차량에서 배출되는 대기오염물질을 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 장치라 할 수 있다.
출처: 게티이미지 코리아
차량에서 배출되는 질소산화물(NOx) 등 대기오염물질을 줄이기 위해 부착하는 장치다. 예컨대 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 미세매연입자(PM·Particulate Matter)를 주로 처리하는 장치이다.
SCR과 요소수
선택적 촉매 감소기술(Selective Catalyst Reduction)의 약자이다. 요소수라고 부르는 암모니아(NH3) 수용액 또는 우레아(CH4N2O) 수용액을 배출가스에 분사시켜 촉매 반응을 통해 물(H2O)과 질소(N2)로 변환시키는 장치이다. 이는 질소산화물(NOx)은 물론 엔진에서 다량 발생하는 일산화탄소를 줄이는데, 수치로 약 65~85%의 저감효과가 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 가격이 비싸 차량 유지비가 높아지는 단점이 있으나, 가장 친환경적인 디젤 엔진 장치로 평가받는다.
요소수(尿素水)는 무엇이며, 어떻게 보충할까?
요소수는 SCR의 핵심으로, 디젤 차량에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 정화시키기 위해 SCR에 사용되는 물질을 말한다. 물에 요소 성분을 혼합한 것으로, '우레아(Urea, 암모니아 수용액)'라고도 한다. 배기가스가 통과하는 곳에 요소수를 분사하면 질소산화물이 물과 질소로 환원된다. 이에 SCR을 화학적 정화라고 하며, 특히 질소화합물만 환원시키기 때문에 ‘선택적 환원 촉매 방식’이라고 하는 것이다.
디젤 차량의 경우 요소수를 지속적으로 배출가스에 뿌려줘야 하므로, 디젤 차량에는 요소수 주입구가 설치돼 있다. 이는 보통 연료 주입구 옆에 위치해 있으나, 간혹 차량에 따라 트렁크 안쪽이나 엔진룸 안쪽 깊이 위치한 경우도 있다.
요소수 주입구(왼쪽 파란색 뚜껑) (출처: 게티이미지 코리아)
요소수가 부족해지면 자동차 계기판에 신호가 뜨게 되고, 이럴 경우 보충을 하면 된다. 만약 요소수가 떨어졌는데도 보충하지 않으면, 요소수 분사 장치가 열에 노출돼 변형이 일어날 수 있고 질소산화물도 제대로 없앨 수 없다. 또 후처리 장치가 고장날 가능성이 매우 높은데, 그 수리나 교체비용이 매우 비싸다. 따라서 요소수 보충 신호가 들어오면 바로 보충을 해야 한다.다만 SCR 개발 이후 초기에 출시된 차량을 제외하고는 이후 출시된 차량들은 요소수가 부족하면 시동에 제한을 걸며, 운행을 하더라도 보충 전까지 정상 속도를 내지 못하도록 설계돼 있다.
요소수를 보충하는 모습(출처: 게티이미지 코리아)
한편, 요소수는 특유의 암모니아 냄새가 있기 때문에 주입 시 흘리지 않도록 주의해야 한다.
EGR(배기가스 재순환 장치)
배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)의 약자로, 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(NOx) 배출도 줄어드는 원리다.
질소산화물(NOx)은 연소온도가 2000℃를 넘으면 급격히 증가하므로 질소산화물(NOx)을 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 질소산화물(NOx)의 양은 많이 감소하게 된다.
EGR의 장점과 단점
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 매연(PM·Particulate Matter)을 처리하기 위한 후처리장치(예. DPF)도 추가적으로 필요하다.
EGR의 작동 원리
EGR의 작동 원리(출처: 게티이미지 코리아)
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.
DPF(디젤 미립자 필터)
DPF(출처: 게티이미지 코리아)
디젤 미립자 필터(Diesel Particulate Filter)의 약자로, 디젤이 제대로 연소하지 않아 생기는 탄화수소 찌꺼기 등 유해물질을 모아 필터로 걸러낸 뒤 550도 고온으로 다시 태워 오염물질을 줄이는 저감 장치다. 즉, 디젤 차량의 배기가스 중 미세매연입자인 PM을 포집(물질 속 미량 성분을 분리하여 모음)한 뒤 재연소시켜 제거하는 ‘배기가스 후처리 장치(매연저감장치)’라고 할 수 있다.
DPF의 작동 원리
DPF는 ‘재생(연소 과정)’ 원리를 통해 배기가스를 처리한다. 우선 배기가스 중의 PM(미세매연입자)이 필터 벽면에 포집된다. 배기가스에는 이렇게 쌓인 PM을 자체적으로 연소시킬 만큼 충분한 양의 산소가 포함되어 있는데, 이 연소 과정을 ‘재생’이라 한다.
출처: 한국자동차환경협회
위의 그림은 DPF의 작동 원리를 나타낸 것으로, 디젤엔진의 배기가스 중 발생하는 입자상물질(PM)을 촉매필터에 포집한 후 일정한 조건에서 배기가스의 온도를 높여 제거하는 과정을 나타내고 있다. DPF는 디젤엔진에서 배출하는 배기가스 성분 중 Soot(일종의 카본이 포함된 매연 또는 그을음)를 저감시켜 주는 장치로, 만약 DPF에 Soot가 과도하게 축적되면 차량 성능과 연비에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
DPF의 재질 및 구성
PM이 연소될 때 온도 상승이 일어나기 때문에, DPF의 재질은 내열성이 중요하다. 여러 종류의 DPF가 있지만 특히 세라믹 DPF가 가장 많이 사용되며, 열전도율이 높은 소결금속도 사용된다. 세라믹 DPF는 크게 하우징, 세라믹 담체, 세라믹 플러그로 구성된다. 열린 통로로 유입된 배기가스는 세라믹 담체에 뚫린 공기구멍을 통과하면서 PM이 걸러지게 된다.
푸조(Peugeot) 자동차의 디젤 미립자 필터(DPF), 출처: (CC BY SA) Own work@wikipedia
DPF의 관리
DPF는 관리 상태에 따라 차량 성능 자체를 좌우할 수 있기 때문에, 통상 1년에 한 번은 필터를 교체하거나 청소해야 한다. 만약 DPF의 정상적인 작동이 이뤄지지 않을 경우 축적된 유해물이 필터를 막고, 이로 인해 배기가 원활히 이뤄지지 않으면서 차량 성능 저하로 이어질 수 있다.
DPF, 전용 엔진오일 사용이 중요하다고?
DPF는 연료를 흘려보내 열로 태워버리는 방식이므로, 연소를 방해하는 물질 유입을 차단하는 전용 엔진오일 사용이 필수적이다. DPF 전용 엔진오일은 유럽 자동차 제조협회에서 만든 오일 품질 기준인 ACEA 등급 중 C등급(C1~C4까지 있음) 오일을 사용해야 한다. 예컨대 연비 개선이 중요할 경우에는 ACEA C2, 내구성이 중요하다면 C3를 사용하면 된다.
DPF 전용 오일은 Low SAPS 엔진오일로 황산회분(Sulfated Ash), 인(P), 황(S)이 적게 들어갔다는 의미로, 엔진의 연소 과정에서 발생하는 불순물들을 최소화하는 오일이다. 이 오일 대부분은 연료가 연소된 후 오염물질이 DPF 필터를 막는 것을 줄여주는 첨가제도 함유하고 있어, DPF 수명 연장에도 도움이 된다.