자동차의 배출가스 감소를 위한 후처리 장치

내연기관 자동차의 후처리 장치는 차량에서 배출되는 유해 배기가스를 줄이고 대기 환경을 보호하기 위해 사용되는 핵심적인 기술입니다. 가솔린과 디젤 엔진은 연료의 연소 방식과 배기가스의 구성 성분이 다르기 때문에, 각 연료에 적합한 후처리 장치가 개발 및 적용되고 있습니다. 아래에서는 가솔린 엔진과 디젤 엔진의 후처리 장치를 각각 구분하여 상세히 설명하겠습니다.

 

1. 가솔린 엔진 후처리 장치

가솔린 엔진은 점화 플러그를 통해 연료를 폭발시켜 에너지를 발생시키며, 이 과정에서 주로 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)과 같은 유해 물질이 배출됩니다. 이러한 배출가스를 처리하기 위해 주요한 후처리 장치가 사용됩니다.

1.1. 삼원촉매 변환기(TWC, Three-Way Catalytic Converter)

삼원촉매 변환기는 가솔린 엔진에서 가장 널리 사용되는 후처리 장치로, 다음 세 가지 주요 유해 물질을 처리합니다:

• 탄화수소(HC): 불완전 연소로 인해 발생하며, 대기 오염과 스모그의 원인이 됩니다.
• 일산화탄소(CO): 불완전 연소 시 생성되는 독성 기체입니다.
• 질소산화물(NOx): 고온 고압 환경에서 질소와 산소가 반응하여 형성되며, 산성비와 광화학 스모그의 주된 원인입니다.

삼원촉매 변환기의 작동 원리는 배기가스에 포함된 유해 물질을 화학적으로 환원 또는 산화하여 무해한 물질로 전환하는 것입니다. 이를 위해 촉매 코팅된 세라믹 구조물(보통 백금, 팔라듐, 로듐)이 사용되며, 배기가스는 이 구조물을 통과하면서 다음과 같은 반응이 일어납니다:

1. 산화 반응: HC와 CO를 각각 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 전환.
2. 환원 반응: NOx를 질소(N₂)와 산소(O₂)로 분해.

1.2. 산소 센서(Oxygen Sensor)

삼원촉매 변환기의 성능을 최적화하기 위해 배기 시스템에 산소 센서가 장착됩니다. 산소 센서는 배기 가스 내 산소 농도를 감지하여 엔진 제어 유닛(ECU)에 신호를 보내며, 이를 기반으로 연료와 공기의 혼합비를 조정합니다. 일반적으로 완전 연소를 위해 이론적 공기-연료 비율(스톡키오메트릭 비율)을 유지하도록 합니다.

1.3. 기타 장치

가솔린 엔진에는 일부 경우 증발가스를 제어하기 위해 EVAP 시스템(Evaporative Emission Control System)도 장착됩니다. 이 시스템은 연료 탱크에서 발생하는 증발가스를 포집하여 대기로 방출되는 것을 방지합니다.

 

2. 디젤 엔진 후처리 장치

디젤 엔진은 연료를 고온 고압으로 압축하여 점화하는 방식을 사용하며, 배기가스에는 주로 입자상 물질(PM, Particulate Matter)과 질소산화물(NOx)이 다량 포함됩니다. 이러한 유해 물질을 줄이기 위해 디젤 엔진에는 다음과 같은 후처리 장치가 사용됩니다.

2.1. 디젤 산화 촉매장치(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)

DOC는 디젤 엔진에서 배출되는 HC와 CO를 산화하여 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)로 전환합니다. 또한, 일부 조건에서 PM(특히 유기 탄화물)을 감소시키는 데에도 기여합니다. DOC는 삼원촉매 변환기와 유사한 작동 원리를 가지지만, 디젤 엔진에 특화된 설계를 가지고 있습니다.

2.2. 디젤 미립자 필터(DPF, Diesel Particulate Filter)

DPF는 디젤 엔진에서 발생하는 입자상 물질(PM)을 제거하는 데 사용됩니다. DPF는 세라믹 벽으로 구성된 미세한 필터 구조를 통해 배기가스를 통과시키며, PM을 포집하여 배출을 차단합니다. 포집된 PM은 주기적으로 높은 온도에서 태워 제거하는 재생(regeneration) 과정을 통해 필터의 성능을 유지합니다.

DPF는 디젤 엔진 배기가스 후처리의 핵심 기술로, 대기 중 미세먼지 배출을 크게 줄이는 역할을 합니다. 하지만 재생 과정에서 추가적인 연료 소비와 높은 배기가스 온도가 필요하다는 단점도 존재합니다.

2.3. 선택적 촉매 환원장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)

SCR은 NOx를 질소(N₂)와 물(H₂O)로 환원하는 기술로, 디젤 엔진에서 가장 효과적인 NOx 저감 장치 중 하나입니다. SCR 시스템은 배기 가스에 **요소수(Urea Solution, 상품명 AdBlue)**를 분사하여 암모니아(NH₃)를 생성하며, 이를 촉매와 반응시켜 NOx를 제거합니다. SCR은 고효율 NOx 저감 효과를 가지며, 유럽과 북미의 엄격한 배기가스 규제를 만족하기 위해 필수적인 기술로 자리 잡았습니다.

2.4. 배기가스 재순환장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)

EGR은 배기가스의 일부를 엔진 연소실로 재순환시켜 연소 온도를 낮추고 NOx 발생을 억제하는 장치입니다. 디젤 엔진에서 EGR은 SCR과 조합하여 사용되며, NOx 배출량을 크게 줄이는 데 기여합니다. EGR 시스템은 차세대 디젤 엔진에서 NOx 저감 기술로 필수적으로 사용되고 있습니다.

2.5. 암모니아 슬립 촉매장치(ASC, Ammonia Slip Catalyst)

SCR 시스템에서 과도한 요소수 분사로 인해 남은 암모니아를 제거하기 위해 사용됩니다. ASC는 암모니아를 질소와 물로 변환하여 대기 환경에 미치는 영향을 최소화합니다.

 

3. 가솔린과 디젤 후처리 장치의 차이점

• 가솔린 엔진은 HC와 CO 저감에 중점을 두며, 삼원촉매 변환기가 핵심 장치입니다.
• 디젤 엔진은 PM과 NOx 저감이 중요하며, DPF와 SCR 같은 장치가 주로 사용됩니다.
• 디젤 엔진은 높은 효율성과 연료 경제성을 가지지만, NOx와 PM 배출이 많아 이를 줄이기 위한 복잡한 후처리 시스템이 필요합니다.

4. 결론

가솔린 및 디젤 엔진의 후처리 장치는 각각의 배기가스 특성에 맞게 설계되었으며, 현대 자동차에서 대기 오염을 줄이는 데 핵심적인 역할을 합니다. 엄격한 배기가스 규제에 따라 이러한 기술은 점점 더 발전하고 있으며, 앞으로도 지속적인 연구와 개선이 이루어질 것입니다. 이러한 기술은 환경 보호와 더불어 자동차 산업의 지속 가능한 발전에 기여하고 있습니다.