디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 압축비가 높고 열효율이 좋아 연료 소비가 적다. 보통 가솔린 엔진에 비해 약 30~40% 높은 연비를 갖는다. 일산화탄소나 이산화탄소도 가솔린 엔진에 비해 적게 배출하는 장점을 가지고 있다. 디젤 엔진 특유의 엔진 소음과 진동은 기술적 진보에 따라 많은 개선도 이뤄졌다. 또한, 청정 디젤 기술을 앞세워 매연과 유해한 배출가스의 수치도 많이 떨어트렸다. 그러나 구조적으로 배기에 따른 산소량이 상대적으로 많아 질소산화물과 미립자 분진 등은 분리하기가 쉽지 않은 단점을 가지고 있다.
그 결과 디젤 엔진은 일산화탄소, 이산화탄소는 가솔린 엔진에 비해 덜 배출하지만 질소산화물(NOx), 탄화수소, 미립자 분진 등은 상대적으로 많은 양을 배출한다. 문제는 질소산화물과 탄화수소로 대기중에서 광화학 반응을 일으켜 스모그현상을 발생시키고 대기중 오존을 파괴하는 주요 요인이 된다. 또한, 알데히드, NO3, PAN 등 옥시던트를 포함한 유해성분을 생성하기 때문에 산성비를 유발시킨다.
유럽에서는 디젤차로부터 대기환경개선과 보호를 위해 디젤차에 대한 배출가스 규제 정책을 만들어 1992년부터 시행하고 있다. 유로1부터 시작해 현재 유로6에 이르는 법규가 바로 그것이다. 배출가스의 기준은 계속 강화되는 추세이고, 현재 유로6 기준은 유로5에 비해 가혹할 정도로 엄격해 졌다.
국내도 유로6의 기준에 따라, 2015년부터 질소산화물(NOx)의 배출 수준을 대형디젤차 경우, 유로5 기준인 2.0gkWh에서 이의 20% 수준인 0.4gkWh로, 승용차는 0.18g/㎞에서 0.08g/㎞로 맞춰야 한다. 상용차의 경우에는 2010년말부터 SCR 방식의 시스템을 적용해서 출고되고 있다.
북미는 티어(Tier)라는 규정을 두어 규제하고 있다. 미연방환경보호청에서 차종에 따라 배기가스 배출량을 정해 Tier 1 / Tier 2 / Tier 3 / Tier 4 등 단계별로 규제를 시행 중이다. 현재는 Tier 3이 적용되고 있다. 더불어 CAFE라는 이산화탄소 총량을 규제하는 방식도 병행하여 사용 중이다.
그렇다면 이렇게 유해한 성분으로 가득 찬 디젤차의 배출가스를 현격하게 감소시킬 수 있는 방법은 무엇일까?
유로5까지는 배출되는 배기를 흡기로 되돌려 보내 재연소시켜 질소산화물을 감소시키는 배가가스재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 시스템과 불완전 연소로 발생하는 탄화수소의 찌꺼기가 배기될 경우, 필터를 통해 포집하고 다시 고온으로 태워 DPF 장치를 통해 배출시켜 기준을 만족시켰다. DPF(Diesel Particulate Filter)의 경우에는 성능이 떨어지면 장치를 교체해야 하고, 지속적인 성능 유지를 위해서 정기적인 청소가 필요하다.
유로6에서는 질소산화물 배출기준이 강화되어 전술한 기존의 장치와 시스템으로는 기준을 충족시킬 수 없는 한계에 봉착했다. 새로운 대안으로 희박질소촉매(LNT)와 선택적촉매(SCR)를 이용한 2가지 방식이 채택되어 유로6의 엄격한 기준을 만족하게 하고 있다. LNT 방식은 필터 내부에 질소산화물을 포집한 후, 디젤 연료를 태워 연소시킨다. 촉매산화장치를 설치하기 위한 별도의 공간이 필요 없어 차량의 가격 상승이 낮고 유지비가 적게 든다. 그러나 질소산화물을 제거하는 효율이 떨어지는 것이 단점이다. 배출되는 질소산화물의 약 70% 정도만 처리해 낸다. 배기 온도가 높아지면 효율은 더욱 저하된다. 배기량 2.5리터 이상의 디젤차나 고성능 디젤차 경우에는 이 방식만으로는 유로6를 극복할 수 없다. SCR 방식을 병행해야 유로6를 만족시킬 수 있다.
질소산화물저감장치와 요소수를 활용하는 SCR(Selective Cataytic Reduction, 이하 SCR)방식은 무엇인지 구체적으로 살펴보자.
SCR은 요소수(UREA)와 촉매가 포함된 질소산화물저감장치를 이용한 기술이다. 요소수는 요소와 물을 혼합하여 제조된 요소함량 32.5%의 화학물질이다. 국제 표준규격 ISO22241에 따르면, 요소수는 무색 무취의 물성을 가지며 어는점은 영하 11도이다. 촉매는 샤프심처럼 가늘고 긴 구멍으로 가득 차 있는 부품이다.
질소산화물저감 과정은 연소된 질소산화물(NO)이 배기 중, 질소산화물저감장치 내부의 촉매를 지날 때 분사되는 요소수(NH3)를 만나 발생하는 화학작용을 통해 이뤄진다. 요소수와 질소산화물은 촉매과정을 거쳐 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 변환된다. 화학식으로 표기하면 NH3 NO -> N2 H2O다.
보충 주기는 보통 주행 거리 20,000km 마다 실시하면 된다. 엔진오일 교체 주기와 같이해도 좋다. 별도의 요소수 주입구가 제공된다.
질 좋은 요소수는?
품질이 좋은 요소수는 입자가 작고 탁도가 낮다. 중금속 함량도 적어 촉매시스템의 촉매층을 통과 했을 때 이물질의 발생 없이 안전하게 걸러진다. 반면 품질이 나쁜 요소수를 사용하면 제대로 걸러지지 않는 미량의 중금속들이 질소산화물과 반응하여 금속염을 생성시킨다. 이렇게 생성된 금속염은 촉매층에 흡착되어 SCR 시스템을 고장 나게 한다. 질소산화물도 분해하지 못하고 질소산화물을 공기 중으로 그대로 배출해 대기를 오염시킨다.
따라서 국제표준과 환경부의 기준에 적합한 공인된 요소수를 사용하는 것이 바람직하다. 국제인증은 AdBlue 인증이 대표적이다. 국내는 AdBlue 인증을 획득한 EUROX의 시장점유율이 가장 높다.
