대기오염 주범? ‘엔진 업그레이드 한’ 디젤은 억울해!

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 현대·기아차 ‘스마트스트림 D’ 1.6 엔진

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 메르세데스-벤츠‘OM654’ 엔진

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제조사, 배출가스 줄이기 경쟁

현대·기아차 친환경 디젤 연구
필터로 거르고 촉매 정화 넘어
연소실 포트 형상 최적 설계로
스마트스트림D 엔진 속속 탑재

메르세데스-벤츠 디젤 2種 개발
승용차 최초 ‘계단식 볼’ 연소
까다로운 국제표준시험법 통과

환경부는 지난달 21일부터 오는 15일까지 전국 17개 시·도와 함께 겨울철 미세먼지 예비저감조치로 자동차 배출가스 특별단속을 벌이고 있다. 저감장치를 달지 않은 낡은 경유(디젤)차가 미세먼지(PM)를 많이 내뿜는 것은 사실이다. 그러나 디젤차가 온갖 대기오염의 ‘주범’이라고 생각한다면 오해다. 연료 종류에 따라 많이 배출하는 가스 종류가 다르기 때문이다. 국립환경과학원 교통환경연구소 연구결과에 따르면 디젤차에서는 질소산화물 및 PM이 상대적으로 많이 배출된다. 하지만 최근에 나오는 디젤차는 배출가스 저감장치 적용으로 미세먼지 배출이 가솔린차 이하 수준까지 개선되고 있다. 다만 질소산화물 배출은 여전히 가솔린 엔진과 비교해 최대 10배에 달한다.

탄화수소 및 일산화탄소는 오히려 가솔린차에서 더 많이 배출된다. 최근 ‘친환경’ 바람을 타고 인기를 끈 LPG차도 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소 등 배출량이 디젤차보다 많다는 한국에너지기술연구원 분석 결과가 나온 적도 있다. 이에 완성차 업체들은 배출가스를 최소화하는 엔진 기술을 끊임없이 개발하고 있다.

◇세계의 배출가스 규제 = 유럽연합(EU)의 이산화탄소 배출 기준은 2015년에는 1㎞ 주행 시 130g까지 허용됐지만 2021년 95g, 2025년 80g, 2030년 이후에는 59g 등으로 더욱 엄격해진다. 우리나라도 2015년 140g에서 내년 97g으로 EU에 근접한 수준으로 이산화탄소 배출을 강력히 규제하게 된다.

미국 환경보호청(EPA), 캘리포니아 대기자원위원회(CARB)의 질소산화물 및 미세먼지 규제도 유명하다. 올해 EPA 질소산화물 배출기준은 1.6㎞(1마일)를 주행할 때 72㎎인데 내년 65㎎, 2025년엔 30㎎까지 강화된다. 미세먼지의 경우 올해는 판매대상 차의 40%만 3㎎ 기준을 충족하면 되지만, 2021년부터는 모든 차에 이 기준을 맞춰 판매해야 한다.

◇배출가스 저감 기술 = 내연기관 자동차의 배출가스 감축은 연소 시스템 개선과 후처리 시스템 개선을 통해 이뤄진다. 전처리에 해당하는 연소 시스템 개선은 엔진 개량(EM)이 핵심이다. 엔진의 흡기관, 압축비 등 구조 개량과 연료분사, 밸브개폐 시기 등 제어 기술 개선을 통해 유해가스 발생을 줄일 수 있다. 나머지는 재순환, 촉매, 필터 등을 이용하는 방법이다. 배기가스 재순환장치(EGR)는 엔진에서 연소된 배기가스를 다시 엔진으로 재순환해 연소실 온도를 낮춘다. 연소실 온도를 떨어뜨리면 질소산화물을 줄이는 데 도움이 된다. 필터 방식에서 가장 대표적인 디젤 미립자 필터(DPF)는 탄화수소 찌꺼기 등을 필터로 거른 뒤, 고온으로 태워 오염물질 배출을 줄이는 장치다. 미세먼지 양이 많아지면 DPF 압력 센서가 높은 압력을 감지하고, 엔진 제어장치가 주기적으로 연료를 추가 분사해 DPF 내의 숯검정을 한 번 더 연소해 부피를 최소화한다.

촉매 적용 방식 중 디젤 산화 촉매기(DOC)는 일산화탄소와 탄화수소를, 선택적 촉매환원장치(SCR)와 질소산화물 포집장치(NSC)는 질소산화물을 각각 정화한다. 가솔린 엔진의 ‘3원 촉매기’는 세 가지 모두를 정화하는 효과가 있다. 최근 디젤차에는 최신 EU 기준(유로 6D)을 만족하기 위해 SCR를 많이 적용하는데, 환원제로 주로 요소수(UREA)를 사용한다. SCR는 연료 소모나 축적물이 없어 가장 친환경적인 질소산화물 감축 장치로 꼽히고, 질소산화물 감소 효과도 크다.

◇배출가스 감축 위한 엔진 업그레이드 = 현대·기아차는 친환경 디젤차 개발에 지속적인 노력을 기울여왔다. 2015년에 이미 DPF에 SCR 촉매를 코팅해 성능을 높인 ‘SDPF(SCR-on-DPF)’를 스타렉스에 적용, 세계에서 두 번째로 양산한 바 있다. 또 압축비 저감, 연소실 및 포트 형상 최적화, 복합 EGR 및 SCR 시스템 등을 통해 최신 배출가스 규제를 만족시키는 신형 디젤엔진 ‘스마트스트림 D’ 1.6과 2.2, 3.0을 개발해 최근 차종에 적용했거나 향후 신차에 탑재할 예정이다.

메르세데스-벤츠는 차세대 디젤엔진 ‘OM654’와 ‘OM656’을 개발했다. EU 기준은 물론 세계에서 가장 강력한 규제로 평가받는 ‘국제표준시험방법(WLTP)’도 충족한다. 이들 엔진에는 승용차 엔진 최초로 계단식 볼(Stepped-bowl) 연소 방식이 적용돼 있다. 피스톤 연소 용기 모양을 따서 이름 붙여진 계단식 볼 방식은 연소 과정, 피스톤 중요 부위의 열부하 등에 긍정적 영향을 줌으로써 효율성을 높이고 미립자 배출을 줄인다. OM654 엔진은 신형 C 220 d 등에, OM656엔진은 더 뉴 CLS 400 d 4MATIC에 탑재됐다.

BMW는 연소 시스템 개선을 통한 디젤차 배출가스 전처리 기술 개발에 큰 비용을 투자하고 있다. BMW는 또 최신 가솔린차에도 ‘미립분자필터’를 장착, 디젤차뿐 아니라 가솔린차의 배출가스 저감에도 신경을 쓰고 있다.

김성훈 기자 tarant@munhwa.com