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EURO-VI 대응 상용 디젤자동차의 후처리시스템 적용 기술

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-10-11 01:02:35

본문

1. 상용 디젤자동차의 EURO-VI 배기규제
상용 자동차라 함은 각 나라별로 정의와 분류가 조금씩 다르기는 하나, 우리나라의 경우 승용 자동차와 화물 자동차 중 비상업적 목적 이외에 상업적인 목적으로 도로 위에서 운용되는 차량을 통칭하여 일컫는다. 우리나라 자동차 분류법 상에서는 현재 차량 총중량이 3.5t 이상을 대형 승용/화물 차동차로, 차량총중량 15t이상을 초대형 승용/화물 자동차로 정의하고 있다. 이들 상용 자동차에는 주로 디젤엔진이 탑재되며, 상용
디젤엔진의 경우 전세계적으로 시장의 크기 및 성장률 등의 측면에서 통상 배기량 10ℓ이상의 Heavy-Duty Class가 가장 영향력이 크다.

글 / 김득상 (두산인프라코어)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 9월호

상용 디젤차량은 BTB(Business-To-Business) 특성, 즉 차량을 구입하는 소비자가 이를 이용하여 사업을 운영하고 이윤을 창출하는 것을 목표로 삼기 때문에 총합유지비용(TCO, Total Cost of Ownership)과 내구신뢰성(Reliability)이 제품의 핵심가치가 된다. 따라서 지난 수십 년 동안 상용 디젤차량 및 탑재 디젤엔진은 고출력화, 고내구성 및 고효율화를 목표로 연구개발이 지속되어 왔으며, 특히 최근에는 전세계적인 저성장 기조 속에서도 연비에 대한 소비자의 요구가 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.

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배기규제 관점에서 볼 때, 상용 차량은 일반적인 비상업적 승용차 대비 대수는 적지만 차량의 총 운송 빈도 및 거리 측면에서 대기질에 미치는 영향의 중요성 때문에 EURO-IV 이후의 상용 차량 배기규제는 승용차의 규제수준 및 적용일정을 거의 동등 수준으로 요구하고 있다. 따라서 현재 상용 디젤자동차는 파워트레인의 기존 가치를 지속적으로 개선하려는 노력과 동시에, 승용차 대비 훨씬 더 고출력 영역에서의 운전이 많고 급격한 부하변동이 발생하는 악조건 속에서도 승용차와 동등한 수준의 배기규제를 만족해야 하는 기술적난제(Challenge)에 직면해 있다고 볼 수 있다.

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EURO-VI 배기규제는 유럽의 경우 Heavy-Duty 디젤엔진에 대해 2013년 1월부터 신규 형식승인(New Type Approval) 형태로 이미 발효가 시작되었으며, 2014년 1월부터는 모든 신규생산 제품에 대해 적용될 예정이다. 우리나라에서도 경유 사용 차량에 대한 EURO-VI 배기규제가 차량의 신규 등록시점을 기준으로 2014년 1월부터 발효 예정에 있다. 표 1은 Heavy-Duty 디젤 On-highway 차량에 대한 EURO-V와 EURO-VI 규제항목 및 규제치를 비교하고 있다. EURO-VI에서 주목할 점은 대폭 강화된 NOx 규제(0.4 g/kWh, EURO-V 대비 80% 저감) 및 PN(Particle Number) 규제 추가 등이고, 특히 Heavy-Duty에서도 CO2 규제가 추가될 것으로 예상되며 적용시점 및 규제수준에 대해서는 현재 논의
중인 것으로 알려져 있다.

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디젤 후처리시스템은 성능, 비용 등 전체 엔진시스템에서 차지하는 비중이 지속적으로 증가하고 있는 바, 상용 디젤차량의 EURO-VI 배기규제에 효과적으로 대응하기 위한 방안으로써 차량의 용도별 운용조건에 최적화된 엔진-후처리시스템 통합이 핵심기술로 인식되고 있다. 본 고에서는 트럭/버스 등 On-highway 상용 디젤자동차를 중심으로, EURO-VI 대응을 위한 후처리시스템 적용 기술동향 및 전망을 소개하고자 한다.

2. Heavy-Duty 디젤엔진의 EURO-VI 대응전략
전세계적으로 현재 소개되고 있는 Heavy-Duty 디젤엔진의 EURO-VI 대응기술을 살펴보면, 연료와 환원제를 포함한 연비를 최소화하면서 EURO-V 대비 대폭 강화된 NOx 규제 대응을 위해, 배기재순환(EGR,Exhaust Gas Recirculation) 및 선택적 환원촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction) 기술을 어느 정도의 조합으로 구성하는가에 의해 각 제조사별 핵심 대응 전략이 결정된다고 볼 수 있다. 물론 여기에는 EGR 관련 냉각 및 제어 시스템, SCR 성능 확보를 위한 환원제 분사전략 및 열관리(Thermal Management) 시스템 등에 대한 종합적인 고려도 포함된다.

현재까지 소개된 주요 제조사별 Heavy-Duty 디젤엔진 EURO-VI 대응기술을 종합해 볼 때, 엔진에 있어서는 EGR을 적용하고 분사압 2000bar 이상을 통한 연소시스템 최적화로 연소효율을 극대화하는 동시에 후처리에 있어서는 디젤산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst), 디젤매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter) 및 SCR을 모두 적용하는 것이 가장 일반적인 전략으로 파악된다.

DAIMLER와 SCANIA의 12~13L급 EURO-VI 전략을 살펴보면, Mild(15~25%) 수준의 Cooled EGR을 적용하고 최대 95% 수준(Hot WHTC 기준)의 SCR 효율을 통해 대응하고 있으며, VOLVO의 11~13L급 경우는 Uncooled EGR을 적용하고 최대 97% 수준(Hot WHTC 기준)의 SCR 효율을 통해 대응하는 것으로 보여진다. 특히, IVECO는 9~13L급에서 No EGR 방식을 EURO-VI에서도 채택하고 있으며 최대 97% 이상의 SCR 효율을 공시하고 있다.

표 2에는 이러한 주요 제조사별 기술 전략을 요약하여 Heavy-Duty 디젤 On-highway EURO-VI 대응 후처리전략을 취합하여 살펴보고, 예상되는 기술을 특성별로 구분하여 정리하였다.

먼저 SCR의 정화효율을 극대화하여 NOx 규제 대응은 주로 SCR에 의존하고, PM 및 PN은 연소실 및 DPF를 통해 대응하는 전략 1을 들 수 있다. 이 경우 보통 EGR은 사용하지 않거나, 매우 낮은 비율로 적용하여 연소실 내부의 온도를 높이고 산소농도를 높게 유지하여 연소실 내부의 연소조건을 유리한 쪽으로 유지한다. 이 경우 연소과정에서의 PM이 크게 개선되어 DPF 소형화, 단순화 및 금속담체 등의 기술 적용이 가능하고, 이를 통해 PM이 DPF 내에서 자연 산화하는 Passive Regeneration 전략을 적극적으로 활용하여 재생전략 수립 및 이에 따른 연비 악화를 막을 수 있는 장점이 있다. 또한 EGR 시스템 구축을 최소화하여 엔진 원가절감 및 EGR에 의한 내구 악화를 줄일 수 있다. 그러나 EURO-VI 수준의 NOx 규제를 SCR 위주로 대응하기 위해서는 95% 이상의 높은 정화효율을 안정적으로 유지해야 하는 기술적 어려움이 발생하며, 이를 위한 정밀제어기술, Thermal Management 기술, 다양한 차량의 운행특성 별 최적화기술, 환원제 소모량 증가를 억제하는 기술 등이 확보되어야 한다. 또한 SCR 관련 시스템의 작은 고장도 OBD 등 운행조건에 대한 규제 대응에 치명적일 수 있기 때문에 내구성 및 신뢰성 관점의 높은 기술력이 필요하다.

전략 2는 적절한 수준의 EGR을 적용하여, 전략 1에 비해 상대적으로 SCR의 부담을 줄여주는 대신 DPF 성능을 일부 강화하여 연소실에서 증가된 PM을 대응하는 방안이다. 이 경우 고효율 SCR에 부가되는 높은 기술적 장벽을 일부 해소할 수 있고, 상대적으로 EURO-V 등에 적용된 기술적 요소를 적극 활용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 시스템 Size가 크고 다양한 시스템이 동시 적용되어야 하기 때문에 가격적 측면에서 불리하며, 특히 후처리장치의 Size가 크게 증가하기 때문에 엔진시스템의 차량 layout 관점에서 매우 복잡해지는 어려움이 있다.

전략 3은 전략 1과 상반되는 개념으로 어차피 PN 대응을 위해 DPF 적용이 필수적이라면, DPF의 성능을 극대화하여 PM/PN을 대응하고, 연소실의 연소전략은 가능한 한 NOx 배출을 억제하여 SCR 적용을 회피하는 전략이다. 이 경우 SCR 시스템이 필요하지 않기 때문에 시스템 가격, 내구신뢰성 및 layout 측면에서 높은 강점을 보이지만, PM/PN 배출이 크게 증가하여 DPF Regeneration이 매우 자주 필요하고, 이에 따라 연비가 악화될 가능성이 높다. 또한 연소실 내의 온도 및 산소농도를 억제하는 방향으로 연소가 이루어지기 때문에 연소효율이 악화되어 추가적인 연비손실이 발생할 수 있다.

이상의 세 가지 전략은 어느 것이 더 우세하다고 단정하기는 어렵고, 다만 업체별로 고유의 강점을 얼마나 잘 살려서 각 전략별 장점을 극대화하고 약점을 최소화 하는가와 이를 통해 시장의 Needs를 잘 대응하여 기술을 통해 높은 부가가치를 창출하는가에 의해 기술적 성패가 결정될 것으로 볼 수 있다.

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지금까지는 Heavy-Duty 디젤엔진의 EURO-VI 대응전략을 종합적인 틀에서 조망해 보았다. 이제 본고의 남은 부분에서는 EURO-VI 주요 후처리장치별 핵심 요소기술에 대해 소개하고자 한다.

3. Diesel Oxidation Catalyst (DOC)
상용 디젤엔진의 EURO-V 규제 대비 EURO-VI에서는 입자상물질(PM)의 단위출력량 당 질량 규제치가 0.02g/kWh(ESC/ETC 모드)에서 0.01g/kWh로 강화된다. 일반적으로 디젤엔진의 Lube Oil 및 연료의 입자상(Particulate Phase)으로 이루어진 용해성 유기물질(SOF, Soluble Organic Fraction)은 PM의 구성성분 중 높은 비중을 차지하는데, 이들은 DOC를 통해 상당 부분 제거된다. 특히 EURO-VI에서는 연소효율이 높아지면서 연소실 내 Dry Soot의 발생이 지속적으로 줄어들고 있어, 전체 PM에 있어 SOF의 자치 비중은 더욱 커지고 있는 추세이다. 요컨대, EURO-VI 대응을 위한 전체 PM 질량 저감에 있어 DOC의 역할은 더욱 중요해지고 있다.

또한, EURO-VI NOx 규제 대응을 위해서 SCR 효율이 매우 중요한 요소이므로, NO와 NO2의 비율을 적절히 조절하여 낮은 배기온도 환경에서도 SCR의 높은 NOx 정화효율을 유지하기 위해서도 DOC의 중요성은 매우 크다고 볼 수 있다.

상용 디젤엔진용 DOC에 적용되는 촉매 귀금속은 주로 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)으로 구성되는데, 탑재된 디젤엔진의 연소 및 운전 특성 하에서 DOC의 기능을 최적화하는 기술이 활발히 적용되고 있다. 이러한 기술로는 Pt/Pd 함량 비율 최적화, 담체 내 Pt와 Pd의 담지 영역을 분리(Zonal Coating) 하여 각 촉매의 특성을 극대화하는 기술, 금속 담체(Substrate)를 사용하여 시동 초기 예열성을 개선함과 동시에 배기배압 상승을 억제하여 연비를 높이는 기술 등이 연구 및 개발되고 있다.

4. Diesel Particulate Filter (DPF)
EURO-VI에서 가장 주목할 만한 규제항목 중 하나는 PN(Particle Number) 규제로, 기존의 PM 질량규제 강화와 동시에 개수를 제한하는 규제가 신규 적용된다. PM 나노입자의 경우, 전체 PM의 질량 증대에는 큰 영향을 미치지 않지만 최근 인체 및 대기에 미치는 유해성이 밝혀져 EURO-VI에서부터 규제된다.

EURO-V까지의 배기규제 대응 전략은 크게 두 가지 개념으로 분류되었는데, 연소과정에서 발생하는 PM-NOx의 trade-off 특성에 의해 연소실 내에서 두 가지 유해성분을 동시에 저감하는 것이 매우 어려우므로, 둘 중 하나는 연소과정에서 집중적으로 억제하고 나머지 하나는 후처리를 통해서 대응하는 전략이 주로 적용되었다. 즉, 연소실에서 EGR 등의 적용을 통해 NOx 배출을 억제하고, 이에 따라 증가되는 PM을 DPF를 이용하여 대응하는 전략과 반대로 연소실의 고온 산화를 촉진하여 PM을 억제한 후 SCR 등 NOx 후 처리장치를 적용하는 전략이 활용되었다. 그러나 PN 규제에 대응하기 위한 연소실 내부의 전략이 상용 디젤엔진에서는 매우 제한적이므로, EURO-VI 배기규제 대응을 위해서는 어쩔 수 없이 DPF의 적용이 거의 필수적인 것으로 인식되고 있다.

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EURO-VI DPF 적용 기술에 있어서 특징이라면, 대부분의 업체가 자연재생(Passive Regeneration)방식을 채택하고 있다는 점이다. 물론 이전에도 자연재생 방식의 DPF에 대한 연구개발이 꾸준히 있어왔지만, 다양한 기술적 한계로 EURO-V까지는 강제재생(Active Regeneration) 방식이 대세였다면 EURO-VI에서는 자연재생 방식이 주류가 될 전망이다. 또 다른 중요한 기술 특징으로는 시스템 크기를 최소화하면서, DPF의 자연재생과 동시에 SCR의 환원반응을 촉진시키기 위한 방안으로 DPF-SCR 일체화 (SCRF, SCR on DPF) 등이 소개되고 있다.

5. Selective Catalytic Reduction (SCR)
EURO-VI SCR 기술에 있어 가장 중요한 요소는 앞서 전략 부분에서도 설명하였듯이 얼마나 높은 NOx 정화효율을 확보할 수 있는가 하는 것이다. 높은 SCR 효율을 위한 필수 요소는 두 가지인데, 첫째는 시동 초기 낮은 배기 온도를 얼마나 빨리 끌어올릴 수 있느냐이고, 둘째는 시시각각 변화하는 NOx 성분과 정량적으로 알맞게 반응할 수 있는 환원제가 촉매 전체에 얼마나 균등하게 흡착되어 반응에 참여하느냐이다.

현재 널리 적용되고 있는 SCR 환원제 공급방식은 요소수용액(Urea-Water-Solution)을 분무 상태로 분사하여 배기환경에서 열분해(Thermal Decomposition) 및 가수분해(Hydrolysis) 과정을 거쳐 암모니아(NH3)를 얻게 되는데, 특히 Heavy-Duty 디젤에서는 환원제의 필요량 또한 많기 때문에 자칫 요소수 분무제어를 최적화하지 못하면 요소(Urea) Deposit 생성 등의 2차 문제를 불러올 수도 있다. 따라서 분사된 요소수를 빠르고 균등하게 배기와의 혼합을 촉진시키기 위한 Mixer 설치 및 유동장을 고려한 SCR 유입부 최적화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세이다. 이와 동시에 배기관 및 SCR 시스템의 열관리(Thermal Management)를 통해 환원제 수득 최적화 및 신속한 촉매 예열 등을 위한 열적 환경 구축에 많은 연구 개발이 진행되고 있다.

이를 위해 촉매 일체화, 단열성강화 등의 기술이 적용된 시스템이 빠르게 시장에 등장할 것으로 예상된다. 또한 높은 SCR 효율 확보를 위해 환원제 과다의 경우 반응에 참여하지 못하고 직접 대기 중으로 배출되는 NH3 Slip 문제가 발생하게 된다. 따라서 대부분의 SCR 시스템은 이를 방지하기 위한 AOC(Ammonia Oxidation Catalyst)를 후단에 장착한다.

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이 외에도 Heavy-Duty 디젤 EURO-VI 대응 SCR 시스템에 있어 중요한 기술 중의 하나는 정밀한 환원제 제어기술이라 할 수 있다. 요소수 분사 및 NH3 Slip 방지를 위한 정밀 제어를 위해 NOx 센서, NH3 센서, 온도 센서, 습도 센서 등 다양한 종류의 센서가 필요하기 때문에 센서 비용을 줄이면서도 어떻게 정밀한 제어를 구현할 것인가에 대한 연구 개발이 매우 활발히 진행되는 추세이다.

6. 요약
위에서 소개한 바와 같이 EURO-VI 배기규제 이후로부터는 승용 소형자동차와 상용 대형 디젤자동차의 배기규제 수준은 거의 동등 수준으로 유지될 것으로 예상되고 있다. 승용과 상용 모두 이러한 지속적인 배기규제 강화는 매우 높은 수준의 기술적 도전과 직면하는 것이며, 특히 상용 자동차의 경우 차량의 운전특성 및 소비자의 요구가치가 승용차와 다른 점이 많으므로 보다 다양한 관점에서 기술적 대안을 검토해야 할 필요성이 높다. 향후 본격적인 온실가스 규제 및 CO2 규제가 발효되면 그동안 소비자 가치로 인식되어 온 연비가 적극적인 규제 대상이 될 것으로 보이며, 이에 따라 연비 향상 기술이 배기규제 만족을 위한 필수 기술로 인식될 것으로 보인다.

즉, 엔진의 연소 및 후처리기술의 지속적인 발전과 더불어, 배기열 회수기술 및 Turbo-compounding과 같은 연비개선 기술이 점차 일반화될 가능성이 높으며, 이러한 기술의 도입 및 적용은 기존의 연소시스템 및 후처리시스템과 통합적으로 관리, 운용되어야만 배기 및 연비규제에 동시에 대응 가능한 기술로 정착될 수 있을 것으로 보인다. 또한 Off-highway 장비인 건설장비, 굴삭기, 비도로용 트럭, 발전기 및 선박에 이르는 다양한 Heavy-Duty 장비에도 EURO-VI 동등 수준의 배기규제 강화가 지속적으로 논의되고 있으며, 이에 대한 적극적인 기술 개발이 꾸준히 이루어져야 할 것으로 생각한다.
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