매연 너머의 과학: 자동차 배출가스 완전정복

 

자동차 배출가스와 정화 시스템 개념도

1. 자동차의 배출가스

자동차에서 배출되는 가스는 크게 세 가지로 구분됩니다. 배기 파이프를 통해 배출되는 배기가스, 엔진의 크랭크 실로부터 나오는 블로바이 가스(blow by gas), 그리고 연료 탱크와 연료 계통에서 발생하는 연료 증발가스 입니다. 이 중에서 자동차 오염물질의 약 60%는 배기가스, 25%는 블로바이 가스, 15%는 연료 증발가스가 차지하고 있습니다.

(1) 유해배출가스

자동차 배출가스 중 규제 대상이 되는 주요 유해성분은 다음과 같습니다:

유해물질특성주요 영향

일산화탄소(CO)	불완전 연소 시 발생, 무색무취	혈액의 산소운반 능력 저하, 두통, 현기증, 고농도 노출 시 사망
탄화수소(HC)	연료의 불완전 연소 시 발생	호흡기 질환, 광화학 스모그 생성, 발암물질 포함 가능
질소산화물(NOx)	고온 연소 과정에서 공기 중 질소와 산소가 결합	호흡기 질환, 산성비, 광화학 스모그 생성
입자상물질(PM)	주로 디젤엔진에서 발생하는 고체 입자	호흡기 침투, 폐질환, 발암성
황산화물(SOx)	연료 중 황 성분이 산화되어 발생	호흡기 자극, 산성비 원인

(2) 배기가스 생성 과정

내연기관에서 연료가 연소되는 과정에서 배기가스가 생성됩니다. 이상적인 상황에서 완전 연소가 일어나면 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)만 생성되어야 하지만, 실제로는 다양한 이유로 유해 물질이 발생합니다.

가솔린 엔진의 완전 연소 예시 (옥탄의 경우):
C8H18 + 12.5O2 → 8CO2 + 9H2O

그러나 실제 연소 과정에서는 공연비(연료와 공기의 비율), 연소 온도, 연소실 형상, 연소 시간 등 다양한 요인에 따라 불완전 연소가 발생하여 유해 물질이 생성됩니다.

배출가스 제어 시스템 개념도

(3) 탄화수소의 생성과정

탄화수소(HC)는 연료의 불완전 연소로 인해 발생하며, 다음과 같은 원인으로 생성됩니다:

1. 연소실 온도의 영향: 연소실 내에서 혼합기가 연소할 때 연소실 안쪽 벽은 온도가 낮기 때문에 완전 연소에 필요한 온도에 도달하지 못하여 불꽃이 벽에 도달하기 전에 꺼져 미연소 가스가 탄화수소로 배출됩니다.
2. 밸브 오버랩: 흡입행정과 배기행정 시 흡배기 밸브가 동시에 열려 있는 구간(밸브 오버랩)으로 인해 혼합기가 누출됩니다.
3. 감속 시 혼합기 변화: 기관을 감속할 때 스로틀 밸브가 닫히면 흡기 다기관의 진공도가 높아져 혼합기가 농후해지고, 이로 인해 실린더 내의 잔류가스가 실화를 일으켜 탄화수소 배출량이 증가합니다.
4. 혼합기 상태: 혼합기가 너무 농후하거나 희박한 경우 불완전 연소가 발생합니다.

(4) 질소산화물 생성과정

질소산화물(NOx)은 고온, 고압의 연소 환경에서 공기 중의 질소(N₂)가 산소(O₂)와 결합하여 생성됩니다. 특히 다음과 같은 조건에서 발생량이 증가합니다:

• 연소 온도가 2,000℃ 이상의 고온일 때 급격히 증가
• 이론 공연비(λ=1, 약 14.7:1) 부근에서 최대 발생
• 압축비가 높을수록 발생량 증가
• 스파크 점화 타이밍이 이른 경우 발생량 증가

연료증발가스 포집장치와 활성탄 캐니스터의 구조

(5) 배기가스의 배출 특성

공연비(연료와 공기의 비율)에 따라 배출가스의 특성이 달라집니다. 이론 공연비(λ=1)를 기준으로:

공연비 상태CO (일산화탄소)HC (탄화수소)NOx (질소산화물)

농후 혼합기 (λ < 1)	증가	증가	감소
이론 공연비 (λ = 1)	중간	중간	높음
희박 혼합기 (λ > 1)	감소	초기 감소 후 증가	초기 증가 후 감소

 

이러한 특성 때문에 현대 자동차는 삼원촉매변환기와 산소센서를 이용한 피드백 제어를 통해 이론 공연비 부근에서 운전되도록 설계되어 있습니다.

(6) 배출가스 제어장치

자동차에서 발생하는 유해 배출가스를 줄이기 위한 다양한 제어장치가 적용되고 있습니다.

-블로바이가스 제어장치

블로바이 가스는 실린더와 피스톤 링 사이의 틈새로 크랭크케이스로 누설되는 가스로, 70~95%가 미연소 탄화수소로 구성되어 있습니다. 이를 제어하기 위해 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 시스템이 사용됩니다.

PCV 시스템의 작동 원리:
1. 크랭크케이스에 쌓인 블로바이 가스를 PCV 밸브를 통해 흡기 시스템으로 재순환시킴
2. 엔진 부하가 클 때는 밸브 개도를 작게 하고, 부하가 작을 때는 밸브 개도를 크게 하여 블로바이 가스의 양을 조절
3. 재순환된 블로바이 가스는 흡기 시스템을 통해 연소실로 들어가 재연소됨

연료증발가스 제어장치와 캐니스터 작동 원리

- 연료증발가스 제어장치

연료 탱크 및 연료 계통에서 발생하는 휘발성 탄화수소를 대기 중으로 방출되지 않도록 제어하는 장치입니다. 주로 활성탄을 이용한 캐니스터(Canister) 시스템이 사용됩니다.

• 캐니스터(Canister): 활성탄이 채워진 용기로, 연료 증발가스를 흡착하여 저장합니다.
• 퍼지 제어 솔레노이드 밸브(PCSV): ECU에 의해 제어되며, 엔진이 정상 작동 온도에 도달하고 일정 속도 이상으로 주행할 때 캐니스터에 저장된 증발가스를 엔진으로 보내 연소시킵니다.
• 누설 진단 장치: 연료 증발가스 제어 시스템의 누설을 진단하는 장치입니다.

-배기가스재순환장치

배기가스 재순환 장치(EGR: Exhaust Gas Recirculation)는 배기가스의 일부를 배기계에서 흡기계로 재순환시켜 실린더 내의 연소 온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 발생을 줄이는 장치입니다.

EGR의 작동 원리:
1. 배기가스 중 일부(10~15%)를 흡기 매니폴드로 재순환
2. 재순환된 배기가스는 산소 함량이 적어 연소 온도를 낮춤
3. 낮아진 연소 온도로 질소산화물 생성을 1/2~1/3로 감소
4. 특히 디젤 엔진에서 효과적이며, 현대 차량에서는 EGR 쿨러를 통해 재순환 가스를 냉각하여 효과를 높임

배기가스 재순환장치(EGR) 작동 원리

-산소센서

산소센서는 배기가스 중의 산소 농도를 측정하여 엔진 제어 모듈(ECU)에 신호를 보내 연료 분사량을 조절하는 센서입니다. 주로 지르코니아(ZrO₂) 소재를 이용하여 제작되며, 촉매변환기의 효율을 최적화하는 역할을 합니다.

• 위치: 일반적으로 촉매변환기 전(상류)과 후(하류)에 설치
• 기능: 공연비를 λ=1(14.7:1) 부근으로 유지하도록 피드백 제어
• 종류: 협대역(일반적) 및 광대역(정밀) 산소센서로 구분

(7) 촉매컨버터

촉매변환기(Catalytic Converter)는 배기가스 중의 유해물질을 무해한 물질로 변환시키는 장치로, 자동차 배기 시스템에서 가장 중요한 배출가스 저감장치입니다.

촉매변환기의 구조와 내부 세라믹 모노리스

구조 및 구성요소

• 기판: 촉매 코팅과 귀금속이 결합되는 내부 구성 부품으로, 주로 세라믹 모노리스(허니컴) 구조나 금속 팰릿 형태로 제작
• 귀금속 촉매: 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 귀금속을 기판에 코팅하여 화학 반응을 촉진
• 하우징: 촉매변환기를 감싸는 스테인리스 스틸 케이스
• 파이프: 배기 시스템과 연결되는 파이프

작동 원리 및 반응

유해물질화학반응결과물촉매 종류

일산화탄소(CO)	2CO + O₂ → 2CO₂	이산화탄소(CO₂)	백금(Pt), 팔라듐(Pd)
탄화수소(HC)	CₓHᵧ + O₂ → CO₂ + H₂O	이산화탄소(CO₂), 물(H₂O)	백금(Pt), 팔라듐(Pd)
질소산화물(NOx)	2NOx → N₂ + xO₂	질소(N₂), 산소(O₂)	로듐(Rh)

 

촉매변환기의 종류

1. 산화 촉매(Oxidation Catalyst): 일산화탄소와 탄화수소를 산화시켜 이산화탄소와 물로 변환
2. 삼원 촉매(Three-way Catalyst): 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 동시에 처리할 수 있는 현대 자동차 대부분에 적용된 촉매
3. SCR 촉매(Selective Catalytic Reduction): 주로 디젤 차량에서 요소수(AdBlue)를 이용해 질소산화물을 질소와 물로 변환

촉매변환기 관리 및 주의사항

촉매변환기는 귀금속을 사용하기 때문에 고가의 부품이며, 다음과 같은 주의가 필요합니다:

• 무연 연료만 사용해야 함 (유연 휘발유는 촉매 피독 현상 발생)
• 엔진 오일 소모량이 많으면 촉매 수명 단축
• 엔진 점화 시스템의 불량은 촉매 과열 및 손상 유발
• 차량 하부에서 이상한 소음이 발생하면 촉매 내부 손상 의심
• 배기가스에서 황화수소(H₂S) 냄새가 나면 촉매 성능 저하 의심

촉매변환기는 현대 자동차에서 없어서는 안 될 중요한 환경 보호 장치로, 적절한 관리를 통해 배출가스 저감 효과를 최대화할 수 있습니다. 또한 최근에는 도난 사고도 증가하고 있어 차량 보안에도 주의가 필요합니다.

참고문헌

1. 자동차 엔진에서 배기가스 생성과정 - 네이버 블로그. https://blog.naver.com/ytjimi/221312735972
2. 자동차에서 배출되는 가스 및 배기가스 발생과정 - 네이버 블로그. https://blog.naver.com/rntepdl22/220301635688
3. 자동차 배기가스를 정화하는 촉매변환기의 모든 것 - 전문가칼럼. https://kixxman.com/catalytic-converter
4. 촉매 변환기 - 원리 및 특징 - 자동차 잡학 백과. https://cainse.tistory.com