매연저감장치

매연저감장치는 차량에서 배출되는 대기오염 물질을 줄이기 위해 설치하는 장치로 SCR(선택적 촉매 환원법), EGR(배기가스 재순환 장치), DPF(디젤 미립자 필터) 등이 있다. SCR은 촉매, EGR은 순환, DPF는 필터를 통해 배기가스를 줄이는 장치라고 할 수 있다.

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개요

매연저감장치는 차량에서 배출되는 질소산화물 등 대기오염 물질을 줄이기 위해 부착하는 장치이다. 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비해 일반적으로 이산화탄소의 배출량이 적고 열효율이 높으며 내구성이 좋다. 하지만 디젤엔진은 미세 먼지로 알려진 입자상 물질과 일산화질소나 이산화질소와 같은 질소 산화물을 많이 발생시킨다. 이런 물질들은 기관지염이나 폐렴 등 각종 호흡기 질환, 광화학 스모그나 산성비의 주요 원인이 된다. 이에 따라 디젤엔진이 배출하는 오염 물질을 줄이기 위한 기술들이 계속 개발되고 있다. 디젤 차량의 엔진에 촉매나 순환 장치, 필터 등을 장착해 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물 등의 배출량을 줄이는 것이다. 이러한 저감장치에는 SCR, EGR, DPF 등이 있다. SCR과 EGR은 질소화합물을, DPF는 배기가스 후처리 장치로 미세매연 입자를 주로 처리하는 장치이다.

종류

SCR

SCR(Selective Catalyst Reduction)은 한국어로 선택적 촉매 환원법을 의미하며 질소산화물(NOx)을 촉매 위에서 선택적으로 암모니아(NH3)와 반응시커 물(H2O)과 질소(N2)로 환원시키는 방법이다. 요소수라고 부르는 암모니아 수용액 또는 유레아(CH4N2O) 수용액을 이용해 촉매 반응을 통해 물과 질소로 변환시켜 준다. 이는 질소산화물은 물론 엔진에서 다량 발생하는 일산화탄소를 줄이는데, 수치로 약 65~85%의 감소 효과가 있는 것으로 알려져 있다. SCR은 연료를 추가로 분사하거나, 배기가스 재순환을 통한 축적물을 만들지 않는다는 점에서 연비 개선은 물론 엔진 내부를 오랫동안 깨끗하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 SCR은 일정 주행마다 주기적으로 촉매제인 요소수를 보충(일반적으로 연료량 대비 6% 정도 요소수 소요)해야 하고, 요소수 탱크 등 추가 장치가 포함돼 공간을 많이 차지한다. 무엇보다 요소수 가격이 비싸 차량 유지비가 커지는 단점이 있으나, 가장 친환경적인 디젤 엔진 장치로 평가받는다. SCR 방식은 저감 효율이 높아 이용이 점차 확대되고 있으나, 해결해야 할 문제도 안고 있다. 암모니아가 배기가스와 함께 배출되는 암모니아 슬립 현상이 발생할 수 있으며, 요소의 분해가 낮은 온도에서 일어나면 고체 형태의 멜라민 등이 생성되어 배관 내부나 장치 표면에 고착될 수 있기 때문이다.

EGR

EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 엔진에서 연소한 배기가스 일부를 다시 엔진으로 재순환시켜 연소실 온도를 낮추고, 이로 인해 질소산화물 억제를 유도하는 저감 장치이다. 한국어로 배기가스 재순환 장치라고 한다. 즉 배기가스가 재순환하면 연소실 온도가 낮아지고 이 과정에서 질소산화물 배출도 줄어드는 원리다. 질소산화물은 연소 온도가 2,000℃를 넘으면 급격히 증가하므로 질소산화물을 감소시키기 위해서는 연소 최고 온도를 낮추어야 한다. 배기가스의 일부(혼합기의 약 15%)를 재순환시키면 연소실 내에 불활성가스인 이산화탄소가 유입되어 폭발행정(동력 행정) 시의 연소온도가 낮아지게 되어 질소산화물의 양은 많이 감소하게 된다. EGR은 엔진 구조를 크게 바꾸지 않고 적용할 수 있으며, 연료 이외에 다른 첨가물을 주유할 필요가 없다. 또 정비 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 배기가스 재순환 과정에서 각종 찌꺼기가 흡기 및 연소실에 누적되므로, 그 가동률이 증가할 경우 연소 효율이 떨어져 연비와 성능 저하가 일어날 수 있다. 즉, EGR을 통해 들어오는 가스는 이미 한 번 연소한 것이기 때문에 연소에 필요한 산소가 없는 것과 마찬가지이므로, 그만큼 출력이 떨어지게 된다. 또 뜨거운 배기가스를 냉각시켜야 하므로 열교환기가 필요하며 여기서 발생한 열을 냉각시켜야 하므로 냉각용량 증대도 필요하다. 아울러 매연을 처리하기 위한 후처리 장치도 추가로 필요하다. EGR은 엔진제어장치의 입력 신호에 따라 개폐되는 EGR 밸브, 흡기관과 배기관 사이의 EGR 통로, 연소실로 재순환되는 배기가스 온도를 낮추기 위한 별도의 EGR 냉각기로 구성된다. EGR은 항상 작동하는 것이 아니라 출력이 필요한 상황에는 ECU를 통해 밸브를 닫아 순수 연료만을 연소시키고, 출력이 필요하지 않을 때에는 밸브를 열어 불연소 가스를 주입한다. 밸브는 최적의 연소조건이 형성돼 연소온도가 높아지면 작동하는 반면 엔진의 온도가 떨어지거나, 높은 출력을 해야 하거나, 냉각이나 공회전 시에는 작동하지 않는다. EGR은 엔진 시동이 이뤄지면 흡기 쪽으로 공기가 유입돼 터보차저(Turbo charger)를 통과하게 된다. 그다음 EGR 체크 밸브에서 재순환가스와 혼합된 뒤 엔진에서 가스가 연소한다. 이곳에서 연소한 가스 중 일부는 배출되며 일부는 순환된다. 이후 높은 온도의 배기가스가 그대로 흡기 쪽으로 재순환될 경우 연소실 온도를 높일 수 있기 때문에, 흡기 쪽으로 재순환되기 전에 냉각기가 작동돼 배기가스를 냉각시키게 된다.

DPF

DPF(Diesel Particulate Filter)는 디젤 차량의 배기가스 중 미세매연 입자를 포집(물질 속 미량 성분을 분리하여 모음)하고, 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리 장치를 말한다. 한국어로 디젤 미립자 필터라고 한다. 미세매연 입자는 도로에서 흔히 볼 수 있는 매연이라고 볼 수 있는데, DPF를 통해 50~80%까지 줄일 수 있다고 한다. 국내에서 2005년부터 디젤차에 의무 부착하도록 법제화된 DPF는 제조사에 따라 DPF(르노삼성자동차㈜, 쉐보레), CPF(현대자동차㈜, 기아자동차㈜), CDPF(쌍용자동차㈜)라고 부르기도 한다. 여러 종류의 DPF가 있지만, 그중에서도 벌집 형상의 세라믹 DPF가 보편적이다. 이 세라믹 DPF의 구성은 크게 하우징, 세라믹 담체, 세라믹 플러그로 구성된다. 세라믹 플러그가 통로 양단을 하나 건너 교대로 막고 있어, 열린 통로로 들어온 배기가스는 세라믹 담체에 뚫린 기공을 통과하면서 미세매연 입자가 걸러진 후, 이웃 통로를 거쳐 배기 된다. DPF에서 재생이라 부르는 원리는 다음과 같다. 먼저 배기가스 중의 미세매연 입자가 필터 벽면(세라믹 담체)에 포집 된다. 포집된 미세매연 입자는 퇴적되고, 산화되어 이산화탄소, 물로 배출되면서 매연을 줄이는 원리다. 배기가스에는 퇴적된 미세매연 입자를 자체적으로 연소시킬 만큼 충분한 양의 산소가 포함되어 있는데, 여기서 이 연소 과정을 '재생'이라고 한다. 여기서 DPF의 '재생'은 일반적으로 배기가스가 약 600℃ 이상이면 미세매연 입자가 연소하는데, 이런 높은 온도는 최대출력 상태에서 가능하다. 따라서 DPF의 정상 작동을 위해 미세매연 입자의 연소 온도를 낮추거나 배기가스 온도를 높여야 한다. 미세매연 입자가 연소하는 온도를 낮추는 하나의 방법으로, 세륨 또는 금속화합물의 첨가제를 첨가해 미세매연 입자의 연소온도를 약 450~500℃로 낮출 수 있다. 또 다른 방법으로, 필터에 백금을 코팅하여 미세매연 입자의 연소를 촉진하는 촉매식 DPF를 사용하기도 한다. 이 촉매식 DPF 방식은 첨가제 시스템보다 효과가 낮으나, 회분의 퇴적이 거의 없다는 점이 장점이다. 하지만 첨가제 시스템과 촉매식 DPF 모두 근본적인 재생을 위해서는 배기가스 온도 상승을 위한 추가 대책을 필요로 한다. 일반적으로는 DPF 앞에 DOC이라는 장치가 장착되는데, 이 장치는 탄화수소, 일산화탄소를 줄이고 그 반응열로 배기가스 온도를 높이는 역할을 한다. 또한, 미세매연 입자의 포화 수준이 일정 기준에 도달하면 능동 재생 시스템의 활성화를 위해 엔진의 연소를 제어하기도 한다. 예를 들면, 연료 분사 시기를 지연 시켜 배기가스 온도를 매연의 연소가 가능한 수준으로 상승시킨다. 또 하나의 방법으로, 일부 대형 차량의 경우에는 버너를 이용해 강제로 필터를 재생(연소)시키기도 한다. 미세매연 입자가 연소할 때, 필터 온도는 최고 1,200℃까지 상승하므로 DPF는 내열성의 재질이 요구된다. 이에 촉매기의 담체로 널리 알려진 세라믹 이외에도, 소결 금속이 사용되고 있다. 소결금속 필터는 열전도율이 높아 고르게 연소, 제거되는 장점이 있다고 한다. 또한 DPF 차량에는 반드시 전용 엔진오일을 사용해야 한다. 일반 엔진오일을 사용해도 당장은 문제가 발생하지 않지만, 장시간 사용 시에는 고장 원인이 될 수 있다. 따라서 유럽 자동차 제조협회에서 만든 오일 품질 기준인 ACEA 등급 중 C등급 오일을 사용해야 한다. 디젤 차량이 환경에 악영향을 끼친다는 인식은 시커먼 매연과 함께 미세먼지인 미세매연 입자의 영향이 컸다. 그러나 DPF를 장착하면, 가솔린 차량과 차이가 없을 정도로 미세매연 입자 배출량이 줄어들 수 있도록 끊임없이 기술 개발되고 있다. 최근에는 기체에 에너지를 가해 전자와 원자핵으로 분리하는 기술로 매연을 최대 95%까지 줄인 플라스마 DPF가 개발되었다. 이는 기존의 대형트럭 외에는 장착이 불가능했던 강제 연소기인 버너의 1/10 크기로, 소형차에도 부착이 가능해졌다.

참고자료

• 〈배기가스 저감장치〉, 《네이버 지식백과》
• 꿈틀, 〈(수능 국어 비문학 기술)배기가스 저감장치〉, 《네이버 블로그》, 2018-10-18
• 한국가스공사, 〈질산 잡고 미세먼지 없애자! 선택적 비촉매/촉매 환원법, SNCR/SCR〉, 《네이버 포스트》, 2019-07-08
• 기술인 씨앗 뿌리는 남자, 〈EGR(배기가스 재순환 장치)〉, 《티스토리》, 2020-08-24
• 〈디젤차의 필수 장치! DPF의 원리 제대로 알아보자!〉, 《킥스 엔진오일 블로그》, 2017-02-20

같이 보기

• 대기오염
• 요소수
• SCR
• EGR
• DPF

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