전문가칼럼
자동차 배기가스를 정화하는 촉매변환기의 모든 것
  • 2023.10.30
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김 필 수 (김필수 자동차연구소 소장, 대림대 교수)

 

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내연기관차의 장점은 연비나 유지비, 자동차의 완성도는 물론이고 내구성 등 장점이 이루 말할 수 없으나 가장 큰 취약점은 다양한 배출가스가 존재한다는 것이다. 특히 아무리 좋은 내연기관차 내지는 하이브리드차라고 하여도 결국 엔진을 가동하면 배출가스는 배출되는 만큼 다양한 배기후 처리장치를 통하여 최대한 배출가스를 줄이는 것이 핵심이라 할 수 있다. 자동차의 배출가스는 이산화탄소, 질소, 물 등 인체에 무해한 가스도 있지만 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물은 물론이고 매연 등 직접적인 영향을 크게 주는 유해 가스도 많다는 것이다.

 

 

촉매변환기의 등장

40~50년 전에는 대부분의 배출가스에 대한 규제가 없었으나 1970년대 초에 배기후 처리장치인 촉매변환기(Catalytic Converter)가 배기가스 배출 중간 부위에 탑재되면서 규제가 시작되었다. 이 장치는 백금*이나 팔라듐**, 로듐***등 부가가치가 높은 귀금속을 많이 함유하여 화학작용을 통하여 각종 배출가스를 줄이는 작용을 한다. 

*백금: 밀도가 높고 연성과 전성이 좋은 은백색의 귀금속
**팔라듐: 백금에서 분리된 금속으로 자동차 촉매 전환기에 백금과 함께 기체의 촉매로 사용됨
***로듐: 천연 합금 형태로 백금이 들어있는 광석에 함께 들어 있는 백금족 금속 중 하나

 

1970년대 초에는 이원 촉매 기능이라고 하여 백금과 팔라듐은 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물 등으로 환원하는 역할을 담당하였으나 점차 환경 기준이 강화되면서 1980년대 초에 삼원 촉매 기능이 강화되면서 부가된 로듐이 질소산화물을 질소로 환원시키는 작용을 하게 되었다. 물론 그렇다고 완전히 없애는 것은 아니고 감소시키는 역할을 한다고 판단하면 된다.  사계절 특히 겨울철 배기구를 통하여 물이 많이 배출되는 경우를 많이 보게 되는데 엔진에서 완전연소를 이끌면서 배출가스가 그만큼 줄어든다는 뜻이다. 

 

 

연료에 따른 배기후 처리장치의 종류

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가솔린 :  삼원 촉매변환기

내연기관차는 엔진에 따라 원리도 다르고 배출가스도 다른 만큼 각각에 특징에 맞는 배기 후 처리장치가 장착된다고 할 수 있다. 가솔린차는 디젤차 대비 배출되는 가스가 적은 만큼 장착되는 배기후 처리장치는 디젤차 대비 훨씬 적다고 할 수 있다. 가솔린차는 삼원 촉매변환기(TXC)가 장착되어 있고 최근에는 가솔린 미립자 필터(GPF)도 장착을 고려하면서 가솔린 엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM)를 포착, 제거하는 장치도 중요해지기 시작했다고 할 수 있다. 

 

디젤 : 디젤산화촉매장치 / 배기가스 재순환장치 / 선택적 환원촉매장치

상대적으로 디젤차는 배기후 처리장치가 매우 다양하고 많다고 할 수 있다. 배기가스 중 일산화탄소와 탄화수소를 줄이기 위하여 디젤산화촉매장치(DOC;Diesel Oxidation Catalyst)가 장착되어 약 80% 이상 줄이는 효과가 있다고 할 수 있다. 또한 질소산화물을 제어하여 더욱 감소시키는 배기가스 재순환장치(EGR;Exhaust Gas Recirculation)이 장착되고 있고 여기에 더욱 질소산화물을 줄이는 선택적 환원촉매장치(SCR;Selective Catalytic Reduction)가 장착되어 운행되고 있다.

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- 배기가스 재순환장치(EGR)

EGR은 엔진의 연소특성이 고온, 고압에서 잘 연소되면 탄화수소나 이산화탄소는 줄어드나 도리어 질소산화물은 급증하는 특성을 개선하고자 배출가스 일부를 다시 엔진에 유입시켜 반응 온도를 낮추어 질소산화물을 줄이는 방법으로, 의무적으로 장착된 장치라 할 수 있다. 그러나 낮아진 엔진 반응 온도로 인하여 연비 저하, 출력 저하 등의 문제점도 발생하고 있다. 엔진의 반응이 워낙 복합적이라 모든 배출가스를 완벽하게 제어하기란 불가능하기 때문이다. 즉, 상대적인 반응이 달라진다는 뜻이기도 하다. 보통은 디젤 차량에 장착되지만 간혹 가솔린 차량에도 장착된다. 

 

- 선택적 환원촉매장치(SCR)

현재 디젤 차에 모두 장착되는 다중 질소산화물 장치 중 SCR은 마지막 부위에 장착되는 저감장치라 할 수 있다. 질소산화물은 공기 중 화학반응을 일으켜 미세먼지를 일으키는 주요 물질이라 할 수 있다. SCR은 요소수를 주입하여 고온의 배기가스에 분사하면 열분해 반응과 가수분해가 발생하여 인체에 무해한 질소와 물로 변환시키는 장치라 할 수 있다. 물론 일정 주행 후 정기적으로 요소수를 보충해야 하는 만큼 불편하고 비용도 추가되는 만큼 부담이 된다고 할 수 있다. 특히 고장이라도 발생하면 고가의 수리비가 소요되는 만큼 부담이 큰 장치라 할 수 있다. 

 

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약 3년 전 중국산 요소수 부족으로 발생한 요소수 문제가 바로 SCR에 소모되는 액체라 할 수 있다. 국내 소요되는 요소수의 거의 100%를 중국산에 의지하는 만큼 해외 수입 다변화를 진행하고 있으나 아직도 중국산에 의지하는 부분이 대부분이라 할 수 있으며, 최근 다시 중국에서의 요소 수출 규제가 부각되면서 긴장도를 높이고 있는 상황이다.         

 

- 매연저감장치(DPF)

또한 인간에게 직접 폐암 등을 유발하는 1급 발암물질인 검댕이라 불리는 매연을 줄이는 매연저감장치(DPF;Diesel Particulate Filter)도 의무적으로 장착되어 있다. 

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촉매변환기 관리의 중요성

내연기관차는 앞으로 최소한 20년 이상은 존재한다고 할 수 있다. 아직 대부분의 차종으로 역할을 하고 있고 이를 효과적으로 제어하기 위한 배기후 처리장치는 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 이중 촉매변환기는 백금 등 고부가가치로 이루어져 관리가 중요한 품목이라 할 수 있다. 고장이 나면 수리 비용도 높기도 하지만 각 국가에서 도난도 많은 품목이라 할 수 있다. 

 

캐나다와 미국 등에서는 촉매변환기 도난이 사회적 문제가 된 지 오래라 할 수 있다. 중소형 대중 모델의 촉매변환기를 훔쳐서 시장에 파는 불법 사례가 늘고 있다는 것이다. 대략 장물 가격은 30여만 원이 되지만 도난 당한 차종의 경우 차주가 새로운 촉매변환기 100~200만 원의 비용과 더불어 공임도 추가된다고 할 수 있다. 일부 차종은 엔진룸에 위치하여 훔치기 어렵지만 일부 차종은 차량 하부에 위치하여 차량을 들어 올리고 분리하여 훔치는 사례가 늘고 있는 상황이다. 국내는 드물지만 간혹 발생하는 도난사고라 할 수 있다. 

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자신의 차량에 어떠한 장치가 장착되어 있는지도 상식적으로 알고 있으면 도움이 될 것이다. 특히 배기후 처리장치는 차량의 수명과 함께하는 영구적 부품이 아닌 만큼 항상 관리하고 상태를 확인하면 많은 도움이 된다고 할 수 있다. 더욱이 최근에는 에너지 발생 장치에 따라 다양한 차종이 존재하는 시대이다. 가솔린차, 디젤차, LPG차, 하이브리드차, 플러그 인 하이브리드차, 전기차, 수소전기차 등에 따라 시스템이 크게 다른 차종이 존재하는 만큼 아는 것이 중요한 시대이다. 내 차의 상태를 잘 아는 것은 차량의 내구성, 유지비 등 관리 비용은 물론 환경까지도 영향을 준다.  따라서 자신의 소유 차종에 대한 상식적인 부분과 함께 차종에 따른 올바른 관리가 필요하다. 

 
 
 
 
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