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디젤 배기가스, 어떻게 정화할까? – SCR과 요소수
  • 2018.05.08
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유럽은 일찍부터 높은 연비와 출력이라는 이점 때문에 일찍부터 디젤 엔진의 보급에 힘써왔습니다. 하지만 디젤 엔진이 대기 환경에 영향을 미친다는 것을 깨닫고, 유로(Euro) 1이라는 규정을 시작으로 디젤 엔진의 배기가스를 개선하기 위한 노력을 오래전부터 기울여 왔습니다.

 

현재는 유로 6까지 도달한 상태이며, 초창기의 유로 1과 비교했을 때 놀라울 정도로 강력한 배기가스 배출 규제이죠. 하지만 그만큼 까다로운 기술 수준을 요구하는 것이라 디젤 엔진을 제조하는 회사들은 이에 걸맞는 다양한 기술들을 개발해 배기가스를 줄이고자 노력해왔습니다.

 

[관련글: [엔진편] EURO 엔진, 어디까지 알고 있니?]

 

우리가 아는 CRDi(커먼레일 직분사)도 배기가스를 줄이기 위한 노력 중 하나이지만, 그보다 실질적으로 배기가스 자체를 정화하거나 재순환시키는 기술도 많이 개발되어 있습니다.

 

[관련글: 3세대 디젤 엔진, CRDi를 전격 파헤쳐보자!]

 

[들어가기 전 잠깐!] 디젤 엔진의 배기가스를 정화하는 기술은 뭐가 있을까?

첫째, 디젤 엔진에서 발생한 미세먼지를 포집 후 태워 없애는 DPF!

대표적인 기술이 바로 DPF(Diesel Particulate Filter)입니다. DPF는 디젤 엔진의 배기가스에서 발생하는 입자상물질(PM)을 포집하여 태워서 없애는 장치입니다. 연료를 흘려보내 열로 태워버리는 방식을 채택했기 때문에 미세매연입자의 연소를 방해하는 물질의 유입을 억제한 전용 엔진 오일 사용은 필수적이죠.

 

 

DPF (Diesel Particulate Filter) 후처리장치
< DPF(Diesel Particulate Filter) 후처리장치 >

 

둘째, 배기가스를 정화시키는 EGR!

EGR(Exhaust Gas Recirculation)은 흔히 DPF와 함께 사용되는 기술이라고 알려져 있습니다. 쉽게 설명해 EGR은 배기가스를 냉각한 후 재순환시켜 엔진의 질소화합물 발생량을 줄이는 장치라 할 수 있죠.

하지만 그 과정에서 각종 찌꺼기들이 흡기 및 연소실에 누적되어 장기적으로는 출력이 저하되는 등의 문제도 발생한다고 알려져 있습니다.

 

EGR (Exhaust Gas Recirculation) 벨브
< EGR(Exhaust Gas Recirculation) 벨브 >

 

DPF, EGR 방식 외 다른 방법은 없나요?

앞서 DPF와 EGR에 대해서 간략히 설명했는데, 이 두 가지 방식은 각각 입자상물질을 포집하여 태워서 없애거나 질소화합물의 발생량을 줄이는 방식 입니다.

 

물론 구조적으로는 복잡하지만, 엔진에 특별한 개선 없이 배기가스만을 정화하거나 질소화합물의 발생량을 줄일 수 있다는 이유로 많은 제조사들이 이 방식을 선호해왔습니다. 그러나 유로 규정이 점차 강화됨에 따라 보다 앞선 기술이 필요하게 되었죠.

 

그래서 개발된 것이 바로 SCR(Selective Catalytic Reduction)입니다.

덧붙이자면, DPF에 포집된 입자상물질(PM)은 실린더에 추가로 연료를 분사하여 DPF로 연료가 흘러들게 한 후 연소시킵니다. 즉 EGR과 SCR은 질소화합물을 처리하는 장치이며, DPF는 입자상물질(PM)을 주로 처리하는 장치이죠.

 

화학적 방법으로 배기가스를 정화하는 SCR!

우리말로 해석하면 ‘촉매에 의한 선택적 환원법'이라고 볼 수 있습니다. 말 그대로 촉매를 이용해 오염 물질을 정화 또는 무해화하는 방식입니다. 한마디로 화학적 방법으로 배기가스를 정화하는 방식이라 할 수 있습니다.

 

SCR의 핵심기술은 바로 ‘촉매 작용’

우선 SCR은 엔진에서 연료가 연소되는 단계부터 시작됩니다. 다른 두 장비보다 더 높은 온도를 조성해 폭발시키는데, 이때 높은 온도에서 폭발한 연료는 일반 디젤엔진에 비해 미세먼지를 포함해 각종 오염물질의 발생량이 줄어듭니다.

 

그러나 문제도 있습니다. 디젤 엔진은 높은 온도와 압력에서 연료를 폭발시키기 때문에 질소화합물이 생성되는데, SCR 방식은 다른 방식에 비해 더 높은 온도와 압력으로 연료를 폭발시키므로 더 많은 질소화합물이 발생할 수밖에 없습니다.

 

배기가스를 발생시키는 자동차

 

만약 이대로 기술이 완성되었다면 다른 두 가지 방식과 크게 다른 점이 없을 것입니다. 결국, 태워서 없앤다는 근본적인 해결책에서 벗어나지 못했으며, 심지어 더 많은 질소화합물을 배출시키니 말이죠.

하지만 SCR의 핵심적인 기술은 이후 처리 과정에 있습니다. 바로 촉매가 작용하기 시작한다는 것입니다.

 

질소화합물을 정화하기 위해 꼭 필요한 ‘요소수’

SCR의 핵심은 바로 연소실에서 배출되는 배기가스로부터 질소화합물을 정화하는 것에 있습니다. 그래서 ‘요소수’라는 물질을 사용합니다. ‘Ad Blue’라고도 불리는 요소수는 말 그대로 물에 요소 성분을 혼합한 액체입니다.

요소는 사람의 소변에도 포함되어 있어서 한때 요소수와 소변이 같다는 이야기도 있었지만, 사실 요소수는 액체 내에 35% 이상의 요소 성분만을 포함하고 있기 때문에 소변과 같다는 이야기는 와전된 것입니다.

 

요소수 (Ad Blue)

 

요소수는 배기가스가 통과하는 곳에 분사되게 되어 있으며, 이때 요소 성분이 질소화합물을 다시 질소와 물로 환원시키는 역할을 합니다. 이런 이유로 SCR을 화학적 정화라고 하며, 질소화합물만 환원시키기 때문에 선택적 환원 촉매 방식이라고 부릅니다.

 

SCR 방식은 어떤 장점이 있을까?

SCR 방식의 이점은 크게 두 가지입니다. 먼저, DPF와 비교했을 때 연료를 추가로 분사하여 태워 없애는 방식이 아니므로, 연비 개선에 효과가 있다는 것이죠. 또한, EGR처럼 배기가스를 재순환시켜 퇴적물을 만들지 않는다는 점에서 출력 개선의 효과까지 얻을 수 있습니다.

 

쉽게 말해 연비를 개선하면서 엔진 내부를 오랫동안 깨끗하게 유지할 수 있다는 점이 SCR 방식의 큰 장점이라 할 수 있습니다.

 

SCR 방식, 물론 불편한 점도 있겠죠!?

유일한 단점이라면 역시나 다른 두 방식과 달리 요소수를 계속 보충해줘야 한다는 점입니다. 이 부분은 경제적인 부분과도 연결되어 있는데, DPF나 EGR은 기계적으로 고장을 일으키지 않는 한 사용자가 추가로 유지보수에 비용을 들일 필요가 없지만, SCR은 촉매제인 요소수를 계속 보충해줘야만 제 역할을 발휘할 수 있습니다.

 

일반적으로 요소수는 연료량 대비 6%정도 사용되는 것으로 집계되며, 최근 기준으로 1L당 1,000원 정도의 가격이 형성되어 있으므로 추가로 비용이 지출되는 것은 피할 수 없는 일입니다.

 

하지만 환경을 생각하고, 엔진을 오랫동안 깨끗하게 유지할 수 있으며, 연비를 개선하며 얻는 이점을 생각해보면 분명 어느 정도는 유리한 점이 있다고 볼 수 있습니다.

 

환경 보존

 

요소수는 어디서, 어떻게 보충하나요?

대부분 차량이 요소수를 연료 탱크 근처에 보관하기 때문에 연료 주입구 옆에 요소수 주입구를 따로 만들어 둡니다. 따라서 이쪽으로 주입하면 되는데, 경우에 따라서는 트렁크 안쪽, 혹은 엔진룸 안쪽 깊숙한 곳에 있기 때문에 차량 설명서를 반드시 읽어보아야 합니다.

 

요소수 보충

 

요소수는 인터넷으로도 주문할 수 있으며, 주유소에서 주로 취급합니다. 과거에는 주로 대형 트럭들이 사용했기 때문에 고속도로나 국도 주변의 주유소에서만 취급했죠. 최근에는 취급점이 많이 늘어나고 있지만, 여전히 도심지 주유소 중에서는 취급하지 않는 곳도 있기 때문에 꼭 물어보시기 바랍니다.

 

만약 요소수를 넣지 않는다면 어떻게 될까요?

요소수가 다 떨어졌음에도 보충하지 않는다면 시동이 차단되거나 정상 속도로 운전할 수 없게 됩니다. SCR 이후 초기에 출시된 차량을 제외하고 요소수가 부족하면 시동에 제한을 걸며 운행을 하더라도 보충 전까지 정상 속도를 내지 못하도록 설계되어 있기 때문이죠.

 

또한 요소수를 보충해야 한다는 경고를 무시하고 계속 운영할 경우 후처리 장치가 고장을 일으킬 가능성이 매우 높습니다. SCR도 DPF와 마찬가지로 고장이 났을 때 수리 비용이나 교체 비용이 상당히 비싸기 때문에 요소수 보충 경고등이 들어왔다면 즉시 보충을 해주는 것이 좋습니다.

 

비단 고장 문제뿐만 아니라 엔진 배기가스의 질소화합물을 중화시킬 수 없게 되므로, 오염물질을 다량으로 배출하게 되는바 요소수는 꼭 제때 보충해주는 것이 좋겠죠?

 

** 주의할 점! **

요소수를 주입할 때 만약 트렁크와 같이 실내 공간과 이어지는 곳에 주입구가 있는 경우 흘리지 않도록 주의해야 합니다. 실제로 요소수는 특유의 암모니아 냄새가 약간씩 섞여 있기 때문에 내장재에 흘렸을 경우 고약한 냄새가 날 수 있으니까요.

 

디젤 엔진 규제

 

SCR은 DPF나 EGR이 가진 장단점들을 보완해 만들어진 기술입니다. 연비와 출력을 동시에 개선하면서 배기가스를 좀 더 깨끗하게 만들고자 개발되었죠. 하지만 앞으로 디젤 엔진에 대한 규제가 강화된다면 DPF와 같은 장치들과 결합되어 사용될 가능성도 충분히 있습니다. 그만큼 환경에 대한 규제가 강화되어 가고 있기 때문이죠.

디젤 엔진의 배기가스를 정화하는 SCR 방법에 대해 잘 알아보셨나요? 디젤 엔진의 배기가스를 깨끗이 만드는 기술은 유로 엔진 규격 변화에 따라 계속 발전되고 있으니 미래에는 어떤 기술이 등장할지 함께 지켜보도록 합시다!

 

정정합니다!

안녕하세요. Team Kixx Man 입니다.

5월 9일 Team Kixx Man의 포스트가 네이버 메인에 노출되며 많은 분들의 관심을 받게 되었습니다. 몇몇 독자분들께서 포스팅 내 일부 내용에 관해 질문을 주셨고, 확인해 본 결과 일부 글에 오해의 소지가 있는 내용과 잘못된 부분을 발견하게 되었습니다.

 

이에 다음과 같이 정정합니다. 아래 내용은 본문에 반영 및 수정하였습니다. 앞으로는 더욱 정확한 정보를 전달드리기 위해 노력하는 Kixx Man이 되겠습니다.

  • DPF는 정확히 입자상물질(PM)을 포집하며, 태워서 없애는 장치입니다. 글에 표현된 미세먼지는 정확히 '미세매연입자'를 뜻합니다.
  • EGR은 배기가스를 냉각한 후 재순환시켜 엔진의 질소화합물 발생량을 줄이는 장치로 오염물질을 태워서 없앤다는 표현은 잘못된 표현입니다.
  • EGR은 태워서 없애는 방식이 아닌, 질소화합물의 발생량을 줄이는 방식입니다.
  • DPF에 포집된 입자상물질(PM)은 실린더에 추가로 연료를 분사하여 DPF로 연료가 흘러들게 한 후 연소시킵니다. 또한 EGR과 SCR은 질소화합물을 처리하는 장치이며, DPF는 입자상물질(PM)을 주로 처리하는 장치입니다.
  • SCR 개발 이후 초기에 출시된 차량을 제외하고 요소수가 부족하면 시동에 제한을 걸며, 운행을 하더라도 보충 전까지 정상 속도를 내지 못하도록 설계되어 있습니다.
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