웃는남자(smileman)

현대.기아차에 적용되는 승용형 디젤엔진은 Euro-Ⅳ 엔진인데, 엔진의 종류가 3가지이며 이에 따른 시스템 상의 차이가 있다.

정비사들이나 차 소유자들이 이 부분에서 적지 않은 오해가 있는데, 이 3가지 엔진에 적용된 시스템의 차이를 정리했다.

특히 CPF(배기가스 후처리장치)는 대다수의 사람들이 Euro-Ⅳ 디젤엔진이면 무조건 CPF가 적용된 것으로 잘못 이해하고 있는데, 스포티지, 투싼, 쏘나타에 적용된 D-2.0 엔진에만 적용되어 있다는 점을  이해하기 바란다.

김홍현 「현대,기아차 천안정비연수원」

◆ 개요

강화된 배기가스 규제(EURO-Ⅳ)에서는 PM과 Nox 성분에 대한 규제치가 EURO-Ⅲ 대비 절반 가까이 낮아졌기 때문에 이에 대응하기 위한 배기가스 후처리장치가 필요하게 되었다. 물론 후처리장치가 반드시 있어야만 EURO-Ⅳ 규제를 만족할 수 있는 것은 아니다. 그렇지만 친환경, 저공해차를 제작하기 위한 노력과 계획의 일환으로 현대?기아자동차에는 2005년 후반부터 단계적으로 후처리장치를 적용하고 있다.

CPF란 디젤엔진의 배기가스 중 PM(Particulate Matters)을 필터를 이용해 물리적으로 포집하고, 일정거리 주행 후 PM의 발화 온도(550℃) 이상으로 배기가스 온도를 상승시켜 연소시키는 장치이다.

◆ Euro-Ⅲ와  Euro-Ⅳ

① 경유승용차의 배기가스 규제

고압 연료분사장치(커먼레일-Common Rail), 전자제어 장치 등을 적용하고 경유승용차의 엔진 제작기술이 급속히 발전됨에 따라 경유승용차에서도 매연을 거의 볼 수 없는 수준(10년 전과 비교 때 거의 1/10 수준)으로 기술이 개발되었다.

하지만, 휘발유 차와 비교해 볼 때 CO/HC의 배출량은 적으나 PM/Nox 등의 유해물질은 여전히 많이 배출되기 때문에 아직까지도 환경오염의 주범으로 인식되고 있는 실정이다.

☞ CO/HC : 휘발유 차 대비 1/2~1/5 수준

☞ Nox : 휘발유 차 대비 6~8배 배출(Euro-Ⅳ 만족 차는 3~4배)

이에 경유차 환경위원회에서는 경유승용차 허용으로 인한 추가적인 대기오염물질 증가가 없도록 보완적 대책을 수립해 추진하고 있다. 그 가운데 하나가 하이브리드카, 매연 여과장치(CPF) 부착 경유차, CNG, LPG 등 저공해 연료를 사용하는 차에 대해 세제감면, 보조금 지급 등을 통한 매연저감장치의 보급 확대이다.

이러한 대책이 추진된다는 전제 하에 환경위원회에서는 2005년 매연 여과장치(CPF)를 50% 이상 부착되도록 해 Euro-Ⅲ와 Euro-Ⅳ 차를 50:50 비율로 판매(또는 CPF 부착한 차 100% 판매)하고, 2006년 이후에는 Euro-Ⅳ 차만 판매하도록 하는 안을 검토하게 되었다.

② Euro-Ⅳ 대응 기술

환경부는 2006년부터 적용되는 자동차 배출가스 허용기준을 휘발유자동차는 미국 캘리포니아, 경유자동차는 유럽연합 수준으로 대폭 강화하는 내용을 주요골자로 하는 대기환경보전법시행규칙을 2004년 12월 10일자로 개정, 공포했다.

이 가운데 경유승용차 규제는 이미 2005년부터 유럽연합에 적용하고 있는 Euro-Ⅳ 배출가스규제로 현 기준 대비 일산화탄소(CO)는 21~47%, 질소산화물(NOx)은 30~67%, 미세먼지는 40~80% 강화되었다. 다만, 경유승용차는 현행 기준이 유럽보다 강해(미세먼지는 5배, 질소산화물은 25배) 통상마찰을 야기하고 있는 점을 고려해 2005년 1년간 Euro-Ⅲ 기준(유럽연합국가에서 2000~2004년 적용)을 한시적으로 도입하고, 2006년부터 Euro-Ⅳ 수준으로 강화하기로 했다.

이에 발맞춰 현대·기아자동차에서는 디젤차의 배출가스에서 가장 문제가 되는 질소산화물(Nox)과 입자상 물질(PM)의 배출량을 현저히 낮춘 새로운 엔진 및 제어시스템을 도입했으며, 이 엔진이 바로 Euro-Ⅳ 디젤엔진으로 양산 차에 적용하고 있다.

<그림 1> Euro-Ⅳ 엔진 적용 시스템

③ Euro-Ⅳ 엔진의 종류와 적용 차종

Euro-Ⅳ 엔진은 현재 세 종류로 나눌 수 있다.(그림 2 참조)

그 첫 번째는 기존 D-2.0 엔진의 연료장치 등을 대폭 개선한 신형 D-엔진으로 현대·기아자동차의 2006년형 투싼, 스포티지와 쏘나타 디젤에 적용한 엔진이다.

두 번째는 기존 D-2.0 엔진의 배기량을 키우고 Euro-Ⅳ 시스템의 연료장치를 적용해 성능을 향상시킨 D-2.2 엔진이다.

세 번째 Euro-Ⅳ 엔진은 소형 디젤엔진으로 신형 베르나, 프라이드, 아반떼-XD, 클릭 등에 적용된 u-1.5 엔진이다.

하지만 각각의 엔진에 적용된 Euro-Ⅳ 시스템의 사양은 차이가 있다. 많은 정비사들과 디젤 승용차를 소유하고 있는 운전자들이 Euro-Ⅳ 디젤엔진이 적용된 차는 다 같은 시스템의 연료장치와 배기가스 제어장치가 적용된 것으로 오해하고 있는데, 사실 적지 않은 부분에서 엔진과 차종에 따른 시스템의 차이를 보이고 있다.

◆ 배기가스 후처리장치(CPF-Catalyzed Particulate Filter)

① 개요

PM(입자상 물질) 제거를 위한 배기가스 후처리장치는 DPF, CDPF, 또는 CPF로 불리는데, ‘디젤 배기가스 후처리장치’라는 같은 의미로 모두 ‘CPF(Catalyzed Particulate Filter)’로 통칭한다.(그림 3 참조)

CPF는 디젤엔진에서 배출되는 PM을 필터로 포집한 후 이것을 태우고(재생) 다시 포집하기를 반복하는 기술로 PM을 약 70% 이상 저감할 수 있는 장치이다.(그림 4 참조)

CPF는 매연 저감 성능 면에서는 우수하나 PM이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며, 이것에 의해 출력과 연료소비율이 떨어질 수 있는 단점이 있어 제어기술의 이해가 중요하다 할 수 있겠다.

CPF 기술은 크게 PM 포집(Trapping)기술과 재생(Regeneration)기술로 나누어지며, 시스템은 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다. 현재 적용중인 재생법은 스캐너를 이용한 수동재생 방법과 일정 주행거리를 운행한 후 ECU에서 수행하는 마일리지(운행거리)에 따른 재생, 운행 중 연소온도 상승 때 자동적으로 수행되는 CRT(Continuous  Regeneration Trap) 촉매재생 등의 방법이 있다.

☞ 재생 : 필터 내에 쌓여있는 PM(입자상 물질)을 고온의 배기가스를 이용해 태우는 기능

☞ 배기가스 후처리장치 용어(CPF로 통칭)

*DPF - Diesel Particulate Filter(디젤 미립자형 필터)

*CDPF - Catalyzed Diesel Particulate Filter(디젤 미립자형 촉매필터)

*CPF - Catalyzed Particulate Filter(미립자형 촉매필터)

<그림 3> CPF(배기가스 후처리장치) 관련 구성품

차압센서  DOC(디젤 산화촉매)  CPF(배기가스 후처리장치)  온도센서  메인 머플러

<그림 4> 배기가스 후처리장치 작동 개요도

CRDi 엔진  고압분사 펌프  배기가스  후분사 실시로 배기온도 상승  압력/온도 센서  산화촉매  CPF(촉매 필터)  커먼레일  ECU

② 배기가스 후처리장치란?

CPF란, 디젤엔진의 배기가스 중 PM(입자상 물질)을 물리적으로 포집하고, 일정거리 주행 후 배기온도를 상승시켜 태워 없애는 필터를 얘기하는데 포괄적인 의미에서 배기가스 후처리장치를 CPF라고 말한다.(그림 5 참조)

<작동 원리>

-배기가스 중 PM(입자상 물질)의 물리적 포집(그림 6 참조)

-일정거리 주행 후 포집된 PM 연소(PM 발화온도 550℃ 이상으로 배기온도를 올린다)

<개발 배경>

-Euro-Ⅳ 배기규제 대응 전략

-NOx의 발생은 전자식 EGR밸브와 EGR 쿨러의 적용으로 저감시켰지만, PM의 발생량은 줄지 않기 때문에 산화촉매 및 필터를 이용해 PM 발생량을 저감시킨다.

<그림 5> 배기가스 후처리장치 구성

산화 촉매  촉매 필터  차압센서용 파이프  온도센서

*CPF(촉매 필터) : 사각기둥의 요소를 조합해 입자 포집 및 연소(재생)

*DOC(산화 촉매) : HC/CO 저감, PM 성분은 일부만 저감됨

*차압센서 : CPF의 입·출구 압력을 비교해 재생 필요 유무 판단

*온도센서 : 재생에 필요한 발열 온도 피드백(Feed back)

<그림 6> 배기가스 후처리장치 작동원리

③ 배기가스 후처리 과정

▶ PM(입자상 물질) 포집 단계

. 입자 퇴적

운행 중 배출되는 입자상 물질(PM)을 필터를 이용해 물리적으로 포집하는 단계로, 배기가스 성분 중 탄소입자 또는 재 성분이 필터에 걸러지고 나머지는 통과해 배출된다.

입자상 물질은 배기가스 온도 500℃ 이상에서는 dry soot(그을음) 상태이며, 500℃ 이하에서 발생되는 물질이 PM에 흡착되는데 이것은 미연탄화수소, 산화탄화수소 등으로 구성되어 있어 이러한 요소들을 걸러내기 위해 필터에서 포집하게 된다.

. 필터

CPF는 세라믹 필터를 사용하며 내부에는 사각형 모양의 통로가 벌집모양으로 배열되어 있다. 채널 입구와 출구가 교대로 막히며, 채널 입구로 유입된 배출가스는 채널 출구가 막혀 있기 때문에 다공질벽을 통과해 옆 채널 출구로 빠져나가게 되며, 이 때 입자상 물질은 채널에 남아 포집된다.(그림 7 참조)

필터는 포집효율이 높고, 고온에 견디며 공간 활용성이 우수하다. 단점으로는 불균일한 열응력에 의한 파손이 발생할 수 있으며, 배압이 걸려 엔진 성능에 나쁜 영향을 미친다. 벽면의 다공질 크기도 포집입자 크기와 배압에 직접적인 영향을 주기 때문에 중요하며, 크기는 대략 10μm이며 PM 입경 0.01μm부터 포집하는 것으로 알려져 있으며 PM 저감율은 85% 이상으로 매우 우수하다.

<그림 7> 필터 내부 구조

디젤 산화 촉매(DOC)  필터(CPF)  벌집형 셀  세라믹 다공성벽  플러그  촉매 코팅

▶ 재생 시기 판단

. CPF 차압을 이용한 PM 양 계측

필터 내 포집된 PM의 양이 많아지면 배압이 걸려 엔진 성능이 나빠지게 된다. 따라서 일정량 이상의 PM이 포집되어 있을 경우 이를 연소시켜야만 하는데 PM이 쌓인 양을 직접 계측하기란 쉬운 일이 아니다. 그래서 사용된 방법은 차압센서를 이용한 방법으로 필터 전·후방에 센서를 설치하고 발생한 압력차에 의해 PM 양을 가늠하는 것이다.

PM의 양이 많아질수록 입구와 출구의 압력 차가 커질 테고 ECU에서는 이에 따른 재생 시기를 판단할 수 있다.(그림 8 참조)

. Mileage(주행거리)에 따른 재생 시기

고속주행을 주로 하는 차의 경우에는 배기가스 온도가 높기 때문에 PM 포집에 의한 엔진 성능 저하를 걱정하지 않아도 된다. 그러나 단거리, 저속운행을 주로 하는 차의 경우 배기가스 온도가 충분히 상승되지 않기 때문에 일정거리를 주행한 후에도 PM이 필터 내에 쌓여 있어 엔진에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 운전조건이 어떠하든 지에 상관없이 일정한 주행거리를 초과하면 재생을 하도록 하는 방법이 필요하게 된다. 차압센서의 신호에 따라 재생 시기를 판단하고 재생을 결정하지만 만약 1,000km를 주행해도 차압이 형성되지 않으면 주행거리 기준에 따른 재생이 이루어지게 된다. 이는 차압 기준을 보완하기 위한 기능으로 <그림 9>에서처럼 재생 후에는 다시 1,000km를 산정하게 된다.

. 재생 시기 판단

PM의 재생 시기를 정확히 판단하는 것은 CPF 장치의 내구에도 중요한 부분을 차지하지만 엔진의 성능에도 직접적인 영향을 미치기 때문에 위의 두가지 방법 중 어느 하나라도 재생 조건을 만족하면 ECU는 재생 모드로 진입한다.

그 가운데 가장 기준이 되는 것은 차압을 이용한 방법이다. 주행거리 기준은 안전을 위한 조건으로 최소 1,000km 운행 후 ECU에서 재생모드로 진입하도록 되어 있는데, 이는 차압에 의한 재생이 이루어지지 않고 1,000km를 주행했을 때에만 재생을 실시하도록 하는 것이다.

▶ 재생(Regeneration)

포집된 PM은 가능하면 빠른 시간 내에 태워 필터가 다시 PM을 포집할 수 있도록 하는 재생과정을 가지며,  이 때 재생에 의해 필터가 과열되어 파손되지 않도록 하는 제어기술이 중요하다.

재생 과정은 촉매 활성화 온도(Light-off), 공급되는 산소농도, 산소유량, PM의 포집량에 따라 적절하게 조절되어야 한다.

재생 방법은 PM을 그을음 점화 온도인 550℃~600℃까지 가열해 태우는 것인데 이를 위해 엔진 관련 인자들을 제어해 재생 온도에 도달하도록 한다.(그림 10 참조)

<그림 10> 재생 온도 달성 방법

ACV(에어 컨트롤 밸브)  인터쿨러  EGR밸브  EGR쿨러  터보차저  AFS

배기온도 상승 300~400℃  촉매 발열온도 상승 200~300℃  재생 목표온도 달성 600~650℃

① 후분사(Post-Injection을 통한 배기가스 온도 상승

CRDi 엔진의 분사장치는 진동, 소음 저감을 목적으로 예비분사(Pilot-Injection)를 실시하고 있다. 보통 인젝터에서 분사가 실시되는 시간이 주분사는 0.6~1ms 가량, 예비분사는 0.3~0.5ms 가량(공회전기준)인데 이러한 짧은 시간의 분사를 제어할 수 있는 것은 CRDi 엔진의 큰 특징 가운데 하나라고 할 수 있다.

CPF가 적용되면서 기존 실시하던 예비분사에서 사후분사로 분사영역을 확대해 배기온도를 상승시킬 수 있게 되었다. 포집된 PM의 양이 많아 재생모드에 진입하게 되면 배기온도를 상승시키기 위해 후분사(Post-2)를 실시한다.

② Post-2(Attached Post Injection)

주분사에 가까운 Post-2 인젝션은 ATDC 10~50˚에서 실시하게 되는데, 이 때 배기가스 온도는 약 300~400℃ 가량 상승하게 된다. Post-2 후분사를 실시할 때 분사시기와 분사량은 연료압력, EGR, 부스트압력, 공기량에 따라 달라진다. 하지만 PM의 재생에 필요한 목표온도는 600℃ 이상이므로 Post-2 후분사에 의해 상승된 배기온도 만으로는 필터에 포집된 PM을 연소시키기에 부족하다.

③ Post-1(2nd Post Injection)

ATDC 70˚ 이상 구간에서 실시하는 두번째 후분사는 촉매(DOC)의 발열온도를 상승시킬 목적으로 실시한다.

엔진의 연소에 참여하지 않고 피스톤 하강 때 분사하는 Post-1은 연소되지 않은 상태의 HC를 그대로 배출하고, 이는 촉매(DOC)와 만나면서 산화 발열반응으로 약 200~300℃ 가량의 온도상승을 가져온다. 이렇게 두 번의 후분사에 의해 목표온도인 600~650℃를 달성하는 것이 바로 재생 기술이다.

*Light-off: 촉매의 변환율이 50%가 될 때의 온도, 촉매 반응개시 온도를 얘기한다. 일반적으로 Light-off 온도는 250~300℃이며, 촉매는 약 550℃ 이상으로 가열되어야 정상적으로 반응한다.

▶ 재생 조건

PM의 포집량이 많아 재생모드에 진입하게 될 때 ECU에서는 다음 조건이 만족해야만 재생을 시작한다.

. 재생모드 진입 기준

-주행 거리 : 차압 또는 매 1,000km 이상

-엔진회전수 : 1,000rpm 이상 ~ 4,000rpm 이하

-엔진 부하 : 약 0.7bar(8mg/st 이상)

-차 속도 : 5km/h 이상

-냉각 수온 : 40℃ 이상

재생 때 배기가스 온도 상승을 목적으로 후분사를 실시하고 흡입공기량과 과급 압력을 조절해 λ(공기과잉률) 값을 1.4 이상으로 가져가기 때문에 토크의 변화가 올 수 있다. 그런데 이러한 요소들은 ECU에서 적절하게 제어해 운전자가 재생모드에 진입했음을 느끼지 못하도록 해 준다. 토크의 변화가 올 경우 충격이 발생할 수 있으며, 연료 분사 패턴의 변경은 연소음을 발생시킬 수 있기 때문이다.

그러나 이러한 재생 조건은 재생의 시작에 필요한 기준이며 재생을 시작한 후에는 다른 기준으로 재생을 유지한다. 또한 한번 재생을 시작하면 10~15분 가량 계속되는데 운행 중인 차에서는 rpm 또는 차속의 변화와 상관없이 배기온도를 600℃ 이상으로 유지할 수 있도록 ECU에서 관련 인자들을 제어한다.(그림 11 참조)

만약 재생 도중 시동을 정지하게 될 경우에도 ECU에서는 잔여 시간을 기억해 두었다가 다음 운행 때 다시 재생을 실시한다.

<그림 11> 차속에 따른 재생 온도

차속(km/h)  배기가스 온도(℃)  시간(분)  재생 구간

☞ 재생을 시작하면 차속 또는 rpm에 상관없이 배기가스 온도는 일정하게 유지된다.(ECU에서 제어)