문명의 이기로 등장한 자동차가 인간 생활환경을 파괴하는 공해배출기로 변하고 있다. 늦게나마 정화기 부착을 의무화시켰으나 얼마만큼 실효를 거둘것인가. 그리고 배기 가스는 어떻게 배출되는가 살펴본다.
생존환경을 파괴시키는 배기가스공해
자동차 배기가스에 함유된 여러가지 독성이 대기를 오염시키고 인체에 해를 미치는 공해요소라는것은 이미 금세기 초에 확인되었다.
그런 뒤로 자동차 보유대수가 단연 많은 선진국 미국을 비롯한 유럽각국, 일본등에서 앞장서 예방과 규제를 꾸준히 강화해왔으나 아직 발본적인 청정대책이 나오지 않은채 논란은 계속되고 있다.
'고트립 다이믈러'(Gottlieb Daimler)와 '칼 벤츠'(Karl Benz)가 1885년에 실용성있는 신형차 디자인을 내놓아 자동차 시대가 열린지도 1백년이 지났다. 전세계의 자동차가 20세기에 들어설 때 2만대 미만이던 것이 1930년대에 1천5백만대가 되고 1980년 대에 들어와서는 3억대를 넘었다. 이렇게 늘어나는 동안에 공해요소도 대규모화되고 심각해져갔다.
그 중 한가지가 광화학스모그다. 자동차 배기가스가 대기 속에 배출되었을 때 그속에 함유된 탄화수소와 질소산화물이 상공에서 태양으로부터의 강한 자외선을 받아 광화학반응을 일으켜 대량의 과산화물 옥시던트를 발생시켜 광화학스모그(photochemical smog) 현상을 일으킨다. 보통 맑고 자외선이 강한 날에 발생된다고 하나 궂은 날이나 밤에도 발생한다는 사실이 확인되었다. 이 현상이 일어나면 옥시던트가 목이나 눈에 자극을 주어 사람의 목이 따끔따끔해지고 재채기가 나며 눈이 따갑고 눈물이 나온다. 심한 경우는 경련을 일으키다 의식불명이 되기도 한다. 이런 증세가 진전되면 두통 호흡곤란 폐수종 폐기종 기관지천식 잦은 감기 재생불량성빈혈 백혈병 폐암 등이 되어 목숨을 잃게까지 된다. 그런데도 아직 역학적조사는 미진한 상태다. 이점에 대해 서울대 의대 김건열교수(호흡기내과)는 "폐암등을 유발한다는 것은 중요한 일이므로 대도시의 실태조사를 빨리해야한다"고 주장했다.
광화학스모그가 최초에 확인된것은 1950년이었다. 생화학자 '아르키 하겐 슈미트'가 눈과 목이 아프다고 호소하는 주민이 늘어나는 로스앤젤레스에서 역학적으로 조사하여 그 원인이 자동차배기가스 등에 의한 광화학스모그 때문이라고 밝혀낸 것이다. 그 뒤 세계 곳곳에서 이 현상이 계속 생겨 심각한 과제로 다뤄져왔다. 1977년에 스톡홀름에서 열린 자동차배기가스 문제를 주제로 한 국제세미나에서는 자동차배기가스에 의해 폐암이 유발된 경우나 스웨덴에서 1백케이스나 보고되어 대책을 서두르기 시작했다.
일본에서는 최근에 이에 대비하여 스모그경보와 광학스모그경보 체제를 실시했다. 스모그 경보란 대기오염이 예상되는 기상조건일 때 예보를 발령하여 오염원을 줄이도록 하는 것으로 아황산가스농도 0.2ppm 이상인 상태가 2시간이상 계속될 때 주의보, 0.5ppm 이상으로 3시간 이상 계속되는 때는 경보, 0.7ppm 이상으로 2시간 이상 계속되는 때는 중대긴급경보로 정하고 있다. 또 광화학스모그경보는 옥시던트 농도가 높아져 광화학스모그가 발생될 기상조건(맑고 바람이 없는 상태)에 발령하여 주민들이 집밖으로 나가지 못하게 주의시키는 소극적인 행정주의보로 1시간 평균치 농도가 0.12ppm이상일때 발하며 0.4ppm일때는 중대긴급경보로 정해놓고 있다.
위험수준에 이른 한국의 오염치
자동차 보유대수가 1백50만대에 이른 우리나라도 자동차 배기가스에 의한 대기오염문제가 이미 심각한 상태에 이르렀다. 환경청은 86년에 국회에 낸 보고서에서 서울시내 터널의 질소산화물 농도가 기준치를 최고 16배나 넘고 일산화탄소도 5개소에서 기준치를 7배나 넘고 있다고 지적했다. 이밖에 서울을 비롯한 대도시의 대기오염도가 악화되고 있다는 데이타도 밝혔다. 이 지경이 되자 급기야는 그 대책으로 오는 7월1일부터 승용차의 배기가스 정화기 부착을 의무화시켰다. 자동차의 연료로 쓰는 개솔린에서 연소된뒤의 배기가스를 걸러 공해요소를 줄여보려는 시도다.
문제는 개솔린에서 부터
그러나 저공해를 위한 엔진설계 변경이나 정화장치 부착을 의무화했다해도 이에 따른 무연개솔린을 비롯한 저공해개솔린 공급체제가 아직 확립되지 않고 있어 문제가 되고있다. 이런 문제를 연관성 있게 체계적으로 해결해나가지 않으면 배출가스공해를 줄이기는 힘들다. 여기서 개솔린의 공해요소를 어떻게 해야하는가 하는 문제가 제기된다.
자동차용 개솔린은 옥탄가를 높여 그 연소속도가 너무 빠르게 되면 노킹보다 더 강한 디토네이션(폭발)을 일으켜 피스톤, 거젼 핀, 커넥팅 롯드, 크랭크샤프트등 중요부분을 상하게 하여 내구수명을 단축시키며 엔진을 파괴시키는 경우도 있다. 이를 막고 엔진이 효율높게 회전하도록 4에틸납 이라는 개솔린 첨가제를 섞어쓰고 있다. 4에틸납은 매우 맹독성이어서 배기가스에 섞여 소량으로 대기속에 배출되어도 인체에 해가 크다.
일본에서는 이런 위험을 알리는 소극적인 방법으로 납화합물을 첨가제로 혼합한 유연개솔린에 적색염료(자동차용), 청색염료(항공용)를 착색하여 표시하고 있다.
개솔린을 개량하는 방법으로는 개솔린의 성분중 옥탄가가 낮은 노말헥산 노말헵탄등을 빼고 벤젠 톨루엔 크실렌등 방향족 탄화수소를 늘려 옥탄가를 높이고 4에틸납 첨가량을 극력 줄이려는 것이 선진국의 개발방향이다.
그러나 이 방향족이 광화학스모그의 원인물질이 될 가능성이 많다는 것이 문제다. 또 엔진의 산화를 막고 개솔린이 잘 연소되도록 하기 위한 청정제로 방향족 아민이 첨가되기도 한다.이것은 인체의 신경이나 혈액에 강한 해를 주는 독성을 갖고 있다. 즉 무연 개솔린이 병합사용되어 납이 줄더라도 과산화물 등이 생겨 또다른 대기오염원이 되는 것이다. 이 단계에서 촉매기능으로 배기가스의 독소를 줄이는 방법이 연구개발되기 시작했다.
배기가스의 생성기구
그러면 배기가스는 어떤것이 있으며 어떤 과정으로 생기는가.
자동차에서 배출되는 가스는 배기와 블로우바이가스, 증발연료 등으로 나누어진다. 배기속에 함유된 여러성분 중 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(${NO}_{x}$)이 대기를 오염시키는 독성이 강한 물질이다. 그리고 블로우바이가스와 증발연료도 오염원으로 지적되고 있다. 이런 것이 모두 규제대상이 되어있는 것이 공업선진국의 추세다. 이런 규제를 바탕으로 엔진의 특성에 따른 배기가스 대책이 추진되어 신연소법, 신기구, 신재료 등이 개발되고있다 .
엔진 배기가스중의 HC CO ${NO}_{x}$는 모두 연료와 공기가 섞인 혼합기가 연소되어 생성되는 것이므로 배기가스 대책의 기본은 이런 생성 메카니즘을 살펴 대책인자를 찾아서 저감방식을 계획하고 있다.
①CO의 생성
완전혼합상태의 공기와 연료 비율이 공기과잉일때 CO는 제로가 된다는 것이 증명되어 있다. 그러므로 CO를 줄이기 위해서는 사용전역을 공기과잉으로 운전하도록 설계하고 안정된 운전성을 확보하기 위해서는 무화(霧化) 기화(氣化)와 분배향상이 필요하다.
②HC의 생성
엔진에서 배출되는 HC는 배기 속의 미연소 HC와 피스톤링에서 흘러나오는 블로우 바이가스속의 HC및 엔진 정지시에 카뷰레이터 플로트 챔버에서 증발하여 에어클리너를 거쳐 나오는 HC, 연료탱크의 니어벤트에서 나오는 HC로 나누어진다. 배기속의 HC생성요인은 CO보다 복잡하나 화학반응에 필요한 산소온도 시간 중 어느것인가가 빠진 경우에 생긴다.
연소실에서의 HC 생성은 연소실 벽의 불꽃이 꺼지면서의 발생(소염에 의한 발생), 연소실 디포지트의 흡착에 의한 배출, 감속할 때의 잔류가스 과다에 의한 실화, 혼합기 불균일에 의한 불완전 연소 배출 등에 의해 이루어진다.또 엔진이 냉각될 때나 가속할때와 같이 연료와 공기비율이 지나치게 짙을때도 생성된다.
그리고 운전조건에 따라서도 HC 배출량이 크게 변한다. 감속주행 때 실화로 잔류가스가 많아져 HC가 급증한다. 엔진시동때 많이 배출되는 것은 공기와의 혼합이 충분치 못하여 미연소상태로 배출되기 때문이다.
③${NO}_{x}$의 생성
연소실 안에서 생성된 ${NO}_{x}$의 대부분은 처음엔 NO이고 배출된 NO가 대기속에서 산화되어 ${NO}_{x}$가 된다. 즉 초기 연소 부분은 장시간 고온상태로 있으므로 연소가스속엔 NO의 생성이 진전된다. 그 뒤 연소가스의 팽창과 함께 분해가 진전되면서 NO농도도 저하되지만 분해속도가 느리기 때문에 온도 강하에 따르는 정도의 농도저하가 일어나지 않은채 고농도인 채로 배출된다. 그리고 묽은 혼합기 상태에서는 반응속도가 느리고 화염속도와 대응하는 평형온도에 이르지 못하나 분해속도도 느리므로 어느 수준의 농도에서 거의 동결된채로 배출된다. 한편 후기에 연소하는 부분은 연소가스의 온도는 낮고 실린더 안에 체류하는 시간도 짧아 NO농도가 화염온도에 대응하는 평형온도 보다 훨씬 낮은 농도로 동결된채 배출되어 배기중의 NO농도에 대한 기여도는 적다.
이상에서 살펴본 바와같이 HC와 CO는 불완전연소 때문에 생기므로 대책방법이 연료절감과 같은 방향이다. 이에 비해 ${NO}_{x}$는 오히려 완전연소 때문에 생성이 많아지는 것이므로 연소실 안에서 이 두가지의 동시대책은 어렵다.
배출가스대책 시스팀
연료자체에서 배기가스의 독소원인을 줄이는 것이 어렵다는 것이 밝혀지자 연소단계와 배출단계에서 다단계로 반응시키거나 저감시키는 방법이 개발되기 시작했다. 그 몇가지 방식을 살펴보자.
①엔진 모디피케이션 방식=배기대책을 목적으로 엔진 각부의 설계와 조정을 변경하여 엔진을 개조하는것을 말하며 배출가스대책의 기본이 되어있다. 이방법에 포함되는 것으로는 흡기가열컨트롤, 혼합비컨트롤, 배기재순환(EGR), 연소실형상 변경, 점화시기컨트롤, 배기계 반응촉진 등이 있다. 구체적으로 설명하면 배기계를 보온하여 CO나 HC의 반응을 촉진하는 것과 부연소실을 만들어 2단연소가 되게하여 희박영역에서의 연소를 안정시키는것 등이다. 또 배기계에서의 반응을 좀더 적극적으로 촉진시키기 위해 서멀 리액터를 장착한 방식도 있다.
②산화촉매방식=이그조스트 매니폴드 또는 배기관 중간에 산화촉매기기를 달아 CO와 HC를 반응시키는것이다. 산화촉매로서는 펠렛 형의 것과 허니캄형의 촉매컨버터를 쓴다. 이 방식은 물론 엔진 모디피케이션 방식과 곁들이는 것이다.
현재 이 방법을 채택한 차종이 많다. 촉매컨버터로 반응시키기 위한 에어펌프나 에어색션변을 사용하는 것과 대량 EGR일때 연소를 안정시키기 위해 연소실 형상이나 흡기포트형상을 변경시킨것, 2점점화를 하는것 등이있다.
③삼원촉매방식=배기속에 섞여 있는 HC CO ${NO}_{x}$를 동시에 하나의 촉매 컨버터로 저감시키는 방식이다. 전자연료분사와 O₂센서를 조합하여 피드백 제어를 하게 했다.
④산화환원촉매방식=환원촉매를 써 ${NO}_{x}$를 환원시키고 거기다 산화촉매로서 CO HC를 산화시켜 저감시키는 방식이다. 촉매의 내구성이 좋지않아 현재 거의 실용화되지 않고 있다.
⑤2사이클 엔진방식=기본적으로는 산화촉매방식인데 2사이클 특유의 대량의 HC배출때문에 촉매컨버터를 2단으로 단것이다. 1단계의 촉매컨버터는 허니캄형으로 고온에 잘 견디도록 향상시켰다.
