SCR 시스템에서 SCR은 우리말로 표현하면 선택적 환원 촉매를 의미한다.
Selective Catalytic Reduction에서 머리 글자를 따서 SCR로 표현한 것이다.
강화 EURO 6 배출가스 규제를 만족시키기 위하여 개발된 후처리 (Aftertreatment) 기술 중 하나라고 볼 수 있다. 여기서 후처리 기술에 대해서 잠깐 알아본다면, 엔진에서 배기 매니폴드를 통하여 후단(Down stream)으로 배기가스가 빠져나오면, 그 중에서 유해 인자들(HC, CO, NOx, PM 등)에 대해서 규제를 만족시키기 위하여 추가로 배기계(Exhaust system) 측에 붙이는 장치와 그와 관련된 제어 내용을 후처리 기술이라고 한다.
이번 포스팅에서 이야기 할 SCR 시스템은 후처리 기술 중에서도 디젤 엔진의 질소산화물(NOx)을 저감시키는 역할을 한다. 선택적 환원이라는 표현처럼 환원제와 NOx를 화학 변화를 시켜서 NOx를 줄이는 것을 의미한다.
이에 2000년대 초반에 SCR 시스템 개발과 관련하여 다양한 기술이 연구되었으며, 환원제를 어떤 것으로 사용할 지에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 대표적인 환원제가 디젤(연료)와 요소수(UREA)였다.
각각 장단점이 있는데, 디젤(연료)를 환원제로 사용한다면 따로 환원제를 보충할 필요가 없다는 장점이 있지만, 환원제로 연료를 사용하기 때문에 연비 측면에서 안 좋을 수 밖에 없다.
요소수는 말 그대로 암모니아 성분의 수용액을 의미하는데, 이것은 환원제를 주기적으로 보충해줘야 하는 단점이 있지만, 연비에는 영향을 안 끼친다.
이렇게 다양한 연구가 이루어지다가 Bosch사에서 요소수를 환원제로 사용하는 SCR 시스템을 양산 적용하면서, 지금은 요소수를 사용하는 SCR 시스템이 대세가 된 것 같다.
SCR 시스템의 물리적 작동 원리는 간단하다.
먼저 SCR 시스템은 도징 밸브(Dosing valve)라고 부르는 요소수 분사 인젝터, 요소수 탱크와 공급 모듈, SCR 촉매, 전/후단 NOx 센서 그리고 SCR 시스템 제어기 등으로 구성된다. SCR 시스템에 대해서 최대한 간단하게 설명하자고 한다면, 우선 다른 파트(부품)은 제외하고 도징 밸브와 SCR 촉매만 놓고 원리를 이야기 할 수 있다.
- 요소수는 우레아(urea, (NH2)2CO ) 라는 물질을 물에 희석한 수용액
- 구성비는 우레아 62.5%, 물 67.5%
- 이것을 독일 자동차 협회는 AdBlue 라는 상품으로 등록
도징 밸브에서 요소수를 수용액 형태로 분사를 하면, 배기가스의 열에 의하여 아래와 같이 흡열 반응과 가수분해 과정을 거친다.
(NH2)2CO → NH3+HNCO (흡열 반응)
HNCO + H2O → NH3 + CO2 (가수분해 반응)
그 수용액이 믹서(Mixer)를 통하여 잘게 쪼개져서 작은 액적(Droplet) 형태가 된다. 이러한 요소수 액적들은 SCR 촉매의 담체에 고루고루 잘 퍼져서 입혀지게 된다. 이러한 과정을 흡장이라고 한다.
이렇게 SCR 촉매 담체에 요소수가 고루 흡장이 된 상태에서 NOx를 포함하고 있는 배기가스가 촉매를 통과하면서, SCR 촉매 담체에 의하여 요소수와 NOx가 화학 반응을 일으켜 NOx가 환원된다.
이러한 화학 반응을 화학식으로 표현하면 아래와 같다.
l 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (Eq.1)
l NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (Eq.2)
l 6NO2 + 8NH3 → 7N2+12H2O (Eq.3)
낮은 온도(섭씨 300도 이하)에서는 주로 Eq.2 반응이 일어나는데, 따라서 Eq.2 식을 살펴보면 알 수 있듯이 NO와 NO2의 비율이 1:1일 때, 가장 큰 변환 효율을 얻을 수 있다. 참고로 NOx 변환 효율은 섭씨 250~450도 사이가 가장 좋다.