매연저감장치

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

개요

매연저감장치는 차량에서 배출되는 질소산화물 등 대기오염 물질을 줄이기 위해 부착하는 장치다. 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비해 일반적으로 이산화탄소의 배출량이 적고 열효율이 높으며 내구성이 좋다. 하지만 디젤 엔진은 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 미세매연입자를 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 변환 시켜 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 아멜린이나 멜라민 등이 생성되어 배관 내부나 장치 표면에 고착될 수 있기 때문이다.

EGR

EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 엔진에서 연소된 배기가스 일부를 다시 엔진으로 재순환시켜 연소실 온도를 낮추고, 이로 인해 질소산화물 억제를 유도하는 저감 장치이다. 즉 배기가스가 재순환하면 연소실 온도가 낮아지고 이 과정에서 질소산화물 배출도 줄어드는 원리다. 질소산화물은 연소온도가 2000℃를 넘으면 급격히 증가하므로 질소산화물을 감소시키기 위해서는 연소최고 온도를 낮추어야 한다. 배기가스의 일부(혼합기의 약 15%)를 재순환시키면 연소실 내에 불활성가스(CO2)가 유입되어 폭발행정(동력행정) 시의 연소온도가 낮아지게 되어 질소산화물의 양은 많이 감소하게 된다. EGR은 엔진구조를 크게 바꾸지 않고 적용할 수 있으며, 연료 이외에 다른 첨가물을 주유할 필요가 없다. 또 정비비용이 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 배기가스 재순환 과정에서 각종 찌꺼기들이 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 연소된 것이기 때문에 연소에 필요한 산소가 없는 것과 마찬가지이므로, 그만큼 출력이 떨어지게 된다. 또 뜨거운 배기가스를 냉각시켜야 하므로 열교환기가 필요하며 여기서 발생된 열을 냉각시켜야 하므로 냉각용량 증대도 필요하다. 아울러 매연을 처리하기 위한 후처리장치도 추가적으로 필요하다. EGR은 ECU(전자제어장치)의 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 경우에는 밸브를 열어 불연소가스를 주입시킨다. 밸브는 최적의 연소조건이 형성돼 연소온도가 높아지면 작동하는 반면 엔진의 온도가 떨어지거나, 높은 출력을 필요로 하거나, 냉각이나 공회전 시에는 작동하지 않는다. EGR은 엔진 시동이 이뤄지면 흡기 쪽으로 공기가 유입돼 터보차저(Turbo charger)를 통과하게 된다. 그 다음 EGR 체크밸브에서 재순환가스와 혼합된 뒤 엔진에서 가스가 연소된다. 이곳에서 연소된 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.

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

같이 보기

• 대기오염
• 요소수

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