[돌비] 디젤 자동차 배기가스 후처리 장치(EGR, DOC,DPF,LNT,SCR)

사진: Unsplash 의 suraj kardile

 

디젤 자동차의 배기가스 저감장치에 대하여 설명을 드릴까 합니다.

일반적으로 EGR, DOC, DPF, LNT, SCR 등을 장착을 합니다. 하나씩 알고 있는 지식만큼 설명을 해들릴까 합니다.

 

첫 번째 EGR(배기가스 재순환장치)

엔진에서 연소된 배기가스의 일부를 다시 연소실에 공급하여 연소실의 온도를 낮추어 NOx(질소산화물)을 줄이는 역할을 하는 장치이죠.

디젤 자동차이면 현재 다 달려있다고 보시면 됩니다. 맨 처음 적용한 배기가스 저감장치라고 보셔도 됩니다.

개인적으로 배기가스의 저감 효과는 좋다고 할 수 있으나 자동차에게는 좋지 않다고 볼 수 있죠. 왜냐하면 깨끗한 공기가 연소실에 공급이 되어야 연소가 잘되고 찌꺼기들이 연소실과 흡기라인에 쌓이지 않을 테니까요.

작동원리를 대략적으로 나타내는 이미지입니다.

 

intake는 에어필터를 거쳐 연소실로 들어오는 공기 Exhaust는 배기가스입니다. 그림을 보시면 배기가스 중 일부가 EGR밸브를 통해 다시 연소실로 들어가는 것을 볼 수 있습니다. 

그로 인하여 재순환되는 배기가스가 통과하는 모든 라인이 찌꺼기가 붙을 수밖에 없습니다. 그래서 엔진내부에 카본이 붙게 되어 불완전연소를 일으킵니다. 흡기클리닝이라고 들어보셨을 겁니다. 재순환되는 배기가스가 통과하는 라인을 기계나 약품으로 청소해 주는 거라고 보시면 됩니다.

환경을 생각하면 꼭 필요한 장치이지만 선택을 할 수 있다면 선택하고 싶지 않은 장치이지요.

 

두 번째 DOC(디젤산화촉매)

디젤 산화촉매장치(DOC : Diesel Oxidation Catalyst)는 배출가스가 촉매유로를 통과하는 동안 촉매의 활성반응에 의해 유해물질을 산화시켜 제거 하는 장치입니다. 
 

촉매 코팅된 Wire Mesh는 배기가스 중의 CO, HC와 입자상 물질 중의 용해성유기물 (Soluble Organic Fraction ; SOF)을 산화시키고, 이 산화열을 이용하여 Wire Mesh에 일부 포집되는 입자상 물질(PM)을 연소시키는 기능을 합니다.

 

위 그림에서 보듯이 CO는 O2와 만나서 CO2(이산화탄소)로 변하고 HC는 O2와 만나서 CO2와 H2O(물)로 변하게 됩니다. NO(일산화질소)는 NO2(이산화질소)가 만들어지게 되는 겁니다.

DOC를 통해 CO와 HC는 약 80프로 이상 SOF 성분은 약 50 - 80 프로 감소됩니다.

또한 CO, HC 산화 시 방출되는 반응열은 DOC를 통과하는 배기가스 온도를 상승시키는 기능을 한다. 이 기능은 DPF 재생 시, 배기가스 온도를 상승시키는데 도움을 줍니다.

 

세 번째 DPF(Diesel Particulate Filter)

디젤이 제대로 연소하지 않아 생기는 PM(미세매연입자) 등 유해물질을 포집한 뒤 550도 고온으로 다시 태워 오염물질을 줄이는 저감 장치입니다. 

 

위 그림에서 보듯이 미세매연입자를 포집하는 것을 볼 수 있습니다. 그러면 포집한 매연은 어떻게 하게 될까요.

일반적으로 DPF 재생이란 과정을 통하여 포집된 매연입자를 연소시키게 됩니다. 연소가 된 매연입자는 가스와 재로 분리되어 가스는 필터를 통과하게 되고 재는 필터에 남게 됩니다.

DPF 재생이라 함은 DPF에 포집된 매연입자((보통 검댕이(SOOT)라 함))에 열을 가하여 재(ASH)로 변환시키는 작업을 뜻합니다. 그럼 DPF 재생은 언제 작동하느냐를 생각해 볼 수 있습니다.

1. RPM이 높아지면 높아진 배기가스로 인해 필터에 쌓인 매연입자를 태울 수 있습니다. 그러므로 고속주행을 자주 하시는 운전자분의 차량은 포집된 찌꺼기들이 재로 변하여 따로 재생을 해주실 필요가 없게 되겠지요.

2. DPF에 매연입자들이 쌓이게 되면 배기가스가 DPF통과를 잘 못하게 되겠지요. 그래서 DPF에 차압센서가 장착이 됩니다. DPF의 전단과 후단의 압력차이가 일정수치 이상이 되면 DPF 재생작업이 일어나도록 합니다. 압력차에 의한 DPF 재생 방법은 엔진 실린더의 4 행정 과정 중 마지막인 배기행정 때 연료를 분사해 배기가스와 연료가 같이 DPF로 가도록 해 DPF에 있는 매연입자가 배기가스에 남아있는 산소+강제로 분사한 연료와 만나 불타 없어지도록 합니다.

이 2가지 방법 외에 적정 주행키로수가 되면 자동으로 재생을 하기도 합니다.

DPF 재생을 하게 되면 재가 남게 되는데 재는 자동으로 배출되지 않고 DPF에 계속 쌓이게 되어 나중에는 DPF가 막히게 됩니다. 그래서 어느 정도 재가 DPF에 쌓이게 되면 DPF 청소를 해주어야 DPF를 교환하는 일이 생기지 않게 됩니다. DPF가 고가 이기 때문에 되도록 DPF 클리닝을 해주시는 것을 추천합니다.

 

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네 번째 LNT(Lean Nox Trap)

LNT는 NOx(질소산화물) 저감을 목적으로 하는 저감장치입니다. LNT는 산소가 많은 배기가스 상태에서 NOx를 흡착하여 배출되는 것을 방지하고 또한 흡착된 NOx를 질소(N2)로 만들기 위해 연료를 후분사 하여 산소를 없애고 HC를 공급하여 NOx(질소산화물)를 N2와 H2O로 변환시키게 됩니다. 연료가 DPF처럼 후분사되기 때문에 연비가 떨어지게 됩니다.

작동하는 온도는 300~450도 정도이고 변환효율은 50~60퍼센트 정도 됩니다. 장점은 저렴한 가격과 공간을 적게 차지하지만 효율이 SCR에 비해 떨어지고 배출가스 규제가 강화되면서 현재는 쓰지 않고 유로 6 기준에 맞는 SCR로 바뀌게 되었습니다.

 

다섯 번째 SCR(Selective Catalytic Reduction) 선택적 촉매 환원장치

SCR은 배기가스 중에 질소산화물만을 처리해서 선택적 촉매 환원장치라고 합니다.  유해한 배기가스에 있는 질소산화물을 요소수(Urea water solution)을 이용하여 저감하는 장치로 요소수(Urea water solution)를 촉매 전단의 고온의 배기 가스에 분사하면 열분해 반응과 가수분해 반응이 일어나 암모니아가 발생하고 발생한 암모니아가 촉매 내에서 산화질소와 반응을 일으켜 인체에 무해한 질소와 물로 환원시킵니다.

또한 엔진에서 발생하는 일산화탄소(CO)를 약 65%~85% 저감 시킵니다. SCR은 배기가스 재순환을 하지 않기 때문에 연비개선과 엔진내부에 찌꺼기를 발생시키지 않기 때문에 엔진내부를 깨끗하게 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

그러나 SCR은 일정키로수 주행 후 주기적으로 촉매제인 요소수를 보충해야 하고, 요소수 탱크 등 추가 장치가 포함되어서  공간을 많이 차지합니다. 또한 단점으로 가격이 비싸 차량 유지비가 높습니다, 그러나 현재로선 가장 친환경적인 디젤 엔진 장치라고 할 수 있습니다. 요소수는 연료량 대비 6% 정도 소비됩니다.

 

위 그림에서 DEF는 요소수를 뜻합니다.

간략하게 설명드리자면 질소산화물에 요소수를 공급하여 SCR을 통과하면 질소와 물, 이산화탄소로 배출되는 과정을 나타내는 겁니다.

SCR은 유로 6 기준에 맞추기 위해 장착되었기 때문에 대부분의 차량에 의무 장착되어 있습니다.

 

짧은 지식이지만 디젤 자동차의 배기가스 후처리 장치등에 대해서 글을 남깁니다. 누군가에게 조금이나마 도움이 되는 글이 되었으면 합니다.