마이매거진

□ EMS(Engine Management System)란?

EMS란 Engine Management System이란 뜻에서 알 수 있듯이 엔진을 제어하고 관리하는 시스템입니다. 엔진에 필요한 연료와 산소를 적정량 공급하고, 공급된 연료를 적합한 타이밍에 연소시켜 동력축에 필요한 에너지를 만들어내며, 연소 후 생성된 배기가스를 정화하여 외부로 배출하는데 까지 필요한 여러 장치를 제어하는 시스템 전체를 EMS라고 부릅니다.

EMS에서 필요로 하는 역할은 매우 다양하지만, 대표적인 역할은 아래 [표.1]과 같이 나누어 볼 수 있습니다. 이번 글에서는 여러 기능 중 디젤 엔진 후처리 제어 부분에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.

□ 후처리 제어 기술이란?

엔진 연소 후 배출되는 배기가스에는 환경과 인체에 유해한 물질들이 포함되어 있습니다. 이러한 물질들은 국가별로 배출량 규제기준이 있으며 일정치 이하로 관리하고 있기에 자동차 제조사에서는 이를 고려하여 배기가스에 포함된 유해 물질이 배출되지 않도록하는 장치를 차량에 탑제하고 있습니다. 이러한 기술을 후처리 제어 기술이라 할 수 있으며, 디젤 차량에서는 NOx(질소산화물), PM(입자상물질, Particulate Matter), HC, CO 등을 컨트롤 하는 것에 포커싱 되어 있습니다. 참고로 디젤 차량은 에너지 밀도가 높고 연료 효율이 좋은데 이에 따라 CO, CO2 등은 가솔린에 비해 적게 배출 되나, 산소량에 비해 연료량이 적게 투입되기 때문에 산소 과다 상태로 배기가 이루어 지기 때문에 NOx에서 산소를 환원하기에 불리한 조건에 있습니다.

배기가스 저감을 위해 차량에 쓰이는 후처리 촉매 조합은 아래와 같이 다양합니다. 본 글에서는 개별 촉매와 필터의 역할과 기능에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

1. 오래 사용되고 있는 디젤촉매 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)

DOC는 디젤촉매 중에서 가장 오래된 기술이면서 가장 널리 쓰이기 있는 촉매입니다. 불완전 연소 등으로 발생한 HC, CO, SOF를 산화하여 CO2와 H2O로 변환하는 역할을 주로 합니다. 또한 SOF(Soluble Organic Fraction, PM의 한 종류)를 산화하여 제거합니다. 이러한 산화 반응에서 발생하는 열은 배기가스 온도를 상승시켜 DPF의 온도를 상승시키는데 이는 DPF 재생시 도움을 주게 됩니다.

2. NOx를 저감하기 위한 LNT(Lean NOx Trap)

디젤 차량에서 컨트롤 하기 어려운 대표적 배기가스는 NOx(질소산화물)입니다. NOx를 저감하기 위해 사용되고 있는 대표적인 촉매는 LNT와 SCR이 있습니다. LNT의 NOx 저감 기능은 SCR에 비해 떨어지지만 SCR은 부가 장치(요소수 탱크, 분사장비 등)가 필요하고, 요소수를 충전해야하기에 LNT만으로 규제 기준을 만족 할 수 있다면 LNT만을 사용하는 것이 차량제조사 입장에서는 세일즈 포인트에 있어 유리합니다.

LNT는 산소가 다량 포함된 배기가스 상태에서 NOx를 흡착하여 배출을 방지하고, 흡착되어 있는 NOx를 환원시켜 N2(질소)로 만들기 위해 배기가스의 산소 농도를 낮춥니다. 산소 농도를 낮추기 위해 연료를 후분사 하여 산소를 없애고 추가적인 HC를 주입함으로 NOx를 N2와 H2O로 만들게 됩니다. 이러한 후분사 과정에서 추가적인 연료분사가 필요하기에 연료 효율은 떨어지게 됩니다.

3. 더욱 강력한 NOx 제거를 위한 SCR

각국의 NOx 배출량에 대한 규제는 더욱 강력해 지고 있습니다. LNT만으로는 규제치를 만족시킬 수 없거나, 기본적으로 NOx 배출량이 높은 대배기량 트럭 등에서는 SCR을 통해 NOx를 제어하고 있습니다. 위에서 언급했듯이 SCR을 사용하기 위해서는 요소수가 필요하며 요소수 탱크에 저장되어 있는 요소수는 일정 배기온도 이상(일반적으로 180도 가량)에서 분사되어 물은 기화되고 요소는 열반응으로 NH3(암모니아)로 변하게 됩니다. 이 암모니아(NH3)가 질소산화물(NOx)과 반응하여 무해한 물과 질소로 변화하게 됩니다.

4. 암모니아 배출을 방지하기 위한 AOC(Amonia Oxidation Catalyst)

SCR 촉매 반응 위해 필요한 암모니아(NH3)가 항상 완벽히 환원되지는 않습니다. 암모니아가 배출 될 시, 이 또한 오염물질이 될 수 있고 암모니아 배출을 방지하기 위해 산소과잉 조건에서 암모니아를 제거하려고 하면 암모니아가 NOx, N2O로 전환될 수 있습니다. 따라서 저온상태에서 암모니아를 산화시켜주는 AOC를 장착하게 됩니다.

5. 입자상물질(PM)을 걸러내는 필터 DPF(Diesel Particulate Filter)

유해가스가 아닌 입자상물질(PM)을 걸러내는 것을 담당하는 것이 DPF입니다. DPF 또한 촉매 코팅을 하여 유해물질을 저감하고 있으나, 이는 추가적인 기능이며 주기능은 PM의 포집 및 제거입니다.

DPF의 경우 [그림.2]과 같이 끝 부분이 막혀 있어 배기가스가 기재를 통과하여야 되는 것이 특징입니다. 배기가스는 기재를 통과 하지만 PM등은 기재를 통과하지 못하고 걸러지게 됩니다. 걸러진 PM이 너무 많이 퇴적되게 되면 배기 압력 손실이 발생하여 출력이 떨어지게 되는데 이를 방지하기 위해서 퇴적된 PM(Soot)을 태워 없애는 과정이 DPF 재생입니다. PM 포집이 DPF의 주요 기능이지만, 촉매를 코팅하여 HC, CO, NOx 등을 저감하면서 PM 포집을 병행하는 방향으로 발전하고 있습니다.

여기까지 EMS(Engine Management System)의 한 축을 담당하고 있는 후처리 기술에 대해 알아 보았습니다.

참고;

https://www.hscatalysts.com/rnd/car_cont2&hide_lang=kr

http://www.aea.or.kr/main_business/technology.php

차량을 운행하다 보면 엔진 경고등에 알람이 들어 오는 경험을 하게됩니다. 주유 후 연료 뚜껑이 제대로 닫혀 있지 않을 때, 센서류(산소센서, 공기질량센서, 차압센서 등) 들의 이상으로 엔진이 최적의 상태에서 연료를 연소하지 않고 있을 시에도 엔진 경고등이 작동합니다. 이번 포스팅에서는 그 중에서도 차압센서에 이상이 생겼을 때의 대처 방안에 대해서 알아 보겠습니다.

1. 차압센서의 기능

디젤 차량의 경우 가솔린, LPG 차량에 비해 대기환경오염 물질이 다량 발생하고, 발생한 오염물질을 걸러내기 위한 시스템이 가솔린, LPG 차량에 비해 복잡합니다. 이런한 디젤 차량에는 미세매연입자를 걸러내기 위한 DPF(Diesel Particulate Filter)가 부착되어 있고, 엔진에서 발생한 배기가스가 DPF를 통과하며 압력이 떨어지게 되는데 이를 측정하는 역할을 차압센서(Differential Pressure Sensor)가 담당하게 됩니다.

[그림1]

2. 차압센서의 필요성

위 [그림1]과 같이 디젤 엔진에서 발생한 미세매연입자를 포집하기위해 DPF 필터를 설치하게 되면, 엔진에서 발생한 배기압력이 DPF를 통과하며 떨어지게 됩니다. 매연저감을 위해 어느정도의 배기압력 감소는 희생하여야 하지만 이 현상이 심하게 되면 배기계를 통해 외부로 배출 되어야 하는 배기가스가 원할히 배출 될 수 없고, 이로 인해 출력과 연비 저하가 발생 할 수 있습니다. 따라서 DPF를 통과하는 동안 배기압력이 어떻게 유지되는지를 모니터링하기 위해서는 차압센서가 필요합니다.

3. 차압센서의 역할

앞서 언급한 것과 같이 차압센서(DPS: Differential Pressure Sensor)는 DPF의 차압을 모니터링 하게됩니다. 모니터링 된 차압은 ECU로 보내지게 되고 ECU는 일정 차압 이상이 감지 될 경우 DPF를 재생(Regeneration)하여 DPF에 쌓여 있던 Soot를 줄이라는 판단을 내립니다. 설정된 차압 한계치는 차마다 설정치가 다르지만 보통 200~300mbar(20~30Kpa) 가량이 초과 할 경우 재상모드에 들어가게 됩니다.

※ DPF 재생 : 온도를 상승시켜 DPF내에 쌓여 있는 미세매연입자를 연소시켜 제거하는 것

4. 차압센서 고장 (엔진경고등)

엔진 경고등(주황색 Check Level)이 들어오는 경우는 큰 문제가 아니고도 겪을수 있습니다. 주유 후 연료 뚜껑이 제대로 닫혀 있지 않을 때, 센서류(산소센서, 공기질량센서, 차압센서 등) 들의 이상으로 엔진이 최적의 상태에서 연료를 연소하지 않고 있을 시에도 엔진 경고등이 작동합니다. DPF에 이상이 생겼을 경우 차압센서가 이를 감지하고 이상 유무를 알리는 주요 역할을 하는데, DPF 자체의 고장에 의한 것일 수도 있지만 차압센서의 고장으로 발생하는 경우도 흔히 발생합니다.

DPF에 이상이 발생했을 경우에는 출력저하 혹은 연비저하 현상이 나타날 수 있기에 DPF 교환을 하여야 하지만, DPF의 교환 가격이 고가이기에 차압센서를 우선 교환하고 ECU를 리셋한 후 엔진경고 등이 또 점등 되는지 1차적인 판단을 하는 것도 단계적 정비 포인트 체크를 위한 방안이 될 수 있습니다.

엔진 경고 등에 알림이 들어와 정비소를 찾았을 시, DPF 이상에 의한 점등임이 확인 되었다면 고가의 DPF 교환을 즉시 실시하기 보다는 차압센서의 교체를 통해 1차적 확인을 하는 것을 담당 정비사님과 상담해 보기를 추천합니다.