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보쉬의 신기술, 디젤 엔진을 살릴 수 있을까?

글로벌오토뉴스 조회 수2,562 등록일 2018.08.16
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폭스바겐에 이어 BMW사태가 터지면서 디젤 엔진의 입지가 더 좁아지고 있다. 폭스바겐 스캔들로 인해 이미지가 크게 손상된 데 이어 이번에는 BMW차량의 화재사고로 인해 직격탄을 맞을 것으로 보인다. 그런 상황에서 독일의 로버트 보쉬가 2018년 4월 연례 기자 회견을 통해 발표한 새로운 질소산화물 저감 기술이 재 조명되고 있다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)

폭스바겐의 디젤 스캔들과 BMW의 디젤차 화재사고는 질소산화물과 관계가 있다. 점점 엄격해지는 배출가스 기준은 이제 실험실에서의 배출가스 측정 결과가 아닌 변수가 많은 일반도로에서의 실 주행도로 배출가스 측정 결과를 제시하도록 하고 있다. 그 기준도 엄격해져 가고 있다.

2020년에는 유럽 기준으로 실 주행시 배출가스를 측정하는 RDE(Real Driving Emission) 기준 질소산화물 배출량이 현재의 168mg/km에서 120mg/km 이하로 낮춰진다. 대부분의 자동차회사들은 달성하기 불가능한 수치라고 했다. 그런데 보쉬가 새로운 기술로 기준치의 1/10 수준의 질소산화물을 배출하는데 성공했다고 밝혔다.
보쉬가 새로 개발한 기술을 채용한 실험 차량은 RDE 기준 질소산화물 배출량이 13mg/km에 불과하다. 디젤 엔진에 불리한 도심 주행에서도 40mg/km에 불과해 2020년 배출가스 규제 기준을 충족할 수 있다고 한다.

디젤 엔진의 배기가스 저감을 위한 후처리 기술로는 크게 DPF(매연저감장치)와 SCR(Selective Catalytic Reduction; 선택환원촉매) 및 LNT(Lean NOx Trap; 희박질소촉매) 등 질소산화물 저감장치가 있다. 최근에는 DOC(산화촉매)와 DPF, SCR을 일체화한 SCR 필터 시스템이 채용되고 있는 추세다.


보쉬가 개발한 것은 배기량 1.7리터 이상의 디젤엔진에서 배기가스 후처리 장치와 조합해 질소산화물 배출량을 대폭 저감하는 기술이다. 이 실험 차량에는 DOC와 DPF, 요소 SCR필터 시스템으로 이루어진 배기가스 후처리장치가 채용됐다.

디젤차가 주행 중 특히 질소산화물이 발생하기 쉬운 것은 저속 고부하의 운전 모드다. 보쉬는 이 영역을 주 대상으로 질소산화물을 저감하는 기술을 개발했다. 질소산화물은 연소 온도가 높으면 발생하기 쉽기 때문에 온도를 낮춰 발생량을 줄인다. 그 기능을 하는 것이 EGR시스템이다. EGR에서는 배기가스를 실린더 내에 유입해 실린더 내의 산소 온도를 낮춤으로써 연소 온도를 낮춘다.

배기가스는 엔진에서 나왔을 때는 최대 830도까지 올라간다. EGR 쿨러를 통해 온도가 계속 낮아져 배기가스 파이프를 통과해 흡기 다기관에 들어갈 때는 최대 100도까지 낮아진다. BMW화재사고는 그 과정에 문제가 있어 온도를 낮추지 못해 화재로 이어진 것으로 조사됐다고 한다.

발진과 저속에서의 가속 등 저속 고부하 운전모드에서는 실린더 내에 흡입하는 공기량이 부족하다. 때문에 저속 고부하의 운전모드에서는 배기가스의 온도가 너무 낮아 질소산화물을 정화하는 요소 SCR시스템의 촉매를 활성화하기 어려워 질소산화물이 쉽게 발생한다. 촉매를 활성화하기에는 200도 이상을 유지할 필요가 있다. 정체, 신호대기 등에서 정차와 발진이 많은 도심 주행에서 문제가 될 수 있다.


보쉬가 발표한 새로운 기술은 저속 고부하 운전영역에서 EGR을 사용할 수 있게 하고 분사 타이밍을 약간 늦추며 배기가스 온도를 가능한 200도 이상으로 유지하는 것이 포인트다. BMW 화재사고도 이런 상충된 조건을 충족시키기 위한 과정에서 발생한 것으로 추정해 볼 수 있다.

보쉬는 이 문제 해결을 위해 연료 분사 기술과 공기 관리 시스템, 지능형 온도 관리 시스템을 개선했다. 기존의 터보차저보다 더 빠르게 반응하는 실 주행에 최적화된 터보차저를 적용하고 고압 및 저압 EGR을 통해 공기 흐름을 관리할 수 있게 했다. 더불어 질소산화물을 줄이기 위해 최소 200℃의 배기가스를 유지하기 위해 디젤 엔진 전용 열관리 시스템을 적용했다.

저속 고부하시에서도 EGR을 사용 가능하도록 하기 위해 보쉬가 착안한 것은 터보차저의 고효율화와 EGR양의 적정화다. 보쉬는 실험 차량에 상호보완적인 고압EGR과 저압EGR 두 종류의 EGR를 사용했다. 고압 EGR은 짧은 순간에 충분한 배기가스를 흡기 매니폴드에 공급한다. 그러나 그것만으로는 부족해 터보차저도 작동시키고 DPF와 촉매정화장치 등을 거쳐 깨끗해진 배출가스를 흡기관의 상류로 공급하는 저압 EGR을 같이 사용하는 예가 증가하고 있다. 참고로 이번에 화재사고가 난 BMW의 4기통 디젤엔진에는 고압 EGR만 채용되어 있다. 최근 개발한 3기통과 6기통 디젤엔진에는 저압 EGR도 적용되어 있다.

터보의 고효율화로 실린더 내에 보다 많은 공기를 보내려면 EGR을 정지시키지 않고 끝나는 경우가 많아진다. EGR의 작동 시간을 줄이면 질소산화물을 충분히 저감할 수 없게 된다. 거기에서 보쉬가 적용한 것이 분사 타이밍의 지연이다. 그 만큼 연소시 피스톤의 위치가 내려가고 연소실의 체적이 증가해 연소 온도가 내려간다. 이에 따라 질소산화물의 발생량이 줄어든다. 그런데 적절한 타이밍에서의 분사에 비해 엔진의 출력이 낮아지기 때문에 배기가스 후처리 장치로 정화 가능한 질소산화물 배출량을 고려해 적용하는 것이 중요하다고 한다.

한편 배기가스 온도를 가능한 200도 이상으로 유지하기 위해서는 배기가스 후처리 장치의 각 촉매의 온도를 추정해 그들의 온도를 적정하게 제어한다. 통상 요소 SCR 시스템의 촉매를 가능한 빨리 활성화하기 위해 사용되는 것이 포스트 분사다. 연소 후 실린더 내에 연료를 분사하는 것을 말한다. 이에 따라 미 연소된 연료를 배기가스 후처리장치의 가장 앞에 있는 DOC로 보내고 DOC에서 연료를 산화(연소)시킴으로써 배기가스의 온도를 올려 후속 요소SCR 시스템의 촉매 온도를 높인다.


보쉬의 새로운 디젤 기술에서는 배기가스 후처리 장치의 각 촉매의 온도를 감시하고 필요에 따라 이러한 포스트 분사를 유연하게 실시함으로써 요소SCR 시스템의 촉매 온도를 200도 이상으로 유지할 수 있도록 했다. 배기가스 후 처리장치의 레이아웃에도 변화를 주었다. 요소 SCR시스템을 DPF와 일체화함으로써 엔진 바로 아래의 촉매가 가열되기 쉬운 곳에 배치한 것이다. 보쉬는 기존의 디젤 엔진 기술들을 개량해서 달성한 결과이기 때문에 추가 구성 요소가 도입되지 않으며, 비용 상승도 없다고 밝히고 있다.

이런 기술을 바탕으로 보쉬는 이산화탄소 배출량을 실험실이 아닌 일반도로에서 측정할 것을 촉구하고 나설 정도로 자신감을 보이고 있다. 물론 보쉬가 디젤 엔진에만 투자를 진행하고 있는 것은 아니다. 전동화차량를 위한 기술에도 많은 투자를 하고 있다. 하지만 전동화차의 대중화에는 앞으로도 많은 시간이 필요하기 때문에 상당 기간은 높은 효율의 내연기관이 필요하다고 보고 있다. 전동화차는 내연기관 못지 않게 많은 문제점을 안고 있다. 전동화차든 내연기관차든 문제가 있으면 그것을 해결해 가면서 사용할 수밖에 없는 상황이다. 전동화 기술의 한계로 인해 48볼트 마일드 하이브리드 시스템의 채용이 증가하고 있는 것도 그런 이유에서다.

폭스바겐에 이어 BMW에서까지 예상치 못한 문제가 발생하면서 위기에 몰린 디젤 엔진에 보쉬의 신기술이 새로운 가능성을 제시할 수 있을지 주목된다.
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