최근 수정 시각 : 2024-03-26 23:17:32

SCR


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내연기관의 배기 후처리
EGR DOC DPF SCR LNT


1. 개요2. 상세
2.1. 장점2.2. 단점
2.2.1. 요소수 주입에 따른 유지비와 귀찮음2.2.2. 요소수 의존성2.2.3. 디젤 엔진 개발상의 불리함2.2.4. 연료 내 황화물에 취약2.2.5. 싸구려 요소수의 불순물2.2.6. 요소수 자체의 저온 결정화 및 동결
3. 논란4. 여담5. 관련 문서

1. 개요

파일:external/www.hinoscr.com/pic_1.jpg
SCR의 구조
선택적 환원촉매 설비(Selective Catalytic Reduction)는 디젤 엔진의 배기가스를 정화해주는 장치다. 한국어로 쓰면 조금 복잡한데 "촉매에 의한 (오염물질의) 선택적인 환원"이다. 디젤 엔진가솔린 엔진에 비해 오염물질이 많이 나오는 환경 친화적이지 못한 엔진이라는 이미지가 강한데, 특히 질소산화물(NOx)과 미세먼지(PM)가 가장 큰 문제다. 미세먼지는 최근 주목받아서 잊히기 쉽지만, 질소산화물은 피부에 직접 접촉만 해도 미세먼지보다 훨씬 유해하며 산성비오존층 파괴 원인물질이기도 하다. 게다가 질소산화물을 줄이면 미세먼지가 증가하고, 미세먼지를 줄이면 질소산화물이 늘어나는 인과관계가 있어[1] 디젤 엔진은 환경오염의 주범으로 지목되기까지도 했다.

2. 상세

디젤 엔진에서 질소산화물과 미세먼지를 줄이기 위한 노력은 꾸준히 이어져 왔는데, 먼저 EURO 3 규격의 핵심인 CRDi 기술은 불완전 연소를 줄여주고 출력도 높여 주었지만 오염물질 배출을 획기적으로 줄이지는 못했다. 그래서 EURO 4 이후 규격에는 오염물질을 더욱 적극적으로 제거하기 위한 방법을 쓰기 시작했는데, 대표적인 추세가 SCR과 EGR, 그리고 DPF다. 이 중 SCR과 EGR은 질소산화물에 대응하는 것이며, DPF는 미세먼지에 대응한다. SCR은 처음부터 연료의 완전연소를 추구하며 화학적인 방법으로 오염물질을 무해화하는 방법이며, EGR과 DPF는 엔진의 개량 없이 오염물질을 포집하고 태워 무해화하는 방법을 쓴다. EGRDPF에 대한 자세한 사항은 각각 해당 문서를 참고할 것.

SCR은 EGR 적용 엔진과 달리 처음부터 엔진에 공급하는 산소 농도를 높이고 폭발 온도 역시 의도적으로 높인다. 이렇게 하면 미세먼지를 비롯한 매연 그 자체는 줄어들지만 질소산화물은 매우 많이 나오게 되는데, 이 질소산화물을 중화 및 제거하는 것이 핵심이다. 질소산화물을 줄이는 데는 요소수를 쓰는데, 보통 요소를 30% 농도로 물에 희석한 것으로 질소 산화물을 환원시키는 역할을 한다.[2] 이것을 반응물질로 배기가스에 뿌려주면 요소수 속의 요소(NH2CONH2)가 질소산화물(NOX)과 반응하여 질소(N2)와 수증기(H2O) 그리고 이산화 탄소(CO2)로 바뀌게 된다.[3]

요소수가 오줌과 성분이 비슷하다는 말이 있는데 오줌은 약 94%가 물이고 나머지 6%를 구성하는 여러가지 성분(요소, 요산, 나트륨, 호르몬, 죽은 세포, 해독하지 못한 암모니아 등등) 중 간이 암모니아를 해독하면서 나온 부산물인 요소가 차지하는 비중은 절반을 넘는 4% 가량. 하지만 요소수는 불순물을 거르고 물(정제수)과 순수한 요소를 혼합(애드블루 기준은 요소농도 32.5%)한 물건이므로 요소수 주입구에 진짜 오줌을 넣는다면 요소 이외의 다른 불순물 때문에 SCR이 망가지는 상황이 발생할 수 있다.

2.1. 장점

EGR 시스템에 비해 연비가 좋고 엔진이 오랫동안 청정하다. EGR 시스템은 엔진 자체의 개량이 없을 뿐더러 한 번 태운 배기가스와 블로우 바이가스가[4] 다시 흡기라인으로 이동하면서 흡기라인에 엄청난 수준의 검댕(Soot)이 쌓이게 되는데, 단순한 연비저하의 문제가 아니라 전체 흡기량, EGR 리턴량 등을 계산하기 힘들게 되어 결국 흡기된 공기의 정확한 양을 측정할 수 없게 하고 불완전 연소를 더 심하게 일으키게 만들며, 이게 또 DPF와 흡기관을 급속히 오염시키는 악순환을 겪게 된다. 결국 DPF 막힘이나 과다 매연, 출력저하로 꽤 많은 돈을 깨먹게 되는 것. 하지만 SCR은 엔진 자체가 완전연소에 최대한 근접하게 되어[5] 자체적으로 연비가 좋아질 뿐더러 오염물질 중화에 추가 연료를 쓰지 않으니 연비 개선에 효과가 있다. 화학적인 촉매가 아닌 기계적인 수단에 의존하는 EGR에 비해 환경 개선 효과도 상대적으로 큰 편.

2.2. 단점

2.2.1. 요소수 주입에 따른 유지비와 귀찮음

하지만 SCR은 반응물질로 요소수를 필요로 하며 늘 이것을 보충해줘야 한다. 보통 연료량 대비 5~7% 정도의 요소수를 쓰는데, 연료보다 빈도야 훨씬 적지만 잊을만 하면 보충을 해줘야 한다.[6] 연비가 좋다고 해도 요소수에 돈이 들어가는 만큼 총 경제성을 따지면 EGR 시스템보다 훨씬 좋다고 하기도 어렵다. 2015년 3월을 기준으로 평균적으로 주유소에서 파는 요소수 1L는 1,000원 정도. 요소수주유소 이외에도 파는 곳이 있고, 심지어 인터넷 쇼핑몰에서도 주문할 수 있다. 하지만 정작 가장 요소수 보충이 쉬운 주유소에서는 파는 곳이 생각만큼 많지는 않다. 대도시 시내에서는 요소수를 취급하는 주유소가 많은 편은 아니며, 보통 고속도로 휴게소나 국도변 주유소에 많다. 요소수를 취급하는 주유소는 보통 입구에 요소수 취급 안내 간판이 붙어 있다.

그렇다고 요소수를 충전하지 않으면 장기적으로 SCR 장치에 문제가 생겨 연비나 출력이 오히려 떨어진다. 심지어는 요소수가 거의 없으면 제조사에서 시동은 걸리지만 출력 제한을 걸어 차가 나가지 못하게 하거나 처음부터 시동이 아예 걸리지 못하도록 하는 것도 있다. 그렇다고 충전하지 않고 계속 버티다가는 후처리 장치가 박살날 수도 있고 박살났을 경우 돈 엄청 깨진다.

꼼수로 물을 넣으면 된다는 잘못된 정보가 있으나 그렇게 해서는 안된다. SCR 후단에 있는 NOx 센서가 요소수 분사를 했는데도 NOx 레벨이 줄어들지 않는 것을 감지하면 역시나 경고를 띄우고 출력제한을 걸기에 정상적인 주행이 불가능해지며 넣은 물이 수돗물이나 지하수인 경우 그 속의 무기질 이온이 침전되어 SCR 촉매를 영구적으로 망가뜨릴 수 있고, 저감장치에서 가장 비싼 부품이 촉매이니만큼 수리하느라 돈 엄청 깨진다. 물론 그래도 유지비 증가가 싫은 사람들이 차고 넘치고 굳이 디젤 승용차를 타는 유일한 이유는 유류비 등 유지비 절감이기에 꼼수는 계속 진화한다. NOx 센서를 무력화하는 ECU 맵핑이나 속임수용 칩을 달아놓고 다니는 식. 구형 차량의 경우 퓨즈 뽑아버리면 경고등만 들어오고 출력제한 없이 그냥 나가는 차도 있다. 그러고 다니다가 정기검사나 임의검사 딱지가 날아오면 다시 원상복구하고 검사받으면 끝. 예로부터 환경규제를 통한 온갖 부가장치를 더덕더덕 붙이려는 정부와 온갖 부가장치로 인한 유지비 증가를 회피하려는 차주 사이의 줄다리기는 아직도 이어져 오는 중. 또한 요즘은 장치만을 조작하기보다는 그냥 쿨하게 배기라인 후처리장치 전단을 벌려서(접합부에 너트나 와셔를 끼워넣거나 배기라인에 구멍을 내고 임의로 조작 가능한 마개를 달거나 아예 튜닝샵에 맡겨서 통째로 탈거해 버리거나 등등) 틈을 만들어놓고 그곳으로 매연이 빠져나가게 만드는 식의 꼼수를 많이 쓴다. 망가지면 골치 아프니 고이 모셔뒀다가 검사 시에만 잘 작동되게 하는 것. 이런 식이다.

요약하자면, 디젤 연료비에 요소수 비용을 추가로 감당해야 한다는 것.[7] 디젤게이트 이후에 "조작이 아닌 진짜로 클린한 디젤차"를 만드는 건 성공했지만 그 부작용으로 요소수 비용이 따라와버리는 바람에 경제성의 이점이 약간 감소했다.[8] 버스,[9] 트럭 같은 상용차는 선택의 여지가 없다.

그래서 경고등이 점등되면 충전을 하려 하는데 대부분의 차량들은 주유구 옆 자리에 있지만 캡티바의 경우 운전석 뒤 범퍼 하단에 요소수 주입구가 위치하며,[10] 트렁크 안이라든지(재규어 XE), 트렁크 커버를 열고 넣는다든지(인피니티), 엔진룸 안쪽 또는 깊숙한 곳(랜드로버)에 있거나, 트렁크 안 스페어 타이어 위치에 요소수 주입구가 있는 폭스바겐 티구안 1세대, 시트로엥 C4 칵투스, 마세라티 르반떼 같은 경우는 요소수를 주입하기가 아주 지랄 맞은 경우가 있다. 특히나 트렁크 안쪽에 요소수 주입구가 있는 차량의 경우 요소수를 붓다가 넘쳐 트렁크 안을 다 버리는 일이 발생하고(그리고 냄새가...), 스페어 타이어 위치에 있는 차량들의 경우 웬만큼 익숙해 지지 않았다면 십중 팔구 요소수통에 자바라를 꼽고 트렁크 바닥에 있는 주입구까지 자바라를 옮기다가 요소수를 쏟기가 십상이다. 또한, 트렁크 안에 짐이 있다면 짐을 다 들어내고, 요소수를 주입하고, 다시 짐을 싣고... 차량 제조사들이 사용자 편의를 생각한다면 요소수 주입 시 흘러도 내장재를 오염시키지 않는 곳으로 주입구를 만들어야 할 것이다. 특히 전술했다시피 주유구 옆 자리가 가장 최적의 위치다(승용차 기준).

보통 국산 승용 디젤은 요소수를 안 쓰고 수입 디젤들은 요소수를 쓴다는 인식이 있는데 무조건 그런 것은 아니다. 국산차량의 경우 V6 3.0L 디젤 엔진을 탑재한 모하비가 2016년부터 요소수를 주입해야 하며 대략 2018년부터 강화 유로6라는 강력한 환경규제 때문에 디젤 신차들은 예외 없이 요소수가 달리기 시작했다.[11] 이로써 국산차는 물론 해외 여러 제조사 차량 중에서 요소수를 적용하지 않은 디젤차는 거의 사라지게 됐다.

2.2.2. 요소수 의존성

요소수가 있어야만 차량이 제 기능을 하게 되는 특성상, 요소수 공급이 부족할 때 디젤 엔진을 사용하는 물류, 산업이 마비될 수 있다는 단점이 있다. 2021년 10월 들어 이러한 문제가 현실로 나타날 기미가 보이고 있다.
2.2.2.1. 2021년 10월 요소수 대란
호주-중국 외교 대립으로 인한 석탄 금수조치가 요소수 생산에 차질을 주고 있다. 요소수의 원료인 요소를 생산하기 위해서는 석탄이 필요한데, 이것이 수입되지 못하면서 요소 역시 생산량이 줄어든 것. 때문에 중국에서 요소를 수입하여 요소수를 생산하는 국내 요소수 생산업체들이 생산에 차질을 겪고 있다. 대부분의 상용차와 건설기계가 디젤 엔진을 사용하는 환경에서 요소수 공급 부족은 경유 공급 부족과도 비슷한 수준의 위기라고도 할 수 있기에 결국 요소수에 의존하는 SCR의 문제점이 드러난 것이다.

2.2.3. 디젤 엔진 개발상의 불리함

SCR의 또 다른 단점은 엔진의 개량이 필요하다는 것. DPF와 EGR은 엔진 바깥에 설치하는 것인 만큼 종전의 CRDi 엔진에 별다른 개량을 하지 않고 이것을 붙여 친환경 엔진을 만들 수 있다. 하지만 SCR은 엔진의 연소 효율성을 바꿔야 하는 만큼 엔진 설계를 크게 바꿔야 한다. 그래서 구형 엔진의 개량형은 EGR을 다는 경우가 많고, 신규 개발 엔진에 SCR을 적용하는 경우가 대부분이다. 또한 대형 상용차는 SCR 도입에 적극적이지만, 승용 디젤 차량에서는 그러한 움직임이 느리다. 요소수 보충에 필요한 인프라가 아직 충분치 않고 연료 이외에도 꾸준히 관리하며 보충해야 하는 것이 있다는 승용차 오너들의 인식 변화에도 시간이 걸리기 때문. 그래서 유로5 때까지도 승용/상용 가릴 것 없이 전부 DPF+EGR 조합으로 만들 정도로 EGR 마니아인 현대자동차그룹현대 R 엔진에 EGR을 적용하고도 유로6 인증을 따내는 외계인 고문을 시도하기도 했다. 다만 부작용으로 문서에 언급된 것처럼 엔진오일 증가 현상 같은 문제가 터져나왔다. 한편 상용차에서는 현대차도 DPF+EGR 조합으로 유로6를 충족할 수 없었는지 천연가스버스를 제외한 버스와 트럭에는 SCR을 적용하고 있다. 반면 이베코의 Cursor 엔진(FPT)의 경우 상용엔진에 SCR만으로 유로6 규제를 통과했다. 결국, SCR의 문제를 줄여 나가고 엔진 개량이 계속되면 EGR 역시 뒤안길로 사라질 수도 있을 것이다.

그러나 배기가스를 더 줄여보려고 노력하거나, SCR로도 버티기 힘들 정도로 배기가스를 뿜어 내는 경우 EGR+SCR 같이 부속조합이 따라 오거나, EGR+DPF+DOC+SCR+LNT 5중콤보로 마구잡이로 때워버리는 경우도 있다. 커민스와 현대기아의 상용차용 유로6 엔진이 대표적인 예. 사실 저런 5중 콤보는 어떻게든 원천개량은 하지 않는 식으로 개발비는 싼값으로 뽑고 들어가는 부품값은 고객에게 뽑아먹겠다는 심보이다. 또한 후처리 장치 하나만 고장나도 다른 후처리 장치까지 영향을 가 줄줄이 고장나 수리비 폭탄이 되어 고객들이 별로 선호하지 않는 방식이기도 하다. 기술력이 부족하다고 욕을 먹었던 두산인프라코어는 EGR 없이 DOC+DPF+SCR 만으로 유로6 규제를 통과한 엔진을 출시했고 유로6 커민스보다 평이 매우 좋은 편이다.

2.2.4. 연료 내 황화물에 취약

이 문제는 탈황처리가 덜 된 값싼 연료를 쓰는 선박에서 더 심각하며, 한국의 경우, 자동차는 제외된다.

SCR은 주로 바나듐계 촉매를 활용하여 반응시키는데, 이 바나듐 촉매가 황산화물에 오염되어 반응성을 잃어버리는 것. 또한, 엔진 내에서 투입한 질소계 환원제가 쪼개라는 NOx는 안 쪼개고 황산암모늄을 형성하여 기관에 부착되어 버린다.[12]

국제해사기구 IMO에서 선박용 연료의 황함유량을 규제하려는 움직임을 보이고는 있으나, 단가 차이가 심각하기 때문에 잘 안되고 있다. 사실상 거의 폐유에 가까운 물건들을 연료로 얼마나 잘 쓰느냐가[13] 각 선박 기관사들의 노하우에 가까운 취급을 받기 때문에 개선될 날이 언제일지 요원하다. 이 탓에 선박용 SCR의 도입이 지지부진한 경향이 있다. 이래서 연구된 게 핵추진 상선인데 이건 또 방사능NPT 문제가 골칫거리다.

2.2.5. 싸구려 요소수의 불순물

요소수 제조가 기술력을 요하지 않다 보니 개나 소나 만들어 대고, 그러다 보니 불순물 함량이 높은 요소수들이 유통되고 있다. 이런 저질 요소수 내부에 포함된 칼슘, 마그네슘, 바륨, 등의 불순물들이 고온의 배기가스와 만나면서 SCR 장치와 촉매에 축적되어 수명을 빠르게 깎아먹는다. 차량의 수명 유지 차원에서 당연히 이를 관리해줘야 한다.

2.2.6. 요소수 자체의 저온 결정화 및 동결

요소수 자체가 액체이기 때문에 저온(약 -15℃ 부근)에서 얼고 요소가 석출된다.

3. 논란

메르세데스-벤츠아우디, 포르쉐가 유로6 기준에 따라 SCR을 장착한 차량에 조작 프로그램을 깔아 요소수 분사량을 특정조건에서 줄이고 결과적으로 요소수 저장 탱크의 크기를 줄여 트렁크 공간 확보와 경량화, 원가절감을 했음이 밝혀졌다. 독일 현지에서는 이미 리콜명령이 떨어졌으며 대상 차종은 아우디 3.0ℓ A6, A7 와 벤츠 1.6ℓ 비토, 2.2ℓ C220d 및 GLC220d, 포르쉐 카이엔이다. 또한 그동안 의혹에서 자유로웠던 BMW 마저도 유로6 모델들의 질소산화물이 실주행에서 과다배출된다며 11,700여 대의 리콜을 예고하고 있다. BMW는 설계제작상의 오류라고 해명하고 있어 좀 더 지켜봐야 할 듯 하다.

환경부에서도 국내 판매된 차량들 중 해당 모델에 대해 조사에 착수했다.

4. 여담

가솔린 엔진에도 실험실 레벨에서 SCR을 적용하려는 연구를 여러 곳에서 하고 있다. 질소산화물 저감 효과가 뛰어난 SCR의 장점을 극대화하기 위해선 공연비를 높여(λ>1)[14] 연소 온도를 높여야 한다.

최근에는 애프터마켓으로 PM-NOx 동시저감장치라는 형태의 DPF 일체형 SCR이 개발되어 따로 부착이 가능하다.[15][16] 무려 2014년에 이미 개발됐다! 장치 구조 설명기사

5. 관련 문서



[1] 실린더의 연소 온도를 올리면 연소 반응이 완전 연소에 가까워지므로 미세먼지(PM)가 줄어들게 되지만, 대신 높아진 연소 온도로 인해 질소가 산소와 더욱 쉽게 반응하여 질소산화물(NOx)이 더욱 많이 발생하게 된다.[2] 환원 효율이 가장 높은 것은 암모니아지만 저장 및 보관이 어렵고, 고농도의 암모니아는 당연하다면 당연한건데 질소에 수소가 붙어있어서 폭발하는 경향이 있다. 게다가 암모니아도 유독가스다.[3] 반응식은 아래와 같다.
2NH2CONH2 + 2NO → 3N2 + 4H2O + 2CO2
2NH2CONH2 + 4NO2 → 4N2 + 4H2O + 2CO2 + O2
[4] 흔히 현장에서 말하는 나마가스-엔진 내부에서 발생한 연소가스라고 하여 나마가스, 나막가스 등의 발음으로 불린다. 한본어.[5] 이는 설계된 엔진의 자체적인 한계 내에서에 한한다. SCR을 장착했다고 과거 EGR을 작동시키던 엔진에서 아예 EGR을 삭제해 버리면 연소온도가 너무 올라가 엔진오일이 과열되어 탄화된다든지, 열부하가 지나치게 올라가 변형이 온다든지 하는 기계적인 손상을 입게된다. 설계 마진 자체가 많이 남아 있어서 EGR을 완전 삭제해도 내구적으로 문제가 없는 엔진이라면 아예 삭제가 가능하지만, 대부분의 1990년대 후반~2천년대 초반 기반으로 제작된 엔진의 경우 어느 정도 EGR이 작동해서 연소온도가 낮아지는 것을 전제로 엔진이 제작되어 있다. 아예 EGR이 없던 시기의 엔진이나, SCR로 질소산화물을 저감함으로 EGR을 삭제하겠다고 설계된 엔진이 아닌한, 대부분의 이전 엔진 재활용 + SCR 추가 차량의 경우 EGR도 설치되어 있고 SCR도 설치하는 이유가 여기에 있는 것. 다만 당연하게도 EGR만 있는 차량보다는 SCR까지 장착된 차량이 EGR 계통에 더 적게 부하를 준다.[6] 차량에 따라 다르지만 15L 정도가 들어가는 승용차의 경우 약 5000km 정도에 한번 정도.[7] 그래도 가솔린보다는 효율성이 높으니까 새 차로 나오는 거다.[8] SCR도 조작이 가능하다는 점이 문제이다. 사실 제조사에서 마음만 먹으면 조작이 불가능한 것은 없지만.[9] CNG나 전기로 대체할 수 있는 시내버스를 제외한 나머지 즉, 디젤 엔진을 사용하는 시외버스, 고속버스, 전세버스, 기타 용도의 버스 등이 해당된다.[10] 상용차는 주유구와 반대되는 위치에 있다. 그리고 주유구랑 같이 있는 쪽은 커버 모양이 원형에서 타원형(혹은 네모)으로 변경됐다.[11] 포터Ⅱ봉고Ⅲ가 유로6 규제 이후 2019년까지는 LNT 방식으로 요소수를 적용하지 않았으나, 강화 유로6를 만족하는 2020년형으로 출시된 페이스리프트 모델부터는 이 두 차량 역시 요소수를 적용했다.[12] 동일한 이야기가 LNT 항목에도 있다. 이래저래 촉매와 황산화물의 상성이 최악인 셈.[13] 보통 연료탱크가 여러개 있고, 고품질 중유와 저품질 중유라고 부르기도 뭐한 연료를 구분하여 근해를 벗어나면 저품질의 연료로 바꿔서 운항한다.[14] 가솔린 엔진의 공연비를 높인다는 개념은 과거 린번 엔진으로 구현된 바 있었으나, 부족한 출력으로 사장됐다. 그러한 린번 엔진이 이번엔 공해 저감을 위하여 다시 빛을 보게 된 것이다.[15] DPF 뒤에 SCR이 일체형으로 붙는다.[16] 저감장치 컨트롤러가 단독으로 제어하는 것이 아닌 엔진 ECU와 저감장치 컨트롤러가 서로 통신하여 제어되지만, DPF 상태와 요소수 잔량 표시는 계기판에 표시시키려고 설계까진 바꿀 수 없으므로 별도 디스플레이로 표시된다.