【배출가스 분석 정비① 배출가스 부하검사 때 NOx의 배출특성과 정비요령】

배출가스 정밀검사(부하검사)가 실시되고 있다. 기존의 무부하 검사방법과 달리 도로 주행 모드를 재현하면서 질소산화물(NOx)과 CO, HC의 유해가스를 측정, 검사하고 있다. 이번호에는 질소산화물(NOx)의 생성원인과 유형 그리고 대책을 소개하고 이와 함께 유해가스 CO와 HC와의 상관관계 등을 그동안의 AMS 2525 모드 검사결과 자료 등을 분석한 것을 소개한다

송영배「교통안전공단 서인천 검사소」

대기환경보전법이 개정되어 2002년 5월 20일부터 서울지역에서는 강화된 배출가스 정밀검사(부하검사: ASM 2525 모드)가 실시되고 있다. 대상 자동차는 자가용 승용차 12년, 상용차 7년, 사업용 자동차는 택시 3년, 버스?화물은 차령 4년이 되는 자동차로 이들 차종은 의무적으로 배출가스 정밀검사를 받아야 한다.

무부하 검사방법과 달리 도로 주행 모드를 재현하면서 질소산화물(NOx)과 CO, HC의 유해가스를 측정, 검사하고 있다. 검사방법과 대상 등은 지난 2002년 6월호에 실렸으므로 참고하기 바란다.

이번호에는 질소산화물(NOx)의 생성원인과 유형 그리고 대책을 소개하고 이와 함께 유해가스 CO와 HC와의 상관관계 등을 그동안의 AMS 2525 모드 검사결과 자료 등을 분석한 것을 소개한다.

앞으로 배출가스 정밀검사(부하검사)는 인천, 경기지역에서도 시행될 예정이므로 질소산화물(NOx)을 비롯한 CO, HC 등의 유해가스 정비, 수리에 많은 도움이 될 것으로 생각한다.

<그림 1> 촉매변환장치 전*후의 배출가스 농도

■ 질소산화물(NOx) 배출가스

<그림 1>에서 공연비(공기비)에 따른 배출가스의 배출특성을 살펴보면, NOx 곡선이 HC나 CO에 비해 매우 다른 형태의 배출곡선을 나타내고 있음을 볼 수 있다. 기본적으로 NOx 배출량은 대기 중의 약 78%를 차지하는 질소의 산화작용에 의해 생성되는 것으로 이 질소가 산소와 결합하기 위해서는 연소실 내의 온도가 고온(약 1300℃ 이상)으로 매우 높아야 하며 충분한 산소가 있어야 한다.

<그림 1>에서 보듯 이론 공연비 기준 시점에서 희박한 공연비로 전환되는 시점에서 NOx 배출량이 최대가 되고 반대편인 농후한 구역의 공연비에서는 매우 낮은 배출 특성을 나타내고 있음을 볼 수 있다.

따라서 혼합기가 농후하게 되면 NOx 생성에 필요한 산소가 부족하게 되고 반대로 매우 희박하게 되면 연소에 필요한 연료량이 부족해 NOx 생성온도 즉 고온에 도달하는 것이 어렵게 된다.

이러한 현상 즉 CO와 NOx의 역상관 관계가 그동안 부하검사 모드(AMS 2525 : 부하 모드 25%의 부하와 25mile/h 속도) 결과에서 잘 나타나고 있다.(그림 4 검사 자동차 결과표 참조)

EGR(Exhaust Gas Recirculation : 배기가스 재순환 장치) 장치 또는 다른 NOx 제어장치가 없는 자동차에서 NOx 측정값의 변화가 있다면 그것은 보통 CO 측정값 변화의 원인이 될 수 있는 연료 공급의 변화에 의한 것이다. 승용차 엔진의 대부분은 EGR 밸브가 설치되어 있으며 삼원촉매장치(TWC : Three Way Catalytic converter)가 없는 자동차는 EGR 밸브가 NOx 제어의 1차적인 수단이다.

EGR 밸브는 NOx를 줄이는데 있어서 매우 효과적인 것으로, 그 원리는 흡기 계통에 적절한 부하를 가해서 연소실의 최고 온도를 낮추는 것이다. 즉 연소실에서 필요한 연료와 공기의 혼합기 양을 감소시킨 효과는 NOx 생성 바로 직전 최고 연소온도를 그 이하로 만드는 것이다.

EGR이 설치된 자동차에서 CO 배출량이 변화하지 않으면서 NOx의 배출량이 변화를 나타내는 것은 EGR 밸브 또는 점화시기의 변동에 원인이 있는 것이다. EGR 밸브 고착 또는 진공상태가 변동되거나 밸브의 열림이 항상 동일하게 개방되지 않을 수도 있기 때문이다. 이런 경우에는 NOx 배출량의 변화를 가져오는 EGR 밸브를 통한 배기가스의 유입이 없거나 감소된 것이다.

삼원촉매장치를 설치한 차의 경우 NOx 부적합의 대부분 원인은 혼합기 제어장치의 결함이다. 삼원촉매장치는 CO, HC, NOx를 동시에 저감시키는 기능을 가지고 있기 때문에 삼원촉매장치라고 부르는 것이다. 하지만 삼원촉매장치의 정화효율은 엔진에 유입되는 공연비가 이론 공연비 상태를 정확히<