태우고, 분리하고, 걸러내고… 도전! 배출가스 ‘제로’

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다

전 세계 환경 규제가 갈수록 강화되는 추세에 따라 자동차 업계가 관련 기술 개발에 보폭을 넓히고 있다. 특히 오는 2014년부터 질소산화물(NOx) 등의 배출량 제한을 대폭 강화한 ‘유로 6’ 발효가 예정돼 있는 만큼 자동차 업계의 환경물질 배출 저감 기술 개발 노력도 속도를 내고 있다. 5일 자동차 업계에 따르면 전 세계적으로 환경 규제에 앞장서고 있는 유럽은 오는 2014년 9월부터 한 단계 진일보한 환경 규제 ‘유로 6’를 적용할 예정이다. 질소산화물(NOx)은 디젤기준 180㎎/㎞에서 80㎎/㎞, 미세먼지는 5㎎/㎞에서 4.5㎎/㎞로 강화된다. 이산화탄소는 현재 130g/㎞지만 2020년까지 95g/㎞로 줄여야 한다. 이미 지난 2005년 1월과 2006년 1월 중소형과 중형 이상 승용차에 대한 유로 4가 적용된 데 이어 2010년과 2012년 각각 유로 5가 적용됐고, 이제 보다 강도 높은 유로 6 시행이 다가오고 있는 것이다.

배출 가스와 환경오염 물질을 줄이기 위한 노력은 연비 향상 노력과도 궤를 같이 한다. 연비가 높으면 높을수록 불연소로 인한 환경오염 물질 배출이 줄고 고효율 동력원을 얻을 수 있기 때문이다.

환경오염 물질 저감을 위한 장치는 연료를 태운 이후와 연소 전 단계로 나눠 볼 수 있다. 연료를 태운 후 탄화수소, 질소산화물, 이산화탄소 등을 줄이는 장치가 엔진과 배기가스 진출로 등에 집중 배치되고 있다. 디젤배기가스 후 처리장치(DPF·Diesel Particulate Filter)는 기본 중의 기본이다. 미세먼지를 포집해 약 500㎞마다 엔진 열을 이용, 600∼650도의 고온으로 태워내는 장치다. 이 장치는 유로 4에서 유로 5로 이행하면서 가장 강화된 규제인 미세먼지 농도를 80% 떨어뜨리는 데 일등공신이었다.

현대기아차는 싼타페 이하 전 차종에 2010년 1월부터 DPF를 추가했고, 2012년 1월 베라크루즈와 스타렉스 등 중형 이상 디젤에도 적용했다.

오는 2014년 9월부터 시행되는 유로 6에서 가장 강화되는 것은 질소산화물이다. 유로 5에서는 ㎞당 180㎎을 허용했지만, 유로 6부터는 ㎞당 가솔린 60㎎, 디젤 80㎎만 허용된다. 미세먼지는 DPF로 여과시켜 저감할 수 있지만 기체 상태인 질소산화물은 물리적 필터로는 저감하기 어렵다. 따라서 질소산화물제거장치인 LNT(Lean Nox Trap)가 추가 적용된다. LNT는 일단 금속 촉매를 이용해 질소산화물을 모았다가 또 다른 촉매를 활용, 질소와 이산화탄소로 배출시킨다. 현대기아차는 오는 2014년 9월 유로 6 시행 이전인 2014년 4월부터 LNT 기술을 적용할 예정이다.

배기가스재순환(EGR) 방식과 선택적 촉매반응(SCR) 방식도 있다. EGR는 배기가스 일부를 엔진 실린더 흡입기 공급용 쪽으로 순환시켜 실린더 내 온도와 산소량을 조절해 질소산화물 양을 감소시키는 방식이다. SCR는 암모니아수용액을 배기가스가 지나면서 질소산화물을 질소와 수증기로 배출되도록 한다.

가솔린 차량의 경우 디젤과 달리 3원 촉매를 활용해 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물을 처리한다. 3원 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(RH)을 이용한다. 이 밖에도 다양한 엔진기술이 환경오염 물질 저감에 활용된다. 가변흡기시스템(DISA)은 모든 RPM 영역에서 흡기 효율을 높여 연소 성능을 높이고, 맵 컨트롤 오일펌프는 엔진 부하가 많을 때와 적을 때를 구분, 오일펌프의 최고 압력을 조절한다. 현대기아차는 물론, BMW 등 대부분의 차량에서 이 같은 기술을 적용하고 있다.

연소 전 단계로 보면, 탄소 저감 노력은 연비를 높이기 위한 모든 기술이 해당된다. 차량 경량화로 자동차 구동을 위한 힘 자체를 줄이거나 오토 스타트&스톱 기능으로 불필요한 연료 소모를 줄이는 것 등이다. 특히 고압의 연료를 분사해 작은 연료 입자를 만들어 연료 효율을 높이는 방식(HPI)이나 엔진룸 안에 와류(소용돌이)를 만들어 연료가 더 잘 연소되도록 하는 방법(SCV)도 이미 대중화돼 있다.

일부 고급 사양 차량에는 액티브 퓨얼 매니지먼트(AFM) 시스템을 사용한다. 캐딜락 에스컬레이드 플래티넘 에디션이나 메르세데스 벤츠의 더 뉴 SLK 55 AMG 등이 이 기술을 적용한다. 8기통 엔진을 저출력 때 모두 사용하지 않고 4개 기통만 사용하는 식이다.

자동차 브랜드들은 환경오염 물질을 원천적으로 줄이기 위해 하이브리드차나 전기차, 수소연료전지차 등 친환경 차량을 대안으로 삼고, 상용화에 힘을 쏟고 있다.

장석범 기자 bum@munhwa.com