DPF 기술동향

[연료와윤활]

디젤자동차용 DPF 기술의 국내외 개발동향 - 3

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 두 번째인 상용 디젤 산화촉매 특징 및 기술이다. (편집자 주)

글/정용일(오덱 Ordeg Co.,Ltd)

1. 서론

2000년에 프랑스 푸조사의 승용차에 연료첨가제 방식의 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착되어 시장에 최초로 출시된 이후 약 8년 동안 DPF 기술은 급속도로 발전하였다. 현재 우리나라에서도 EURO-4 수준의 승용차에 일부 DPF가 장착되어 시판되고 있으며, EURO-5 규제가 본격적으로 적용되는 2010년경에는 모든 경유 승용차에 DPF가 부착될 것으로 예상된다.

대형 승용/화물차의 경우 미국과 일본은 US2007과 Japan 2005 규제에 따라 DPF가 장착된 차량이 판매되고 있다. 유럽의 경우 EURO-5 규제가 본격적으로 적용되는 2010년경에 각 자동차회사의 전략에 따라 DPF나 Urea-SCR 기술이 선택적으로 사용될 것으로 예상되며, EURO-6의 배기규제가 적용되는 시점에서 모든 경유 대형 승용/화물차에 DPF가 적용될 것으로 예상된다.1)DPF 기술은 필터기술, 촉매기술, 캐닝기술, 재생기술 등이 핵심이며, 이 기술들은 개념 정립단계, 실증화 단계 및 기업화 단계를 넘어 현재 최적화 및 Cost 저감단계까지 발전되어 있다. 본 고에서는 DPF의 요소기술인 필터기술과 재생기술에 대한 국내외 기술개발 현황을 소개하고, 2004년부터 우리나라에서 시행한 수도권을 운행하는 특정 경유차 매연여과장치 부착사업에 적용되는 운행차용 DPF 기술에 대해서도 기술하고자 한다.

2. 필터 기술

2.1 세라믹 필터

필터의 경우 소형 승용차용으로는 SiC 필터가 대부분 사용되고 있으며, 대형차용으로는 코디어라이트 필터가 주로 사용되고 있다. SiC 필터는 코디어라이트 필터에 비해 고온 특성이 우수하고, 열전도성이 우수하여 한계 매연포집량이 크고, 재생제어에 우수한 반면 고온 소성 공정 등으로 단가가 높은 것이 단점이다.

SiC 필터는 일본의 Ibiden과 NGK에서 생산하고 있으며, 셀밀도가 증가하고 다공성(Porosity)이 증가하는 방향으로 기술이 발전하는데 현 기술은 셀밀도 300cpi, Porosity 58% 수준이다. <그림 1>은 일본 NGK사의 SiC와 코디어라이트 사진이다. DPF 필터 시장의 중요성을 감안하여 우리나라에서는 환경부의 지원을 받는 무∙저공해자동차 과제로 LG화학에서 SiC 필터의 국산화를 성공하여 200cpi급 필터를 개발하였으며, 외국회사와의 시장경쟁에 어려움을 겪고 있는 실정이다.

2.2 Partial 필터
최근 약 50%정도의 PM을 정화할 수 있는 <그림 2>와 같은 Open Channel 방식의 Partial 필터가 개발되어 높은 수준의 PM 정화성능을 요구하지 않는 EURO-4 수준 대형차량 등에 적용되고 있으나 향후 PM 규제가 EURO-5/6 수준으로 강화되면 PM 정화율이 높은 Wall Flow Type의 필터 사용이 불가피할 것으로 보인다. 이와 같은 Partial 필터는 매연이 다공성의 금속 소결판에 일정량 이상 쌓이면 더 이상 매연이 쌓이지 않고 배출되어 필터가 막히지 않는다는 장점이 있으나 배출가스온도가 낮아 자연재생이 안되는 조건에서는 매연정화효율이 급감하고, 필터에 쌓였던 매연이 고유량 조건에서 순간적으로 Blow-off 될 가능성이 있다. 그리고, 금속재질의 Partial 필터를 브레이징 용접법을 사용하여 만드는 경우 이상재생 시 취약할 수 있다는 단점이 있다.

현재 사용 가능한 강제 또는 복합재생방식 DPF의 기술이 없기 때문에 배출가스온도가 낮아 자연재생방식의 DPF를 부착할 수 없는 중형 트럭 등의 운행차에 이와 같은 금속재질의 Partial 필터가 부착되어 운행되고 있다.

2.3 대체 필터에 대한 시장의 요구
현재 시장에는 가격적인 면과 성능 면에서 SiC나 코디어라이트 필터를 대체할 수 있는 새로운 필터를 계속 요구하고 있으며, Corning사의 Aluminum Titanate 필터의 개발이 그 좋은 예이다. <표 1>은 Aluminum Titanate의 소재 특성을 SiC와 비교하여 나타낸다. Aluminum Titanate는 SiC나 코디어 라이트 필터에 비해 Thermal Shock Resistance(TSP)가 큰 것이 특징이다. 하지만 Aluminum Titanate 필터도 가격적인 면과 성능 측면에서 SiC를 대신할 완벽한 대안이라고 할 수 없으며, 가격 및 성능 면에서 더 경쟁력 있는 필터의 개발이 앞으로도 계속적으로 시도 될 것으로 판단된다.

우리나라의 경우도 무∙저공해자동차 사업단에서 여러 종류의 DPF용 대체필터를 개발하고 있으며, 현재 운행차 시장에서 매출을 확보하는 등 성과를 내고 있다. 무∙저공해자동차 사업단에서는 화이버텍(주)에서 <그림 3>과 같은 금속 섬유 필터를 개발하고 있으며, 한국기계연구원과 코리아니켈이 금속 폼형 필터를 그리고 한국기계연구원과 세라컴에서 Si3N4 필터를 개발하고 있다.2)

3. 재생 기술

3.1 OEM용 연료 후분사방식 재생기술

현재 자동차제작사에서는 팽창과정 중에 연료를 후분사(Pilot Injection)하여 배출가스 온도를 높임으로서 필터를 재생하고 있다. 통상적으로 DPF의 재생은 DPF에 쌓여 있는 매연의 양을 예측하는 단계, 분사된 Hydrocarbon이 연소될 수 있도록 촉매를 Heat Up 하는 단계, 배출가스 온도를 상승시키거나촉매 연소를 위해 팽창과정 중 연소실에 연료를 분사하는 단계, DPF 입구온도와 배출가스 유량을 모니 터링 하면서 후분사 연료량을 조정하는 단계, Ash의 양을 예측하는 단계로 구성된다. <그림 4>는 DPF 재생제어 로직의 개략도이다.

DPF에 포집되어 있는 매연의 양은 DPF에 걸리는 차압을 흡입공기유량으로 나눈 값으로 예측된다. 하지만 이와 같은 방법은 필터의 각 채널에 쌓여 있는 매연 양을 정밀하게 예측하는 데에 어려움이 있으며, 차량의 실도로 운전조건에서 실제 저울로 측정한 매연 양과 차이가 있다는 보고도 있다. 최근에는 Soot Map과 Driver Usage Profile을 이용하여 DPF에 포집되어 있는 매연의 양을 예측하는 로직을 추가하여 사용하기도 한다.

엔진의 각 운전영역별로 배기가스의 온도 및 산소농도의 특성이 상이하기 때문에 DPF재생은 엔진운전영역별로 다른 재생전략이 사용된다. DPF 재생을 위한 주요 제어 변수로는 연료분사시기, 연료분사량, 흡기드로틀과 EGR을 이용한 공기량 등이 있다.6), 7) <그림 5>는 승용차용 DPF의 재생전략을 나타낸다. 영역 ①은 DPF 전단 배기온도가 낮아 Main Timing Retard, Intake Throttling으로 촉매를 Heat Up하고, 그 후 연료 후분사로 재생온도까지 상승시키는 구간이다. 이 중 공회전 조건은 엔진의 부하도 거의 없을 뿐만 아니라 연료의 분사량도 작기 때문에 약 320℃의 Heat Up 온도로부터 재생온도 620℃까지 전환이 가장 어려운 영역이다. 영역 ②는 별도의 촉매 Heat Up이 필요하지는 않지만 Main Timing Retard, Intake Throttling과 연료 후분사를 동시에 적용시켜야 하는 영역이다. 영역 ③과 ④는 연료 후분사로 재생이 가능한 영역이며, 영역 ⑤는 연료후분사를 사용하거나 Main Injection 지각으로 재생이 가능한 영역이다.8)
현재는 DOC와 DPF를 대부분 Under Body에 장착하고 있지만 향후에는 배기 매니폴드 근방으로 전진 배치하여 열손실을 줄임으로서 연료를 적게 분사할 수 있고, 이에 따라 Oil Dilution도 적게 할 것으로 예상된다. 그리고, 향후 DPF 재생제어 기술은 Oil Dilution 문제 해결, 재생 시 연료소비를 줄이는 방향, 그리고 운전자가 재생을 전혀 인지하지 못하도록 하는 세심한 제어 기술까지 발전될 것으로 예상된다.

3.2 운행차용 자연재생방식 DPF 기술
배출가스 온도가 높은 대형 버스 등 운행차에는 자연재생방식의 DPF를 적용할 수 있다. 자연재생방식 DPF에서는 DOC와 DPF에 귀금속을 코팅하여 배출가스 중의 NO를 NO2로 산화시키는데 이 NO2는 낮은 온도에서 Soot를 연소시키게 된다. 하지만 NO2는 독성물질로써 인체에 유해하고, 산성비의 원인이 되는 물질이기 때문에 미국의 CARB에서는 운행차에 부착되는 DPF에 의한 NO2 증가율을 2007년에는 30%, 2009년에는 20%로 제한하고 있다. 그리고 자연재생방식의 DPF는 황성분이 많은 경유를 사용할 경우 촉매의 황피독으로 인해 자연재생능력이 저하되며, Sulfate가 생성되는 단점이 있어 우리나라 정부에서는 DPF 보급을 위해 2006년부터 황성분이 30ppm이하인 초저유황경유를 보급하고 있다.

<그림 6>은 우리나라 수도권에 보급되어 있는 자연재생방식 DPF의 적용조건을 나타낸다. 현 기술의 수준은 1종 장치의 경우 배출가스 온도 300℃이상인 구간이 5% 이상 또는 210℃이상인 구간이 40% 이상인 조건에서 적용이 가능하고, 2종 장치의 경우 배출가스온도가 250℃이상인 구간이 10%이상인 조건에서 적용이 가능하다.

3.3 운행차용 복합재생방식 DPF 기술
배출가스 온도가 낮은 소형트럭 및 RV 등에는 낮은 배출가스 온도 조건에서도 구애 받지 않고 재생이 가능한 강제재생방식 또는 복합재생방식의 DPF 기술이 필요하다. <그림 7>은 일진전기에서 개발한 전기히터와 촉매를 함께 사용하는 대형차량용 복합재생방식 DPF이다.9) 투입되는 전기에너지의 밀도를 높이기 위해 9분할된 전기히터를 사용한다는 것이 특징이다. 이 외에도 촉매식 경유 버너를 이용하는 DPF <그림 8>와 플라즈마 착화식 경유 버너를 이용하는 DPF<그림 9> 및 마이크로웨이브를 사용하는 DPF
등 많은 기술들이 개발 중이다. <표 2>는 각 복합재생 방식별 장단점 및 기술보유회사를 나타낸다.

최근 이와 같은 운행차용 복합재생장치 기술들이 OEM에도 적용될 수 있을 것인가에 대해서도 검토되고 있다.

4. 우리나라 운행차용 DPF 기술의 현재 및 발전 방향
수도권지역에서 특정경유차에 보급되고 있는 매연여과장치(DPF)는 7만대를 넘어 서서 이제 본격적인 보급 단계로 접어 들고 있다. 56만대에 달하는 보급 목표를 달성하기 위해서 문제점을 개선하고 사후관리 시스템을 정비하는 등 환경부와 기업의 노력이 활발하다.

그러나 이와 같은 체제정비가 이루어지더라도 DPF Retrofit 사업의 성공을 위한 가장 중요한 사실은56만대에 적용할 수 있는 기술이 있는가 하는 것이다. 보급 대상으로 잡혀 있는 중형트럭과 RV 차량은 배출가스 온도가 낮기 때문에 자연재생방식 DPF 적
용은 불가능하여 새로운 기술의 개발이 필요하다. PM 저감율을 50% 이상 저감하는 2종 DPF(Partial DPF)에 대한 관심이 업계에서는 매우 높은 것으로 보인다. 재생이 약간 불안정하더라도 필터의 파손이 상대적으로 적기 때문에 하니컴타입 필터를 사용하는 1종 DPF(PM 70% 이상 저감)를 적용하기 어려운 차량에 적용 할 수 있을 것이라는 기대이다.

그러나 현재의 촉매방식과 동일한 방식에서 필터만 바꾸어 배출가스 온도가 낮은 차량에 장착하면 필터는 파손되지 않더라도 PM은 재생되지 않고 필터 내부에 쌓였다가 한꺼번에 배출되는 현상이 나타나기 때문에 보급의 효과를 기대하기가 어려운 실정이다. 물론 인증 조건과 동일하거나 그 이상의 운전 조건 차량에 부착하면 PM 50% 저감효과가 있겠지만 동일한 운전조건의 차량을 찾는 것도 쉬운 작업이 아니다.

따라서 Partial DPF는 주행속도가 높으면서 매연이 다량 배출되는 노후된 차량에 적용하는 것이 적절하며 배출가스 온도가 낮은 차량에 적용하는 것은 올바른 방향이 아니다. 특히 Partial DPF는 부착하고 나면 정상적인 작동 여부를 확인하고 평가하는 것이 매우 어렵기 때문에 적용방안을 신중하게 결정하여야 한다.

배출가스 온도가 낮은 대형과 중소형차량을 위한 DPF 기술개발은 촉매와 보조열원의 공급이 조합된복합재생방식이 가장 적합할 것으로 평가된다. 물론 저렴하고 성능이 좋은 강제재생방식도 가능하리라기대한다. 우리나라의 DPF Retrofit 프로그램처럼 대규모의 프로그램을 추진하는 나라가 없으며 따라서 이 기술은 우리나라가 가장 절실하게 필요로 하고 있다. 다양한 종류의 보조열원, 예를 들면 전기히터, 버너, 플라즈마, 배기관 연료공급, 촉매개질기 등의 기술을 적용하고, 다양한 종류의 필터, 예를 들면 세라믹과 SiC 필터뿐만 아니라 Partial DPF용 필터의 조합, 촉매뿐만 아니라 첨가제 적용까지를 고려하는 가장 효율적인 시스템에 대한 적극적인 연구개발이 필요하다.

5. 결론
본 고에서는 DPF의 요소기술인 필터기술과 재생기술에 대한 국내∙외 기술개발 현황을 소개하고, 운행차용 DPF 기술을 소개하였다. 경유 자동차는 열효율이 높아 CO2 저감 면에 유리하기 때문에 시장의 확대가 급속할 것으로 예상된다. DPF는 현재 이미 우리나라는 물론 세계 여러 나라에서 강화되는 배출가스 규제에 따라 경유자동차에 장착되어 출시되고 있으며, 가까운 미래에 모든 경유자동차에 적용될 것으로 예상된다.

DPF 기술은 개념 정립단계, 실증화 단계 및 기업화 단계를 넘어 현재 최적화 및 Cost 저감단계까지 발전되어 있다. 필터는 현재 SiC나 코디어라이트를 주로 사용하고 있으나 향후 성능 및 가격적인 측면에서 장점이 있는 필터가 개발되어 경쟁할 것으로 보이며, 재생기술은 현재 연료 후분사방식에 추가하여 보조열원을 이용한 강제재생방식의 기술이 가미될 수 있을 것인지 주목된다.

운행차용 DPF 기술은 현재까지 주로 자연재생방식이 주였으나 전기히터 및 버너 등 강제재생방식의 DPF가 개발되어 배출가스온도가 낮은 차량을 중심으로 적용될 것으로 보인다.