현행 일본의 배출가스 규제는 2005년에 시행된 규제이지만, 벌써 다음 규제가 2009년에 예정돼 있다. 특히, 디젤 중량차에서 문턱이 한층 더 높아졌다. 가솔린 승용차는 직접분사 엔진 차에 대해 디젤 승용차와 같은 PM(입자상 물질) 규제치 0.05g/km의 값이 추가되는데, 그 이외의 변경은 없다. 단, 배기가스 시험 모드 변경으로 그린 세제(稅制)의 전제가 되는 저 배출가스 인정 기준 달성에 영향을 미치게 된다(그림 1).

그린 세제 대응 필수
저 배출가스 인정 기준은 NMHC(Non-Methane HC) 및 NOx의 배출량이 규제치인 50% 감소로 U-LEV(★★★), 75% 감소로 SU-LEV(★★★★)의 인정을 받는 것이다(그림 2). 2년 단위로 갱신되는 이 기준은 2006년도부터 SU-LEV와 2010년 연비 기준에 대해서 +10% 레벨 혹은 +20% 레벨의 연비를 달성한 경우에만 자동차세 경감, 자동차 취득세의 특례조치(일정 금액을 공제)를 받을 수 있다. 신차 취득 시 수만 엔의 지출을 절감할 수 있는 경우도 있어서 판매 면에서도 그린 세제에 적합함은 필수다.
여기서 영향을 미치는 것이 2008년부터 도입되는 JC08 모드이다. 냉간 시동(콜드 스타트) 시 배출가스 시험이 11 모드부터 이 모드로 이행된다. 기존보다 난기 시간이 짧고 액셀 조작도 빈번해지기 때문에 배출가스를 악화시킬 전망이다.
JC08 모드는 엔진을 시동한 후 바로 주행하기 때문에 촉매가 따뜻해져 있지가 않다. 개량하지 않으면 저 배출가스 인정의 ★가 하나 없어질 가능성이 있다. 예를 들면, SU-LEV였던 차량이 U-LEV가 되어 버리면 그린 세제를 받을 수 없기 때문에 큰 문제다. 동 기간에 일본에서 도입이 예정돼 있는 것이 ‘고도의 OBD’의 의무화다.
OBD(On Board Diagnosis: 자기진단장치)는 고장이 발생하면 운전자에게 보고하는 것 외에, 그 고장이 일어난 시간이나 증상을 기록해 두는 장치다. 고도의 OBD에서는 센서 고장까지도 기록하도록 기능 확장을 할 수 있다. 시스템적으로는 이미 북미나 유럽에서 의무화되어 있는 것과 큰 차이가 없기 때문에 기존의 기술을 응용할 수 있으나 비용 상승을 피할 수 없다.

2007년 모델부터 엄격해지는 ‘미국’
미국의 배출가스 규제에서는 지금까지 단계적으로 도입해 오던 Tier2 규제가 2007년 모델부터 모든 차로 확대된다. 이 규제에서는 배출가스의 배출 레벨을 10의 카테고리로 나누고, 제조사가 차종마다 어느 카테고리에 적합한 지를 선언하며 각 차종의 판매 대수에 따라 산출한 기업 평균의 배출가스 수준이 ‘bin5’라는 카테고리의 규제치를 만족시켜야 한다(표 1).
bin5 규제치는 보증거리를 12마일로 한 경우, NMOG(Non-Methane Organic Gas)가 0.090g/마일, NOx가 0.07g/마일, CO가 4.2g/마일이 된다. 이것을 km로 바꾸면 각각 0.056g/km, 0.04g/km, 2.6g/km다. 미국과 일본의 규제치를 비교하면 배출가스의 시험 모드는 다르지만 NMHC와 NOx의 값은 일본이 모두 0.05g/km로, 미국과 거의 근사치인 것을 알 수 있다. 평균으로 bin5를 만족시키면 되기 때문에 bin8 카테고리의 차량을 판매하는 것도 가능하다. 단, bin8까지의 차는 2008년 모델밖에 판매하지 못하고 2009년 모델 이후는 bin7보다 엄격한 기준을 만족시키는 차를 도입할 필요가 있다. 미국의 경우 캘리포니아 주나, 이 주에 준한 규제를 도입한 주는 연방 규제치보다도 배출가스 레벨이 엄격하다. 이것이 LEVII 규제다. LEVII 규제는 최저라도 Tier2 bin5 수준의 기준에 적합한 것을 구하는 것이다.
캘리포니아 주에서는 연방 bin과 마찬가지로 배출가스 레벨마다 카테고리를 두고 있는데 LEV, ULEV, SULEV의 3개를 설정하고 있다. 이 중 LEV가 bin5와 동등한 배출가스 레벨로, 2007년 모델부터는 모든 차가 LEV 이상의 배출가스 레벨이어야 한다. 가장 엄격한 SULEV의 규제치는 NMOG에서 Tier2 bin5의 1/9, NOx에서 약 1/4까지 내려갔다.

보다 엄격한 캘리포니아 주
캘리포니아 주와 이 주의 규제에 준한 주에서는 판매 차량의 10%를 ZEV(Zero Emission Vehicle)로 해야 하는 ZEV 규제, 그리고 이와는 별도로 제조사 평균 NMOG 규제도 실시하고 있다(그림 3).
ZEV에 포함되는 것은 전기자동차나 연료전지차 등의 pure ZEV, 하이브리드 자동차나 CNG 자동차 등의 선진 PZEV, 그리고 PZEV(PZEV는 SULEV의 보증거리를 15만 마일로 연장하고, 연료 시스템에서 증발하는 HC가 없는 것)의 3종류이다. 현 규제에서는 10% 중 6%는 PZEV, 2%는 선진 PZEV로 대체해도 좋다. 단, 단순히 이 비율의 대수를 도입하면 되는 것은 아니다.
ZEV 규제에서는 ZEV 환산계수라는 것이 존재하여 PZEV는 5대에서 ZEV 1대로 환산한다. 또 선진 PZEV는 1.4대에서 ZEV 1대로 환산한다. 반대로 pure ZEV(전기자동차)는 1대에서 ZEV 10대 분으로 카운트한다. 이런 계수를 곱해서 대수 비율을 산출하면 전체 중 30%를 PZEV로, 2.9%를 선진 PZEV로, 0/2%를 pure ZEV로 해야 한다(2008년의 예).

유럽의 배출가스 규제
유럽의 배출가스 규제는 2005년에 Euro4가 시작되었지만, EU 위원회에는 Euro5의 드래프트가 제출돼 있고 가장 빠른 경우는 2008년 중반 경에 발효될 가능성이 있다. Euro4의 규제치는 가솔린 승용차에서 HC가 0.10g/km, NOx가 0.08g/km, CO가 1.0g/km이다. 이것이 Euro5의 드래프트에서는 CO의 값은 그대로이지만 HC가 0.075g/ km, NOx가 0.06g/km로, 모두 25% 줄일 필요가 있다(그림 4).
배출가스의 시험 모드는 다르지만, Euro5 안은 일본의 2005년 규제나 미국의 bin5 만큼은 엄격하지 않다. 한편, 연비에 대해서는 유럽자동차공업회가 2008년 신형차의 평균 CO2 배출량을 1995년보다 25% 감소한 140g/km로 한다는 자주협정을 정하고 있으며, 배출가스의 청정화보다도 연비 개선에 중점을 두고 있다.

빨리 따뜻하게 하는 기술 필요
자동차 제조사들은 지금까지 소개한 일본과 미국, 유럽의 규제에 모두 대응해야 한다. 우선, 일본의 JC08 모드로의 대응을 살펴보자. 현재의 배출가스 시험값은 난기(亂機)한 10·15 모드의 배출가스 시험값과 냉간 시동한 11 모드의 값을 더하고 있다. 이것이 2008년부터는 냉간 시동의 모드가 JC08 모드가 된다. JC08 모드는 보다 실제적인 운전 상태에 가깝게 하는 것을 목표로 신설된 모드이다. JC08 모드는 10·15 모드나 11 모드보다 가감속이 빈번하여 최고 속도와 평균 속도도 높다. 예를 들면, 평균 속도는 10·15 모드의 22.7km/h에서 24.4km/h 로 올라갔다. 시동부터 스타트까지의 시간은 11 모드의 56초에서 21초로 짧아졌다. 그 결과 ‘HC의 배출량은 3할 정도 늘어나고 NOx도 악화된다’고 닛산자동차의 파워트레인 담당자는 밝혔다. 모드 변경에 대응하면서 배출가스 중의 유해 물질의 양을 억제하기 위해서는 기본적으로 다음과 같은 방법이 있다.

? 엔진 자체에서의 배출가스 저감
? 엔진의 난기를 촉진
? 배출가스를 일시적으로 흡착
? 촉매의 조기 승온과 정화 성능 향상(표 2).

모두 지금까지 해오던 방법이지만, 특히 ②와 ③은 새롭게 추가될 가능성이 있는 기술이다. 우선, 엔진에서의 삭감에 대해서는 이전부터 시동 직후의 HC가 문제되며 연소실의 현상을 연구해 미연 HC를 삭감하는 엔진 자체의 개량이 진행 중이다. 그 중 하나가 피스톤링의 위치를 보다 위로 하는 것이다.
실린더 벽과 피스톤, 피스톤링 사이에 끼어 있는 용적에는 화염이 전파되지 않고 미연 HC가 되기 쉽다. 따라서 닛산은 기존 피스톤 선단에서 링 상단까지 7, 8mm의 간격이 있던 것을 최근 엔진에서는 4~5mm 정도로 축소했다.
미연 HC를 내지 않기 위해서는 흡배기 밸브의 오버랩을 작게 해서 미연소 가스의 배기로 지나가는 것을 줄이는데, 반대로 오버랩을 이용해서 배기가스를 흡기 포트로 돌리는 배출가스 재순환 장치(Exhaust Gas. Recirculation, EGR)를 이용하는 경우도 있다. 유해 물질의 배출량을 계측하면 밸브를 열기 시작할 때는 HC나 NOx가 그다지 배출되지 않고 닫으면서 늘어난다고 한다. 따라서 배기 밸브가 닫히기 직전에 가변 밸브 타이밍 기구에서 흡기 밸브를 열어주면 배출가스의 일부가 흡기 포트로 되돌리기 위해 HC나 NOx의 배출량을 줄인다.

HC 트랩으로 일시적 흡착
시동 직후에는 연소가 안정되지 않기 때문에 아이들 회전수가 높아져 난기가 진행될 때까지 회전수는 떨어지지 않는다. 이것을 빨리하기 위해서 미쓰비시자동차는 오일이나 냉각수의 양을 줄여 이 에너지에서도 난기 시간을 짧게 했다.
또한 동사는 자동 변속기(Automatic Trans-mission, AT)의 자동 변속기 오일(Automatic Transmission Fiud, ATF)을 빨리 따뜻하게 하기 때문에 ATF 워머를 검토하고 있다. 통상 AT에는 냉각용 AT 쿨러가 달려 있다. 이것을 오일의 온도가 낮을 때는 조기에 따뜻해지도록 배관을 전환하는 것이다.
또 미국에서 발매하는 PZEV 대응의 SUV ‘Outlander’에 채용된 HC 트랩이 달린 3원 촉매를 탑재할 수도 있다. 배출가스 온도가 낮고 촉매가 따뜻하지 않을 때, 엔진에서 배출된 HC를 일시적으로 축적해서 온도가 올라가면 방출하는 것으로, 3원 촉매와 일체화하여 HC를 정화한다. 닛산도 미국에서 판매하고 있는 현행 ‘Altima’의 직열 4기통 엔진 탑재 차나 ‘Sentra’의 이 엔진 탑재 차에 HC 트랩 촉매를 채용하고 있으며, 이를 응용할 가능성이 있다. HC 트랩 촉매는 코지라이트제의 촉매 기질(substrate) 위에 제오라이트의 HC 흡착층을 형성한다. 제오라이트는 다공질의 세라믹스 재료이기 때문에 빈틈에 HC를 보충할 수 있다. 제오라이트 층 위에는 3원 촉매 층이 있다. 촉매는 250℃ 이상이 되지 않으면 활성화되지 않기 때문에 저온에서는 HC 흡착층이 HC를 축적한다. 이것이 200℃ 이상이 되면 흡착증에서 방출되어 촉매가 250℃ 이상이 된 시점에서 NO 등과 반응해서 정화된다(그림 5).
이외에 촉매를 조기에 승온하기 위해서는 점화시기의 촉각화, 연료분사를 늦춰 촉매에서의 연소에 사용하는 리니어/AF(공연비) 센서와 O2센서를 이용해서 공연비 제어를 치밀하게 하는 등의 방법이 있다.