배출가스 성분에 따라 대안 기술 달라
상용차 제조사마다 각기 다른 기술 도입

유럽연합(EU)은 질소산화물과 입자상물질의 배출량을 제한하며, 그 기준을 ‘유로-X’라는 이름 아래 점차 강화하고 있다. 1992년 유로1이 처음 시행된 이후 단계적으로 강화돼 2013년부터는 유로6가 도입되고 있다. 이는 유로5 기준에 비해 50% 이상 강화된 규제로써 국내에서는 2015년부터 적용하고 있는 실정이다.  

현대에 들어 자동차 배출가스는 대기 질을 오염시키는 가장 큰 요인 중 하나로 인식되고 있다. 이에 각 국가 간 차량의 배출가스 기준을 정해 엄격히 규제하고 있다.

실제로 국내에서는 배출가스 저감을 위해 2016년부터 이동식 배출가스 측정시스템(PEMS)을 이용한 배출가스 실도로 조건 측정방식(Real Driving Emission, RDE)을 도입하고 2017년부터는 지금보다 기준이 더욱 강화된다.

이에 따라 상용차 제조사들은 부수적으로 배출가스 저감을 위한 후처리 장치를 개발 및 장착해야함은 물론이고 연비까지 잡아야 하는 과제를 안게 됐다.

그렇다면 오늘날 배출가스 후처리 장치로 대표되는 SCR, EGR, DPF 등의 기술은 무엇이고 각 제조사들은 과연 배출가스 저감을 위해 어떤 기술을 채택하고 있는지 살펴봤다.  

오염물질 마다 다른 처리 기술
대부분 상용차가 사용하는 디젤엔진은 연소 과정에서 가솔린엔진에 비해 많은 양의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)을 배출하게 되는데 이 두 가지 물질을 연비 저하 없이 줄이는 것이 배출가스 후처리 장치의 주요 목적이라고 볼 수 있다.

후처리 장치로 잘 알려진 SCR(선택적 촉매 전환장치)과 EGR(배기가스 재순환장치)의 경우 이 두 가지 유해물질 중 질소산화물을 분해하는 역할을 하며, DPF(디젤 미립자 필터)는 입자상 물질을 제거하는 장치다.

구체적으로 SCR은 ‘요소수’라 불리는 암모니아 수용액을 배출가스에 분사해 차량에서 발생하는 질소산화물을 물과 질소로 분해한다. 이 방식은 차량의 출력감소 없이 연비를 항상 시켜 주지만 주기적으로 요소수를 충전해야하는 번거로움과 설치비용이 높다는 단점이 있다.

EGR 같은 경우 연소 시 발생된 배출가스 중 일부를 흡기관을 통해 재순환시켜 낮은 온도에서 재연소함으로써 질소산화물의 발생량을 줄이는 방식이다. 설치는 간편하지만, EGR 작동 시 차량 출력이 낮아지고, 입자상물질을 다량 생성해 흡기관에 쌓이면 엔진에 무리가 갈 수 있다.

유로3 시절부터 자주 쓰이는 DPF(디젤 미립자 필터)는 입자상물질이 일정 이상 쌓였을 시 고온의 열을 이용해 연소하는 장치다. 이때 쌓여있는 입자상 물질을 제거하기 위해 소요전력이 높아지며, 관리 소홀 시 엔진 출력 감소 및 불완전 연소가 발생할 수 있다.

제조사와 함께 진화하는 후처리 장치 

 

배출가스 규제 방안으로 ‘유로(EU-RO)’를 채택하고 있는 유럽과 국내의 대표 상용차 제조사들은 과거 배출가스 규제 방안인 유로3 체제 이전까지 EGR과 DPF에 중점을 두어 이용하였고, 그것만으로도 충분한 효과를 거둔 바 있다. 하지만 유로4 체제 이후부터는 입자상물질에 대한 규제가 유로3 대비 약 80% 강화되었다. 이에 EGR과 DPF는 물론 한발 더 나아가 입자상물질을 거의 생성하지 않으면서 질소산화물의 발생을 줄이는 SCR까지 혼합해 배출가스 규제에 맞춰 나가는 형국이다.

세부적으로 유럽의 상용차 제조사 중 다임러트럭은 SCR, EGR, DPF의 복합기술을 적용하고 있으며, ‘X-펄스 커먼레일 고압분사 시스템’을 사용해 연소효율을 높여 배출가스의 배출량을 줄이고 연비를 높였다.

볼보트럭 역시 연비와 배출가스 저감을 위해 SCR, EGR, DPF 장치를 적절히 접목해 사용하고 있으며, 열관리를 위한 특별 디젤 인젝터를 설치해 배출가스가 최적의 온도로 후처리 시스템에 도달하게 만들어 차량 운행 효율성을 극대화했다. 

만트럭버스의 경우 2단계 냉각 EGR 시스템으로 연료효율을 극대화하고 요소수 소모량 및 배출가스 후처리 용량을 현격히 감소시켰으며, 후처리 부하를 줄임으로써 엔진효율 향상을 꾀하고 있다.

스카니아는 엔진 종류를 다양화하여 EGR과 SCR을 동시 적용하는 것은 물론 선택적으로 EGR 없이 SCR만으로 배출가스를 처리할 수 있게 선택의 폭을 극대화하고 가변형상 터보 차처(VGT)를 적용해 운행성능을 끌어올렸다.

현대자동차는 SCR, EGR, DPF를 함께 적용하고 있으며, 후처리 장치로 인한 출력저하를 보완하기 위해 유로6 파워텍 엔진과 H-엔진에 4세대 커먼레일을 장착하고 터보차저를 개선했다.

이밖에 FPT 엔진을 사용하고 있는 이베코와 타타대우는 후처리 장치로 HI-eSCR을 적용, EGR 없이 SCR과 DPF만을 이용해 배출가스 저감과 최적의 출력을 동시에 구현하고 있다. 이처럼 각 제조사는 저마다의 연구와 개발 노하우를 바탕으로 배출가스 후처리 장치들을 다양하게 개발해 선보이고 있다. 그야말로 배출가스 규제에 맞춰 진화하고 있는 듯하다. 

▲ SCR, EGR, DPF 구성

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