수퍼클린 승용디젤엔진의 배출가스 저감 기술 동향

1. 서론
디젤 차량은 가솔린 및 LPG 차량에 비해 연비와 지구온난화의 주범인 CO2(이산화탄소) 배출 측면에서 훨씬 우수하지만 PM(매연, 입자상물질, Particulate Matters)으로 인해 대기질 오염의 주원인으로 인식되어 왔다. 최근에는 커먼레일(Common Rail)을 사용한 연료고압분사 기술로 연료를 1,600 bar 이상의 고압으로 미립화시켜 연소실내에 분사하고 고성능 엔진제어컴퓨터로 연료분사시기와 분사량을 운전조건에 맞게 정밀하게 제어함으로써 PM을 비롯한 유해한 배출가스를 획기적으로 감소시킨 디젤 엔진을 장착한 승용차와 승합차, 소형화물차가 판매되고 있는데, 특히 매연정화장치(DPF, Diesel Particulate Filter)를 디젤산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)와 함께 사용하면 디젤 자동차에서 배출되는 매연을 가장 최신의 가솔린 휘발유 자동차 수준으로 낮출 수 있다.1) 따라서 디젤자동차의 배출가스 수준을 객관적으로 평가하여 환경적으로 우수한 차량이라는 점을 확인하고, 향 후 기후변화협약 대응을 위해 CO2 저감의 방안으로 보급해야 할 시점이라고 할 수 있다.

글/민경덕(서울대학교)
최희먕(차세대융합기술연구원)
출처: 오토저널(한국자동차공학회, 2009년 10월호)

디젤 엔진은 전체 공기연료 혼합비가 희박한 조건에서 작동하여 연소에 활용할 산소가 풍부하고, 연소실로 직접 분사한 연료가 공기와 혼합되는 영역에서 연소가 이루어지므로 엔진에서의 일산화탄소(CO)와 미연탄화수소(THC)의 배출이 가솔린 엔진보다 훨씬 적고, 질소산화물(NOx)도 비교적 적게 배출된다. 그러나, 가솔린 엔진은 삼원촉매장치로 배기가스 중의 NOx, CO, THC의 95% 이상을 정화하여 배출할 수 있는 반면, 과거의 디젤 엔진은 이론공연비 조건에서 작동하는 삼원촉매장치를 사용할 수 없으므로 결과적으로 차량의 배기관에서 배출되는 배기가스 중의 유해성분은 가솔린 차량 대비 많았던 것이 사실이었다.

현재 국내의 승용디젤엔진 차량 배출가스 규제 수준은 <표 1>과 같고 배출가스 규제를 2009년 현재 소형승용차에 대해 연료에 따라 나타낸 것이다. 비록 측정방법이 가솔린, 가스연료 차량은 CVS-75이고, 디젤 차량은 NEDC이기 때문에 배출가스 규제치를 직접적으로 비교하기는 불가능하나, 단위주행거리당 배출가스 질량으로 표현된 규제 수치가 CO와 HC의 경우에는 서로 0.5~2배 정도로 비슷하다.

PM은 가솔린, 가스연료 차량에서는 규제가 없고, 디젤 차량에 대해서만 규제하고 있으나, 최근의 비교실험결과에 의하면 DPF를 장착하여 현재의 Euro5 규제를 만족하는 디젤 차량의 PM 배출량은 가솔린, LPG 차량과 동등한 것으로 나타났다.1)

그렇다면 현재의 디젤 차량 배출가스 규제의 수준은 NOx을 제외하면 가솔린, 가스연료 차량과 동등하다고 볼 수 있는데, NOx의 경우 아직까지는 가솔린, 가스연료 차량에 비해 상당히 많은 것이 사실이나, 2014년부터 도입될 Euro6 배출가스 규제에서 NOx 규제 수치는 Euro5보다 2배 이상 강화될 예정(질소산화물 0.08 g/km)이어서 이후로는 사실상 가솔린, 가스엔진과의 구별이 의미 없는 정도가 될 것으로 예상된다.

최근의 PM 관련하여 입자 개수를 규제하는 안이 제안되어 있는데, 규제 수치는 5×1011 개/km 정도가 될 것으로 예상된다. Euro5 배출규제를 만족시키는 DPF를 장착한 디젤 차량은 이를 충분히 만족 시킬 수 있으며, 이는 현재의 가솔린, 가스엔진 차량과 동등한 수준이다.1) 강화될 예정(질소산화물 0.08g/km)이어서 이후로는 사실상 가솔린, 가스엔진과의 구별이 의미 없는 정도가 될 것으로 예상된다.

강화되는 배출가스 규제를 대응하기 위해서 엔진연소시스템의 최적화와 후처리시스템의 개발을 하고 있으며 최근에 발표된 사례를 중심으로 승용디젤엔진의 배출가스 저감기술을 소개하고자 한다.

2. 승용디젤엔진 배출가스 저감 기술 동향
디젤 차량의 배출가스 저감기술 1990년대에 들어와 활발히 개발되어 엔진의 개량은 물론 터보차저(Turbocharger)와 인터쿨러(Intercooler)에 의해 흡기계 개선이 이루어졌고, 커먼레일과 같은 전자식 고압연료분사시스템의 적용으로 연료분사량 및 분사시기를 정밀하게 제어할 수 있게 되었다. 또한 전자식 냉각 EGR 시스템 도입 및 가변흡기밸브 기술의 도입 등으로 엔진 연소실 내에서의 배출가스를 저감하고, DOC와 DPF, 선택적촉매환원(SCR: Selective Catalytic Reduction) 장치와 같은 후처리 장치의 사용에 의하여 디젤 차량에서 동시에 저감시키기 어려운 NOx와 PM을 획기적으로 저감시키고 있다.

Audi의 Euro6, Tier2 Bin5 대응 디젤엔진
Audi는 최근 차세대 3.0 liter 디젤엔진에 <그림 1>과 같은 다양한 최신기술을 적용하고 배기관에 AdBlue􀄬를 분사하는 SCR을 적용하여 Euro6 및 Tier2 Bin5 규제를 만족시키도록 개발하였다.

(1) 연소 시스템
우선 정밀한 연료분사 제어를 위해 최고 분사압이 2,000 bar인 피에조(Piezo) 인젝터를 적용하고, 노즐 크기 및 개수를 최적화하였으며, 터보차저 역시 연소시스템의 최적화 및 동력성능 향상을 위한 최적사양을 선정함으로써 엔진에서 생성되는 배출가스를 최대한 저감하였다.

디젤 엔진은 서로 Trade-off 관계인 NOx와 PM을 동시에 저감하면서 연비를 향상시키고 연소음도 개선하기 위해 연소시스템을 개선하고 최적화하는 것이 일차적으로 선행되어야 한다. 연료분사의 제어를 보다 정밀하고 세밀하게 할 수 있도록 기존의 솔레노이드(Solenoid) 작동 방식에서 피에조 방식으로 바꾸는 것이 최근의 경향인데, 연료분사의 응답성이 빨라지므로 배출가스가 보다 저감된 최적 연소조건으로 설정하여 제어할 수 있는 능력이 향상된다. 또한 연료분사율 특성을 제어할 수 있는 자유도가 증가하게 되어 이와 조합되는 노즐 유량 및 노즐 배열을 보다 자유롭게 최적화하여 선택함으로써 전체적인 연소 시스템의 연비와 배출가스를 향상시킬 수 있으며, 연료분사 특성과 잘 조합되어 최적의 연소가 이루어지게끔 연소실 형상을 설계하고 스월(Swirl) 유동의 강도를 선정하는 것이 필수적이다. 또한 스월유동을 운전 조건에 따라 알맞게 가변 조절하는 것은 이미 일반적으로 적용되고 있는 기술이다.

승용디젤엔진의 연소 시스템을 보다 획기적으로 개선하기 위해 예혼합압축착화(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition) 방식을 도입하거나 저온연소(LTC, Low Temperature Combustion) 시스템을 구현하기 위한 노력도 활발하다. 다만, 이러한 신연소 시스템을 상용화하기 위해서는 여러가지 기술적인 어려움이 있어 현재까지는 압축비를 감소시켜 약간의 저온연소 효과를 구현하고 이를 통해 NOx를 저감하는 정도가 일반적이다.

(2) EGR 시스템
EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 연소온도를 낮추어 엔진에서 발생하는 NOx를 원천적으로 저감하는 디젤엔진에서 사용하는 가장 주된 NOx 저감 기술이다. Euro5, Euro6 등 점차 강화되는 NOx 규제를 대응하기 위하여 EGR율을 증가시키는 것과 EGR 가스를 충분히 냉각시켜 연비 및 배출가스를 개선하는 것, 그리고 증가하는 EGR율로 인해 PM 및 CO, THC가 증가하지 않도록 방지하는 것이 EGR 시스템의 중요한 요소이다. 최근 개발중인 대표적인 EGR 기술은 <그림 2>와 같은 저압 (LP, Low Pressure) EGR 시스템인데, DPF를 지난 비교적 깨끗한 배기가스를 흡기계의 컴프레서(Compressor) 전단으로 합류시켜 EGR율을 증가시키는 방식이다. LP EGR은 저압의 EGR 계통과 흡기계가 수증기와 배기가스 성분의 응축으로 손상되는 것 등에 대한 내구성이 확보되면 Euro6 및 Tier2 Bin5 규제 대응을 위해 향후 널리 적용될 것으로 예상된다.

물론 LP EGR 외에도 다양한 방식의 EGR 시스템을 개발하는 것이 가능한데, Audi는 새로운 3.0liter 엔진은 <그림 3>과 같이 EGR 시스템으로 각각 Bypass Flap이 설치된 pre EGR Cooler와 Main EGR Cooler를 직렬로 연결하여 운전 조건에 따라 최적의 흡기조건을 형성한다. EGR은 NOx를 저감하기 위하여 사용하지만, 저부하 운전조건에서는 EGR의 사용이 CO와 THC를 증가시킬 수 있어 이에 대해 주의 깊은 최적화가 필요하다.

Audi의 엔진에서는 저부하 조건에서는 두 개의 EGR Cooler를 모두 Bypass시켜 CO/THC의 증가를 억제하고, 부하가 증가하여 배기가스 온도가 증가하면 먼저 Main EGR Cooler를 사용하여 흡기로 합류하는 EGR 가스의 온도를 낮추게 되고, 더욱 부하가 증가하면 pre, Main EGR Cooler를 모두 사용하여 충분히 흡기온도를 낮춤과 동시에 EGR 가스의 밀도를 증가시켜 NOx 저감을 최대화하게 된다. 또한, 이러한 EGR System 제어를 위해 온도센서를 추가하고, EGR 냉각 효과를 높이기 위해 별도의 저온 냉각수 계통을 사용하며, EGR Cooler의 내구성을 확보하기 위해 EGR Cooler 전단에 작은 산화촉매 (Micro Oxidation Catalyst)를 장착하고 있다.

(3) 연소 제어
Audi는 정밀한 연소의 제어를 위해 Glow Plug에 통합된 연소압 센서를 사용하였는데, 측정된 연소압으로부터 50% 연소 (MFB50, Mass Fraction Burned 50%) 시각을 계산하여 정해진 값을 추종하도록 주분사시기를 Close-loop 제어한다. 이를 통하여 기통간, 사이클간 연소편차를 줄여 배출가스를 개선함과 동시에 연료 품질 편차에 대응할 수 있게 되었다.

연소압 측정을 기반으로 한 연소 제어 외에도, 흡배기계의 터보차저, EGR, Swirl Valve, 각종 Bypass Valve 제어기에 대해 과도 조건에서 적절하게 제어함으로써 연소 상태를 안정적으로 유지하고 순간적인 배출가스의 악화를 방지할 필요가 있다. 이를 위해 최근에는 모델기반제어 (Model based Control) 기술의 개발이 활발하다.

(4) 흡배기 / 과급 시스템
엔진 연소 시스템의 배출가스 저감능력을 향상시키려면 이와 관계된 흡배기 및 과급 시스템의 개선이 또한 필수적이다. 컴프레서와 터빈 효율이 개선된 터보차저, 또는 2단(2-stage) 터보차저를 사용하고, 흡배기 손실 (Pumping Loss)의 증가를 최소화하는 등 최적사양을 선정하여 충분한 과급능력을 확보하면, 예를 들어 EGR율이 증가하여 공연비가 감소하는 것을 보상하고 체적효율을 증가시켜 엔진의 연비와 배출가스를 모두 향상시킬 수가 있는 것이다. 또한 터보차저의 사양에 따라 배압과 과급압의 차이에 의한 최대 EGR율이 결정되므로 터보차저의 선정은 과급 및 EGR율 전체 시스템의 최적화 관점에서 이루어져야 한다.

Audi 3.0 Liter V6 TDI 엔진은 인터쿨러를 최적 조건에서 선택적으로 사용하고, 냉간 또는 저부하운전 시 흡입공기가 인터쿨러에서 과냉되지 않도록 인터쿨러에 Bypass 장치를 포함하고 있다.

(5) 배출가스 후처리 장치
Audi 3.0 Liter V6 TDI 엔진의 배출가스후처리 장치는 <그림 4>와 같이 DOC + DPF + SCR의 조합으로 구성되어, 배기가스 상류부터 CO/THC, PM, 질소산화물을 순서대로 저감시킨다. 이러한 조합은 최근에 여러 자동차사에서 개발하는 승용디젤엔진의 일반적인 구성 중 하나인데, DOC와 DPF은 Euro5 수준의 배출가스 규제에 대응하기 위해 이미 필수적으로 사용되는 기술이며, 앞으로의 Euro6와 북미의 Tier2 Bin5 규제를 준수하기 위하여 NOx를 저감 할 수 있는 SCR 시스템이 새롭게 개발되어 적용된 것이다.

Audi의 SCR 시스템은 DeNOx 촉매와 두개의 NOx 센서 및 AdBlue 분사밸브로 구성되는데, AdBlue를 안정적으로 공급하기 위하여 저장 탱크는 Active, Passive Type의 두 개를 장착한다. AdBlue의 어는 점은 -11℃ 이므로 낮은 온도 조건에서도 원활한 공급이 가능하도록 Active 탱크에는 가열장치가 부착되고, 상대적으로 용량이 큰 Passive 탱크는 AdBlue의 보충 간격을 엔진오일 교환주기보다 길게하여 사용자의 편의성을 보장한다.

NOx를 저감하는 후처리 장치로서 또 하나의 유망한 기술로는 LNT(Lean NOx Trap) 또는 NSC(NOx Storage Catalyst)로 통칭되는 NOx 흡장형 촉매 장치이다. 촉매는 통상적인 희박한 연소 환경에서 NOx를 흡장하였다가, 주기적으로 농후하게 제어된 배기가스 조건에서 흡장된 NOx를 정화하게 되는데, NOx 정화율이 우수한 온도 범위가 다소 한정되어 있으나 SCR 대비 시스템이 간단한 장점이 있다. 따라서 NOx 저감 후처리 장치는 적용 대상 승용디젤엔진의 배출가스 수준과 시스템 가격 등을 고려하여 LNT와 SCR 중 하나를 선정하게 될 것으로 예상된다.5) <그림 5>은 LNT를 포함한 Renault의 배출가스 후처리 장치의 구조를 나타낸다.

3. 결론
앞서 간단하게 살펴보았지만, 승용디젤엔진의 배출가스 기술은 점차 강화되는 배출가스 규제에 따라 디젤 엔진의 우수한 연비를 희생시키지 않으면서도 배출가스를 획기적으로 감소시켜야 하는 상황에서 새로운 시스템의 적용 뿐만이 아니라 기존 기술도 끊임없이 개선하여 전체적인 연소 시스템 성능의 향상과 더불어 배출가스 후처리 장치를 추가하는 방향으로 개발되고 있다.

배출가스 저감을 위한 기술은 <표 2>와 같이 연소 시스템 개선, 흡배기/과급 시스템 개선, 연소 제어, 후처리 장치 등으로 구분할 수 있는데, Euro6와 Tier2 Bin5의 엄격한 규제를 만족시키기 위해서는 이상의 모든 분야에서 기술 개선이 이루어져야 하고, 특히 후처리 장치의 추가로 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하므로, 효과 대비 비용에 대한 최적화에 노력을 기울여야 한다.

또한, 디젤엔진의 우수한 연비 및 CO2 배출량 특성을 희생시키지 않고 오히려 더욱 향상시켜야 하므로, 이에 대한 꾸준한 연구, 개발의 노력이 필요한데, <표 2>에 있는 부분별 핵심 기술 중 현재 국내 기술로 자체 개발이 가능한 것이 사실상 없는 상태이다. 자동차 산업이 드디어 국제적인 경쟁력을 확보해 나가고 있는 지금의 추세를 잘 이어가기 위해서는 산∙학∙연 협조를 통해 국내부품업체의 연구인프라를 확충하고, 기술개발 인력의 양성과 원천기술의 확보에 정부의 정책적인 지원이 집중되어야 할 것이다.