루돌프 디젤(RudolfDiesel)에 의해 19세기 후반에 처음 고안된 개발된 디젤엔진은 100년이 넘는 시간동안 끊임없이 발전을 거듭해 왔다. 그리고 오늘날에는다양한 운송수단의 동력원으로 사용되고 있다. 특히, 해상과육상 교통에서는 없어서는 안 될 중요한 기술 중 하나로 자리매김했다.
육상 교통에서 디젤 엔진은 과거에는 장거리를 저속으로운행하면서 대량의 수송량을 감당해야하는 대형 버스나 트럭, 철도차량 등에 주로 사용되어 왔지만 20세기 중후반을 전후하여 승용차를 위한 엔진으로도 사용 범위가 넓어지기 시작했다. 그리고 21세기를 전후하여 이른 바 ‘승용형’ 디젤엔진이 기술적으로 높은 경지에 오르게 되면서 세계의 자동차시장에 보급되어 오늘에 이르고 있다.
우리가 오늘날 승용차를 통해 만나게 되는 디젤엔진들은디젤엔진의 기본적인 특성과 한계점에서 비롯된 각종 기술적 난점들을 차례차례 극복해 온 결과물이라고 할 수 있다.그 중에서도 배기가스 및 각종 유해물질 저감을 위한 노력은 디젤 엔진이 처음 만들어진 유럽을 시작으로 끊임없이 이루어지고 있다. 특히, 디젤 엔진은 기본적으로 질소산화물(NOx)과 미세먼지 및 초미세먼지의 주범으로 지목되고 있기도 하기 때문에 디젤엔진을 생산하는 자동차 제조사에서는오늘도 질소산화물과 미세먼지 저감을 위해 노력하고 있다. 디젤엔진의 오염물질을 잡아내는 5가지 대표적인 기술들에 대해 간단히 정리했다.
EGR
EGR은 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation),혹은 배기가스 재순환을 유도하는 장치를 말한다. 배기가스 재순환은 디젤엔진의 질소산화물을줄이는 것이 주 목적이다. 엔진 배기가스의 일부를 실린더로 재순환시킴으로써 연소실의 온도를 내리는 역할을한다. 연소실 내로 유입되는 가스는 불활성 가스(CO2)로, 폭발행정시 타지 않고 연소실 온도를 낮추는 역할을 수행하게 된다. 연소실의온도를 낮추는 것이 중요한 이유는 디젤엔진의 질소산화물이 주로 섭씨 2,000도를 초과하는 고온에서생성되기 때문이다. EGR은 엔진의 구조를 크게 변경하지 않아도 된다는 장점으로 인해 전세계의 자동차제조사에서 사용되고 있는 기술이기도 하다.
DPF
DPF는 디젤입자상물질필터(Diesel ParticulateFilter trap)를 말한다. 여기서 말하는 입자상물질(Particulate Matter, PM)이란 즉, ‘미세먼지’를 말한다. DPF는 이 PM을포집하는 필터의 역할과 이 PM을 제거하는 역할을 모두 수행하는 장치다. 아울러 디젤엔진에서 배출하는 배기가스 성분 중 이른 바 ‘수트(Soot)’라고 불리는 미연탄소 역시 DPF를 통해 걸러지고 제거된다. 디젤엔진의 배기가스 중 발생하는 PM을 촉매필터에 포집한 후 일정한조건에서 PM의 발화온도인 550℃ 이상으로 배기가스의 온도를높여서 제거한다. PM과 수트를 제거하는 데에는 후술할 DOC를사용하거나 연료를 이용해 강제로 연소시키는 방식, 혹은 별도의 히터를 이용해 연소시키는 방식이 존재한다.
DOC
DOC는 디젤산화촉매장치(Diesel OxidationCatalyst)를 말한다. DOC는 디젤엔진의 배출가스를 촉매에 반응시켜 인체에 유해한탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등을 이산화탄소와 물로변환시킨다. 주로 DPF와 함께 설치되는 경우가 많으며, 이를 채용한 DPF를 CDPF 등으로부르기도 한다. DOC는 이 외에도 윤활유 성분이나 미연소된 연료, 용해성유기물질(Soluble Organic Fraction, SOF)을 산화시켜 배기가스를 정화하는 역할을 한다.
LNT
LNT는 흡장환원형 질소산화물 저감촉매(Lean NOx Trap)를말한다. ‘희박질소촉매’라고도 부른다. LNT는 그 특성 상, EGR이 설치된 엔진에서 주로 사용한다. LNT의 역할은 배출된 질소산화물의 일정량을 필터를 통해 묶어 놓는 역할이기 때문이다. 그리고 EGR을 통해 재순환된 배기가스와 과잉 분사된 연료를 이용하여LNT에 갇힌 질소산화물을 함께 연소시켜 질소산화물 배출을 저감한다.단, 이 방식은 구조 상 대배기량 엔진에서는 사용이 어렵다.
SCR
SCR은 선택적 환원촉매장치(Selective Catalytic Reduction)을 말한다. SCR은 디젤엔진의 질소산화물(NOx)을 저감하는 데 큰 역할을 하는 장치다. 오늘날의 SCR은 대부분 요소수(Urea)를 사용하여 디젤엔진에서 배출되는 질소산화물을 저감하는 장치를 말한다. 요소수를 이용한 SCR은 다른 배출가스 후처리 기술에 비해 촉매반응이 일어나는 온도 대역이 넓고 내구성도 우수하며, 60% 이상의 높은 질소산화물 정화능력을 자랑한다. 오늘날 유로 6 규제에 대응하는 차종의 상당수가 이 장치를 사용한다.
