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일산화탄소는 배기 가스에 포함된 주요 유해 물질 중 하나이다. 이는 탄소와 산소가 불완전 연소할 때 생성되는 무색, 무취의 가스로, 내연기관이나 연소 장치에서 연료가 충분한 산소 공급 없이 타는 경우 배출된다.

일산화탄소는 헤모글로빈과 강력하게 결합하여 산소 운반 능력을 저하시킨다. 이로 인해 고농도에 노출될 경우 산소 결핍증을 유발하며, 심하면 실신, 뇌 손상, 사망에 이를 수 있는 치명적인 독성을 지닌다. 특히 실내나 밀폐된 공간에서 난방 기구나 발전기의 배기 가스가 누출될 때 중독 사고가 빈번히 발생한다.

자동차 배기 가스에서의 일산화탄소 배출량은 연소 효율과 직접적인 연관이 있다. 현대의 자동차는 공연비를 정밀하게 제어하는 전자 제어 유닛과 촉매 변환기를 장착하여 배출 가스 내 일산화탄소 농도를 크게 낮추고 있다. 또한 배기가스 재순환 기술과 같은 저감 기술도 일산화탄소 생성을 줄이는 데 기여한다.

대부분의 국가에서는 대기 환경 기준을 통해 일산화탄소의 환경 중 농도를 규제하며, 자동차에 대해서는 배출가스 규제 기준을 설정하여 신차 판매 시 허용 배출 한도를 강화하고 있다. 이러한 규제의 발전으로 과거에 비해 도시 대기 중 일산화탄소 농도는 현저히 개선된 편이다.

탄화수소는 배기 가스를 구성하는 주요 유해 물질 중 하나이다. 이는 연료가 완전히 연소되지 않아 발생하는 미연 탄화수소를 의미하며, 화학식으로는 HC로 표기된다. 주로 가솔린이나 경유와 같은 화석 연료에 포함된 다양한 탄소와 수소의 화합물이 불완전 연소 과정을 거쳐 배출된다.

탄화수소 배출의 주요 원인은 내연기관의 불완전 연소이다. 특히 자동차의 경우, 냉간 시동 시나 공회전 상태에서 연료와 공기의 혼합비가 이상적이지 않을 때, 또는 연소실 내의 온도가 낮아 연소 반응이 제대로 이루어지지 않을 때 많이 발생한다. 또한 엔진 오일이나 연료 탱크에서의 증발 또한 탄화수소 배출원이 된다.

이 물질은 대기 중에서 질소 산화물과 함께 광화학 스모그를 형성하는 주된 전구체 역할을 한다. 강한 자외선 아래에서 반응하여 오존과 같은 2차 오염물질을 생성하며, 이는 호흡기 질환을 유발하고 식물 생장을 저해하는 등 환경과 인체 건강에 심각한 영향을 미친다. 일부 특정 탄화수소는 직접적인 발암물질로도 알려져 있다.

이러한 유해성 때문에 탄화수소 배출은 전 세계적으로 엄격히 규제되고 있다. 촉매 변환기는 배기 가스 중의 미연 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 전환시키는 핵심 저감 기술로 사용된다. 또한 연료 분사 시스템의 정밀 제어, 엔진 설계 최적화, 그리고 EVAP 시스템을 통한 증발 가스 회수 등의 기술이 적용되어 배출량을 줄이고 있다.

질소 산화물은 질소와 산소가 결합하여 생성되는 여러 가지 화합물의 총칭으로, 배기 가스를 구성하는 주요 유해 물질 중 하나이다. 일반적으로 NOx로 표기되며, 그 주성분은 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)이다. 이들은 주로 내연기관이나 발전소, 공장의 연소 장치와 같은 고온 연소 과정에서 대기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성된다.

질소 산화물의 배출은 대기 오염의 주요 원인이 된다. 특히, 이산화질소는 호흡기 질환을 유발하고, 다른 대기 오염 물질과 반응하여 스모그와 산성비를 형성하는 데 기여한다. 또한, 일산화질소는 대기 중에서 산화되어 이산화질소가 되거나, 온실 가스인 아산화질소(N2O)로 전환될 수 있어 간접적으로 지구 온난화에 영향을 미친다.

자동차 배기 가스에서 발생하는 질소 산화물을 줄이기 위한 기술이 발전해 왔다. 대표적인 저감 장치로는 촉매 변환기가 있으며, 특히 삼원 촉매 변환기는 질소 산화물을 무해한 질소 가스로 환원시킨다. 또한, 배기가스 재순환(EGR) 시스템은 배출 가스의 일부를 다시 연소실로 유입시켜 연소 온도를 낮춤으로써 질소 산화물의 생성을 억제한다.

각국은 배출가스 규제를 통해 질소 산화물의 배출량을 엄격히 제한하고 있다. 예를 들어, 유럽 연합의 유로 배출 기준이나 미국의 티어 기준은 시간이 지남에 따라 허용 배출 한도를 점점 더 강화하고 있으며, 이는 자동차 및 산업 분야의 엔진 기술과 배기 가스 후처리 시스템 발전을 촉진하는 동력이 되고 있다.

입자상 물질은 배기 가스에 포함된 고체 또는 액체 상태의 미세한 입자를 가리킨다. 주로 디젤 엔진에서 많이 발생하며, 연료나 윤활유가 불완전 연소될 때 생성되는 탄소 입자(그을음)가 핵심 구성 요소이다. 이 탄소 입자에는 미연 탄화수소, 황산염, 중금속 등 다양한 유해 물질이 흡착되어 있다.

입자상 물질은 크기에 따라 구분되며, 특히 직경 10μm 이하의 미세먼지(PM10)와 2.5μm 이하의 초미세먼지(PM2.5)가 문제가 된다. 이처럼 입자가 작을수록 호흡기를 통해 폐 깊숙이 침투하거나 혈관을 통해 전신으로 퍼져나갈 위험이 크다. 장기간 노출 시 호흡기 질환, 심혈관 질환, 폐암 등을 유발할 수 있다.

또한, 입자상 물질은 대기 중에서 햇빛을 흡수하거나 산란시켜 시정을 악화시키는 주요 원인이 된다. 이는 스모그 형성에 기여하며, 건물 외벽을 더럽히고 생태계에 악영향을 미친다. 배기 가스에서 발생하는 입자상 물질은 도시 지역 대기 오염의 상당 부분을 차지한다.

이러한 유해성으로 인해 자동차 배출가스 규제에서 입자상 물질은 엄격히 관리되는 대상이다. 특히 디젤 차량의 경우 촉매 변환기와 함께 디젤 미립자 필터를 장착하여 배출되는 입자상 물질의 양을 현저히 줄이고 있다.

이산화탄소는 배기 가스의 주요 구성 성분 중 하나이다. 연료의 주성분인 탄화수소가 완전 연소할 때 생성되며, 배출되는 가스 중에서 질소 다음으로 많은 양을 차지한다. 이는 연소 과정의 필연적인 부산물로, 석탄이나 석유 같은 화석 연료를 사용하는 모든 내연기관과 발전소, 공장에서 배출된다.

이산화탄소 자체는 일산화탄소나 질소 산화물과 같은 직접적인 유해 물질은 아니지만, 대기 중 농도 증가는 지구 온난화 현상의 주요 원인으로 지목된다. 이로 인해 발생하는 기후 변화는 전 지구적인 환경 문제로 대두되고 있다. 따라서 자동차 배기 가스에서의 이산화탄소 배출량은 연비와 직접적으로 연관되어 있으며, 온실가스 규제의 중요한 지표가 되고 있다.

배기 가스 내 이산화탄소를 줄이기 위한 기술적 접근은 크게 두 가지 방향으로 나뉜다. 첫째는 엔진의 연소 효율을 높여 동일한 출력을 내는데 필요한 연료를 줄이는 것이고, 둘째는 전기 자동차나 수소 연료전지 차량처럼 화석 연료를 전혀 사용하지 않는 대체 에너지 원을 도입하는 것이다. 또한, 배출된 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS 기술도 발전하고 있다.

배기 가스의 발생은 주로 내연기관의 연소 과정에서 비롯된다. 내연기관은 가솔린 엔진이나 디젤 엔진과 같이 연료를 실린더 내부에서 직접 연소시켜 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 이 연소 과정은 공기 중의 산소와 연료(주로 탄화수소 화합물)가 혼합되어 고온·고압 상태에서 화학 반응을 일으키는 것이다. 이상적인 완전 연소에서는 연료의 탄소와 수소가 산소와 반응하여 이산화탄소와 수증기만 생성되지만, 실제 운전 조건에서는 다양한 이유로 불완전 연소가 일어나 여러 유해 물질이 함께 생성된다.

내연기관의 작동 사이클은 흡입, 압축, 폭발(연소), 배기의 네 단계로 이루어진다. 배기 가스는 마지막 배기 단계에서 실린더 밖으로 배출된다. 연소실 내의 온도와 압력, 공연비(공기와 연료의 혼합 비율), 점화 시기 등 여러 요인이 연소 효율과 배기 가스의 성분을 결정하는 핵심 변수이다. 예를 들어, 공연비가 이론적 공연비보다 낮은 ‘농후’ 혼합기 상태에서는 산소가 부족하여 일산화탄소와 미연소 탄화수소의 발생이 증가한다. 반대로 ‘희박’ 혼합기 상태에서는 연소 온도가 매우 높아져 공기 중의 질소와 산소가 반응하는 질소 산화물 생성이 촉진된다.

디젤 엔진의 경우 압축 점화 방식으로 작동하며, 일반적으로 희박 연소 조건에서 운전된다. 이로 인해 일산화탄소와 탄화수소 배출은 상대적으로 적은 편이지만, 고온 연소로 인한 질소 산화물 생성과 미연소 연료나 윤활유에서 비롯된 입자상 물질(매연)의 배출이 주요 문제로 지적된다. 또한, 연료에 황 성분이 포함되어 있을 경우 이산화황이 생성되어 배기 가스에 포함되기도 한다. 따라서 배기 가스의 구체적인 성분과 양은 사용되는 엔진의 종류, 설계, 운전 조건, 그리고 연료의 품질에 따라 크게 달라진다.

연료의 불완전 연소는 배기 가스 내 유해 물질이 생성되는 주요 원인 중 하나이다. 이는 연소 과정에서 연료가 완전히 산화되지 못해 중간 생성물이 배출되는 현상을 의미한다. 내연기관의 연소실 내에서 공기와 연료의 혼합비가 이상적인 공연비에서 벗어나거나, 연소 시간이 너무 짧거나, 연소실 내 온도 분포가 불균일할 때 발생한다. 특히 공기보다 연료가 많은 농후 혼합기 상태에서 운전할 때 불완전 연소가 두드러진다.

불완전 연소의 대표적 생성물은 일산화탄소와 미연 탄화수소이다. 일산화탄소는 연료의 주성분인 탄소가 불완전 산화되어 생성되는 무색무취의 유독 가스이다. 미연 탄화수소는 연료가 연소되지 않고 그대로 배출되거나, 연소실 벽면의 냉각으로 인해 화염이 꺼지는 냉벽 현상 등으로 발생한다. 이러한 물질들은 대기 중에서 광화학 반응을 일으켜 스모그의 원인이 되며, 인체에 직접적으로 유해한 영향을 미친다.

연소 효율을 높이고 불완전 연소를 줄이기 위해 다양한 기술이 적용된다. 전자 제어 연료 분사 시스템은 정밀한 공연비 제어를 가능하게 하여 연소 상태를 최적화한다. 또한, 흡기 매니폴드 설계 개선과 피스톤 형상 최적화를 통해 연소실 내의 혼합기 흐름과 난류를 향상시켜 더 균일하고 완전한 연소를 유도한다. 이러한 엔진 기술의 발전은 배기 가스 저감의 기본이 된다.

고온 연소 반응은 배기 가스 중 질소 산화물(NOx)이 생성되는 주요 원인이다. 내연기관이나 발전소, 공장의 연소실과 같은 연소 장치 내부에서 연료가 공기 중의 산소와 반응하여 연소가 일어날 때, 고온의 환경이 조성된다. 이 고온 상태에서 공기의 주성분인 질소(N₂)가 산소(O₂)와 반응하여 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO₂)와 같은 질소 산화물이 생성된다. 이 반응은 특히 연소 온도가 높을수록, 그리고 연소실 내에 산소가 풍부할수록 활발하게 진행된다.

질소 산화물의 생성량은 연소 온도에 매우 민감하게 반응한다. 일반적으로 연소 온도가 약 1,300°C를 넘어서면 그 생성이 급격히 증가한다. 따라서 고성능 엔진이나 고온 연소를 필요로 하는 산업 공정에서는 상대적으로 더 많은 NOx가 배출될 수 있다. 이는 연소 효율을 높이기 위한 조건이 오히려 유해 물질 생성을 촉진하는 딜레마를 만들어낸다. 자동차의 경우, 고속 주행이나 높은 부하 상태에서 엔진의 연소 온도가 상승하여 NOx 배출이 증가하는 경향을 보인다.

이러한 고온 연소 반응으로 인한 NOx 배출을 저감하기 위한 기술이 개발되어 적용되고 있다. 대표적인 방법으로는 배기가스 재순환(EGR) 시스템이 있으며, 이는 배기 가스의 일부를 다시 흡기관으로 되돌려 연소실의 온도를 낮춤으로써 NOx 생성을 억제한다. 또한, 희박 연소 엔진 기술이나 분사 시기 조절과 같은 엔진 제어 기술을 통해 연소 온도 상승을 최소화하는 노력도 지속되고 있다. 이러한 기술들은 배출가스 규제를 충족시키는 동시에 연비 개선이라는 목표를 함께 추구한다.

배기 가스는 대기 오염의 주요 원인 물질 중 하나이다. 자동차, 발전소, 공장, 난방 시설 등 다양한 연소 과정에서 발생하는 배기 가스는 대기 중으로 직접 방출되어 대기 질을 악화시킨다. 특히 도시 지역에서는 높은 밀도의 자동차 통행으로 인해 배기 가스 농도가 크게 증가하며, 이는 심각한 대기 오염 문제를 일으킨다.

배기 가스에 포함된 유해 물질들은 각기 다른 방식으로 대기 환경에 영향을 미친다. 일산화탄소와 탄화수소는 불완전 연소의 부산물로, 대기 중에 직접적으로 유해성을 나타낸다. 질소 산화물과 휘발성 유기 화합물은 햇빛 아래에서 광화학 반응을 일으켜 광화학 스모그를 형성하는 주원인이 된다. 또한, 질소 산화물과 이산화황은 대기 중의 수분과 반응하여 산성비를 유발한다.

입자상 물질은 호흡기를 통해 인체에 직접 침투할 수 있는 미세먼지와 초미세먼지를 포함하며, 이는 시정 장애를 일으키고 호흡기 및 심혈관계 질환을 유발하는 것으로 알려져 있다. 이산화탄소는 직접적인 유해성은 낮으나, 대량으로 배출되어 지구 온난화를 촉진하는 주요 온실 가스로 작용한다.

이처럼 배기 가스로 인한 대기 오염은 단순히 공기를 탁하게 만드는 수준을 넘어, 인간의 건강과 생태계 전반에 광범위한 악영향을 끼치는 복합적인 환경 문제이다. 따라서 배기 가스 배출을 효과적으로 관리하고 저감하는 것은 현대 사회의 중요한 과제이다.

배기 가스에 포함된 질소 산화물과 휘발성 유기 화합물은 대기 중에서 광화학 반응을 일으켜 광화학 스모그를 형성한다. 이 과정에서 질소 산화물은 자외선에 의해 분해되어 활성 산소를 생성하고, 이는 대기 중의 산소와 반응하여 오존을 만든다. 생성된 오존은 스모그의 주요 구성 성분이 된다.

또한, 배기 가스의 일부인 이산화황과 질소 산화물은 대기 중의 수분과 반응하여 황산과 질산 미세 입자를 생성한다. 이 입자들은 안개와 결합하여 고전적인 황산형 스모그를 유발한다. 이 스모그는 시야를 가리고 호흡기 건강에 직접적인 해를 끼친다.

스모그 형성은 기상 조건의 영향을 크게 받는다. 바람이 약하고 공기의 수직 이동이 억제되는 역전층이 발생할 때, 배출된 오염 물질이 대기 하층에 갇혀 농도가 급격히 높아지면서 스모그가 쉽게 발생한다. 도시 지역은 자동차와 산업 시설이 밀집되어 있어 이러한 현상이 두드러진다.

스모그는 단순한 안개 현상을 넘어서서, 오존과 미세 먼지 같은 2차 오염 물질을 포함하는 복합적인 대기 오염 현상이다. 이는 도시의 대기 질을 현저히 악화시키고, 시민의 건강과 일상 생활에 광범위한 영향을 미치는 주요 환경 문제로 인식된다.

산성비는 배기 가스에 포함된 주요 오염 물질인 질소 산화물과 이산화황이 대기 중에서 화학 반응을 일으켜 생성된 강산성의 비를 말한다. 이러한 오염 물질들은 주로 화석 연료를 연소하는 자동차, 발전소, 공장 등에서 배출된다. 배기 가스 중의 질소 산화물과 이산화황은 대기 중의 수증기 및 산소와 반응하여 질산과 황산을 형성하며, 이들이 강수에 녹아 내리면 산성비가 된다.

산성비는 토양과 호수를 산성화시켜 생태계에 심각한 피해를 준다. 토양의 양이온이 씻겨 나가 영양분이 고갈되고, 알루미늄 같은 유해 금속이 용출되어 수생 생물에 독성을 나타낸다. 또한 건축물과 문화재, 특히 석회암이나 대리석으로 된 구조물을 부식시키는 주요 원인이 된다. 삼림에 대한 영향도 커서 나무의 생장을 저해하고 잎을 손상시키며 산림 황폐화를 가속화한다.

배기 가스로 인한 산성비 문제를 완화하기 위한 국제적 노력이 지속되어 왔다. 많은 국가에서는 배출가스 규제를 강화하고, 탈황 기술을 적용하거나 청정 연료 사용을 장려하여 이산화황 배출을 줄이고 있다. 또한 자동차의 경우 촉매 변환기와 같은 저감 기술을 통해 질소 산화물 배출을 제어하고 있다. 이러한 규제와 기술 발전은 산성비의 원인 물질을 줄이는 데 기여하고 있다.

배기 가스에 포함된 다양한 유해 물질은 인체 건강에 심각한 영향을 미친다. 일산화탄소는 혈액의 헤모글로빈과 강하게 결합하여 산소 운반 능력을 저하시켜 저산소증을 유발하며, 고농도 노출 시 두통, 현기증, 의식 불명, 심지어 사망에 이를 수 있다. 탄화수소와 질소 산화물은 대기 중에서 반응하여 오존과 같은 광화학 산화물을 생성하는데, 이는 호흡기 점막을 자극하고 천식이나 만성 폐쇄성 폐질환과 같은 호흡기 질환을 악화시킨다.

미세한 입자상 물질, 특히 직경 2.5마이크로미터 이하의 미세먼지는 호흡기를 통해 폐 깊숙이 침투하여 폐포에 침착될 수 있다. 이는 폐렴이나 기관지염 같은 급성 호흡기 감염의 위험을 높이고, 장기적으로는 폐암 발생 위험을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 또한 미세먼지는 혈관을 통해 순환하여 심혈관계에도 악영향을 미쳐 심근경색이나 뇌졸중의 위험을 높인다.

장기간에 걸친 낮은 농도의 배기 가스 노출도 만성적인 건강 문제와 연관이 있다. 어린이의 경우 폐 기능 발달이 저해될 수 있으며, 노인이나 기존에 호흡기 또는 심혈관 질환을 가진 사람들은 증상이 악화되기 쉽다. 일부 배기 가스 성분은 발암물질로 분류되기도 한다. 따라서 도시 지역과 주요 도로변과 같이 배기 가스 농도가 높은 지역에 거주하는 주민들은 이러한 건강 위험에 더 많이 노출될 수밖에 없다.

배출가스 규제는 자동차, 발전소, 공장 등 주요 배출원에서 배출되는 유해 물질의 양을 법적으로 제한하는 제도이다. 이러한 규제는 대기 질 개선과 공중 보건 보호를 목표로 하며, 전 세계적으로 다양한 기준과 체계가 도입되어 운영되고 있다.

자동차 분야에서는 유럽의 유로 배출 기준이 대표적이다. 유로 기준은 경유 및 가솔린 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소 산화물, 입자상 물질 등의 허용 한도를 단계적으로 강화해 왔다. 미국에서는 환경보호청이 제정한 티어 배출 기준이 있으며, 일본, 중국, 한국 등도 자국의 상황에 맞는 자동차 배출가스 규제를 시행하고 있다. 발전소와 산업 시설에 대해서도 황산화물, 질소 산화물, 먼지 등의 배출 허용 기준이 설정되어 운영되고 있다.

배출가스 규제의 효과적인 이행을 위해서는 공식적인 측정 방법과 절차가 필수적이다. 자동차의 경우 정적 또는 동적 주행 사이클을 모사한 샤시 다이나모미터 시험을 통해 배출가스를 측정하며, 실제 도로 주행 중 배출을 측정하는 실도로 배출 측정 방법도 점차 도입되고 있다. 발전소나 공장에서는 연속 배출 감시 시스템을 설치하여 배출 농도를 상시 모니터링하거나 정기적인 정밀 측정을 실시한다.

이러한 규제는 기술 발전의 주요 동인이 되어 왔다. 엔진 설계 개선, 배기가스 재순환 시스템, 선택적 촉매 환원 시스템, 디젤 미립자 필터, 삼원 촉매 변환기 같은 다양한 저공해 기술이 규제를 충족하기 위해 개발 및 보급되었다. 규제 기준은 지속적으로 강화되는 추세에 있으며, 이는 미래의 자동차와 산업 공정이 더욱 깨끗해지는 방향으로 나아가게 하는 기반이 되고 있다.

배출가스 측정 방법은 차량이나 산업 설비에서 배출되는 오염 물질의 양을 정확히 파악하여 규제 준수 여부를 평가하고, 저감 기술의 효과를 검증하는 데 필수적이다. 측정은 크게 실험실 조건에서 이루어지는 공인 시험법과 실제 주행 조건에서 이루어지는 현장 측정으로 구분된다.

가장 대표적인 실험실 측정 방법은 샤시 다이나모미터를 이용한 배출가스 시험 사이클이다. 이 방법은 실험실에서 차량의 구동륜을 다이나모미터 위에 올려놓고, 표준화된 주행 패턴(예: FTP-75, NEDC, WLTP)을 재현하면서 배출가스를 채집한다. 채집된 가스는 정밀 분석 장비를 통해 성분별 농도를 측정한다. 예를 들어, 비분산 적외선 분석기(NDIR)는 일산화탄소와 이산화탄소를, 화염 이온화 검출기(FID)는 탄화수소를, 화학 발광 분석기(CLD)는 질소 산화물을 측정하는 데 주로 사용된다. 입자상 물질은 여과지에 포집된 후 중량을 측정하거나, 투광계를 이용한 실시간 농도 측정 방법으로 분석된다.

현장 측정 기술로는 실제 도로 주행 중 배출가스를 측정하는 PEMS(휴대용 배출가스 측정 시스템)가 점차 중요해지고 있다. PEMS는 차량에 탑재되어 운행 중 실시간으로 배출가스 농도와 배출량을 측정하며, 유로 6 디젤 차량부터 의무적으로 도입된 RDE(실제 주행 배출가스) 시험의 핵심 장비이다. 또한, 도로변에 설치된 원격 감지 장비는 통과하는 차량의 배출가스를 순간적으로 검사하여 고장 차량이나 과다 배출 차량을 선별하는 데 활용된다. 이러한 다양한 측정 방법은 배출가스 규제의 과학적 근거를 마련하고, 대기 질 관리 정책 수립에 기여한다.

촉매 변환기는 자동차 배기가스에 포함된 유해 물질을 무해한 물질로 전환하는 배기가스 저감 장치이다. 주로 자동차의 배기관에 장착되어, 엔진에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소 산화물을 감소시키는 역할을 한다. 이 장치의 핵심은 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속 촉매를 코팅한 세라믹 또는 금속 기판으로, 배기가스가 이 촉매 표면을 통과할 때 화학 반응을 촉진한다.

촉매 변환기는 크게 산화 촉매와 환원 촉매로 구분된다. 산화 촉매는 일산화탄소를 이산화탄소로, 미연 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 전환하는 역할을 한다. 환원 촉매는 주로 질소 산화물을 질소 가스와 산소로 분해하는 데 사용된다. 현대의 대부분의 자동차에는 이 두 기능을 하나의 장치에 통합한 삼원 촉매 변환기가 표준으로 장착되어 있다.

촉매 변연기의 효과적인 작동을 위해서는 엔진이 정상적인 공연비로 운전되어야 하며, 무연 휘발유의 사용이 필수적이다. 유연 휘발유에 포함된 납 성분은 촉매 표면을 덮어 촉매를 비활성화시키기 때문이다. 또한, 이 장치는 배기가스 저감에 핵심적인 역할을 하지만, 이산화탄소 배출을 줄이지는 못한다는 한계가 있다.

배기가스 재순환은 내연기관에서 발생하는 질소 산화물 배출량을 줄이기 위한 주요 기술 중 하나이다. 이 기술은 연소 후 배출되는 배기가스의 일부를 다시 흡기 시스템으로 되돌려 엔진 실린더 내로 재유입하는 방식으로 작동한다. 재순환된 배기가스는 산소 농도를 희석시키고 연소 온도를 낮추는 역할을 한다. 질소 산화물은 주로 고온의 연소 과정에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성되므로, 연소 온도를 낮추는 것은 이러한 유해 물질의 생성을 억제하는 데 직접적으로 기여한다.

이 기술은 주로 디젤 엔진에서 널리 적용되며, 가솔린 엔진에서도 사용된다. 시스템은 배기 매니폴드와 흡기 매니폴드를 연결하는 재순환 밸브와 냉각기를 포함한다. 재순환되는 배기가스의 양은 엔진의 작동 조건에 따라 전자 제어 유닛이 밸브를 통해 정밀하게 조절한다. 특히 배기가스를 냉각하는 과정을 거치는 냉각식 배기가스 재순환 시스템은 배기가스의 온도를 추가로 낮춤으로써 연소 효율을 높이고 질소 산화물 저감 성능을 더욱 향상시킨다.

배기가스 재순환 기술은 촉매 변환기와 같은 다른 배출가스 저감 장치와 함께 사용되어 자동차의 전체적인 배출가스 규제 기준을 충족시키는 데 필수적이다. 그러나 이 기술을 적용하면 엔진의 출력과 연비가 약간 저하될 수 있으며, 재순환 가스에 포함된 입자상 물질이 엔진 내부에 침적될 가능성도 있다. 따라서 시스템의 설계와 제어는 이러한 단점을 최소화하면서 최대의 환경적 이점을 얻을 수 있도록 최적화되어야 한다.

연료 개선은 배기 가스의 유해 물질 배출을 줄이기 위해 사용되는 연료 자체의 물리적, 화학적 성질을 개선하는 접근법이다. 이는 엔진이나 연소 장치의 설계를 변경하지 않고도 연소 효율을 높이고 불완전 연소를 줄여 일산화탄소와 탄화수소 같은 오염 물질의 생성을 억제하는 효과가 있다. 주요 방법으로는 무연 휘발유의 보급, 저황 디젤 연료의 사용, 그리고 바이오 연료나 수소 같은 대체 연료의 혼합 또는 전환 등이 포함된다.

대표적인 사례로, 휘발유에서 납 성분을 제거한 무연 휘발유는 촉매 변환기의 성능을 보호하고 납에 의한 대기 오염을 근본적으로 차단한다. 또한, 디젤 연료의 황 함유량을 낮춘 저황 디젤은 입자상 물질과 이산화황 배출을 현저히 감소시킨다. 한편, 에탄올이나 바이오디젤 같은 재생 가능 연료를 기존 화석 연료에 혼합하면, 전반적인 탄소 배출을 줄이는 데 기여할 수 있다. 이러한 연료 개선 조치는 배출가스 규제를 충족시키는 데 필수적인 기반이 된다.

배기 가스 저감을 위한 엔진 기술 발전은 연소 효율을 높이고 유해 물질의 생성을 원천적으로 줄이는 데 초점을 맞추고 있다. 주요 접근 방식으로는 연소 과정의 정밀 제어, 마찰 손실 감소, 그리고 열효율 향상이 있다. 예를 들어, 직접 분사 기술은 연료를 실린더 내부에 고압으로 직접 분사하여 더욱 균일하고 완전한 연소를 가능하게 하여 탄화수소와 입자상 물질 배출을 줄인다. 또한, 가변 밸브 타이밍 및 가변 밸브 리프트 시스템은 엔진 부하와 회전수에 따라 흡기 및 배기 밸브의 작동 시점과 개방량을 최적화함으로써 연소 효율을 높이고 질소 산화물 생성을 억제한다.

터보차저와 같은 과급 기술도 중요한 발전 분야이다. 이 기술은 배기 가스의 에너지를 이용해 압축기를 구동하여 엔진으로 유입되는 공기의 양을 증가시킨다. 이를 통해 동일한 배기량 대비 더 많은 출력을 얻거나, 동일한 출력을 더 작은 배기량의 엔진으로 구현하는 다운사이징이 가능해진다. 다운사이징 엔진은 일반적으로 연소실 표면적 대 체적 비율이 낮아 열손실이 감소하고, 연비가 향상되며 결과적으로 이산화탄소 배출량이 줄어든다.

엔진의 전기화 역시 배기 가스 저감의 핵심 트렌드이다. 하이브리드 자동차는 내연기관과 전기 모터를 결합하여, 정차나 저속 주행 시 엔진을 정지시키고 전기 모터만으로 구동함으로써 도심 지역의 유해 가스 배출을 제로화할 수 있다. 더 나아가 플러그인 하이브리드나 배터리 전기 자동차는 내연기관을 완전히 배제하여 배기 가스 자체를 발생시키지 않는 궁극적인 솔루션으로 주목받고 있다. 이러한 기술 발전들은 단순한 후처리 장치를 넘어 연소 과정 자체를 근본적으로 개선하여 배기 가스 문제에 대응하고 있다.