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[오토저널] 경유자동차 배출가스 후처리 시스템

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-05-31 23:34:31

본문

디젤엔진은 고압축비로 인한 높은 열효율과 펌핑 손실 감소 효과가 있고 희박연소를 하므로 연비가 대략 30% 정도 향상되는 것으로 알려져 있다. 또한 가솔린엔진에 비하여 토크의 변동이 적으나, 배출가스 중 입자상물질(PM, Particulate Matter)과 질소산화물(NOx, Nitrogen Oxides)이 많이 배출되는 문제점이 있다. 가솔린엔진은 공기와 가솔린을 혼합한 혼합기를 실린더 내에 흡입하여 점화플러그의 불꽃으로 연소를 발생시키는 반면, 디젤엔진은 실린더 내로 흡입한 공기를 압축하고 압축된 공기가 고온이 된 시점에 미립화된 연료를 실린더 내로 분사함으로써 자기착화시켜 연소한다.

이와 같은 연소방식과 압축비의 차이 등으로 인해 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 열효율이 높고, CO2 배출량이 적고 내구성이 우수하며 터보과급에 의해 비출력을 높이기 쉽다는 장점이 있다. 그러나 디젤엔진은 NOx와 PM의 발생량이 많고 소음과 진동이 많은 특징을 지닌다. 특히, 소음과 진동으로 인한 승차감이 좋지 않고 많은 PM의 발생 등으로 인한 대기질 오염의 주원인으로 인식되었으나 지금은 엔진 기술과 배출가스 저감 기술이 발달하여 많이 개선되었다. 여기서는 이 중에서 후처리 장치 기술현황을 살펴보고자 한다.

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산화촉매 (DOC : Diesel Oxidation Catalyst)
후처리 장치에서 산화촉매란 필터에 백금, 팔라듐 등을 코팅하여 이들에 의한 촉매작용으로 배기가스 중 산소를 사용하여 PM에 함유된 탄화수소(HC)를 주성분으로 하는 미연소물질(SOF)을 산화하여 물과 이산화탄소로 바꾸는 기술이다.

그러나 경유 중 유황성분에 대해서도 산화작용이 작용하므로 황산염이 증가하고 PM이 증대되는 원인이 되므로, 산화촉매를 사용할 때에는 경유의 저유황화가 중요한 요소가 된다.

디젤필터 (DPF : Diesel Particulate Filter)
DPF 기술은 EURO 4 기준을 만족하기 위하여 사용되고 있으며 EURO 5부터는 기준 대응을 위해서 모든 디젤승용차에 적용되고 있다. DPF는 기본적으로 필터와 촉매로 이루어져 있으며, 필터내에 PM이 일정수준 이상 포집되었을때 배출가스 온도를 높임으로서 PM을 연소시켜 재생시킨다. 이는 재생원리에 따라 자연재생(연속재생)방식과 전기히터나 첨가제 방식 등 강제 재생방식으로 구분되며 순수한 엔진연소시의 상승된 배기가스 온도에 재생되는 자연재생방식은 고부하에 의한 배기가스 온도가 높은 대형차에 주로 적용되고 있으며, 외부열원에 의해 재생되는 강제 재생방식의 경우 소형차에 많이 적용되는 기술이다.

연속재생방식의 DPF는 DPF 앞쪽에 위치한 산화촉매로 생성시킨 NO2를 사용하여 필터로 포집한 PM을 비교적 낮은 온도에서 연속적으로 산화시켜 제거함으로써 필터를 재생하는 방식이다. 연속재생방식의 DPF는 앞쪽에 산화촉매가 부착되고 그 아래쪽에 DPF가 배치되어 있는 구성 방식을 채택하고 있다. 배기가스속 어느정도의 산소 농도하에 450~500℃에서 PM 연소가 시작되는데 비해 NO2를 사용한 반응에서는 비교적 온도가 낮은 200℃ 부근부터 연소가 시작하기 때문에 저온에서도 PM을 연소할 수 있다. 단지 200℃ 이하의 경부하에서는 커먼레일 분사장치의 포스트분사 등과 같은 제어방식을 이용하여 촉매온도를 제어한다. 연료 중 유황성분 농도가 높은 경우에는 배기가스 중 SO2가 산화되어 황산염을 생성, PM 증가의 원인이 되기 때문에 이러한 시스템을 사용할 때에는 저유황 경유를 사용해야 한다.

현재의 DPF와 그 주변기술로는 실제주행 중 PM이 퇴적되는 것을 막을 수 없다. 따라서 용손 가능성이 높아지기 전에 고온상태를 만들어 강제로 PM을 재생하는 방법을 빼놓을 수 없다. 전기가열 등도 시도되고 있지만 DPF를 수백도까지 가열하려면 많은양의 전력이 요구되어 자동차에서 적용은 쉽지 않다. 그러므로 엔진배기 자체의 온도를 높여 DPF로 보내는 것이 현실적인 방법이다. 커먼레일 시스템에서 포스트 분사하여 그 연료가 배기관에서 흘러나오는 가운데 연소되도록 한다면, DPF 입구에서의 가스온도를 상승시킬 수 있다. 산화촉매가 없는 DPF일 경우, 입구의 배기가스 온도를 600℃까지 높이면 PM이 산화된다. 도로상의 복합적인 주행패턴에서는 수백 km로 주행 시 강제재생이 필요하다. DPF에 PM의 포집정도와 그 판정의 기본은 DPF에 흐르는 가스의 저항 즉, 출입구의 압력을 검출하고 그 차압을 DPF의 압력손실과 동일시 계산하여 계속 관찰한다. 엔진회전 및 부하에 대한 차압의 역치를 설정하는 것이다. 엔진의 운전이력 등도 고려하여 장치 부착방법을 판정하는 사례도 증가하고 있다.

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NOx 흡장환원촉매 (LNT : Lean NOx Trap)
NOx 흡장환원촉매는 가솔린 기관의 삼원촉매장치에 질소산화물(NOx) 흡수물질을 첨가한 촉매로서 공연비가 희박 조건(Lean) 일 때 배기가스 중 NOx를 산화하여 질산염으로 흡장하고, 이 질산염을 농후(Rich)연소 시의 탄화수소와 CO의 반응으로 환원 정화하는 후처리시스템이다. 물에 녹인 요소수를 배기가스에 계속 주입하여 질소산화물을 선택적으로 제거하는 Urea-SCR법과 달리 연료를 환원제로 사용하기 때문에 자동차내에 요소수 저장장치나 기반시설이 필요 없는 장점이 있으나 연료를 사용하므로 연비가 악화되는 단점이 있다. 질소산화물의 흡장량을 늘려 환원 조작의 주기를 길게 설정할 수 있도록 흡장제의 양이 많게 해야 하는 점도 경제적 면에서 불리하여 주로 소형 디젤 차량의 NOx 저감 방법으로 고려되고 있다. 또한, 흡장환원촉매는 NOx보다 유황성분과 결합하기 쉽기 때문에 Sulfate Purge가 요구되는데 이때의 연료소비율 저감과 내구성 향상이 문제가 될 수 있다. 연료중의 황성분에 의해 촉매가 피독되는 문제점을 안고 있기 때문에 연료 중 유황성분도 중요하다.

2006년 일본 혼다자동차에서는 새로운 Lean NOx 촉매기술로 배기가스에 산소가 과잉 시 담체표면에 담지된 층 속의 흡장재로 NOx 분자를 포집한다. 그러나 리치 스파이크를 수행했을 때의 반응이 지금까지의 Lean NOx 촉매와는 다른다는 것이다. 이때 탄화수소로부터 분리된 수소와 NOx를 반응시켜서 암모니아(NH3)를 생성하게 한다. 이를 촉매 층의 최상부에 흡착해두고 다시 희박연소가 되었을 때 흘러들어오는 NOx와 반응시켜 N2와 H2O로 바꾸는 것이다. 엔진의 운전상태와 NOx 생성, 촉매상 NH3 양의 관계를 파악함으로써 정밀한 lean/rich 제어가 가능해 짐을 이용하는 것이다.

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DPNR (Diesel Particulate-NOx Reduction System)
DPNR은 PM과 NOx를 연속적으로 90% 이상 저감할 수 있는 시스템으로 NOx 흡장환원촉매를 응용한 것이다. 이는 포집한 NOx와 함께 PM도 동일 촉매 상에서 제거하는 기술로서 승용차나 중·소형 트럭에 적합하다. NOx 흡장환원촉매와 같이 연비, 장치의 내구성 문제와 연료 중 유황성분 함량이 중요하다.

도요타 자동차에서는 NOx 흡장과 PM 포집재생을 동시병행적으로 수행하는 시스템으로 발전시켜, DPNR을 개발 실용화시켰다. 그러나 단점으로는 무황성분의 연료가 아니라면 피독 = 촉매기능이 빨리 저하되기 때문에 유황을 촉매로 부터 이탈시키기 위해 600℃ 이상의 고온을 유입하는 운전을 반복할 필요가 있다. 이 유황피독 해제운전과 리치 스파이크를 위해 연소실이 아닌 배기관 측에 전용 연료분사밸브가 장착되어 있다. 일반적으로 촉매는 800~900℃에 노출되면 장치가 열화 되기 쉽기 때문에 비교적 좁은 온도영역에서 운전해야 한다. 담체표면에 담지된 NOx 흡장층이 Lean 상태에서는 NOx를 흡착, 유지한다. 여기에 리치 스파이크를 유입하면 촉매의 백금을 삼원촉매로 사용하였을 때와 같이 작용하여 주변의 NOx를 HC와 CO로 환원하며 이 때 방출된 활성산소가 PM의 산화에도 작용한다. 일반적인 PM 산화촉매로서도 작용하며 즉, 월 플로우형담체에 NOx 흡장층과 촉매를 담지한 것이 DPNR이다.

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SCR (Selective Catalytic Reduction)
SCR은 주로 발전소 등 대형 플렌트에서 사용되는 암모니아 탈초 (脫硝)와 같은 원리이다. 단, 암모니아는 취급하기 어렵기 때문에 자동차에서는 요소 수용액을 사용한다. 요소 SCR 시스템은 요소수를 배기가스 중에 주입하여 암모니아를 생성시키고 암모니아와 NOx를 반응시켜서 물과 질소로 무해화 하는 기술이다. SCR은 요소수의 공급이 필요하며 대형 디젤자동차에 적합하다. 승용차로의 적용은 탑재 공간 등의 문제점도 있으나 NOx 정화율이 높고 연비에 미치는 악영향이 적은 점에서 유리하다. 또한 V8급의 대형 승용차는 일반적으로 NOx 정화효율 개선을 위해 SCR 탑재가 유리하다.

SCR 방식을 사용하려면 반드시 질소산화물을 촉매 반응시키기 위하여 환원제로 암모니아가 필요하다. 따라서, SCR장치는 환원제 공급시스템 (Dosing System)을 사용하여 엔진 운전 조건에 따라 최적량의 환원제를 분사시켜 주어야 한다. 환원제인 암모니아의 슬립시 악취 때문에 사용시 각별히 유의해야 하므로 이의 대안으로 요소(Urea) 수용액이 채택되어, 32.5% 요소 수용액이 AdBlue라는 상품명으로 유럽 및 일본 시장에서 판매되고 있다.

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이러한 AdBlue는 일반적인 조건에서는 무색, 무취, 무독성의 액체로서 취급이 용이한 장점이 있다. AdBlue 소비량은 연료소비량의 5~7% 수준이며, 승용차용의 경우는 1회 주입으로 엔진오일 교환 주기까지 사용가능하도록 하여 운전자의 불편을 최소화하도록 하고 있다. 그러나 대형차의 경우는 AdBlue를 주기적으로 보충해 주어야 하는 불편이 있고, 이를 위해서는 주유소에 AdBlue 공급 인프라 구축이 필요하다.

2006년 디트로이트 모터쇼에서 메르세데스 벤츠는 디젤 승용차에 요소 SCR 시스템을 채용하여 「BlueTech」라는 이름으로 NOx와 PM의 규제가 더욱 강화되는 미국에 투입을 발표했었다. 메르세데스 벤츠 및 Bosch에 의하면 요소수 탱크를 트렁크 룸 속, 스페어타이어의 휠공간에 탑재하는 10ℓ 이상의 용량을 확보하여 일반적인 정기점검 간격의 주행거리는 요소수 보급을 억제하는 방식을 택하고 있다. 또한 비용절감을 위해 환원제로서 Urea 대신 배기가스 성분중의 HC를 직접 사용하는 HC-SCR도 개발하였으나, HC를 이용하는 경우에는 효율이 낮다는 단점이 있다.

 

글 / 김종춘 (허즈엔티)

출처 / 오토저널 15년 11월호 (http://www.ksae.org)   

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