가솔린엔진 촉매장치
▶ 가솔린 촉매란?
- 촉매는 가솔린 엔진의 배기가스 정화장치임. 디젤차는 DPF가 있음. 흔히 우리는 삼원 촉매장치라는 말을 많이 들었는데, 가솔린 차량이 연소하면 배출가스로 HC(Hydrocarbon, 탄화수소), CO (Carbob Monoxide, 일산화탄소), NOx(Nitrogen Oxide, 질소산화물) 이 세 가지 유해 물질을 줄여주기 위한 장치를 우리는 삼원 촉매장치(Three way catalysis)라 부른다. 예전에는 NOx 를 제외한 이원촉매를 사용했었는데, NOx가 산성비, 호흡기질환, 오존 파괴 등의 문제를 야기함.
▶ 촉매 작동 원리 및 특징
Catalytic Active Material 과 반응하여, 물, 이산화탄소, 질소로 반응되어 유해한 물질에서 무해한 물질로 변환해 줌.
- 촉매는 자기 자신은 변화지 않으면서 산화와 환원에 의해 유해 물질 수준을 낮추고 무해한 가스로 변환
- 산화촉매 - Pt(백금), 팔라듐(Pd) / 화학적으로 분해 -> NOx, CO의 O를 분해
- 환원촉매 - Ph(로듐) / 화학적으로 결합 --> N를 N2로, CO를 CO2로
▶ 촉매장치의 정화능력은 산소 농도에 따라 성능이 달라진다.
삼원 촉매장치의 정화 능력은 배기가스 안에 있는 산소의 농도에 따라 성능이 달라진다.
산화 반응에서 O2 결합하여, H2O, CO2가 생성되기에, 산소가 충분히 있어야 촉매 반응이 좋아짐.
그러면 산소의 농도는 어떻게 조절하나? 바로 공연비에 있다.
이론공연비 14.7:1 연료가 이상적으로 가장 탈 수 있는 조건으로 공기 14.7 vs 연료 1의 비율이다.
14.7보다 낮으면 농후 상태로 연료가 많이 들어가고, 14.7 이상이면 희박 조건으로 연료가 적게 들어간다.
14.7보다 높으면 노킹이 발생하지만, 또 그 이상을 넘어가면 노킹이 사라진다.
희박 연소를 이용하는 엔진이 린번 엔진이다. 아반떼 린번 기억하려나 모르겠네. 현대 알파엔진으로 연소실 와류를 이용하여 점화플러그 근처로 연료를 보내줘, 희박 조건에서 연소가 가능하게 만든 기능이다. 22~23:1 공연비를 유지하는데, 기본적으로 공연비가 낮아서 출력이 낮다.
인젝터의 기술이 발달하여 연료는 무한대로 넣어줄 수 있으나, 공기량이 한정적이어서 아무리 과급 차량이어도 2~3Bar를 넘어갈 수 없다.
이론 공연비 상태에서 촉매 성능이 가장 좋음
이론 공연비를 람다 값이라 부르며, 람다 1일 때 세 가지 촉매변환효율이 80%를 넘음
세 가지 촉매변환효율이 80% 이상이 되는 시점은 이상 공연비인 14.7이다.
약간 셌는데,
이러한 공연비를 조절하는 중요한 부속이 산소센서다.
촉매 전단에 설치하는 것이다.
산소센서란 연소실에서 폭발 후 나오는 배기가스가 산소센서를 통해 촉매로 들어간다. 연료 비율을 최적으로 맞추기 위해서 배기가스 중에 산소 농도를 확인하여 공연비를 조절한다. 차가 갑자기 꿀럭이거나 연비가 안 좋아지거나 진동이 발생한다? 산소센서가 배기가스의 산소농도 이상을 감지하여 공연비를 조절한다고 이해하면 된다.
▶ 촉매는 400 °C 넘어야 제 성능을 낼 수 있다.
삼원촉매장치는 400 °C 에서 촉매 반응이 가장 잘 되며, 유해 배출가스를 줄일 수 있음
바로 여기에서, 우리는 알 수 있는 부분이 있다. 처음에 시동을 켜면 엔진 RPM이 올라가는 이유다.
단순하게 엔진을 데우기 위한 것이 아니라, 촉매의 효율을 높여 매연을 줄이기 위한 방법인 것이다. 그렇기 때문에 지하주차장에서 예열한다고 오랫동안 시동을 켜 놓은 채 있으면 안 되는 이유가 바로 이것이다.
촉매장치의 성능은 400 ° C 가 넘어야 최대 효율이 나온다.
초기 속도가 낮은 구간은 연료를 많이 태워서 가속을 해야 한다.
그래서 탄화수소, 일산화탄소가 많이 나오고, 속도가 붙으면 가속하지 않고 탄력 운행이 가능하기에 탄화수소, 일산화탄소가 줄어든다.
초기보단 희박한 상태가 되기 때문에 질소산화물 발생이 늘어난다.
연료가 많이 소모되는 상태 람다 값이 1 이하일 경우. 즉, 가속페달을 밟아 엔진의 회전수를 올릴 때는 HC(Hydrocarbon, 탄화수소), CO (Carbob Monoxide, 일산화탄소) 발생이 높고,
연료소모가 없는 상태, 람다값이 1 이상일 경우, 즉, 가속페달을 사용하지 않는 Idle 상태 경우(Cold Start 제외)
NOx(Nitrogen Oxide, 질소산화물) 발생이 높은 걸 알 수 있다.
▶ 산소센서 이상 시, 노킹 발생 가능성?
현대 GDI엔진은 노킹이라는 숙명을 달고 태어났다. 그런데, 고속에서 때리는 노킹은 공연비와 점화 타이밍의 조절로 컨트롤이 될 것이며 이는 제조사에서 노킹 센서 등을 통해서 Default 값으로 보정할 수 있도록 설정해 놨다.
그렇다면, LSPI 경우는 어떻게 해결해야 한단 말인가?
일단 Closed loop 상태인 무부하 Idle 상태와 부분부하(보통 악셀링 80% 이하)는 단기연료보정을 통해 순간적인 공연비를 조정한다.
좀더 쉽게 말하면, 산소센서를 통해서 배기가스의 산소 농도를 측정하고, 그에 따라 공연비를 조절하여 신린더 내 연료를 넣을지, 공기를 넣을지 조절한다는 뜻이다. 여기서 단기란 뜻은 시동 끄면 사라진다는 의미로, RAM과 같이 전원이 꺼지면 휘발성으로 사라짐.
따라서, 산소센서가 고장이 나면 이 단기연료보정을 못하기 때문에 저속에서 노킹의 우려가 있다.
그러나 재미있는 건, 풀악셀 상태는 장기연료보정을 통해 Defaul 값으로 성정된 수치에 의한 조정으로 산소센서와 관계가 없다는 것이다.
저속에서 '탁탁' 튀는 노킹이 생긴다면, 산소센서도 의심해봐야 할 것 같다.
또한, 오일먹는 차량들이 촉매쪽에 데미지를 주게되면, 촉매가 손상되면서 촉매가루가 실린더 내로 역류된다. 이러면 돌가루가 실린더 내벽을 사포로 다듬은 것 처럼 긁히게 된다. 전문용어로 실린더 피스톤 사이즈 빠지는 소리가 난다.
그래서, 오일소모할때 그냥 보충하면서 타면 안되는 이유이기도 하다.
세타2 스커핑 현상
▶ 촉매장치 수명은 얼마나 될까?
이론적으로 삼원촉매는 무제한이다. 물론 관리를 잘한다면 말이다.
산소센서는 소모품으로 10만 km 주기로 명기되어 있지만, 관리에 따라 무기한 사용 가능한 부분이기도 함. 일단 센서 자체 부품값은 10만원 이하임. 문제는 촉매 통으로 교체하면 70만원 돈 들어가니 관리가 필요함.
산소센서/촉매 이상시, 엔진부조, 매연냄새, 머플러소리 이상, 경고등점화, 연비하락, 달그닥 소리와 함께 우황냄새가 나기때문에 관련 증상이 있으면 산소센서 의심을 해야함.
▶ 촉매장치 관리법은 어떻게 되나?
출력을 높이기 위해서 스포츠 촉매를 많이 사용하는데, 이는 촉매 성능을 좀 떨어트리는 대신, 배기압을 원활하게 하여 출력을 높이는 방법이다. 물론 검사 통과 안 된다.
즉, 촉매가 막히면 안 된다. 가장 큰 원인은 바로 온도다.
400°C가 넘으면 효율이 가장 좋다고 하지만, 그 이상 작동 범위를 상회하면 촉매 세라믹이 변형이 되어 성능이 저하된다.
지금 차량은 EGR을 통해 배기가스 재순환을 한다. 이 배기가스 재순환으로 흡기밸브가 오염되는 문제가 있지만, 환경적으로 배기가스를 재 순환하여 감소시키고, EGR을 통하여 배기 온도를 낮출 수도 있다. 그런데 이 EGR이 고장 나거나 없을 경우 촉매장치가 바로 배기가스를 맞이하여 막히는 일이 발생할 수 있다.
특히, 뜨거운 여름에 냉각 효율이 떨어지는 환경, 지하주차장의 공회전이나, 풀밭 같은 곳에서 공회전 등은 촉매 관리에 최악의 환경이다.