자동차 연료별 배출가스

왜 배우는가: 자동차 배출가스는 도시대기오염의 주된 원인이므로, 연료별 배출 특성을 알아야 저감 대책과 규제 항목을 설계할 수 있다. 이 개념은 3개 회차에 걸쳐 출제되었으며, 휘발유와 경유의 연소방식 차이에서 배출 물질이 달라지는 이유를 묻는 문제의 기초가 된다.

출제 이력: 제123회 1교시 8번, 제98회 2교시 4번, 제89회 3교시 6번, 제89회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연료의 종류와 엔진 연소방식에 따라 달라지는 자동차 배출가스의 종류와 양이다.

이 문장은 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있다. 휘발유 자동차와 경유 자동차를 같은 기준으로 비교하는 것이 이 개념의 출발점이다. 두 연료는 화학 조성과 발화 방식이 달라서 같은 주행 조건에서도 배출되는 물질의 구성이 다르다.

연료별 배출가스를 정확히 이해하려면 먼저 연료와 엔진의 조합을 구분해야 한다. 같은 연료라도 엔진 방식이 다르면 배출 특성이 달라지고, 같은 엔진이라도 연료 조성이 다르면 배출 결과가 달라진다. 답안에서는 이 두 변수를 나누어 설명하는 것이 기본 구조가 된다. 국내 자동차 배출가스 규제도 연료와 엔진 종류를 기준으로 차종을 나누어 적용한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 휘발유 자동차: 휘발유를 연료로 쓰고 불꽃점화기관을 장착한 자동차이다.
• 경유 자동차: 경유를 연료로 쓰고 압축착화기관을 장착한 자동차이며 일반적으로 디젤 자동차라고 부른다.
• 불꽃점화기관: 점화플러그의 불꽃으로 연료와 공기의 혼합기를 점화하는 엔진이다.
• 압축착화기관: 실린더 안 공기를 압축해 고온이 된 곳에 연료를 분사하여 자연 착화시키는 엔진이다.
• 배기가스: 연소 후 배기관으로 나오는 기체와 입자의 혼합물이다.
• 증발가스: 연료탱크와 기화기에서 연료가 증발해 나오는 탄화수소 가스이다.
• 블로바이 가스: 피스톤과 실린더 사이 틈으로 크랭크케이스에 새어 든 미연소 가스이다.

2. 개념 풀이

자동차 연료별 배출가스는 자동차가 사용하는 연료의 종류에 따라 배기관, 연료계통, 크랭크케이스에서 배출되는 대기오염물질의 종류와 양, 그리고 생성 원인이 달라지는 현상을 설명하는 개념이다. 정식 정의는 연료 조성, 엔진의 연소방식, 후처리 장치를 한 묶음으로 보고 배출 특성을 설명하는 것이다.

이 개념의 원리는 연소방식에 있다. 휘발유 자동차는 연료와 공기를 미리 섞은 혼합기를 점화플러그로 점화하는 불꽃점화기관이다. 혼합기를 이론공연비인 14.7 : 1(중량비) 부근으로 맞춰 운전하며, 이 조건에서는 연료가 거의 완전히 연소하므로 배기관으로 나오는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 적다.

공연비는 혼합기 중 공기 질량을 연료 질량으로 나눈 값이다. 공연비가 이론공연비보다 작으면 농후하고 크면 희박하다. 농후 영역에서는 CO와 HC가 늘고, 희박 영역에서는 질소산화물(NOx)이 늘어나는 경향이 있다. 삼원촉매는 이론공연비 부근에서 CO, HC, NOx를 함께 줄이므로 휘발유 자동차 배출가스 저감의 핵심 장치가 된다.

경유 자동차는 실린더 안의 공기를 압축해 고온으로 만든 뒤 연료를 분사하여 스스로 착화시키는 압축착화기관이다. 연료가 분사되는 순간 공기와 섞이며 연소하므로 연료가 농후한 국부 영역이 생기기 쉽고, 전체적으로는 공기가 남는 희박연소가 일어난다. 경유 자동차는 희박연소 때문에 NOx와 PM이 함께 생긴다. 고온 영역에서는 NOx가 많이 생기고, 농후한 국부 영역에서는 그을음과 입자상물질(PM)이 생성된다.

연소 온도와 혼합 상태도 배출 특성에 영향을 준다. 연소실 온도가 높을수록 NOx 생성이 많아지고, 혼합이 불균일할수록 미연소 탄화수소와 그을음이 증가한다. 이 두 요인을 연소방식별로 대비하면 배출 특성의 차이가 명확하게 드러난다.

연료 측면에서 휘발유는 옥탄가로 노킹 저항성을 평가하는 가벼운 연료이고, 경유는 세탄가로 착화성을 평가하는 무거운 연료이다. 이 차이가 엔진의 압축비와 착화 방식을 결정하고, 결과적으로 배출 물질의 구성을 바꾼다.

휘발유 자동차는 배기관을 통해 CO, HC, NOx를 주로 배출하고, 경유 자동차는 NOx, 매연, 입자상물질을 주로 배출한다. 경유의 황 성분은 연소 과정에서 아황산가스(SO2)로 나왔으나, 황 함량 기준이 강화되면서 그 기여는 크게 줄었다.

휘발유 자동차는 연료탱크와 기화기에서 나오는 증발가스와 크랭크케이스로 빠지는 블로바이 가스를 통해서도 탄화수소를 배출한다. 경유 자동차는 이 두 배출원이 작아 규제 대상에서 제외되는 경우가 많다.

LPG 자동차는 엔진의 작동 및 연소특성이 휘발유 자동차와 같으므로 휘발유 자동차 계열로 분류한다. 다만 연료 성분이 달라 배출 수준은 엔진 조건에 따라 차이를 보인다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 배출가스는 도시대기오염의 주요 원인으로 꼽힌다. 미국과 일본 등 선진국에서는 1970년대 이전에 자동차 배출가스에 의한 스모그가 발생해 식물과 재산은 물론 사람에게도 피해를 주었다. 그 결과 1960년대 말부터 배출가스 규제가 시작됐고, 이후 규제는 지속적으로 강화됐다.