최원주/한국교통안전공단 진주자동차검사소 소장-대기환경보호, 대기오염물질을 줄이기 위한 자동차 기술

대기환경보존을 위한 정부의 노력으로 제작자동차 기준 배출물의 규제는 나날이 강화되고 있으며 운행자동차의 배출가스와 디젤 자동차 매연 배출물 또한 규정이 강화되고 있다.

배출가스는 크게 2종류로 나뉘게 된다. 첫 번째 자동차에서 연소한 가스가 배출구를 통해 발생하는 배기 배출물, 두 번째 배기 배출구를 제외한 엔진 또는 연료저장탱크에서 발생하는 대기환경오염물질로 구분된다.

▲혼합기가 연소되어 배기다기관을 통해 배출되는 배기 배출물-첫 번째인 자동차에서 연료가 연소하여 배기 다기관을 통해 배출되는 물질은 일산화탄소(CO Carbon Monoxide), 탄화수소(HC Hydro Carbons), 질소산화물(NOx Nitrogen Oxides), 매연미립자(PM Particulate Matters)로 구분되며 해당 물질의 인체에 미치는 영향을 다음과 같다.

▶배기 배출물이 인체에 미치는 영향-일산화탄소(CO Carbon Monoxide)는 연료가 불완전 연소할 때 주로 발생하는 무색, 무취의 가스로 사람이 흡입하였을 경우 카르복시헤모글로빈을 형성하여 혈액 중 혈색소와 결합 능력이 산소와 비교하면 약 300배 정도 강해 극히 적은 양의 호흡으로도 적혈구 세포에 의한 산소흡수를 방해함으로써 혈액 중 산소운반능력을 감소시켜 산소결핍증을 유발해 중독 또는 사망에까지 이를 수 있게 된다.

탄화수소(HC Hydro Carbons)는 일산화탄소와 같이 불안전 연소 중 발생할 뿐만 아니라 블로바이가스나 연료의 주유 시 발생하는 증발가스, 연료저장탱크 내의 기온변화로 인해 발생하는 가스를 통해 발생하며 인체에 미치는 영향으로는 발생한 가스의 알데하이드의 해당 물질이 피부, 눈, 점막 등을 심하게 자극하게 된다.

질소산화물(NOx Nitrogen Oxides)의 질소는 공기의 약 78%를 차지하고 있으며, 안정된 원소로 간단하게 산화되지는 않으나 연소실 안 또는 배출되는 과정을 통해 고온고압에서의 연소 시 공기와 산화하여 질소산화물이라는 배출물이 된다. 이는 체내에 침입하여 깊이 허파꽈리에 까지 도달하고 수 시간 내에 호흡 곤란을 수반한 폐부종 염종을 일으키는 독성이 아주 강한 물질이다.

매연미립자(PM Particulate Matters)는 크기가 작을수록 호흡기계를 쉽게 통과하여 하부 기관지와 폐 실질까지 침착하게 되며, 인체에 대한 손상을 가중한다. 미립자가 인체의 호흡기를 통해 흡수되는 과정에서 인체의 일차 방어막인 피부와 눈, 코, 인후 점막에 직접 접촉하여 물리적 자극과 국소 염증반응을 유발하게 된다.

▲배기 다기관을 통해 배출되는 배출물을 제외한 배출가스-기본적인 배출가스와 제어장치로는 ‘블로바이 가스 제어장치’, ‘연료 증발가스 제어장치’ 등이 있으며 이는 가장 기초적인 기술로 자리 잡고 있다.

▶블로바이 가스 제어장치-블로바이 가스 제어장치는 경부하 및 중부하일 경우에는 PCV 밸브(Positive Crank case Ventilation Valve : 강제 환기 밸브)의 열림 정도에 따라서 유량이 제어되어 흡기 다기관 또는 서지 탱크로 들어가게 되며 급가속을 하거나 고 부하 상태에서는 흡기 다기관 진공이 감소하여 PCV 밸브의 열림 정도가 작아지게 되므로 블로바이 가스는 이 진공을 이용하여 블리더 호스를 통하여 흡기다기관 또는 서지 탱크로 들어가 흡입되는 새로운 공기와 같이 재연소 된다.

블로바이 가스는 엔진의 피스톤과 실린더 틈새에서 크랭크케이스에 누출되는 가스로 미연 탄화수소가 많고 주로 압축 행정 중에 누출되는 것이며 배출량은 중부하의 경우에서 가장 많이 배출된다. 블로바이 가스의 성분은 미연 가스가 80~85%, 연소가스가 15~20%로 되어 있고 일산화탄소(CO)는 배출가스와 비교하면 극히 적은 편이다.

▶연료 증발가스 제어장치-연료장치에서 발생한 증발가스를 캐니스터에 포집한 후 PCSV 밸브(Purge Control Solenoid Valve : 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브)의 제어로 흡기 다기관을 통하여 연소실로 보내어 연소시킨다.

캐니스터는 엔진이 작동하지 않을 때 연료장치에서 발생한 증발가스를 캐니스터 내의 환성탄에 저장하였다가 엔진이 작동되면 PCSV 밸브를 통하여 서지 탱크로 유입되도록 제어하며 PCSV 밸브는 캐니스터에 저장된 연료 증발가스를 제어하는 장치로 엔진의 온도가 낮거나 공회전할 때는 PCSV 밸브가 닫혀 연료 증발가스가 서지 탱크로 유입되지 않고 엔진이 정상 온도에 도달하면 엔진제어유닛에 의하여 캐니스터에 저장되었던 연료 증발가스를 서지 탱크로 보내지게 된다.

연료 증발가스는 연료탱크와 기화기에서 발생하는 탄화수소(HC)로 나눌 수 있다. 연료 탱크에서의 발생은 연료 탱크의 온도 변화에 의한 내부 증기에 의해 발생되는 것으로 브리더 호스를 통해 대기 중에 방출되는 것이다. 또는 기화기에서의 증발은 플러터실에서 발생된 탄화수소(HC)가 에어크리너를 통해 대기에 확산하는 것으로, 증발가스는 과열 엔진을 정지시킨 후에 주로 발생한다.