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수퍼클린 상용디젤엔진의 기술개발 동향 (2)

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2009-10-23 17:02:29

본문

지난 20여 년 동안 엔진기술 분야에서는 배출가스 규제 강화에 대응하기 위한 수 많은 연구개발이 이루어졌으며, 디젤엔진의 경우 Common-rail 시스템으로 대표되는 초고압 연료분사 및 전자제어 기술의 발달을 기반으로 고출력, 고효율 및 저배기 기술이 괄목할 만한 성장을 이루었다. 특히 중대형 차량 및 건설 중장비 등의 핵심 동력 장치로 사용되는 상용 디젤엔진은 환경 공해 및 에너지 소비 등에 미치는 영향도가 매우 크기 때문에, 공해 규제도 가장 엄격하며, 디젤 엔진의 기술을 견인하여 오고 있다.

글 / 이동인 연구위원 (두산인프라)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널

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상용디젤엔진은 주로 트럭이나 버스와 같이 도로 위를 주행하는 대형 상용 차량 (On-road Heavy Duty Vehicle)과 굴삭기나 휠로더 등과 같이 건설현장 등에 적용되는 건설 중장비(Non-road Equipment) 등에 사용되고 있다. 대형 상용 차량의 배기규제는 크게 유럽 및 미국 규제로 구분되며, 현재 유럽에서는 Euro5 (PM : 0.02 g/kWh, NOx : 2.0 g/kWh)가, 미국에서는 US-2007 규제 (PM 0.01g/hp-hr, NOx 1.2 g/hp-hr)가 시행되고 있으며, 미국은 2010년부터 NOx 가 0.2 g/hp-hr 이하로 강화되며, 유럽도 2013년부터 Euro6 (PM : 0.01 g/kWh, NOx : 0.4g/kWh)로 강화될 예정에 있다. 산업용의 경우는 미국 및 유럽이 모두 동일한 규제 방식 및 규제치를 적용하고 있으며, 출력에 따라 규제치 및 규제시기가 차등 적용된다. 130~560kW 범위의 출력을 갖는 엔진의 경우, 현재의 Tier 3 (PM : 0.2 g/kWh, NOx: 4.0 g/kWh) 에서 2011년 Tier 4 Interim (PM: 0.02 g/kWh, NOx: 4.0 g/kWh) 및 2014년 Tier 4 Final (PM: 0.02 g/kWh, NOx: 0.4g/kWh)로 강화될 예정에 있다. <그림 1>. 이와 함께 산업용의 Tier 4 규제는 기존의 Steady-state 모드와 함께 NRTC (Non-Road Transient Cycle) 시험모드의 적용 및 NTE 규제(Not-To-Exceed, NRTC 모드 운전 중 순간 최대 발생하는 PM/NOx의 양을 제한하는 규제) 등이 추가되어, 엔진에서 보다 세밀하고 신뢰성 있는 연소 및 배출가스 제어 기술의 개발 적용이 요구되고 있다.

에너지 가격의 상승은 특히 상용 디젤엔진 시장에 미치는 효과가 훨씬 더 크다. 상용자동차 및 건설기계 등은 사용 부하가 크고, 작업 가동시간이 길며, 따라서 연료비용이 TCO (Total Cost of Ownership, 상용장비 유지 관리비)에서 매우 큰 부분을 차지하고 있어, 에너지 가격의 상승이 직접적으로 구매자의 수익과 직결되기 때문이다. 따라서 최근의 석유의 생산량 감소, 석유에너지 위기의식 고조 및 신흥국가의 급속한 성장에 기인한 에너지 수요 급증은 유가상승 및 유가 불안정성에 큰 영향을 미치고 있어,상용 디젤엔진 수요 측면에서도 높은 연료경제성을 확보한 엔진에 대한 요구가 크게 높아지고 있다. 나아가 온실가스 측면에서의 CO2 규제 대응의 필요가 증가하고 있으며, 이러한 시장 변화는 엔진의 효율향상이 제품의 시장경쟁력 유지 및 개선을 위한 가장 중요한 기술적 이슈임을 시사하고 있다. 또한 석유에너지에 대한 의존도 자체를 축소하기 위해 세계적으로 대체에너지의 필요성도 크게 대두되고 있으며, CNG, LNG 등의 청정 가스연료, 바이오디젤과 같은 대체연료가 크게 주목 받고 있다. 특히 CNG는 각국에서 시내버스용 등으로 정책적으로 활발히 보급시키고 있으며, 서울 등 대도시의 대기질 개선에 크게 기여하고 있다. 바이오디젤은 기존의 디젤연료에 혼합하면 기존 디젤엔진 시스템에 즉시 적용이 가능하기 때문에 시장의 요구가 빠르게 증대되고 있는 상황이다. 따라서, 기술적 측면에서 이러한 대체에너지 적용을 통한 환경 개선, 효율 향상 및 석유자원의 의존도 경감을 달성하기 위한 연구개발이 세계적으로 활발히 이루어지고 있는 추세이다.

본 문에서는 향후의 강화되는 초저공해 기준을 충족시키면서도 고성능, 저연비 등의 요구에 대응하여야 하는 상용 디젤엔진의 기술 개발, 특히 연소기술 및 배기 후처리 기술을 중심으로 수퍼클린 상용 디젤엔진 기술의 개발 동향을 소개하고자 한다.

2. Advanced Engine Technology
2.1. Combustion Technologies

상용 디젤엔진의 연소기술 측면에서 가장 중요한 기술적 동향으로 2,000bar 이상의 초고압 연료분사기술 개발을 들 수 있다. 서론에서 소개한 바와 같이 연소효율의 개선과 유해배출물 저감이라는 두 목표를 동시에 달성하기 위해서는 초고압 연료분사를 통한 분무미립화 촉진 및 혼합 극대화가 필수적이라고 할 수 있다. 상용디젤엔진의 연료 분사장치로는 Common-rail, EUI (Electronic Unit Injector) 및 EUP (Electronic Unit Pump) 등이 주로 사용되어 왔으나, 향후 규제 대응 위한 초고압화 요구 및 연소제어를 위한 다단분사 등 대응 측면에서 Common-rail 시스템이 기술을 주도하고 있으며, NOx 및 PM의 동시 저감과 함께, 연비 효율 최적화를 위하여 초고압 연료분사에 대한 요구가 지속되어, <그림 2>에서 볼 수 있듯이, 연료분사 압력은 현 1,600~1,800bar 수준에서 향후 2,000bar 이상의 초고압시스템이 개발 적용될 것이다.

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이와 함께, 분무 기술에 대한 다양한 연구개발이 이루어지고 있다. 5회 이상의 다
단분사 기술, 다단분사 연료량의 정밀제어를 위한 연료량 보정기술 및 부품 노후화
에 따른 분사량 보상기술 등은 초고압 Common-rail 시스템의 개발과 같이 지속적으로 성장할 것으로 예상된다. 나아가 대량생산 제품의 신뢰성 향상을 위한 인젝터 솔레노이드 시스템 성능개선, 인젝터의 Return 연료량 최소화 및 이를 통한 고압펌프 부하 감소, 인젝터 내부의 압력파 감소 및 누유 방지 기술 등도 시스템 초고압화를 달성하기 위한 중요한 요소기술로 볼 수 있다.

초고압화가 엔진의 매연 및 PM 저감이 그 핵심 목표라면, 엔진에서의 NOx 저감에 대한 기술 확보도 동시에 필요하다. 상용 디젤엔진의 경우는 Euro3 및 Tier3 수준까지는 터보-인터쿨링 및 연소최적화를 통하여 NOx 규제에 대응 가능하였고, Euro4 및 Euro5에서는 SCR (Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매저감) 기술을 활용하여 NOx에 대응하면서 연비 효율을 극대화 시키는 기술 전략이 주류를 이루어 왔으나, 미국 및 일본 시장에서는 유럽과 달리, SCR 시스템 작동 위한 Urea 환원제 인프라 구축문제 등으로 EGR 기술이 선호되고 있다.

그러나, 향후의 Euro6, Tier4 Final 및 미국 2010년 규제 등과 같이 NOx 0.4 g/kWh 이하 수준을 맞추기 위하여는 엔진 자체의 NOx 저감 연소 기술 및 DeNOx 후처리 장치의 동시 적용이 불가피하며, 엔진의 NOx 저감 기술로는 Cooled EGR 기술이, DeNOX 후처리 방식으로는 SCR 이 가장 유력한 기술 방안으로 채택 개발되고 있다.

EGR 기술은 소형 및 승용 디젤엔진 분야에서는 이미 오래 전부터 적용되어 왔으나, 상용디젤, 특히 대형디젤엔진의 경우 터보인터쿨링 및 고과급 기술 등의 적용으로 NOx 저감 능력이 우수하여, EGR 기술의 적용이 상대적으로 적었다고 볼 수 있다. 그러나 최근의 배기규제 만족을 위하여 엔진 자체로 NOx수준이 2.0 g/kWh 이하 수준이 되어야 하며, 이 경우 통상 25% 내외의 Cooled EGR 이 요구된다. 또한 배기량 리터당 45마력 수준의 높은 출력 및 저연비 요구에 부응하기 위하여, 적절한 Cooler 용량, 정밀한 EGR 유량 제어와 함께, 출력 유지를 위한 고과급 시스템 기술이 종합적으로 개발 되어야만 한다.

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<그림 3>에는 최근 발표된 Scania 사의 Euro5 대응 DC13 엔진을 소개하였다, 기존 Euro4 엔진과 비교시, NOx를 40% 이상 저감하기 위하여 EGR 을 증대시켰고, 이와 함께 2단 EGR Cooler 적용, VGT(Variable Geometric Turbine, 가변터보과급기) 채택 및 기존의 EUI 연료 분사장치를 2,500bar 수준의 초고압 Common-rail 시스템으로 변경 개선하였다. 또한 EGR 율 증대에 따른 출력 감소를 보상하기 위하여 배기량을 11.7리터에서 12.7리터로 증대 시켰다.

EGR밸브 측면에서도 다양한 기술적 접근이 이루어지고 있다. EGR밸브는 장착 위치에 따라 Hot Side 및 Cold Side로 나눌 수 있으며, 밸브 방식은 크게 Butterfly 방식 및 Poppet Valve 방식으로 나눌 수 있다. 각 방식에 따라 최대 EGR 유량 및 액추에이터 방식이 다르게 되므로, 엔진 제작사는 개발 엔진의 EGR 목표, 제어 방식 및 엔진 특성에 따라 다양한 방식으로 밸브시스템을 개발하고 있다. EGR 밸브는 대용량 대응 및 제어 성능 확보를 위하여 주로 Hot Side 장착되어야 하며, 이에 따라 밸브시스템의 열적 내구 신뢰성 확보가 매우 중요하다. 상용 디젤엔진용으로는 주로 Butterfly 밸브 및 솔레노이드 방식 구동 장치가 채택되고 있으나, 최대 150만 km 혹은 10년 22,000 시간의 내구 품질 확보 위하여 앞으로도 상당한 품질 개선이 필요할 것이다.

과급 기술은 상용디젤엔진의 출력 향상을 위한 필수 요소기술로 이미 오래 전부터 적용되었다. 특히 최근의 수퍼클린 상용디젤엔진의 기술 개발에서 그 가치는 더욱 높게 평가되고 있다. 그 이유로는 : (1)규제대응을 위한 EGR 공급에 의한 출력저하의 보상, (2) 연료분사 시스템의 고압화에 따른 부가적 출력향상, (3) 연료-공기 혼합 과정에서 전체 당량비 감소 및 이를 통한 연소개선과 연비 향상 등의 강점을 들 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 과급기술의 적용은 여전히 엔진기술 개발에서 가장 어려운 주제 중 하나이다. 가장 큰 기술적 어려움은 과급기 매칭, 즉 엔진의 운전 조건과 과급기의 물리적 특성을 잘 조정하여 넓은 운전속도 범위에서 안정적으로 과급을 달성하는 과급기 선정 및 제어조건의 결정이라고 할 수 있다. 기존의 Wastegate 밸브 부착 터보과급기로는 특히 중∙저속 구간의 EGR 유량 증가 대응이 곤란하고, 운전 조건에 따른 과급 제어가 불가하여 향후의 배기규제 대응 과급기로는 적절치 못하다.

이의 단점을 극복하고, 요구되는 고과급 성능을 얻기 위하여는 중∙저속 영역에서도 안정된 과급압력을 유지시키는 기술 및 운전 조건에 변동에 대한 신속한 응답성능 확보가 필요하며, 최근 VGT(또는 Variable Turbine Geometry의 약자로 VTG라 표기하기도 함) 또는 VNT (Variable Nozzle Turbine), 2단 과급기 (Two-stage Turbocharger) 및 터보컴파운드(Turbocompound) 등이 개발 사용되고 있다.

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VGT는 과급기의 운전조건에 따라 터빈의 Vane 면적을 조절하여 배기압의 변화를 일으키는 방식으로 터빈의 회전속도 및 과급 정도를 조절하는 방식이다. 각 업체의 기술 및 시스템 특성에 따라 Vane의 날개 각도가 변화하는 타입도 있으며, 이러한 형식을 따로 VNT라 부르기도 한다. <그림 4>에는 VGT의 효과를 나타내었다. VGT는 저속∙저부하 영역에서도 과급압력을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있기 때문에, 저속영역의 토크 향상, 효율 증가 및 유해배출 개선을 기대할 수 있다. 또한 고도 상승에 의한 대기압 저하 보상, 노즐링 위치에 대한 정밀 전자제어 적용 등을 톷한 성능 극대화 등을 기대할 수 있다.

<그림 5>에는 2단 과급 방식의 개념도를 나타내었다. 2단 과급기는 이름 그대로 2개의 과급기를 직렬로 배치한 시스템을 말하며, 통상 흡기에 첫 번째로 장착되는 대기 공기 과급기를 LP(Low-Pressure) 과급기, LP를 통해 한번 압축된 공기를 다시 과급하는 장치를 HP(High-Pressure) 과급기라 한다. 2단 과급기는 운전조건에 따라 HP, LP 또는 두 과급기 모두를 구동하여 터보매칭을 실시한다. 제어 측면에서 이러한 구동은 HP 터빈 바이패스 밸브에 의해 결정된다. 즉, LP 과급기만을 구동하는 경우에 배기가스는 HP 터빈을 지나지 않고 LP 터빈 쪽에만 공급되며, 이에 따라 HP 과급기는 공회전한다.

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바이패스의 개도에 따라 HP, LP 과급기의 운전 정도가 조절되므로, 매우 넓은 범위의 엔진 운전조건 변화에 대한 대응이 가능하다. 압축공기의 냉각을 통해 흡기 공기량을 증가시키기 위한 인터쿨러(Intercooler)의 경우, 그림에서 나타나는 바와 같이 인터쿨러 및 Aftercooler를 모두 장착하는 경우도 있고, 한 가지만 채용하는 경우도 있다.

특히, 상용디젤의 경우 2단 과급시스템은 최대출력 상승 및 고도보상에 매우 유리하며, 통상 3.5bar(Gauge) 이상의 고압 과급에는 2단 과급장치가 필수적이다. 그러나 터보 매칭이 매우 복잡하고, 공기역학 및 과급기 특성에 따른 정밀 제어기술을 적용하는 점에서 상당한 어려움이 발생한다. <그림 6>은 MAN사의 Euro5 용 엔진에 적용된 2단 과급 시스템의 모습을 나타내었다.

터보컴파운드는 터보과급기의 배기에너지 흡수 측면을 강조하기 위한 대안으로 볼 수 있다. 터보컴파운드는 배기에너지의 회수를 기계적 메커니즘으로 달성하고 있으며, 배기가스에 의한 1단 터보과급기의 구동으로 과급을 달성하고, 이 가스를 다시 파워터빈에 공급하여, 이 파워터빈의 동력을 엔진 축에 공급하는 방식을 채용하고 있다.

Cummins 등의 엔진 업체는 이 기술을 통한 배기에너지 흡수를 통해 5%수준의 열효율 증가를 달성하였다고 설명하고 있으며, 나아가 과급기의 용량을 작게 구성해도 배기에너지의 회수가 파워터빈에 의해 이루어지기 때문에 과도운전의 응답성이 개선되는 장점이 있는 것으로 소개하고 있다. <그림 7>은 Scania 엔진에 적용된 터보컴파운드 시스템을 보여 주고 있다. 이 외에도 전기모터의 압축기 구동 등을 통해 극복하는 EAT (Electro-Assisted Turbocharger) 및 기계적 수퍼과급기를 적용하는 방법도 논의되고 있다.

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HCCI/PCCI (Homogeneous/Premixed Charge Compression Ignition, 예혼합 압축착화 기술) 및 LTC (Low Temperature Combustion, 저온연소 기술)과 같은 신연소기술의 적용은 아직까지는 Proto 단계에서의 연구 수준에서 이루어지고 있으나, 상용 디젤엔진의 규제 강화에 대응하기 위한 기술적 대안으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히 대형디젤엔진의 경우 HSDI(High Speed Direct Injection, 고속형 직분식 디젤엔진)에 비해 보어가 크고 엔진 회전속도가 낮아 저온연소와 같은 신연소기술의 적용이 상대적으로 높은 가능성을 갖는 것으로 생각되고 있다.

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<그림 8>은 일반 디젤엔진의 연소와 신연소기술 엔진의 연소 특성을 비교한 그림으로, 일반 디젤연소의 경우 화염 내에서 PM/NOx의 화학적 발생이 증가하는 공간상 온도-당량비 구간이 넓게 존재하는 반면, EGR량의 증가에 따라 연소실 최대온도의 저감을 통한 NOx 발생의 억제(EGR Line) 및 연료 혼합을 증가시켜 자발화 시점의 공간상 당량비를 낮추는 방법을 동시 적용(PCCI Line)하여 PM-NOx의 동시 저감을 연소 측면에서 달성 가능하게 하는 연소제어전략이 존재함을 설명하고 있다.

신연소기술은 기술적 달성 방안에 따라 다양한 이름으로 불리고 있으나, 개념적 측면에서 기술적 핵심은 가솔린엔진의 연소와 같이 공간상 연료-공기 분포를 가능한 균일하게 혼합하는 방법과 디젤엔진 연소와 같이 높은 압축비를 사용하여 열효율을 개선하는 방법을 동시에 적용하는 것을 목표로 한다고 볼 수 있다. <그림 9>은 연료-공기 혼합전략, 연료분사시기, 연료 특성 및 EGR 농도에 따른 신연소기술의 범위를 정리하고 있으며, 이와 같은 신연소기술의 실용적 적용에는 모두 고압연료분사 및 최적 연료분사 제어, 스월에 의한 공기유동 촉진, 연소실∙인젝터 형상 최적화 등의 기술적 이슈의 해소 및 정밀EGR 제어, 터보제어 및 이들의 통합적 제어를 위한 EMS 시스템의 확보가 필수적이다.

상용디젤엔진 분야에 신연소기술이 적용된 연구 사례를 통한 기술 동향을 보면 다음과 같다. 먼저 Navistar 엔진그룹은 6.4L급엔진을 이용하여 LTC 기반의 신연소엔진 개발 및 데모에 주력하고 있다. <그림 10>는 Navistar V8 엔진의 Layout을 나타낸다.

Dual-path EGR, VNT를 탑재한 2단 과급시스템, 흡기온도 제어장치 등의 Air Management 시스템을 탑재하고, 다공∙다단분사 Common-rail 시스템, High-flow Cylinder Head 및 저압축비 사양 피스톤을 장착하였다.

이 엔진은 양산형 모델을 대상으로 12.5bar 수준의 BMEP를 저온연소를 통해 달성하고, 동시에 US 2010 배기규제를 후처리 없이 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위한 주요 운전전략은 부하에 따른 EGR 조절, 다단분사 등의 연료분사량 조절, 흡기압 및 온도 제어 등으로 구성되어 있다. 최근의 연구는 특히 저온연소에 의한 운전영역확장에 초점이 맞추어져 있으며, 이를 위한 기술적 방안으로 다단분사 및 다단분사 연료량의 정밀제어, Model-based Control 및 VVA (Variable Valve Actuation) 등이 검토되고 있다. 특히 다단분사는 유해배출물 제어와 운전영역 확장 사이의 Trade-off를 해소하기 위한 핵심기술 중 하나로, 다양한 다단분사 전략에 따른 Soot, NOx 및 BSFC의 복잡한 상관성에 대한 이해를 넓히기 위한 연구가 이루어지고 있다.

Caterpillar는 통칭 ACERT(Advanced Combustion Emission Reduction Technology)라 명명된 독자적 연소개선 기술을 이용한 건설기계 엔진 개발을 통해 규제 및 시장에 대응하고 있다. ACERT는 EGR을 통한 연소실내 NOx 저감과 동시에 후처리장치 적용을 통한 PM 제거를 바탕으로 하고 있으며, 연소기술은 점차 HCCI 및 PCCI 형식의 신연소기술 형태로 발전해 가고 있다. 특히 Lifted Flame 연소는 인젝터 노즐을 다공/소형화하여 연료 제트의 속도를 높이고 연료-공기의 혼합성을 높여 연소과정의 PM생성을 억제하는 것을 근본 원리로 삼고 있다.

<그림 11>을 통해 Lifted flame 연소의 개념 및 배출가스 성분 감소를 확인할 수 있다.

2.2. Advanced Aftertreatment
후처리장치에 의한 규제 대응 전략은 기본적으로 연소 전략과 연계되어 있다. <그림 12>는 Euro 3 수준의 상용 대형디젤 엔진의 배기규제 대응 전략의 방법을 소개하고 있다. 먼저 EGR-DPF 방식의 경우, 엔진 내에서 EGR 기술로 NOx를 저감시키고, 이때 증가되는 매연 및 PM을 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter Trap) 을 이용하
여 제거함으로써 NOx-PM을 만족시키게 된다.

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이 방식의 경우 EGR 적용에 따라서 엔진의 연비는 기존 엔진 대비 악화되고, 차량의 냉각용량이 30% 가량 증대시켜야 하는 단점이 있다. 반면에 SCR 전력의 경우는 연소 최적화 개선 개발을 통하여 PM을 규제치 이내로 만족시키고, 이때 상대적으로 크게 증가된 NOx를 SCR (Selective Catalytic Reduction) 장치를 통하여 제거 시킴으로써 Euro4를 만족시키며, 연소 최적화의 효과로 엔진 연비 효율이 대폭 향상되는 장점이 있는 반면에, SCR 장치 작동을 위한 Urea 환원제 공급 장치가 개발되어야 하고, 사회적으로도 Urea 공급 인프라가 필요한 단점을 갖고 있다. 그럼에도 불구하고 상용 디젤엔진에서 가장 중요 시 되는 연비 효율의 장점 때문에 대부분의 제작사가 SCR 방식을 선호 채택하고 있으며, Euro4 엔진이 개발되면, Euro5 대응은 SCR 의 효율 증대 만으로 가능하고, 최근 Non-road 용 Tier4 Interim 규제 대응으로도 유럽에서는 활발하게 채택 개발되고 있다.

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<그림 13>은 이와 같은 대응방안에 대한 보다 자세한 분석 결과를 소개하고 있다. 점선 표시는 NOx-PM Trade-off를, 실선 및 굵은 점선 표시는 NOx-BSFC Trade-off를 나타낸다. 먼저 EGR 적용을 통한 연소실 내 NOx 제어방안은 부가적 NOx 저감 대책 없이도 US2010의 NOx 규제(0.2g/hp-hr)를 만족시킬 수 있음을 시사하고 있으나, 이에 따라 연비측면에서 4~6% 정도 손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 특히 상용 대형디젤 엔진에서 이 수준의 연비 손실은 제품 경쟁력 측면에서 매우 치명적이기 때문에 EGR-DPF 조합에 의존한 규제 대응은 다소 위험할 수 있음을 암시한다.

물론 공기량 정밀제어, 고급 제어기능 및 Calibration, VVA 및 신연소기술 등이 이러한 연비 손실을 상당 부분 보완할 수 있을 것으로 기대되나, 이러한 기술의 안정화를 위해서는 지속적인 연구가 필요하기 때문에 규제일정 대응에 직접적으로 적용될지는 확신하기 어렵다. 오히려 NOx 배출을 다소 증가시키면서 연비 및 NOx를 크게 억제하고, 증가된 NOx는 SCR을 적용하여 규제에 대응하는 전략이 연비측면에서 보다 용이한 대응전략이 될 것으로 예상할 수 있다. 산업용 규제인 Tier4 Interim 규제 대응 방안에서도 동일한 시나리오가 가능하며, 많은 업체들이 EGR-DPF 조합에 비해 SCR 위주의 대응전략을 채용하고 있다. Scania의 경우 2007년까지 상용디젤엔진 업계에서 최고 수준의 EGR 제어 기술을 보유하고 있었으나, 유가상승 등에 의한 연비개선 요구 증대, 엔진 응답성 개선, 출력 개선 등의 이슈 해소를 위해 약 2년 만에 SCR 시스템 기반의 NOx 대응으로 정책을 전환한 사례도 소개되고 있다. 그러나 대부분의 업체들은 최고 수준의 배기규제인 Euro6 / Tier4 Final 대응을 위해서는 EGR+DPF+SCR의 종합적 후처리 장치 적용이 필수적인 것으로 판단하고 있다.

여기에 앞 절에서 소개한 최신 엔진기술이 얼마나 효과적으로 연소를 제어하는가에 따라 연비, 가격, 신뢰성 및 내구성에 따른 제품 경쟁력이 결정될 것으로 생각할 수 있다. 나아가, 후처리장치의 요소기술 측면에서도 저온 화학반응성, 귀금속 함량, 내구성, 가격 및 신개념 후처리장치 및 화학적 구성이 엔진시스템 전체의 성능에 큰 영향을 미치게 될 것이므로, 다양한 후처리기술에 대한 신기술 및 재료기술 개발에 총력을 다하고 있다.

SCR은 현재까지 가장 실용적인 NOx 후처리기술로 평가할 수 있으며, 이미 다양한 상용차종에 탑재되고 있다. 오히려 최신의 연구동향은 SCR에서 나타나는 추가적인 이슈, 즉 저온 배기가스 조건에서의 SCR 성능 강화, Urea 혼합 및 관리 등의 해소에 더욱 초점이 맞추어져 있다. SCR의 촉매 성능 효율은 사용 재질에 따라서 차이가 있으며, 특히 저온 조건에서의 SCR 효율은 차량 운행 시의 배출가스 저감에 가장 큰 영향을 미치므로, 이 점에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. <그림14>에서 보듯이Vanadium 촉매가 300℃ 이하의 저온 영역에서 Zeolite 계열 보다 NOx 저감 효율이 우수하여 상용디젤엔진용으로 가장 적합하나, 일본 미국 등의 국가에서는 인체에의 영향을 고려 Zeolite 계열 촉매 사용을 권장하고 있다, <그림15>에는 Zeolite 계열 촉매의 성능을 비교하였으며, Cu-Zeolite는 저온영역에서의 활성이 높은 반면, Fe-Zeolite는 350℃ 이상의 온도에서 성능이 높은 것을 알 수 있다. 또한 두 경우 모두 NO만 있는 경우에 비해 NO2가 존재할 경우 저온활성이 크게 증가하며, 이러한 증가는 Fe-Zeolite에서 보다 크게 나타나고 있다. 이러한 특징을 효과적으로 사용하기 위해 SCR을 Fe- 및 Cu-Zeolite를 직렬로 연결하는 형태에 대한 검토도 이루어지고 있다. 이 외에도 SCR의 고온 운전조건에서의 내구성 및 황 성분에 의한 피독에 대한 영향도 활발한 연구가 이루어지고 있다.

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LNT(Lean NOx Trap), 또는 LNC(Lean NOx Catalyst)와 같은, SCR 이외의 deNOx기술 연구는 주로 Urea가 아닌, 연료 또는 연소 후 발생하는 HC 등을 NOx 환원제로 사용하는 방법에 초점을 맞추고 있으나, 고부하 운전이 상대적으로 많은 상용 디젤엔진의 경우 SCR 방식에 비해 기술적 경쟁력이 약하여, 대부분의 제작사에서 개발 검토되고 있지 않으며, 일부 농기계 등 소형 상용엔진 부분에서만이 고려되고 있는 실정이다.

DPF 및 DOC 등의 기술은 승용디젤엔진과 마찬가지로 상용디젤엔진에서도 향후 Euro6 및 Tier4 Final 대응을 위하여 필수적으로 요구되는 기술이다. 특히 상용 디젤엔진은 차량 뿐만 아니라, 건설기계용 등 다양한 용도에서 사용되어야 하므로, 승용디젤엔진에 비하여, DPF의 Soot Loading 및 재생 기술이 더욱 세밀하게 개발 되어야 하며, DOC 및 SCR 이 함께 적용되어야 하므로, 부압 증가에 따른 연비 악화를 최소화 하기 위하여 배치 설계 개발이 매우 중요하며, 특히 재생 위한 온도 제어 등 위한 기술 개발이 필요하다, 승용 디젤의 경우 일반적으로 연소실 내의 Post Injection 이 주로 사용되지만, 상용 디젤엔진에서는 Post Injection에 의한 DPF 재생 방식 채택 시 오일내의 과도한 연료 혼입 때문에 엔진의 품질 내구성이 크게 악화되므로, 적용이 곤란하며, 따라서 DPF 상류에서 별도로 연료를 공급하여 주는 방식을 채택하고 있다 <그림 16>. DPF 및 SCR 이 동시에 적용되어야 하므로, 후처리 장치의 배열 또한 기술의 중요한 이슈 중의 하나이다. 일반적으로는 DOC-DPF-SCR 의 순서가 가장 효율적으로 알려져 있으며, 차량 및 장비의 용도 및 배치 공간 등에 따라서 여러 가지 배열 방식이 검토 되고 있다. 특히 건설중장비의 경우, 촉매 장치 탑재 공간이 매우 제한적이어서, DOC/DPF 및 SCR의 Packaging 기술 개발이 가장 큰 개발 이슈 사항이 되고 있다.

3. 결론
지금까지 수퍼클린 상용디젤엔진의 기술개발 동향을 연소기술 및 후처리기술 측면에서 정리하였다. 서론에서 밝힌 바와 같이 환경, 연비 및 가격 문제는 미래의 상용디젤엔진 시장, 나아가 버스 등의 상용차량과 굴삭기 등의 건설장비 시장에서의 핵심 경쟁력을 구성할 것이 분명하며, 세계 Top Tier 수준의 핵심업체들은 모두 이와 같은 상황을 인식하여 약 5년 후 강화되는 배기규제 대응을 위한 최선의 노력을 경주하고 있다. <그림 17>을 통해 향후 수퍼클린 상용디젤엔진 기술의 흐름을 가늠하는 것으로 결론에 이 로드맵은 Daimler, AVL, IVECO, Cummins 등이 제시한 기술 전략을 종합 정리한 것으로 과급방식, EGR율, 연소실 최대압력 및 연료공급 시스템에 대한 향후 동향을 보여주고 있다. 과급방식의 경우 2단 과급이 보편화될 전망이며, 이를 통하여 4~5bar 수준의 고과급이 가능하고, 최고 35% 수준까지 의 EGR 적용 시에도 요구 출력 대응이 가능할 수 있게 된다. NOx 는 SCR 후처리장치를 통하여 80%이상 저감될 것이지만, 엔진 자체로도 EGR율의 증대 적용이 필요하여 25 ~35% 수준까지도 사용되어야 할 것이다. 과급 압력의 증가 및 연비 효율 개선을 위하여 실린더 내 최고 연소압력도 200bar 수준에서 향후 250bar 수준까지 요구될 것이며, 이를 위하여 고강도 재질 및 엔진 구조 보강의 개선 개발이 추진되고 있다.

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또한 연료분사 장치의 경우는 현재의 1,600bar 수준에서 2,000 bar 이상의 초고압 Common-rail 시스템이 지배할 것으로 예상되며, 엔진 제어 장치의 경우, Common-rail 시스템의 연료분사에 대한 다단분사 등 신 연료 분사 기술 개발뿐 아니라, 2단 과급, EGR 및 DPF의 재생 위한 연료 Dosing 및 재생 로직, SCR 작동 위한 Urea Dosing 로직 등의 제어 시스템 개발도 함께 이루어져야 한다. 신연소기술과 같이 연소현상의 획기적 개선 방안도 선행연구 차원에서 다각도로 이루어지고 있으며, SCR을 중심으로 한 후처리기술, PM 입자수 규제에 대응하기 위한 고성능 DPF 및 DOC 개발, 나아가 Packaging 및 가격을 고려한 후처리장치 최적화 및 layout 설계기술도 중요한 기술 흐름에 속한다고 할 수 있다.

결론적으로 국가 사회의 수송 물류 및 건설 중장비 등 기간 산업의 핵심 동력원으로 사용되는 상용 디젤엔진의 슈퍼클린 기술은 그 어느 분야 보다도 환경 및 에너지 등의 측면에서 사회적인 영향이 크기 때문에, 이 분야의 기술 개발 및 제품 실용화에 대하여 범 국가적인 관심과 지원이 매우 필요하며, 이를 통하여, 국내 제작사의 슈퍼클린 디젤엔진이 세계시장에서도 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 기대된다.
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