점점 더 엄격한 배기가스 규제가 시행됨에 따라, 후처리 시스템은 오늘날 엔진의 필수 구성 요소가 되었습니다. Donaldson Co. Inc.의 유럽 개발 관리자인 Korneel De Rudder 박사는 "지난 10년 동안 글로벌 OEM 고객이 사용하는 후처리 시스템은 점점 더 복잡해지고 더 조밀하게 패키지화되었습니다."라고 말합니다.
그는 미국, 유럽 및 그 외 지역에서 시행 중인 점점 더 강화되는 배출 표준을 충족하기 위해서는 복잡성 증가가 불가피하다고 말합니다. "결과적으로, 정해진 패키지 크기 안에 더 많은 촉매와 센서가 들어가게 됩니다."라고 De Rudder는 설명합니다. "많은 중장비의 경우 후드 아래 공간이 좁기 때문에, 이러한 새 구성 요소를 장비에 맞추려면 창의성을 발휘하고 구성 요소를 더 조밀하게 패키지화해야 합니다."
이 문제를 해결하기 위해, De Rudder는 Donaldson이 후처리 시스템 내부의 ‘빈’ 공간을 줄이는 구성 요소 및 시스템 개발에 집중했다고 말합니다. 그는 "이전 세대 시스템에서는 '빈' 공간이 DEF(디젤 배기 유체, AdBlue라고도 함)의 체류 시간을 늘리기 위해 종종 사용되었고, 이는 배기 가스에서의 분해와 혼합을 개선했습니다."라며, "최신 시스템에서는 '빈' 공간을 위한 공간이 적어 DEF의 체류 시간이 줄어들고, 이로써 믹서 성능 향상이 요구됩니다. Donaldson에서는 작은 공간에서 효과적인 혼합을 더 효율화하기 위해 특별히 설계된 포괄적인 소형 및 고급 DEF/AdBlue 혼합 시스템을 개발했습니다."라고 했습니다.
Donaldson Co. Inc.의 북미 엔지니어링 이사인 Gary Simons는 시스템 패키징 문제를 해결하기 위한 수단으로 SCR 및 DPF 기능을 단일 SCRoF(SCR-on-Filter Substrate)로 결합하는 것이 업계에서 점점 더 보편화되고 있다고 말합니다. "SCRoF 기질은 DPF 및 SCR보다 공극률이 높기 때문에 더 연약합니다. 이를 용기에 밀봉하려면 설치 중에 가해지는 힘과 기질 매트를 유지하는 압력을 조심히 관리해야 합니다."
De Rudder는 후처리 시스템 패키지가 더 크고 복잡해지면서, 그 표면적도 커지는 경향이 있다고 지적합니다. 외부 표면이 커지면 열 방출 문제에 이르게 할 수 있습니다. 적절한 절연재가 더욱더 중요해지고 이미 구현된 설계는 추가적인 개선이 필요합니다.
De Rudder는 DEF/AdBlue 혼합 역시 후처리 시스템의 중요한 측면이라면서, "일반적으로 배출 표준을 충족하려면 암모니아(NH3) 균일성 요구 사항이 0.990을 초과해야 할 것이라고 보고 있으며, 이 성능 수준은 DEF/AdBlue 결정화가 거의 또는 전혀 발생하지 않는 상태에서 가능할 것으로 예상됩니다."라고 말합니다.
그는 이러한 결정화는 많은 후처리 시스템에서 반복적으로 발생하는 문제라고 말합니다. 어느 정도의 결정화는 가능하지만, 모든 장비 제조업체의 목표는 결정화의 발생과 결정화가 미치는 영향을 최소화하는 것입니다. De Rudder는 현재 업계에서는 일관성 있는 결정화 테스트를 위한 사양을 정의하는 데 어려움을 겪고 있다고 말합니다. 하지만 Donaldson에서는 적절한 혼합 솔루션을 적용해 결정화의 발생을 최소화하도록, 결정화를 측정하는 테스트 주기를 자체적으로 개발했습니다.
"까다로운 듀티 사이클 동안에는 결정화/침전물이 생성될 가능성이 더 높기 때문에, 대개 Donaldson에서는 침전물 발생 위험을 높이는 최적화되지 않은 시스템보다는 까다로운 듀티 사이클 동안에도 효과적으로 기능할 수 있게 하는 믹서를 설계할 것을 권장합니다."라고 De Rudder는 말합니다.
새로운 규제에 따른 새로운 설계 요구사항
현재 미국과 유럽에는 중장비에 대한 새로운 배출 규제가 기재되어 있지 않지만 CARB(캘리포니아 대기 자원위원회)에서는 잠재적인 Tier 5 규제를 발의했습니다. 그리고 모든 업계의 배출량을 줄이기 위해 노력하고 있는 국가가 많기 때문에, 향후에는 더 엄격한 규제가 시행될 수 있습니다.
발의된 CARB Tier 5 배출 규제는 아직 공식적으로 승인되지 않았지만 Donaldson의 De Rudder와 Simons는 최종 규제에 포함될 수 있는 변경 사항이 후처리 시스템 설계에 영향을 줄 가능성이 높다고 말합니다. 규제에는 NOx, 파티클 물질(PM), 이산화탄소(CO2) 절감에 더해 유효 수명/보증 기간의 증가 및 더 낮은 온도에서의 듀티 사이클 테스트가 포함될 것으로 예상됩니다. 이들은 ‘기준 오염 물질과 CO2의 감소는 배출 전략의 변화를 주도할 것’이라고 말합니다. "이중 DEF/AdBlue 분사 시스템뿐 아니라 후처리 시스템을 엔진에 더 가깝게 연결하는 것도 가능합니다."
또한, De Rudder와 Simons는 다음 세대의 배출량 제한을 충족하기 위해서는 EGR 사용이 필요하다는 공감대가 업계에서 커지고 있다고 말하며 ‘이것은 곧, 매우 높은 원시 NOx와 낮은 PM에 대해 보정된 엔진은 덜 보급될 것이라는 의미’라고 설명합니다. "이에 따라 DEF/AdBlue 믹서에 가해지는 부담이 줄어들게 되어, 더 큰 DPF 재생이 필요해지는 등의 다른 절충이나 어려움이 생길 것입니다."
De Rudder와 Simons는 "오늘날의 중장비 엔진은 필요시 오프라인 능동 재생과 함께 수동 DPF 재생에 의존하는 경향이 있는 반면, 많은 일반 화물 차량용 엔진은 사용자에게 미치는 영향을 최소화하면서 정상 작동 중에 능동 재생을 할 수 있습니다."라고 말하며
이에 더해, 계속해서 EGR의 재도입으로 인한 더 높은 원시 PM은 능동 재생이 더 빈번하게 필요해질 것이라고 덧붙입니다. 따라서 OEM은 일반 화물 차량용 엔진에 사용되는 것과 비슷한 재생 전략을 개발해야 할 것입니다.
Korneel De Rudder 박사, 유럽 개발 관리자
추가 기술 개발의 필요
"지난 15년 동안 전 세계의 배출 규제는 빠르게 진화했습니다."라고 De Rudder는 말합니다. "업계가 한 법안에서 다음 법안으로 급히 옮겨갔기 때문에, 비용 및 제품 최적화에 거의 시간을 들이지 못하고 과잉 엔지니어링에 이르게 했을 수도 있습니다."
그러나 이제 배출 규제 간에 더 많은 시간이 주어지게 되어, 업계에서는 후처리 시스템을 최적화하고 다양한 플랫폼 간에 조화를 이룰 수 있게 되었습니다. OEM 역시 엄격한 배출 규제 기한을 맞추기 보다는 최적화된 제품과 기능에 대한 설계 작업에 주력할 수 있게 되었고, 이 부분은 업계에도 도움이 되었으며 앞으로도 계속 그럴 것으로 예상됩니다.
또한 업계의 많은 사람들은 승용차와 대형 화물 차량 표준이 EURO 7/VII 수준에서 통합될 것이라고 보고 있습니다. "만약 그렇게 된다면, 다음 단계/Tier 중장비 표준이 고속도로 EURO VII 제한과 어떻게 어우러질 것인지에 대한 물음이 나올 것입니다."라고 De Rudder와 Simons는 말합니다.
일반적으로 후처리 시스템 설계 시에는 고객 요구 사항이나 향후 배출 규제를 충족하는지 여부에 관계없이, 추가 기술 개발이 필요해질 것입니다.
De Rudder는 "시장의 저전력 측면에서도 상당한 변화가 있을 것으로 예상됩니다."라고 말을 맺습니다. “특히, 전기화는 일부 디젤 엔진을 대체하면서 중요한 역할을 하고, 엔진과 기계의 하이브리드화는 배기가스 가열 단계에서 고전력을 사용할 수 있게 만들어 후처리 시스템 성능에 도움이 될 것입니다.”
