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대형차 및 건설기계 원동기 배출가스 규제동향

전국 버스, 화물 트럭운송 업계가 2015년부터 강화 시행되는 배출가스 규제기준의 유예를 정부에 건의했다. 국내 자동차의 개발 부진과 차량 가격인상, 매연 후처리장치와 선택환원촉매장치의 유지, 차량의 안정적 공급 불안 등이 주요 이유다. 건설장비에 대한 배출가스 규제 역시 2015년부터 강화 예정이다. 하지만 주요 OEM은 이미 새 배출가스 규제에 맞춘 장비의 개발을 마치고 선진국 대상 수출과 국내 공급을 위해 준비를 마친 상태다. 배출가스 규제 동향 및 커민스의 기술에 대해서 둘러보자.

디젤엔진은 장점인 힘과 우수한 연비에도 불구하고 CNG, LPG 등 타 연료에 비해 상대적으로 많은 유해 배출가스가 단점으로 지적되면서 규제가 점점 강화되고 있다. 환경적인 면에서도 배출가스를 최소화하기 위하여 전 세계적으로 기술개발 및 재원투자가 활발히 진행되고 있다. 강화되는 배출가스 규제에 따라 국내 기업들도 수출을 위해 환경기준에 충족하는 제품개발에 박차를 가하고 있다. 커민스는 업계를 선도하는 친환경 엔진기업으로 지난 2005년 티어4 F를 만족하는 건설 장비용 엔진을 세계 최초로 개발하는 등 고객의 성공적인 비즈니스를 위해 항상 한발 앞서 규제에 대응하는 기술을 제공하고 있다.

Cummins T4F architecture
 
대형차 유로6 규제와 특징

유럽에서 트럭과 버스(총 중량 3.5톤 이상)를 대상으로 한 배출가스 규제 유로1이 최초로 도입된 지 20년이 지났다. 이후로 강화된 배출가스 규제가 1996년의 유로2와 2000년 유로3, 2005년 유로4, 2008년 유로5가 차례로 소개되었다. 그리고 가장 최근 2013년 입자개수를 포함한 배출가스 규제기준 유로6이 도입되기에 이르렀다. 우리나라는 2002년까지 일본 6-mode의 개선된 13-mode를 통해 유럽의 유로1-2의 완화된 기준을 도입하여 사용했다. 2003년부터는 유럽의 유로3, 2006년 유로4, 2009년 유로5를 도입하여 적용하고 있었으며, 2014년 초부터 신규 인증 대형차량에 유로6 기준을 유럽을 제외하고 가장 먼저 적용하고 있다.

2014년 적용된 국내 대형차 기준은 기존의 배출가스 기준(CO, HC, NOx, PM)이외 입자개수(Particulate Number)를 추가로 요구하고 있으며, 보다 강력해진 자기진단장치(On Board Diagnostics) 시스템을 요구한다. 배출가스 시험모드 역시 새로운 WHSC(World Harmonized Steady-state Cycle)와 WHTC(World Harmonized Transient Cycle)를 요구한다. 환경부는 향후 2016년부터 이동형 배출가스 측정장치를 통해, 도로 운행 중인 대형차를 직접 선정하여 배출가스 시험검사를 실시할 예정이다. 커민스는 이에 앞서 성능과 비용을 만족하는 배출가스 제로에 가까운 엔진을 출시하고 친환경 엔진기업으로서 기술을 선도하고 있다.

Euro 6 Emission Regulation
 
건설기계 원동기 티어4(또는 Stage IV): 국내 2015년 이후 적용 기준

2004 ~ 2005년부터 국내 도입이 시작된 건설기계 원동기 배출가스 규제는 미국의 티어1, 티어2 기준에 근거를 두고 도입하였고, 지난 2009년부터는 미국 티어3을 도입하여 적용해왔다. 하지만, 한-EU FTA 및 WP29 활동 등을 통해 전 세계 기준조화 활동에 참여하게 된 우리나라는 2015년부터 유엔 ECE R96 기반의 규제를 도입하게 되었다. 따라서 2015년 1월 1일부터 건설기계 원동기에 대한 제작차 배출 허용 기준 티어4 F로 강화된다. 대상은 기존 국내 2009년 기준(티어3)의 6종(불도저, 굴착기, 로더, 지게차, 롤러, 기중기) 이외 천공기 등 신규 24종이 포함된 총 30종을 대상으로 한다. 원동기 정격 출력 범위로 나누어 보면 19kW 이상 560kW의 배출가스 규제 수준으로 선진국인 미국, 유럽과 비교해도 뒤지지 않는 규제 수준을 이루게 되었다.

T4F Emission Regulation

기준을 뛰어넘는 커민스의 앞선 기술력

최적의 배출가스 솔루션, 커민스 EcoFit (후처리장치)

유로6는 기존 유로5 보다 입자상물질은 50%, 질소산화물은 80%까지 감소해야 하는 강력한 배출가스 규제기준으로, 유럽은 2013년 12월부터 효력이 발생하여 생산되는 전 차종에 대해 유로6 기준이 적용되었다. 한국에서는 2014년부터 적용되고 있으며, 2015년 6월까지 유예기간을 두고 있다. 티어4 F는 미국 환경청(EPA)이 규정하는 배출가스 규제기준으로 ‘이보다 더 줄일 수 없다’는 말이 나올 정도로 산업용 엔진 배출 규제 중 가장 만족시키기 어려운 것으로 꼽힌다. 이렇게 까다로운 배출가스 기준을 충족하고 엔진이 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 하는 것이 바로 커민스의 첨단 배출가스 솔루션 기술이다.

디젤엔진은 강력한 힘과 우수한 연비를 가지고 있지만 타 연료에 비해 유해 배출가스를 많이 배출한다는 약점을 가지고 있다. 커민스는 자연재생방식과 강제재생방식을 모두 채용해 엔진 형태에 맞는 최상의 배출가스 솔루션을 제공하고 있다. 여과 및 디젤 배출가스 정화용 요소수(DEF), 전자 제어 시스템, 연소 기술, 연료 시스템, 터보 충전기, 후처리 시스템까지 주요 서브 시스템을 유기적으로 통합한 효율적인 배출가스 솔루션 EcoFit 시리즈가 바로 그것이다. 디젤산화촉매 장치인 EcoFit DOC(Diesel Oxidation Catalysts), 미세 먼지를 감소시키는 EcoFit DPF(Diesel Particulate Filter) 시스템, 질소산화물을 줄이는 EcoFit SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템, DOC, DPF, SCR 통합 시스템인 에코 울트라 로우 에미션 시스템 등 다양한 제품군은 배출가스를 효과적으로 처리하고, 효율성은 극대화시킨 최적의 기술이 적용돼 있다.

티어4 F와 같은 높은 장벽의 배출가스 규제를 충족하기 위해서는 매연을 줄이는 후처리장치가 필수다. 출가스속에들어있는유해물질을후처리를통해연소시키면,연료소비율과CO2 배출량을최소화시킬수 있다. 이를 위해 필요한 대표적인 것이 선택적촉매환원(SCR)장치, 디젤산화촉매(DOC)와 매연여과(DPF)장치다. 요소 수용액을 엔진ECM에 내장된 알고리즘에 의해 요소 수용액 탱크로부터 펌핑, 가압하여 배기관에 부착된 요소 수용액 분사계(Dosing Module)에 보내주면 요소 수용액 분사계는 분사제어장치의 신호에 의해 배기관에 요소 수용액을 분사하게 된다. 이때, 요소 수용액 분사 시 화학 반응을 효율적으로 하기 위해 엔진ECM에서 분사여부, 탱크레벨, 탱크온도를 감지하여 공급모듈과 분사모듈을 거쳐 분사계를 통해 분사한다. 고온의 배출가스에 노출된 요소 수용액은 열분해를 통해 암모니아와 수증기를 생성하게 되고 이중에서 암모니아는 배출가스 중의 질소산화물과 배기관에 있는 SCR 장치에서 반응을 일으켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다.

DOC와 DPF를 통한 재생과정은 자연재생방식과 강제재생방식 2가지로 나뉜다. 먼저 자연재생방식(Passive Regeneration)은 일반적인 엔진 운전으로 발생하는 배출가스 온도에 의해 자연적으로 진행되는 것을 말한다. 강제재생방식(Active Regeneration)은 별도의 연료 분사를 통해 DPF의 온도를 상승시켜 진행되는 것을 말한다. 커민스 엔진에서는 상기 자연 재생 및 강제 재생 방식을 모두 채용하고 있으며, 검댕이(Soot) 적체율, DPF 온도 및 압력 등의 조건을 고려하여 ECM에서 재생 모드, 시기, 시간 등을 결정한다.

기준 그 이상의 기술, 커민스 필트레이션

나날이 까다로워지는 배출가스 기준에 대응하는 커민스의 두 가지 핵심기술을 꼽는다면 ‘디렉트플로우’와 ‘크랭크케이스 환기시스템’을 들 수 있다. 제품 특징을 감안할 때 필터기술의 핵심은 얼마나 깨끗하게, 얼마나 경제적으로 오랫동안 이물질을 제거할 수 있는가이다. 실제로 티어4 F 엔진을 위한 커민스 필터의 교환주기는 티어3에 비해 평균 200% 증가했고, 여과능력은 기존 제품에 비해 78%나 증가되었다.

Cummins Direct Flow
 
디렉트플로우(Direct Flow, DF)

일반적인 에어필터는 원통형 구조를 가지고 있다. 하지만 커민스의 디렉트플로우는 에어필터의 구조를 브이블록(V-Block) 형상으로 설계해 공기가 직선으로 흘러가는 구조적 특징을 가지고 있다. 이는 공기 유동 저항을 최소화해 엔진을 가동시킬 때 에어클리너 시스템에서 발생할 수 있는 에너지 소모를 효과적으로 줄여준다. 필터의 근본적인 역할이라고 할 수 있는 이물질 제거능력에서도 뛰어난 효율을 보여 준다. 필터의 수명이 다하는 시점까지 99.9% 이상의 높은 성능을 유지하는 것이다. 이렇게 독특한 설계로 완성된 커민스의 디렉트플로우는 높은 성능을 자랑하면서도 필터 교환주기를 연장시켜 장비 가동시간을 늘려주고, 필터 교환 등 유지보수 비용을 줄여 소비자의 경제적 부담까지 덜어준다. 실제로 티어4 F 장비의 필터 교환주기는 티어3 장비에 비해 평균 200% 이상 늘어난 것으로 나타났다. 커민스 디렉트플로우는 구조적인 측면에서도 뛰어난 효율성을 자랑한다. 엔진통제장치(ECU)에 필요한 각종 센서, 즉 공기의 흐름을 측정하는 에어플로우센서(MAF)와 필터의 교체시간을 인식하는 인디케이터 및 필요에 따라서는 온도까지 측정할 수 있는 센서들을 쉽게 조립할 수 있다. 또한, 커민스에서 제작한 엔진뿐만 아니라 타사 엔진에도 쉽게 적용할 수 있어 폭넓은 호환성을 자랑한다. 또, 입체형 평면구조로 설계해 필터의 여과 면적은 최대화시키면서 에어클리너 하우징 구조는 간소화시켜 효율적인 엔진 공간을 만들어준다. 이와 함께 5백만 시간 이상의 각종 필드 및 실험실 시험을 통과한 커민스의 디렉트플로우 시스템은 티어4 F 배출가스 규제를 충족시키기 위한 최적의 솔루션이라 할 수 있다.

Cummins T4F Crankcase Ventilation System 
크랭크케이스 환기시스템(Crankcase Ventilation)

커민스 필트레이션의 두 번째 핵심기술은 크랭크케이스 환기시스템(Crankcase Ventilation)에 적용된 코어레서 필터(Coalescer Filter)다. 엔진이 연소실에서 연료를 압축행정할 때 피스톤과 실린더 사이의 틈새로 미량의 가스가 새어나온다. 이를 블로바이 가스(Blow-by Gas), 크랭크케이스 에미션(Emission)이라고 한다. 이 가스에 미량의 오일성분과 연료잔류물, 매연입자와 탄화수소, 일산화탄소가 포함돼 있어 대기 오염원이 된다. 따라서 이러한 오염물질을 분리해 걸러내고, 가스는 흡기통로를 따라 연소실로 유입시켜 재연소시켜야 한다. 크랭크케이스 환기시스템은 엔진의 블로바이 가스를 재순환시키기 전에 오일 입자들을 분리해 재순환을 돕는 장치로, 강화된 티어4 F 배출가스 규제를 충족시키기 위해 반드시 필요한 제품이다.

커민스는 이 크랭크케이스 환기시스템에 최신 기술인 코어레서 필터를 적용하고 있다. 초기 크랭크케이스 환기시스템은 사이클론(Cyclone) 및 임팩터(Impactor)를 통해 기계적 또는 물리적 현상으로 오일 입자들을 분리해냈다. 반면, 코어레서 필터는 블로바이 가스가 매체를 통과하면서 가스 속에 포함된 오일 입자들을 서로 결집시켜 오일을 보다 쉽고 효과적으로 분리해낼 수 있다. 코어레서 필터를 통한 오일 입자의 분리 능력은 거의 95% 수준에 달할 만큼 뛰어난 효율성을 자랑한다.

다양한 장비에 맞는 필터를 통해 엔진이 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 돕는 커민스필터사업부. 오랜 시간 축적된 커민스의 기술은 가장 근본적이면서 핵심적인 노력을 바탕으로 시작한다. 이를 통해 엔진의 성능과 연비는 최대한 끌어올리고 내구성은 높임과 동시에 티어4 F와 같은 엄격한 국제 배출가스 규제기준을 만족시키는 솔루션이 탄생할 수 있었다. 늘 독보적인 기술과 양보 없는 품질로 앞서 가는 커민스는 세계 기준이 까다로워질수록 더 돋보이는 행보를 이어갈 것이다