자동차 배기가스에서 배출되는 질소산화물(NOx)
질소산화물(NOx, Nitrogen oxide)은 질소와 산소로 이루어진 화합물로 공기 중의 질소가스(N₂)가 분해되어 생성되며, 일산화질소(NO), 이산화질소(NO₂), 삼산화이질소(N₂O₃)등이 있어요. 대기중 문제가 될 만큼 존재하는 것은 일산화질소와, 이산화질소로 일반적으로 이들 물질을 대기오염 측면에서 질소산화물이라 합니다.
고농도의 질소산화물에 노출되면 만성 기관지염, 폐출혈 등을 일으키며, 이는 일산화질소보다 이산화질소가 더 큰 피해를 주는 것으로 알려져 있어요.
이산화질소는 적갈색의 반응성이 큰 기체로 대기 중에서 일산화질소의 산화에 의해 발생되어 오존을 생성하는 전구물질로 작용하며, 주요 배출원으로는 자동차, 발전소 등 고온 연소공정과 화학물질 제조공정, 토양 중 세균에 의해 생성됩니다. 자동차 배기가스에서 배출되는 질소산화물은 대기 중 수증기, 오존, 암모니아 등과 결합하는 화학반응을 통해 미세먼지가 생성되기도 해요. 이산화질소는 대기오염 측정망을 통하여 1시간 간격으로 모니터링 되고 있으며, 연간 0.03ppm, 24시간 평균 0.06ppm, 1시간 평균 0.10ppm으로 환경기준을 지정하여 관리 중에 있어요.
질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 화합물로, 연소 과정에서 공기 중의 질소가 고온에서 산화되면서 발생해요.
대표적으로 자동차, 항공기, 선박, 산업용 보일러, 소각로, 전기로 등이 질소산화물의 배출원으로 꼽혀요.
선택적 촉매 환원기술 (SCR)
SCR(Selective catalytic Reduction)은 연료 중 발생하는 질소산화물(NOx)을 절감하기 위한 시스템입니다.환원제 및 촉매에 의해 질소산화물(Nox)을 인체에 무해한 질소(N₂)와 수증기(H₂O)으로 환원하는 방법입니다. 환원제로는 주로 암모니아수 또는 요소수(Urea)를 사용합니다.
SCR 시스템은 질소산화물을 저감 반응을 촉진하는 촉매(Catalyst), 촉매가 설치되는 반응기(Reactor), 환원제를 공급하는 환원제 공급 분해 시스템(Urea Supply &Decomposition System)및 제거 시스템으로 구성되어 있습니다. 질소산화물을 줄이는 데는 요소수를 쓰는데, 보통 30%농도로 물에 희석한 것으로 질소 산화물을 환원시키는 역할을 합니다. 이것을 반응물질로 배기가스에 뿌려주면 요소수 속의 요소(NH₂CONH₂)가 질소산화물(NOx)과 반응하여 질소(N₂)와 수증기(H₂O) 그리고 이산화탄소(CO₂)로 바뀌게 됩니다.
SCR 시스템을 사용하는데에는 장점과 단점이 확실히 구분됩니다.
장점으로는, NOx 저감 효과가 매우 높다는 것입니다. 디젤 엔진 특성상 높은 온도에서 작동하므로, SCR 시스템은 이를 활용하여 최적의 효율을 달성할 수 있습니다. 두 번째로, SCR 기술은 연료 효율성을 저해하지 않으면서 높은 NOx 저감 성능을 발휘합니다. 많은 배기가스 처리 기술들이 연료 소비를 증가시키는 반면, SCR은 그 영향이 미미합니다.
하지만 SCR기술에도 단점은 존재하는데요. 가장 큰 단점은 요소수를 지속적으로 보충해야 한다는 점입니다. 요소수가 고갈되면 시스템이 제대로 작동하지 않아 NOx 저감 효과를 잃게 되어요. 따라서 운전자는 주기적으로 요소수를 보충해주어야 하는 번거로움이 있어요. 두 번째 단점은 초기 설치 비용이 다소 높다는 점입니다. SCR 시스템을 구현하기 위해 차량에 추가적인 장비와 센서를 설치해야 하므로 초기 비용이 증가할 수 있습니다.
이처럼 SCR기술은 가장 효과적이고 널리 사용되는 배기가스 저감 기술 중 하나입니다.
DPF(Disel Particulate Filter)와 EGR(Exhaust Gas Recirculation)기술
SCR기술 이외에 DPF와 EGR에 대해서도 소개해드리려고 하는데요.
먼저 DPF란 Diesel Particulate Filter의 약자로, 경유가 제대로 연소되지 않아 발생하는 탄화수소 찌꺼기 등의 유해물질을 모아 필터로 걸러낸 뒤, 550도 정도의 고온으로 재차 태워 오염물질을 줄이는 배기가스 저감 장치에요.
DPF에 PM이 일정량 쌓이면 배기가스 배출이 답답해지면서 압력차가 발생하는데, 이를 DPF 앞뒤에 있는 압력센서가 측정해 전자제어장치(ECU)에 전달합니다. ECU는 엔진의 배기행정에서 연료를 추가적으로 분사하는 과정으로 PM을 태워 공해물질을 줄여주고, 배기가스 기준에 맞는 양을 유지해주어요.
현재 가장 효율적인 입자상물질 저감 기술로 손꼽히는 DPF는 장착 시 매연을 50~80% 줄일 수 있는 것으로 나타났어요. 유로5에서는 대부분의 자동차에 DPF를 달아 PM이 획기적으로 감소되었습니다.
이러한 원리로 작동하는 DPF는 관리 상태에 따라 차량의 연비와 성능이 좌우될 수 있으므로 통상 1년에 한번씩 필터를 교체하거나 청소해야 해요. DPF가 정상적으로 작동하지 않으면 포집된 유해물이 고착되어 필터를 막고, 배기가 원활히 이루어지지 않아 차량 성능이 저하되고 연비가 떨어지기 때문입니다. 따라서 종종 높은 영역대의 RPM 주행으로 막힌 DPF를 뚫어주고, 카본 분진이 잘 쌓이는 인젝터를 클리닝 작업으로 청소해 주는 것이 좋아요.
EGR(Exhaust Gas Recirculation)기술은 엔진에서 연소된 배기가스의 일부를 다시 엔진으로 되돌려 보내 재처리 하는 방식의 기술이에요. EGR은 디젤 엔진의 연소 효율이 낮아지면 질소산화물 발생이 감소하는 원리를 응용해 배기가스를 흡기다기관에 공급해 연소실 온도를 낮춰 질소산화물을 줄여요. 현재 국내 상용차업게 가운데 현대, 볼보트럭 등이 EGR방식을 채택하고 있어요.
하지만 EGR라인과 흡기관이 막히기 시작하면 진동소음, 연비하락 등의 문제가 발생할 수 있으므로 대략 5만km에서 10만km정도 주행 후 점검 및 흡기클리닝을 하는 것이 좋습니다.
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