배기규제

1 건설기계 배기규제 개요
  - 미국(EPA ; Environment Protection Agency)은 Tier라는 명칭으로 배기규제 수준을 관리하고 있으며, 유럽(EU)은 Stage라는 명칭으로 관리하고 있다.
  - 우리나라의 경우 미국Tier 규제와 동등 수준의 배기규제를 적용하고 있으며, 규제 적용 시점에 적절한 차등을 두어 관리하고 있다.
  - 비도로 산업용 장비의 규제가 처음 도입된 1990년대 말 이후로 약 4~5년 주기로 규제가 지속 강화되고 있으며, 매주기마다 50% 이상의 PM 또는 NOx 저감을 요구하고 있다 특히 Tier 3/Stage III에서 Tier 4 Final/Stage IV로 강화된 2014년 시점에는 기존배기규제 대비 PM/NOx 모두 90% 이상의 저감을 요구하는 매우 강력한 배기규제가 발효되었음

2 배기규제 현황
 1) 배기규제의 역사
   - Tier1 : 1996년 EPA 미국내 산업용 엔진에 대한 규제
   - EU Stage1 : 1999년 유럽 산업용 엔진규제

 2) 배기규제 대상  
   - 배기 규제 대상은 입자상물질(PM)과 질소산화물(NOx) 저감을 기본으로 시작되었음
   - 초기 일산화탄소 및 탄화수소 계열 배출물에 대한 기준은 크게 중요시되지 않았으나 점점강화되어, 2014년 이후 예정되어 있는 EPA의 Tier4 Final 규제 EU Stage IV 및 일본 규제수치는 대부분 출력영역의 엔진에서 현재수준의 90% 이상 PM 및 NOx 저감을 요구하고 있음
   - 산업용 배기규제의 특징은 엔진의 출력 영역에 따라 적용되는 배기규제가 다름
   - Tier4 interim 규제는 북미에서 2011년 1월을 기점으로 발효
    * 129KW이상의 산업용엔진에 적용예정
    * EU Stage IIIB규제
    * PM의 대폭적인 저감, NOx 저감

3 현재의 배기규제
 1) StageV 개요
  - Stage는 현재 공시된 세계에서 가장 엄격한 비도로 산업용 장비/엔진의 배기규제임
  - StageV 배기규제는 2014년 StageIV 발효 시점에 제안되어, 2016년 9월에 규제목표 및 내용이 확정, 2019년부터 본격 발효되었음.
  - 2019년에는 먼저 56kW 미만, 130kW 이상의 장비에 대해 발효되고, 2020년부터 실제 시장에서 활용도가 높은 56~130kW급의 장비/엔진 규제가 발효되었다
  - Stage IV에 비해 PM 수준이 강화되었고 입자상물질 입자수 규제(PN, Particulate Number)로 기준이 바뀜. 또한 배기규제 적용 대상이 되는 장비/엔진의 출력 범위 및 엔진 종류에 대해 세분화한 점도 특징
  - 실제 배기가스의 배출량은 99% 감소하면서 질소산화물(NOx) 제한은 0.4g/kWh로 동일하게 유지. 이 기준을 만족하기 위해서는 디젤 미립자를 걸러내는 후처리 시스템이 반드시 필요하게 되었음. 즉, Tier 4 Final 규제와 Stage IV 규제 대비 StageV는 PM 수준을 이전 규제 대비 90% 이상 낮추는 것으로 목표를 수립하였고, 이것은 규제 강화를 통해 DPF(Diesel Particulate Filter)의 적용을 산업계에 종용하여 산업용 엔진의 PM 배출 문제를 시급히 해소함에 목적있다.

 

Stage V 출력별 관리요소

 2) Stage V 배기규제 대응전략
  ① 후처리기술
    - SCR 성능을 93% 이상으로 확보하는 것이 가능하여 NOx가 약 6g/kWh 수준이 되더라도 NOx규제 대응이 가능하며, 이에 따라 No-EGR 조건에서도 DPF 없이 Tier 4 F 규제를 달성하는 것이 가능함(Stage V 배기규제의 경우 NOx 수준은 현 배기규제 수준과 동등한 0.4g/kWh)
    - PM 대응을 위해 DPF가 필수적이므로 건설기계시장에서도 차량용 후처리 대응 전략과 동일한 DOC-DPF-SCR이 주력으로 자리잡음(NON-EGR)
    - DPF 추가 설치조건에 따른 후처리 탑재공간 확보를 위해 차체의 구조 변경이 발생할 수 있는 요소이므로, 가능한 한 이를 회피하기 위해 후처리 크기를 최소화하는 기술에 대한 요구에 대응함
     * SCR 믹서를 일체화하여 DOC-DPF-SCR을 하나의 캔에 탑재하는 커민스의 Single Module Solution
     * SCRF(SCR on Filter) : 후처리장치의 크기를 최소화하기 위한 기술적 방안 중 하나로, DPF에 SCR용 촉매를 코팅하여 DPF와 SCR의 기능을 일체화하는 기술
  ② 연소기술
    - 연소시스템에서 EGR을 삭제하여 배기규제 대응 관점의 NOx 저감은 후처리장치에서 집중하고, 연소시스템은 가능한 출력 향상, 응답성 개선 및 연비 향상 측면에 집중함으로서 엔진 성능을 극대화하는 전략
    - 기존에는 PM을 억제하기 위한 연소실 설계가 이루어졌지만, DPF가 필수 되면서 연소실은 PM억제보다는 연소효율향상 및 연비개선을 위한 연소시스템 개발로 초점이 맞춰짐.