도로에는 수많은 자동차가 있으며 이는 잠재적인 대기 오염의 원인이 되고 있습니다. 특히 대도시에서의 모든 자동차가 만들어내는 오염의 양은 커다란 문제를 야기할 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 시, 주 및 연방 정부에서는 대기 오염 방지법을 제정하여 자동차가 만들어내는 배기 가스의 양을 제한하고 있습니다. 이러한 법률을 따르기 위해 자동차 제조업체에서는 자동차 엔진 및 연료 시스템에 많은 개량을 가하고 있습니다. 이들은 배기 가스의 방출을 더욱 줄이기 위해 촉매 변환 장치를 개발했으며, 이 장치는 배기 가스를 자동차에서 방출되기 전에 소진시켜 유해 물질을 많이 줄일 수 있습니다.
자동차 내에서 촉매 변환 장치의 위치
이 항목에서는 엔진에서 발생하는 유해 물질 및 촉매 변환 장치가 이러한 유해 물질을 처리하는 이유 및 방법에 대해 다룹니다. 촉매 변환 장치는 아주 단순한 장치인데 반해 놀라울 정도로 대단한 효과를 보여줍니다.
자동차 엔진에서 발생하는 유해 물질
배기 가스의 방출을 줄이기 위해 요즘에 나오는 자동차 엔진은 연소시키는 연료의 양을 신중하게 제어합니다. 이러한 엔진은 계산된 공기와 연료의 이상적인 비율인 이론공연비 점에 아주 근접하도록 공기와 연료의 비율을 유지합니다. 이론적으로는 이 비율에서 모든 연료는 공기 중의 산소를 모두 사용하며 연소됩니다. 휘발유의 경우, 이론공연비는 대략 14.7:1이며 이는 휘발유 1파운드에 대해 14.7파운드의 공기가 연소됨을 의미합니다. 실제로 운전 중 연료 혼합물의 비율은 이상적인 비율과는 약간의 차이가 있습니다. 혼합물은 어떤 경우에는 연료를 적게 함유(연료에 대한 공기의 비율이 14.7을 초과)할 수 있고 또 어떤 경우에는 연료를 많이 함유(연료에 대한 공기의 비율이 14.7 미만)될 수 있습니다. 자동차 엔진에서 주로 방출되는 가스는 다음과 같습니다.
- 질소 가스(N2) - 공기의 78%는 질소이며 대부분의 질소는 자동차 엔진을 문제 없이 통과합니다.
- 이산화탄소(CO2) - 연소의 산물 중 하나입니다. 연료에 있는 탄소는 공기 중의 산소와 결합합니다.
- 수증기(H2O) - 연소의 또 다른 산물입니다. 연료에 있는 수소는 공기 중의 산소와 결합합니다.
이러한 배기 가스는 비록 이산화탄소 가스가 지구 온난화의 원인이라고 여겨질지라도 대부분 해롭지 않습니다. 하지만 연소 과정이 완전하지 않으므로 자동차 엔진에서 다음과 같은 해로운 가스가 조금 발생하게 됩니다.
- 일산화탄소(CO) - 무색, 무취의 유독 가스입니다.
- 탄화수소 또는 휘발성 유기 화합물(VOC) - 태양광선을 흡수하여 산화체 형태로 해리된 미연소된 연료에서 대부분 생성되며 질소 산화물과 반응하여 스모그의 주성분인 지상 오존(O3)의 원인이 됩니다.
- 질소 산화물(NO 및 NO2, 둘 다 NOx로 불림) - 스모그 및 산성비의 원인이 되며, 인체의 점막을 자극하는 원인이 되기도 합니다.
주된 규제 대상 배기 가스는 위 세 가지이며, 촉매 변환 장치는 이 배기 가스의 양을 줄이도록 고안되었습니다.
촉매 변환 장치가 유해 물질을 줄이는 방법
요즘에 나오는 대부분의 자동차에는 3원 촉매 변환 장치가 장착되어 있습니다. "3원"은 이 장치가 줄여주는 세 가지 규제 대상인 배출물, 즉 일산화탄소, VOC 및 NOx 미립자를 말합니다. 변환 장치는 환원 촉매와 산화 촉매라고 하는 두 가지 다른 종류의 촉매를 사용합니다. 두 종류 모두 흔히 백금, 로듐, 팔라듐 금속 촉매로 코팅된 세라믹 구조로 이루어져 있습니다. 이는 촉매의 최대 표면적을 배기 가스 흐름에 노출시키는 구조를 만들고 동시에 매우 비싼 촉매의 양을 최소화하기 위해 고안되었습니다.
  
3원 촉매 변환 장치는 다음과 같습니다. 두 개의 개별 촉매
촉매 변환 장치에서는 허니컴형과 세라믹 구슬형의 두 가지 구조가 사용됩니다. 오늘날 대부분의 자동차는 허니컴형 구조를 사용합니다.
 세라믹 허니컴형 촉매 구조
환원 촉매
환원 촉매는 촉매 변환 장치의 첫 번째 단계이며, 백금과 로듐을 사용하여 NOx 방출을 줄입니다. NO 또는 NO2 미립자가 촉매를 만나면 촉매는 미립자에서 질소 원자를 빼앗아 가져가 산소를 O2 상태로 분리시킵니다. 질소 원자는 촉매에 붙어 있는 다른 질소 원자와 N2 상태로 결합합니다. 예:
2NO => N2 + O2 or 2NO2 => N2 + 2O2
산화 촉매
산화 촉매는 촉매 변환 장치의 두 번째 단계입니다. 산화 촉매는 백금과 팔라듐 촉매를 통해 미연소된 탄화수소 및 일산화탄소를 연소(산화)시켜 줄입니다. 이 촉매는 배기 가스에 남아 있는 산소를 사용하여 CO와 탄화수소의 반응을 촉진시킵니다. 예:
2CO + O2 => 2CO2
하지만 이 산소는 어디에서 생성되었을까요?
제어 시스템
세 번째 단계는 배기 가스의 흐름을 탐지하고 이 정보로 연료 분사 시스템을 제어하는 제어 시스템입니다. 촉매 변환 장치의 산유 단계에 산소 센서가 장착되어 있으며 이는 변환 장치보다 엔진에 더 가깝습니다. 이 센서는 배기 가스에 있는 산소량을 엔진 컴퓨터에 알려줍니다. 엔진 컴퓨터는 공기와 연료의 비율을 조정하여 배기 가스의 산소량을 늘리거나 줄일 수 있습니다. 이 제어 체계를 통해 엔진 컴퓨터는 이론공연비 점에 근접할 때 엔진을 가동할 수 있으며 산화 촉매가 미연소된 탄화수소와 CO를 연소시킬 수 있도록 배기 가스에 충분한 양의 산소가 있는지 확인합니다.
유해 물질을 줄이기 위한 기타 방법
촉매 변환 장치는 유해 물질을 줄이는 데 큰 역할을 하나 앞으로도 충분한 개량의 여지는 있습니다. 가장 큰 결점 중 하나는 고온에서만 작동한다는 사실입니다. 추운 곳에서 자동차의 시동을 걸면 촉매 변환 장치는 배기 가스 내의 유해 물질을 줄이는 작업을 거의 하지 않습니다.
촉매 변환 장치를 엔진 쪽으로 더 가까이 옮기면 이 문제를 간단하게 해결할 수 있습니다. 이는 보다 높은 온도의 배기 가스가 변환 장치에 도달하여 더 빨리 온도를 상승시킴을 의미합니다. 하지만 이렇게 하면 변환 장치가 초고온에 노출되어 수명이 짧아질 수도 있습니다. 대부분의 자동차 제조업체에서는 작동 온도가 해가 되지 않는 수준으로 유지되도록 변환 장치를 앞좌석 밑에 부착하여 엔진과 적당한 거리를 둡니다.
촉매 변환 장치를 예열하는 것도 유해 물질을 줄일 수 있는 좋은 방법입니다. 전기 저항 히터를 사용하면 가장 쉽게 변환 장치를 예열할 수 있습니다. 불행하게도 대부분 자동차의 12볼트 전기 시스템은 촉매 변환 장치를 빨리 예열하는 데 필요한 에너지를 충분히 제공하지 못합니다. 사람들은 대부분 자동차를 몰기 전에 촉매 변환 장치를 예열할 잠깐의 시간도 기다리지 않습니다. 하이브리드 자동차에는 대용량의 고압 배터리 팩이 들어 있어 촉매 변환 장치를 아주 빨리 예열할 수 있는 에너지를 충분히 제공할 수 있습니다.
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