자동차 배출가스 저감장치

왜 배우는가: 배출가스 저감장치는 대기오염과 건강 피해를 줄이는 핵심 기술이므로 자동차 환경 분야의 기본 개념이다. 장치의 종류와 원리를 답안에 정확히 옮기는 능력은 여러 교시의 서술형 문항에서 반복해서 요구된다.

출제 이력: 제114회 4교시 2번, 제102회 3교시 6번, 제89회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자동차 배출가스 저감장치는 자동차 엔진에서 배출되는 CO, HC, NOx 등 유해물질을 대기 배출 전에 줄이는 장치의 총칭이다.

이 개념은 휘발유 자동차와 디젤 자동차에서 나오는 유해 배출물질을 줄이는 장치들을 하나로 묶어 부르는 말이다. 답안의 첫 줄에 위 정의를 두고, 이어서 장치의 종류와 작동 원리를 열거하는 순서로 쓰는 것이 기본이다. 답안 작성에 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 배출가스 저감장치: 엔진 배기 계통에 설치되어 유해물질의 배출량을 줄이는 장치의 총칭이다.
• 삼원촉매장치: 휘발유 자동차에서 CO, HC, NOx를 하나의 촉매층에서 함께 정화하는 장치이다.
• 산화촉매: CO와 HC를 산화시켜 무해한 물질로 바꾸는 촉매 장치이다.
• 배기가스 재순환(EGR): 배기가스 일부를 흡기로 되돌려 연소온도와 질소산화물 생성을 낮추는 장치이다.
• 디젤매연여과장치(DPF): 디젤 엔진 배기가스 속 매연(soot)을 여과재에 포집하는 장치이다.
• 산소센서: 배기가스 속 산소 농도를 검출하여 연료량 제어 신호를 만드는 센서이다.
• 공연비: 혼합기에서 공기 질량과 연료 질량의 비이며, 배출물질 농도를 좌우하는 기준이다.

2. 개념 풀이

배출가스 저감장치는 엔진 연소 후 생성되는 유해 배출물질을 배기관 밖으로 내보내기 전에 화학 반응, 흡착, 재순환, 여과 등의 방법으로 감소시키는 장치의 총칭이다. 자동차 배출가스의 대표적 유해물질은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)이다.

연료는 연소하면 평형 상태의 이산화탄소와 물이 되지만, 실제 연소에서는 반응이 평형에 이르지 못하고 일부 반응물이 준안정 상태로 남는다. NO, CO, 각종 탄화수소가 이 부류의 대표 물질이며, 이들이 그대로 대기로 나가면 많은 차량과 다른 배출원의 누적 효과로 대기오염이 심해진다. 따라서 저감장치의 목적은 이 물질들을 누적 영향이 작은 수준까지 낮추는 데 있다. 저감장치는 연소 자체를 바꾸기보다 배기가스를 연소 후에 처리하거나 연소실 조건을 조절하여 생성량을 줄이는 방식으로 작동한다.

공연비는 혼합기 속 공기 질량을 연료 질량으로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$AFR = m_{air} ÷ m_{fuel}$

여기서 m_air는 공기 질량(kg), m_fuel은 연료 질량(kg)이다. 휘발유 기관의 이론공연비는 14.7:1이다. 휘발유 기관은 이론공연비 부근에서 운전해야 삼원촉매가 세 물질을 동시에 저감한다.

삼원촉매장치는 이론공연비 부근의 혼합기를 연소할 때 CO와 HC의 산화와 NOx의 환원을 한 촉매에서 동시에 수행한다. 이 효율은 산소센서가 배기 중 산소 유무를 검출하고 ECU가 연료 분사량을 조절하여 공연비를 이론공연비 주변에서 약하게 진동시킬 때 유지된다.

배기가스 재순환(EGR)은 배기가스 일부를 흡기에 섞어 실린더로 되돌려 보내는 방식이다. 배기가스가 공기 중 산소를 희석하고 불활성 가스가 연소열을 흡수하여 실린더 내 최고 온도를 낮추므로, 고온에서 생성되는 질소산화물이 줄어든다. 다만 매연 생성이 늘어나는 부작용이 있어 후속 여과 장치가 필요해진다.

디젤매연여과장치(DPF)는 디젤 기관 배기관 하류에 설치되어 매연을 여과재에 포집하는 장치이다. 포집된 매연은 능동 방식 또는 수동 방식으로 태워 제거해야 하며, 이를 재생이라 한다. 여과재에 매연이 쌓이면 배압이 높아져 연비가 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

배출가스 저감장치가 필요해진 배경은 대기오염과 건강 피해이다. 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물은 대기오염과 온실가스 발생의 주요 원인이고, 매연은 인간의 건강과 환경에 해로운 영향을 준다. 대기오염이 심한 도시일수록 저감장치의 필요성이 커진다.

엔진 개량만으로는 배출가스 규제를 충족하기 어려웠다. 점화 시기와 연료 분사의 정밀화, 컴퓨터 기반 엔진 관리로 엔진 효율은 꾸준히 향상되었으나, 이것만으로는 규제 목표에 충분히 도달하지 못했다. 그래서 배기가스를 후처리하여 독성을 낮추는 기술이 배출가스 제어의 필수 요소가 되었다.

규제 강화도 등장을 이끌었다. 미국은 2007년 모델연도부터 중량 차량에 황분 15ppm 이하의 극저유황 경유(ULSD)를 요구하였다. 이처럼 연료 품질과 배출 기준이 함께 강화되면서 저감장치는 필수 기술이 되었다.

대표적인 예가 배기가스 재순환이다. 배기가스 재순환은 질소산화물을 줄이지만 매연을 늘리므로, 매연을 잡는 디젤매연여과장치가 함께 도입되었다. 한 장치가 다른 오염물질을 늘리는 상충관계가 복합 후처리 체계가 필요한 배경이다.

삼원촉매의 정화 효율을 유지하는 산소센서의 보급 과정도 같은 흐름이다. 1960년대 후반 보쉬사가 산소센서를 개발했다. 1977년 미국 캘리포니아 판매 차량에 처음 적용되었다. 1980년대 초까지 대부분의 차량에 산소센서 장착이 의무화되었다.