경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술 1

[연료와윤활]

 경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술 1

2008년 들어 디젤차의 보급 확대를 위한 노력이 가속화되고 있다. 하지만 그런 시장의 확대에 비해 디젤엔진에 대한 구체적인 정보에는 많은 관심을 보이지 않고 있는 것이 우리의 현실이다. 그런데 한국자동차공학회에서 발행하는 오토저널 2008년 2월호에 ‘경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술’에 관한 특집이 실렸다. 이에 글로벌오토뉴스에서는 자동차공학회의 허락을 얻어 그 내용을 순서대로 게재한다. 모두 6꼭지로 이루어져 있으며 이번은 그 첫 번째인 수도권 지역 운행 경유차량내 후처리장치 적용 현황이다. (편집자 주)

1. 수도권 지역 운행 경유차량내 후처리장치 적용 현황

글/김종춘/권상일(국립환경과학원 교통환경연구소)

1. 서론
우리나라 대도시의 대기오염도는 선진국의 주요도시에 비하여 대단히 높다. 특히 미세먼지 및 이산화질소 오염도는 OECD 국가의 주요도시 중 최고 수준으로 서울의 미세먼지 농도는 런던의 3.5배 이산화질소 농도는 파리의 1.7배 수준으로서 매우 심각한 상태이다. 또한, 전국 오존주의보 발령횟수의 90%, 이산화질소와 미세먼지의 환경기준 초과일수의 각각 99%, 60%가 수도권에 집중되어 있어 이에 대한 대책이 절실히 필요하다. 따라서 수도권지역의 대기환경을 개선하기 위하여 제작차의 배출허용기준 강화, 저공해자동차보급, 자동차 연료의 품질 개선, 노후된 운행차의 배출가스 관리 및 교통수요의 관리 등 종합적인 자동차 배출가스 관리대책이 필요하게 되었다.

정부에 서는 2003. 12. 31에 제정된“수도권 대기환경 개선에 관한 특별법”으로 수도권지역의 대기오염원을 체계적으로 관리하여 지역주민의 건강을 보호하고 쾌적한 생활환경을 10년마다 먼지 등의 대기오염물질의 저감을 위한 수도권대기환경관리 기본계획을 수립하도록 하고 있으며 대기환경 개선 목표를 다음과 같이 설정하였다.
이러한 대기환경 개선을 위한 추진사업 중 하나가 노후된 운행경유차의 배출가스 관리이며, 특정경유차의 관리에 관한 사항이 특별법 제 25조에 규정되어 있다. 여기서 특정경유차란, 대기관리권역에 등록된 경유자동차(소형, 승용, 경유자동차는 제외하며, 다목적형승용 자동차는 포함)중 당해 자동차의 배출가스 보증기간이 경과한 자동차를 말하며, 이자동차에 대하여는 2006년부터 대기환경보전법보다 강화된 운행차 매연기준을 적용하도록 정하고 있다.

특정경유자동차의 소유자는 매년 소유차량이 강화된 매연기준에 적합한지 여부에 대한 검사를 받아야 하며, 기준에 불합격한 특정경유자동차의 소유자는 제 1종에서 제 3종의 배출가스 후처리장치(DPF, DOC)를 부착하여야 한다. 특정경유자동차에 대한 관리체계는 <그림 2>와 같고, <표 2>와 같은 배출가스 저감효율 기준을 만족하여야 한다. 또한 후처리장치 부착 시는 엔진 최고 출력이 장치 장착전보다 5% 이상 저하되서는 안되며, 연비, CO 및 HC+NOx는 5% 이상 증가해서는 안된다.

따라서 본 보에서는 수도권내 보급중인 경유자동차 후처리장치의 인증절차, 현황 및 사후관리 등에 대해 살펴보고자 한다.
2. 후처리장치 인증방법
수도권특별법에 의해 보급되는 경유자동차 후처리장치는 환경부장관에게 다음의 인증신청서류를 제출하여 구조∙성능∙내구성 등에 대한 기술 검토 및 인증시험에 의해서 당해 장치 보증기간동안 환경부령이 정하는 저감효율에 적합하게 유지될 수 있다는 인증을 받아야 한다. 인증시험은 실차시험, 특성시험, 최종저감효율시험, 영향평가시험으로 구분된다<그림 3>.
■ 실차시험
DPF, DOC는 장치 원리 및 여러가지 연구결과를 고려해 볼 때 장치의 효용성에 문제가 있거나 적용온도 조건이 적합하지 않을 경우 3만km 주행중 필터 파손 등의 결함이
발생할 수 있으며, 특히 DPF의 경우에는 결함이 발생한 경우에는 매연 배출량이 0~1%에서 2% 이상으로 증가한다. 따라서 이러한 주행 시의 장치 결함 가능성을 확인하기 위하여 다음의 실차시험을 실시한다.

● 배기가스 온도조건 등이 가장 열악한 차량에 DPF 또는 DOC를 부착하여 일정 주행거리 이상을 주행하면서 장치의 정상작동 여부를 확인하는 시험
- DPF (1, 2종 저감장치) : 3대에 대하여 3만km 주행
- DOC (3종 저감장치) : 1대에 대하여 1만km 주행
● 육안으로 장치의 정상작동 여부를 확인할 수 없기 때문에 수시로 매연시험을 통해 장치 파손여부를 확인하고 배기가스 온도 및 압력 데이터를 분석하면서 장치의 효용성을 검증
■ 특성시험
● DPF가 장착된 엔진을 엔진동력계 상에서 서울-10모드로 50시간 운전하면서 배압 및 온도, 출력등의 측정으로 장치의 재생성능을 확인
● 최초로 측정된 배출가스 저감효율과 25시간 및 50시간 운전 후 측정된 저감효율을 비교 분석하여 장치 성능 악화 여부를 파악
■ 최종저감효율시험
● DPF : 3만km 주행을 완료한 실차시험 차량 3대에 부착된 DPF 중 임의로 1대를 선정하고 엔진동력계 상에서 ND 13모드로 배출가스 저감효율을 평가
● DOC : 1만km 주행을 완료한 실차시험 차량 1대를 가지고 차대동력계 상에서 CVS-75모드로 배출가스 저감효율을 평가
● 엔진은 출력이 가장 큰 엔진으로 선정하여야 하고 통상적으로 특성시험에 사용된 엔진과 동일한 엔진을 사용
■ 영향평가시험
● 디젤엔진에서 배출되는 유해배출가스 (CO, HC, NOx, PM, 매연) 외에 후처리장치의 화학 작용으로 발생할 수 있는 알데히드 등의 미량유해 물질을 분석
● 최종 저감효율 분석 시험 중에 실시
3. 후처리장치 보급 현황
2007년 현재까지 환경부의 인증을 받아 보급하고 있는 후처리장치는 3종 저감장치인 DOC 10종, 1종저감장치인 DPF 16종, 2종 저감장치인 PDPF 4종으로 <표 3>과 같다.
DOC는 경유자동차 배출가스 중에 포함된 입자상물질(PM)을 여과하지 않고 촉매처리된 벽을 따라 흐를 때 배출가스 중에 포함된 CO 및 HC가 산화되어 저감되며, PM중에 함유된 SOF(Soluble Organic Fraction)가 산화되어 일부 PM이 저감되는 장치이므로, 전체 PM중 SOF 함유량은 경유 자동차의 엔진종류, 운전 조건 등에 따라 상이한 점을 고려하여 엔진의 종류별로 구분하여 인증서를 발급하고 있다. 7개사의 10종의 장치가 인증되었으며, 적용차종은 포터, 봉고 등 적재량 약 1톤 트럭과 그레이스, 카니발,프레지오 등의 승합차이다.
DPF는 경유자동차에서 배출되는 매연을 포함한 PM을 여과재에 포집하고 포집된 PM을 배기가스 온도 또는 외부적인 열에 의하여 연소, 재생시키는 장치이다. 포집된 PM을 재생시키는 방식에 따라 촉매식 자연재생 DPF, 강재재생 및 복합재생 DPF로 구분되어 진다. 현재 수도권에 부착되고 있는 DPF는 대부분 촉매식 자연재생이며 9종이 보급되어 있다. 이 장치는 DOC와 필터로 구성되어 있으며, 전단에 설치된 DOC에서 CO와 HC를 산화시키고 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 산화제로 이용하여 필터에 포집된 PM을 배기가스가 일정온도 이상이 되면 연소시킨다. 따라서 인증 시 자동차 주행노선의 배기가스 온도, 배기량, 엔진출력으로 구분하여 적용차종을 정하고 있다.

촉매식 자연재생 DPF는 가까운 거리를 저속운행하는 마을버스, 수거용 청소차량 등에
부착할 경우 배기온도가 필터에 포집한 PM을 재생시킬 수 있는 온도 이상으로 상승되지 않는다. 따라서 배기압력의 급격한 상승과 이로 인한 엔진의 출력부족, 연비악화 및 포집된 PM의 일시적인 연소에 의하여 필터가 파손되어 매연을 배출하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 촉매식 자연재생 DPF에 강제적인 외부열원으로 전기 히터를 추가로 사용하거나 연료분사 등의 첨가제식 복합재생 방식 DPF가 개발되었고 현재 5종이 보급되어 있다. 또한, Pallet 방식의 자연재생방식 1종이 보급되어 있다. 최근에는 3~6L 급 중∙소형 엔진에 적용가능한 2종 저감장치 DPF 4종이 인증을 받아 보급되고 있다.
이러한 2종 저감장치는 Open Type으로 1종 DPF와 마찬가지로 PM을 포집하여 연소시키면서 일부 PM은 압력 상승과 필터 파손을 방지하기 위하여 그대로 연소시키지 않고 배출한다.
3-1 시범사업 추진 현황
2004년도에는 관용차량, 공공기관 보유차량, 비영리 공익단체 보유차량, 공항 및 시내버스 등 총 1,534대를 대상으로 배출가스 후처리장치(DPF, DOC) 부착 사업을 진행하였다. 차량유형별로는 지자체, 공공기관 소유차량 908대, 공항, 시내버스 333대, 비영리단체 293대에 배출가스 저감장치가 부착되었다.
3-2 후처리장치 부착 현황
2005년부터 부착대상을 일반사업자로 확대하여 약 3만 5천여대의 후처리장치를 부착하였고, 2006년부터는 특정경유차의 배출허용기준을 강화하여 지원대상을 확대하였다.
환경부에서는 수도권지역의 경유자동차 225만대중 2014년까지 117만대를 저공해화(DOC, DPF 등의 후처리장치 부착, LPG엔진 개조 및 조기폐차)할 계획이며, <표 4>에서는 2007년 8월까지 후처리장치를 부착한 현황을 나타내었다.

4. 후처리장치 사후관리
DPF의 경우 배기가스 온도가 낮은 저속운행 차량에 부착 시 PM이 타지않고 필터에 계속 축적되어 이로 인한 배압 증가 및 필터 파손이 발생한다. 또한, 차량의 정비 불량에 따른 과도한 매연 배출 및 엔진오일 누유 등에 의해서도 필터의 파손이 발생할 수 있으며, 주기적인 Ash 청소를 하지 않을 경우에도 파손이 발생할 수 있다.
실제로 마을버스∙청소차 등 배기온도가 낮은 저속주행차량 및 정비 불량 차량에 부착 시 차량의 출력∙연비, 장치 성능이 저하되어 이러한 차량에 대하여 필터 청소, 복합재생 DPF로의 교체 또는 장치탈거 등을 실시하고 있다.
이러한 DPF의 기술적 한계로 인하여 후처리장치가 배출가스 보증기간동안 제시된 배출가스 저감기술을 만족하는지 여부를 확인하는 사후관리제도가 무엇보다 중요하다. 미국 캘리포니아의 경우 일정대수(50대)이상 판매장치의 경우 최소 4대 이상, 최대 10대를 초과하지 않는 범위내에서 인증받은 배출가스 저감등급의 90% 이상의 성능이 확인될 경우 적합으로 판정하는 결함확인제도를 운영하고 있다. 일본 동경도의 경우에도 후처리장치의 정상작동 여부확인 및 사용자의 하자발생 신고현황의 정기 보고 등
을 통해 사후관리를 실시하고 있다.
우리나라도 시∙도 및 수도권대기환경청에서 후처리장치 부착된 차량의 매연 측정을 통해 장치 성능을 확인하고, 문제장치에 대하여 시정조치를 하는 지도∙점검을 실시하고 있다. 또한, 수도권 대기환경 개선에 관한 특별법 시행규칙 개정을 통하여 양산과정에서 인증당시의 저감성능이나 장치 특성 유지 여부를 확인하기 위한 수시검사와 운행과정에서 장치 결함 여부를 확인하는 결함확인 검사 규정이 제정되었다.
결함확인 검사의 경우 부착한지 1년이 경과한 후처리장치, 인증시험결과와 기준저감효율간의 차이가 기준저감효율의 10분의 1 이내인 장치 및 수시검사 결과 부적합한 장치에 대하여 실시하며 장치당 각 5대에 대하여 인증시의 검사방법으로 한다.
검사결과 기준저감효율에 미달하는 대수가 5대 중 2대를 초과하거나, 5대의 평균저감효율이 기준저감효율의 5분의 4 미만인 장치는 부적합 판정한다. 부적합한 장치는 재검사를 실시할 수 있으며, 결함시정 시에는 다음의 계획서를 작성하여 환경부장관에게 보고한 후 실시한다.
1. 결함시정대상 배출가스저감장치
2. 결함발생 원인 및 개선대책 등 개선계획서
3. 결함시정에 소요되는 비용예측서
4. 결함시정대상 장치 소유자에 대한 결함시정내역의 통지계획서
현재 국립환경과학원에서는 지금까지 보급된 후처리장치에 대하여 결함확인 검사를 진행하고 있으며, 매년 인증받은 장치에 대하여 장치 결함 여부를 미리 확인함으로써 저감률 기준 미달 장치의 확산을 조기 차단하여 운행경유차 배출가스 저감이라는 본연의 목적을 달성할 계획이다.

5. 결론
운행경유차의 저공해화를 위해 DOC, DPF 등의 후처리장치 부착사업은 환경부가 수도권 대기환경개선을 위해 추진하고 있는 주요한 사업으로 성공적으로 추진하기 위해서는 인증제도의 내실화 및 엄격한 사후관리가 필요하다.
현재 다양한 기술이 적용된 후처리장치가 개발되어 인증을 받았고 향후에도 계속하여 향상된 기술이 적용된 장치가 개발되어 수도권에 보급될 전망이다. 환경부에서도 다양한 기술의 후처리장치에 대한 정확한 기술 평가 및 사후관리를 통하여 국내 실정에
적합한 장치를 선별하여 운행경유차에 적용함으로써 2014년의 수도권 대기개선 목표를 성공적으로 달성할 것으로 기대된다.