연비향상과 NOx저감 동시 요구하는 일본의 배출가스규제

[김창섭]

최근 들어 지구온난화 문제가 더욱 크게 부각되면서 가솔린 엔진에 비해 이산화탄소 배출이 상대적으로 적은 디젤엔진에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 디젤엔진이라고 해서 유해 배출가스 문제를 모두 해결해 줄 수 있는 해결책은 아니다. 무엇보다 각 메이커들의 기술력의 차이에 따라, 정확히는 커먼레일 등 관련 기술을 개발해 완성차 업계에 공급하는 서플라이어들의 사고의 차이에 따라 디젤 자체의 문제인 질소산화물과 매연 배출 정도에 차이가 나고 있다. 또한 그 기술에 대한 비용의 차이로 양산 메이커들은 높은 수준의 테크놀러지까지는 채용하지 못하고 있는 것 또한 현실이다.

하지만 그런 메이커의 어려움과는 상관없이 EU, 미국, 일본 등은 국가적인 차원에서 배출가스 규제 기준을 더욱 강화해 가고 있다. EU는 유로 4에 이어 유로 5의 적용을 앞두고 있으며 2015년의 유로6에 이르기까지 단계적인 규제를 시행하고 있다. 미국의 경우는 BIN5라고 하는 배출가스 규제 기준이 2009년부터 적용이 되는에 이 법은 자동차회사들에게는 ‘디젤차 금지법’으로 통용되고 있을 정도로 엄격하다.
이런 규제의 강화는 일본도 예외가 아니다. 이번에는 일본의 배출가스 규제 기준의 현황에 대해 외지의 자료를 종합해 알아 본다.

일본의 디젤엔진 규제에는 단기, 장기, 신 단기, 신 장기, 그리고 최종적으로는 포스트 신 장기규제가 있다. 현재는 신 단기가 2005년에 끝나고 신 장기 규제가 적용되고 있다.
현재 일본시장에 시판되고 있는 디젤 승용차는 2006년 출시된 메르세데스 벤츠 E320CDI가 있는데 신 단기 규제는 클리어하지만 신 장기 규제는 통과하지 못한다. 현재로서 신 장기규제를 클리어하는 디젤 승용차는 없다.

때문에 디젤 엔진을 탑재해야만 하는 트럭과 버스 등은 규제를 클리어할 수 있느냐에 사활이 걸려 있고 거기에 맞춰 신 장기 규제를 클리어하는 디젤차가 속속 등장하고 있다.
예를 들면 히노자동차에서는 듀트로와 레인저, 미쓰비시후소에서는 캔터, 이스즈에서는 포워드, 기가, 그리고 버스의 엘가, 닛산디젤에서는 쿠온과 RA형 버스가, 각각 신 장기 규제를 클리어하고 있다.

배출가스에 의한 대기오염의 주범으로 여겨지고 있는 디젤 트럭과 버스에 있어 이런 움직임은 아주 긍적적으로 받아 들여지고 있다. 하지만 그렇다고 문제가 모두 해결된 것은 아니다.
신 단기에서 신 장기로, 규제치는 대형 트럭과 버스의 경우 NOx는 신 단기의 59%, PM은 8%로 강화된다. 또한 승용차의 경우는 NOx는 신 단기 대비 50%, PM은 25%로 낮추지 않으면 안된다.

올 여름에는 신 장기에의 대응이 요구되는 메르세데스 벤츠의E320CDI도 이런 배기가스 저감을 실시해야 하고 나아가 포스트 신 장기규제에서는 신 장기규제에 대해 대형 트럭, 버스의 경우, NOx는 신 장기의 35%, PM은 37% 저감을 실현해야만 한다. 승용차는 각각 57%, 38%.
신 단기규제와 비교하면 대형 트럭과 버스는 NOx가 18%, PM 3%, 디젤 승용차는 각각 29%, 10% 수준으로 저감해야만하는 것이다.

또 하나의 문제는 연비다. 가솔린과는 달리 디젤엔진의 경우 배출가스 저감과 연비는 상반된 관계에 있다.
이미 잘 알다시피 디젤엔진의 배출가스 저감 기술은 규제에 대응해 빠른 속도로 향상되어오고 있다. 하지만 가솔린 엔진처럼 3원 촉매를 사용해 연소를 제어한다고 하는 내용은 단순한 문제가 아니다.

신 단기 규제까지는 엔진의 연소기술 개량에 의해 클리어하는 것이 가능했다. 촉매 등은 반드시 필요하지는 않았다. 그것이 신 장기규제에서는 상황이 달라졌다. 커먼레일 등 새로운 분사시스템, EGR이라고 하는 배기가스 순환시스템, DPF, 산화촉매, 나아가 애드블루(AdBlue)라고 하는 뇨소(尿素)수를 사용하는 SCR(Selective Catalytic Reduction:선택환원 촉매) 등 모든 기술을 동원해야만 클리어할 수 있다.

그러나 자동차회사에 따라 자동차의 크기, 중량, 엔진 배기량에 따라 채용하는 기술은 각기 다르고 연비도 그에 따라 다르다.
미쓰비시 후소에서는 대형 트럭, 버스와 중형 트럭, 버스에서 각각의 배기가스 정화기술을 사용하고있다. 큰 차이는 SCR인가 DPF가하는 것으로 대형차는 SCR로, 중형차는 DPF로 대응한다.

그런데 디젤엔진의 연소제어와 배출가스 또는 연비에는 상관관계가 있다. 예를 들면 연료를 짙게 해 천천히 연소시키면 NOx는 줄어 들고 PM은 증가하고 그에 따라 연비는 나빠진다. 그와 반대로 연료를 묽게 해 연소를 급속하게 하면 PM은 줄지만 질소산화물은 증가하며 연비가 좋아진다. 간단히 말하면 NOx를 줄이고자 하면 PM이 늘고 PM을 줄이고자 하면 NOx의 배출이 증가한다는 것이다.

이 문제를 해결하기 위한 정화기술로는 연소제어로 PM을 줄이면서 NOx를 후처리로 하든지, 그 반대로 엔진에서 NOx를 저감하고 후처리로 PM를 낮추는 것이 있다.
미쓰비시후소에서는 배기가스 정화에 따른 대형차의 연비악화를 막기 이ㅜ해 SCR을 채용하고 있다고 한다. 정확히 말하면 SCR환원촉매를 사용한다는 것이다. 닛산 디젤도 SCR를 채용하고 있고 메르세데스 벤츠, 폭스바겐, BMW 등도 SCR을 채용한 디젤엔진을 내놓고 있다.

한편 미쓰비시후소의 중형 디젤차에는 SCR대신 DPF를 사용한다. 여기에 연소온도를 낮춰 NOx를 저감하는 콜드 EGR과 PM을 저감하는 커먼레일을 조합시킨 것으로 신 장기규제를 클리어한다. 다시 말하면 SCR을 사용하는 대형차는 신 장기규제에서는 DPF는 필요가 없다는 것이다.

참고로 독일 폭스바겐도 중형급 이상의 대형 모델들은 선택 환원 촉매 장치(Selective Catalytic Reduction(SCR) catalytic converter)를 사용한다. 이 장치는 스테인리스 스틸이나 플라스틱으로 만들어진 자동차 내의 다른 탱크에서 공급되는 애드블루(AdBlue)와 같은 수용성 용해제를 기반으로 하고 있다. 이 용해제의 32.5%는 화학요소로 구성되어 있으며 압력 조정 밸브를 통해 SCR 촉매 장치의 입구에 장착된 배기시스템에 연속적으로 분사된다. 분사량은 가스 배출량에 따라 조절된다.

화학 요소 용해제는 촉매 장치에 도달하기 전에 그릴을 통해 정교하게 분해되며 고온의 배기가스에 의해 암모니아로 변환된다. 암모니아는 촉매 장치에서 질소산화물과 반응하게 되고 질소와 물의 두 가지 물질로 분리된다. 순수한 암모니아와는 달리 애드블루 용해제는 무독성, 무취를 띄며 생물 분해성 물질이다.

미쓰비시 후소트럭도 대형 트럭에 SCR을 채용하는데 이는 연료를 묽게 해서 연소온도를 높여 연비를 향상시켜 NOx가 증가해도 신 장기규제를 클리어할 수 있게 된다.
그러면 콜드 EGR, 산화촉매, SCR의 조합으로 포스트 신 장기규제를 클리어할 수 있는가 하면 물론 DPF를 장비하고서도 노력하지 않으면 어렵다고 한다.

신 단기 규제는 신 장기 규제에의 대응이 어렵기 때문에 즉각 적용이 어려운 규제였다. 신 장기 규제도 포스트 신 장기 규제의 달성이 곤란하기 때문에 즉각 시행은 어렵다. 즉 포스트 신 장기규제가 아니라면 진정한 대기오염방지는 어렵하고 하는 것이다.

과연 이 문제를 어떻게 풀어갈지는 자동차회사들의 몫이다. 하지만 적용 시기가 되어서도 기술적인 해결책이 나오지 않는다면 어떤 대안이 나오게 될 가능성도 없지 않다. 캘리포니아 클린 에어액트도 그런 현실적인 문제에 부딛혀 연기되는 우여곡절을 겪었다.
그처럼 어려운 규제를 클리어할 수 있는 디젤엔진을 바로 그 일본에 출시하겠다고 메르세데스와 폭스바겐 BMW는 공언하고 있어 귀추가 주목되고 있다.