| 내연기관의 배기 후처리 | ||||
| EGR | DOC | DPF | SCR | LNT |
1. 개요
질소산화물 흡장 촉매(Lean NOx Trap)는 디젤엔진에서 질소산화물을 저감하기 위한 기술의 하나다.2. 설명
일반적으로 세단급의 디젤차의 경우, 요소수를 활용하는 SCR 시스템은 SCR 시스템 자체의 크기 및 복잡성과 요소수의 보충 문제 때문에 기피되나[1], 질소산화물 문제를 어떻게든 해결하기는 해야 한다.그래서 대충 적당히 질소산화물을 저감하면서 작은 차에서도 쓸 수 있는 기술로서 제시된 것이 바로 LNT.
LNT는 단독으로는 큰 의미를 찾기 힘들며, EGR과 조합되어야 효과가 극대화된다. 이유는 후술할 LNT 과정을 보면 설명이 된다.
대략적인 원리는 다음과 같다.
1. NOx를 선택적으로 붙잡을 수 있는 필터가 있다.
2. 정상 엔진 연소[2], 질소산화물 배출 → 필터에 질소산화물(NOx)이 잡힌(Trap)다.
3. 연료를 과잉 분사하여 혹은 EGR로 회수한 배기가스를 활용하여 엔진을 가동하여 배기에 산화될 여지가 있는 물질을 남긴다
4. 이 산화될 여지가 있는 물질이 필터에 있는 NOx 와 반응하여 산화된다. 필터는 다시 깨끗해진다. 이후 1번부터 반복
2.1. 문제점
앞에서 적어 놓은 것만 보면 무슨 외계인 고문의 결정체, 완벽한 엔진인 것 같지만, 현실은 시궁창.1. 배기가스 온도가 올라갈수록 효율이 떨어진다. 따라서 저배기량 엔진에서나 쓸 수 있다.
2. 연료의 추가분사가 필요하기에 연비가 감소한다.
3. EGR 없이는 효과를 보기 힘들다.
4. 황산화물에 굉장히 취약하다.[3] 대한민국에서야 세계적인 정유사들이 탈황처리한 좋은 품질의 경유를 쓰지만[4], 세계적으로는 경유의 품질을 보장 못 하는 지역이 굉장히 많다. 다만 이것은 SCR에도 공통되는 문제이고 구형 기계식 엔진이 아닌 이상에야 탈황처리 제대로 안 되면 뭐든 고장난다.
5. SCR의 성능이 너무 좋다(...). 심지어 값도 SCR이 훨씬 싸게 먹힌다. 단, 이는 유지비를 무시했을 때이다. 오너 입장에서는 요소수 비용을 무시 못한다.
6. 사후관리가 제대로 되는 차량이 거의 없다. 즉, 신차 상태에서는 환경규제를 어찌 넘겨도, 시간이 지나면 불량 연료의 사용이나 EGR의 고착(열림 고착 시 매연과다. 닫힘 고착시 LNT가 처리할수 있는 양을 가뿐히 뛰어넘는 NOx 발생), 엔진오일의 연소로 인한 후처리 장치의 오염 등으로 실차량의 검사 시 문제가 다발하게 된다. 초저유황경유라 할지라도 황이 0은 아니기에 약간의 황을 포함하는데, 아래의 탈황과정을 거쳐야 한다. 결국 촉매는 시간이 지나갈수록 막혀가게 되며, 엔진오일에 포함된 마찰저감, 극압용 첨가제등으로 인해(ZDDP, 황) 성능이 저하되는데 이로 인한 성능저하는 되돌릴 방법이 없다. 만약 ZDDP가 많이 포함된 예전 엔진오일이나, 경주용 엔진오일등에 혹해서 한 번이라도 사용했다간... 사용자가 엔진을 언제나 완벽에 가깝게 관리하고 단 한 번의 불량연료도 사용하지 말아야 하며, 모든 관리를 완벽히 하면서도 주기적으로 LNT장치를 교체해 주어야 할 필요성이 있다. 즉 차량 제조시에나 정상작동하는 장치라고 봐도 무방하다. DPF도 이론적으론 재생작업을 통해 자기정화를 함으로 문제가 없어야 하지만 DPF 막힘으로 출력저하나 DPF가 터져 소음기로 매연을 뿜어내는 차량 등이 있음을 생각해 본다면 NOx 실차 검사가 실시된다면 차량 소유주에게 또하나의 골치거리가 될 가능성이 농후하다.
7. DPF를 재생하기 위해서 후분사를 하고, LNT의 NOx 저감을 위해서 후분사를 하며, LNT의 탈황을 위해 또 다시 후분사를 한다. 탈황을 돕기 위해 후분사를 할 때는 온도가 매우 높아져야 함으로(670도 이상) DPF 재생을 다 하고 나서도 후분사를 계속한다. 이로 인해 후분사량이 지나치게 늘어나는 경향이 있다. 엔진오일 증가(엔진오일이 늘어나는 것이 아닌, 엔진오일에 경유가 섞여들어가는 것), 연비저하 등의 문제가 일어나게 된다. 요즘 디젤차량의 엔진오일 증가 이슈와도 연관이 큰 부분이다.
3. 기타
유로 N으로 대표되는 환경규제를 만족시키기 위해서 아예 이 기술을 포기하고 SCR로 넘어가고 있다.폭스바겐이 터뜨린 디젤게이트에도 LNT 조작이 포함되어 있다.
[1]
물론 SCR은 효과가 끝내준다.
[2]
단, 일반적인 디젤 엔진보다는 조금 더 흡기비율을 높여 PM을 줄이고 NOx 비율을 높인다. 마치 SCR처럼.
[3]
황산화물은 LNT의 촉매뿐만 아니라 거의 모든 촉매랑 결합력이 강해서 촉매랑 한번 황산화물이 반응해 버리면 화학적으로 비가역적인 반응을 하게 되어 촉매의 분자 구조가 바뀌기 때문에, 질소산화물이랑 더 이상 반응하려고 하질 않는다. 따라서 휘발유든, 디젤이든, LNT든 그냥 평범한 후처리장치의 촉매변환기이든 촉매가 망가지지 않기 위해서 탈황처리한
휘발유/
경유를 써야 한다. LNT의 촉매는 훨씬 더 섬세한 물건인지라 유난히 더 황산화물에 취약하긴 하다.
[4]
단, 이는 어디까지나 2000년대 들어와서의 얘기이다. 1980년대까지는 대한민국의 경우 품질이 그리 좋지 못했다. 1990년대 들어와서 비로소 제대로 탈황처리를 하기 시작했고, 그 탓에 경유의 원가가 크게 상승하였다. 탈황처리를 제대로 하기 전에는 경유가 엄청나게 쌌다 (지금 휘발유보다 경유가 싼 것은 어디까지나 붙어 있는 세금이 적기 때문). 2000년대 초까지만 하더라도 경유 승용차는 판매가 허가되지 않았는데, 이는 예전의 저품질 경유를 기준으로 한 법령이 고쳐지지 못하고 있었던 것이다. 결국 경유 승용차 판매가 허가될 수 있었던 것은 경유의 품질이 좋아진 덕택이다.