배기가스 줄이기(1편), 엔진 속 불꽃을 다스리는 법과 촉매의 탄생

 

자동차가 우리 몸에 유해한 여러 가스들을 뿜어내고 있는 것도 사실이지만, 다른 한편으로 보면 이미 자동차라는 것은 우리의 생활에 너무 깊이 들어와 있어 자동차 없이 살아간다는 것은 이제는 더 이상 상상할 수 없는 일이 된 것도 사실입니다. 자동차도 계속 타고, 또 우리가 살아가는 환경도 더 이상 나빠지지 않게 하려면 깨끗한 자동차, 즉 유해한 배기가스를 덜 뿜어내는 자동차를 만들어내는 수밖에 없습니다.

그러면 어떤 방법이 있을까요? 자동차의 엔진을 아예 내연기관이 아닌 전기모터나 화석연료를 쓰지 않는 제3의 동력원으로 바꾸지 않는 한, 즉 지금과 같은 내연기관을 장착한 상태로 배기가스를 적게 내뿜는 자동차를 만들어내는 방안은 크게 두 가지로 나누어 생각할 수 있습니다.

• 첫째, 엔진의 연소실 안에서 연료가 탈 때 아예 유해가스가 작게 발생하는 구조로 엔진을 만드는 것

• 둘째, 일단 연료가 연소될 때 유해가스가 만들어졌다 하더라도 이것이 대기 중으로 나오기 전에 유해하지 않은 것으로 전환하는 방법

연소실 안에서 유해가스를 줄이는 기술적 접근

연소될 때 유해가스를 줄이는 방법은 유해가스가 연소실에서 발생하는 원인을 따져보면 유추가 가능합니다.

먼저 탄화수소(HC)가 발생하게 되는 메커니즘은 간추려 보면, 혼합기의 공연비가 너무 진하여 연료의 일부가 공기 중의 산소를 만나지 못하는 경우, 연소의 화염이 전파되지 못한 연소실의 후미진 곳에 끼여 있던 혼합기가 그대로 배출되는 경우, 그리고 마지막으로 점화계통의 이상이나 공연비가 너무 희박하여 불에 타지 못하고 밖으로 나오는 경우(실화-misfire)가 있습니다.

실화로 인하여 발생하는 탄화수소는 제어가 어렵지만, 그 밖의 원인으로 발생하는 탄화수소는 혼합기의 공연비를 이론공연비에 맞게 정확하게 조절하고, 또 연소실의 모양을 되도록 둥글고 후미진 부분의 면적이 작게 설계함으로써 최대한 감소시킬 수 있습니다. 스파크 플러그에서부터 출발한 화염이 연소실의 구석구석에 골고루 미칠 수 있게 만드는 것이지요.

일산화탄소(CO)는 주로 혼합기의 공연비가 필요 이상으로 진하여 미처 충분한 양의 산소를 만나지 못해 발생한 것이니까, 이것 역시 공연비가 진하게 되지 않도록 잘 조절하면 그 발생량을 많이 줄일 수 있습니다. 질소산화물(NOx)은 공기 중의 질소가 고온에 의하여 산소와 결합한 것이니 연소의 온도를 낮추어 주면 어느 정도 줄일 수가 있습니다.

엔진의 대명제: 연소 제어의 한계와 후처리 장치의 필요성

그러나 위와 같이 연소과정 중에서 유해가스의 발생을 줄이는 데는 어느 정도 한계가 있는 것이 사실입니다. 유해 배기가스의 발생량도 줄여야 하지만, 배기가스 때문에 엔진의 궁극적인 목표인 '힘(출력)'을 발생시켜야 한다는 대명제를 훼손시켜서는 안 되기 때문입니다.

따라서 일단 엔진 안에서 유해가스가 발생 되었지만 이것을 대기 중으로는 나가지 않게 하는 '후처리 방법'이 엔진의 성능을 훼손하지 않고 배기가스를 줄이는 가장 효과적인 대안이 되며, 현재 많이 쓰이고 있는 방법입니다. 이 후처리의 대표적인 장치가 바로 촉매를 이용해 유해가스를 유해하지 않은 성분으로 전환하는 '촉매 장치(Catalytic Converter)'입니다.

자동차를 위로 들어 놓고 아래쪽에서 쳐다보면 엔진이 보이고 배기관이 엔진으로부터 자동차의 꽁무니까지 죽 연결된 것이 보입니다. 그 사이에 몇 개의 통들이 달려 있는데, 엔진으로부터 가장 가까운 곳에 달려있는 자라등 모양의 것이 바로 이 촉매 장치입니다. 다음 2편에서는 이 촉매 장치가 어떻게 마법처럼 가스를 정화하는지 그 내부 메커니즘을 상세히 제어해 보겠습니다.