많은 국가에서 차량의 유해물질 배출은 해당 배기가스 규정으로 제한되고 있습니다. 각 국가의 규정에는 생태학적, 경제적, 기후적 및 정치적인 이유로 각각 다른 테스트 과정, 측정 기술과 한계값을 제시하고 있습니다.
배기가스는 물질 변환 과정에서 발생하는 가스 형태의 폐기물입니다. 일반적으로 말해 배기 가스는 연소 배기가스라 하며, 즉 연소과정에서 발생하는 배기가스입니다.
배기가스 시스템은 엔진측 컴포넌트와 배기가스 후처리로 이루어집니다
엔진 내부 조치
- 행정 내경비
- 압축비
- 피스톤 리세스의 형태
- 흡입구 형상
- 흡입 및 배출의 제어 시간
- 분사 압력분사 노즐 형상(분무도)
- 배기가스 재순환장치
- 회전 제어
- 과급
- 산화 촉매기
- 디젤 미립자 필터
- 가솔린 미립자 필터
- 선택적 촉매 감소
유해물질
내연기관의 배기가스에는 유해물질이 있습니다. 이유는 다음과 같습니다.
- 연료의 황 함유물
- 엔진 내의 연소
- 크랭크 케이스 환기.
연료의 황 함유물로 배기가스에 황 화합물이 생성됩니다. 따라서 디젤연료의 황 함유물 한계값이 전세계적으로 낮아지고 있습니다.
크랭크 케이스의 유해 배출물은 디젤 엔진에서 청정한 공기만 압축되기 때문에 상대적으로 적습니다. 팽창(작동 행정) 시 크랭크 케이스에 들어가는 가스는 가솔린 엔진에서 발생하는 오염 물질 질량의 10 %밖에 되지 않습니다. 그러나 여전히 법적 규정에 따라 잠긴 크랭크 케이스 환기가 요구됩니다.
배기가스 기준에 대한 개요
배기가스 기준은 대기 오염 물질 배출에 대한 한계값을 결정합니다. 유럽 연합에서는 차량의 경우, 다음 유해물질에 대해 한계값이 적용됩니다.
- 일산화탄소(CO)
- 질소산화물(NOx)
- 탄화수소(HC)
- 입자 질량(PM)
- 미립자 수(PN)
- 비메탄 탄화수소(NMHC).
이때 한계값은 엔진 유형(가솔린 및 디젤 엔진) 뿐만 아니라 차량 유형(승용차, 로리, 모터사이클 또는 스쿠터)에 따라 다르며 더 높아질 수 있습니다.
디젤 엔진
디젤 엔진을 장착한 승용차의 유해 배출물 한계값은 다음 표에서 확인하십시오.
가솔린 엔진
배기가스 기준 EURO 5 도입 이후 직접 분사 방식이 적용된 엔진에는 강화된 규정이 적용됩니다. 배기가스 기준 EURO 5부터는 미립자 질량이, 배기가스 기준 EURO 6부터는 미립자 수가 평가됩니다. 이렇게 규정된 이유는 직접 분사 방식이 적용된 요즘의 가솔린엔진에서는 흡기관 분사 방식이 적용된 엔진에 비해 균질한 혼합기가 생성되지 않기 때문입니다. 이로 인해 배기가스 내의 미립자 농도가 높아지는 것입니다(미세먼지).
다음 표에는 가솔린엔진의 다양한 배기가스 한계값에 대한 개요가 소개됩니다
산화 촉매기
디젤엔진은 준비된 혼합기를 태우지 않습니다. 연료는 엔진 내부에서 압축된 공기로 분사됩니다. 이는 공기 과잉으로 인한 희박한 혼합기(람다 값 λ > 1)로 이어집니다. 따라서 배기가스에는 높은 산소 농도가 존재합니다. 이러한 이유로 가령 3웨이 촉매기에서와 같이 질소산화물 (NOx)을 줄일 수 없습니다. 그러나 탄화수소와 일산화탄소의 배출은 산화 촉매기의 사용으로 줄일 수 있습니다.
배기가스 규정에 따라 산화 촉매기 대신에 질소산화물 촉매기를 사용할 수도 있습니다.
기능
디젤 산화 촉매기는 다음과 같은 배기가스 후처리 시스템에도 필요한 다양한 기능을 수행합니다.
- 일산화탄소 및 탄화수소 배출 감소
산화 촉매기는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 산화시킵니다. 산화는 약 200 °C의 특정한 한계 온도에서 발생합니다. - NO에서 NO2로 산화연소 시 질소산화물 (NOx) 이외에도 소량의 일산화질소(NO)가 생성됩니다. 이 일산화질소(NO)는 저장 촉매기에 저장되기 전에 질소산화물(NO2)로 산화되어야 합니다. 이는 180– 400 °C 사이의 온도 범위에서 발생합니다. 이러한 반응은 디젤 미립자 필터 재생에도 적용됩니다.
구성
모노리스 표면에는 중간층이 부착되어 있습니다. 이러한 중간층은 표면에서 화학 반응이 진행되는 백금 또는 팔라듐 등의 귀속금으로 코팅되어 있습니다. 배기가스가 모노리스에 유입되는 경우 유해물질은 귀금속층의 입자에 반응하여 이산화탄소와 물로 변합니다.
선택적 촉매 저감장치(SCR)
SCR(Selective Catalytic Reduction)은 디젤 엔진 및 산업 배기가스에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 줄이기 위한 후처리 시스템입니다. 선택적 이라는 용어는 질소산화물만을 선택적으로 제거한다는 의미이며, 이를 위해 요소수(Urea Solution)를 주입하고 촉매를 사용하여 NOx를 무해한 질소(N₂)와 물(H₂O)로 변환합니다.
SCR은 특히 디젤 엔진 차량(트럭, 버스, 승용차)과 발전소, 공장, 선박 등에서 사용되는 환경 규제 대응 기술로 널리 활용됩니다.
반응 과정
- 요소수 분사: 배기가스에 요소수를 분사
- 암모니아(NH₃) 생성: 고온에서 요소수가 암모니아(NH₃)로 분해됨
- 촉매 반응: 촉매(티타늄, 바나듐, 제올라이트 등)를 통해 질소와 물로 변환됨
SCR의 장점 및 단점
- 높은 NOx 저감 효율 (90% 이상 제거 가능)
- 연비 향상 (EGR보다 연비에 미치는 영향이 적음)
- SCR의 단점 및 한계저온에서 성능 저하 (충분한 온도가 필요)
- 설치 공간 차지, 높은 부품 비용
- 요소수 관리 필요 (주기적으로 보충해야 함)
- 다양한 산업에 적용 가능
디젤 미립자 필터
디젤 미립자 필터는 기공이 있는 세라믹(탄화규소)과 끝에 서로 잠겨있는 여러 개의 채널이 있는 벌집 모양의 구조로 구성되어 있습니다. 훨씬 큰 그을음 입자와 기타 고체 물질이 격벽에 남아서 벽 표면에 축척되는 반면, 기체 물질은 문제 없이 통과됩니다.
필터 벽면에 달라붙는 그을음 입자는 시간이 경과하면서 디젤 미립자 필터를 막히게 할 수 있습니다. 계속되는 그을음 축적으로 디젤 미립자 필터의 배기가스 압력이 계속 상승합니다. 엔진의 효율과 차량의 가속 특성은 이를 통해 제한될 수 있습니다. 그러므로 축적된 그을음 입자는 연소되어야 합니다. 배기가스 온도가 매연 입자가 타는 온도 이상으로 높아지면 매연 입자가 연소됩니다. 이 과정을 디젤 미립자 필터 재생이라고 합니다. 이때 탄소 입자가 가스 형태의 이산화탄소(CO2)로 변환됩니다.
가솔린 미립자 필터
EURO 6c 및 후속 배기가스 기준의 도입으로 입자 질량(PM)과 입자 갯수(PN)의 한계값이 엄격하게 제한됩니다. 한계값 준수를 위해 가솔린 미립자 필터 등이 장착됩니다. 이는 직접 분사방식의 최신 가솔린엔진 특정 작동 상태에서도 흡기관 분사의 경우와 같은 혼합기가 생성되기 때문입니다. 이를 통해 연소 중 입자의 수가 증가됩니다. 그을음 입자는 가솔린 미립분자 필터에 퇴적되어 남아 있습니다. 그런 다음 배기가스 온도를 높여 연소합니다. 이 연소에는 특정 비율의 배기가스 산소가 필요합니다.
구조 및 기능
가솔린 미립자 필터는 배기가스가 흐르는 여러 채널에 걸쳐 작용합니다. 가솔린 미립자 필터 벽면에는 배기가스가 통과하여 지나갈 수 있도록 기공이 있습니다. 그을음 및 매연재는 덕트에 달라붙습니다.
가솔린 미립자 필터의 덕트 끝 부분은 막혀 있습니다. 모든 흡기덕트는 4개의 배기통로로 둘러싸여 있습니다. 매연 입자는 배기가스 온도가 높아져 필요한 산소에 의해 연소될 때까지 흡기덕트 표면에 달라붙은 상태로 있습니다. 정화된 배기가스는 배기통로에서 기공이 있는 필터 벽면을 통해 빠져나갑니다.
필터 벽면에 달라붙는 매연 입자는 가솔린 미립자 필터에 지속적으로 퇴적됩니다. 그러므로 이 매연 입자는 연소되어야 합니다. 배기가스 온도가 매연 입자가 타는 온도 이상으로 높아지면 매연 입자가 연소됩니다. 이 과정을 "필터 재생"이라고 합니다. 이때 탄소 입자가 산화를 통해 가스 형태의 이산화탄소(CO2)로 변환됩니다.
배기가스 재순환장치(EGR)
배기가스 재순환장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation)는 내연기관에서 배출되는 배기가스의 일부를 다시 흡기 계통으로 유입시켜 연소실로 보내는 장치입니다. 이를 통해 연소 온도를 낮추고 질소산화물(NOx) 배출을 감소시키는 역할을 합니다.
EGR 효과
- 연소 온도 감소
- 배기가스를 다시 흡기 계통으로 순환시키면, 연소실 내부의 산소 농도가 낮아지고 연소 온도가 떨어지게 됩니다.
- 연소 온도가 낮아지면 NOx 생성이 감소합니다.
- 연료 소비 효율성 향상
- 일부 경우에서는 부분 부하 상태에서 연료 효율이 증가할 수 있습니다.
- 배기가스 저감 효과
- CO₂ 배출량 감소에 도움을 줄 수도 있습니다.
EGR의 작동 원리
- 엔진의 배기 매니폴드에서 일부 배기가스를 추출합니다.
- EGR 밸브를 통해 이 배기가스를 흡기 매니폴드로 다시 보냅니다.
- 배기가스가 연소실로 유입되면서 연소 온도가 낮아지고 NOx 발생이 억제됩니다.
배기가스 재순환 유형
1. 고압 배기가스 재순환장치
- 배기 매니폴드에서 직접 배기가스를 흡기 매니폴드로 다시 보내는 방식.
- 반응 속도가 빠르며, 일반적으로 승용 디젤 차량에서 많이 사용됨.
2. 저압 배기가스 재순환장치
- 배기가스를 DPF(디젤 미립자 필터) 또는 터보차저를 거친 후 흡기 쪽으로 다시 보내는 방식.
- 주로 대형 디젤 엔진에서 사용되며, 연료 효율성이 향상됨.