이번호에서는 최근 출시 되고 있는 자동차 내연기관에서 배출되는 가스의 종류와 차량 제조사 들에서 배출가스를 줄이기 위하여 새롭게 도입하고 적용하고 있는 신기술시스템에 대하여 살펴보고자 한다.
일반적으로 내연기관은 사용하는 연료의 종류에 따라 크게 두가지로 나누어진다. 디젤엔진과 가솔린엔진이 그것이다. 디젤엔진과 가솔린엔진은 사용하는 연료뿐만이 아니라 작동방식에서도 큰 차이를 보이며, 배출되는 배기가스의 종류도 다르다.
가솔린엔진과 디젤엔진의 가장 큰 차이는 연소방식의 차이이다. 가솔린엔진은 연소실 또는 흡기 다기관 또는 연소실(GDI)에 연료를 분사하고 점화 플러그를 이용하여 점화시켜 동력을발생시키는 방식이다. 그에 반해 디젤엔진은 연료를 연소실에 고압으로 분사하고 점화장치 없이 압축만으로 고온에서 폭발시키는 방식을 쓴다.
3.내연기관 등장
가솔린엔진과 디젤엔진은 발명된 시점에도 차이가 있다. 가솔린엔진은 독일의 기술자 카를 프레드릭 벤츠(Karl Friedrich Benz)가 1886년에 제조한 삼륜자동차 페이턴트 모터바겐과 함께 세상에 소개되었다. 디젤엔진은 그보다는 조금 늦은 1894년에 또다른 독일기술자 루돌프 디젤(Rudolf Diesel)에 의하여 발명되었다. 조금 늦은 상용화에도 불구하고 우월한 열효율, 경제성, 그리고 힘으로 내연기관 시장에 새로운 구도를 가져왔다고 평가된다.
4.내연기관의 효율
앞서 언급된 것처럼, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 우월한 효율을 가지고 있는데, 이것은 두 내연기관의 또다른 차이점이다. 여기에는 두가지 이유가 존재한다. 같은 양의 열에너지가 주어졌을 때 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 동력으로 변환할 수 있는 양이 10%정도 높을 뿐더러, 같은 양이 연소되었을 때 생산되는 열에너지의 양도 더 많다. 한마디로 같은 량의 연료를 연소하여 더 많이 주행이 가능하다는 이야기다.
5.국내자동차 배출가스기준
국내 배출가스 허용기준은 20009년부터 2015년까지 미국 캘리포니아주의 초저배출차량(Ultra Low Emission Vehicle-ULEV) 기준의 허용치보다도 50%가량 낮은 기준을 적용해 왔다. 더 나아가 2016년부터 2025년까지는 ULEV기준의 허용치보다 무려 160% 더 낮은 기준을 만족할 수 있도록 단계적으로 기준을 강화해나갈 예정이라고 환경부는 밝혔다.
국내 디젤자동차의 배출허용기준은 유럽연합 기준을 적용하고 있다. 2009년부터 2013년까지는 유로5(EU5) 기준을 적용하였고, 2014년부터는 유로6(EU6) 기준을 적용해 왔다. 유로6 기준은 질소산화물(NOx) 배출허용량을 2.0g/kwh이하에서 0.46g/kwh이하로, 미세먼지는0.03g/kwh이하에서 0.01g/kwh이하로 강화되었다. 유로5 대비 미세먼지는 66%, 질소산화물은 77% 절감된 기준이다. (환경부 자료)
우리나라의 자동차 등급별 배출가스 허용기준은 아래 표와 같이 차량 크기와 배기량에 따라 구분을 하여 규제를 하고 있다.
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6.자동차 내연기관 종류
자동차가 주행하면서 배출되는 가스의 종류는 차량의 엔진연료 사용여부에 따라 다양하게 배출이 된다. 현재 자동차 내연기관에 사용되는 연료의 종류에는 가솔린, 디젤, LPG, LNG, 알코올, 수소가스 등 다양하며, 가솔린과 디젤이 그 중 가장 사용비율이 높다. 특히 한국에서는 저렴한 기름값과 높은 연비로 디젤차량들이 소비자에게 사랑받고 있다.
주행 중 환경오염물질 배출이 적은 전기자동차들이 개발되고, 여러가지 환경문제의 주범으로 이제는 꽤 오랜기간 지적 받아온 디젤 혹은 가솔린 내연기관들은 이제 사라질지도 모르는 기로에 서있다. 물론 전기자동차 조차도 발전과정에서 발생하는 환경오염 혹은 충전소를 짓는 과정에서 발생하는 환경파괴등 문제는 존재한다. 그러한 이유로, 대체에너지를 사용하는 동력기관의 개발과 기존 내연기관의 환경오염을 최소화 하는것은 자동차 제조사들에게 있어 가장 뜨거운 화제다.
7.배출가스저감 신기술
전기자동차의 상용화가 이루어지고 다른 대체에너지 동력기관에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있지만, 당장 모든 자동차를 대체하기는 아직 불가능한 수준이다. 그렇기 때문에 자동차 제조사들은 기존 내연기관의 효율을 높이기 위하여 다양한 신기술을 적용하고 있다. 가솔린 엔진의 경우, 엔진의 회전대역과 부하에 따라 최적의 연비와 출력을 내도록 밸브가 언제 닫히고 열리는지 관리하는 CVVT(Continuous Variable Valve Timing), 타이밍은 물론 밸브가 닫히는 깊이까지 조절하는 CVVL(Continuous Variable Valve Lift), 그리고 터빈을 이용해 연소실에 추가적인 압축공기를 공급하는 터보차저(Turbocharger) 등이 그런것들이다. 엔진의 효율을 직접 개선하지는 않지만 차체의 무게와 저항을 줄여주는 알루미늄 바디, 저저항(低抵抗) 타이어등도 결과적으로 연비를 개선한다.
디젤엔진의 경우도 경량차체와 저저항 타이어는 동일하게 적용되지만, 디젤엔진에 적용되는 신기술은 가솔린보다 더 많은 변화를 요구하고 있다. 그 중 이번에 소개할 시스템은 디젤엔진차량에서 다량배출 되는 NOx와 PM(Particulate Matter) 문제를 해결하는 시스템이다.
8.디젤기관의 연소
디젤엔진이 정상적으로 작동을 하기위해서는 가솔린엔진과는 다르게 다량의 공기를 압축하여 엔진 연소실에 유입시킨다. 이 후 연료를 고압(약1.600~2.200 kgf/cm²)으로 연소실에 분사를하여 연소실 내에서 폭발을 일으켜 동력을 발생 시키게 된다. 이때 공기와 연료는 일정비율로섞여 연소실에 정확하게 들어가고 또 정확한 시점에 연소가 이루어져서 원하는 만큼의 힘을 얻게 된다. 이 과정은 한 치의 오차도 없이 여러 장치들이 순서에 맞추어서 이루어진다. 이렇게 연소실에서 연소가 이루어지고 나면 배출되는 가스는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 탄화수소(HC), 질소산화(NOx) 등이며 배출되는 양은 연료와 배기량에 따라 다르다.
9.대기오염물질 분류
1)미세먼지(PM10, PM2.5 Particulate Matter)
미세먼지 또는 분진은 눈에 보이지 않는 정도의 작은 입자의 먼지로 아황산가스, 질소산화물, 납, 오존, 일산화탄소 등을 포함하는 대기오염물질로 자동차, 공장 등에서 많이 발생을 한다. 크기가 10μm이하인 경우, PM10이라 한다. 입자크기가 2.5μm이하인 경우 PM2.5라고 하며 초미세먼지 또는 극미세먼지 라고 한다.
2)PM10(10μm미만)
입자의 크기가 10μm미만인 먼지. 국가에서 환경기준으로 연평균 50μg/m2, 하루 평균 100μg/m2 를 기준으로 규정 허고 있다. 인체의 폐까지 침투하여 각종 호흡기 질환의 직접적인 원인으로 인체의 면역 기능을 악화시킨다. 세계보건기구(WHO) 가이드라인은 연평균 20μg/m2, 하루 평균 50μg/m2으로 규정되어 있으며 개발도상국가의 경우 70μg/m2이다.
3)PM2.5(2.5μm미만)
입자의 크기가 2.5μm미만인 먼지로 이 크기의 먼지를 초미세먼지라고 한다.입자의 크기가 작을수록 인체에 침투를 잘하고 영향력 또한 크다. 국내는 연평균 15μg/m2, 하루 평균 35μg/m2의 기준이며, 미국은 연평균 15μg/m2, 하루 평균35μg/m2 기준이다. 세계보건기구(WHO) 가이드라인은 연평균 10μg/m2, 하루 평균 25μg/m2으로 규정하고 있다.
4)총 부유입자TSP(Total Suspended Particles)
총 부유입자는 일반적으로 50μm 이하의 모든 부유먼지를 말한다. 입자의 크기가 10μm 이상인 경우에는 도시미관에 영향을 미치긴 하지만 인체의 건강에는 영향이 적기 때문에 90년대 후반 TPS 에서 PM10으로 환경기준을 변경하였다.
5)초미세먼지UFD(Ultra Fine Dust)
미세먼지 중 입자가 아주 작은 것으로 PM2.5(직경2.5μm이하)를 부르는 용어. 2017년3월 이후 PM2.5보다 작은PM1.0이나 PM0.1등을 통칭한다.
6)입자상물질PC(Particulate Contaminants)
공기중에 부유하는 먼지, 분진, 에어로졸, 훈연, 미스트, 연기, 안개, 스모그, 검댕 등으로 가스상태의 물질과 대비된다. 입자상태 오염물질의 크기는 0.01~100μm의 범위이고, 100μm보다 큰 입자는 대기 중에 배출된 후 수 분 이내로 지상에 떨어진다. 2차 오염물질로 자극성 가스를 흡수하거나 결합하여 0.5~5μm 크기의 입자가 에어로졸 형태로 변화한다. 인체의 폐부에 달라붙을 가능성이 아주 높으며 달라붙은 곳에서 자극성 가스로 피해를 준다.
7)자동차 배출가스EG(Exhaust Gas)
물질이 연소합성, 분해될 때 발생되는 기체상태의 물질로 흔히 배출가스라고 한다. 일반적으로 내연기관이 배출하는 기체, 즉 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 황산화물, 황화수소, 질소산화물, 암모니아, 오존, 옥시던트 등을 말한다.
10.대표적인 자동차 배출가스
1)일산화탄소CO(Carbon Monoxide)
자동차 연료의 탄소성분이 불완전 연소시 발생하는 투명하고 무취의 독성 가스로 인체가 노출되면 혈액의 산소 운반기능이 저하된다. 높은 농도에 노출되었을 경우 치명적인 해를 입힌다. 현재국내에서 대기 중 일산화탄소 기준은 1시간 평균치 25ppm 이하,8시간 평균치9ppm 이하이다.
2)이산화탄소CO₂(Carbon Dioxide)
이산화탄소는 탄소 원자 하나에 산소 원자 둘이 결합한 화합물이다. 화학식은 CO2이며, 무색, 무취, 무미이다. 이산화탄소는 고온에서는 일산화탄소와 산소로 분리되며, 수소와 가역적으로 반응하여 일산화탄소와 물을 생성한다. 이산화탄소는 산소와 반대로 연소를 방해한다. 이산화탄소는 지구에서 발생되는 복사에너지를 흡수하는 온실가스의 주성분이기도 하다.
3)탄화수소HC(Hydrocarbon)
원유는 탄소와 수소의 화합물이 섞여 있는 액체 혼합물로서 황이나 질소 등의 불순물도 소량 포함하고 있다. 원유에 포함된 불순물은 연소할 때 환경오염을 일으키는 기체로 변한다. 자동차에서 배출되는 탄화수소는 연료가 연소되면서 발생되는 것과 연료가 증발 하면서 발생하는 것으로 구분이 되며 최근 차량들은 증발되어 대기 중에 방출되는 탄화수소를 포집하는 장치가별도의 시스템에 의하여 관리되고 있다.
4)질소산화물NOX(Nitrogen Oxide) 자동차에서 배출되는 질소산화물은 자동차가 연소실에서 고온고압으로 연소하는 과정에서 발생을 하게 된다, 공기 중에 많은 비중을 차지하고 있는 질소산화물 중 가장 주요한 형태는 일산화질소와 이산화질소이며, 이 둘을 합쳐서 NOx로 표현하기도 한다. 자동차에서 질소산화물생성은 흡입공기 중에서 질소가스(N2)가 고온고압의 연소과정에서 질소에 산소가 하나 더 강제로 결합되어서 생성된다. 질소가스를 구성하는 두 개의 질소 원자는 아주 강하게 결합하고있기 때문에 그것을 원자상태로 분리하는 것은 쉽지 않다. 자동차의 엔진내부의 매우 높은 온도와 압력이 두 질소원자를 분리하는 것을 가능케 한다.
11.디젤 자동차배출가스 저감장치 기술
1)LNT(Lean NOx Trap)
LNT(Lean NOx Trap)시스템은 질소산화물을 정화하는 촉매로서 디젤엔진이 배기가스를 배출할때(Leanmode) 질소산화물을 저장하고 일정량 이상이 되면 공연비(람다)1이하(Rich mode)제어로 질소산화물과 환원 반응하여 질소 등 무해한 성분으로 전환하여 배출한다. 질소산화물외 배출가스(일산화탄소, 탄화수소)는 기본적인 삼원촉매 기능을 이용하여 이산화탄소와 물로전환시킨다.
2)DPF(Diesel Particulate Filter)
DPF(Diesel.Particulate.Filter)시스템은 배기가스내의입자상물질(PC Particulate Contaminants)이 대기로 방출되는 것을 방지하기위한 장치이며 장치 구성은 필터 본체와 2개의 배기가스 온도센서(EGTS) 및 DPF 차압센서(DPS)로 구성되어 있다. 필터 본체는 촉매 어셈블리에 포함되어 있으며, 입자상물질(PC)을 일정부분 걸러낼수 있도록 벌집형태의 구조로 되어 있다. 배기가스가(DPF)를 통과할 때, 입자상물질(PC)은 DPF내에 퇴적되며, 나머지 가스물질(CO2,NO)은 DPF를 통과하여 머플러를 통하여 대기로 배출된다. 이렇게 배기가스 중에 DPF에 퇴적된 입자상물질이 오래된 차량들에서 많이 볼 수 있는 검은 매연(PM 또는 Soot)이다.
3)DPF재생
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DPF내에 매연이 일정기간 또는 많은양이 퇴적이 되면 DPF내 매연을 연소시켜 대기중에 배출을 하여야 한다. 매연의 양을 측정하는 DPF차압센서(DPS)가 엔진제어유닛에 신호를 주면, 차량주행거리 및 시뮬레이션 데이터를 이용하여 계산을 하게 된다. 이때 미리 엔진컨트롤유닛에 매핑 되어 있는 값과 비교하여 DPF재생 모드가 필요하면, 엔진컨트롤유닛은DPF재생을 시행하게 된다.
DPF재생은 자동적으로 진행이 이루어지는데 DPF내 매연을 연소시키기 위하여 엔진컨트롤유닛은 배기 행정시 연료를 2회에 걸쳐 추가 분사를 하여 배기가스의 온도를 매연이 연소가 가능한 온도(600도)이상 상승 시킨다. 이때 배기가스 열에 의하여 매연은 연소되고 DPF내에는 재(Ash)만 남게 된다.
가)DPF재생조건
1.DPF내 일정량 이상의 매연(Soot) 또는 입자상물질(PC) 퇴적 시, 재생 실시.
2.차량의 주행조건 또는 환경조건에 따라 재생 주기는 달라질 수 있다.
3.재생 불완전 종료 시(주행하다 재생 중 운행중지 등) 이때는 재생 주기가 변동된다.
4.2번과 같은 이유로 재생이 중지될 시에는 일정조건이 만족하면 재생모드로 재 진입.
4)SCR 시스템
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선택적 촉매환원시스템(SCR)은 DPF컨버터와 SCR 컨버터 사이의 배기가스에 환원제(요소수 또는 Urea)를 분사하여 배기가스중의 질소산화물을 환원시켜 주는 시스템이다. 요소수(Urea 또는
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ADblue)를 배기파이프 안에 분사하면 배기가스 열에 의해 두 분자의 암모니아로 변환된다. 변환된 암모니아는 SCR컨버터 내 SCR촉매 상에서 질소산화물과 반응하고 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 전환되어 대기 중에 배출된다. 도징 컨트롤 유닛(DCU)은 배기가스 중의 질소산화물의 양을 NOx센서로부터 받아 요소수를 얼마나 분사할지 이론적으로 계산하고 도징 인젝터를 제어하여 실질적인 분사가 이루어지도록 한다.
류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수
