강화되는 자동차 배기관련 대응방법

강화되는 자동차 배기관련 대응방법 날로 강화되고 있는 자동차 배기가스 관련법규는 미국,유럽등 자동차 선진국에서 환경보호를 앞세운 환경당국의 대기환경 개선 이라는 논리에 밀려 아주 엄격한 기준이 적용되고 있으며 우리나라에서도 2002년부터는 저공해자동차(LEV:Low Emission Vehicle)배기규제를 더욱 강화하여 자동차업계의 부담이 더욱 커지게 되었다. 여기서 미국을 중심으로한 배기관련 법규와 국내의 배기법규의 방향을 알아보고 배기법규에 대응하기 위한 자동차완성차업체 및 부품업체의 연구소에서 관심을 가지고 연구개발해야할 내용을 다루어 보기로 한다. 1.배기관련법규 규제항목 (g/mile)        현행        TLEV        LEV        ULEV        SLEV NMOG        0.250        0.125        0.075        0.04        0.01 NOx        0.4        0.4        0.2        0.2        0.02 CO        3.4        3.4        3.4        1.7        1.0 PM(디젤)        0.08        0.08        0.08        0.04        - HCHO(메탄올)        0.015        0.015        0.015        0.008        0.004 ■ 미국의 일반 배출가스(캘리포니아 기준) *120,000 mile기준 규제항목(g/mile)        EURO-II        EURO-III        EURO-IV HC + NOx        0.05(0.70)        -(0.56)        -(0.3) HC        -        0.20(-)        0.1(-) NOx        -        0.15(0.5)        0.08(0.25) CO        2.20(1.00)        2.30(0.64)        1.0 PM(디젤)        (0.08)        (0.05)        (0.025) 적용시점        1996.1.1        2000.1.1        2005.1.1 ■EURO-III, EURO-IV (유럽의 배출가스규제 기준) * ()안은 디젤규제 * EURO-III규제에서는 HC+NOx규제를 HC,NOx로 분리 규제함. 규제항목(g/mile)        2000년 기준        LEV NMHC        0.16(0.19)        0.047(0.19) NOx        0.25(0.37)        0.12(0.19) CO        2.11(2.16)        2.11(2.61) HCHO(메탄올)        -        0.009(0.011) ■국내 휘발유 승용차 배기규제기준(80,000 km) * ()안은 160,000 km기준 ■국내의 일반 배기가스 현재의 계획으로는 2002년부터 자발적으로 휘발유 승용차 1차종에 대하여 미국의 LEV 규제에 해당하는 규제를 국내에서도 적용하기 시작하여 2006년부터는 모든 휘발유 승용차에 대하여 엄격한 규제를 적용할 예정이고 이후의 규제또한 더욱 강화 될것으로 보여진다. ■SFTP(Supplemental Federal Test Procedure) 미국에서 배기시험 모드에 차량주행의 실제조건을 반영하기 위하여 기존의 FTP-75모드에 에어컨을 작동한 상태의 모드,급가속 및 고속주행모드를 추가한 시험모드이다. 엔진의 배기량이 작은 자동차의 경우에는 엔진의 회전수 및 부하가 증가하여 연소실의 온도가 상승하게 되므로 NOx의 배출증가를 가져오게 되므로 NOx 저감을 위한 대책을 세워야 한다. ■NLEV(National Low Emission Vehicle) FED(미연방)지역의 일부 주에서 캘리포니아 LEV법규의 채택이 증가함에 따라 FED 전지역에서 동일한 LEV 프로그램을 시행하려는 규정이다. ■CAP 2000(Compliance Assurance Program) 지금까지는 업체가 자발적으로 적용하는 내구시험모드를 사용하여 배기관련 내구 보증기간의 배기규제값을 신차 인증시에 EPA에 보고하여 추후 사용시험시 참고자료로 활용하였으나 EPA인증업무를 간소화하여 효율화하고 사용시험을 강화하기 위하여 각 자동차제작사가 내구 프로그램을 개발하여 사용시험에 대한 확인시험을 실시하는법규이다.국내에도 조만간 적용되리라 예측된다. ■강화 OBD-II(Enhanced on Board Diagnosis) 대기오염을 일으키는 원인중 상당부분이 배출가스의 정화장치의 결함과 관련된 부품의 문제로 밝혀짐에 따라 1988년부터 OBD-I법규가 적용되었고 1994년 부터는 배기가스와 관련되는 모든 부품의 결함이 있을 때 계기판에 자기진단장치로 MIL 점등이 켜지게 되는 OBD-II법규(촉매,실화,산소센서,증발가스계,연료공급계,등의 감지)가 적용되었고 일부 부품에 대해서는 더욱 강화된 규제를 적용하기 시작하여 감지영역 및 감지폭을 엄격히 적용하는 강화 OBD-II법규를 채택하게 되었다. 2. 저공해 자동차 관련기술 각국의 배기가스 규제를 만족하는 저공해 자동차를 개발하기 위한 기술은 수년전부터 엔진본체 개선,연료의 무화 연료계의 정밀제어 및 배기 후처리 등의 방법으로 주로 HC의 저감에 목적을 두고 각 자동차업체 및 관련 연구기관에서 연구개발해 오고 있다. 엔진의 특성 및 제어장치가 엔진마다 다르고 후처리 관련 촉매도 제조업체마다 귀금속의 함유량,온도특성,정화효율들이 다르기 때문에 적용되는 엔진제어장치 및 후처리장치가 한 시스템으로 고려되어 고유의 기술이 적용된 모델로서 개발이 되어야한다. 여기서는 개별적인 기술들을 소개하고 이 기술들이 어떻게 적용되는지에 대한 설명을 간단히 하기로 한다. (1)엔진본체의 배기저감 ▶ 크레비스체적의 감소 HC발생에 중요한 역할을 하는 크레비스체적을 작게하기 위하여 피스톤 및 피스톤톱랜드 높이를 재설계하는 방향으로 연구개발이 진행되고 있다. 그러나 톱랜드높이의 저감에 의한 피스톤 내구성이 악화될 염려가 있음으로 재질의 변경등을 검토할 필요가 있다. ▶ 엔진오일의 소비저감 연소실내에 엔진오일이 헨리법칙에 따라 연소실내에 압력 상승시 HC를 거른후 압력강하시 미연소 상태로 배출 시키고 오일속에 함유된 유황,인,등의 성분이 촉매를 피독시켜 성능을 악화 시키게 하므로 엔진오일소비를 감소 시킬 필요가 있다.각 연구기관의 내용으로는 작은 피스톤간극 설정,실린더 및 피스톤의 표면가공 개선,피스톤링 설계 및 재질개선,그리고 배기밸브 스템실 개선등이 있다. ▶ 전자식 배출가스 재순환 전자식으로 연료제어를 하기전에는 EGR을 사용하는 주목적이 엔진의 부분부하 영역에서 연소실의 연소온도를 낮추어 NOx 생성을 저감 시키는 것 이었는데 최근의 LEV 및 ULEV에서는 고부하 영역에서도 필요성이 있고 공기연료비의 더욱 정밀한 제어가 요구 되므로 EEGR을 필요로 하게되었다.배기측정방법의 변경으로 SFTP를 적용(고속주행 및 에어컨 작동시)할 때 연소실의 온도가 상승하여 EEGR을 적용하는예도 나타나고 있다. 또 GDI엔진의 희박상태에서 NOx를 저감하기 위하여 EEGR의 사용이 추진되어 일부 GDI엔진에는 모두 EEGR을 적용하여 NOx배출을 저감 시키고 있다. ▶ 탄화수소화합물 흡수 HC저감을 위한 방법으로 냉간 운전시 특히 촉매 활성전에 HC를 트랩한후 촉매가 활성와 되면 HC를 방출하는 시스템이다. CCC (Close Coupled Catalytic Converter)적용이 어려운 시스템에서 LEV 또는 ULEV대응 시스템으로 적용이 고려되고 있으며 일부 ULEV 차량에 적용하고 있다. ▶ 균일한 흡,배기계 연료계 제어가 아무리 정밀해도 엔진으로 유입되는 공기 및 배기되는 연소가스의 유동분포가 흡,배기관내에서 균일해야 HC저감을 위한 공연비제어가 효과를 나타낼수 있다. 많은 자동차 제작사가 소홀히 하기쉬운부분으로 CFD 해석 및 유동측정으로 균일한 유동분포를 얻을수 있으리라 사료된다. ▶ 냉각수 전자제어 노킹특성 및 연비특성을 향상 시키기 위해 흡기 선행냉각이나 실린더블럭의 분리냉각식으로 하기도 하지만 촉매의 활성화온도를 올리는데에 필요한 시간의 단축을 위해 시동초기에 실린더헤드의 냉각수온도가 올라갈 때 까지 써모스태트의 개폐를 전자식으로 제어하여 연료무화 및 연소조건을 개선하는 방법이다. ▶ 연소실 유동개선 연소실내에 유동을 개선하여 연소속도를 향상시키고 및 연소효율을 상승시켜 HC발생을 저감 시키는 방법이다. (2)연료무화 및 연료공급개선 ▶ 순차적인 다중연료분사 각 실린더에 순차적으로 연료를 분사하여 엔진의 워밍업중 벽부착연료 및 부풀어 오르는 것을 감소할 수 있는 연료분사방법으로 현재는 거의 모든 회사가 적용하고 있으나 제어의 로직 및 제어전략이 얼마나 효율적인가가 문제이다. ▶ 공기보조 연료분사 최적의 연소특성 및 유해배기가스 감소를 위해서는 이론 공연비의 유지 및 균질한 혼합가스가 필요한데 특히 냉간시동 및 워밍업 기간에서는 저속구간에서의 연료무화의 개선으로 공회전성능 및 연비를 개선 할수 있고 벽부착연료를 감소 시키는데 기여 할수 있다. (3)연료제어 개선 ▶ 2중 산소센서 삼원촉매의 정화효율을 높게 유지하기 위해서는 공연비가 규정영역(13:1 - 16:1)에서 1% 이내로 제어로 제어될 필요가 있고 정상상태 이외에 스로틀개도의 급변 및 산소센서가 노화됨에 따라 제어장치 및 정밀도 유지를 위하여 "2중 산소센서"를 이용한 제어가 필요하게 되었다. 두 번째 산소센서는 촉매 후방에 장착되어 첫 번째 산소센서를 감지하고 열화를 고려하여 정확한 연료제어가 유지되도록 한다.두번째 산소센서의 위치로 보면 산소센서의 피독 및 열화 관점에서 노화가 덜하기 때문이다. 한편 OBD-II의 촉매 감지로도 2중 산소센서를 감지한다. ▶ 광영역 산소센서 기존의 산소센서는 공연비의 농후/희박만 판정하여 연료계의 피드백제어에 이용되었으나 광영역 산소센서는 정확한 공연비를 위해서 냉시동시의 농후작동으로 촉매 활성화를 촉진할 경우 유용하게 사용할 수 있다. 특히 센서출력의 선형성 때문에 희박한 공연비 유지시킬수 있어 희박연소엔진에는 필수적이다. ▶ 냉시동시 희박연소 냉시동상태의 HC저감을 목적으로 희박연소를 시키면 연료량이 상대적으로 작아 촉매활성화 이전의 유해 배기가스를 저감시킬수 있다. ▶ 실린더별 공연비제어 강화되는 배기규제중 특히 ULEV 규제대응에는 "실린더별 공연비제어"를 적용할수 있는 소프트웨어알고리즘을 2중 산소센서와 같이 사용하여 좁은 제어영역의 공연비제어를 할 필요가 있다. 배출가스의 모델링 및 실린더별 공연비의 예측 소프트웨어를 사용하기 위하여 광영역 산소센서 및 성능이 우수한 ECU가 필요하다.실린더별 공연비제어로 가공공차,연료분사장치의 마모등에 의한 공연비 편차를 제거할수 있는 이점도 있어 향후 많이 사용될 전망이다. ▶ 적응연료제어 과도 운전을 포함한 운전성 성능 및 유해배기가스제어를 위해서는 공연비 변동이 작아야 하고 부품의 마모 및 여러대기조건 등에 적용하기 위하여 "적응연료제어"를 사용하여야 한다. 정상상태 조건외에 급격한 스로틀개도의 변경,증발가스계의 작동,과도 운전조건에서의 순간적인적인 희박 공연비등으로 헤지테이션,운전성 악화 및 NOx 증가를 야기시킬수가 있는데 이런 현상들을 개선하기 위해서는 연료계 및 공기량의 정확한 모델링으로 "적응연료과도제어"를 사용하면 효과적이다. ▶ 전자식 스로틀제어 운전자가 가속페달을 밟으면 공기량 증가의 초기 지연만큼 연료공급을 지연 시킴으로 공기량 측정 및 연료량의 시간지연을 제거하기 위한 방법으로 가속페달에 위치센서를 장착하여 공기량 및 연료량의 동기화를 이루어 운전성향상을 도모하고 정확한 연료제어를 이룰수 있다. 일명 액셀레이터 케이블이 없는방식이다. ▶ 증발연료제어 실린더별 공얀비제어와 적응연료제어에 필수적인 제어방법으로 보다 정밀한 제어를 위하여 2상유도의 해석 및 캐니스터의 최적화가 필요하다. (4)후처리 성능개선 ▶ 촉매위치 변경 촉매의 활성화 특성을 향상 시키기 위하여 배기매니폴드에서 가까운 위치에 촉매를 위치시켜 빠른 시간내에 촉매의 온도를 올려주기위한 방법으로 MCC(Manifold Catalytic Converter-매니폴드바로 밑에 장착), CCC(Close Coupled Catalytic Converter-양쪽봉인컨버터), WCC(Warm up Catalytst)등이 사용되고 있다. UCC(Underbody Catalytic Converter-차체 밑에장착)에 비하여 고온의 배기가스에 노출되므로 촉매의 용해를 방지하기 위하여 특히 고온 내구성이 요구된다. 주로 백금을 위주로 하여 담체에 washcoat하는방법을 개선하기도 한 촉매 또는 트라이메탈이 사용된다.과거에는 EHC (전기히터식 컨버터)를 EPA 및 CARB에서 권장 하였으나 경차에서는 EHC 없이 LEV에 사용할 수 있다. ▶ 배기파이프의 열전달 최적화 촉매의 활성화 특성향상 및 배기소음을 감소 시키기 위하여 얇은 두께 배기파이프 및 배기매니폴드가 사용되고 있으며 향후 사용이 확대될 전망이다. ▶ 엔진의 최적 맵핑 촉매의 온도를 빨리 상승시켜 활성화 시키기 위하여 점화지각,냉간 공회전속도 최적화 및 냉간 시동시 희박공연비 설정등의 방법을 사용하고 있다.CARB에서 모든 ULEV 및 LEV를 위해 EHC를 사용하기를 권장했으나 현재 ULEV도 EHC없이도 가능 한 것으로 판명되었고 이미 최적맵핑방법을 양산에 적용하고 있다. ▶ 배출가스 누설방지 배기계 공기의 누설은 저속의 운전조건에서 NOx 배출을 증가 시키게 됨으로 배출규제가 강화됨에 따라 "배출가스 누설방지 배기계"를 추구하게 되었고 자동차업계에서 적용하고 있는 방법으로는 배기매니폴드/배기파이프간섭개선,배기매니폴드프랜지와 촉매사이에 삽입된 부식방지커플링사용,촉매의 용접방법개선,부식이 없는강재의 사용등의 방법을 사용하고 있다. ▶ 전기전열식 촉매 UCC를 사용할 수밖에 없는 차량에서 즉 배기량이 큰 차량 또는 엔진부품들이 조밀하게 있는 경우 ULEV를 대응하기 위해서 사용하는 방법이다.EHC,배기가스버너,에너지저장 방법중 EHC가 상품성,각격측면 및 적용성에 가장 주목을 받고 있다.초기의 EHC는 발전기의 용량상승 및 배터리의 다른 전기계통과의 분리등이 고려되었으나 EHC설계개선으로 발전기에서 직접 또는 배터리와 분리 또는 조합되는 방법을 사용하여 동력을 사용이 가능하게 되었다.현재 대부분의 ULEV는 EHC없이 대응이 가능하다. ▶ 전기식 공기분사 ULEV용으로 사용을 고려하여 냉시동후 희박운전 또는 이론공연비운전에서의 운전성개선을 고려한 것이다. 냉간시 운전성개선을 위한 농후한 공연비의 혼합기에 의해 생성된 미연HC 및 CO를 "전기식(2차)공기분사"를 사용하여 공기를 촉매앞에 분사하여 즉 촉매앞의 분위기를 조성하여 유해 배기가스를 저감 시키기 위한 방법이다.효율,가격,신뢰성 및 필요없을 때 전원을 꺼 둘수 있는 이점 때문에 "엔진구동력을 이용하는방법"에서 "전기를 이용하는 방법"으로 변화해 가는 추세이다. ▶ 촉매 전면에 균일한 유동분포 촉매로 들어가는 유동분포가 균일하여 균일도가 좋아야만 촉매의 성능을 재대로 활용할수 있다.보통 균일도는 0.9이상이면 아주 좋은편이다.균일한 흡,배기계를 만드는 것도 중요하지만 많은 자동차 제작사가 소홀히 하기 쉬운 부분으로 CFD해석 및 유동측정으로 균일한 유동분포를 얻을수 있으리라 사료된다. 이상의 기술들은 개별적으로 또는 다른 기술들과 조합되어 복합적으로 적용하되 배기성능,내구 신뢰성 및 경제성등을 고려해서 양산에 적용되어야 한다.