현재의 매연저감기술

자동차 배출가스 기술개발 최근 동향

1. 휘발유자동차

  휘발유자동차의 배출가스 방지기술은 엔진의 개량에 의해 엔진내에서 연소를 촉진시켜 오염물질의 배

  출을 최소로 하고 그래도 배출되는 오염물질은 배기관에 설치한 정화장치에서 정화처리한다.오늘날 대

  부분의 휘발유자동차에는 배기관에 삼원촉매장치를 부착하여 오염물질을 정화처리하고 있다. 삼원촉매

  장치는 배출가스중에 함유한 CO와 HC를 산화시켜 탄산가스(CO₂)와 물(H₂O)로 정화하고 NOx는 질소

  (N₂)로 정화시키며 NOx를 저감시키기 위하여 배출가스 재순환장치(EGR)를 사용함으로써 기존의 자동

  차에 비하여 오염물질을 90% 이상 저감 시킬 수 있었다. 삼원촉매장치가 제대로 기능을 발휘하기 위해

  서는 엔진내에서 연소되는 공기와 연료의 비가 이론공연 비로 엄격히 조절되어야 하며 연료중에 납이나

  인과 같은 촉매독을 일으키는 물질이 함유되어 있지 않아야 하므로 무연휘발유의 사용은 필수적이었

  다. 공기와 연료를 이론공연비(A/F比) 상태로 항상 유지한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 기존의 기화기

  식 엔진에서는 아무리 엔진을 잘 만든다 하더라도 공연비 조절이 어렵기 때문에 연료를 전자적으로 분

  사시키는 전자식 연료분사장치가 사용되었고 배기가스중의 산소농도를 측정하여 산소농도에 따라 공기

  와 연료의 양을 조절하도록 하였다. 이와같은 기능을 제대로 수행하기 위하여 자동차에도 컴퓨터의 일

  종인 전자조절장치(ECU)가 등장하게 되었으며 오늘날에는 거의 대부분의 자동차가 전자식 연료분사 장

  치를 사용하고 있다. 삼원촉매장치와 같은 정화장치를 장기간 사용하게되면 노화되어 그 기능을 잃게

  되어 정화효율이 떨어진다. 그러므로 배출가스 방지장치의 내구성이 요구된다. '87년 7월부터 '89년말

  까지는 이러한 내구 성을 강제적으로 규제하지 않고 제작사의 자율에 맡겼기 때문에 배출가스 방지장치

  의 성능이 그렇게 좋지 않았다. 그러나 2년여 기간동안의 기술 축적으로 삼원촉매기술이 어느 정도 정착

  된 '90년부터는 배출가스 보 증기간을 8만km 또는 5년으로 정하여 시행하였다. 이 결과 국내 휘발유승

  용차의 기술은 한단계 도약을 할 수 있었으며 오늘날 세계의 어느 시장에 내놓아 도 경쟁력 있는 자동차

  로서의 기술을 축적하게 된것이다.'94년부터 미국에서는 배출가스 보증기간을 8만km에서 16만km로 늘

  려 삼원촉매장치를 포함한 배출가스 관련부품의 내구성을 향상시켰으며 NOx 규제를 60%, HC를 30%

  정도 강화하였다.

  그리고 캘리포니아주에서는 배출가스 규제룰 더욱 강화하여 저공해자동차(LEV:Low Emission Vehicle)

  와 초저공해자동차(ULEV:Ultra Low Emissron Vehicle) 및 무공해자동차(ZEV:Zero Emission Vehicle)

  의 보급계획을 수립해 놓고 있다. 현재의 미국 연방정부의 규제기준(우리나라의2000년 기준)을 만족시

  키기 위해서는 현행 기술에 연소개선 및 삼원촉매장치의 개선에 의해서 달성할 수 있으며 '97년부터 캘 

 리포니아주에서 보급하게 될 LEV자동차 배출가스 저감기술은 휘발유자동차에 있어서는 전기가열식 삼

  원촉매장치의 사용과 연료의 개선에 의해 가능할 것이며 알콜이나 압축천연가스(CNG)를 사용하는 자

  동차를 개발하여야 할 것이다. 한편 ULEV자동차 배출가스 저감기술은 기존 휘발유자동차인 경우는 L

  EV자동차 기술에 연료예열 시스템이나 각종의 배출가스 저감기술의 최적화 기술이 적용되거나 알콜자

  동차, CNG자동차 및 하이브 리드자동차가 개발되어야 할 것이다. 우리나라도 미국내에 자동차를 수출

  하여야 하기 때문에 이러한 자동차 기술의 개발은 정부에서 주관하는 선도기술개발(G- 7과제)로 추진

  되고 있으나 자동차 제작사의 독자적인 연구프로젝트에 의해 추진되고 있다.

2. 디젤 자동차

  디젤자동차 배출가스중 문제가 되는 것은 NOx와 입자상물질이다. 디젤자동차에 있어서도 휘발유자동

  차와 마찬가지로 엔진의 개량에 의하여 오염물질을 줄일 수 있는데까지 줄이고 그래도 배출되는 오염물

  질은 후처리장치에 의하여 정화처리하고 있다. 현재 우리나라에서 생산 판매되고 있는 디젤자동차는 모

  두 엔진의 개량에 의해 오염물질을 저감시키 고 있다.

  현재 적용되고 있는 배출가스 저감기술로는 연소실의 개선, 연료분사계 개선을 통하여 엔진 내에서의

  연소가 잘 일어나도록 하고 있으며 극히 일부 자동차에는 터보차저(Turbocharger) - 인터쿨러 (I

  ntercooler) 기술을 적용하여 엔진의 출력을 높이고 NOx와 입자상물질을 동시에 저감시키고 있다. 그러

  나 우리나라의 2000년 이후 배출가스 규제를 만족시키기 위해서는 엔진개량 기술만으로는 배출가스

  규제를 만족시킬 수 없다. 기존의 엔진개량 기술을 더욱 발전시키고 터보차저-인터쿨러, 고압연료분사

  및 배출가스 재순환장 치 등을 적용하여 엔진내에서의 오염물질을 최대로 줄이고 산화촉매나 입자상물

  질 여과장치 및 DeNOx 촉매와 같은 후처리 장치가 사용되어야 할 것이다. 이러한 기술들은 아직 기술

  개발단계이며 실용화를 위해서는 많은 연구가 추진되어야 할 것이다. 그러나 입자상물질 여과장치만은

  상당한 수준의 기술이 개발되어 실용화 시험을 거쳐 확대 보급단계에 이르렀다.

3. 대체연료 자동차

  자동차용 연료로 사용가능한 대체연료는 천연가스, 알콜, 전기 등이 있다. 천연가스는 아직도 부존 자원

  이 많을 뿐만 아니라 청정연료로 알려져 도시가스를 비롯한 자동차 연료 등에 널리 이용되고 있다. 특히

  최근에는 미국에서 LEV나 ULEV와 같은 엄격한 배출가스 규제를 실시함에 따라 이러한 저공해 내지는

  초저공해자동차의 규제를 만족시킬 수 있는연료로서 압축천연가스(CNG : Compressed Natural Gas)

  를 많이 고려하고 있으며 CNG자동차의 개발이 활발하다. 우리나라에서도 휘발유자동차의 CNG화는 이

  미 시제품이 개발되어 선보인바 있으며 디젤자동차의 CNG화 기술도 본격적인 연구에 착수하고 있는 실

  정이다. 알콜은 메탄올과 에탄올이 사용될 수 있으나 농작물에서 생산하는 에탄올보다는 천연가스나 석

  탄을 이용하여 생산하는 메탄올의 이용이 더욱 활발하다. 브라질등 에탄올생산이 풍부한 나라에서는 현

  재도 알콜자동차를 많이 사용하고 있으며 휘발유에 에탄올 10~20%를 혼합하여 사용함으로써 CO를

  대폭 저감시키고 있다. 최근에는 연료 수급문제 등을 고려하여 알콜자동차보다는 천연가스 자동차의 저

  공해화 기술이 더욱 활발히 추진되고 있다. 전기자동차는 무공해자동차로 알려져 있으며 도로상을 주

  행할 때는 실제로 오염물질을 전혀 배출하지 않으나 전기 생산시 화력발전소에서 많은 오염물질이 배

  출된다는 관점에서 전기 자동차를 무공해자동차로 보지 않으려는 경향도 있다. 그러나 전기자동차는 복

  잡한 도심주행에 있어서 아주 유용한 무공해자동차임은 틀림없다. 전기자동 차에서 문제가 되고 있는

  축전지 문제를 해결하여 한번 충전으로 달릴 수 있는 거리를 충분히 늘려 나 가고 자동차의 생산단가를

  줄일 수 있다면 도시대기오염을 줄이는데 크게 기여할 것이다. 우리나라도 전기자동차의 개발은 자동차

  제작사를 중심으로 활발히 추진되고 있다.

여과장치

1. 촉매산화 여과장치(catalytic trap oxidizer)

  스테인레스 강선에 알루미나의 얇은 막을 코팅한 후 백금족의 귀금속 촉매를 처리한 여과재를 사용하여

  매연을 여과하고 여과포집된 매연은 배출가스의 온도에 의해 촉매연소되는 운리를 이용한 것으로 현재

  일부 소형자동차에 장착하여 5000마일 시험을 마치고 사용단계 목전에 있다.

2. 세라믹 여과장치(ceramic monolith trap)

  많은 통로를 가진 세라믹 여과재의 한쪽 끝에 상호교대로 봉합한 것으로 배기가스가 한쪽 끝이 막힌 세

  라믹 여과막을 통과하면 입자상 물질이 세라믹 벽에 부착여과 되고 깨끗한 배기가스만 통과하도록 한

  것으로서 입자상 물질이 세라믹 벽에 많이 부착하면 부압이 증가하게 되므로 일정간격으로 재생장치에

  의해 포집된 입자상 물질을 연소시키는 공법. 재생장치로는 버너를 이용하여 연소시키는 방법, 연소를

  촉진시키는 금속에 연료첨가제를 사용하여 배가스 온도만으로 연소시키는 방법, 연료첨가제와 니크롬

  열선과 같은 보조연소기구를 사용하여 연소시키는 방법등이 개발되어 많은 연구결과로 사용단계에 있

  다.