보배드림

요즘 들어 시끄럽습니다. 여기저기서 들여오는 불만 컴플레인의 소리들. 뭐 어느 메이커 국산 외산 할것 없이 불만을 가지는 소비자들은 많고 또 늘어나고 있습니다. 그러나 자잘한 불만이 아닌 생계에 위협이 되는 문제야 말로 정말로 중대하고 심각한 사안이라고 할 수 있습니다. 당연 새차 뽑고 타다보면 점차 잡소리와 불만인게 하나 둘식 생기는건 매우 정상적이죠. 그러나 자동차의 목적을 다하지 못하고 돈먹는 하마로 전략하는 순간 더이상의 차의 가치는 없다고 생각합니다. 

결함. 이거는 인간이 만든 제품에서 매우 쉽게 찾아볼 수 있는 현상이죠. 자잘한 결함에서부터 생명과 생계를 위협하는 결함까지... 이 결함들은 인간이 제품을 개발하는 이상 완전히 사리질 수는 없을겁니다. 물론 이 문제를 지속적으로 고쳐가고 완성도를 높혀가는것이 엔지니어의 일이지만요. 다만 안전에 위협이 가는 결함에서부터 생계에 위협을 가하는 결함이야 말로 아마 1순위로 개선해야하는 문제 아닌가 싶습니다.

이번에는 MAN 트럭부터 다른 국산, 수입차들에서 쉽게 발생하는 유로 6 결함에 대한 저의 개인적인 생각과 지식을 통해 조금이라도 이해하고 도움이 되었으면 해서 적어봅니다. 

제가 사고 싶었던 차량이 있는데 이와 매우 비슷한 증상이라서 한번 적어보는거니 제가 말하는게 정확하다고는 말씀 못드리겠지만 이유가 뭔지 조금이라도 사실에 근접한다면 저는 만족합니다.

앞서 이번에는 유로규제가 뭔지, 배기가스 후처리 장치의 원리를 먼저 알아보도록 합시다. 

유로 6와 유로 1

원래 유로규제라는게 유럽연합이 설립된후 대기오염을 줄이자는 목표에서 만들어진 규제입니다. 원래 이 규제는 1988년 트레일러와 관광버스와 같은 대형 디젤 상용차에 적용된 유로 0이 시초입니다. 이후 1992년부터 유로1이 승용차와 소형 상용차에도 적용되면서 지금까지 온거죠. 그러면 한번 이 배기가스 배출 기준을 유로 6 기준으로 봅시다. 현재 생산되는 상용차는 1kWh 당 g으로 계산하고 있습니다. 시간당 발휘하는 에너지당 몇 그렘인 셈이죠. 이 유로 6 기준은 CO(일산화탄소) 4.0g/kWh NOx(질소산화물) 0.46g/kWh HC(탄화수소) 0.160g/kWh NH3(암모니아) 10ppm/kWh PM(미세먼지) 0.01g/kWh PN(미립자 수) 6X10^11개/kWh 이상 배출하면 차량을 판매할 수 없습니다. 이런 가혹한 환경규제를 맞추기 위해서 제조사들은 EGR(배기 제순환 장치), SCR(선택적 환원 촉매 장치), DPF(디젤 미립자 필터), LNT(질소산화물 흡장 촉매), DOC(디젤산화촉매장치)등의 각종 화학적 작용 일명 '촉매' 장치와 필터를 사용해 배출된 화학물질을 화학 반응과 필터링을 통해 그나마 인체에 덜해로운 이산화탄소나 물로 바꿔주는 역활을 합니다. 

엑시언트 유로 6 후처리 구성. EGR, DOC + DPF, SCR 

볼보 D13 유로 6의 후처리 구성. EGR, DOC + DPF, SCR

그런데 이 배기가스 후처리 시스템은 문제점이 있습니다. 먼저 EGR에 대해 자세히 알아봅시다. 

볼보 FM D13 유로 4의 EGR 장치

EGR(Exhaust Gas Recirculation) 장치는 말그대로 배기가스 재순환 장치입니다. 이 장치는 즉 연소된 배기가스를 다시 연소실로 보내 소진하게 하는 방식이죠. 이는 디젤엔진의 가장 큰 문제점중 하나인 질소산화물 (NOx) 배출을 줄여주는 역활을 합니다. 이 질소산화물이 대기로 방출되면 미세먼지와 산성비를 초래하니 매우 중요한 장치라고 볼수 있죠. 이게 가솔린 엔진에는 스로틀링 손실을 줄여줘 연비 향상을 가져다 주지면 디젤 엔진은 스로틀 자체가 없거나 계속 열려있기에 오히려 연비를 나쁘게 만드는 요인입니다. 애초에 원리가 배기가스를 재순환 시켜 질소산화물이 형성되기 쉬운 고압, 고온 환경에서 산소의 양을 최대한 떨어트려 NOx 형성 반응성을 낮추는거라 별로 좋은게 아니죠. 

스카니아 유로 4의 EGR 도감

거기에 연소된 배기가스를 다시 EGR 쿨러, 다시 연소실로 집어넣다 보니 EGR 쿨러와 파이프의 오염도가 심화되어 나중에는 카본 찌꺼기가 고착되어 배기가스가 늘어나는 사태가 발생하지요. 검은 매연 내뿜는 CRDi 포터 II 생각하시면 되겠습니다. 연비, 출력, 장기 유지면에서 다 빵점인 시스템인거죠. 거기다 유로 6부터는 요소수 적용이 필수가 되어서 EGR를 제거한 시스템을 이베코와 스카니아가 적용하게 됩니다.

EGR이 혐오스러운 이유.JPG

DOC의 작동 개념

실제 DOC 

그래서 이 EGR을 통해 다시한번 연소실을 들어간 배기가스는 DOC이라는 촉매필터에 들어갑니다. 이 촉매필터란 각종 유독 화학 물질을 그나마 인체에 무해한 이산화탄소 (CO2)와 물(H2O)으로 변화시키는 역활을 하죠. 이는 공기(O2)를 이용해 각종 유독 물질에 화학 반응을 이르키고 

탄화수소 4CH + 5O2 = 4CO2 + 2H2O

일산화탄소 2CO + O2 = 2CO2

미세먼지 PM + O2 = H2O + CO2

으로 변환시키는 역활을 합니다.

이중 미세먼지는 완전히 이산화탄소와 물로 변환하는게 불가능한데 이때 남은 미세먼지를 DPF을 사용해 걸러주죠. 

DPF 구조 

그러나 이 DPF는 문제가 엄청 많습니다. DPF는 사실상 미세먼지 미립자를 막아주고 DPF 재생은 실린더에서 오일을 보내어 이 미립자를 태워버리죠. 그런데 이 DPF 재생을 위해서는 조건이 필요합니다. 600도의 배기가스 온도를 10분간 유지해야된다는 점이죠. 이는 고속주행시에도 나오기 힘든 온도이고 시내주행을 자주하는 차량에는 구현하기 어려운 환경입니다. 덤으로 재생시 소비되는 연료도 덤이고 또 높을 열을 이용해야기에 사실상 내구도가 떨어지죠. 또 필터가 막히면 연비와 출력이 떨어지기도 합니다. 즉 정말로 불편한 기술이죠. 이때문에 DPF를 대처하는 플라즈마 버닝 기술이 나왔지만 아직까지 널리 상용화되지는 안았습니다. 

제대로 관리 안된 DPF

EGR과 DPF의 조화는 물론 요소수를 별도로 넣을 필요도 없으며 출력 손실에서나 연비에서는 떨어지지만 관리만 잘해주면 반영구적이죠. 허나 유로 6부터는 요소수 탑재가 필수이기에 이베코와 스카니아는 연비와 출력도 개선할겸 EGR을 없애게 됩니다.

SCR의 원리

이 SCR은 뭔가요? 화학 반응으로 정화하는 장치이니 또 화학 설명쫌 하고 갑시다. SCR은 Selective Catalytic Reduction의 약자으로 한국어로 직역하면 선택적 환원 촉매장치가 되겠습니다. 환원이란 영어로 Reduction, 즉 화학적 이온 반응으로 2개의 물질이 있다는 가정 하에 하나는 Oxidation, 산화, 하나는 Reduction, 환원이 됩니다. 아연(Zn) 도금을 철에 하는것도 아연이 산화, 즉 Oxidation 하는 반응성이 철(Fe)보다 높아 물이랑 접촉하면 먼저 산화하여 철을 보호하는 역할을 합니다. 즉 선박과 프레임에 많이 쓰이죠. 반대로 이 아연을 도금 할때는 환원, Reduction 원리를 이용해 철에 도금되도록 합니다. 즉 전류의 +/-를 이용해 원하는 화학적 반응을 얻는다고 할수 있죠. 이는 크로메이트(Cr) 혹은 크롬을 철에 도금하는것도 같은 이유에서입니다.

스카니아 DC13 450 SCR-Only 유로 6 엔진

이 SCR-Only 엔진은 기존의 엔진에 단순히 EGR, EGR 쿨러, 리턴 파이프, DOC + DPF을 부착해서 개발비는 싸게 뽑고 후 관리 비용 부담은 크게 만든것과는 달리 SCR를 위해 엔진을 보강한뒤 높은 온도에 작동하면서 공기를 과다 흡입(린번), 미세먼지를 완전히 태워버리고 고열로 인해 발생한 질소산 화물(NOx)은 SCR에서 요소수로 환원시켜 질소(N2) 과 물 (H2O)으로 바꿔줍니다. EGR, DOC + DPF 없이 오로지 SCR + AOC만 있으니 연비나 출력 손실, 심지어 내구성에도 강점이 있습니다. 

이 원리는 저온에서는 완전한 연소가 안일어나 미세먼지(PM)이 많이 발생해서 대기오염과 인체에 해롭지만 만일 고온에 분사되는 연료에 비해 공기를 과다 흡입, 많게는 공기:연료 (65:1) 비율로 하여 완전연소를 하면 질소(N2)과 산소(O2)의 반응이 더 쉬어져 인체에 해로운 질소산화물이 나오죠. 근데 SCR 엔진은 미세먼지는 고온에서 태워버리고 질소산화물은 요소수에서 화학적 반응으로 변경시켜 배출하는 방식입니다.   

이에 사용되는 요소수는 32.5%의 우레아 (CO(NH2)2)와 67.5%의 정화 물(불순물을 완전히 제거한)을 조합을 사용합니다. 이 요소수가 배기가스에 들어가면 고온으로 물이 증발해버리죠. 그러면 남은 우레아가 다음과 같이 분해됩니다.

(CO(NH2)2) = NH3 + HNCO 

즉 우레아가 산화제로 가장 효율 높은 암모니아와 이소시안 산으로 변경되죠. 암모니아를 그대로 쓰지 않는 이유는 폭발하기 쉬운 물질이라 취급에 상당히 위험하니까 이런 방식을 씁니다.

그리고 이 이소시안 산은 물에 접촉(가수분해)를 하면 다음과 같이 변경됩니다

HNCO + H2O = NH3 + CO2 

즉 다시 암모니아로 변경되고 쓸모없는건 이산화탄소만 나옵니다. 이건 배출시키죠.     

다시 화학식을 정리하면 

(CO(NH2)2) + H2O = 2NH3 + CO2 으로 암모니아가 2배 나옵니다

이때 얻은 암모니아를 잘 활용해서 나쁜 질소산화물을 환원시키죠.

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O

6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O 

으로 질소와 물이 배출됩니다.

즉 이 화학 공식을 기초로 제구성하면 

2(CO(NH2)2) + 4NO + O2 = 4N2 + 4H2O + 2CO2

4(CO(NH2)2) + 6NO2 = 7N2 + 8H2O + 4CO2

이후 반응을 일으키지 못하고 배출된 암모니아(NH3)을 마지막으로 걸러주는 AOC (암모니아 산화 촉매장치)를 지나친뒤 배기관으로 나옵니다.

MAN D2676 유로 6 엔진 

그러면 배기관에서 질소, 물, 이산화탄소만이 배출되어 결과적으로는 인체에 무해한게 나오죠. 그러나 문제는 이게 완전히 100% 가능한건 아닙니다. 또 SCR 탑재 엔진은 단순히 붙히는거 이상의 설계 변경이 필요하기에 개발 비용도 많이 들어갑니다. 거기다 수치 계산도 필요하죠. 그렇기에 제조사들은 무리수를 두게 됩니다.  

이건 다음편에서 다루겠습니다.