촉매 변환기 - 원리 및 특징

내연기관을 위주로 하는 기존의 차량들에서는 엔진 종류와 상관 없이 연료를 연소시켜 여기에서 생성되는 에너지를 구동원으로 사용한다. 이 연소 과정에서 불완전 연소로 인한 일산화탄소(CO), 그리고 연료가 연소되고 남은 찌꺼기에 해당하는 탄화수소(HC), 그리고 산소와 질소가 결합하여 만들어지는 질소산화물(NOx) 등의 다양한 오염 물질이 만들어진다. 이런 물질들은 외부로 배출되면 환경 오염을 유발시키기 때문에 자동차 내부에서는 이러한 물질들을 무해한 물질들로 변환시켜주어야만 한다. 그 역할을 하는 것이 바로 촉매이고, 이런 역할을 하는 장치를 촉매 변환기라고 한다. 

 

1. 구조

 

자동차에 적용되는 촉매 변환기는 일반적으로 기판, 귀금속, 하우징, 파이프 등으로 구성되며 각 부품들의 역할을 아래와 같다.

 

1. 기판

 

촉매 코팅과 귀금속이 결합된 내부 구성 부품이다. 이러한 기판의 형태는 매우 다양하고, 또한 만들어지는 재료들도 다양한데, 여기에 사용되는 재료의 대부분은 표면의 활성 입자를 안정화시키기 위한 불활성 물질들이다. 참고적으로 코팅을 하는 이유는 기판의 표면을 확장시켜서 이 부분에 귀금속이 보다 잘 증착되도록 하기 위한 것이다.

 

2. 귀금속

 

촉매 변환기에 사용되는 귀금속은 촉매 변환기의 핵심 부품으로 일반적인 촉매 반응을 수행하기 위한 것이다. 촉매 변환기에 적용되는 일반적인 귀금속들로는 백금, 팔라듐, 로듐등이 있고 최근에는 금도 촉매 변환기에 사용되기 시작했다.

 

3. 하우징(케이스)

 

촉매 변환기를 감싸기 위한 덮개 역할을 하는 것으로, 기판 과 기타 촉매 요소등을 포함하고 있다. 보통 이 하우징은 스테인리스 스틸로 만든다.

 

4. 파이프

 

일종의 배관요소이다. 차량 내에 장착된 촉매 변환기를 배기 시스템 및 엔진과 연결시켜주는 역할을 한다. 파이프도 하우징과 마찬가지로 스테인리스 스틸로 만든다.

 

2. 작동원리

 

차량에서 연소 과정을 통해 발생된 배기 가스는 엔진에서 촉매 변환기의 기판을 통해 머플러로 이동하게 되는데, 이 때 촉매 변환기에 장착된 귀금속과 반응하게 된다. 화학 반응을 통해서 촉매 변환기로 유입된 배기 가스의 유해 물질이 중화 반응을 통해서 이산화탄소와 같은 비교적 무해한 물질로 변하고 이 변화된 배기 가스는 배기 시스템을 통하여 외부로 배출된다.

 

3. 종류

 

1. 정화 방법에 따른 종류

 

1) 1상 산화촉매기(Single-bed Oxidation Catalytic Converter)

 

산화촉매기는 공기 과잉상태에서 일산화탄소와 탄산수소를 물과 이산화탄소로 산화시킨다. 질소와 결합된 산소는 산화촉매기에서는 반응하지 않는다. 가솔린 연료 분사장치의 엔진에서는 산화에 필요한 산소를 희박혼합비로 공급한다. 기화기식 엔진에서는 2차 공기 공급장치를 촉매 변환기 앞에 공급하는 방법이 주로 사용된다.

 

2) 2상 촉매기(Dual-bed Catalytic Converter)

 

2개의 촉매기가 연달아 설치된 형식으로, 이 2상 촉매기가 장착된 엔진은 대개는 공기 부족 상태에서 작동된다. 연소과정에서 발생된 배기가스는 먼저 환원 촉매기를 통과하고 난후 다시 산화 촉매기를 통과하게 된다. 환원 촉매기에서는 질소산화물이 질소와 산소로 분리되고, 산화촉매기에서는 탄화수소와 일산화탄소가 산화 반응을 통하여 여러 가지 무해 물질로 바뀌게 된다. 

 

3) 1상 3원 촉매기(Single-bed 3 way Catalytic Converter)

 

이 촉매기에서는 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물이 동시에 정화되는 특징이 있다. 이 장치에서는 환원반응에 의해 질소산화물로부터 분리된 산소가 일산화탄소와 탄화수소를 모두 산화반응시킬 수 있을 정도로 충분해야 한다. 따라서 이 장치에서는 공기비 센서와 함께 사용해야 그 효과를 볼 수 있다. 만약 공기비 제어를 하지 않는다면 유해 물질의 50% 정도만 저감시킬 수 있다. 현재 사용되는 대부분의 촉매 변환기는 이 1상 3원 촉매기를 사용하고 있다.

 

2. 취부위치에 따른 종류

 

1) 일체형 촉매기

 

산소센서 앞쪽으로 배기가스가 배출되자마자 촉매에 유입되도록 배기 매니폴드 직후 또는 일체로 조립된 촉매기이다. 이 촉매기는 되도록 빨리 가열시켜 활성화를 빠르게 하는 방법으로 매니폴드에 가능한 가깝게 또는 배기 매니폴드와 일체되는 개념으로 설치된 것이 특징이다.

 

2) 일반형 촉매기

 

일반적으로 산소센서 뒤에 설치되어 있는 것을 주 촉매라고 할 수 있다. 배기가스 규제가 엄격해지면서 촉매 설치가 의무적으로 장착될 때부터 사용된 장치이다. 이 촉매장치의 정화율은 엔진의 혼합비가 농후한 경우와 희박한 경우의 반복에 의해 정화작용을 진행한다.

 

4. 불량 현상

 

다음은 촉매 변환기가 막혔거나 불량하다는 것을 알려주는 일반적인 현상들이다.

 

1. 썩은 계란 냄새

 

정상적으로 작동하는 촉매 변환기는 냄새 나는 황화물을 냄새가 나지 않는 이산화황으로 변환시킨다. 따라서 촉매 변환기에 이상이 발생하면 변환이 일어나지 않아서 썩은 계란 냄새와 같은 악취가 나는 황화수수와 같은 미 연소 가스가 배기 가스에 포함된다.

 

2. "Check Engine Light" 점등

 

차량에 장착된 촉매 변환기가 고장이 발생하면 대시 보드에 "Check Engine Light(엔진 점검)"가 켜지게 된다. 

 

3. 가속 불량

 

촉매 변환기가 막히게 되면 차량 가속시 엔진의 전력이 부족해진다. 일반적으로 엔진이 최대의 출력을 내기 위해서는 배기 흐름이 원활해야 한다. 만약 촉매 변환기가 막히게 되면 그로 인해 유량이 제한되어 가속 시에 엔진의 전력이 부족한 것을 알 수 있다. 특히 탄소 축적으로 인한 막힘 현상이 발생했을 때에는 촉매 변환기 클리너를 사용해서 막힘 현상을 해결할 수 있다.

 

4. 소음

 

과도한 열이나 손상 등으로 인해 촉매 변환기의 한 부분이 분리되면 덜컥거리는 소음이 날 수 있다. 

 

5. 연비 감소

 

촉매 변환기가 막히게 되면 공기 흐름이 적어지면서 차량이 요구하는 것보다 더 많은 양의 연료를 연소시킬 수 있다. 이는 엔진에 더 많은 연료를 실린더에 분사시켜서 자동차 요구량보다 훨씬 더 많은 연료 혼합물을 배출시킬 수 있는 요인이 된다.