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가솔린엔진의 후처리장치(2)
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가솔린엔진의 후처리장치로는 삼원촉매가 주종을 이루고 있습니다. 삼원촉매가 최초에 개발되었던 당시보다 현재의 촉매기술은 Light-off 특성뿐만 아니라 내구성에서도 괄목할 만한 기술적 진보를 이루어, 세계에서 가장 배출가스규제가 강화되어 있다는 미국 California지역의 LEV(Low Emission Vehicle) 규제도 삼원촉매의 조합만으로 만족시키고 있습니다.
High GSA Monolith를 포함하는 담체의 제작기술도 촉매기술의 발전에 일정부분의 역할을 하였지만,보다 큰 기술적 발전은 실질적인 촉매작용을 하는 귀금속을 내포 |
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하는 Washcoat기술에서 이루어졌습니다.
Washcoat는 담체에 귀금속을 도포하기 위해 입히는 Base Metal을 말합니다. Washcoat는 담체의 기계적 강도를 개선할 뿐만 아니라, 촉매작용이 일어나는 반응면적을 넓히는 역할을 합니다. Base Metal에는 산화알루미늄이 대부분을 차지하고 있으며, 근래에 들어 산소의 흡장작용을 좋게 하기 위해 Ceria가 많이 첨가되고 있습니다.
가솔린엔진의 삼원촉매에 많이 사용되고 있는 귀금속은 Pt(백금),Pd(팔라듐),Rh(로듐)입니다. Pt와 Pd는 HC와 CO의 산화작용을 돕고,Rh는 NOx의 환원작용을 돕습니다. 초기에는 백금이 많이 사용되었으나, 요즘에는 우수한 Light-off특성과 더 강한 열적 내구성 때문에 Pd계열 촉매의 사용이 늘고 있습니다.
삼원촉매의 기능을 약화시키는 메카니즘으로는 Thermal Aging과 Poisoning을 들 수 있습니다. Thermal Aging은 촉매가 오랜 기간동안 고온에 접하게 됨으로써 점차 정화효능을 잃어가는 것을 말합니다. Poisoning은 연료나 엔진오일에 포함되어 있는 물질이 연소되어 배출가스에 섞여서 배출되면서 촉매를 피독시키는 것을 말합니다. 납,실리콘,황 피독 등이 예가 될 수 있으나, 무연연료를 사용하고 있는 현재에는 납 피독은 문제가 되지 않고,연료에 포함되어 있는 황에 의한 황 피독이 논의되고 있습니다. 국내에서도 이 문제를 고려하여 정유공장의 탈황시설 정비가 논의되고 있습니다. |
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한편, 점화시스템의 고장 등에 의하여 연료가 연소실에서 연소되지 않고 배출되면, 이렇게 미연소상태로 배출된 연료가 촉매 내부에서 연소하게 되어 촉매 내부의 온도가 급격하게 상승하는 일이 생기게 됩니다. 고속 주행 중에 이런 일이 발생하면, 약 10초 이내에 촉매 내부의 온도가 섭씨1200도 이상으로 상승하게 됩니다. 내열성이 좋은 세라믹담체도 이 정도의 온도에서는 형태가 변형될 수 있으며,온도가 섭씨1300도 이상까지 올라가면, 왼쪽 그림에서 볼 수 있듯이 담체가 melting됩니다. |
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담체가 melting되면 촉매의 정화효율은 급격하게 감소될 뿐만 아니라, 그 부스러기가 배기관을 막아서 엔진출력이 떨어지는 일이 발생하여 연료 소모가 많아집니다. | | |
