자동차 공해와 저공해(무공해) 자동차

[김동석]

자동차 공해와 저공해(무공해) 자동차

자동차 공해란?

   1886년에 시속 15km로 달릴 수 있는 가솔린 자동차를 세계 최초로 독일의 벤즈가 발명하여 도로에서 첫선을 보인 후 100여년이 지나는 동안 보다 빠르게, 보다 안전하게, 보다 경제적이고, 보다 공해가 적은 자동차를 만들어내는 데 노력하여 오늘날 자동차는 우리의 일상생활의 필수품으로 즐겁고 편리한 생활을 하는 데 크게 이바지하고 있다.

   또한 자동차 배출가스에 많이 포함되어 있는 탄산가스는 공기중 탄산가스 농도를 증가시켜 기온을 상승시키고 자동차 에어콘에 사용하는 프레온 가스는 태양광선중 해로운 자외선을 흡수하여 차단시키는 성 38배나 증가하였으며 앞으로 계속 증가하여 2000년에는 천3백만대 정도가 될 것이라고 보고 있다.

   이처럼 엄청나게 증가한 자동차는 도로를 달리면서 교통사고를 일으켜 사람과 재산에 피해를 주고 한정된 도로를 많은 자동차가 달리게 됨에 따라 도로가 막혀 귀중한 시간을 도로 위에서 쓸데없이 보내고 아까운 연료를 자동차 엔진을 공회전 시키면서 낭비하게 되었다.

   뿐만 아니라 자동차에서 내뿜은 배출가스는 우리가 숨쉬는 공기를 오염시켜 사람의 건강을 해치고 자동차가 빠른 속도로 달릴 때 발생하는 소음과 진동은 도로가에서 생활하는 사람들에게 많은 불편을 주고 있다.

<그림 32> : 독일의 벤즈가 개발한 최초의 가솔린 자동차(이 자동차는 1886년 7월 3일에 독일 만하임 거리에서 첫선을 보였다. 속도 15km/h, 배기량 984cc 단기통, 출력 0.9마력/400rpm)

   그러나 자동차대수는 급격히 증가하여 전세계적으로 볼 때 1950년 5천3백만대이던 자동차 보유대수가 1990년에는 4억대로 약 8배가 증가하였으며, 우리나라만 하더라도 1970년대에 13만대에 불과했던 자동차 보유대수가 1992년에는 5백만대로 20년 동안에 층권의 오존층을 파괴하여 새로운 자외선의 지구표면 도달량을 증가시킴으로써 피부암을 일으킴은 물론 식물을 말라죽이게 하는 등 많은 피해를 준다고 알려져 있다.

   이뿐만 아니라 다쓰고 버린 타이어, 윤활유, 밧데리 및 자동차는 폐기물로서 쓸모있게 처리하지 않으면 자연환경을 크게 해롭게 하고 있으며 세차시 발생하는 오물은 강물을 오염시키고 있다. 이와 같이 우리에게 편리하게 만들어진 자동차가 오늘날 우리들에게 편리함을 주는 것 못지 않게 많은 피해를 주고 있어 이러한 피해를 줄이기 위한 노력이 절실히 필요하게 되었다.

자동차 배출가스에 의한 대기오염사건

-로스앤젤레스 스모그 사건-

   자동차 배출가스속에 포함되어 나오는 오염물질인 질소산화물() 및 탄화수소(HC)는 햇빛과 반응하여 광화학 옥시던트라고 하는 이차오염물질을 만든다. 광화학 옥시던트는 대부분이 오존()이며 알데히드(HCHO) 및 팬(PAN:일종의 과산화 유기질소)과 같은 과산화물을 포함하고 있으며 이러한 광화학 옥시던트가 공기중에 많이 포함되어 있으면 광화학 스모그가 발생한다.

   스모그(Smog)란 연기(Smoke)와 안개(Fog)의 합성어로서 1950년대초부터 사용되었으며 런던형 스모그와 로스앤젤레스형 스모그는 대기오염사건으로서 유명하다.

   런던형 스모그는 1952년 12월초순 영국 런던에서 발생한 스모그 사건으로서 공장과 가정용 난방연료로 사용한 석탄과 석유가 탈 때 발생하는 아황산가스()와 먼지가 공기의 정체로 말미암아 멀리 날아가지 못하고 지상 60∼150m의 낮은 곳에 쌓이게 되자 안개와 더불어 스모그를 형성하였던 것이다. 1952년 12월 8일 최고 0.75ppm(일평균 최고치)의 아황산가스 농도와 4.46mg/㎥(순간 최고농도)의 먼지농도는 런던시민의 호흡기계 질병을 일으켜 4천명을 죽게 하였다.

<그림 33> : 런던 스모그 현상

   한편 로스앤젤레스 스모그는 미국의 로스앤젤레스에서 1954년에 발생한 스모그 사건으로서 자동차 배출가스가 원인이었다. 로스앤젤레스는 지리적으로 서쪽에 태평양을 둔 연해분지로서 태평양 고기압에 의한 침강성 역전으로 인하여 바람이 없고 공기의 정체가 자주 일어나 도시내에서 발생한 오염물질이 멀리 날아가지 못할 뿐만 아니라 햇볕이 강해 광화학 반응이 일어나기 좋은 지리적인 조건을 갖추고 있는 도시이다.

   또한 로스앤젤레스시는 석유가 생산되어 미국 서부의 유명한 관광도시로서 자동차가 많아 자동차 배출가스에 의한 오염물질이 많이 배출되었다. 그리하여 1940년경에 식물에 스모그 피해가 나타나기 시작하였으며 1950년경에는 사람에게도 피해를 나타내어 1954년부터는 로스앤젤레스시의 대부분의 시민이 눈, 코, 기도, 폐 등의 점막에 지속적이며 반복적인 자극을 받아 일상생활에 불쾌감을 호소하는 사람이 많았을 뿐만 아니라 가축 및 농작물의 피해와 고무제품의 수명을 짧게 하는 등 재산상의 피해도 크게 나타났다.

<그림 34> : 로스엔젤레스 스모그 현상

   1954년 로스앤젤레스 스모그사건 이후 여러 가지 스모그 방지를 위한 조치를 하였으나 계속 스모그 피해가 나타나 1966년에는 세계에서 최초로 자동차 배출가스 규제를 실시하였으며 그 후 계속하여 미국 연방정부와는 별도로 엄격한 배출가스 규제강화를 함으로써 공기의 질이 많이 좋아졌다. 그러나 오늘날에는 오존농도가 환경기준치(국민의 건강을 보호하고 쾌적한 환경을 조성하기 위하여 국가가 정한 기준)를 초과하는 경우가 자주 나타나게 되자 1990년에는 대기정화법을 개정하여 자동차에서 오염물질이 전혀 나오지 않는 무공해 자동차의 보급을 선언하기에 이르렀다.

   자동차 배출가스에 의한 스모그 피해가 로스앤젤레스시 뿐만 아니라 미국 및 일본 등 대도시에서 1970년대에 자주 나타났으나 그동안 엄격한 배출가스 규제를 함으로써 대기의 질은 많이 좋아졌다.

   오늘날에는 자동차 배출가스 규제가 엄격하지 못한 개발도상국의 대도시에서 자동차 배출가스에 의한 대기오염이 심각한 상태에 이른 곳이 많다. 우리나라에서도 자동차 배출가스 규제 뿐만 아니라 대기오염을 줄이기 위한 여러 가지 대책을 실시하고 있으나 서울 등 대도시의 대기오염상태는 점점 나빠지고 있어 보다 적극적인 대책이 요구되고 있는 실정이다.

자동차 배출가스 피해

   자동차로부터 배출되는 오염물질은 직접 우리에게 피해를 주기도 하고 대기중에서 반응을 일으켜 2차 오염물질을 만들어 더 큰 피해를 미치기도 한다. 가솔린이나 LPG 자동차에서 많이 배출되는 일산화탄소(CO)는 교통정체가 자주 일어나는 도시의 도로변에서 농도가 높아짐으로써 택시기사나 교통순경과 같이 도로상에서 오랫동안 작업하는 사람에게는 많은 피해를 미칠 수 있다.

   대기중에 CO농도가 높으면 우리의 혈액속에 산소를 운반하는 역할을 하는 헤모글로빈과 CO가 쉽게 결합하여 혈액속의 CO-헤모글로빈(탄산화 혈색소)농도를 높게 하여 인체에 피해를 준다. 혈액중 CO-헤모글로빈 농도가 높으면 두통, 현기증이 나고 심한 경우 구토증과 같은 증상을 나타내기도 한다. 연탄가스 중독현상은 혈액속의 CO-헤모글로빈 농도가 높을 때 생기는 중독현상이므로 우리나라에서는 많이 경험한 사실이다.

   HC 및 NOx는 그 자체의 독성보다는 대기중에서 햇빛과 반응해서 광화학 옥시던트인 오존, 알데히드 및 과산화물을 생성하는데 문제가 있다. 대기중에 2차 오염물질인 광화학 옥시던트 농도가 높으면 광화학 스모그 현상이 일어난다.

   광화학 스모그가 심하게 발생하면 눈이나 코의 점막이 자극되어 기침이 나며 가슴이 답답하고 두통이나 호흡기계 질병이 증가하며 천식환자가 증가되는 등 인체에 심한 피해를 나타낼 뿐만 아니라 농작물의 수확이 감소되고 고무제품을 쉽게 노화시키는 등 재산상의 피해를 가져온다. 또한 광화학 스모그가 발생하면 햇볕이 강한 한낮에도 구름이 낀 것과 같이 하늘이 뿌옇게 되어 가까운 거리도 잘 보이지 않는다.

   디젤자동차에서 많이 배출되는 매연은 평균직경이 0.1∼0.2㎛인 아주 작은 입자이므로 다른 먼지보다는 쉽게 제거되지 않고 대기중에서 오랫동안 떠돌아 다니므로 우리가 숨쉴 때 폐 깊숙이 흡입되어 인체에 피해를 준다. 특히 디젤매연은 발암성 물질로 알려진 벤조피렌은 물론 많은 독성 화학물질을 함유하고 있기 때문에 인체에 유해하다고 알려져 있다. 또한 디젤 매연은 검고 기름기가 있기 때문에 피복이나 건물 등에 달라 붙으면 쉽게 떨어지지 않아 재산을 쉽게 더럽히고 대기중에 떠돌아 다니면서 햇빛을 산란시켜 하늘을 흐리게 하는 원인이 되기도 한다.

자동차 공해 어떻게 생기나?

   오늘날 거리에서 운행되고 있는 많은 자동차는 화석연료인 가솔린, 경유 및 액화석유가스(일명 LPG)를 연료로 사용하고 있다. 자동차는 엔진의 실린더 안에서 연료와 공기를 일정한 비율로 섞어 태울 때 발생한 높은 열과 압력에 의해 피스톤을 밀어내어 자동차를 움직이게 하고 이때 발생한 열과 함께 탄산가스(CO2), 물(H2O), 질소(N2) 및 오염물질을 대기중으로 배출한다.

   자동차 배기가스 중에 포함되어 있는 오염물질은 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 및 입자상물질을 들 수 있다. 이러한 오염물질의 배출량은 자동차의 종류, 운전조건, 사용연료에 따라 다르다.

   가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 자동차와 LPG를 연료로 사용하는 LPG 자동차는 가솔린 및 LPG가 실린더 안에서 탈 때 완전하게 타지 못하여 CO, HC 가 생기며 연료가 탈 때 생기는 높은 열에 의하여 공기중의 질소와 산소가 반응하여 NOx가 생긴다. 그러므로 자동차엔진의 실린더 안에 들어가는 공기와 연료의 혼합기체중에 공기가 많으면 연료가 잘 타서 CO 및 HC가 적게 생기나 공기가 적으면 연료가 잘 타지 못하여 CO 및 HC가 많이 생긴다.

   자동차엔진에서 공기와 연료의 비율을 공연비라 하는데 공연비가 적다고 하는 것은 혼합기체 중에 공기가 적다는 뜻이고 공연비가 크다고 하는 것은 혼합기체 중에 공기가 많다는 뜻이다. 그러므로 자동차 배출가스중 CO 및 HC의 배출량을 줄이기 위해서는 공연비를 크게 하는 것이 좋으나 공연비가 너무 크면 연료가 적어 실린더 안에서 공기와 연료의 혼합기체를 압축한 후 점화플러그에 의해 불을 붙일 때 불이 붙지 않고 꺼질 때가 있어 연료가 타지 못하고 그대로 배출되므로 엔진에 힘이 없고 HC의 배출량이 많게 된다.

   NOx는 CO 및 HC와는 반대로 연료가 잘 타 온도가 높을 때 많이 생기므로 공연비가 이론공연비(화학 당량적으로 완전히 연소될 수 있는 공기와 연료의 무게비를 말하며 가솔린에 있어서는 이론공연비가 14.6정도임)보다 약간 높을 때 많이 생긴다.

   자동차는 정지가동, 가속, 정속 및 감속상태를 반복하면서 도로를 주행하고 있다. 정지가동상태란 자동차가 시동만 걸린 채 정지해 있는 상태, 가속은 속도가 점차 증가하는 상태, 정속은 일정한 속도로 달리는 상태이며 감속은 속도가 줄어드는 운전상태를 말한다. 가솔린 및 LPG자동차는 정지가동상태, 급격한 가속 및 감속상태에서 CO 및 HC가 많이 배출되며 정속상태에서는 CO 및 HC는 적게 배출되나 NOx가 많이 배출된다. <표 2>는 배출가스 방지장치를 하지 않은 자동차 엔진에서 배출되는 오염물질 농도가 운전조건에 따라 어떻게 변화하는가를 나타낸 것이다.

<표 2> 운전조건 및 연료별 배출가스 농도

   경유를 사용하는 디젤엔진은 가솔린엔진과 많이 다르다. 가솔린엔진은 연료를 기화기 또는 전자식 연료분사장치에 의해 공기와 일정비율로 섞은 후 실린더에 흡입, 압축시킨 후 점화플러그에 의하여 강제적으로 연소시키지만, 디젤엔진은 공기만을 실린더에 흡입, 압축시켜 높은 온도로 압축된 공기중에 연료를 분산시켜 자연적으로 타게 한다. 그러므로 가솔린엔진에 사용하는 연료는 높은 온도에서도 쉽게 불이 붙지 않는 옥탄가가 높은 연료를 사용하여야 하나, 디젤엔진은 비교적 낮은 온도에서 쉽게 불이 붙을 수 있는 즉 세탄가가 높은 연료를 사용하여야 한다. 또한 디젤엔진은 공기만을 압축하므로 압축비를 높여도 녹킹이 일어나지 않아 가솔린 엔진에 비하여 높은 압축비를 얻을 수 있어 열효율을 높일 수 있으나 소음과 진동이 심한 것이 흠이다.

   디젤엔진은 항상 일정한 공기를 흡입하고 출력에 따라 연료를 내뿜으므로 공기가 충분한 상태에서 연소되어 CO 및 HC가 적게 생기나 NOx 및 매연이 많이 생긴다. 특히 디젤자동차의 매연은 많은 힘이 필요로 하는 운전상태 즉 많은 짐을 싣고 언덕을 오르거나 고속으로 주행할 때에는 많은 연료를 내뿜으므로 공기가 충분하지 못하여 매연이 많이 발생한다. 또한 디젤자동차에 사용하는 경유에는 가솔린보다 황이 많이 포함되어 있으므로 SO₂가 많이 배출된다.

자동차 공해 어떻게 줄여왔나?

   자동차공해를 줄이기 위해서는 무엇보다 먼저 국가에서 일정한 배출허용기준을 정하고 이 기준을 만족시킬 수 있는 자동차를 만들도록 하는 것이다. 자동차 공해에 대한 규제기준이 얼마나 엄격하느냐에 따라 적용되는 기술도 다르므로 새로운 기술의 개발도 필요하게 된다. 자동차공해에 대한 최초의 규제는 1966년 미국의 캘리포니아주였으며 그 2년 후인 1968년에 미국의 연방정부에서 배출가스를 규제하였고 일본에서는 1973년부터 그리고 우리나라는 1980년부터 자동차 배출가스를 본격적으로 규제하기 시작하였다. 미국 캘리포니아주, 미국 연방정부, 일본 및 우리나라의 가솔린 승용차의 배출가스 규제치를 비교해 보면 <그림 35>와 같다.

   미국 연방정부 및 캘리포니아주에서 1966년 및 1968년에 적용하였던 규제기준은 배출가스 측정방법이 다르기 때문에 1972년 이후 기준과 비교하기 어려워 그림에 나타내지 않았으나, 규제이전의 오염물질 배출량은 1981년 규제치보다 CO는 26배, HC는 21배, NOx는 4배가 많이 배출하였다고 하니 미국에서 자동차 배출가스를 규제하기 이전에는 오늘날의 자동차와 비교하여 볼 때 오염물질을 얼마나 많이 배출하고 다녔는지를 알 수 있다.

   미국의 캘리포니아주 및 미연방정부에서 자동차 배출가스 규제를 엄격하게 실시하였던 1977년-1981년 규제치를 만족시키기 위해서 미국의 자동차 제작사는 물론 일본, 유럽의 자동차 제작사들은 자동차 배출가스 방지기술의 개발에 모든 힘을 모아 지금까지의 생각으로는 도저히 불가능했던 새로운 기술을 개발하게 되었다.

<그림 35> : 미국은 1968년, 일본은 1973년, 우리나라는 1980년부터 승용자동차 배출가스를 규제하여 단계적으로 규제를 강화하였으며 앞으로는 더욱 엄격한 규제가 적용될 것이다.

   지금까지는 자동차로부터 나오는 오염물질을 줄이기 위해서 엔진안에서 연료가 잘 탈 수 있도록 기관을 개량하는 기술을 사용하였으나 이러한 기술로는 어느 이상의 오염물질을 줄일 수 없었다. 그러나 엄격한 자동차 배출가스 규제가 만들어지자 이 규제치를 만족시키기 위하여 기계공학자, 전자공학자 및 촉매공학자들이 한데 모여 오랜 연구 끝에 삼원촉매장치라고 하는 새로운 기술을 개발함으로써 오염물질을 대폭 줄일 수 있었다(그림 36 참조).

<그림 36> : 자동차 배출가스중 오염물질은 촉매에 의하여 정화되어 탄산가스, 물 및 질소가 된다. 이 촉매장치는 가솔린 자동차에 장착된다.

   삼원촉매장치라 함은 자동차엔진으로부터 배출되는 CO, HC 및 NOx를 촉매에 의해서 탄산가스, 물 및 질소로 정화시키는 장치이다. 즉 CO 및 HC는 백금(Pt)과 파라듐(Pd)과 같은 산화촉매에 의하여 탄산가스와 물로 산화시키고 NOx는 로듐(Rh)과 같은 환원촉매에 의하여 질소(N2)로 환원시키는 것이다. 이때 촉매가 CO, HC 및 NOx를 동시에 정화시키기 위해서는 엔진의 실린더안에 공급되는 공기와 연료의 비가 이론공연비 상태로 유지되어야 하는데 엔진의 운전조건에 관계없이 이론공연비 상태로 유지한다는 것은 아주 어렵다.

   그러나 배기가스속에 포함된 산소농도를 측정할 수 있는 산소농도 측정기를 배기관에 설치하고 측정된 산소농도에 비례한 전기신호를 전자조절장치(ECU)에 보내고 전자조절장치에서 배기가스중 산소농도에 따라 공기와 연료의 공급량을 조절하는 기술이 개발됨에 따라 삼원촉매에 의한 배출가스를 줄이는 것이 가능하게 되었다.

   공기와 연료의 혼합기체를 만들기 위해서 전에는 기화기를 사용하였으나 요사이는 연료의 공급을 전자적으로 조절하는 전자식 연료분사장치에 의해 엔진의 실린더마다에 연료를 공급하고 공기는 공기유량 측정기에 의해 정확한 양을 측정하여 공급함으로써 더욱 정밀한 이론공연비를 유지할 수 있다. 또한 연료가 탈 때 높은 열에 의해 질소산화물이 생기는 것을 줄이기 위하여 배기가스의 일부를 흡입공기에 섞어 실린더에 보내주는 배기가스 재순환장치를 사용함으로써 질소 산화물을 줄이고 있다.

   이와 같은 엔진의 운전조건을 전자적으로 조절하는 전자조절장치를 사용함으로써 오염물질을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료도 적게 소비되는 좋은 자동차를 만들 수 있게 되었다. 우리나라도 이러한 새로운 기술을 1987년부터 도입하여 삼원촉매장치가 장착된 자동차가 국내시장에 공급되었고 미국에도 수출하였다. 이러한 기술은 미국에서 1980년 이후 10여년동안 사용하여 왔으나 아직도 로스앤젤레스를 포함하여 미국의 많은 대도시에서 자동차 배출가스에 의한 대기오염이 환경기준치를 초과하게 되자 더욱 엄격한 배출가스 규제가 요구되었다.

   그리하여 1990년에는 미국에서 자동차 배출가스규제를 포함한 대기정화법을 개정하였는데, 이 법에 의하면 연방정부에서는 질소산화물을 1994년까지 지금의 60%를 강화하고 캘리포니아주에서는 1997년부터 NOx를 지금 연방정부 수준의 80%를 강화하며 탄화수소는 연방정부에서 1994년부터 현재 수준의 50%를 강화하고 캘리포니아주에서는 1993년부터 단계적으로 강화하여 1997년부터는 현재 수준의 90%를 강화하도록 하고 있다. 또한 캘리포니아주에서는 1998년부터 무공해 자동차인 전기자동차를 의무적으로 전체 자동차 판매대수의 2%를, 2001년부터는 5%, 2003년부터는 10%를 판매하도록 하고 있는 실정이다.

   이와 같은 엄격한 배출가스 규제는 미국의 자동차 제작사 뿐만 아니라 미국에 자동차를 수출하고 있는 자동차 제작사들은 저공해 또는 무공해 자동차 개발에 또한번 도전하게 되었다.

   1997년부터 미국의 캘리포니아주에 공급하여야 하는 저공해 자동차(LEV) 및 초저공해 자동차(ULEV)는 지금의 삼원촉매장치만으로는 규제치를 만족시킬 수 없으므로 새로운 기술개발에 도전하여야한다. 이러한 기술로는 희박연소 기술개발, 천연가스자동차 개발, 알콜자동차 개발, 수소자동차 개발 등이 있으며 무공해 자동차로선 전기자동차 등의 개발이 이루어져야 한다.

   디젤자동차는 가솔린 자동차에 비하여 일산화탄소와 탄화수소는 적게 배출되나 매연과 질소산화물이 많이 배출된다. 디젤자동차는 같은 크기의 가솔린 자동차에 비하여 연료가 적게 소비되어 탄산가스의 배출량이 적으며 많은 힘을 요구하는 자동차에 적합하기 때문에 대형버스나 트럭에 많이 사용하고 있다. 그러나 디젤자동차의 배출가스 방지기술은 가솔린 자동차에 비하여 뒤떨어져 있어 매연과 질소산화물이 많이 배출되고 있다.

   최근 디젤자동차의 매연이 인체에 해로우며 공기를 오염시키는데 많은 역할을 한다는 것이 밝혀짐에 따라 미국을 비롯한 선진국에서는 디젤자동차의 배출가스 규제를 강화하고 있다. 미국의 최근 대형 디젤자동차 배출가스 규제강화내용을 <그림 37>에 나타내었다.

<그림 37> : 디젤자동차의 배출가스는 미국에서 제일 엄격하게 규제하고 있으며 매연 없는 디젤자동차 개발을 유도하고 있다.

   디젤자동차 배출가스를 줄이기 위해서는 가솔린 자동차에서와 같이 엔진의 실린더 안에서 연료가 잘 타서 매연이 생기지 않도록 엔진개량 기술이 발전하여왔다. 최근 디젤자동차 배출가스 규제가 더욱 엄격하게 되자 디젤자동차에 있어서도 가솔린 자동차에서와 같이 연료공급은 물론 엔진의 운전을 전자적으로 조절하는 전자조절장치를 사용하여 연소를 좋게 함으로써 오염물질을 많이 줄이고 있다.

   그러나 미국의 1993년부터 시내버스에 적용하는 기준을 만족시키기 위해서는 지금까지 사용해 온 엔진개량 기술만으로는 규제치를 만족시킬 수 없으므로 가솔린 자동차에서와 같이 배기관에서 오염물질을 정화시키는 장치가 사용될 것이다.

   이러한 정화장치로는 매연을 걸러서 제거시키고 해롭지 않게 태워서 없애는 매연여과장치가 실용화될 전망이며(그림 38 참조) 질소산화물은 촉매에 의하여 정화처리할 수 있는 기술이 개발되고 있다. 또한 캘리포니아주에서는 미국 연방정부보다 더욱 엄격한 대형디젤자동차의 배출가스 규제를 강화할 계획을 가지고 있어 디젤자동차에 있어서도 가솔린 자동차에서와 같이 연료를 천연가스나 알콜로 바꿔 사용할 수 있는 자동차가 개발되어 실용화할 단계이다.

   이러한 디젤자동차 배출가스 정화기술은 가솔린 자동차 배출가스 정화기술에 비하여 선진국에 있어서도 많이 뒤떨어져 있으며, 특히 우리나라는 아직 초보단계에 있으므로 디젤자동차의 보유비율이 높고 디젤자동차의 매연에 의한 대기오염이 심한 우리나라에 있어서는 디젤자동차 배출가스 방지기술 개발에 많은 노력을 하여야 할 것이다.

<그림 38> : 디젤자동차 매연은 세라믹 여과기로 걸러서 정화시킬 수 있는 기술이 개발되어 시내버스에의 활용이 기대되고 있다.

공해없는 미래 자동차

알콜자동차

   알콜을 연료로 사용하는 자동차를 알콜자동차라 한다. 자동차 연료로는 메틸알콜(메탄올)과 에틸알콜(에탄올)을 사용하는데 메탄올은 천연가스나 석탄으로부터 만들며 에탄올은 사탕수수, 사탕무우 또는 곡물로부터 만드는 식물성 알콜이다.

   알콜이 자동차 연료로 사용하기 위한 연구가 시작된 것은 화석연료인 석유를 대신할 연료(대체연료)로 사용하기 위해서였다. 석유자원은 정치적으로 불안한 중동지방에 집중되어 있고 그 매장량도 한정되어 언젠가는 다쓰고 없어질 것이라는 생각은 석유만을 쓰고 있는 자동차의 연료를 다른 연료로 바꿔야 한다는 생각을 하게 되어 1950년대부터 자동차를 많이 보유하고 있는 선진국을 중심으로 알콜자동차 개발을 하여 왔으며, 1973년 1차 석유파동과 1978년도의 2차 석유파동을 겪으면서 대체연료 자동차 개발의 필요성이 강력히 요구되어 일본과 같은 석유를 생산하지 않는 나라에서 활발한 연구가 추진되었었다.

   80년대에 들어와 석유가격이 안정되고 석유사용량이 감소하게 되자 대체연료 개발에 대하여 열의가 식어졌으나 90년도에 미국의 대기정화법이 개정되어 엄격한 배출가스 규제가 실시되자 배출가스를 줄이기 위하여 알콜자동차의 개발이 다시 활기를 띠기 시작하였다.

   에탄올 자동차를 처음으로 사용한 나라는 브라질이다. 브라질은 사탕수수와 사탕무우를 발효시켜 만든 에탄올을 가솔린에 20% 정도 섞어 사용하고 있으며 100% 에탄올을 사용하는 자동차도 판매되고 있다.

   에탄올은 녹말을 발효시켜 생산하므로 발효기술이 발달되면 곡물이 아니더라도 각종 풀이나 나무 및 바다의 해초류도 알콜 원료가 될 수 있으므로 앞으로 석유류를 다 쓰고 없어질 때에는 자동차 연료로 등장할 가능성이 높다.

   메탄올은 천연가스나 석탄으로부터 만들어지므로 세계 여러 나라에 매장되어 있는 천연가스를 이용하면 에탄올보다 싼 값으로 만들 수 있어 당장은 석유를 대신할 연료로서 에탄올보다 유리하다.

   메탄올은 석유와 같이 보통 온도에서는 액체이며 옥탄가가 105로서 가솔린의 옥탄가인 90보다 높으므로 압축비를 높일 수 있어 연소효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 에탄올과 같이 산소를 함유하고 있기 때문에 연료가 타는 것을 도와줌으로써 완전연소를 시킬 수 있다. 메탄올은 탈 때 매연이 생성하지 않고 일산화탄소와 질소산화물이 적게 발생한다. 이와 같이 알콜은 자동차 연료로 사용할 때 가솔린보다 좋은 점이 많으나 문제점도 있다.

   알콜은 가솔린에 비하여 끓는점이 높고 기체가 될 때 주위로부터 열을 많이 빼앗기 때문에 주변온도가 낮을 때 혼합기체를 잘 형성하지 못하여 낮은 온도에서 엔진의 시동이 잘 걸리지 않고 배출가스중에 알데히드가 많이 배출된다. 또한 알콜은 물과 섞일 수 있으므로 금속이나 고무를 부식시키는 성질이 있어 가솔린 자동차에 그대로 사용할 수 없다.

   그러므로 알콜자동차는 배출가스중 알콜성분 및 알데히드를 제거시키기 위한 특수 산화촉매가 개발되어야 하며 연료공급 계통에 부식성이 없는 재료인 스테인레스강이나 불소고무 같은 특수한 재질을 사용하여야 한다. 또한 낮은 온도에서 엔진의 시동이 잘 걸리도록 하기 위해서는 알콜과 가솔린을 85대 15로 섞은 연료(M 85)를 사용하고 있다.

   현재로서는 가솔린처럼 전국 어디에서나 쉽게 공급받을 수 없기 때문에 알콜을 넣을 수 없을 때를 생각하여 가솔린과 알콜을 어떠한 비율로든 섞어 사용할 수 있는 자동차(FFV)를 개발하였다. 우리나라도 현대자동차에서 브라질에 에탄올 자동차를 수출하고 있으며 FFV자동차도 개발하였다. 또 기아자동차에서는 100%알콜자동차(M100) 및 85%알콜자동차(M85)도 개발하였다.

   최근에는 디젤자동차의 매연 및 질소산화물에 대한 규제가 엄격해지자 디젤자동차에 메탄올을 사용할 수 있는 메탄올 자동차를 개발하여 미국에 배출가스 인증을 받은 자동차 제작사도 있다. 디젤자동차의 메탄올 자동차화는 엄격한 미국의 배출가스 규제를 만족시키기 위해서 적용할 수 있는 유망한 기술중의 하나이다.

압축천연가스 자동차

   압축천연가스(CNG)란 천연가스(대부분이 메탄이며 소량의 에탄, 프로판 등이 혼합되어 있음)를 고압으로 압축한 가스이다. 우리나라는 천연가스가 생산되지 않으므로 현재는 인도네시아로부터 천연가스를 액화시켜 액체상태인 액화천연가스(LNG)를 들여와서 다시 압력을 낮춰 도시가스 배관을 통해 각 가정과 빌딩 및 산업체에 공급하고 있다.

   압축천연가스를 자동차용으로 사용할 때에는 고압가스 압축장치로 도시가스를 압축하여 고압탱크에 넣어 사용하고 있다.

   천연가스가 자동차 연료로 처음 사용된 것은 1930년대 부터이며 이탈리아, 소련, 뉴질랜드. 미국, 캐나다 등 천연가스가 많이 생산되는 나라에서 가솔린 자동차를 천연가스 자동차로 개조하여 사용하고 있다. 전세계적으로 천연가스 자동차의 사용현황은 이탈리아 27만대, 소련 70만대, 뉴질랜드 11만대, 미국 3대, 캐나다 15만대 등이며, 디젤자동차를 천연가스자동차로 개조하여 사용한 나라는 소련 25만대, 이탈리아 7만대, 뉴질랜드 5만대, 미국 5만대, 캐나다 1만대 등이다.

   천연가스는 가솔린 자동차와 같이 기화기를 사용하여 공기와 일정비율로 섞어 엔진의 실린더에 보내 태우기도 하고, 전자식 연료분사장치에 의해 연료를 공급하고 공기와 연료의 비를 전자식 조절장치를 통하여 조절하기도 한다.

   천연가스는 옥탄가가 120으로서 메탄올 105, 가솔린 90보다 아주 높아 압축비를 높게 하여 연소효율을 좋게 함으로써 연료가 적게 소비되고 오염물질이 적게 배출되며 특히 지구온난화가스(지구의 기온을 올라가게 하는 기체)로 알려진 탄산가스가 적게 배출된다.

   배출가스 속에 섞여서 배출되는 탄화수소는 대부분이 메탄가스이다. 메탄가스는 공기중에서 햇볕과 반응하여 광화학반응을 일으키는 힘이 다른 탄화수소에 비하여 아주 낮으므로 오존을 생성하지 않아 스모그 피해를 일으키지 않는다. 그러나 천연가스를 자동차 연료로 사용하기 위해서는 해결해야만 될 몇가지 문제점이 있다.

   천연가스는 기체이므로 고압으로 압축하여 고압용기에 넣어 사용하여야 하므로 특수한 용기가 필요하고 용기는 부피가 크고 무거워 가솔린에 비하여 한번의 가스충전으로 먼거리를 주행할 수 없다. 또한 천연가스는 도시가스 배관이 있는 지역에서만이 충전소를 설치하여 자동차에 가스주입이 가능하므로 도시가스 배관망이 없는 지역에서는 사용할 수 없는 결점을 가지고 있다.

   천연가스자동차의 연료를 이론공연비로 공급하면 삼원촉매장치에 의하여 일산화탄소 및 질소산화물을 정화시킬 수 있으나 탄화수소중 메탄은 쉽게 정화되지 않아 특수한 메탄산화촉매가 개발되어야 한다. 천연가스 자동차의 일산화탄소 및 탄화수소를 획기적으로 줄이고 연료소비를 줄이기 위해서는 희박연소를 시켜야 하는데 이때는 흡입공기를 이론공연비때보다 훨씬 많이 공급하여야 하므로 삼원촉매에 의해 질소 산화물을 정화시킬 수 없고 별도의 질소산화물 분해촉매를 사용하여야 한다.

   현재까지는 메탄산화촉매나 질소산화물 분해촉매기술이 선진국에서도 완전하게 개발되어 있지 않은 실정이므로 이 분야의 기술개발도 절실히 요구되고 있는 분야이다.

   천연가스 자동차는 매연이 전혀 나오지 않으므로 우리나라와 같이 디젤자동차에 의한 매연오염이 심한 도시지역에서는 천연가스 시내버스의 개발이 도시의 매연오염을 줄이는데 크게 기여할 것으로 본다.

수소 자동차

   수소는 물을 전기분해하여 얻을 수 있기 때문에 그 자원은 무한하다고 할 수 있다. 다만 물은 전기분해하는데 사용되는 전기를 얼마나 싸게 얻을 수 있으며 전기생산시 오염을 얼마나 발생시키는지가 문제이다.

   물의 전기분해에 사용하는 전기는 석탄이나 석유와 같은 공해를 일으키는 화석연료 이외에 수력, 풍력, 조력, 지열, 태양열 및 원자력 등 공기를 오염시키지 않는 방법으로 얻을 수 있다.

   수소가 탈 때는 물이 생기며 석유가 탈 때와 같이 탄산가스나 일산화탄소 및 탄화수소가 전혀 생기지 않는다는 이점이 있다. 다만 수소가 탈 때 높은 온도에 의하여 약간의 질소산화물이 생기나 이는 희박연소나 질소산화물 촉매 등의 기술로 해결할 수 있을 것이다.

   수소연료에 대한 연구는 1920년대부터 연구되고 있으나 아직도 실용화가 되지 않고 있는데 그 이유는 다음과 같은 몇가지의 문제점이 있기 때문이다.

<그림 39> : 수소버스, 붉은색은 수소저장용기다.

   첫째로는 저장 및 운반이 어렵기 때문이다. 수소는 압축수소와 액화수소상태로 저장·운반할 수 있지만 가볍고 크기가 작은 압축수소용기를 만들기가 어렵고, 액화수소는 영하 253℃ 이하의 극저온 상태를 유지하기가 매우 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 금속수소화합물을 이용하여 수소를 저장하는 방법이 연구되고 있는데, 이는 특수한 금속에 수소가스를 반응시켜 금속수소화합물 상태로 수소를 저장하고 있다가 필요시에 가열하여 수소와 금속을 분리하는 방법이다.

   둘째로는 수소연료를 자동차엔진에 사용하는데 어려움이 많다. 즉 수소가 탈 때 역화(연료공급부위인 흡기관에 불이 붙어 폭발하는 것)와 조기점화(수소가 실린더 내에서 벽면의 낮은 온도에서도 점화되는 현상)와 같은 현상이 일어나기 때문에 이를 막기 위한 연구가 현재 진행중이다.

   수소자동차는 전기자동차와 마찬가지로 거의 무공해 자동차이며 연료자원이 무한하다는 매력 때문에 21세기에 실용화가 가능한 꿈의 자동차라고 볼 수 있다. 수소자동차는 현재 전세계적으로 많은 연구가 진행중에 있으며 1979년에 독일항공연구소가 BMW520모델을 개조하여 유럽 최초의 액체 수소자동차를 발표하였으며, 일본에서는 무사시 공대주관으로 1970년대에 상업용 압축수소 용기를 사용한 수소자동차를 만들었고 최근에는 닛산자동차와 공동으로 무사시 8호를 1991년 동경 모터쇼에서 출품한 바 있다.

   미국에서는 1971년 무공해 자동차협회에서 포드F250트럭을 개조하여 수소자동차를 선보였으며 최근에는 GM자동차가 천연가스와 수소의 혼합연료를 사용한 미니밴을 개발하고 있다. 국내에서는 대학에서 수소자동차의 연료저장 및 연소에 관한 기초연구를 하고 있는 실정이다.

전기자동차

   전기자동차는 전기모터에 의해 바퀴를 움직이는 자동차이다. 전기모터를 움직이는 전기는 축전지에 의해 공급되며 축전지는 발전소에서 발전한 전기로 충전한다. 전기를 발생할 때는 석탄, 석유와 같은 화석연료를 사용하면 대기오염물질을 발생하지만, 수력이나 원자력을 이용하면 대기오염물질은 거의 배출되지 않으므로 수력 및 원자력 발전비율이 높은 나라에서는 전기자동차에 의한 오염물질 배출량이 아주 적고 소음과 진동이 거의 발생되지 않는 무공해 자동차이다.

   전문가들은 현재의 지구대기는 이미 연평균 기온 1℃ 올리는데 충분한 탄산가스를 함유하고 있으며 연평균 1℃의 기온이 올라가면 21세기에는 많은 생명체들이 멸종할 것이라고 경고하고 있다. 1992년 6월 리우데자네이루에서 세계 정상들이 모여 지구기온을 높이는 원인물질인 탄산가스의 배출량을 제한하여야 한다는 기후변화협약을 체결한 것도 이 때문이다. 전세계적으로 가솔린이나 디젤 등 화석연료를 사용하는 자동차에서 배출하는 탄산가스가 절반을 차지하고 있으며 공장 등에서 나오는 탄산가스는 방지대책이 가능하나 자동차 배출가스는 탄산가스 방지대책이 어려우므로 탄산가스가 나오지 않는 전기자동차나 수소자동차 보급이 절실히 요망되고 있는 것도 이러한 이유에서 비롯된다.

<그림 40> : 도쿄전력의 전기자동차 IZA, 1회 충전으로 5백 30km를 달린다.

   전기자동차는 가솔린 자동차가 소개된 지 12년전인 1873년 영국인 로버트 데이비슨에 의하여 실용성이 있는 자동차로서 개발되었다. 그리하여 19세기말까지는 전기자동차가 전체 자동차의 주류를 이루었으며 1899년에는 벨기에인 카미유 쥬난치에 의하여 시속 105km로 달릴 수 있는 전기자동차가 개발되기도 하였다.

   그러나 1909년 포드자동차가 탄생하면서 가솔린자동차 시대가 열렸다, 그 당시의 전기자동차는 배터리 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 짧고 충전시간이 너무 길어서 1920년대 와서는 거의 자취를 감추었다. 그후 전기자동차는 한정된 용도 즉 지게차, 구내운반차, 유원지 유람차, 마라톤 중계차 등 특수한 용도에만 사용하게 되었다.

   그후 1970년대에 있었던 석유파동으로 전기자동차 개발의 필요성이 있어 연구가 다시 시작되었으며 1980년대 이후 도시대기오염이 심각해지자 대기오염을 줄이기 위한 목적으로 전기자동차가 연구되었으며, 특히 1990년대에 들어와서는 미국캘리포니아주에서 1998년부터 의무적으로 2%의 전기자동차를 팔아야 한다는 규정과 지구기온의 온난화 가스인 탄산가스를 줄이기 위한 기후변화 협약은 전기자동차의 개발에 열을 올리게 되었다.

   지금까지의 전기자동차 기술로는 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 짧으며 전기에너지를 배터리에 충전하는데 걸리는 시간이 6∼10시간으로 길고 많은 양의 배터리를 차에 싣고 다녀야 하며 자동차 생산량이 적기 때문에 차량가격이 비싸다는 점등이 현재 전기자동차가 가지고 있는 문제점이다.

   현재 전기자동차에 대한 연구는 일본, 미국, 독일 등 자동차 선진국들에 의하여 활발히 연구가 이루어지고 있고, 우리나라도 국가대형 연구과제로 전기자동차 개발을 추진하고 있으며 현대자동차에서도 소나타를 전기자동차로 개발하여 선을 보였다.

   미국의 GM자동차는 1970년에 최고속도가 120km, 1회 충전으로 193km를 달릴 수 있는 "임팩트"를 개발하였으며 일본의 닛산 자동차에서는 전에는 몇 시간씩 걸리던 충전시간을 15분 이내로 단축하고 1회 충전으로 250km를 달릴 수 있는 전기자동차 "FEV"를 개발하였으며 동경 전력에서 개발한 "IZA"는 최고시속 176km에 주행거리가 548km에 달한다. 또 독일의 BMW사의 1회 충전으로 248km를 주행할 수 있는 전기자동차를 개발하였고 폴크스바겐에서는 1회 충전으로 480km를 달릴 수 있는 전기자동차를 개발하였다.

   전기자동차는 적은 전기를 이용하여 긴 거리를 달릴 수 있도록 하기 위하여 차체의 중량을 줄이고 주행저항을 최소로 하여야 하며 가솔린 자동차의 엔진과 같은 역할을 하는 전동기와 제어기 및 변속기의 성능을 향상시키고 전기자동차에 가장 중요한 부분인 축전지의 성능을 향상시키는 일 등이다.

   축전지에는 납-황산, 니켈-철, 니켈-라드뮴, 니켈-금속수소, 아연-브롬 및 나트륨-황 배터리가 있는데 나트륨-황 배터리가 에너지 밀도, 주행거리 및 에너지 효율에 있어서 좋은 성능을 가지고 있다.

   전기자동차의 실용화를 위해서 풀어야 할 과제는 고성능 축전지의 개발, 초고속 충전장치 및 우수한 동력전달장치의 개발과 차체, 타이어 및 보조장치의 저에너지화 기술이 개발되어야 할 것이다.

하이브리드 자동차

   "하이브리드"란 말은 "잡종"이란 뜻으로 하이브리드 자동차란 전기자동차와 기존의 자동차의 장점만을 따서 만든 자동차를 말한다. 하이브리드 자동차는 기존의 엔진과 전기자동차의 모터와 축전지를 함께 갖추고 있는 자동차로 가솔린 자동차의 신속성과 전기자동차의 무공해성을 동시에 구비한 것이다.

   정체가 심한 시내를 달릴 때는 전기모터로 달리고 고속으로 달릴 때는 가솔린엔진으로 달리게 함으로써 전기자동차와 가솔린 자동차의 장점을 최대로 취하고 단점을 개선한 것이다. 1991년 독일 프랑크푸르트에서 열린 국제자동차전시회에서 폴크스바겐에서 만든 체코와 스웨덴의 자동차회사에서 만든 LA301이라는 하이브리드 자동차가 선보였다. LA301은 시속 64km까지는 전기모터로 달리고 그 이상의 속도에서는 가솔린 엔진으로 달리게 되있었다.

   최근 가솔린자동차 뿐만 아니라 디젤자동차도 전기모터를 갖춘 하이브리드차가 소개되고 있으며 특히 복잡한 도시를 주행하는 시내버스에 엔진외에 교류발전모터를 설치하여 브레이크시의 에너지를 전기로 전환하여 디젤엔진의 최대 힘을 줄임으로써 매연발생량도 줄이고 연료도 절약시키는 하이브리드 자동차가 일본의 히노자동차에서 개발되었다.

   하이브리드 자동차는 지금의 자동차가 전기자동차로 바뀌기 전에 두 자동차의 좋은 점만을 취하여 이용할 수 있는 기술로서 더욱 많은 연구가 요구되고 있다.

하이브리드 자동차(ika-hybridII)구조

하이브리드자동차를 투시해보면...

<그림 41> : 하이브리드 자동차

태양에너지 자동차

   태양에너지 자동차는 태양열에서 얻은 에너지를 반도체인 태양열전지를 이용, 전기에너지로 바꿔 직접모터를 회전시키거나 일단 밧데리에 충전한 뒤 필요할 때 모터를 돌려 움직이는 자동차를 말한다.

   태양에너지 자동차는 1982년 호주의 게리퍼킨스씨가 720개의 태양열전지를 장착한 자동차를 호주의 서쪽 퍼드에서 동쪽의 시드니까지 4,000km의 거리를 20여일에 걸쳐 횡단한 것이 최초이다.

   미국의 GM사에서 1987년 개발한 "GM 선레이서"는 배터리만을 사용할 때는 시속 80km, 밧데리와 태양열전지를 동시에 사용할 때는 시속 100km로 달릴 수 있는 우수한 자동차이다.

   스위스에서 1986년부터 태양에너지-전지자동차가 탄생, 짧은 거리를 출퇴근하는 직장인들이나 가정주부들에게 이용되고 있으나 아직 많은 문제점이 있다.

   태양에너지 자동차로서의 아직까지의 문제점은 첫째, 요소부품들의 성능과 가격이라고 볼 수 있다. 태양에너지 자동차의 주요부품의 태양열전지, MPT(가솔린자동차의 카브레타와 같은 것으로 최고의 출력을 낼 수 있도록 전압과 전류를 조절하는 장치), 밧데리 및 모터 등인데 이들 부품의 가격은 성능에 비해 너무 비싼 것이 흠이다.

   둘째, 태양에너지 자동차가 낼 수 있는 출력이 너무 작다. 그러므로 가급적 자동차를 가볍게 하고 공기저항을 줄여 적은 출력으로도 달릴 수 있도록 하여야 한다. 태양에너지 자동차는 그 장점을 살려 오염을 줄이겠다는 노력을 하면 그 이용가치는 얼마든지 있다고 본다. 우리나라도 이러한 새로운 기술의 개발에 젊은 학도들의 탐구의욕을 기대해 본다.

<그림 42> : 태양에너지 자동차