경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술 4
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2008-02-28 12:47:36 |
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경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술 4
2008년 들어 디젤차의 보급 확대를 위한 노력이 가속화되고 있다. 하지만 그런 시장의 확대에 비해 디젤엔진에 대한 구체적인 정보에는 많은 관심을 보이지 않고 있는 것이 우리의 현실이다. 그런데 한국자동차공학회에서 발행하는 오토저널 2008년 2월호에 ‘경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술’에 관한 특집이 실렸다. 이에 글로벌오토뉴스에서는 자동차공학회의 허락을 얻어 그 내용을 순서대로 게재한다. 모두 6꼭지로 이루어져 있으며 이번은 그 네 번째인 국내 경유자동차 촉매식 후처리장치의 성능 및 기술 현황에 관한 내용이다. (편집자 주)
4. 국내 경유자동차 촉매식 후처리장치의 성능 및 기술 현황
글 / 박용성(교통안전공단 자동차성능연구소 책임연구원)
1. 서론
환경부는 서울을 비롯한 수도권지역의 대기질을 개선하기 위하여 2003년 12월에“수도권대기환경에 관한 특별법”을 제정∙공포하였다. 2005년 1월부터 수도권의 운행경유자동차에 입자상물질(PM)을 저감하는 정도에 따라 제 1종, 제 2종 및 제 3종 장치로 구분하여 배출가스저감장치를 부착하고 있다.
제 1종 장치는 PM을 70% 이상 저감하는 장치로서 주로 Wall Flow Type의 DPF를 적용하고 있으며, 제 2종 장치는 PM을 50% 이상 저감하는 장치로서 필터 일부가 부분적으로 Open되어 있는 Partial DPF를 적용하고 있다. 또한 제 3종 장치는 PM를 25% 이상 저감하는 장치로서 디젤산화촉매를 적용하고 있다. 제 1종 장치는 주로 6리터급 이상의 대형자동차에 장착하고 있으며 제 2종 장치는 3~4 리터급의 중형경유자동차에, 제 3종 장치는 3리터급 이하의 소형 경유자동차에 장착되고 있다.
본 고에서는 현재 국내 운행경유자동차에 장착되고 있는 상기 배출가스저감장치의 성능, 특징 및 기술현황에 대하여 살펴보고자 한다.
2. 디젤 산화촉매
디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)는 배기가스중의 CO와 HC뿐만 아니라 PM의 용해성 유기물질인 SOF(Soluble Organic Fraction) 성분을 산화 반응시켜 이를 80% 이상 저감시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 DOC는 제 3종 배출가스저감장치로 구분되어 입자상물질 저감효율 25% 이상 저감하여야 함에도 불구하고 입자상물질중 SOF만을 제거함으로써 장착 자동차의 배출가스중 SOF의 비율에 따라 저감효율이 다르게 나타나며, 장착 후 매연측정시험에서도 저감효율이 PM 저감효율에 비하여 적게 측정되는 특징이 있다. 이에 DOC 배출가스저감성능과 SOF에 의한 배출가스저감효율 특징, PM과 매연 저감효율과의 관계 등에 대하여 살펴보고자 한다.
2.1 DOC 배출가스저감성능
<그림 1> ~ <그림 3>은 현재 소형 경유자동차에 장착되고 있는 DOC의 배출가스 저감성능을 CVS 75모드에 의하여 측정한 결과이다. 저감효율은 장치별로 다소 차이는 있으나 CO는 전체적으로 80~90%정도 저감되며, HC는 70~80% 저감 성능을 나타낸다. 또한 입자상물질 저감효율은 30~40% 정도 저감 성능을 나타내고 있다. 그러나 DOC는 입자상물질을 구성하고 있는 성분 중 SOF만을 제거하고 탄소성분(Carbon Soot)은 제거되지 않기 때문에 차종별 SOF 배출량에 따라 PM 제거효율이 다르게 나올수가 있다.
2.2 입자상물질 구성 성분별 저감효율
입자상물질(Particulate Matter, PM)은 일반적으로 1) 고체 입자(SOL : carbon, ash 등 soot), 2) 용해성 유기물 (SOF : Lube SOF, Fuel SOF), 그리고 3) 황산염(SO4-2 : sulfate) 등 성분으로 이루어져 있다. <그림 4>는 CRDI 소형디젤엔진에서 NEDC 모드로 측정한 입자상물질의 구성 성분이다. 이때 엔진에서 배출되는 Soot, SOF(Fuel+Lube), SO4 의 구성비율이 각각 62%, 35%, 3% 이였다.)
본 시험자동차에 DOC를 장착하였을 때에는 전체 입자상물질(TPM)은 30% 정도 저감되었으며, Fuel SOF와 Lube OF은 각각 84%, 95% 정도 저감되었고 Soot는 약간 증가하는 경향을 나타내었다<그림 5>.
2.2 PM 저감성능과 매연저감성능 관계
디젤산화촉매가 제 3종 배출가스저감장치 인증기준인 입자상물질을 25% 제거하여도, 배출가스 정밀검사 시 매연 저감효율은 이에 못 미치는 성능이 나오는 경우가 있어서 두 시법간의 차이를 알아보고자 한다.
배출가스 인증시험 시 PM 제거효율시험은 CVS-75 모드로 PM의 중량을 측정하고, 배출가스 정밀검사 시의 매연시험은 Lug- Down 3 모드로 매연의 농도를 광투과율 방식으로 측정하고 있다. 자상물질의 측정은 측정여지에 입자상 물질을 포집 후 게 측정실에서 중량으로 측정하기 때문에 DOC에 의하여 SOF를 제거한 만큼 저감효율이 나오게 된다. 그러나 매연농도 측정은 입자상물질에 투과한 광투과율에 의하여 측정하기 때문에 DOC에 의하여 SOF가 제거된 입자상물질은 외형의 크기가 작아지게 되고 작아진 만큼 매연이 적게 측정되어 저감효율로 나오게 된다, 그러나 이 크기 차이는 중량으로 측정한 PM 저감효율 보다 크지 않기 때문에 매연저감효율이 적게 측정되는 것이다. 두 시험방법을 비교하면 <표 1>과 같다.
또한 엔진에서 배출되는 PM 성분중 SOF의 비율은 엔진운전영역에 따라 다르게 나온다.<그림6>은 엔진부하와 회전수에 따른 PM내의 SOF의 비율을 나타낸 것이다(그림의 검정색부분이 SOF임). 엔진부하가 낮은 저속∙저부하의 저온운전 조건에서는 SOF함량이 25%에서 많게는 70% 정도까지 나오지만, 고속∙고부하 영역에서는 10%에서 적게는 4% 정도 밖에 나오지 않는다.
입자상물질의 저감효율을 측정하는 CVS-75 모드의 운전영역은 저속∙저부하로서 SOF의 비율이 높은 영역이지만, 매연 정밀검사(Lug Down) 시 운전영역은 엔진 쓰로틀이 100% 개도상태에서 최고출력엔진회전수의 100%, 90% 및 80% 점인 고속∙고부하로서 SOF의 비율이 적은 영역에서 측정하기 때문에 저감효율이 낮게 나올 수밖에 없다. 따라서 DOC에 의해 입자상물질이 25% 이상 저감효율을 갖는 장치라 하여도, 광투과식 방식에 의하여 측정된 매연 저감효율은 이에 못 미치는 값이 나오게 될 수 있다.
3. 촉매 재생식 DPF
매연을 70% 이상 저감시키는 제 1종 배출가스저감장치는 대부분 촉매코팅 Wall Flow Type의 세라믹 필터를 적용하고 있다. 엔진에서 배출되는 PM을 포집하는 필터 내부는 Porous Wall로 되어 있어서셀 내부의 미세한 기공을 통하여 배기가스는 통과하고 PM은 내부에 축적되는 구조를 가지고 있다. 축적된 PM은 엔진의 배기가스 열을 이용하여 O2나 NO2와의 산화 반응에 의해 연소가 이루어진다. 그러나 저속운행구간이 많아 배기온도가 낮은 차량에서는 PM이 재생되지 않고 축적됨으로써 배기배압 증가, 출력저하 및 연료소비량 증가를 초래하며, 심한 경우 장치 필터손상을 야기시킬 수 있다. 이에 서울시내 차량의 속도 및 온도분포 특성과 이를 개선하기 위한 신규 기술에 대하여 알아보고자 한다.
3.1 DPF의 배출가스저감성능
<그림 7>에서 <그림 9>는 현재 대형 경유자동차에 장착되고 있는 DPF의 배출가스 저감성능을 ND-13 모드에 의하여 측정한 결과이다. 입자상물질은 모든 장치가 90%이상 저감시키며, CO와 HC도 80~90% 저감시킨다.
또한 촉매식 DPF는 엔진배기관에서 발생하는 유해물질을 산화시키는 기능을 가지고 있기 때문에 <표 2>에서 보듯이 DPF 장착에 의하여 미량유해물질인 알데히드, SOF 및 다방향족탄화수소(PAH’s)을 각각 44%, 98%, 및 97% 저감시키고 있다.
3.2 DPF의 장치 장착조건 및 배기온도분포
엔진 배기온도를 이용하여 매연을 재생시키는 촉매재생식 배출가스저감장치는 매연을 재생하기 위한 최소한의 배기온도 조건을 장치별로 각각 300℃ 이상이 5%, 7%, 10% 이상, 270℃ 이상이 10% 이상, 210℃ 이상이 40% 이상인 조건을 장치 장착조건으로 하고 있다.
또한 연료분사 촉매복합방식의 경우에는 200℃이상이 20% 이상을, 부분유량방식(Partial DPF)는 250℃ 이상이 10% 이상을 장착조건으로 하고 있다. <그림 10>은 서울시내에서 운행되고 있는 시내버스와 마을버스의 대표적인 배기온도 분포와 배출가스저감장치의 장착 온도조건을 나타낸 것이다. 시내버스의 경우에는 배기온도분포가 장치 장착조건보다 높으나 마을버스의 경우 온도가 낮음을 볼 수 있다. 위의 조건을 고려하여 제작사에서는 DPF 장착 시에 장착 대상자동차의 운행특성 및 배기온도 등을 사전에 조사하여 적합한 자동차에 한하여 장치를 장착하고 있다. 그러나 상기 온도조사를 여름철에하였다면 겨울철에는 배기온도가 저하됨을 고려하여야 한다. <그림11>은 서울시내 운행중인 버스의 계절에 따른 배기온도 변화를 보여주는 그래프이다.
여름철인 8월부터 겨울철인 12월까지의 일일 평균배기온도를 나타내었다. 엔진배기 일일 평균온도가 여철에는 220℃정도였으나 겨울철인 1월에는 160℃로서 50℃ 정도 배기온도가 저하됨을 알 수 있다. <그림 12>는 배기온도 누적분포를 나타낸 것이며, 겨울철로 감에 따라 대기 온도가 내려가서 엔진 배기온도 누적분포도 떨어짐을 볼 수 있다. 따라서 여름철 배기온도조사에 의하여 장치 장착여부를 결정하여야 할 경우에는 계절에 따른 배기온도가 차이가 남을 고려하여야 한다.
3.3 노선에 따른 배기온도분포 특성
<그림 13>은 서울시내의 대표적인 마을버스와 시내버스의 배기가스온도 누적분포를 보여주는 그래프이다. 시내 버스의 배기온도가 장치 장착조건 배기온도 보다 높음을 볼 수 있으나 마을버스의 배기온도는 이보다 낮게 나타나고 있다. 상기 마을버스와 시내버스의 온도 특성은 <그림 14>~<그림 17>의 주행속도 및 배기온도에서 알아볼 수 있다. 마을버스는 주로 4050km/h로 운행이 되며 60km/h가 넘지 않는 저속운행을 하며, 또한 매연을 재생할 수 있는 온도인 300℃ 이상도 4% 정도이고 이도 산발적으로 나타내어 매연 재생의 열원으로 작용하지 못하는 온도분포를 나타낸다. 반면 시내버스의 주행속도는 50~60km/h로 운행이 되며 속도가 높은 경우 70km/h까지 나오는 구간도 있다<그림 16>. 이로 인하여 300℃이상도 6% 정도 나오며 온도도 집중적으로 분포하고 있어서 매연 재생의 열원으로 작용하는 특성을 가지고 있다<그림 17>.
3.4 운행패턴에 의한 DPF 문제발생
필터에 포집된 매연은 주행 중 배기온도에의하여 산화제거 되어야 한다. 그러나 마을버스와 같이 배기온도가 낮아 주행 중 재생될 수 있는 열원이 공급되지 않아 많은 양의 매연이 퇴적된 후 일시에 재생이 이루어 질 수 있다. 이 경우 재생 중 갑작스런 속도감소, 아이들 운전 혹은 엔진정지에 의하여 필터에 급격한 온도 상승을 초래할 수 있고 이로 인해 열적 충격을 줄 수 있다.
<그림 18>은 상기 사례의 운행패턴을 갖는 마을버스의 일일 주행시간대별 속도, DPF 전∙후단 온도를 실시간으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 차속은 60km/h 이하에서 운전이 되고 있고 배기온도는 300℃ 이상도 산발적으로 나타나고 있다. 상기 운전조건에서는 엔진의 배기가스 열이 충분치 않아 촉매에 의한 PM의 연소속도가 엔진에서 발생하는 PM의 생성속도보다 느려서 필터에 PM이 퇴적된다. 일일 주행마지막부분 저녁 12시경에 차고지로 이동 시 100km/h로 고속주행하여 DPF전단의 온도가 올라감에 따라 후단의 온도도 높이 올라감을 그래프에서 확인할 수 있다. 이때 매연의 재생에 의하여 DPF 전∙후단에서 온도가 상승하는 과정을 <그림 19>에 상세히 표시하였다. 매연의 재생이 이루어지는 중에 차속이 급격히 감소하고 아이들로 됨에 따라 DPF 후단 온도가 순간적으로 급격히 상승함을 볼 수 있다. 이와 같은 운행패턴은 필터에서 매연의 재생이 이루어지는 중에 필터의 급격한 온도 상승으로 필터 손상의 요인이 되고 있다.
3.5 연료분사 촉매 복합식 DPF
저속 차량의 경우에는 촉매에 의한 자연 재생방식 만으로 한계가 있음으로 필터전단 배기관에 연료를 분사하여 강제적으로 PM을 태워주는 연료분사 촉매 복합재생 방식을 적용하고 있다. 연료분사 촉매복합 재생방식은 저온의 배기상태에서도 DOC 전단부에 연료를 분사하여 디젤 촉매산화에 의하여 배기온도를 상승시켜 DPF에 축적된 PM을 연소 재생시키는 장치이다.
<그림 20>은 DOC 전단에 연료를 분사하였을 때 연료가 산화되어 배기온도가 상승됨을 보여주는 그래프이다. DOC 전단부에 연료를 분사시키며 엔진 배기온도를 100℃에서부터 280℃까지 상승시켜가며 연료의 산화가 시작되는 온도를 측정하였다. 배기온도가 낮을 때(100℃200℃)에는 분사된 연료가 산화 연소되지 못하고 배기관으로 Slip되었으나 온도가 200℃에 도달하자마자 HC 농도가 급감하고 DOC 후단에서의 온도가 상승되었다. 이와 같이 디젤산화촉매는 배기온도 200℃정도면 연료를 산화시켜 필터의 온도를 상승시킨다.
CnHm + O2 → nCO2 + mH2O + Q at 200℃
<그림 21>은 DOC가 연료를 산화시키는 특성을 이용한 연료분사 촉매복합식 장치의 작동과정을 나타낸 것이다. 연료의 분사는 필터내 Soot의 포집량과 촉매의 온도를 예측한 배압의 누적상태와 배기온도의 누적상태를 고려하여 이루어진다. 일정 엔진배압과 온도조건에서 연료분사가 이루어지며(①), 연료가 분사되어 필터에 포집된 매연의 재생이 이루어져서 장치후단에서 온도가 500℃까지 상승된다(②). 또한 일정기간 연료분사 후 차단되어 온도가 계속 상승하는 것을 방지함으로써 장치를 보호하고 있다.(③, ④)
<그림 22>는 본 장치를 실제 자동차에 장착하고 주행 시 엔진배기온도와 DPF 후단에서의 온도를 나타낸 것이다. DPF 전단에서 온도가 300℃ 이상이 거의 나오지 않는 저온 배기온도에서도 DOC 전단에 연료를 분사시킴으로써 DPF 온도를 상승시켜 포집된 매연을 재생시킨다. 이는 그림에서 연료분사 시 DPF후단에서 온도가 400℃까지 올라감을 통하여 확인할 수 있다. 그러나 DOC에 분사된 연료는 온도가 200℃ 정도이면 촉매에서 CO2와 H2O로 산화되어 온도를 상승시킬 수 있지만, 실제 운행조건에서는 연료의 산화 반응을 일으키기 위한 촉매 자체의 온도가 200℃ 이상이어야 하고 HC Slip을 방지하기 위하여 연료분사에 많은 제약을 받는다. 이에 따라 제작사에서는 필터에 포집된 PM를 재생시키기 위하여 엔진에서 나오는 배기온도만을 단순 고려하는 것이 아니라 필터에 포집된 PM량과 DOC 내부의 온도를 예측하여 연료를 분사하고 있다.
4. 부분유량 촉매 재생식 DPF
부분유량 매연저감장치(Partial DPF)는 연속재생 방식 DPF와 달리 필터 단면적의 일부분이 Open되어 있기 때문에 PM 여과율을 50~60% 수준으로 낮추는 대신 배출가스의 유동에 대한 저항을 낮춤으로써, 과도한 배압상승이 발생되지 않는 장점을 가지고 있어 운행 배기온도조건이 낮은 차량에 적합한 매연저감장치로서 개발 및 적용되고 있다.
4.1 Emitec사 Partial Filter
국내 일진전기에서 제작판매하고 있는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 Emitec사의 필터를 채용하고 있다. Emitec사의 부분유량 필터는 <그림 23>에서와 같이 3차원의 기하학적 구조를 가지는 금속구조물 (Corrugated Layer Blades)을 이용하여 전체 배기유량의 일부를 다공성 금속섬유층(Porous Fleece Layer)을 통과하게 하여 PM의 일부를 필터내부에 포집하는 구조로 되어 있다. 장치에 유입되는 유량의 대부분은 필터층을 통과하여 Soot를 포집 및 재생시키며, 필터층을 통과하지 않는 유량 부분은 촉매 작용을 통하여 SOF를 저감하는 원리로 되어 있다. 필터에 포집된 Soot의 재생은 기존 제 1종 DPF장치와 같이 전단부 DOC와 후단부 필터의 촉매 층에 의해 산화된 NO2를 이용하여 금속섬유층에 포집된 PM과 산화 반응을 하여 저감시킨다. 전단 DOC에서는 NO2 전환기능 및 SOF의 산화기능을 동시에 가지도록 되어 있다.
4.2 Finkatt사 Partial Filter
국내 SK에서 제작판매하고 있는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 Finkatt사의 필터를 채용하고 있다. 필터의 구조는 원형으로 금속박막 평판(Flat Foil)과 돌출부가 있는 주름판(Corrugated Foil)을 한 쌍으로 하여 같이 겹쳐 말아서 원기둥의 형태로 제작한 것이다. 필터에서 PM의 포집은 <그림24>의 ①과 ②에서 이루어진다. 평판과 주름판 사이의 배기가스의 유동이 있는 ①과, 필터 전단부의 돌출부와 평판에 의해 만들어진 공간 ②에서 PM의 여과가 이루어지나 대부분의 PM 여과는 ①에서 이루어진다. ①의 위치에 포집된 PM은 배기가스 압력에 의해 부분적으로 외부로 불려 나갈 수 있으나 ②의 위치에 포집된 PM은 불려 나가지 않으며, 배기열 및 촉매에 의한 재생에 의해서만 제거가 가능하도록 되어 있다.
본 필터의 특징은 금속판 면에 특수표면처리 및 촉매코팅에 의하여 표면 거칠기를 증가시켜 표면에서 PM을 포집 및 제거 시켜 제 2종장치 저감효율 50%이상을 만족시키는 성능을 가지고 있다. 장치내부에 PM을 여과하여 포집하는 별도의 필터가 없기 때문에 매연이 과다하게 배출되는 자동차나 저속운전에 의하여 매연이 과다하게 금속판 면에 포집되어 있는 경우 급가속시 포집된 매연의 일부가 불려 나올 수 있다. 그러나 필터내에 매연이나 asy가 퇴적되지 않는 구조이기 때문에 주기적으로 필터를 청소하지 않아도 되는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
4.3 Fiber Tech사 Partial Filter
존슨매티카탈리스트코리아에서 개발하여 조만간 제품 출시코자 하는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 화이버텍의 금속섬유필터를 적용하고 있다. 필터는 <그림 25>와 같이 금속섬유여과재를 원형으로 만들고 입구와 출구부를 교차 용접하여 전체적으로는 Wall-Flow type 형상을 가진 필터이다(a, b, c, d 는 교차 용접된 부분)
기존 Wall-Flow Type 필터의 경우 일정량 이상의 매연이 축적될 때 필터전단 배압이 증가하여 장치에 문제가 발생하는 단점을 가지고 있다. 본 필터의 특징은 이를 보완하기 위하여 <그림 26>과 같이 필터층 일부분에 밀도가 낮은 금속섬유 여과층을 만들고, 입구단에는 미세한 Open Passing 구조를 설치하여 배압이 증가할 때 통과하게 함으로서 배압을 증가율을 낮게 하였다. 물론 PM 저감효율은 제 2종 배출가스 저감장치 기준인 50% 이상을 충분히 만족하고 있다.
4.4 Partial DPF 배출가스저감성능
<표 3>은 배출가스가 Euro Ⅱ수준의 4.0리터급 엔진에서 측정한 Partial DPF의 배출가스저감효율을 나타낸 것이다. 정속운전 모드인 ND-13 모드나 Transient Cycle인 ETC모드에서 모두다 PM은 50 % 이상, CO는 90%, HC는 80% 이상 저감되는 성능이 나옴을 알 수 있다. <그림 27>은 ND-13모드에서 각 모드별 여지반사식 매연측정기로 측정한 매연저감효율을 나타낸 것이다. 모든 모드에서 40~50% 정도 저감되었다.
<그림 28>은 엔진 전 운전영역에서의 PDPF 장착에 의한 매연저감효율을 나타낸 그래프이다. 전체적으로 40~50% 정도 저감됨을 볼 수 있다. 중∙저속에서는 50% 정도 저감되나 매연농도가 높은 저속∙고부하영역과 배기유량이 많은 고속∙고부하 운전영역에서는 40% 정도 저감되어 효율이 약간 감소됨을 알 수 있다. 이는 Partial DPF가 단면적의 일부분이 Open되어 있기 때문에 고속∙고부하 영역에서 배기유량의 증가에 의하여 외부로 불려나가는 유량이 증가되기 때문이다. 따라서 PDPF 설계 시 매연저감효율을 달성하기 위해서는 적용차종의 엔진출력과 매연발생량을 고려하여야 한다.
5. 플라즈마 버너 촉매복합식 DPF
배기관에 연료를 분사하여 DOC에 의하여 배기온도를 상승시키는 연료분사 촉매복합식 DPF도 아이들과 같이 배기가스의 온도가 낮은 조건(200℃ 이하)에서 디젤산화촉매에 의한 산화가 불가능한 조건이 존재하고, 연료의 무화에 필요한 온도 및 촉매의 활성화 온도 등과 같은 제약 조건이 실제 차량의 운전 상태에서의 자유로운 재생에 제한을 받는다. 이에 1990년대부터 개발되어 왔던 버너에 대한 관심이 다시 증가하게 되었고, 필터 재질과 촉매의 열화에 대한 개선 등으로 DPF 재생을 위해 경유 버너를 이용하기에 유리한 상황이 되었다.
하지만 화염 안정성, 고가의 시스템, 화염 생성에 필요한 많은 공기 등의 기존 버너가 가지고 있었던 문제점들을 해결해야 하는 과제를 안고 있다. 최근에 이를 극복하고자 하는 노력이 증가되고 있는 실정이며, 그 중 하나인 플라즈마 버너를 이용한 복합 재생 DPF 시스템을 소개하고자 한다.
5.1 플라즈마 버너 시스템
플라즈마 버너의 기본 원리는 기존 버너의 국부적인 점화를 모든 연료/공기 혼합기가 방전을 겪게 만들어 화염의 안정성을 높이고자 함에 있다. <그림 29>와 같이 전극의 모양과 유동에 의해 아크 방전은 회전하며(Rotating), 전진하는(Gliding) 양상을 띄게 된다. 이러한 현상으로 인하여 반응기 내부에 아크 방전이 가득차 있는 효과를 얻어낼 수 있다. 또한 아크 방전에 의해 연료는 개질되어 화염 전파 속도가 높은 수소 화염을 얻어 낼 수 있게 되어 있다.
5.2 플라즈마 버너 시스템 승온 특성
<그림 30>은 엔진 배기온도가 100℃인 아이들 조건에서의 플라즈마 버너 점화 및 승온 특성을 나타낸 그래프이다. 연료분사 시 플라즈마 버너에서 연료의 점화가 일어나서 버너후단의 온도가 상승하고 DOC 후단에서 온도가 상승됨을 볼 수 있다. 이와 같이 플라즈마 버너 시스템은 연료를 강제적으로 점화시켜 아이들 조건과 같이 낮은 배기온도에서도 500℃이상으로 승온이 가능한 기술이다.
5.3 플라즈마 버너 시스템 재생 특성
<그림 31>은 PM의 재생특성을 보기 위하여 필터에 PM을 포집 후 엔진배기온도 130℃인 (이때 NOx는 60ppm 정도 발생함) 운전영역에서 플라즈마 버너에 의하여 배기온도를 350℃까지 상승시키고 DOC 후단온도를 400℃ 이상으로 승온 시킴으로써 포집된 PM이 재생되어 배압이 떨어지는 것으로 보여주고 있다. 비교적 낮은 온도 조건(400℃)에도 불구하고 재생이 완료되는데 걸리는 시간은 15분 내외이며, 특이할 만한 점은 NOx가 매우 낮은 저부하 조건이었음에도 재생이 잘 이루어 졌다는 점이다.
이와 같이 플라즈마 버너방식이 기존 연료 분사 시스템의 단점을 보완하여 엔진 운전상태의 제한조건 없이 저온의 배기온도조건에서도 포집된 매연을 원활하게 재생시킬 수 있으나, 상용화를 위하여 해결해야 할 몇가지 과제를 가지고 있다. 실제 차량운전조건에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위한 고전압 파워의 개발과 장치고장 시 진단 및 대처방안, 고가의 장치 가격 및 고온환경에서 촉매 및 필터의 신뢰성 등이 해결된다면 향후 DPF시스템의 재생장치뿐만 아니라, NOx 저감 시스템의 연료 개질 장치로서도 그 파급 효과는 높을 것이라 예상된다.
6. 결론
본 고에서는 현재 국내 운행 경유 자동차에 장착되고 있는 배출가스저감장치의 성능, 장치특징 및 기술개발 현황에 대하여 살펴보았다.
1. 디젤산화촉매(DOC)는 CO을 80~90% 정도 저감시키며, HC는 70~80%를, 그리고 PM은 30~40%를 저감시키는 성능을 가지고 있다. 그러나 입자상물질 저감효율에 있어서는 SOF만을 제거하고 탄소성분(Carbon Soot)은 제거되지 않기 때문에 차종별 SOF 배출량에 따라 PM 제거효율이 다르게 나올 수가 있다. 또한 매연부하검사 시의 매연저감효율은 PM저감 효율에 비해 적게 나온다.
따라서 현재 제 3종 배출가스저감장치는 저감효율 기준을 PM 뿐만아니라 CO, HC 및 SOF 등 배기성분도 기준으로 하여야 할 필요가 있으며, 향후에는 SOF 뿐만 아니라 Soot도 포집 제거할 수 있는 장치의 보급을 유도하여야 할 것이다. 또한 매연 검사시험은 현행 고속∙고부하 영역에서 측정하는 Lugdown 3 모드에서 인증시험모드인 CVS 75모드의 운행영역이 반영된 ASM2525 모드와 같은 중∙저속모드로 개정할 필요가 있다.
2. 촉매재생식 DPF는 PM을 90% 이상 저감시킬 뿐만 아니라 CO와 HC도 각각 90%, 70% 저감시키는 성능을 가지고 있으나, 운행중 배기온도가 낮을 경우 필터에 포집된 매연이 재생되지 못하고 퇴적되어 연비 및 출력저하가 심하면 장치 이상발생 등 문제가 발생될 수 있다. 이를 위하여 장착 대상자동차 의 운행 특성 및 배기온도 등을 사전에 조사하여 적합한 자동차에 한하여 장치를 장착하여야 하며, 이때 계절에 따른 배기온도 차이 및 자동차 운행노선특성 등을 면밀히 사전조사 후 장착하여야 한다.
3. 배기온도가 낮은 운행특성을 갖는 자동차는 DOC 전단부에 연료를 분사시켜 온도를 상승시킴으로써 매연을 재생시키는 연료분사 촉매재생방식을 적용하고 있다. 연료의 분사는 필터내 Soot의 포집량과 촉매의 온도를 예측한 배압의 누적상태와 배기온도의 누적상태를 고려하여 이루어진다. 연료분사촉매방식은 Soot를 촉매에서 자연재생시키기 위한 300℃ 이상 온도가 확보되지 않은 운행조건에서도 DOC 전단부에 연료를 분사함으로써 쉽게 배기온도를 올릴 수 있는 장점을 가지고 있으나, 실제 차량의 운전 상태에서 아이들과 같이 산화가 불가능한 배기온도 조건이 존재하고, 순간적으로 배기온도가 산화조건으로 되었다고 하여도 촉매자체의 온도가 이에 미치지 못하여 HC Slip이 발생할 수 있는 등 제약 조건에 의하여 자유로운 재생을 하는데 한계가 있다.
4. 부분유량 배출가스저감장치(Partial DPF)는 단면적의 일부분이 Open되어 PM 제거효율이 50~60% 수준 나오며 촉매에 의하여 CO나 HC도 80% 이상 저감하고 있다. 그러나 배기온도가 낮아 축적된 매연이 재생되지 못하여 필터에 퇴적이 이루어질 경우에는 배압은 크게 상승하지 않으나, 필터의 Open된 부분으로 배기유량이 증가하게 되어 매연의 포집 효율이 떨어질 수 있다.
5. 플라즈마 버너방식은 엔진 운전상태의 제한조건 없이 분사된 연료분사를 아크방전시킴으로써 저온의 배기온도조건에서도 포집된 매연을 원활하게 재생시킬 수 있는 장점을 가지고 있으나, 상용화를 위해서는 고전압 파워의 개발, 연료분사점화로직 개발 및 장치 단가를 줄이기 위한 부품개발 등이 해결되어야 할 것이다.
서울을 비롯한 수도권지역의 대기질을 개선하기 위하여 운행 경유자동차에 많은 저감장치가 장착 운행되고 있다. 장착된 배출가스저감장치는 입자상물질 뿐만 아니라 가스상 물질인 HC와 CO 등도 획기적으로 줄이고 있으나, 노후화된 운행자동차에 장착함으로써 장착 대상 자동차의 상태, 운행특성 등에 의하여 일부 장치에서 문제가 발생하고 이를 해결하기 위한 새로운 장치개발이 활발히 이루어지고 있다.
이와 같은 장치개발은 환경부의 저감장치 보급사업과 무∙저공해자동차사업의 연구 개발지원으로 조만간 국내 기술이 세계의 가장 앞선 선두기술로 자리잡을 것으로 기대된다.
2008년 들어 디젤차의 보급 확대를 위한 노력이 가속화되고 있다. 하지만 그런 시장의 확대에 비해 디젤엔진에 대한 구체적인 정보에는 많은 관심을 보이지 않고 있는 것이 우리의 현실이다. 그런데 한국자동차공학회에서 발행하는 오토저널 2008년 2월호에 ‘경유자동차 DPF 및 산화촉매시스템 기술’에 관한 특집이 실렸다. 이에 글로벌오토뉴스에서는 자동차공학회의 허락을 얻어 그 내용을 순서대로 게재한다. 모두 6꼭지로 이루어져 있으며 이번은 그 네 번째인 국내 경유자동차 촉매식 후처리장치의 성능 및 기술 현황에 관한 내용이다. (편집자 주)
4. 국내 경유자동차 촉매식 후처리장치의 성능 및 기술 현황
글 / 박용성(교통안전공단 자동차성능연구소 책임연구원)
1. 서론
환경부는 서울을 비롯한 수도권지역의 대기질을 개선하기 위하여 2003년 12월에“수도권대기환경에 관한 특별법”을 제정∙공포하였다. 2005년 1월부터 수도권의 운행경유자동차에 입자상물질(PM)을 저감하는 정도에 따라 제 1종, 제 2종 및 제 3종 장치로 구분하여 배출가스저감장치를 부착하고 있다.
제 1종 장치는 PM을 70% 이상 저감하는 장치로서 주로 Wall Flow Type의 DPF를 적용하고 있으며, 제 2종 장치는 PM을 50% 이상 저감하는 장치로서 필터 일부가 부분적으로 Open되어 있는 Partial DPF를 적용하고 있다. 또한 제 3종 장치는 PM를 25% 이상 저감하는 장치로서 디젤산화촉매를 적용하고 있다. 제 1종 장치는 주로 6리터급 이상의 대형자동차에 장착하고 있으며 제 2종 장치는 3~4 리터급의 중형경유자동차에, 제 3종 장치는 3리터급 이하의 소형 경유자동차에 장착되고 있다.
본 고에서는 현재 국내 운행경유자동차에 장착되고 있는 상기 배출가스저감장치의 성능, 특징 및 기술현황에 대하여 살펴보고자 한다.
2. 디젤 산화촉매
디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)는 배기가스중의 CO와 HC뿐만 아니라 PM의 용해성 유기물질인 SOF(Soluble Organic Fraction) 성분을 산화 반응시켜 이를 80% 이상 저감시키는 것으로 알려져 있다. 그러나 DOC는 제 3종 배출가스저감장치로 구분되어 입자상물질 저감효율 25% 이상 저감하여야 함에도 불구하고 입자상물질중 SOF만을 제거함으로써 장착 자동차의 배출가스중 SOF의 비율에 따라 저감효율이 다르게 나타나며, 장착 후 매연측정시험에서도 저감효율이 PM 저감효율에 비하여 적게 측정되는 특징이 있다. 이에 DOC 배출가스저감성능과 SOF에 의한 배출가스저감효율 특징, PM과 매연 저감효율과의 관계 등에 대하여 살펴보고자 한다.
2.1 DOC 배출가스저감성능
<그림 1> ~ <그림 3>은 현재 소형 경유자동차에 장착되고 있는 DOC의 배출가스 저감성능을 CVS 75모드에 의하여 측정한 결과이다. 저감효율은 장치별로 다소 차이는 있으나 CO는 전체적으로 80~90%정도 저감되며, HC는 70~80% 저감 성능을 나타낸다. 또한 입자상물질 저감효율은 30~40% 정도 저감 성능을 나타내고 있다. 그러나 DOC는 입자상물질을 구성하고 있는 성분 중 SOF만을 제거하고 탄소성분(Carbon Soot)은 제거되지 않기 때문에 차종별 SOF 배출량에 따라 PM 제거효율이 다르게 나올수가 있다.
2.2 입자상물질 구성 성분별 저감효율
입자상물질(Particulate Matter, PM)은 일반적으로 1) 고체 입자(SOL : carbon, ash 등 soot), 2) 용해성 유기물 (SOF : Lube SOF, Fuel SOF), 그리고 3) 황산염(SO4-2 : sulfate) 등 성분으로 이루어져 있다. <그림 4>는 CRDI 소형디젤엔진에서 NEDC 모드로 측정한 입자상물질의 구성 성분이다. 이때 엔진에서 배출되는 Soot, SOF(Fuel+Lube), SO4 의 구성비율이 각각 62%, 35%, 3% 이였다.)
본 시험자동차에 DOC를 장착하였을 때에는 전체 입자상물질(TPM)은 30% 정도 저감되었으며, Fuel SOF와 Lube OF은 각각 84%, 95% 정도 저감되었고 Soot는 약간 증가하는 경향을 나타내었다<그림 5>.
2.2 PM 저감성능과 매연저감성능 관계
디젤산화촉매가 제 3종 배출가스저감장치 인증기준인 입자상물질을 25% 제거하여도, 배출가스 정밀검사 시 매연 저감효율은 이에 못 미치는 성능이 나오는 경우가 있어서 두 시법간의 차이를 알아보고자 한다.
배출가스 인증시험 시 PM 제거효율시험은 CVS-75 모드로 PM의 중량을 측정하고, 배출가스 정밀검사 시의 매연시험은 Lug- Down 3 모드로 매연의 농도를 광투과율 방식으로 측정하고 있다. 자상물질의 측정은 측정여지에 입자상 물질을 포집 후 게 측정실에서 중량으로 측정하기 때문에 DOC에 의하여 SOF를 제거한 만큼 저감효율이 나오게 된다. 그러나 매연농도 측정은 입자상물질에 투과한 광투과율에 의하여 측정하기 때문에 DOC에 의하여 SOF가 제거된 입자상물질은 외형의 크기가 작아지게 되고 작아진 만큼 매연이 적게 측정되어 저감효율로 나오게 된다, 그러나 이 크기 차이는 중량으로 측정한 PM 저감효율 보다 크지 않기 때문에 매연저감효율이 적게 측정되는 것이다. 두 시험방법을 비교하면 <표 1>과 같다.
또한 엔진에서 배출되는 PM 성분중 SOF의 비율은 엔진운전영역에 따라 다르게 나온다.<그림6>은 엔진부하와 회전수에 따른 PM내의 SOF의 비율을 나타낸 것이다(그림의 검정색부분이 SOF임). 엔진부하가 낮은 저속∙저부하의 저온운전 조건에서는 SOF함량이 25%에서 많게는 70% 정도까지 나오지만, 고속∙고부하 영역에서는 10%에서 적게는 4% 정도 밖에 나오지 않는다.
입자상물질의 저감효율을 측정하는 CVS-75 모드의 운전영역은 저속∙저부하로서 SOF의 비율이 높은 영역이지만, 매연 정밀검사(Lug Down) 시 운전영역은 엔진 쓰로틀이 100% 개도상태에서 최고출력엔진회전수의 100%, 90% 및 80% 점인 고속∙고부하로서 SOF의 비율이 적은 영역에서 측정하기 때문에 저감효율이 낮게 나올 수밖에 없다. 따라서 DOC에 의해 입자상물질이 25% 이상 저감효율을 갖는 장치라 하여도, 광투과식 방식에 의하여 측정된 매연 저감효율은 이에 못 미치는 값이 나오게 될 수 있다.
3. 촉매 재생식 DPF
매연을 70% 이상 저감시키는 제 1종 배출가스저감장치는 대부분 촉매코팅 Wall Flow Type의 세라믹 필터를 적용하고 있다. 엔진에서 배출되는 PM을 포집하는 필터 내부는 Porous Wall로 되어 있어서셀 내부의 미세한 기공을 통하여 배기가스는 통과하고 PM은 내부에 축적되는 구조를 가지고 있다. 축적된 PM은 엔진의 배기가스 열을 이용하여 O2나 NO2와의 산화 반응에 의해 연소가 이루어진다. 그러나 저속운행구간이 많아 배기온도가 낮은 차량에서는 PM이 재생되지 않고 축적됨으로써 배기배압 증가, 출력저하 및 연료소비량 증가를 초래하며, 심한 경우 장치 필터손상을 야기시킬 수 있다. 이에 서울시내 차량의 속도 및 온도분포 특성과 이를 개선하기 위한 신규 기술에 대하여 알아보고자 한다.
3.1 DPF의 배출가스저감성능
<그림 7>에서 <그림 9>는 현재 대형 경유자동차에 장착되고 있는 DPF의 배출가스 저감성능을 ND-13 모드에 의하여 측정한 결과이다. 입자상물질은 모든 장치가 90%이상 저감시키며, CO와 HC도 80~90% 저감시킨다.
또한 촉매식 DPF는 엔진배기관에서 발생하는 유해물질을 산화시키는 기능을 가지고 있기 때문에 <표 2>에서 보듯이 DPF 장착에 의하여 미량유해물질인 알데히드, SOF 및 다방향족탄화수소(PAH’s)을 각각 44%, 98%, 및 97% 저감시키고 있다.
3.2 DPF의 장치 장착조건 및 배기온도분포
엔진 배기온도를 이용하여 매연을 재생시키는 촉매재생식 배출가스저감장치는 매연을 재생하기 위한 최소한의 배기온도 조건을 장치별로 각각 300℃ 이상이 5%, 7%, 10% 이상, 270℃ 이상이 10% 이상, 210℃ 이상이 40% 이상인 조건을 장치 장착조건으로 하고 있다.
또한 연료분사 촉매복합방식의 경우에는 200℃이상이 20% 이상을, 부분유량방식(Partial DPF)는 250℃ 이상이 10% 이상을 장착조건으로 하고 있다. <그림 10>은 서울시내에서 운행되고 있는 시내버스와 마을버스의 대표적인 배기온도 분포와 배출가스저감장치의 장착 온도조건을 나타낸 것이다. 시내버스의 경우에는 배기온도분포가 장치 장착조건보다 높으나 마을버스의 경우 온도가 낮음을 볼 수 있다. 위의 조건을 고려하여 제작사에서는 DPF 장착 시에 장착 대상자동차의 운행특성 및 배기온도 등을 사전에 조사하여 적합한 자동차에 한하여 장치를 장착하고 있다. 그러나 상기 온도조사를 여름철에하였다면 겨울철에는 배기온도가 저하됨을 고려하여야 한다. <그림11>은 서울시내 운행중인 버스의 계절에 따른 배기온도 변화를 보여주는 그래프이다.
여름철인 8월부터 겨울철인 12월까지의 일일 평균배기온도를 나타내었다. 엔진배기 일일 평균온도가 여철에는 220℃정도였으나 겨울철인 1월에는 160℃로서 50℃ 정도 배기온도가 저하됨을 알 수 있다. <그림 12>는 배기온도 누적분포를 나타낸 것이며, 겨울철로 감에 따라 대기 온도가 내려가서 엔진 배기온도 누적분포도 떨어짐을 볼 수 있다. 따라서 여름철 배기온도조사에 의하여 장치 장착여부를 결정하여야 할 경우에는 계절에 따른 배기온도가 차이가 남을 고려하여야 한다.
3.3 노선에 따른 배기온도분포 특성
<그림 13>은 서울시내의 대표적인 마을버스와 시내버스의 배기가스온도 누적분포를 보여주는 그래프이다. 시내 버스의 배기온도가 장치 장착조건 배기온도 보다 높음을 볼 수 있으나 마을버스의 배기온도는 이보다 낮게 나타나고 있다. 상기 마을버스와 시내버스의 온도 특성은 <그림 14>~<그림 17>의 주행속도 및 배기온도에서 알아볼 수 있다. 마을버스는 주로 4050km/h로 운행이 되며 60km/h가 넘지 않는 저속운행을 하며, 또한 매연을 재생할 수 있는 온도인 300℃ 이상도 4% 정도이고 이도 산발적으로 나타내어 매연 재생의 열원으로 작용하지 못하는 온도분포를 나타낸다. 반면 시내버스의 주행속도는 50~60km/h로 운행이 되며 속도가 높은 경우 70km/h까지 나오는 구간도 있다<그림 16>. 이로 인하여 300℃이상도 6% 정도 나오며 온도도 집중적으로 분포하고 있어서 매연 재생의 열원으로 작용하는 특성을 가지고 있다<그림 17>.
3.4 운행패턴에 의한 DPF 문제발생
필터에 포집된 매연은 주행 중 배기온도에의하여 산화제거 되어야 한다. 그러나 마을버스와 같이 배기온도가 낮아 주행 중 재생될 수 있는 열원이 공급되지 않아 많은 양의 매연이 퇴적된 후 일시에 재생이 이루어 질 수 있다. 이 경우 재생 중 갑작스런 속도감소, 아이들 운전 혹은 엔진정지에 의하여 필터에 급격한 온도 상승을 초래할 수 있고 이로 인해 열적 충격을 줄 수 있다.
<그림 18>은 상기 사례의 운행패턴을 갖는 마을버스의 일일 주행시간대별 속도, DPF 전∙후단 온도를 실시간으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 차속은 60km/h 이하에서 운전이 되고 있고 배기온도는 300℃ 이상도 산발적으로 나타나고 있다. 상기 운전조건에서는 엔진의 배기가스 열이 충분치 않아 촉매에 의한 PM의 연소속도가 엔진에서 발생하는 PM의 생성속도보다 느려서 필터에 PM이 퇴적된다. 일일 주행마지막부분 저녁 12시경에 차고지로 이동 시 100km/h로 고속주행하여 DPF전단의 온도가 올라감에 따라 후단의 온도도 높이 올라감을 그래프에서 확인할 수 있다. 이때 매연의 재생에 의하여 DPF 전∙후단에서 온도가 상승하는 과정을 <그림 19>에 상세히 표시하였다. 매연의 재생이 이루어지는 중에 차속이 급격히 감소하고 아이들로 됨에 따라 DPF 후단 온도가 순간적으로 급격히 상승함을 볼 수 있다. 이와 같은 운행패턴은 필터에서 매연의 재생이 이루어지는 중에 필터의 급격한 온도 상승으로 필터 손상의 요인이 되고 있다.
3.5 연료분사 촉매 복합식 DPF
저속 차량의 경우에는 촉매에 의한 자연 재생방식 만으로 한계가 있음으로 필터전단 배기관에 연료를 분사하여 강제적으로 PM을 태워주는 연료분사 촉매 복합재생 방식을 적용하고 있다. 연료분사 촉매복합 재생방식은 저온의 배기상태에서도 DOC 전단부에 연료를 분사하여 디젤 촉매산화에 의하여 배기온도를 상승시켜 DPF에 축적된 PM을 연소 재생시키는 장치이다.
<그림 20>은 DOC 전단에 연료를 분사하였을 때 연료가 산화되어 배기온도가 상승됨을 보여주는 그래프이다. DOC 전단부에 연료를 분사시키며 엔진 배기온도를 100℃에서부터 280℃까지 상승시켜가며 연료의 산화가 시작되는 온도를 측정하였다. 배기온도가 낮을 때(100℃200℃)에는 분사된 연료가 산화 연소되지 못하고 배기관으로 Slip되었으나 온도가 200℃에 도달하자마자 HC 농도가 급감하고 DOC 후단에서의 온도가 상승되었다. 이와 같이 디젤산화촉매는 배기온도 200℃정도면 연료를 산화시켜 필터의 온도를 상승시킨다.
CnHm + O2 → nCO2 + mH2O + Q at 200℃
<그림 21>은 DOC가 연료를 산화시키는 특성을 이용한 연료분사 촉매복합식 장치의 작동과정을 나타낸 것이다. 연료의 분사는 필터내 Soot의 포집량과 촉매의 온도를 예측한 배압의 누적상태와 배기온도의 누적상태를 고려하여 이루어진다. 일정 엔진배압과 온도조건에서 연료분사가 이루어지며(①), 연료가 분사되어 필터에 포집된 매연의 재생이 이루어져서 장치후단에서 온도가 500℃까지 상승된다(②). 또한 일정기간 연료분사 후 차단되어 온도가 계속 상승하는 것을 방지함으로써 장치를 보호하고 있다.(③, ④)
<그림 22>는 본 장치를 실제 자동차에 장착하고 주행 시 엔진배기온도와 DPF 후단에서의 온도를 나타낸 것이다. DPF 전단에서 온도가 300℃ 이상이 거의 나오지 않는 저온 배기온도에서도 DOC 전단에 연료를 분사시킴으로써 DPF 온도를 상승시켜 포집된 매연을 재생시킨다. 이는 그림에서 연료분사 시 DPF후단에서 온도가 400℃까지 올라감을 통하여 확인할 수 있다. 그러나 DOC에 분사된 연료는 온도가 200℃ 정도이면 촉매에서 CO2와 H2O로 산화되어 온도를 상승시킬 수 있지만, 실제 운행조건에서는 연료의 산화 반응을 일으키기 위한 촉매 자체의 온도가 200℃ 이상이어야 하고 HC Slip을 방지하기 위하여 연료분사에 많은 제약을 받는다. 이에 따라 제작사에서는 필터에 포집된 PM를 재생시키기 위하여 엔진에서 나오는 배기온도만을 단순 고려하는 것이 아니라 필터에 포집된 PM량과 DOC 내부의 온도를 예측하여 연료를 분사하고 있다.
4. 부분유량 촉매 재생식 DPF
부분유량 매연저감장치(Partial DPF)는 연속재생 방식 DPF와 달리 필터 단면적의 일부분이 Open되어 있기 때문에 PM 여과율을 50~60% 수준으로 낮추는 대신 배출가스의 유동에 대한 저항을 낮춤으로써, 과도한 배압상승이 발생되지 않는 장점을 가지고 있어 운행 배기온도조건이 낮은 차량에 적합한 매연저감장치로서 개발 및 적용되고 있다.
4.1 Emitec사 Partial Filter
국내 일진전기에서 제작판매하고 있는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 Emitec사의 필터를 채용하고 있다. Emitec사의 부분유량 필터는 <그림 23>에서와 같이 3차원의 기하학적 구조를 가지는 금속구조물 (Corrugated Layer Blades)을 이용하여 전체 배기유량의 일부를 다공성 금속섬유층(Porous Fleece Layer)을 통과하게 하여 PM의 일부를 필터내부에 포집하는 구조로 되어 있다. 장치에 유입되는 유량의 대부분은 필터층을 통과하여 Soot를 포집 및 재생시키며, 필터층을 통과하지 않는 유량 부분은 촉매 작용을 통하여 SOF를 저감하는 원리로 되어 있다. 필터에 포집된 Soot의 재생은 기존 제 1종 DPF장치와 같이 전단부 DOC와 후단부 필터의 촉매 층에 의해 산화된 NO2를 이용하여 금속섬유층에 포집된 PM과 산화 반응을 하여 저감시킨다. 전단 DOC에서는 NO2 전환기능 및 SOF의 산화기능을 동시에 가지도록 되어 있다.
4.2 Finkatt사 Partial Filter
국내 SK에서 제작판매하고 있는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 Finkatt사의 필터를 채용하고 있다. 필터의 구조는 원형으로 금속박막 평판(Flat Foil)과 돌출부가 있는 주름판(Corrugated Foil)을 한 쌍으로 하여 같이 겹쳐 말아서 원기둥의 형태로 제작한 것이다. 필터에서 PM의 포집은 <그림24>의 ①과 ②에서 이루어진다. 평판과 주름판 사이의 배기가스의 유동이 있는 ①과, 필터 전단부의 돌출부와 평판에 의해 만들어진 공간 ②에서 PM의 여과가 이루어지나 대부분의 PM 여과는 ①에서 이루어진다. ①의 위치에 포집된 PM은 배기가스 압력에 의해 부분적으로 외부로 불려 나갈 수 있으나 ②의 위치에 포집된 PM은 불려 나가지 않으며, 배기열 및 촉매에 의한 재생에 의해서만 제거가 가능하도록 되어 있다.
본 필터의 특징은 금속판 면에 특수표면처리 및 촉매코팅에 의하여 표면 거칠기를 증가시켜 표면에서 PM을 포집 및 제거 시켜 제 2종장치 저감효율 50%이상을 만족시키는 성능을 가지고 있다. 장치내부에 PM을 여과하여 포집하는 별도의 필터가 없기 때문에 매연이 과다하게 배출되는 자동차나 저속운전에 의하여 매연이 과다하게 금속판 면에 포집되어 있는 경우 급가속시 포집된 매연의 일부가 불려 나올 수 있다. 그러나 필터내에 매연이나 asy가 퇴적되지 않는 구조이기 때문에 주기적으로 필터를 청소하지 않아도 되는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
4.3 Fiber Tech사 Partial Filter
존슨매티카탈리스트코리아에서 개발하여 조만간 제품 출시코자 하는 제 2종 배출가스저감장치의 필터는 화이버텍의 금속섬유필터를 적용하고 있다. 필터는 <그림 25>와 같이 금속섬유여과재를 원형으로 만들고 입구와 출구부를 교차 용접하여 전체적으로는 Wall-Flow type 형상을 가진 필터이다(a, b, c, d 는 교차 용접된 부분)
기존 Wall-Flow Type 필터의 경우 일정량 이상의 매연이 축적될 때 필터전단 배압이 증가하여 장치에 문제가 발생하는 단점을 가지고 있다. 본 필터의 특징은 이를 보완하기 위하여 <그림 26>과 같이 필터층 일부분에 밀도가 낮은 금속섬유 여과층을 만들고, 입구단에는 미세한 Open Passing 구조를 설치하여 배압이 증가할 때 통과하게 함으로서 배압을 증가율을 낮게 하였다. 물론 PM 저감효율은 제 2종 배출가스 저감장치 기준인 50% 이상을 충분히 만족하고 있다.
4.4 Partial DPF 배출가스저감성능
<표 3>은 배출가스가 Euro Ⅱ수준의 4.0리터급 엔진에서 측정한 Partial DPF의 배출가스저감효율을 나타낸 것이다. 정속운전 모드인 ND-13 모드나 Transient Cycle인 ETC모드에서 모두다 PM은 50 % 이상, CO는 90%, HC는 80% 이상 저감되는 성능이 나옴을 알 수 있다. <그림 27>은 ND-13모드에서 각 모드별 여지반사식 매연측정기로 측정한 매연저감효율을 나타낸 것이다. 모든 모드에서 40~50% 정도 저감되었다.
<그림 28>은 엔진 전 운전영역에서의 PDPF 장착에 의한 매연저감효율을 나타낸 그래프이다. 전체적으로 40~50% 정도 저감됨을 볼 수 있다. 중∙저속에서는 50% 정도 저감되나 매연농도가 높은 저속∙고부하영역과 배기유량이 많은 고속∙고부하 운전영역에서는 40% 정도 저감되어 효율이 약간 감소됨을 알 수 있다. 이는 Partial DPF가 단면적의 일부분이 Open되어 있기 때문에 고속∙고부하 영역에서 배기유량의 증가에 의하여 외부로 불려나가는 유량이 증가되기 때문이다. 따라서 PDPF 설계 시 매연저감효율을 달성하기 위해서는 적용차종의 엔진출력과 매연발생량을 고려하여야 한다.
5. 플라즈마 버너 촉매복합식 DPF
배기관에 연료를 분사하여 DOC에 의하여 배기온도를 상승시키는 연료분사 촉매복합식 DPF도 아이들과 같이 배기가스의 온도가 낮은 조건(200℃ 이하)에서 디젤산화촉매에 의한 산화가 불가능한 조건이 존재하고, 연료의 무화에 필요한 온도 및 촉매의 활성화 온도 등과 같은 제약 조건이 실제 차량의 운전 상태에서의 자유로운 재생에 제한을 받는다. 이에 1990년대부터 개발되어 왔던 버너에 대한 관심이 다시 증가하게 되었고, 필터 재질과 촉매의 열화에 대한 개선 등으로 DPF 재생을 위해 경유 버너를 이용하기에 유리한 상황이 되었다.
하지만 화염 안정성, 고가의 시스템, 화염 생성에 필요한 많은 공기 등의 기존 버너가 가지고 있었던 문제점들을 해결해야 하는 과제를 안고 있다. 최근에 이를 극복하고자 하는 노력이 증가되고 있는 실정이며, 그 중 하나인 플라즈마 버너를 이용한 복합 재생 DPF 시스템을 소개하고자 한다.
5.1 플라즈마 버너 시스템
플라즈마 버너의 기본 원리는 기존 버너의 국부적인 점화를 모든 연료/공기 혼합기가 방전을 겪게 만들어 화염의 안정성을 높이고자 함에 있다. <그림 29>와 같이 전극의 모양과 유동에 의해 아크 방전은 회전하며(Rotating), 전진하는(Gliding) 양상을 띄게 된다. 이러한 현상으로 인하여 반응기 내부에 아크 방전이 가득차 있는 효과를 얻어낼 수 있다. 또한 아크 방전에 의해 연료는 개질되어 화염 전파 속도가 높은 수소 화염을 얻어 낼 수 있게 되어 있다.
5.2 플라즈마 버너 시스템 승온 특성
<그림 30>은 엔진 배기온도가 100℃인 아이들 조건에서의 플라즈마 버너 점화 및 승온 특성을 나타낸 그래프이다. 연료분사 시 플라즈마 버너에서 연료의 점화가 일어나서 버너후단의 온도가 상승하고 DOC 후단에서 온도가 상승됨을 볼 수 있다. 이와 같이 플라즈마 버너 시스템은 연료를 강제적으로 점화시켜 아이들 조건과 같이 낮은 배기온도에서도 500℃이상으로 승온이 가능한 기술이다.
5.3 플라즈마 버너 시스템 재생 특성
<그림 31>은 PM의 재생특성을 보기 위하여 필터에 PM을 포집 후 엔진배기온도 130℃인 (이때 NOx는 60ppm 정도 발생함) 운전영역에서 플라즈마 버너에 의하여 배기온도를 350℃까지 상승시키고 DOC 후단온도를 400℃ 이상으로 승온 시킴으로써 포집된 PM이 재생되어 배압이 떨어지는 것으로 보여주고 있다. 비교적 낮은 온도 조건(400℃)에도 불구하고 재생이 완료되는데 걸리는 시간은 15분 내외이며, 특이할 만한 점은 NOx가 매우 낮은 저부하 조건이었음에도 재생이 잘 이루어 졌다는 점이다.
이와 같이 플라즈마 버너방식이 기존 연료 분사 시스템의 단점을 보완하여 엔진 운전상태의 제한조건 없이 저온의 배기온도조건에서도 포집된 매연을 원활하게 재생시킬 수 있으나, 상용화를 위하여 해결해야 할 몇가지 과제를 가지고 있다. 실제 차량운전조건에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위한 고전압 파워의 개발과 장치고장 시 진단 및 대처방안, 고가의 장치 가격 및 고온환경에서 촉매 및 필터의 신뢰성 등이 해결된다면 향후 DPF시스템의 재생장치뿐만 아니라, NOx 저감 시스템의 연료 개질 장치로서도 그 파급 효과는 높을 것이라 예상된다.
6. 결론
본 고에서는 현재 국내 운행 경유 자동차에 장착되고 있는 배출가스저감장치의 성능, 장치특징 및 기술개발 현황에 대하여 살펴보았다.
1. 디젤산화촉매(DOC)는 CO을 80~90% 정도 저감시키며, HC는 70~80%를, 그리고 PM은 30~40%를 저감시키는 성능을 가지고 있다. 그러나 입자상물질 저감효율에 있어서는 SOF만을 제거하고 탄소성분(Carbon Soot)은 제거되지 않기 때문에 차종별 SOF 배출량에 따라 PM 제거효율이 다르게 나올 수가 있다. 또한 매연부하검사 시의 매연저감효율은 PM저감 효율에 비해 적게 나온다.
따라서 현재 제 3종 배출가스저감장치는 저감효율 기준을 PM 뿐만아니라 CO, HC 및 SOF 등 배기성분도 기준으로 하여야 할 필요가 있으며, 향후에는 SOF 뿐만 아니라 Soot도 포집 제거할 수 있는 장치의 보급을 유도하여야 할 것이다. 또한 매연 검사시험은 현행 고속∙고부하 영역에서 측정하는 Lugdown 3 모드에서 인증시험모드인 CVS 75모드의 운행영역이 반영된 ASM2525 모드와 같은 중∙저속모드로 개정할 필요가 있다.
2. 촉매재생식 DPF는 PM을 90% 이상 저감시킬 뿐만 아니라 CO와 HC도 각각 90%, 70% 저감시키는 성능을 가지고 있으나, 운행중 배기온도가 낮을 경우 필터에 포집된 매연이 재생되지 못하고 퇴적되어 연비 및 출력저하가 심하면 장치 이상발생 등 문제가 발생될 수 있다. 이를 위하여 장착 대상자동차 의 운행 특성 및 배기온도 등을 사전에 조사하여 적합한 자동차에 한하여 장치를 장착하여야 하며, 이때 계절에 따른 배기온도 차이 및 자동차 운행노선특성 등을 면밀히 사전조사 후 장착하여야 한다.
3. 배기온도가 낮은 운행특성을 갖는 자동차는 DOC 전단부에 연료를 분사시켜 온도를 상승시킴으로써 매연을 재생시키는 연료분사 촉매재생방식을 적용하고 있다. 연료의 분사는 필터내 Soot의 포집량과 촉매의 온도를 예측한 배압의 누적상태와 배기온도의 누적상태를 고려하여 이루어진다. 연료분사촉매방식은 Soot를 촉매에서 자연재생시키기 위한 300℃ 이상 온도가 확보되지 않은 운행조건에서도 DOC 전단부에 연료를 분사함으로써 쉽게 배기온도를 올릴 수 있는 장점을 가지고 있으나, 실제 차량의 운전 상태에서 아이들과 같이 산화가 불가능한 배기온도 조건이 존재하고, 순간적으로 배기온도가 산화조건으로 되었다고 하여도 촉매자체의 온도가 이에 미치지 못하여 HC Slip이 발생할 수 있는 등 제약 조건에 의하여 자유로운 재생을 하는데 한계가 있다.
4. 부분유량 배출가스저감장치(Partial DPF)는 단면적의 일부분이 Open되어 PM 제거효율이 50~60% 수준 나오며 촉매에 의하여 CO나 HC도 80% 이상 저감하고 있다. 그러나 배기온도가 낮아 축적된 매연이 재생되지 못하여 필터에 퇴적이 이루어질 경우에는 배압은 크게 상승하지 않으나, 필터의 Open된 부분으로 배기유량이 증가하게 되어 매연의 포집 효율이 떨어질 수 있다.
5. 플라즈마 버너방식은 엔진 운전상태의 제한조건 없이 분사된 연료분사를 아크방전시킴으로써 저온의 배기온도조건에서도 포집된 매연을 원활하게 재생시킬 수 있는 장점을 가지고 있으나, 상용화를 위해서는 고전압 파워의 개발, 연료분사점화로직 개발 및 장치 단가를 줄이기 위한 부품개발 등이 해결되어야 할 것이다.
서울을 비롯한 수도권지역의 대기질을 개선하기 위하여 운행 경유자동차에 많은 저감장치가 장착 운행되고 있다. 장착된 배출가스저감장치는 입자상물질 뿐만 아니라 가스상 물질인 HC와 CO 등도 획기적으로 줄이고 있으나, 노후화된 운행자동차에 장착함으로써 장착 대상 자동차의 상태, 운행특성 등에 의하여 일부 장치에서 문제가 발생하고 이를 해결하기 위한 새로운 장치개발이 활발히 이루어지고 있다.
이와 같은 장치개발은 환경부의 저감장치 보급사업과 무∙저공해자동차사업의 연구 개발지원으로 조만간 국내 기술이 세계의 가장 앞선 선두기술로 자리잡을 것으로 기대된다.
