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84. 파워트레인의 미래 22. 디젤차의 반격이 시작됐다.

글로벌오토뉴스 조회 수2,655 등록일 2019.06.17
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폭스바겐 디젤 스캔들 이후 일부 국가에서는 내연기관 금지법을 시행하겠다고 발표하기도 했다. 하지만 현재 ZEV사용만 인정한다는 법안을 정식으로 검토하는 나라는 네델란드 뿐이다. 이유는 당장에 즉각적인 대안이 없기 때문이다. 이산화탄소를 줄이고 미세먼지 배출을 저감해야 한다는 당위성과는 달리 여러가지가 얽혀 파워트레인의 급속한 진화는 어렵다.

그런 와중에 2019년 6월 12일 메르세데스 벤츠는 자사의 2.0리터 직렬 4기통 디젤과 3.0리터 직렬 6기통 디젤 엔진이 각종 테스트에서 질소산화물의 배출을 획기적으로 줄였다는 데이터를 제시해 주목을 끌고 있다. C220d에 탑재된 2.0리터 디젤엔진의 경우는 NOx배출량이 0~1mg/km로 제로에 가까웠다고 한다. 메르세데스 벤츠가 보쉬와 공동으로 질소산화물 배출량 제로를 목표로 새로 개발한 디젤엔진의 이모저모를 살펴 본다.

글/채영석(글로벌오토뉴스 국장)

다임러AG의 웹사이트에는 디젤에 관한 '10Facts'라는 항목이 있다. 그에 따르면 메르세데스 벤츠는 디젤엔진을 금지하는 것보다 개량하는 것이 더 이득이라는 입장이다. 또한 기술 개발로 질소산화물 배출량이 크게 줄었으며 디젤엔진이 미세먼지의 주범이 아니라는 의견을 피력하고 있다. 기후변화정책을 위해서도 디젤엔진을 금지하는 것은 옳지 않다는 것을 강조하고 있으며 실험실 내와 실도로에서의 측정 차이도 크게 줄고 있다는 데이터를 제시하고 있다. 지금은 에너지 수요의 전체적인 입장에서 최선의 대안을 찾는 것이 필요하다고 말하고 있다.

배터리 전기차는 스스로 발전할 수 없기 때문에 발전소에서 생산한 전력을 2차 전지에 축전해 사용한다. 그런데 그 발전소가 석탄과 석유, 가스 등 화석연료를 사용하기 때문에 무공해차라고 할 수 없다. 당장에 차에서 내뿜는 배출가스가 없다고 대기가 청정해지고 온난화가 늦춰지는 것은 아니다. 근본적으로 에너지의 대 전환이 필요하다. 그것이 어렵다. 때문에 그 과정에서 주어진 조건에서 가능한 해법을 찾아야 하는 것이 현실이다. 그래서 등장한 것이 하이브리드 전기차이고 48볼트 마일드 하이브리드다. 이런 과정을 거치면서 궁극적으로는 배터리 전기차와 연료전지 전기차로 가야한다는 것이 지배적인 의견이다.

2015년 폭스바겐 디젤 스캔들 발발 이후만해도 금방이라도 내연기관이 사라질 것처럼 보였다. 하지만 현실은 그렇지 않다. 지금도 2030년경 내연기관 엔진이 75~85%를 차지할 것으로 전망되고 있다. 그렇다면 앞으로도 상당 기간 내연기관의 기술을 개량해 연비 성능을 높이고 배출가스를 줄여야 한다. 지금까지 연비 성능 향상과 배출가스 저감은 규제에 의해 이루어져 왔다.

디젤차 배출가스 규제는 1992년 유로1부터 본격적으로 시행됐다. 그것이 단계적으로 강화돼 2014년 9월부터는 유로6가 시행되고 있다. 구체적으로는 유로6b 의 경우 질소산화물 배출량이 80mg/km이하여야 한다. 이는 실험실 내에서의 수치에만 해당한다. 2017년 9월 1일부터는 유로6c가 시행됐다. 여기에서는 실도로 주행 상황이 반영된 측정법 WLTC에 맞춘 기준치로 통합 기준치가 80mg/km다. 지금은 2019년 말까지 유로6d-TEMP가 시행되고 있다. 실험실과 실 도로측정(RDE) 포함한 것으로 실 도로 규제는 168mg/km이다. 오늘날 배기가스 테스트는 더 이상 실험실 내의 수치만으로는 이루어지지 않는다. 실도로 측정이 병행된다.

그리고 2020년부터는 유로 6d가 시행되는데 이는 RDE도 120mg/km 로 강화되는 것이다. 유럽은 장기적으로는 50mg/km까지 낮추는 것이 목표다. 한국은 당초 2017년 9월부터 WLTP및 RDE 인증을 시행할 계획이었으나 업계의 반발로 연기되어 2019년 9월부터 시행된다.

유럽에서 현재 시행되고 있는 유로 6d –TEMP는 유로6b디젤보다 평균 76% 낮은 질소산화물을 배출하고 유로 5 디젤보다는 85% 적은 양을 배출한다. 도로에서의 측정 결과에 따르면 유로6 d-TEMP 디젤 엔진의 배출량 감소는 유로5 디젤과 비교하면 95~99%에 달하는 것으로 나타났다. 유로6d 기준은 측정 허용 오차가 더 적기 때문에 더욱 까다롭다.


그런 점에서 메르세데스 벤츠가 질소산화물의 배출이 거의 없는 디젤 엔진에 관한 소식은 주목을 끌기에 충분하다. 메르세데스 벤츠의 2.0리터 직렬 4기통 (OM654)과 3.0리터 직렬 6기통(OM656)은 유로6d-TEMP는 물론이고 유로6d의 요구사항도 충족한다는 것이 골자다.

질소산화물의 한계값은 유로6d의 경우 실 도로 주행 테스트 중에도 80mg/km 이하여야 한다. 이는 과부하상태라든가 언덕이 많은 지형 및 불리한 온도 및 교통 상황 등 최악의 조합에서도 한계값을 초과하지 않아야 한다. 이 제한은 신차뿐 아니라 누적 주행거리가 10만 km가 넘는 차량에도 적용된다.

그런데 실제 현재 독일에서 출시되고 있는 디젤차들은 유로 6d 규제 기준인 80mg/km를 훨씬 밑도는 경우가 대부분이다. 독일의 자동차 전문잡지 auto motor und sport 의 최신판에 따르면 12개 브랜드의 디젤차에 대한 배출가스 측정 결과 메르세데스 벤츠 C300d 에스테이트는 질소산화물 배출이 거의 없는(almost no NOx) 것으로 나타났다고 한다.

C300d 에스테이트(복합연비 5.6~5.0리터/100km, 이산화탄소 배출량 147~133g/km)는 13mg/km의 미미한 질소산화물을 배출했다고 이 잡지는 밝혔다. 최근까지 이런 수치는 달성할 수 없다는 것이 업계의 상식이었다.

그러나 메르세데스 벤츠 2.0리터 직렬 4기통 엔진은 이 문제를 해결했고 이로 인해 질소산화물로 인해 야기되는 도시의 미세먼지 문제를 해결할 수 있을 것이라고 덧붙였다.



또한 독일의 ADAC는 2019년 2월 광범위한 측정결과를 발표했다. 그에 따르면 현재 자동차의 질소산화물 배출량은 실제 도로 주행에서의 테스트 벤치 제한치보다 훨씬 적다고 한다. 메르세데스 벤츠 C220d(복합 연비 4.8리터/100km, 이산화탄소 배출량 126~117g/km)2의 경우는 질소산화물 배출량이 0~1mg/km로 거의 측정할 수 없는 수치에 불과했다. 더불어 수천km를 주행한 차량의 평균 배출량도 RDE 조건에서 20~30mg/km에 불과하다는 것은 아주 의미있는 데이터라고 할 수 있다.

메르세데스 벤츠는 엔진 자체의 배기가스 저감은 물론이고 도로의 복잡한 상황에 대응하는 배기가스 제어 기술을 사용한다. 이를 위해 냉각을 포함한 고압 및 저압 EGR(배기가스 재순환)을 채용하고 있다. 여기에 일산화탄소 및 미 연소 탄화수소의 배출을 줄이기 위한 디젤 산화촉매 변환기(DOC: Diesel Oxygen Catalytic converter)도 설치했다. 일체화한 SCR(Selective Catalytic Reduction; 선택환원촉매) 촉매 기능(sDPF)을 갖는 그을음 입자를 포집하기 위한 미립자 필터도 있다. 기본적으로는 질소산화물 저감을 위한 SCR촉매 변환기(선택적환원촉매)가 있다. 이를 위해 캐리어 애드블루 형태의 암모니아가 배기가스와 혼합되어 암모니아 슬립 촉매 코팅(ASC Ammonia Slip catalyst coating)이 있는 추가 언더 플로어 촉매(SCR)인 sDPF에 들어가기 전에 제어된다.

보쉬와 공동 개발한 배기 후처리 기술이 배경

메르세데스 벤츠의 신 개발 디젤 엔진의 기술은 보쉬와 공동 개발한 것이다. 로버트 보쉬는 2018년 4월 새로운 기술로 규제 기준보다 1/10 낮은 질소산화물을 배출하는데 성공했다고 발표했다. 보쉬가 새로 개발한 기술을 채용한 실험 차량은 RDE 기준 질소산화물 배출량이 13mg/km에 불과하다. 디젤 엔진에 불리한 도심 주행에서도 40mg/km에 불과해 유로6d 배출가스 규제 기준을 충족한다.

디젤 엔진의 배기가스 저감을 위한 후처리 기술로는 크게 DPF(매연저감장치)와 SCR및 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, SCR필터 시스템으로 이루어진 배기가스 후 처리장치가 채용된다.

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 실린더 내에 배기가스를 유입해 연소 온도를 낮추어 EGR을 적용하기 어려워 질소산화물이 발생하기 쉽다.

그런데 저속 고부하의 운전모드에서는 배기가스의 온도가 너무 낮아 질소산화물을 정화하는 뇨소 SCR시스템의 촉매를 활성화하기 어려워 질소산화물 발생을 쉽게 한다. 촉매를 활성화하기에는 200도 이상을 유지할 필요가 있다. 정체, 신호대기 등에서 정차와 발진이 많은 도심 주행에서 문제가 될 수 있다.



보쉬의 신기술은 저속 고부하의 운전영역에서 EGR을 사용할 수 있게 하고 분사 타이밍을 약간 늦추며 배기가스 온도를 가능한 200도 이상으로 유지한다는 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 작년 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 뇨소 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 뇨소SCR 시스템의 촉매 온도를 높인다.
보쉬의 새로운 디젤 기술에서는 배기가스 후처리 장치의 각 촉매의 온도를 감시하고 필요에 따라 이러한 포스트 분사를 유연하게 실시함으로써 뇨소SCR 시스템의 촉매 온도를 200도 이상으로 유지할 수 있도록 했다. 배기가스 후 처리장치의 레이아웃에도 변화를 주었다. 뇨소 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 보였다.

메르세데스 벤츠는 질소산화물 저감을 위해 30억 유로를 투자했다. 그 결과 지금 출시되는 메르세데스 벤츠 A클래스부터 GLS클래스까지 모든 디젤 엔진은 유로6d를 충족한다. 내연기관을 대신할 수 있는 새로운 파워트레인이 보편화되기까지 주어진 조건에서 효율성을 높이고 배출가스를 줄이는 노력은 앞으로도 계속될 것이다.

하지만 지금은 기술보다는 신뢰의 문제가 더 큰 상황이다. 메르세데스 벤츠를 비롯한 유럽 메이커들이 새로 개발한 디젤 엔진을 탑재한 차들이 앞으로 시장에서 어떻게 받아 들여질지 주목된다.
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  • danawa 2019.06.19
    디젤 하이브리드 연비 40 찍는다는데 눈치보고 출시를 안하네요.
    0
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  • danawa 2019.06.20
    자꾸 뭐 기준치 맞출라고 기존에서 자꾸 다른걸 가따붙이니까 가격이 계속 올라가니까 문제지....
    전기도 생산하는데 화석연료를 때니까 대안이 아니다? 움직이면서 전기 생산도 가능하니까 꼭 화석연료 온리는 아니니... 유럽이새끼들 그냥 인정하고 하브라이센스 풀렸는데 좀 굽신해서 만들자... GLC350E 플러그인하브인데 복합연비 9.6 그래놓고 2시간 충전에 30키로...전기로 갈수있다고... 2천씨씨인데 왜 350 붙였냐니까 전기모터 합치면 3500씨씨급으로 차가 나간다고 그리 붙은거라고 딜러가 그러길래 네 하고 나옴...
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  • danawa 2019.07.01
    5시리즈 2000cc 가솔린 터보도 네이밍이 530i임..
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