Nikkei Automotive_2021.2 특집 요약 (p32-55)

엔진은 더 깨끗해져야 한다
탄소중립 실천을 위한 ‘탈 엔진차 선언

카본 뉴트럴의 실현을 위한 ‘탈 엔진차’ 선언. 엔진은 전례 없는 존속의 위기에 직면해 있다. 그러나 역풍은 그뿐만이 아니다. 배기가스 규제다. 더 깨끗해지지 않으면 살아남을 수 없다. 배기가스 규제 강화의 방향성과 가일층의 클린화를 위한 대책을 살펴보았다.

Part 1. 클린하지 않으면 살아남을 수 없다
밀려드는 배기가스 규제 강화의 물결

카본 뉴트럴 실현을 위해 속속 발표되는 ‘탈 엔진차’ 선언. 그러나 엔진에 요구되는 것은 이산화탄소(CO₂)의 삭감만이 아니다. 2025년 이후에는 더욱 엄격해지는 각 나라∙지역의 차기 배기가스 규제가 시행을 앞두고 있다. EU나 미국 캘리포니아주에서는 이미 작업이 진행 중이다.

영국이 디젤차와 가솔린차의 신차 판매 금지를 30년으로 앞당긴다. 20년 11월, 자동차 관계자에게 충격적인 뉴스가 전해졌다. 일본무역진흥기구(JETRO)의 비즈니스 단신에 따르면, 영국은 탄소 배출 제로로, 장거리 주행이 가능한 하이브리드차(HEV)의 판매는 35년까지 인정한다고 한다.

탈 엔진차를 위해 움직이고 있는 것은 영국만이 아니다. 미국 캘리포니아주는 주지사가 20년 9월에 35년까지 ZEV(Zero Emission Vehicle) 이외의 신차 판매를 금지하는 행정명령을 발표했다. 중국도 35년을 목표로 신차 판매를 환경 대응차로 좁힌다고 표명했다. 프랑스도 40년까지 엔진차 신차 판매를 금지한다고 발표했다.

이처럼 엔진차 신차 판매 금지 움직임이 가속되고 있다. 그러나 엔진 앞에 놓인 엄격한 현실은 이것만이 아니다. 배기가스 규제 강화의 큰 움직임이 20년대 중반에 점점 밀어닥친다는 것이다. 15년 후, 20년 후에 엔진을 존속시키기 위해서는 연비 개선이나 카본 뉴트럴 연료의 개발과 함께 엔진을 더욱 깨끗하게 만들어 나가야 한다.

-- 보다 실태에 입각한 규제의 강화 --
상정하고 있는 것보다 훨씬 엄격해질지도 모른다. 전문가들로부터 이런 목소리가 들리는 것은, EU가 21년 제4사분기에 제정, 25년 이후에 시행을 목표로 활발한 논의를 계속하고 있는 차기 배기가스 규제다.

현시점에서는 ‘포스트 Euro 6’나 ‘Euro 7’이라 불리는 규제로, 자동차의 실제 사용에 보다 어울리는 형태로 규제를 강화하려는 검토가 진행 중이다. 예를 들면, 실제 주행에서 배기가스가 보다 악화되기 쉬운 냉각 시동 시나 고부하 운전 시 배출을 보다 주시함으로써 배기가스의 저감을 가속시키려 하고 있다.

배기가스 규제에 관해, 현재로서는 세계에서 가장 엄격하다고 하는 미국에서도 규제 강화를 위한 새로운 움직임이 나오기 시작했다. 캘리포니아주 대기자원위원회(CARB)는 규제 강화를 위한 원안을 제시했다.

캘리포니아주에는 저배출차량(LEV) 규제나 온난화가스(GHG) 규제, ZEV 규제 등을 통합한 규제 패키지 ‘Advanced Clean Cars(ACC)’가 존재한다. CARB에서 제시된 것은 그 차기 버전인 ‘Advanced Clean Cars II(ACC II)’의 원안으로, 여기서도 보다 실태에 입각한 형태로 배기가스 규제 강화를 강조하고 있다.

구체적으로는 실제 자동차의 사용법을 고려한 Soak Time(방치시간, 여기서는 사이클 시험 사이의 인터벌 시간)이나 냉간 시동에서의 최초 공회전 시간의 재검토, ZEV 비율의 증가를 염두에 둔 ‘비(非) 메탄계 유기가스(NMOG) +질소산화물(NOx)’의 기업 평균 규제 기준치의 재검토, 플러그인하이브리드차(PHEV) 고유의 배기가스 배출 패턴에 주목한 새로운 시험 방법의 도입 등이 검토되고 있다.

-- 대기 수준 이하가 아니면 살아남을 수 없다 --

Part 2. 차기 배기가스 규제의 충격
냉간 시동이나 고부하로 한층 엄격하게

현행보다도 훨씬 엄격해질 것으로 예상되는 EU의 차기 배기가스 규제. 그 최초 초안 작성을 위한 논의가 진행 중이다. 중에서도 크게 강화될 것으로 보이는 것은 냉간 시동 시나 고부하 운전 시의 배기가스다. 이르면 25년에 시행될 예정으로 시급한 대응이 요구된다.

차기 배기가스 규제 중에서도 현시점에서 특히 큰 주목을 받고 있는 것이 EU가 25년 이후에 시행하는 ‘Euro 7’(가칭)이다. ‘21년 제4사분기에 제정’이라는 목표를 위해 현재 검토 중인 차기 배기가스 규제로, 현행 ‘Euro 6d’와 비교해 훨씬 엄격해질 가능성이 제기되고 있다. 어느 엔진 전문가는 이미 기존형 엔진차로는 대응이 곤란할 수도 있다고 토로한다.

물론 Euro 7은 검토 단계에 있으며 아직 결정된 것은 아무것도 없다. 그러나 ‘기술적인 관점에서 생각해 현실적으로는 이 정도겠지’라는 예상보다도 엄격해질 것이라는 목소리도 들려온다. 최종적으로 어떻게 될지는 불분명하지만 상정했던 것보다도 엄격해질 공산이 커졌다.

-- 이상적인 모습을 강하게 반영하나? --
현재 Euro 7의 검토를 추진하고 있는 곳은 EU 유럽위원회 산하에 설치된 차량 배기가스 기준에 관한 자문그룹 ‘AGVES(Advisory Group on Vehicle Emission Standards)’다. 연구기관 등으로 구성되는 컨소시엄 ‘CLOVE(Consortium for LOw Vehicle Emissions)’와 함께 검토 중이다. 21년 제1사분기에 AGVES에서 Euro 7의 최초 드래프트가 출시될 전망이다.

이러한 Euro 7에 대해 현재 문제되고 있는 규제 재검토의 방향성은 주로 다음과 같다. (1) 가솔린차인가, 디젤차인가, 승용차인가, 중량차인가에 관계 없는 단일 배출 기준으로 한다, (2) 차량의 라이프사이클에 걸친 실제 배출량을 모니터링하는 On Board Monitoring(OBM)을 도입한다, (3) 기존의 규제 물질의 규제치를 보다 엄격하게 재검토한다, (4) 신규 규제 물질을 추가한다,

(5) 외기온도 -7도의 저온 WLTC(Worldwide harmonized Light vehicle Test Cycle) 사이클 시험에서의 규제 대상 물질을 확대한다, (6) RDE(Real Driving Emissions) 시험에서의 적합계수(Conformity Factors, CF)를 재검토한다, (7) RDE 시험에서의 온도∙표고에 따라서 CF를 완화하는 계수(Emissions corrective factor)를 재검토한다, (8) RDE 시험에도 새로운 규제 대상 물질을 추가한다, (9) RDE 시험의 시가지 구획에서의 최저 주행 거리를 단축한다(쇼트트립),

(10) 차량탑재형 배출가스 측정장치(PEMS)로는 고정밀도 측정이 불가능한 성분에 대해서는 시험실 내에서의 모의적인 RDE 시험에 따라 규제한다, (11) 배기가스의 악화는 이미 알고 있으며, 엔진이나 부품의 보호 등을 목적으로 예외적으로 실시하는 제어(Auxiliary Emission Strategies, AES)는 최신기술을 사용해도 회피하지 못하는 경우에 한정한다. AES로서는, 배기가스재순환장치(EGR)를 저온 시에 정지시키거나, 고부하 운전 시에 이론공연비보다 연료가 진한(리치) 상태에서 운전하는 것 등을 들 수 있다.

대형 엔지니어링 서비스 프로바이더(ESP)인 오스트리아 AVL에 따르면, 이 근저에 있는 것이 EU 유럽위원회의 배기가스 규제에 대한 다음과 같은 생각이다. (1) 제로 에미션(배기가스 제로)을 목표로 하는 도시에서, 차량은 모든 내용연수와 모든 운전조건에 있어서 가능한 클린해야 한다, (2) 입자상물질(PM), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 등의 오염물질은 주로 RDE 시험과 OBM에 따라 평가해야 한다(단, 노상 주행만으로 계측이 불가능한 것은 시험실 내에서 시험해서 평가해야 한다),

(3) 현재는 규제치 등이 디젤차와 가솔린차가 다르지만 연료 특성이나 자동차 기술에 관계 없는 통일적인 규제로 해야 한다, (4) PM의 입자수(PN) 규제 강화나 암모니아(NH3) 규제 추가 등, 새로운 혹은 수정한 배기가스 규제로 해야 한다. 즉, 자동차에서 현실적으로 배출되는 오염 물질 등의 환경부하 물질을 차량의 라이프사이클에 걸쳐 정확하게 줄여 나갈 수 있는 규제로 만들겠다는 이념을 엿볼 수 있다.

또한 Euro 7의 시행 시기는 25년 이후로 보는 예측과, 27년이나 28년으로 보는 예측이 있다. 또한 Euro 7 시행 전에 가능한 부분부터 Euro 6의 개정이라는 형태로 반영해 나갈 것이라는 예측도 나오고 있다.

-- RDE도 사이클시험도 냉간 시동에 엄격 --
-- 고부하로 요구되는 λ＝1 운전 --
-- 추가되는 NH3나 HCHO도 엄격 --
-- PHEV의 특수성에 주목하는 CARB --

Part 3. 클린화에 대한 어프로치
준비 작동, 공연비, 노킹을 개선

냉간 시동 시나 고부하 운전 시의 배기가스에 더욱 엄격해지는 차기 배기가스 규제. 그 대응에서 요구되는 것이 준비 작동, 공연비 제어, 노킹 등의 개선이다. 이산화탄소(CO₂)의 저감 방향으로 진행되는 전동화도 배기가스 클린화의 무기 중 하나다. 프리챔버(Prechamber) 점화나 상변화 냉각시스템 등의 새로운 요소 기술에도 기대하고 있다.

Part 1과 2에서는 배기가스 규제 강화의 방향성을 살펴봤다. Part 3에서는 그러한 규제 강화를 위해 기술적으로는 어떠한 대응을 생각할 수 있는지, 각 사의 대응을 바탕으로 살펴본다. 포인트는 냉간 시동 시와 고부하 운전 시에서의 배기가스 저감 및 신규 규제 대상 물질에 대한 대응이다.

-- EHC는 7초의 벽, 버너는 소리가 과제 --
Part 2에서도 소개했지만 냉간 시동 시의 배기가스 저감을 보다 중시하는 방향으로 강화될 차기 배기가스 규제에 대해, 또한 배기가스를 대기 수준으로 하는 ‘Zero Impact Emission’의 실현을 위해, 자동차용내연기관기술연구조합(AICE) 운영위원회 위원장인 기무라(木村) 씨는 “(엔진의 냉간 시동 후) 가솔린차는 수십 초, 디젤차는 100~200초 사이에 얼마나 배기가스량을 억제할 수 있는가가 승부처다”라고 말한다.

엔진의 배기가스는 대부분이 냉간 시동 시와 고부하 운전 시에 배출된다. 그 중 하나인 냉간 시동 시는 배기가스 후처리장치(촉매)의 온도가 충분히 올라가지 않기 때문에 배기가스의 정화능력(촉매의 전환 효율/활성)이 낮다.

또한 하이브리드차(HEV)나 플러그인하이브리드차(PHEV)를 포함한 가솔린차는, 냉간 시동 시에는 연료의 착화성과 연소 안정성을 올리기 위해서 연료를 이론공연비(Stoichiometry)보다 진하게(리치) 해서 분사한다(시동 시 증량). 게다가 가솔린차의 경우는 냉간 시동 직후에는 배기관 내에 응축수가 모여 있다. 그 때문에 혼합기의 공연비를 이상적인 화학량적(Stoichiometric, 공기과잉률 λ＝1)으로 제어하는 타이밍이 늦어진다. 화학량적 제어는 엔진에서 나오는 배기가스를 저감할 수 있을 뿐 아니라 가솔린차의 촉매에 사용하는 3원 촉매를 높은 전환효율로 이용할 수 있다는 이점이 있다. 화학량적 제어의 지연은 배기가스의 악화로 직결된다.

연료를 린(Lean)으로 태우는 디젤차는 냉간 시동 시나 고부하 운전 시에 질소산화물(NOx) 배출이 증가하는 경향에 있다. NOx를 환원하기 위해 사용되는 요소 SCR(선택적 촉매 환원) 시스템이, 180~200도가 되지 않으면 활성화되지 않는 점이나 역으로 온도가 지나치게 높아져도 활성이나 내구성이 저하되는 것이 원인이다. 또한 요소 SCR 시스템에서는 촉매가 활성화된 후에도 NOx을 적절하게 환원하기 위해서는 NOx의 농도와 촉매의 온도에 따라서 요소수의 분사량을 고정밀도로 제어해야 한다. 이 제어가 부적절하면 NOx 혹은 암모니아(NH3)의 배출이 증가하게 된다.

따라서 냉간 시동 시의 배기가스를 저감하기 위해서는 촉매 측에서는 우선 조기 활성화와 촉매를 효과적으로 사용하기 위한 제어가 중요해진다. 촉매가 활성화하기 전의 배기가스를 일시적으로 흡장하는 대책을 강구하는 것도 선후책으로서는 유효하다. 한편 엔진 측에서는 배기가스를 줄이는 것이 중요하다고 할 수 있다.

촉매의 조기 활성화를 위해서는 촉매의 강제 가열이나 배기가스 온도의 향상, 촉매의 근접 배치, 촉매의 열용량 저감, 냉각 억제 등의 대책이 대표적이다. 중에서도 앞으로 더 많이 채용될 것으로 보이는 것이 촉매의 강제 가열이다. 많은 전문가가 그 적용 가능성을 언급하고 있다.

배경에 있는 것은 전동화의 진전이다. 촉매의 강제 가열에는 몇 개의 방식이 검토되고 있으며, 현 시점에서 가장 대표적인 디바이스는 전기가열식촉매(EHC)다. 히터를 이용해 강제적으로 촉매를 가열하는 것으로, 이 발상은 예전부터 있었다. 그러나 기존형 엔진차의 경우는 가열에 사용할 전력을 확보하기 위해 엔진으로 교류발전기를 돌려야 했다. “엔진에서 나오는 배기가스가 증가해 효과는 ±0이었다”(혼다 파워유닛개발총괄부). 48V의 간이 HEV나 스트롱 HEV, PHEV와 같은 전동 차량에서는 탑재한 배터리로 촉매를 가열할 수 있다.

-- 관건은 엔진 냉각 시스템 --
-- 추가 발전의 제어나 센서 개량도 효과 --
-- 연료 분사의 다단화나 연료 가열로 저감 --
-- 고부하 λ＝1 운전을 위해 신기술 개발 속속 --
-- 암모니아에는 공연비 제어의 고정밀도화 --

 -- 끝 --

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