폭스바겐 디젤엔진 EPA 배출가스 cheating사건 정리와 의견 Ver2. (2015년 9월 29일)

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폭스바겐 디젤 사건(?)이 터진 직후 http://joonnoh.com/blog/5561 글로 이번 사태의 원인과 진행상황에 대한 정리를 했었고, 그리고 일주일이 지난 9월 29일자로 추가적인 사실 확인과 앞으로의 영향 등에 대해 정리합니다.

새로이 글을 업데이트하는 이유는, 본 사태에 대해 언론의 기사내용과 인터넷 글에서 많은 오류와 이번 사건과 관련 없는 내용들이 함께 퍼지고 있다는 생각이 들어서 입니다.

#본 글은 제 개인의 지식과 정보력의 한계로 부정확한 내용이 포함되어 있을 수 있으며, 필자의 주관적 의견도 포함되어 있음을 감안해 주시기 바랍니다.

[폭스바겐은 EPA에게 무엇을, 어떻게 cheating 한 것인가?]

폭스바겐은 배기가스시험에서만 EGR과 NSC의 연소로직을 작동시키고, 일반 도로주행시에는 EGR과 NSC의 Desulphation 연소기능을 작동시키지 않음으로써, 일반주행시의 질소산화물 배기가스가 다량으로 발생할 수 밖에 없는 상황을 만듦

 

[폭스바겐cheating을 이해하기 위한 기본지식]

EGR이란? = Exhause Gas Recirculation = 배기가스 재순환장치
배기가스를 다시 흡기쪽으로 보내 재연소시키는 장치. 이렇게 되면, 실린더내로 더 적은 산소량이 공급되어 더 적은 폭발과 발열이 생기게 되고, 배기온도가 낮아지게 됨으로서 NOx의 발생량을 줄일 수 있습니다.
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EGR의 단점은, EGR작동시 출력이 떨어지게 되고, 흡기밸브쪽에 배기카본이 쌓여 장기적으로 엔진 성능을 떨어뜨리게 될 수 있습니다.
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NSC란? = NOx Storage Catalyst = NOx Storage Converter = Lean NOx Trap(LNT) 의 약자입니다. 즉, NSC=LNT이고, 우리말로 “질소산화물포집장치” 정도로 번역할 수 있겠습니다.
NSC는, 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)를 최대 90%까지 제거시켜 주기 위한 장치입니다.
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NSC는 통상 배기라인의 뒤쪽에 위치하고 있습니다. 배기온도가 낮을 때 NOx 제거효율이 더 좋기 때문입니다.

NSC에는 NOx가 포집되어 쌓입니다. 그런데, NOx만 포집되는 것이 아니고, 황화물(SOx)도 같이 쌓이는데, NSC의 포집량이 많아질수록 SOx가 더 강하게 반응하여 쌓이게 되어 시간이 갈수록 NOx의 포집효율이 크게 떨어지게 됩니다.
그래서, 주기적으로, NSC내부에 연료를 주입하여 NOx와 SOx를 태워 없애버리는 과정이 필요합니다.
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그림: SCR이 연속적인 작동을 하는 것에 반해서, NSC는 NOx가 어느정도 쌓이면, 이를 태워 없애는 비주기적(Discontinuous) 사이클이 필요함을 설명하고 있습니다.

 

[EGR, NSC와 연비와의 관계]
NSC는 주행을 위한 엔진작동에 소모되는 연료량의 약 2~4% 정도를 NSC Desulphation을 위해 사용하게 되므로, 통상 NSC의 정상적인 작동을 위해서는 2~4% 정도의 연비 저하가 있습니다.
NOx는 엔진 실린더내 연소온도가 높을 수록 더 많이 발생하므로, 차량의 장거리 크루징시 엔진이 적정온도로 warm-up 되어 연료가 완전연소되고 출력 효율도 좋은 상태일 때 배기 온도 상승으로 더 많이 배출됩니다. 그로 인해 NSC의 Desulphaion 연소기능도 더 자주 작동해야 합니다.  (장거리 크루징시 연비가 떨어지게 될 수 있는 원인)
엔진 시동 초기 엔진온도가 낮을 때는, DPF가 적정온도에 도달하지 못해 매연(Dust)발생량이 늘어나고 NOx발생량은 줄게 되며, 엔진이 충분히 덮혀지게 되면, 반대의 상황이 됩니다.
NSC의 연소로직 작동은 차량 엔진출력사이클과 별개의 로직이므로 NSC의 정상 작동 유무와  차량 출력은 원칙적으로 상관관계가 없습니다.

참고로 차량출력과 관련이 있는 배기가스저감장치는 EGR이며, EGR은 이번 폭스바겐 사건과는 관련이 없는 것으로 보여집니다. 이유는 이 사건의 발단인 CAFEE 측에서의 발표 내용을 보면, 이 문제로 인한 NOx 과다 배출 외의 출력저하보다는 연료소모량의 증가문제가 더 크다고 언급을 했고, 내용의 대부분이 NSC와 관련된 내용들이기 때문입니다.

 

[폭스바겐 EPA cheating의 동기는?]

NSC치팅으로 EPA시험때만 NSC가 작동하고(추가연료소모), 일반 도로주행때는 NSC의 연소로직 작동 중지시킴으로서, 실주행시엔 질소산화물 배출량이 대폭 늘어나고, 연비는 살짝 높아지는 상황이 발생했습니다.
폭스바겐이 공인연비를 높이기 위해 사기를 첬을까요? 통상 배출가스시험은 연비측정시험과 동시에 합니다. 그러므로, 실험실에서 NSC를 정상 작동시켰다면, 공인연비는 NSC를 껐을 때보다 더 나쁘게 측정되었을 것이고, 그것이 공인연비로 공표되었을 것입니다.
즉, 2008년 당시 가장 어려운 기술적 난관이었던, Tier-2 기준을 NSC가 정상 작동하면, pass 할 수 있었던 것으로 보여집니다. 그런데 왜 일부러 NSC의 작동을 껐을까요? 판매된 차량의 실주행 연비를 더 좋게 해주기 위해서? 그럴리가요..

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위 그림은, Tier-2 배기가스기준이 만들어지기 이전인 2006년의 VW 자료이며, NSC의 NOx포집효율이 5만km 만 주행해도 신차 상태의 60%선까지 하락하는 것을 보여주는 데이터 입니다. 또한, NSC를 800도로 24시간 가열해도 비슷한 성능하락이 발생하는 것을 나타내고 있습니다. 800도는 NSC의 SOx 연소시에 도달해야 하는 온도이므로, 정상작동을 한다면 NSC는 수시로 내부온도 800도에 도달하게 됩니다.

저는 위 그림이 이번 사기사건의 핵심 문제였을 것으로 생각됩니다. 즉, 위 자료로 부터 불과 2년 후인 2008년 EA189엔진이 출시될 때까지, NSC의 열내구성 저하 문제를 해결하지 못했던 것이 아닐까 싶습니다.
EA 189엔진이 위의 도표와 같은 NSC 내구수명을 갖고 있었다면, 출고 후 5만km이상 주행하면, 주행중이던 차량을 정기검사 또는 샘플링검사를 위해 검사실에서 배기가스검사를 할 경우, 환경기준에 한참 떨어지는 결과가 나올 것입니다.
때문에, 이 문제를 해결하고자, 내구수명이 낮은 NSC가 차량 출고 후, 적정 마일리지 주행 후에도 내구수명에 도달하지 않도록 NSC연소기능 작동을 안시키고 있다가, 시험때만 작동하게 함으로서, NSC의 결함문제를 피해보려고 했을 것으로 추정됩니다.

 

[유럽과 한국에서는?]
VW EA189 엔진은 2008~2014년의 유럽/한국은 EURO-5, 미국은 TIER-2 Emission standard에 맞추어 출시되었습니다. 그런데, EURO-5와 TiER-2의 결정적인 차이는 NOx 배출량 허용치로서, EURO-5기준은 TIER-2기준보다 약 2배 많은 NOx 배출허용치를 가지고 있었습니다. 때문에, VW의 cheating 프로그램이 작동을 했더라도 한국/유럽의 EURO-5 기준치는 EGR의 작동만으로도 만족시킬 수 있었을 가망성이 높습니다. 또는 출고후 실주행시 NSC를 정상 작동시켰더라도 60%정도의 NSC성능하락에도 EURO-5 기준치를 만족시켰을 가망성이 높습니다. 즉, 한국과 유럽의 경우엔, 폭스바겐이 NSC 치팅까지 동원해 가며 EURO-5 기준을 억지로 맞춰야 했을 정도는 아니었다고 생각됩니다.
-update(20150930): 오늘 환경부 발표에 의하면, 국내 수입된 EURO-5 EA189엔진탑재차량엔 NSC가 장착되지 않았었다네요. 작동을 조작할 NSC가 아얘 없었고, EURO-6 이전의 국내 regulation도 그만큼의 질소산화물배출 저감 요구를 하지도 않았었기에, 국내 수입 차량에선 치팅을 안했을 가망성이 높아 보입니다.

 

[지금 출고되고있는차량들은?]
2015년 부터 문제의 EA189엔진은 단종되고, EURO-6 기준을 충족하는 EA288 엔진이 장착되고 있습니다. 폭스바겐의 자백과 해명, 그리고 여러가지 정황을 고려해 볼 때, EA288엔진은 cheating 프로그램이 탑재되지 않았을 것으로 판단됩니다. 그 얘기는, EA189엔진의 문제점이었던 NSC의 열내구수명 저하 문제가 해결되었을 가망성이 높아 보입니다. 왜냐하면, EA189엔진에서 발생한 NSC 문제를 해결 못했다면, 이후 신형엔진에서는 SCR로 전환했었어야 하는데, 폭스바겐/현대차 등 여러 제조사가 NSC방식의 엔진으로 EURO-6 기준을 충족시키고 있기 때문입니다.

 

[유사사례는? EURO-5 시대는 혼돈의 시대?(2008~2014)]

EURO-4 기준에서 핵심적으로 추가된 배기가스정화장치는 매연을 막기 위한 DPF 였고, EURO-5 기준에서는 NOx의 저감을 위한 EGR이 추가되었습니다. 그리고, NOx를 두배 더 줄여야 하는 EURO-6에서는 NSC 또는 SCR이 추가되었습니다. 그런데, 같은 시기 유독 미국에서는 EURO-6와 같은 수준의 NOx 저감기준을 유럽/한국보다 5년 먼저 요구했고, 그 당시, NSC가 주로 사용되는 중소형 디젤엔진으로 TIER-2기준을 만족시키고 미국판매를 했던 제조사는 폭스바겐이 유일합니다. (중대형 차량은 SCR사용) 즉, 이 시기에 폭스바겐만이 미국기준을 맞추기 위해 몸부림을 치고 있었던 것이고, 나머지 제조사들은 EURO-5 규격 내에서의 꼼수경쟁을 하고 있었습니다. 대표적인 사례는 도요타의 EURO-4 DPF수명 단축 사례와 현대자동차의 에어컨작동 연동 EGR 작동 치팅 등이 있습니다…
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BMW의 NSC. 폭스바겐과 달리 DPF와 NSC가 가까이 붙어 있습니다. 폭스바겐의 시스템보다 NSC의 heat stress가 더 클 것 같은 시스템인데, 잘 해결했겠지요??

 

[앞으로의 사태 전개 방향 예측]
처음 사건이 터졌을 때와 달리, 지금으로서는, 폭스바겐사기와 동일한 사기를 다른 제조사에서도 했을 가망성은 낮아 보입니다.
이유는, EURO-5 차량 중 미국환경규제를 동시에 만족시켜야만 했던 2000cc미만 NSC 디젤엔진차량은 폭스바겐 밖에 없었기 때문에, 다른 제조사가 NSC문제로 몸부림을 치고 꼼수를 부렸을 것 같지는 않습니다. 다만, BMW와 현대자동차는 의심을 받을 만한 높은 우선순위에 있긴 합니다.

폭스바겐의 경우, 문제의 EA189 엔진은 모두 동일한 치팅로직이 탑재되어 있었을 것으로 생각되고, 아우디,세아트,스코다 모두 동일했을 것이므로 총 1800만대 쯤 될 것 같습니다.
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EA189엔진이 미국 기준을 초과하는 문제는 소프트웨어 리콜 정도로 쉽게 고칠 수 없는 심각한 문제일 가망성이 높고, 그러므로 미국시장에서의 벌금과 리콜비용, 그리고 배상비용은 비록 유럽판매량에 비해 훨씬 적은 판매대수에도 불구하고 천문학적인 금액이 소요될 것으로 예상됩니다.
유럽/한국의 경우, 다른 EURO-5 차량의 치팅 사례가 여럿 있고, EURO-5 기준 자체도 미국에 비해 약하기 때문에, 리콜소요가 발생하더라도 해결이 심각할 정도까지는 아닐 것 같습니다만, 워낙 판매량이 많아 폭스바겐이 미국에 핵펀치 한방 맞고, 한국, 유럽외 전세계적으로 쨉 5~6번 맞은 것으로 끝장이 나게 될 상황을 완전히 배제하기는 어렵겠습니다만, 그렇게 확률이 높아 보이진 않습니다.
리콜의 방법은, EA189엔진 전용 NSC를 신형으로 교체하는 것이 유력해 보입니다. 공인연비의 변화는 없을 것이고, 열수명문제가 해결된 NSC라면 애초에 정상작동으로 인증된 공인연비의 변화도 없을 것이므로, 소비자 저항도 최소화 할 방안이 되겠습니다. 이를 위한 리콜비용은 대당 200만원 정도 될 것 같습니다. EGR 치팅도 있었다면, 소프트웨어 로직의 변경으로 리콜은 해결되겠지만, 그로 인한 출력저하 문제등으로 소비자 배상 문제가 있겠습니다.

 

[이번 사태와 관련이 없으면서도 관련이 있는 것 처럼 얘기되는 것들]
아래 내용들은 이번 폭스바겐 사태와 직접적 관련이 없는 내용들이라고 생각됩니다.

 

[디젤엔진차를 개솔린엔진차량으로 바꾸어야만 친환경일까?]
간단한 문제가 아닙니다.
기본적으로, 제조사가 EURO-6환경규제를 만족시키는 차량을 판매하고, 정부가 이를 제대로 통제한다면(폭스바겐처럼 앞으로 사기치다 걸리면 회사 없어질 정도의 징벌) 디젤엔진의 개솔린엔진 대비 단점인 PM과 NOx는 거의 동일합니다.

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즉, EURO-6기준하에서는 디젤엔진의 환경적 단점은 개솔린엔진과 동일하며, 개솔린엔진의 환경적 단점(CO2, CO, NH3)은 근본적으로 디젤엔진수준을 맞출 수 없습니다. (개솔린엔진은 근본적으로 연료특성상 디젤엔진보다 더 많은 출력당 CO2발생량이 있습니다)
다만, 질소산화물기준치를 개솔린엔진 수준으로 동일하게 요구하는 EURO-6 이후엔 디젤엔진엔 환경이슈가 없는가? 그렇진 않고, 새로이, PM2.5 이하의 초미세먼지의 환경영향 문제가 대두될 가망성이 높습니다. 초미세먼지의 환경영향은 아직 연구가 진행중이어서 환경기준도 마련되지 않은 것이고, 그것이 마련된 이후에 그 기준을 맞출 수 있을 것인가, 그 기준을 맞추면서도 디젤엔진이 경제성을 갖출 수 있을 것인가의 문제가 미래엔 얘기되겠지요.

지금 시점에서 “디젤엔진이 질소산화물 발생량이 많아 퇴출되어야 한다”는 주장은 무리가 있습니다. 그 주장대로면 개솔린엔진도 퇴출되어야 하는 것이니까요.
또한, 배기가스 규제 외에, 저연비차규제- ULEV 기준을 만족시키기 위해서는, 제조사별로 개솔린 승용차 대신에 하이브리드 또는 디젤차량을 반드시 생산해야만 초저연비차량 요구사항을 맞출 수 있습니다.

 

[디젤차량을 하이브리드차량으로 바꾸어야만 친환경적일까?]
이 문제 역시 간단하지 않습니다. 지금까지 세계적으로, 특히 유럽에서의 환경/에너지정책은 CO2 저감에 맞춰져 왔습니다. CO2 발생량으로 볼 때엔, 디젤차량과 하이브리드차량이 비슷한 수준이고, 개솔린차량의 CO2발생량은 월등히 높습니다. 디젤과 하이브리드 중에서는 대체로 하이브리드차량이 조금 더 좋지만, 꽤 큰 차량 가격차이를 보이고 있고, 장거리 주행시나 혹서기/혹한기 주행시에는 하이브리드차량의 CO2발생량이 개솔린차량보다도 더 많아지는 문제도 있습니다.
결국 환경문제는 경제성문제로 연결됩니다. 대체로 개솔린차량 +200만원(디젤차량) +300만원(하이브리드차량) 의 가격 관계에서 세금정책과 환경정책을 혼합하여 디젤과 하이브리드차량 쪽으로 유도를 하는 것이 현재까지의 정책방향이었는데, 이를 바꾸어 하이브리드 차량만으로 유도하는 것은 투자비와 환경영향을 종합적으로 잘 따져봐야 합니다.

[SCR은 NSC보다 우월하다?]
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두 기술 모두 EURO-6 기준을 정상적으로 만족시킨다면, 어느 한 기술이 퇴출되어야 하는 결정적 이유는 없습니다.
SCR은 비용과 관리잇점이 있고, 연비와 큰부하에 대응이 어렵다는 단점이 있습니다. SCR은 NSC와 반대되는 장단점 외에, NOx 제거 효율이 NSC보다 더 constant하다는 장점이 있으므로, 현재 시점에서 앞으로 EURO-x 규제가 지금보다 대폭 NOx 저감을 요구하게 되면, SCR만이 유일한 채택기술이 되야 할 지도 모릅니다만, 현 시점에서는 무의미한 얘기들 입니다.

 

[ 왜 유럽은 디젤엔진을 정책적으로 권장했나? 그것은 잘못된 정책이었나?]
유럽이 디젤엔진을 정책적으로 밀어왔던 이유는, NOx문제보다 더 먼저 시작된 CO2 규제에 대응하고, 근본적으로 유류소비량(수입량)을 줄이기 위해서는 개솔린차량을 줄이거나 디젤차량으로 대체하는 방법 밖에 없었기 때문입니다.
기본적으로 경유는 휘발류에 비해서, 원유로 부터 생산되는 리터당 생산비는 비슷하지만, 보유하고 있는 부피당 에너지량이 30~50%나 많습니다. 이 말은, 국가적으로 만약 운행하는 휘발류 차량이 전부 디젤차량으로 바뀌면, 원유수입량과 CO2배출량을 30% 가량 줄일 수 있음을 의미합니다.

 

 

그밖에 EGR 이슈, DPF이슈, SCR 비교논쟁, 개솔린, HEV, ZEV 전환문제, NOx 배출문제, 초미세먼지 문제, 차기 Emission standard 등도 이슈이기는 하나, 이번 폭스바겐 사건과 직접 연관되었거나, 엄밀히 말해서 이 사건 때문에 (정치적이 아닌)객관적으로 논쟁의 방향이 바뀌어야 할 것들은 아니므로 이번 글에서는 언급하지 않겠습니다.

이번 사건의 핵심은, “모두들 믿고 신뢰해 왔던 모범생 폭스바겐의 치팅으로 인한 충격과 실망” 이라고 생각됩니다.

9 comments

  1. 좋은 글입니다.

    http://www.wsj.com/articles/volkswagen-has-refit-plan-for-emissions-rigged-vehicles-says-ceo-1443525496

    조금 더 지켜봐야 하겠지만 월스트릿저널의 기사에서는 유럽형 2.0 TDI 189 모델들은 소프트웨어 업데이트만으로도 가능할 듯 하고, 유럽쪽 1.2. 1.6 모델들은 연료 펌프를 교체할 것 같은 뉘앙스가 있습니다. 원활한 성능을 위해서라는데 이유를 잘 모르겠네요.

    여튼 그 정도(소프트웨어 교체)로도 유로 5는 거의 규정 한계치에 근접하게끔 세팅을 할 수 있을 것 같은 내용들이 좀 있구요. 하지만 미국쪽 낮은 기준은 소프트웨어로 할 방법이 없으니 미국쪽 리콜은 보류중이군요.

    이런 건설적인 논의가 필요한데 정작 언론에서는 가십성 이슈화 시키기는데 혈안이 된 것 같네요.

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  2. 배기량이 아닌 차값으로 세금 매기는 세제 개편 등이 논의되던데 이런 제도들이 시행되게되면 이미 구입한 소유주들에게도 소급해서 적용되나요?

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  3. 님의 글을 보고 차량용 디젤엔진의 배출가스(매연, NOx) 문제에 대한 기술적 내용을 어느 정도 이해하게 되어 감사를 드립니다. 저는 해상용 디젤엔진의 engineer로 일하다 퇴직한 사람인데 해상엔진에서는 NOx 저감을 위해 연료분사시점을 늦추는 방법을 사용하고 있습니다. 때문에 매연이 엄청 발생하고 그로 인한 엔진오일의급속한 오염과 잦은 사고 발생으로 운용자들이 엄청 고생하고 있지요. 앞으로 EGR 시스템을 적용한다고 하는데 님의 글을 이 역시 문제가 많을 것으로 생각됩니다. 저도 해상엔진의 저녹스엔진에 대하여 블로그를 작성하였는데 보시고 의견을 주셨으면 합니다.

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    1. 말씀하신 것과 같이, 매연은 연료를 완전연소(산소와 더 많이 결합)시킬 수록 감소되고, 또한 출력과 연비도 좋아지는데, NOx는 엔진연소실내에서 연료가 산소와 더 많이 결합될 수록 많이 발생하기 때문에, NOx를 줄이는 방안이라는 것은 결국 완전연소를 방해하고 출력과 연비를 낮춰야만 감소되는 운명? 입니다. EGR역시 마찬가지이고요.

      그러므로, 제 개인적인 생각은, 출력 하락과 매연증가의 희생 없이 NOx를 감소시킬 방안은 촉매를 활용한 배기가스의 후처리밖에 없지 않을까 생각합니다. 촉매에 의한 후처리방안은 엄밀하게 보면 필터링은 아닙니다.

      개솔린엔진의 경우에도, 삼원촉매의 도입으로 배기가스를 엄청나게 줄였던 과거 경험이 있듯이요.. 그 방안이라는 것이 현재로서는 SCR, LNT 같은 부가적인 장치들 입니다.

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