디젤매연여과장치

왜 배우는가: 디젤 차량의 미세먼지 배출은 규제 대상이며, 매연을 물리적으로 포집하는 DPF는 가장 효과적인 후처리 장치로 자리 잡았다. 실무에서는 DPF의 막힘과 재생이 정비와 연비에 직접 영향을 주므로 원리와 종류를 함께 알아야 한다. 시험에서는 필터 종류별 특징과 변형 장치를 설명하도록 묻는 경우가 많으므로 비교 기준을 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제111회 2교시 2번, 제110회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

디젤매연여과장치(DPF)는 디젤 엔진 배기가스 속 매연을 필터에 포집하고 주기적으로 태워 제거하는 장치이다.

DPF는 엔진 배기관 후단에 설치되는 배출가스 후처리 장치이다. 연소 조건을 바꾸어 매연 생성을 줄이는 기술과 달리, 이미 생성된 입자를 배기 흐름에서 제거하는 장치이므로 두 기술을 구분해야 한다. 답안에서는 매연과 입자상물질을 구분해 쓰는 것이 기본이다.

핵심 키워드는 다음과 같다. 디젤 입자상물질(PM), 매연, 벽류형 필터, 재생, 배압, 촉매 코팅 DPF

키워드는 답안의 정의, 구조, 재생 설명을 채우는 데 쓰인다. 매연은 탄소가 주성분인 고체 입자이고, 입자상물질은 매연과 함께 유기화합물, 황산염, 질산염, 금속 같은 미량 성분을 포함하는 상위 개념이다. 따라서 매연 여과는 입자상물질 저감의 한 방법으로 설명해야 정확하다.

2. 개념 풀이

디젤매연여과장치는 디젤 엔진의 배기관에 설치되어 배기가스 속 입자상물질을 필터로 걸러내는 장치이다. 여기서 입자상물질은 탄소를 주성분으로 하는 매연과 미량 성분이 붙은 미세 입자를 함께 가리킨다. DPF의 목표는 입자의 질량뿐 아니라 개수까지 낮추는 것이므로, 입경이 매우 작은 미세 입자를 포집하는 능력이 성능의 핵심이다.

원리는 벽류형 구조(wall-flow)에 있다. 벌집 모양 채널의 입구와 출구를 번갈아 막아 배기가스가 다공성 벽을 통과하도록 하면, 매연은 벽의 입구 면과 기공 내부에 쌓여 포집된다. 기공 구조를 조절하면 유량과 효율 사이에서 설계 목표에 맞는 균형을 얻을 수 있다.

DPF의 핵심은 배기가스가 필터 벽을 통과하며 매연을 포집하고, 쌓인 매연을 재생으로 제거하는 데 있다.

포집이 진행되어 매연이 쌓이면 배기 흐름의 저항, 즉 배압이 올라가 엔진 출력과 연비에 영향을 준다. 이 때문에 일정량 쌓인 매연을 태워 필터의 여과 능력을 되살리는 재생이 필수 기능이다. 재생이 없으면 필터는 막힌 뒤 기능을 잃으므로, 재생 방식과 조건이 DPF 설계의 중심이 된다.

재생은 배기가스 온도만으로 산화가 자연스럽게 일어나는 수동 재생과, 연료를 추가로 분사해 배기 온도를 높이는 능동 재생으로 나뉜다. 수동 재생은 주행 중 배기 온도가 충분할 때 일어나고, 능동 재생은 저속이나 단거리 주행처럼 배기 온도가 낮은 조건에서 필요하다. 능동 재생은 추가 연료 소비를 수반하므로 연비에 영향을 줄 수 있다.

재생 과정에서 매연은 산화되어 물과 이산화탄소가 된다. 이때 발생하는 이산화탄소는 엔진이 배출하는 양에 비해 매우 적은 수준이라고 알려져 있다. 재생으로 태워지지 않는 회분(ash)은 필터에 남아 누적되므로 주기적인 정비나 교체가 필요하다.

필터 재료는 세라믹 섬유, 탄화규소, 코디에라이트 등으로 나뉜다. 세라믹 섬유 필터는 여러 종류의 세라믹 섬유를 섞어 다공성 매체를 만든 것으로, 벽류형 구조보다 배압이 낮다는 장점이 있다. 이 형식은 질량 기준 95% 이상, 개수 기준 99% 이상의 포집 효율을 보이며, 100nm 미만의 미세 입자도 거의 완전히 제거한다고 알려져 있다.

탄화규소 필터는 융점이 2,700℃로 코디에라이트보다 높으나 열적 안정성이 낮아 패키징이 문제가 된다. 큰 코어는 여러 세그먼트로 만들고 시멘트로 이어 열팽창을 흡수한다. 촉매 코팅 DPF는 필터 표면에 촉매를 입혀 매연 산화를 낮은 온도에서도 촉진하므로, 재생에 필요한 배기 온도를 낮추는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

디젤 엔진은 연소 특성상 가솔린 엔진보다 입자상물질 배출이 많아, 배출 규제가 강화될수록 별도의 포집 장치가 필요해졌다. 촉매 장치는 디젤 배기의 입자상물질을 20~40% 정도만 제거하므로...

4. 구성요소·원리·절차

DPF는 배기가스 속 매연을 필터 벽에 가두어 제거하는 장치이다. DPF는 엔진 배기관 중간에 설치되어 배기가스 속 매연(soot)을 물리적으로 포집한다. 포집은 다공질 필터 벽을 배기가스가 통과하면서 입자가 벽 표면에 걸러지는 방식으로 이루어진다. 미세입자는 확산에 의해, 큰 입자는 관성 충돌과 차단에 의해 필터 벽에 포집된다. 주요 구성요소는 다음 표와 같다.