대형트럭 & 버스 배출가스 종류와 정화방식

오늘은 대형트럭과 버스에서 주로 배출되는 매연의 종류에 대해 알아보고 이런 배출가스를 정화하기 위해 어떤 시스템이 적용되어 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

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배출가스 규제 배경.

지구 온난화에 따라 전 세계가 직면한 환경문제를 해결하기 위해 온실가스의 배출량을 줄이는 것이 세계적 협력의 추세입니다.

 

우루과이라운드 이후 그린라운드가 새로운 무역 규제 장벽으로 등장하면서 환경에 대한 인식 증대로 자동차 배출가스 규제 필요성에 대한 세계적 합의점이 형성되어 각종 협약 및 규제가 시행되었습니다.

유로(EURO) 배출가스 규제.

유럽연합의 디젤차 배출가스 규제로 1970년대 미국 캘리포니아주의 규제인 머스크법을 기본으로 제정하여 1992년 유로 1 규제가 처음으로 시작되었습니다.

 

해를 거듭할수록 규제는 지속적으로 강화되어 현재는 유로 6까지 규제가 적용되어 있습니다. 유로 6가 최초로 적용된 시점을 2014년 1월입니다.

 

국가별로 유로 규제와 유사한 배출가스 규제를 시행하고 있고 선진국들은 배출가스 규제 강화를 통해 수입차에 대한 자국 시장 진입장벽을 높이고 있습니다.

 

국내는 대기환경 개선을 통한 국민건강 보호와 세계 5위 자동차 수출국으로서의 산업 경쟁력 제고를 위해 국제 수준의 기준으로 자동차를 생산하고 있으며 유로의 배출가스 규제를 적극적으로 적용하여 시행 중입니다.

 

유로 6의 규제를 기준으로 생산된 현대 상용트럭 및 버스에는 EGR 시스템, SCR 시스템, DPF 시스템이 모두 적용되어 있습니다.

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탄화수소

탄화수소 Hydrocarbons: HC.

탄화수소는 석유의 주축을 이루는 성분입니다. 상온에서는 프로판 가스형태로 존재하거나 휘발유 또는 경유 같은 액체형태로도 존재할 수 있습니다.

 

탄화수소가 발생하는 주원인은 엔진 내에서 연료가 미처 연소되지 못하여 발생합니다. 연소되지 못한 연료는 흰색 또는 푸른색 매연으로 배출되며 눈이 따가운 것이 특징입니다.

 

탄화수소를 줄이기 위해서는 정확한 분사시기와 분사량 제어가 필요하며 이는 각 센서에서 들어온 데이터값을 이용해 엔진 ECU에서 판단하게 됩니다.

 

분사시기와 관련이 높은 센서는 크랭크 샤프트 포지션 센서와 캠 샤프트 포지션 센서입니다.

 

상용차량에서는 분사시기에 영향을 줄 수 있는 타이밍기어가 틀어지거나 실린더 헤드 쪽 밸브의 파손, 시드링의 이탈 등으로 압축압력이 약해져 불완전 연소된 연료가 배출될 수 있습니다.

H엔진 타이밍 기어 틀어짐 / 실린더헤드 배기밸브 파손

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일산화탄소

일산화탄소 Carbon Monoxide: CO.

일산화탄소는 무색무취의 기체로 일명 연탄가스로 잘 알려져 있습니다. 탄화수소와 동일하게 연료가 엔진 연소실 내부에서 불완전 연소되는 것이 주 발생 원인입니다.

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질소산화물

Nitric Oxides: NOx.

질소산화물은 1700℃ 이상의 엔진 연소실 조건에서 대기의 80%인 질소가 산소와 결합하여 발생하게 됩니다. 환경파괴를 일으키는 치명적인 배출가스로 오존층을 파괴하며 산성비를 내리게 하는 주요 원인입니다.

 

연소실에서 생성되는 NOx의 농도는 산소농도와 높은 반응온도의 영향을 크게 받습니다.

 

디젤기관은 연소실에 분사된 연료의 자기 착화를 확실하게 보장하기 위해 연소실 내 공기의 온도가 충분히 높아야 하기에 NOx가 많이 배출됩니다.

 

주로 엔진 연소실의 온도가 높을 때 많이 발생하며 크게 2가지의 정화방식이 적용됩니다.

 

첫 번째는 연소방식의 변경입니다. 폭발압력은 유지하면서 연소온도를 낮추는 방식으로 연료의 분사시기를 지각시키거나 EGR 같이 배출가스 재순환 시스템을 통해 엔진 온도를 낮추기도 합니다.

 

두 번째는 후처리 방법으로 SCR 시스템을 적용하는 것입니다. 주로 유로 6가 적용된 차량에 장착되어 있으며 배기라인에 요소수를 분사하여 질소산화물의 분자구조를 바꿔주는 선택적 촉매환원법입니다.

배출가스 재순환 시스템 (EGR)

EGR: Exhaust Gas Recircultion.

재순환된 배기가스에는 n2에 비해 열용량이 큰 CO2가 많이 함유되어 있어 동일한 양의 연료를 연소시킬 때 온도 상승률이 낮아집니다.

 

일반 공기에 비해 산소함량이 적은 배기가스가 연소에 관여하게 됨으로 연소속도가 감소하여 연소최고 온도가 낮아지게 됩니다.

 

배기가스를 냉각시켜 재순환시키면 효과가 더욱 크지만 반면에 혼합기의 착화성을 불량하게 하고 기관의 출력은 감소합니다.

 

유로 5가 적용된 트라고나 뉴 파워트럭의 경우 EGR 라인을 막아 버려도 크게 감지는 못하는데 유로 6가 적용된 엑시언트나 마이티를 막아 봤더니 바로 EGR 유량 낮음 고장코드가 발생했습니다. 

 

큰 틀에서 보면 정화 시스템 동일한데 작동상태를 모니터링하는 센서들이 추가되다 보니 편법으로 막는 것이 불가합니다.

DPF와 SCR 시스템

SCR: Selective Catalytic Reduction.

배기관에 요소수를 분사하게 되면 고온으로 인해 암모니아로 변환하게 됩니다. 암모니아는 질소산화물과 화학반응을 일으켜 NOx의 분자구조를 바꾸게 되고 N2와 H2O로 변환되어 배출되게 됩니다.

요소는 주상결정의 고체 상태이나 물과 합성하여 수용액 상태인 요소수로 사용합니다. 농도는 32.5% 정도 나와야 합니다.

연료 대비해서 요소수는 4~5% 소모되며 겨울철 어는 빙점은 -11℃ 정도입니다.

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입자상 물질

입자상 물질 Particulate Matter: PM.

입자상 물질은 경유차에서 주로 발생하는 물질로 연료가 미처 타지 못하고 발생하는 매연으로 주 성분은 탄소입니다. 우리가 흔히 부르는 검댕이가 바로 입자상 물질이며 Soot라고 표현하기도 합니다.

 

입자상 물질은 인체에 상당히 해로운 발암물질로서 주로 호흡기 질환을 일으키며 폐암의 원인이 됩니다.

 

경유는 휘발점이 높음으로 연소실 내에서도 미처 기화되지 못하는 경우가 있어 이것이 검은 매연으로 배출됩니다. 가끔씩 화물차 뒤를 따라가도 보면 검은 매연이 쏟아져 나오는 경우가 있는데 이것이 입자상 물질 PM입니다.

 

입자상 물질은 유로 5일 때는 PMC를 통해 포집하였으나 유로 6으로 넘어오면서 DPF 필터가 장착되어 90% 이상의 포집률을 보여줍니다. 

 

일정량 이상 포집된 검댕이는 주기적으로 소각해줘야 하며 이는 자동재생, 수동재생, 강제재생을 통해 이루어집니다.

유로6 DPF 필터와 클리닝

하지만 아무리 재생을 비번하게 해줘도 100% 검댕이가 없어지는 것은 아니고 잔류 재라는 것이 차츰 쌓이게 됩니다. 이는 차종에 따라 달라지지만 20~30만 km 주기로 DPF 클리닝을 통해 잔류재를 털어내줘야 합니다.

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정비사례 모음

상용차량에 대한 다양한 정비사례가 주기적으로 업데이트되니 관련업무에 종사하거나 자가정비에 도전해 보실 분들은 참고해 보기 바랍니다.

DPF 클리닝 청소

 

요소수 부족 시 발생현상

 

DPF 수동재생 방법