지난호에는 배출가스 검사 결과 측정값 차이의 분석방법과 배출가스 상호 관계의 특성에 대해 알아보았다. 이번호에는 삼원촉매 장치의 역할과 기능, 종류와 구조에 대해 알아본다. 삼원촉매의 역할을 먼저 소개하고 이어서 삼원촉매 장치 그 이면에 숨어있는 배기가스 제어 테크닉(Emission Control Technics) 계통에 대한 내용을 자세히 설명한다
송영배 「교통안전공단 충남 홍성검사소 소장」
삼원촉매(TWC: Three Way Catalytic Converter)는 검사원이나 정비사들에게 배기가스를 정화하는 장치로서 대기 오염을 방지하는데 큰 역할을 한다는 정도로 대부분 알고 있을 듯 싶다.
이번 글에서는 삼원촉매의 역할을 먼저 소개하고 이어서 삼원촉매 장치 그 이면에 숨어있는 배기가스 제어 테크닉(Emission Control Technics) 계통에 대한 내용을 자세히 설명한다. 이 내용을 설명하다보면 산소센서의 역할과 구조, 후처리 기술도 좀 더 구체적으로 알 수 있으며 향후 신기술의 방향과 이에 대응하는 자동차의 기술흐름도 예상할 수 있을 것이다.
●촉매반응(catalytic reaction)
촉매(catalyst)란 그 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진시켜 주는 물질을 말한다. 자동차에서 촉매기란 배기가스중의 유해물질을 산화(oxidation) 또는 환원(reduction) 반응을 통해 무해한 물질로 변환시켜주는 장치를 말한다.
일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)는 산화 반응해 이산화탄소(CO₂)와 수증기(H₂O)로 변환된다. 그리고 질소산화물(NOX)은 환원 반응해 질소(N₂)와 산소(0₂)로 분리되고 분리된 산소(0₂)는 다시 일산화탄소(CO)와 반응해 이산화탄소(CO₂)가 된다.
이렇게 되는 것은 일산화탄소와 탄화수소, 산화질소 모두의 분자 화합이 촉매 속에서 매우 약해져서 각 원자가 분리되면서 재 화합을 하게 되는 것이며 이것은 일부 귀금속의 촉매 역할에 의해 가능해진 것이다. 이것을 이용해 만들어진 것이 삼원촉매 장치이며 이것을 가능하게 제어하는 것이 산소센서라고 할 수 있다.
●촉매 변환기 역할과 기능
촉매변환기는 배기장치 내에 조립되어 배기가스 중의 HC, CO, NOx를 고온상태에서 정화 하는 장치로서 대기오염을 방지하는데 큰 역할을 한다. 촉매 변환기의 정화 효율을 가능하게 하는 것이 산소센서이며 람다(λ) 0.99~1.0 일 때 정화 효율이 가장 높다.
촉매 변환기 내부에서 정화작용을 진행하는 과정에서 중요한 것은 배출가스 NOx를 정화하기 위해 연소 행정 중에 생성되는 CO와 화학 반응을 진행해야 정화 작용이 가능하다. 따라서 배기가스 중의 NOx를 저감시키기 위해 배기가스에는 일정량의 CO농도가 포함되어야 정화 효율이 높다.
그리고 연소실 혼합비가 이론적 혼합비 14.7:1(공기비 λ=1)에서 정화효율이 가장 좋으며 배기가스 중 NOx 정화효율은 EGR 밸브 기능에 의해 감소하는 효율보다 촉매 변환기에서 NOx를 정화하는 효율이 높다. 전자 제어 엔진의 경우 배기가스에 포함된 NOx의 10~20% 정도는 EGR 밸브 작용에 의해 저감되어지고 나머지 80~90%는 촉매 변환기에 의해 정화한다.
●촉매기의 종류
1. 정화 방법에 의한 종류
(1) 1상 산화촉매기
(Single-bed Oxidation Catalytic Converter)
