| 내연기관의 배기 후처리 | ||||
| EGR | DOC | DPF | SCR | LNT |
1. 개요
| EGR의 구조 |
2. 설명
가솔린 엔진에 사용할 경우 배기가스의 10% 정도를 재순환시키는데, 이 경우 EGR이 스로틀링 손실을 줄여주는 역할을 하므로 연비가 상승한다. 디젤 엔진의 경우에는 최대 배기가스의 50%까지 재순환시키며, 디젤 엔진에는 원래 스로틀링 손실이 없기 때문에 연비 상승 효과가 없고 오히려 연비가 안 좋아진다. 그럼에도 점차 강해져가는 유럽 배출가스 기준을 만족시키기 위해 수단과 방법을 가리지 않고 질소 산화물(NOx) 발생량을 줄여야 해서 디젤 엔진에 EGR이 광범위하게 사용된다.모든 내연기관은 특성상 완전연소에 가까워질수록 필연적으로 질소산화물(NOx) 발생량이 늘어나게 된다. EGR은 이를 억제하기 위해 의도적으로 불완전연소를 유도하기 위한 장치다.
질소는 가장 안정적인 기체 중 하나로, 공기 중의 산소와 화학 반응을 하려면 엄청난 고온과 고압이 필요하다. 즉 질소산화물이 발생하는 데에는 운행 중인 자동차 엔진의 연소실, 특히 압축비가 높고 연료의 에너지 밀도도 높아 고온에서 작동하는 디젤 엔진의 연소실이 최적의 조건을 갖추고 있다. 질소 산화물을 줄이려면 고온이나 고압 둘 중 한 조건을 없애야 하는데, 엔진에서 압축을 하지 않으면 연료에 점화가 잘 되지 않으므로 고압을 포기할 수는 없고, 따라서 고온 조건을 없애기 위해 이미 한번 연소되고 나온 배기가스를 수랭식 쿨러에 통과시키며 식혀 다시 연소실에 넣어주는 것이다. 배기가스가 온도를 낮춰주는 원리는 비열이 높은 물체는 같은 열을 받았을 때 온도 상승량이 더 적어진다는 열역학의 기본적인 원리로, 배기가스에 있는 이산화 탄소의 부피당 비열이 일반 공기보다 더 높다는 점을 이용한 것이다. 특히 압축비가 높은 디젤 엔진의 경우 이미 연료 분사량에 비해 흡기되는 공기의 양이 매우 많아서 배기가스를 더 사용할 여력이 있기 때문에, 배기가스의 10% 정도만 재순환시키는 가솔린 엔진과는 달리 배기가스의 최대 50%까지 재순환시킨다.
3. 문제점
매연 찌꺼기가 고착된 EGR 라인 내부
언뜻 보면 불완전 연소 된 연료를 재사용하는 동시에 흡기온도를 낮춰 매연문제 해결과 출력 증가에 도움이 될 것 같지만, 배기가스의 높은 이산화 탄소 농도는 기체의 부피당 비열을 높이고, 이 때문에 4행정 기관이 힘을 발생시키는 폭발 행정 동안의 효율을 떨어뜨린다. 뿐만 아니라 EGR을 통해 들어오는 가스는 이미 한번 연소되어 연소에 필요한 산소가 없는 것이나 다름없으므로 그만큼 연소에 방해가 되어 불완전 연소가 일어나게 된다. 즉 EGR을 달게 되면 출력과 연비가 떨어지게 되는 것이다. 추가로 일부 차량의 경우 EGR이 작동하지 않을 때 ECU에서 엔진 출력에 제한을 걸어서 근본적으로 오염물질의 발생 가능성을 떨어트린다. EGR 밸브를 막는 것은 배기가스에 오염물질이 섞인 그대로 배출되는 범죄 행위이다.
문제는 이런 EGR의 작동이 연쇄 반응을 일으킨다는 것이다. EGR 때문에 출력이 떨어지게 되고, 차량 운전자 관점에서는 부족한 출력 때문에 가속페달을 더 밟을 수 있으므로 결국 사용하는 연료량이 늘어나 차량 연비는 더 나빠질 수 있다. 또 다른 문제는 연소 가스에 섞여 있는 매연성분이 흡기 다기관에 덕지덕지 달라붙어 흡기 다기관과 흡기 밸브를 오염시킨다는 점이다. 그러면 어떻게 되냐고? 흡입되는 공기량이 더 줄어들어 연소 안정성이 저하되어 연소가 완전히 되지 않는 상태가 되는 것이 문제. 이 폭증한 매연이 다시 흡기다기관으로 돌아가 더더욱 흡입되는 공기량을 줄여 매연이 더 늘어난다는 악순환을 이루게 된다는것. 간혹 가다 EGR이 완전 오픈된 상태로 고착되어 버릴 경우, 플런저 분사식 뿐만 아니라 CRDi 차량이라 해도 매연검사 시 매연 농도가 90%를 초과해버리는 수가 있다[2].
NOx 저감은 좋지만, 그 외에는 불완전한 기술일 수밖에 없는 것이 EGR 방식의 한계이며, 전자제어가 제대로 도입되기 전에는 이렇게 오염된 흡기라인으로 줄어든 공기량을 계측할 방법은 없고, 연료분사기구가 기계식이다 보니 흡기량이 줄어들어도 분사량이 줄어들지 않아 매연이 더 늘어나는 악순환이 계속될 수밖에 없었다. 지금은 전자제어 디젤 엔진은 MAF(mass air flowrate)센서가 붙어 있어 흡입 공기량을 계측하여, 페달 각도에 따라 연료분사량을 조절하고 있다. 그러나 일정량 이상 흡기라인이 막힐 경우엔 매연을 엄청나게 뿜게 되고 이게 DPF를 막아 후분사로 DPF재생이 들어가 연비를 하락시키게 된다. 만약 EGR이 고착되어 정상적인 연소가 불가능할 정도로 리턴량이 많은 상태인데 DPF 장착 차량이라면? DPF 재생으로 버틸 수가 없다! 하고 DPF가 사망하는 사태까지 벌어진다. 그리고 이후에 발생하는 문제에 대해서는 관련된 문서를 참고하시면 되겠다...
저온 디젤 연소 등이 연구 중에 있지만, 현재까지 EGR만한 NOx 저감 성능을 보여주는 후처리 기술이 현재까지는 양산 적용이 되지 않은 상태이므로 앞으로 SCR 방식이 더더욱 개선되고 발전해 나간다고 하더라도, EGR이 줄어들지는 않을 것 같았으나...
4. 퇴출
사실, EGR은 과도기적인 기술이라, NOx를 확실히 저감할 수 없으며 비용적인 문제가 크지 않은 차세대 기술이 등장할 경우 퇴출될 수밖에 없던 운명이었다. EGR 사용으로 인한 출력 저하, 연비 하락, 매연증가, 매연 증가로 인한 DPF 수명저하, DPF 재생을 위한 연료 소비 증가를 감당하고도 NOx를 완전 저감할 수 없기에 LNT를 추가 장착하고 그 LNT 탈황을 위한 연료 분사로 인한 연비 하락 등 도움이 되는 것이 하나도 없다.결정적으로 이미 한번 태운 가스를 다시 태우는 거기 때문에 중간부품 하나만 고장나도 뒤에 있는 후처리 장치까지 영향이 가 줄줄이 고장나 수리비가 폭탄이 되어 운전자 입장에선 선호하지 않는 방식이다.
상용차 업계의 경우 "유로6부터는 SCR 없이 통과하기가 사실상 불가능하다. 어차피 요소수가 들어갈 수밖에 없다면 차라리 EGR을 없애는 방향으로 가보자."가 공통된 생각인 듯하다.
이미 FPT 그룹에서 EGR 없이 DPF + SCR[3]로만 유로 6에 대응하는 Cursor 시리즈 엔진이 자일대우버스 FX[4], BX212, 타타대우 노부스, 프리마에 장착되어 나오고 있다. EGR을 없애고 연소온도를 최대한 높여 매연을 저감하고, 이로 발생되는 다량의 NOx를 SCR로 처리하는 방식.
스카니아 또한 DPF + SCR 조합의 DC09, DC13 엔진을 생산 중이며 2017년 6월에는 16리터급 DC16 엔진조차 EGR이 없는 모델을 선보였다.[5]
국내에선 HD현대인프라코어의 DL06P, DL08P, DX12P가 EGR이 제외되고 DOC, DPF, SCR만 달려서 나온다. 평은 EGR까지 모두 달린 커민스 엔진보다 훨씬 좋은 편.
5. 관련 문서
- 디젤 엔진
- 유럽 배출가스 기준
- BMW 차량 연쇄 화재 사고 - EGR과 관련된 결함 의혹이 강하게 제기되고 있다.
[1] 배기가스를 정화하는 형태의 매연저감장치도 있으며, 이는 SCR이라 부른다.[2] 일반적으로 디젤 차량들도 세기말 이후로는 기본적으로 촉매를 장착하여 출고하지만, 위와 같은 상황이 벌어질 경우 촉매로는 커버할 수 없을 정도로 매연이 많이 배출된다[3] FPT(이베코) 내에서는 HI-SCR이라는 기술명으로 부른다.[4] 단 FX120 에이스, FX212 슈퍼스타만 해당[5] 최상위 마력수였던 730마력 모델은 여전히 EGR을 장착해서 나오다가, 2020년 9월 28일 새로운 770마력 모델이 나오면서 EGR을 완전히 퇴출시켜 버렸다.