적으로 GTL/바이오디젤 혼합 연료의 적용에 따른 극미세 입자상 물질의 최종적인 저감을 위하여 <그림 7>에 나타난 것과 같이 기존의 DPF 대비 유사성능 확보 및 70% 배압 저감을 위해 상용 금속필터(Metallic Partial DPF)와 정전 기술 및 공기 공급 절연 기술을 복합한 하이브리드 정전 후처리 시스템을 개발하여, 80 % 이상의 디젤 PM 저감 성능을 확보하였으며, 필터에 의한 배압 상승은 기존의 DPF대비 80 % 이상을 저감하는 성능을 확보하였다.

3.2.2 연세대학교의 PM관련 연구
연세대학교의 PM관련 연구는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 입자의 포집과 산화에 관련된 실험적 연구, Computer Simulation 연구, 크기가 작은 마이크로 입자측정정치 개발 등이다.

먼저 포집에 관한 실험은 온도와 유속 등의 실험조건을 제어할 수 있는 장치를 만들어 단일 채널 DPF를 이용한 다양한 실험 조건에서의 포집 시 나타나는 차압과 포집된 Soot 질량사이의 함수관계에 대해 연구하였고 여러 채널일 때의 결과와 비교하고 있다.

산화에 관련하여 아래 <그림 8>과 같은 장치를 이용하여 Soot 산화실험을 하고 있다. 산화온도를 낮춰 연료소모를 줄이는 것이 중요하기 때문에 산소저장물질을 포함한 여러 산화촉매에 대하여 다양한 온도와 물의 농도 조건에서 산소와 NO2에 의한 산화특성을 파악하고 있다.

Simulation관련 연구는 엔진과 DOC, DPF, SCR 등의 후처리 장치 전체에 대한 1차원 계산을 수행하였고 현재 공간분포를 고려한 3차원 계산을 준비하고 있다. MEMS기술을 이용한 마이크로 PM 측정장치 연구는 입자들을 CORONA CHARGER로 대전시키고 측정하는 장치로서 차량에 탑재하여 수시로 측정할 수 있는 장치를 개발 중이다.

3.3 엔진과 후처리기술의 융합
현대자동차의 유로 6 규제 대응 디젤엔진 및 후처리 연계 최적화 기술 개발
현대자동차는 향후 강화되는 배기규제 대응을 위하여 1) pHCCI 등 신연소 적용을 통한 ENG Raw Emission 저감 기술 개발 2) 후처리 기술 적용을 통한 배기가스 저감 기술 개발 3) 신연소 및 후처리 해석기술 다음과 같은 3가지 분야에서 연구개발을 추
진하고 있다.

신연소기술 적용을 통한 ENG Raw Emission 기술개발 분야에서는 배기가스 규제 만족을 위한 각종 후처리 장치의 부가가 디젤엔진 및 차량의 원가 상승이 소비자 및 자동차 제작사에게는 큰 부담이 되는 바, 연소압 기반 제어기술을 적용한 신연소 개발
을 통해 엔진 Raw Emission을 줄여 원가 상승을 억제하고, 저세탄 및 바이오디젤 등 다양한 품질의 연료에 적용할 수 있는 저공해, 저연비 디젤엔진을 개발하는 것을 목적으로 개발을 진행하고 있다.

이를 위해 신연소 H/W 및 연소전략을 개발하고, 대상 평가를 통하여, ENG Raw Emission개발을 진행하고 있다. 후처리 기술 적용을 통한 배기가스 저감기술분야에서는 희박 연소가 일어나는 Diesel Engine의 경우 배기가스 중 산소 농도가 높아 일반적인 환원 촉매(TWC)를 적용하기 어려우며, 입자상 물질(PM, Particulate Matter)이 함께 생성되어 이에 대한 저감 대책 또한 반드시 필요하다. 이에 현대자동차에서는 향후 강화되는 배기규제 대응과 함께 상기 배출 물질 저감, 원가 경쟁력 확보 측면에서 1)DOC/DPF 귀금속량 최적화 2) Cordierite Filter 개발 3) DeNOx(LNT, SCR) System 기초 기술 개발을‘미래형 자동차 배기가스 제로화 사업단’의 세부과제에 참여하여 진행하고 있다. 본 개발 과제는 1)Pt 사용량 저감과 함께 열화 성능 개선, SiC →Coriderite Filter 사용을 통하여 DOC, DPF의 원가 경쟁력 향상 2) 高ash 축적형 Filter 개발을 통하여 재생 성능 향상 3) LNT, SCR 성능 최적화 작업을 통한 원가 경쟁력 및 신기술 기반 마련 4) 조합 화학기법을 이용한 新독자 촉매 개발을 목표로 연구 진행 중에 있으며, 향후 본 기술은 현대자동차의 Euro 6 및 북미 규제 대응 차량 개발에 적용 예정에 있다.

신연소 및 후처리 해석기술 분야에서는 전산유체역학(CFD) 등의 열유동 해석기술을 기반으로 엔진성능/연소 해석 및 후처리계 해석기술을 개발하고 실험 결과와의 비교/검증을 수행함으로써 해석 신뢰도를 향상시키는 연구를 진행하고 있다. 본 과제에서 신연소 엔진 개발 시 연소계 선정, 운전조건 최적화 및 엔진 내부 현상 규명 등을 위한 엔진 성능/유동/분무/연소 해석기술을 활용되었으며, 디젤 엔진의 주요 후처리장치 전반 (DOC/DPF/SCR) 에 대한 해석기술 자립화 목적으로 In-House Code 개발을 병행함으로써 해외 상용코드사에 대한 의존도 감소(로열티 절감) 효과도 기대된다.