EU의 대기질 규제는 매연 미립자와 질소산화물(NOx) 등 두 오염원에 초점을 맞추고 있다. 특히 중장비 디젤엔진은 이 두 오염원으로 인한 큰 과제를 떠안고 있는 분야다. 이에 덴소의 선행 엔지니어링 사업부는 시스템 복잡성을 줄이면서도 매연 미립자 및 질소산화물 배출량을 감축할 수 있는 방안을 내놓고 있다.

EU의 유로6 기준이 트럭 및 버스 배출량 규제를 강화함에 따라 배기 후처리 시스템이 보다 복잡해져, 무게 200 kg 추가 상승, 요소수(AdBlue) 사용 필요성, 차량 가격 폭등 등 많은 비용을 발생시키고 있다. 덴소 그룹의 독일 자회사는 선행 엔지니어링(Advanced Engineering) 사업부를 통해 이러한 문제를 해결하고 있다. 이들은 연료 소비량 및 배출량 감축에 집중하는 한편 시스템 복잡성 완화를 위한 연구를 진행 중이다.

노스라인-웨스트팔리아의 베그부르크 지역에 기반을 둔 선행 엔지니어링 사업부 엔지니어들은 분사압력을 상승시키면 비용 절감 여력이 크게 발생한다는 점을 애초부터 명확히 인지하고 있었다. 기존의 상업용 차량 및 공업용 엔진은 이미 분사압력이 2,000바(bar)에 이른 것이 사실이다. 그러나 정속 테스트를 통해 이 분사압력을 추가로 증가시킨 결과 질소산화물 배출량을 그대로 유지하면서도 미립자 배출량을 70%까지 감축할 수 있었다. 엔진 속도가 1,500 rpm 이상인 경우 이러한 효과는 더욱 뚜렷했다.

하중의 급격한 변화에 대응하기 위해 엔진은 다양한 조건을 충족해야 한다. 최대한 많은 엔진 작동 포인트에서 배출량 및 연료소비량 값을 최적의 상태로 유지하면서도 내려진 명령에 정확히 반응해야 한다. 덴소의 엔지니어들은 연료소비량, 질소산화물 및 매연 미립자 배출량을 동시에 감축하더라도 주행능력이 떨어지지 않는다는 점을 입증하기 위해 새로운 테스트 환경을 고안했다. 특히 이러한 테스트 환경에서 이타스의 측정 및 프로토타이핑 솔루션은 결정적인 역할을 담당했다.

테스트에서는 모든 신호를 처리할 수 있는 간단한 범용 설정환경이 필수적이었다.
이에 덴소는 처음으로 이타스의 ES930 다중 입출력 모듈을 사용했다. ECU는 ETK-1.1 D를 통한 훅 기반 바이패스를 사용해 ES910 프로토타이핑 및 인터페이스 모듈에 연결됐다. 필수적인 외부 ECU 신호를 ES910 모듈의 모델에 전송하기 위해 ES930 모듈과 ES636 이중 채널 람다 모듈을 사용했다.

ES636 모듈을 통해 이전까지는 시스템의 다른 위치에 인스톨됐던 두 람다 센서가 동시에 기록됐다. 이러한 구조는 특히 사용자 편이성을 위해 고안됐다. 즉, 덴소가 이타스의 하드웨어를 선택한 결정적인 이유는 최소한의 노력으로 간편한 실험 환경을 구축할 수 있다는 점이다.

엔진 테스트 스탠드로는 2단계 터보차저가 장착돼 있는 6기통 디젤트럭 엔진을 선택했다. 실험의 초점은 하중 변동으로 인한 변화였다. 개발자는 하중이 급격히 증가할 때 낮은 질소산화물 배출량과 양호한 엔진 반응도를 유지하면서도 매연 미립자 배출량의 일시적인 증가를 최적화하고자 했다. 측정치는 매개변수를 통해 분석됐으며, 디지털 및 아날로그 입력신호의 형태로 ES930 모듈에 의해 수집됐다.



첫 번째 테스트는 NRTC 모드(Non-Road Transient Cycle)의 핵심인 1,400 rpm 엔진 속도와 시리즈 생산 분사압인 2,000바(bar) 환경에서 수행됐다. 동 테스트는 EGR(배기가스 재순환장치) 제어 전략을 최적화함으로써 연료소비량 증가 및 주행능력 저하를 수반하지 않고도 질소산화물 배출량을 54% 감축했다. 그러나 예상했던 대로 매연 미립자 방출량이 7배나 늘었다.

테스트 도중 매개변수에 가장 적은 수준의 변화를 가하더라도 결과값은 증가했다. 예를 들어 EGR 비율을 4%만 올려도 미립자 배출량이 60% 이상 증가했는데, 이 때 반응도는 단 8% 개선됐고 질소산화물 배출량은 8% 감축됐을 뿐이었다. 즉, 분사압이 일정한 경우 매연 미립자 감축과 질소산화물 감축 목표를 동시에 달성하기가 어려웠다.

두 번째 실험에서는 분사압을 3,000바(bar)로 증가시킨 결과 첫 번째 실험에서와 동일한 질소산화물 배출량을 달성할 수 있었다. 엔진 속도를 1,400 rpm 및 1,900 rpm으로 설정하더라도 매연 미립자 배출량을 30% 줄일 수 있었다. 또한 저압 EGR을 사용하면 미립자 배출량을 추가로 20% 더 감축해 총 50% 감축할 수 있다는 결론이 도출됐다.

이러한 테스트 결과는 현실 적용성이 매우 높다. 분사압을 증가시키면서 공기 통로를 최적화한다면 디젤 미립자 필터 및 SCR(선택적 촉매 환원기)을 사용하는 동안 고비용의 복잡한 매연처리 과정을 간소화할 수 있게 된다.
덴소의 엔지니어들은 아직까지는 이러한 개발사항을 시리즈 생산으로까지 진전시키지 않은 상태이다. NRTC 모드에서 덴소의 기술이 발휘할 수 있는 잠재력에 대해서 현재 면밀한 조사를 진행하고 있다. 이러한 추가 조사과정에서도 덴소는 이타스의 하드웨어 및 소프트웨어 툴을 사용할 것이다. 

본 기사 원문은 이타스 홈페이지(http://www.etas.com/ data/RealTimes_2014/rt_2014_1_45_en.pdf)에서 확인하실 수 있습니다.

AEM_Automotive Electronics Magazine