자동차 배출가스 저감 장치의 종류

전 세계적으로 환경 규제 강화와 공해 문제 해결을 위한 노력이 진행되면서, 자동차 제조업체는 배출가스를 줄이고 환경친화적인 차량을 개발하기 위해 다양한 장치와 기술을 적용하고 있습니다. 내연기관 차량에서 발생하는 배출가스는 주로 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 미세입자(PM) 등으로 구성되며, 이를 줄이기 위한 기술은 필수적입니다. 이 글에서는 자동차의 배기 규제를 만족시키기 위한 다양한 장치와 기술들을 상세히 설명하겠습니다.

 

1. 배출가스의 주요 성분과 문제점

• 일산화탄소(CO): 연료가 불완전 연소될 때 발생하는 유독성 가스.
• 질소산화물(NOx): 고온 고압 환경에서 질소와 산소가 결합하여 생성되는 대기오염 물질. 스모그와 산성비의 원인.
• 탄화수소(HC): 연료의 일부가 연소하지 않고 배출되는 물질로, 휘발성이 높아 오존층 파괴와 스모그를 유발.
• 미세입자(PM): 디젤 엔진에서 주로 발생하며, 호흡기 질환 및 환경오염의 원인.

2. 배기 규제를 만족하기 위한 주요 장치

자동차 제조사들은 위의 유해 물질을 줄이기 위해 다양한 장치를 차량에 적용하고 있습니다.

(1) 산화 촉매 변환기 (Oxidation Catalyst Converter)

• 주로 휘발유 차량에서 사용되며, 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 변환.
• 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속을 촉매로 사용.
• 고온에서 작동하며, 촉매 표면에서 화학 반응을 통해 유해가스를 제거.

(2) 삼원촉매 변환기 (Three-Way Catalyst, TWC)

• 휘발유 차량의 배출가스 규제를 만족시키기 위해 가장 많이 사용되는 장치.
• 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC)를 동시에 처리.
• 공기와 연료의 혼합비(공연비)가 14.7:1인 스토이키오메트릭 비율에서 가장 효율적으로 작동.

(3) 디젤 산화 촉매 (Diesel Oxidation Catalyst, DOC)

• 디젤 차량에서 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 제거.
• 디젤 엔진에서 발생하는 입자상 물질(PM)을 줄이는 데도 효과적.

(4) 디젤 미립자 필터 (Diesel Particulate Filter, DPF)

• 디젤 차량의 배출가스 중 미세입자(PM)를 포집하고 연소를 통해 제거.
• 재생 과정: 필터에 쌓인 PM을 고온에서 태워 제거.
• 주기적인 재생이 필요하며, 재생이 원활하지 않을 경우 차량 성능 저하 및 고장 발생 가능.

(5) 선택적 촉매 환원 시스템 (Selective Catalytic Reduction, SCR)

• 디젤 차량의 질소산화물(NOx)을 줄이는 기술.
• 요소수(AdBlue)라는 암모니아 기반 용액을 배출가스에 분사하여 NOx를 질소(N₂)와 물(H₂O)로 변환.
• 상용차와 디젤 승용차에서 필수적으로 사용.

(6) 배기재순환장치 (Exhaust Gas Recirculation, EGR)

• 배출가스의 일부를 흡기계로 재순환시켜 연소실 온도를 낮추고, 질소산화물(NOx) 배출을 줄임.
• 디젤 엔진과 휘발유 엔진 모두에서 사용 가능.
• 고장 시 엔진 성능 저하 및 매연 증가가 발생할 수 있음.

(7) 휘발유 증발가스 제어 장치 (Evaporative Emission Control, EVAP)

• 연료 탱크에서 증발하는 휘발성 유기화합물(VOCs)을 활성탄 필터에 포집.
• 포집된 증발가스를 엔진으로 다시 보내 연소.

(8) NOx 트랩 촉매 (Lean NOx Trap, LNT)

• 디젤 엔진의 질소산화물을 흡수하고, 주기적으로 재생하여 배출가스를 줄이는 장치.
• SCR에 비해 소형 차량에 적합.

3. 배출가스 저감 기술의 최신 동향

(1) 전기차 및 하이브리드 차량

• 전기차는 내연기관을 사용하지 않으므로 배출가스 문제가 없으며, 배터리 기반으로 작동.
• 하이브리드 차량은 내연기관과 전기모터를 함께 사용하여 배출가스를 줄임.

(2) 마일드 하이브리드 시스템

• 48V 전기 시스템을 통해 엔진의 효율성을 높이고 배출가스를 저감.
• 정차 시 엔진을 자동으로 꺼주고, 전기모터를 보조 동력원으로 사용.

(3) 가솔린 미립자 필터 (Gasoline Particulate Filter, GPF)

• 직분사 방식 가솔린 엔진(GDI)에서 발생하는 미세입자를 줄이기 위해 사용.
• 디젤 차량의 DPF와 유사한 원리로 작동.

(4) AI 기반 엔진 제어

• 배출가스를 줄이기 위해 인공지능(AI)을 활용한 엔진 제어 기술이 개발.
• 연소 과정의 최적화 및 배출가스 처리 장치의 효율성을 높임.

4. 배출가스 저감 장치의 유지보수 중요성

• 촉매 변환기 관리: 삼원촉매나 DOC는 손상되거나 막히면 배출가스가 증가하므로 정기적인 점검이 필요.
• DPF 재생: 디젤 차량은 DPF가 막히지 않도록 재생 주기를 확인해야 함.
• SCR 요소수 관리: 요소수가 부족하면 SCR이 작동하지 않아 NOx 배출이 급증할 수 있으므로 정기적인 보충 필요.

자동차 배기 규제를 만족하기 위한 기술은 환경오염 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다. 삼원촉매, DPF, SCR, EGR 등 다양한 장치는 각각의 배출가스 성분을 줄이는 데 특화되어 있으며, 최신 기술은 점점 더 복합적이고 정교해지고 있습니다. 그러나 이러한 장치들이 효과적으로 작동하기 위해서는 정기적인 유지보수와 관리가 필수적입니다. 미래에는 전기차와 수소연료전지차의 보급이 증가하면서 내연기관 차량의 배출가스 문제는 점차 줄어들 것으로 예상되지만, 기존 차량의 배출가스 저감 기술은 여전히 중요한 연구 및 개선 과제로 남아 있습니다.