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디젤 산화 촉매장치

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목차

1. 개요

디젤 산화 촉매장치(DOC)는 디젤 엔진의 배기가스 정화 장치로, 탄화수소, 일산화탄소, 미립자 물질을 이산화탄소와 물로 변환하는 역할을 한다. 19세기 말 프랑스에서 촉매 변환기 시제품이 처음 설계되었으며, 1980년대 후반 대한민국에서 자동차 배기가스 규제가 강화되면서 장착이 의무화되었다. DOC는 세라믹 또는 금속 모놀리스 형태의 촉매 담체, 워시코트, 귀금속 촉매(백금, 팔라듐, 로듐 등), 산소 저장 물질 등으로 구성된다. 작동 온도는 400°C가 필요하며, 엔진에 가깝게 설치된다. 촉매 독성 물질, 과열, 도난, 환경 문제 등의 문제점과 한계를 가지며, 차량 자체 진단 장치(OBD)를 통해 상태를 모니터링한다.

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디젤 산화 촉매장치
디젤 산화 촉매 장치
유형배기가스 제어 장치
작동 원리산화 촉매
주요 기능디젤 엔진에서 배출되는 탄화수소와 일산화 탄소를 줄임
작동 온도200 ~ 500 °C
촉매 물질백금, 팔라듐, 로듐 등
역사 및 개발
개발 배경디젤 엔진 배기가스 규제 강화
초기 개발1970년대
상용화1980년대 이후
작동 원리 상세
산화 반응탄화수소 + 산소 → 이산화 탄소 + 물
일산화 탄소 산화일산화 탄소 + 산소 → 이산화 탄소
장점 및 단점
장점탄화수소 및 일산화 탄소 저감
비교적 간단한 구조
단점질소 산화물 저감 효과 미미
특정 조건에서 황산염 생성 가능
추가 정보
관련 기술디젤 미립자 필터 (DPF)
선택적 촉매 환원 (SCR)
규제배기가스 규제 (예: 유로 6)
참고 자료
참고 문헌(해당 사항 없음 - 위키 문서에 참고 문헌 정보가 없음)

2. 역사

촉매 변환기 시제품은 19세기 말 프랑스에서 처음 설계되었으며, 당시 도로에는 "석유 자동차"가 수천 대밖에 없었다. 이 시제품은 백금, 로듐, 팔라듐으로 코팅된 불활성 점토 기반 재료를 이중 금속 실린더에 밀봉한 것이었다.[6] 수십 년 후, 프랑스 기계 기술자인 유진 후드리가 촉매 변환기에 대한 특허를 받았다. 후드리는 촉매 오일 정제의 전문가였으며, 오늘날 모든 현대 정제의 기반이 되는 촉매 크래킹 공정을 발명했다.[7] 후드리는 1930년 필라델피아 지역의 정유소 근처에서 살면서 촉매 정제 공정을 개발하기 위해 미국으로 이주했다.

로스앤젤레스의 스모그에 대한 초기 연구 결과가 발표되자, 후드리는 굴뚝 배기가스와 자동차 배기가스가 대기 오염에 미치는 역할에 대해 우려하게 되었고, Oxy-Catalyst라는 회사를 설립했다. 후드리는 처음에는 굴뚝용 촉매 변환기, 즉 "캣"을 개발했고, 나중에는 저급 무연 가솔린을 사용하는 창고 지게차용 촉매 변환기를 개발했다.[8] 1950년대 중반에 그는 자동차에 사용되는 가솔린 엔진용 촉매 변환기 개발을 위한 연구를 시작했으며, 이 연구로 미국 특허 2,742,437을 받았다.[9]

1973년에 엔겔하드 (Engelhard)사의 칼 D. 키스, 존 J. 무니, 안토니오 엘레자르, 필립 메시나를 포함한 일련의 엔지니어들에 의해 최초의 양산형 촉매 변환기가 개발되었다.[10][11][12]

미국 환경 보호국(U.S. Environmental Protection Agency)의 새로운 배출가스 규정을 준수하기 위해 1975년부터 제조된 대부분의 가솔린 자동차에는 촉매 변환기가 장착되었다. 초기 촉매 변환기는 "2방식"으로, 산소를 일산화 탄소 (CO) 및 미연 탄화수소 (HC)와 결합하여 이산화 탄소 (CO2) 및 물 (H2O)을 생성했다.[4] 이러한 엄격한 배출가스 규제로 인해 자동차 가솔린에서 노킹 방지제인 테트라에틸 납이 제거되었다. 납은 촉매 독이며 촉매 변환기를 오염시키기 때문에, 납 제거를 통해 촉매 변환기 사용이 가능해졌다.[13]

윌리엄 C. 페퍼르레는 1970년대 초에 가스 터빈용 촉매 연소기를 개발하여 질소 산화물 및 일산화 탄소가 크게 생성되지 않고 연소를 가능하게 했다.[15][16]

2. 1. 한국의 촉매 변환기 역사

1980년대 후반, 대한민국에서 자동차 배기가스 규제가 강화되면서 촉매 변환기 장착이 의무화되기 시작했다. 1987년 7월부터 모든 휘발유 승용차에는 삼원 촉매 장착이 의무화되었다.[4] 1990년대에는 대우자동차(현 한국GM)가 '무연 휘발유 사용' 스티커를 차량에 부착하여 촉매 변환기 장착 차량임을 홍보하고, 무연 휘발유 사용을 장려하기도 했다.

2000년대 이후, 경유차 배기가스 규제가 강화되면서 디젤 산화 촉매(DOC), 디젤 미립자 필터(DPF), 선택적 촉매 환원(SCR) 등 다양한 후처리 기술이 적용되고 있다. 현재 대한민국은 세계적인 수준의 배기가스 규제를 시행하고 있으며, 관련 기술은 지속적으로 발전하고 있다.

3. 작동 원리

삼원 촉매는 자동차 배기가스에 포함된 유해 물질인 탄화수소(HC), 일산화 탄소(CO), 질소 산화물(NOx)을 플래티넘, 팔라듐, 로듐을 사용한 촉매 장치로 동시에 제거한다. 탄화수소를 물과 이산화 탄소로 산화시키고, 일산화 탄소는 이산화 탄소로 산화시킨다[65]. 질소 산화물은 질소로 환원시킨다[65].


  • 격자 산소종과 흡착 일산화 탄소의 반응에 의한 이산화 탄소와 산소 공극의 생성: [O] + CO → CO2 + [V] + ads-site
  • 흡착 아산화 질소와 산소 공극과의 반응에 의한 질소와 격자 산소종의 생성: N2Oads + [V] → N2 + [O] + ads-site


삼원 촉매는 세라믹 등으로 성형된 촉매 담체를 귀금속 염 용액에 담가 귀금속 입자를 촉매 담체의 표면에 고정(담지)하는 '''워시 코트법'''[66]이나, 촉매 기판에 귀금속 입자를 도포하는 '''코팅법''' 등으로 제조되며, 배기관의 도중에 조립되는 구조가 일반적이다.

초기에는 정기 교환이 용이한 펠릿(알갱이)이 사용되었지만, 점차 한 덩어리의 원통형이나 타원기둥형으로 성형된 '''모노리스 담체'''(monolithic substrate|모노리스 담체영어)가 보급되었고, 촉매만 교환하는 방식은 사용되지 않게 되었다. 모노리스 담체의 재료에는 저렴한 세라믹이 사용되는 경우가 많지만, 오토바이 등에서는 '''메탈 허니컴'''을 사용하여 배기관에 용접되어 있다. 또한, 소형 범용 엔진에서는 스틸 울 상태의 '''니트 와이어'''가 사용되는 경우도 있다[67].

일본에서는 1978년 마스키법에 준한 배기가스 규제치를 달성한 쇼와 53년 배출가스 규제까지는, 삼원 촉매 이전의 방식에서도 규제 적합이 가능했지만, 같은 해에 북미에서 기업별 평균 연비 규제(CAFE)가 시작되면서 배기가스 규제와 연비 규제의 양립이 점차 어려워졌다[69]. 삼원 촉매가 최대 처리 효율을 발휘하는 이론 공기비에서는 가솔린 엔진이 최적의 효율로 작동하기 때문에, 성능이나 연비가 저하되지 않는다[68]. 1979년 에너지 사용의 합리화 등에 관한 법률 성립 후, 촉매의 정기 교환 의무가 폐지되고, 유연 가솔린의 사용이 단계적으로 금지되면서 삼원 촉매가 보급되었다. 서멀 리액터(에어 인젝션)와 산화 촉매(후술), 희박 연소(린번) 및 연소실 온도 저하를 위한 점화 시기 조정 등과 비교하여 성능이 저하되기 어렵다[68].

촉매 컨버터는 플래티넘, 팔라듐, 로듐 등 귀금속이 포함되어 있어, 미국에서는 귀금속 가격이 폭등한 2019년 이후 도난이 증가했다.[75]

3. 1. 삼원 촉매 반응

Three-way catalytic converters영어의 삼원 촉매 반응은 다음과 같다.[75]

반응 종류반응식
탄화수소 산화CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O
일산화탄소 산화2CO + O2 → 2CO2
질소산화물 환원2NOx → xO2 + N2


4. 구성 요소

금속 코어 컨버터의 단면


세라믹 코어 컨버터


디젤 산화 촉매장치(DOC)의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

  • '''촉매 지지체''' 또는 '''기판''': 자동차 촉매 변환기의 경우, 코어는 일반적으로 벌집 구조(사각형이 아닌 육각형)를 가진 세라믹 모놀리스이다. 칸탈(FeCrAl)[19]로 만들어진 금속 호일 모놀리스는 특히 높은 내열성이 필요한 경우에 사용된다.[19] 기판은 넓은 표면적을 생성하도록 구조화되어 있다.
  • '''워시코트''': 촉매 물질의 담체이며 넓은 표면에 물질을 분산시키는 데 사용된다. 산화 알루미늄, 이산화 티타늄, 이산화 규소, 콜로이드성 실리카 또는 실리카와 알루미나의 혼합물을 사용할 수 있다. 워시코트 재료는 거친, 불규칙한 표면을 형성하도록 선택되어, 기판의 매끄러운 표면에 비해 표면적을 증가시킨다.[20]
  • '''세리아''' 또는 '''세리아-지르코니아''': 주로 산소 저장 촉진제로 첨가된다.[21]
  • '''촉매''': 대부분 백금족 귀금속의 혼합물이다. 백금은 가장 활성적인 촉매이며 널리 사용되지만, 원치 않는 추가 반응과 높은 비용으로 인해 모든 응용 분야에 적합하지는 않다. 팔라듐과 로듐은 사용되는 다른 두 가지 귀금속이지만, 2023년 2월 현재 백금은 백금족 금속 중 가장 저렴해졌다. 로듐은 환원 촉매로, 팔라듐은 산화 촉매로, 백금은 환원과 산화 모두에 사용된다. 세륨, 철, 망간, 니켈도 사용되지만 각각 한계가 있다.

5. 종류

디젤 산화 촉매장치(DOC)는 대기 오염 제어 시스템의 일종으로, DPF, DEF를 사용하는 요소수 인젝터 등과 함께 사용된다.[76][77][78]

5. 1. 이원 촉매 변환기 (Two-way)

이원 촉매 변환기(Two-way catalytic converter)는 다음 두 가지 작업을 동시에 수행한다.

# 일산화 탄소를 이산화 탄소로 산화: 2CO + O2 → 2CO2

# 탄화수소(미연소 및 부분 연소 연료)를 이산화 탄소와 물로 산화: C''x''H2''x''+2 + [(3''x''+1)/2]O2 → ''x''CO2 + (''x''+1)H2O (연소 반응)

이러한 산화 반응을 통해 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC) 배출량을 줄이지만, 질소 산화물(NOx)은 제거하지 못한다.[14]

1981년까지 미국 및 캐나다 자동차 시장의 가솔린 엔진에 사용되었으며, 디젤 엔진에서는 탄화수소 및 일산화탄소 배출량을 줄이기 위해 널리 사용된다. 디젤 엔진의 경우, 가장 일반적으로 사용되는 촉매 변환기는 ''디젤 산화 촉매장치''(DOC)이다. DOC는 알루미나 위에 팔라듐 또는 백금 촉매 담체를 함유하고 있으며, 미립자 물질(PM), 탄화수소 및 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 변환한다. 이러한 변환기는 종종 90%의 효율로 작동하여 디젤 냄새를 사실상 제거하고 가시적인 미립자 물질을 줄이는 데 도움을 준다.[22]

가솔린 엔진에서는 삼원 촉매가 보급되기 전까지 사용되었으며, 산화 환원 반응에 의해 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)를 제거한다. 일본에서는 에너지 절약법 성립 이전까지, 촉매는 시간이 지나면서 성능이 저하되는 것으로 여겨져 정기 교환이 의무화되어 있었다. 산화 촉매 컨버터는 입자상의 촉매를 컨버터 내에 채워 넣는 '''펠릿식''' 형태가 채택되었다. 이 방식은 생산성이 좋고, 교환 작업이 용이하며 교환 비용도 저렴하다는 장점이 있었지만, 배기 효율이 나쁘고, 진동에 의한 펠릿 마모 등으로 정화 성능이 저하되기 쉬웠다.[70]

희박 연소를 주된 기술로 하는 가솔린 직분사 엔진 및 디젤 엔진에서는 배기 가스 중에 포함된 산소량이 많아, 산화 촉매가 다시 이용되고 있다.

5. 2. 삼원 촉매 변환기 (Three-way)

희박 연소 점화 엔진의 경우, 산화 촉매는 디젤 엔진과 동일한 방식으로 사용된다. 희박 연소 점화 엔진에서 배출되는 배기가스는 디젤 압축 점화 엔진에서 배출되는 배기가스와 매우 유사하다.

위의 두 종류는 모두 배기관 형상에 맞춰 촉매가 성형된 '''모노리스식'''이라고 불리는 형태이다.

삼원 촉매는 자동차 배기가스에 포함된 유해 물질인 탄화수소 (HC), 일산화 탄소 (CO), 질소 산화물 (NOx)을 플래티넘, 팔라듐, 로듐을 사용한 촉매 장치로 동시에 제거한다. 탄화수소를 물과 이산화 탄소로 산화시키고, 일산화 탄소는 이산화 탄소로 산화시킨다[65]. 질소 산화물은 질소로 환원시킨다[65].

  • 격자 산소종과 흡착 일산화 탄소의 반응에 의한 이산화 탄소와 산소 공극의 생성: [O] + CO → CO2 + [V] + ads-site
  • 흡착 아산화 질소와 산소 공극과의 반응에 의한 질소와 격자 산소종의 생성: N2Oads + [V] → N2 + [O] + ads-site


삼원 촉매는 세라믹 등으로 성형된 촉매 담체를 귀금속 염 용액에 담가 귀금속 입자를 촉매 담체의 표면에 고정(담지)하는 '''워시 코트법'''[66]이나, 촉매 기판에 귀금속 입자를 도포하는 '''코팅법''' 등으로 제조되며, 배기관의 도중에 조립되는 구조가 일반적이다. 실용화된 초기에는 정기 교환이 용이한 펠릿(알갱이)이 사용되었지만, 점차 한 덩어리의 원통형이나 타원기둥형으로 성형된 것이 보급되었고, 촉매만 교환하는 방식은 사용되지 않게 되었다. 한 덩어리로 성형된 촉매 담체는 '''모노리스 담체'''(monolithic substrate영어)라고 불리며, 배기의 흐름에 직교하는 단면은 벌집 구조로 표면적을 크게 하고 있다. 모노리스 담체의 재료에는 저렴한 세라믹이 사용되는 경우가 많지만, 세라믹제 모노리스는 외피에 고정할 수 없고 섬유 매트로 충격으로부터 보호하면서 유지해야 하므로 소형화가 어렵고, 오토바이 등에서는 '''메탈 허니컴'''을 사용하여 배기관에 용접되어 있다. 또한, 소형 범용 엔진에서는 스틸 울 상태의 '''니트 와이어'''가 사용되는 경우도 있다[67].

일본에서는 1978년 (쇼와 53년) 마스키법 (1970년 대기 정화법 개정법)에 준한 배기가스 규제치를 달성한 쇼와 53년 배출가스 규제까지는, 삼원 촉매 이전의 방식에서도 규제 적합이 가능했지만, 같은 해에 북미에서 기업별 평균 연비 규제 (CAFE)가 시작되면서 배기가스 규제와 연비 규제의 양립이 점차 어려워졌다[69]. 한편, 삼원 촉매가 최대 처리 효율을 발휘하는 이론 공기비에서는 가솔린 엔진이 최적의 효율로 작동하기 때문에, 성능이나 연비가 저하되지 않는다[68]. 1979년(쇼와 54년)의 에너지 사용의 합리화 등에 관한 법률 (에너지 절약법) 성립 후, 촉매의 정기 교환 의무가 폐지되고, 촉매 피독의 요인이 되는 유연 가솔린의 사용이 단계적으로 금지되면서 삼원 촉매가 보급되었다. 게다가, 허니컴 형상 등의 표면적이 큰 '''모노리스식''' 구조를 채용함으로써, 뛰어난 배기 효율과 정화 성능을 양립했다. 이로 인해 이전 형식에서는 상반되는 요소로 달성 곤란했던 배기가스 정화 성능과 저연비의 양립이 가능하게 되었다[69]. 서멀 리액터 (에어 인젝션)와 산화 촉매 (후술), 희박 연소 (린번) 및 연소실 온도 저하를 위한 점화 시기 조정 (점화 시기를 늦춤) 등과 비교하여 성능이 저하되기 어렵다[68].

촉매 컨버터는 플래티넘, 팔라듐, 로듐 등 귀금속이 포함되어 있으며, 차체를 잭으로 들어 올리면 쉽게 제거할 수 있어 도난 피해를 입는 경우가 있다. 미국에서는 귀금속 가격이 폭등한 2019년 이후 도난이 증가했다.[75]

5. 3. 디젤 엔진용 촉매 변환기

압축 착화 방식을 사용하는 디젤 엔진의 경우, 가장 일반적으로 사용되는 촉매 변환기는 ''디젤 산화 촉매장치''(DOC)이다. DOC는 알루미나 위에 팔라듐 또는 백금 촉매 담체를 함유하고 있다. 이 촉매는 미립자 물질(PM), 탄화수소 및 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 변환한다. 이러한 변환기는 종종 90%의 효율로 작동하여 디젤 냄새를 사실상 제거하고 가시적인 미립자 물질을 줄이는 데 도움을 준다. 그러나, 이러한 촉매는 NOx영어 에는 효과가 없으므로, NOx영어 배출량은 배기 가스 재순환 (EGR)으로 제어한다.[76][77][78]

2010년, 미국의 대부분의 경량 디젤 제조업체는 연방 배출 기준을 충족하기 위해 자사 차량에 촉매 시스템을 추가했다. 희박 배기 조건에서 NOx영어 배출량의 촉매 환원을 위해 선택적 촉매 환원 (SCR) 및 NOx영어 흡착제의 두 가지 기술이 개발되었다.

대부분의 제조업체는 귀금속을 포함하는 NOx영어 흡착제 대신, NOx영어를 질소와 물로 환원하기 위해 암모니아와 같은 시약을 사용하는 기반 금속 SCR 시스템을 선택했다.[27] 암모니아는 배기 가스에 요소를 주입하여 촉매 시스템에 공급되며, 이는 열 분해 및 가수 분해를 거쳐 암모니아가 된다. 요소 용액은 디젤 배기 유체 (DEF)라고도 한다.

디젤 배기 가스는 비교적 높은 수준의 미립자 물질을 포함하고 있다. 촉매 변환기는 PM의 20~40%만 제거하므로 미립자 물질은 매연 포집기 또는 디젤 미립자 필터 (DPF)로 정화된다. 미국에서는 2007년 1월 1일 이후에 제작된 모든 도로 주행용 경량, 중형 및 대형 디젤 동력 차량에 디젤 미립자 배출 제한이 적용되므로 2방향 촉매 변환기와 디젤 미립자 필터가 장착되어 있다.[28]

6. 설치 위치

촉매 변환기가 효과적으로 작동하려면 400°C의 온도가 필요하다. 따라서 엔진에 최대한 가깝게 배치하거나, 배기 매니폴드 바로 뒤에 하나 이상의 작은 촉매 변환기("프리캣"이라고 함)를 배치한다.[37]

많은 차량은 엔진의 배기 매니폴드 근처에 근접 촉매 변환기를 가지고 있다. 이 변환기는 매우 뜨거운 배기 가스에 노출되어 엔진 예열 기간 동안 바람직하지 않은 배출 가스를 줄일 수 있도록 빠르게 가열된다. 이는 냉간 시동 시 필요한 과도한 농후 혼합으로 인한 과도한 탄화수소를 태워 없앰으로써 달성된다.

2000년대 초반에는 촉매 변환기를 엔진에 가까운 배기 매니폴드 바로 옆에 배치하여 훨씬 더 빠르게 예열하는 것이 일반적이 되었다.

일부 차량에는 주 촉매 변환기보다 앞에 작은 촉매 변환기인 예비 촉매가 있다. 이는 차량 시동 시 더 빠르게 가열되어 냉간 시동과 관련된 배출량을 줄이는 역할을 한다. 예비 촉매는 토요타 MR2 로드스터와 같이 초저공해 차량(ULEV) 등급을 획득하려는 자동차 제조사에서 가장 일반적으로 사용된다.[40]

7. 문제점 및 한계

디젤 산화 촉매장치(DOC)는 여러 문제점과 한계를 가지고 있다.

배출 규제는 국가별로 다르다. 북미 대부분의 자동차 엔진은 1975년부터 촉매 변환기를 장착해 왔으며,[4] 비자동차 분야 기술도 자동차 기술을 기반으로 한다. 많은 국가에서 촉매 변환기를 제거하거나 비활성화하는 것은 불법이지만,[34][30] 일부 차량 소유자는 이를 제거하기도 한다.[35]

미국에서는 1990년 개정된 청정 대기법에 따라, 차량 수리점에서 변환기를 제거하는 행위는 불법이다.[31] 기능하는 촉매 변환기가 없는 차량은 배출 검사에 불합격한다. 자동차 애프터마켓은 고유량 변환기를 공급하기도 한다.[32]

유럽 연합과 영국에서는 유로 1 배출 기준 준수를 위해 1993년부터 모든 신차에 촉매 변환기가 의무화되었다.[33]

삼원 촉매 등장 이전에는 NOx 저감을 위한 '''전처리 방식'''과 HC·CO 저감을 위한 '''후처리 방식'''이 사용되었다. 연소 온도를 낮추면 NOx 발생은 억제되지만 연비가 나빠져[69], 연비 규제 강화와 삼원 촉매 기술 발달로 채택되지 않게 되었다.


  • 희박 연소: CVCC 등을 시작으로 하는 희박 연소는 연소 불안정으로 인해 출력 및 연비 악화를 초래했다.[69]
  • 산화 촉매: 가솔린 엔진에서 삼원 촉매 보급 전에 사용되었으며, 산화 환원 반응으로 일산화탄소(CO)와 미연소 탄화수소(HC)를 제거한다. '''이원 촉매'''라고도 불린다. 일본에서는 펠릿식 산화 촉매 컨버터가 채택되었는데, 생산성이 좋고 교환이 용이했지만 배기 효율이 나쁘고 정화 성능이 저하되기 쉬웠다.[70] 가솔린 직분사 엔진 및 디젤 엔진에서는 산화 촉매가 다시 이용되고 있으며, DPF와 함께 사용되기도 한다.
  • 이차 공기 도입 장치: 배기관에 공기를 도입하여 HC와 CO의 완전 연소를 촉진하는 장치이다. 오토바이에서는 삼원 촉매와 함께 널리 사용된다.


삼원 촉매는 이론 공연비에서 효율적으로 작동하며, 웜업 운전 시나 고부하 운전 시에는 정화 능력이 떨어진다. 엔진 제어 장치(ECU) 기술 발전으로 운전 상태를 세밀하게 제어하여 효율을 높였지만, 디젤 엔진이나 린번 가솔린 엔진에는 다른 기술이 사용된다.

상온에서는 환원 능력이 낮아 엔진 시동 직후에는 효과가 거의 없다. 이를 개선하기 위해 리드 밸브식 이차 공기 도입 장치를 병설하거나, 촉매를 엔진에 가깝게 설치하기도 한다. 그러나 과도한 고온은 촉매를 파손시킬 수 있다.

삼원 촉매 재료에는 백금, 로듐 등의 귀금속이 사용된다. 귀금속 사용량 저감을 위해 자기 재생 기능을 가진 인텔리전트 촉매 등이 개발되고 있다.[73] 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 구마모토 대학이 개발한 희토류 옥시 황산염(Ln2O2SO4)이 기존 물질보다 산소 흡장 능력이 뛰어나 귀금속 사용량 저감에 기여할 수 있다고 발표했다.[74]

7. 1. 촉매 중독 (Catalyst Poisoning)

납, 황, 망간, 실리콘, 인 등의 물질은 촉매 변환기의 작동 표면을 코팅하여 배기가스와의 반응을 방해한다. 이러한 현상을 촉매 변질이라고 한다. 가장 흔한 오염 물질은 납이므로, 촉매 변환기가 장착된 차량은 무연 연료만 사용해야 한다.[29] 다른 촉매 독성 물질로는 황, 망간(주로 휘발유 첨가제 MMT에서 유래), 실리콘(엔진 냉각수가 연소실로 새는 경우) 등이 있다. 인은 과거 휘발유에는 사용되지 않았지만, 엔진 오일 마모 방지 첨가제인 아연 디티오포스페이트(ZDDP)에 널리 쓰였다. 2004년부터 API SM 및 ILSAC GF-4 규격은 엔진 오일 내 인 농도를 제한한다.

촉매 중독을 막기 위해 무연 및 저유황 연료를 사용하고, 엔진 오일의 인과 유황 함량 규제를 지켜야 한다. 블로바이 가스에 섞이는 오일 양을 줄이기 위해 증발량이 적은 엔진 오일을 쓰는 것도 좋다.

엔진을 고부하 상태로 오래 작동시키면 촉매 변질이 회복될 수 있다.[29] 높아진 배기 가스 온도가 오염 물질을 기화시키거나 승화시켜 촉매 표면에서 제거하기 때문이다. 그러나 납은 끓는점이 높아 이 방법으로 제거하기 어렵다.

7. 2. 과열

스파크 플러그의 실화 등으로 인해 촉매에 다량의 미연소 가스가 유입되면, 반응이 과도하게 일어나 촉매가 과열되어 손상될 수 있다.[72] 이를 예방하기 위해 엔진 점화 계통 및 연료 계통을 정기적으로 점검해야 한다.

과거 한국에서는 촉매 컨버터에 온도 센서를 설치하여 경고등이나 경보 부저 등으로 과열을 알리는 '''열해 경보 장치''' 설치가 의무화되어 있었다. 그러나 1991년(헤이세이 3년) 재일 미국 상공 회의소의 제소[71]를 시작으로, 시장 개방 문제 고충 처리 체제(OTO)를 통해 열해 경보 장치 설치 의무를 없애라는 요구가 미국과 유럽에서 잇따랐다. 1994년(헤이세이 6년) 유럽 비즈니스 협회(EBC)의 OTO 제소를 수용하여, 실화를 감지하여 연료 공급을 중지하는 전자 제어 도입 등을 조건으로 1995년(헤이세이 7년)에 설치 의무는 폐지되었다.[72]

7. 3. 환경 문제

촉매 변환기는 유해한 배기 가스 배출을 줄이는 데 신뢰할 수 있고 효과적인 것으로 입증되었지만, 생산 과정에서 부정적인 환경적 영향이 있다.

  • 촉매 변환기 생산에는 팔라듐 또는 백금이 필요하다. 이러한 귀금속의 세계 공급량 일부는 러시아 노릴스크 근처에서 생산되는데, 이 산업(다른 산업 포함)으로 인해 노릴스크는 ''타임'' 매거진의 가장 오염된 장소 목록에 추가되었다.[41]
  • 변환기 자체의 극심한 열[42]은 특히 건조한 지역에서 산불을 일으킬 수 있다.[43][44][45]

7. 4. 기타

삼원 촉매는 디젤 엔진, 린번 가솔린 엔진과 같은 희박 연소 엔진에는 적용하기 어렵다. 디젤 엔진의 경우, 배기 가스 재순환 (EGR)으로 배출량을 제어한다.[27] 디젤 배기 가스는 비교적 높은 수준의 미립자 물질을 포함하고 있어, 디젤 미립자 필터 (DPF)로 정화한다.

희박 연소 점화 엔진의 경우, 산화 촉매는 디젤 엔진과 동일한 방식으로 사용된다. 희박 연소 점화 엔진에서 배출되는 배기가스는 디젤 압축 점화 엔진에서 배출되는 배기가스와 매우 유사하다.

촉매 변환기가 장착된 차량은 엔진 작동 후 처음 5분 동안, 즉 촉매 변환기가 충분히 예열되어 완전히 효과를 발휘하기 전까지 대부분의 오염 물질을 배출한다.[37]

1995년, 알피나는 전기 가열식 촉매를 도입했다. "E-KAT"라고 불린 이 촉매는 750i를 기반으로 한 알피나의 B12 5,7 E-KAT에 사용되었다.[38] 촉매 변환기 어셈블리 내부의 가열 코일에 엔진 시동 직후 전기를 통하게 하여 촉매를 매우 빠르게 작동 온도로 올림으로써 저공해 차량 (LEV) 지정을 받을 수 있었다.[39]

일부 차량에는 주 촉매 변환기 상류에 예비 촉매(pre-cat)가 포함되어 있어, 차량 시동 시 더 빠르게 가열되어 냉간 시동과 관련된 배출량을 줄인다.

8. 도난 문제

촉매 변환기는 내부에 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속이 들어있어 도난의 표적이 된다. 특히, 픽업 트럭이나 SUV처럼 차체가 높아 바닥에 접근하기 쉬운 차량에서 도난이 자주 발생한다. 용접된 변환기도 쉽게 잘라낼 수 있어 위험하다.[46][47][48] 토요타 프리우스와 같은 하이브리드 차량은 일반 내연기관 차량보다 촉매 변환기에 더 많은 귀금속이 필요하고, 엔진 작동 시간이 짧아 변환기가 덜 뜨겁기 때문에 도난당하기 쉽다.[46][47][48]

도둑들은 주로 파이프 커터를 사용하여 조용하게 변환기를 떼어가지만,[49][50] 왕복 톱과 같은 다른 도구를 사용하기도 한다. 이 과정에서 교류 발전기, 배선, 연료 라인 등 차량의 다른 부품이 손상될 수 있어 위험하다.

미국에서는 촉매 변환기 절도가 급증하여 사회 문제로 떠올랐다. 2023년에는 이러한 절도를 막기 위해 미국 상원에서 초당적 법안(자동차 재활용 절도 방지법)이 발의되었다. 이 법안은 신차의 촉매 변환기에 추적 가능한 식별 번호를 의무적으로 부착하고, 촉매 변환기 절도를 연방 범죄로 규정하는 내용을 담고 있다.[51]

9. 진단

차량 자체 진단 장치(OBD, On-Board Diagnostics)를 통해 촉매 변환기의 성능을 모니터링할 수 있다. 산소 센서, 질소산화물 센서 등을 사용하여 촉매 변환기 전후의 배기가스 조성을 비교하여 이상 여부를 판단한다.

참조

[1] 서적 The Petersen Automotive Troubleshooting & Repair Manual Grosset & Dunlap
[2] 뉴스 General Motors Believes it has an Answer to the Automotive Air Pollution Problem https://news.google.[...] 2011-12-14
[3] 뉴스 Catalytic Converter Heads Auto Fuel Economy Efforts https://news.google.[...] 2011-12-14
[4] 간행물 Doing the Impossible http://www.americanh[...] 2011-12-14
[5] 웹사이트 Choosing the Right Wood Stove https://www.epa.gov/[...] US EPA 2012-01-02
[6] 서적 Airvore ou la face obscure des transports; chronique d'une pollution annoncée écosociété
[7] 간행물 10 Best Engineering Breakthroughs 1988-01
[8] 간행물 Exhaust Gas Made Safe https://books.google[...] 1951-09
[9] 간행물 His Smoke Eating Cats Now Attack Traffic Smog https://books.google[...] 1955-06
[10] 뉴스 Carl D. Keith, a Father of the Catalytic Converter, Dies at 88 https://www.nytimes.[...] The New York Times 2008-11-15
[11] 뉴스 John J. Mooney, an Inventor of the Catalytic Converter, Dies at 90 https://www.nytimes.[...] 2020-06-25
[12] 웹사이트 Engelhard Corporation http://www.reference[...] 2011-01-07
[13] 웹사이트 Eugene Houdry https://www.scienceh[...] 2016-10-27
[14] 간행물 Controlling automotive exhaust emissions: successes and underlying science 2005-04-15
[15] 간행물 Catalytic Combustion Technology Development for Gas Turbine Engine Applications 1998
[16] 뉴스 Connecticut chemist receives award for cleaner air technology http://news.bio-medi[...] Bio-Medicine 2012-12-11
[17] 웹사이트 https://www.greencar[...]
[18] 간행물 Synthetic gas bench study of a 4-way catalytic converter: Catalytic oxidation, NOx storage/reduction and impact of soot loading and regeneration 2009-08
[19] 서적 Verbrennungsmotoren Band 2 Lehrstuhl Für Verbrennungskraftmachinen 2011
[20] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry https://publications[...] 2009
[21] 간행물 Use of CeO2-based oxides in the three-way catalysis
[22] 문서 Directive 98/69/EC of the European Parliament and of the Council of 13 October 1998 relating to measures to be taken against air pollution by emissions from motor vehicles and amending Council Directive 70/220/EEC
[23] 간행물 Automotive Catalytic Converters: Current Status and Some Perspectives
[24] 웹사이트 The three way catalytic converter https://www.open.edu[...] 2022-01-31
[25] 간행물 Dynamic Modeling of a Three Way Catalyst for SI Engine Exhaust Emission Control http://web.eecs.umic[...]
[26] 간행물 Durability of Platinum-Containing Automotive Exhaust Control Catalysts: Improvements in Resistance to Thermal Degradation 1983-10
[27] 웹사이트 Air Pollution Control Technology Fact Sheet (PDF, US Environmental Protection Agency) https://www3.epa.gov[...]
[28] 웹사이트 Heavy-Duty Engine and Vehicle Standards and Highway Diesel Fuel Sulfur Control Requirements http://www.epa.gov/o[...] 2015-08-19
[29] 웹사이트 Which cars are least likely to have catalytic converter stolen? https://autorideofre[...] Auto Ride Of Reading 2022-07-15
[30] 뉴스 Some of Us Can Only Afford a Clunker 1996-02-23
[31] 문서 Sale and Use of Aftermarket Catalytic Converters http://www.epa.gov/c[...]
[32] 서적 Mazda MX-5 Miata
[33] 웹사이트 Euro emissions standards https://www.theaa.co[...] 2022-12-31
[34] 뉴스 Kits to Foil Auto Pollution Control Are Selling Well 1982-09-29
[35] 웹사이트 Beat the Law http://www.importtun[...] 2011-01-09
[36] 뉴스 Catalytic Converter Still Controversial after Two Years of Use The Bulletin 1976-06-14
[37] 웹사이트 Catalytic converters https://web.archive.[...]
[38] 웹사이트 Milestones http://www.alpina-au[...] 2015-06-05
[39] 웹사이트 Goodbye 12 volts... hello 42 volts! http://autospeed.com[...] Autospeed 1999-10-05
[40] 웹사이트 Pre-cats - What You Should Know http://www.toyotaown[...] 2018-04-15
[41] 뉴스 Norilsk, Russia http://www.time.com/[...] Time 2007-09-12
[42] 웹사이트 Here's how to avoid accidentally starting the next firestorm https://www.pe.com/2[...] 2016-09-06
[43] 웹사이트 Catalytic converter-started fires are common http://www.ocregiste[...] 2018-04-15
[44] 웹사이트 Catalytic converter blamed for causing SR-52 brush fire http://fox5sandiego.[...] 2018-04-15
[45] 웹사이트 Crews have 400-acre Jennings Fire in Lakeside 100 percent contai - KUSI News - San Diego, CA http://www.kusi.com/[...] 2017-07-14
[46] 뉴스 Catalytic converters make 2004-09 Toyota Prius unlikely theft target https://www.iihs.org[...] 2023-04-15
[47] 뉴스 Underhanded thieves http://www.chronicle[...] 2007-07-31
[48] 뉴스 An Exhausting New Crime — What Thieves Are Stealing from Today's Cars http://www.newsweek.[...] 2011-01-07
[49] 뉴스 Catalytic converters are being stolen for valuable metals https://www.rte.ie/n[...] Raidió Teilifís Éireann 2019-12-11
[50] 웹사이트 Cotati police bust catalytic converter theft suspects https://sfbayca.com/[...] 2019-11-29
[51] 웹사이트 Vance introduces legislation to address catalytic converter thefts https://www.13abc.co[...] 2023-03-15
[52] 뉴스 Thieves Nationwide Are Slithering Under Cars, Swiping Catalytic Converters https://www.nytimes.[...] 2021-02-09
[53] 뉴스 Stolen in 60 Seconds: The Treasure in Your Car — As Precious Metals Prices Soar, Catalytic Converters Are Targets for Thieves https://www.nbcnews.[...] 2011-01-07
[54] 뉴스 Converters Taken by Car Lot Thieves 2009-07-02
[55] 웹사이트 A man was crushed to death while allegedly attempting to steal a catalytic converter, police say https://www.cnn.com/[...] CNN 2023-03-13
[56] 웹사이트 WATCH: Catalytic converter thefts are skyrocketing. Here's why https://www.pbs.org/[...] 2022-12-26
[57] 논문 Catalytic converter theft:An examination of the elasticity of crime https://link.springe[...] 2024-06-29
[58] 웹사이트 Why do people steal catalytic converters? https://www.kron4.co[...] 2023-03-15
[59] 웹사이트 Catalytic converter theft: hybrid car owners face insurance nightmare http://www.theguardi[...] 2020-02-01
[60] 뉴스 Car-exhaust drug craze alarms Congo's capital https://www.reuters.[...] 2021-10-08
[61] 논문 Bombé, an undetermined substance that caused an outbreak of illicit drug use in Kinshasa, Democratic Republic of the Congo https://www.tandfonl[...] 2024-02-17
[62] 웹사이트 Can A Catalytic Converter Cause A Misfire? - Carsneedcare https://carsneedcare[...] 2022-09-22
[63] 뉴스 Settlement Involves Illegal Emission Control 'Defeat Devices' Sold for Autos http://eponline.com/[...] 2007-06-01
[64] 뉴스 Check Engine Lights Come on for a Reason 2003-01-12
[65] 간행물 J. Mol. Catal. A: Chem. 2005
[66] 웹사이트 용어해설 : 워쉬코트란?（촉매 용어） http://ch.ldblog.jp/[...]
[67] 웹사이트 각종 촉매 담체 - 배기가스 정화용 촉매 - 화학 재료 http://www.heraeus.c[...]
[68] 웹사이트 배출 가스 규제와 저감 기술 이야기(그 5 가솔린 엔진의 경우：마스키법 이후)부관장 나리타 토시히데 - 아카렌가 통신 Vol.79 http://www.tcmit.org[...]
[69] 웹사이트 배출 가스 대책을 중심으로 한 스바루 엔진 개발 야마기시 키이치 http://www.jsae.or.j[...]
[70] 웹사이트 페레트 촉매 컨버터란 - 대차림 Weblio 사전 https://www.weblio.j[...]
[71] 웹사이트 OTO番号(457) - 自動車の熱害警告装置の要件の排除 https://www8.cao.go.[...]
[72] 웹사이트 3-(1) 自動車及び自動車部品の規格基準の国際的整合化及び外国検査データの受入れ https://www8.cao.go.[...]
[73] 논문 Y. Nishihata et al., Nature, 2002, 418, 164
[74] 논문 M. Machida et. al., Chem. Mater., 2007, 19, 954
[75] 웹사이트 触媒コンバーター盗もうとした男性、車体の下敷きになり圧死　全米で盗難激増 https://www.cnn.co.j[...] CNN 2023-03-13
[76] 웹인용 Air Pollution Control Technology Fact Sheet (PDF, US Environmental Protection Agency) https://www3.epa.gov[...]
[77] 웹인용 Heavy-Duty Engine and Vehicle Standards and Highway Diesel Fuel Sulfur Control Requirements http://www.epa.gov/o[...] 2015-08-19
[78] 논문 요소수 인젝터의 작동 변수에 따른 분무미립화 성능에 관한 연구,Study on Spray Atomization Characteristics Depending on the Operating Parameters of Urea Injector https://www.koreasci[...]


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