배기가스 재순환(EGR)

왜 배우는가: 배기가스 재순환은 자동차 배출가스 대책에서 질소산화물을 연소 단계에서 줄이는 대표 기술이며, 기출에서도 2개 회차에 걸쳐 출제되었다. 디젤 엔진과 가솔린 엔진에서 적용 목적과 부수 효과가 달라 두 엔진을 구분해 설명할 수 있어야 한다. 원리의 뼈대는 희석 효과와 연소 온도 저하 두 가지이다.

출제 이력: 제116회 4교시 3번, 제92회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배기가스 재순환(EGR)은 배기가스 일부를 흡기계로 되돌려 연소실에 다시 공급함으로써 질소산화물(NOx) 생성을 줄이는 배출가스 저감 기술이다.

답안 작성 때 함께 써야 하는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 배기가스 재순환(EGR): 배기가스의 일부를 계량하여 흡기계로 되돌리는 방식과 그 장치 전체를 가리킨다.
• 질소산화물(NOx): 고온의 연소실에서 대기 중 질소와 산소가 결합하여 생성되는 배출가스 성분이다.
• 희석 효과: 재순환된 배기가스가 흡입 공기의 산소 비율을 낮추는 작용이다.
• 연소 온도 저하: 배기가스가 열을 흡수하여 연소실 최고 온도를 낮추는 작용이다.
• EGR 밸브: 재순환되는 배기가스의 양을 조절하는 밸브이다.
• EGR 쿨러: 재순환 배기가스를 냉각하여 흡기 온도 상승을 막는 열교환기이다.
• 펌핑손실: 흡기 과정에서 스로틀 밸브 때문에 생기는 엔진의 기계적 손실이다.

2. 개념 풀이

배기가스 재순환은 내연기관에서 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 계량하여 흡기 계통으로 되돌리고, 이를 새로운 공기와 섞어 연소실에 공급하는 방식이다. 가솔린 엔진과 디젤 엔진에 모두 적용되며, 주된 목적은 질소산화물 배출을 줄이는 데 있다. 재순환되는 배기가스의 양은 엔진의 운전 조건에 따라 달라진다.

질소산화물은 연소실 안에서 공기 중 질소와 산소가 고온에서 혼합될 때 생성되며, 대체로 연소 최고압 부근에서 많이 생긴다. 따라서 질소산화물을 줄이려면 연소실 안의 최고 온도를 낮추거나 산소 공급량을 줄여야 한다. 배기가스 재순환은 이 두 조건을 함께 낮추는 방식이며, 연소 온도와 산소 농도를 함께 낮추는 것이 핵심 원리이다

재순환된 배기가스는 이미 연소를 마친 기체라서 산소가 적게 남아 있다. 이 기체가 흡입 공기와 섞이면 연소실 안의 산소 농도가 낮아지는데, 이를 희석 효과라고 한다. 또한 배기가스에 많이 든 이산화탄소 같은 기체는 열용량이 커서 연소열을 흡수하므로 최고 온도가 내려가는데, 이를 연소 온도 저하 효과라고 한다.

두 효과 가운데 질소산화물 저감률을 주로 결정하는 것은 흡기 중 산소 농도이다. 이는 질소산화물 저감률이 엔진 부하나 배기가스 재순환율보다 흡기 중 산소 농도에 주로 좌우된다는 실험 결과와 같은 맥락이다. 따라서 재순환량 조절은 산소 농도 관리와 연결되어 이해해야 한다.

가솔린 엔진에서 배기가스 재순환은 흡입 공기를 희석하여 펌핑손실을 줄이고 연료 효율을 높이는 부수 효과가 있다. 재순환 가스가 공기를 희석하면 스로틀 밸브를 더 크게 열 수 있고, 스로틀 개도가 커지면 흡기 관 안의 부압이 줄어 펌핑손실이 감소한다. 즉 가솔린 엔진의 배기가스 재순환은 질소산화물 저감과 연비 향상을 함께 얻는 수단이다.

디젤 엔진은 희박 연소를 하여 배기가스에 산소가 많이 남아 있고 연소 온도도 높아 질소산화물이 많이 생긴다. 디젤 엔진에서 배기가스 재순환은 흡입 혼합기를 상대적으로 농후하게 만들고 최고 온도를 낮추는 방식으로 작동한다. 재순환 배기가스를 그대로 흡기로 보내면 온도가 높아 연소실 온도를 다시 올리므로, 쿨러로 냉각하는 구조가 흔하다.

• 열용량: 물질의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량이다. 배기가스는 공기보다 열용량이 커서 같은 연소열에도 온도 상승폭이 작아진다.
• 흡기 부압: 흡기 행정 중 흡기관 안에 생기는 대기압보다 낮은 압력이다. 부압이 클수록 피스톤이 공기를 빨아들이는 일이 커져 펌핑손실이 증가한다.
• 희박 연소: 연료에 비해 공기가 많은 혼합기로 연소시키는 방식이다. 디젤 엔진의 기본 연소 방식이며 배기가스에 산소가 남는다.
• EGR율: 흡입 가스 중 재순환된 배기가스가 차지하는 비율이다. 운전 조건에 맞춰 제어되며 질소산화물, 연비, 매연에 함께 영향을 준다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 배출가스 규제가 강화되면서 질소산화물을 줄이는 기술의 필요성이 커졌다. 질소산화물은 광화학 스모그와 산성비의 원인 물질이므로 대기 환경 관리의 핵심 대상이다.

배출가스 규제를 맞추는 방법은 연소 과정에서 생성을 억제하는 방식과 배출된 뒤 제거하는 후처리 방식으로 나뉜다. 후처리 방식은 촉매나 환원제 같은 추가 장치가 필요해 비용과 유지 부담이 커지므로, 연소 단계 저감 기술인 배기가스 재순환이 함께 쓰인다.

디젤 엔진은 공기가 많은 상태에서 연소하므로 연소 온도가 높은 부분에서 질소산화물이 많이 생성된다. 이 때문에 디젤 엔진의 배출가스 대책에서 배기가스 재순환은 질소산화물 저감의 핵심 수단으로 쓰인다. 다만 디젤 엔진에서 배기가스 재순환은 매연 생성을 늘리는 단점이 있어 미세먼지 여과장치와 함께 쓰이는 경우가 많다.