가솔린차량 대비 디젤차량의 경우 입자상물질(PM: Particulate Matter)의 많은 배출로 인한 대기 오염이 큰 문제로 대두되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전 세계적으로 PM 규제를 강화하고 있으며 다양한 방법을 통한 입자상물질의 저감 기술 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 디젤 매연저감장치(DPF: Diesel Particulate Filter) 기술은 입자상물질 저감에 큰 효과가 있는 것으로 보고되고 있으며 배출 허용기준을 맞추기 위하여 디젤차량에 적용되고 있다. DPF는 배출가스가 담체을 통과할 때 PM을 포집한 후, DPF 전·후단 차압이 설정한도에 도달하면 PM이 연소되어 산화될 수 있도록 연료의 후분사를 통하여 PM을 산화(연소)시키는 재생(Regeneration)을 한다. 재생을 통해 PM은 제거 할 수 있으나 Ash(연료 및 윤활유에 기인한 황, 칼슘, 아연, 인 등의 성분에 기인한 화합물)는 재생과정으로도 제거 할 수 없다. 즉, 재생회수가 증가 할수록 Ash는 DPF 내부에 축적되는 문제점이 있다.
본 연구에서는 신품과 고품 DPF를 사용하여 연료 및 윤활유에 기인한 PM 및 Ash의 축적특성을 조사하고, 그중에서 윤활유가 미치는 영향을 조사하였으며, DPF의 재생과정에서 생성되는 PM 등의 배출가스 특성을 조사하였다. 시험차량은 Euro 5 규제를 만족하는 1.6 L급 DPF 장착 승용 디젤차량을 이용하였으며, 약 170,000 km와 1,500 km 주행한 DPF를 사용하였다. 시험방법으로는 FTP-75 mode와 90 km/h 정속 주행 조건에서 시험을 수행하였다. 규제 물질 및 연비 측정은 AMA i60 (AVL) 장비 사용하였고, 미규제물질은 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, AVL) SESAM 2030 (AVL)을 사용하였다. 입자상물질개수(PN, Particle Number)는 PPS-m (Pegasor Particle Sensor)를 통해 측정하였다. 고품 DPF 실험 후 신품 DPF로 교체하여 시험하였으며 이때에 DPF와 관련된 ECU (Electronic Control Unit) 학습을 초기화하고 약 1,500 km를 주행한 후 동일한 시험을 진행하였다.
고품 DPF의 Ash 성분을 조사하기 위하여 약 170,000 km 주행한 차량에 장착되었던 DPF의 분석을 진행하였다. 먼저 DPF 본체 내에 축적된 Ash층의 깊이를 분석하기 위해 CT (Computerized Tomography)를 촬영하였다. 두 번째로 DPF 본체 내의 DPF 담체를 꺼내기 위해 Decanning 작업을 수행하고, 본체에서 꺼낸 DPF 담체를 디지털 현미경으로 관찰하였다. 다음으로는 관찰한 담체를 잘라내어 시편을 제작하여 환경주사현미경(SEM-EDS: Scanning Electron Microscope-Energy-dispersive Spectroscopy) 분석을 진행하였다. 마지막으로 DPF 담체 내에 축적되어 있는 Ash를 채취하여 X선 형광 분석법(XPF: X-ray fluorescence spectrometry)으로 분석을 수행하였다.
FTP-75 mode의 시험 결과, 신품 DPF보다 고품 DPF에서 규제물질인 HC, CO, NOX와 미규제물질인 CH4, SO2가 높게 측정 되었다. 신품 DPF에서는 PN 배출량이 감소하였고, 연비는 신품 DPF의 경우가 약 5% 높게 측정되었다. 이는 신품 DPF의 사용에 따른 배압 감소에 기인한 것으로 생각된다. HC, CO, NOX 등의 배출량은 신품과 고품 모두 배출허용기준 이내로 배출되었으나, 신품의 경우가 각각 66%, 82%, 20% 적게 배출되었고, 90 km/h 정속 주행시험의 DPF 재생의 경우에 CO와 NOX는 유사한 수준으로 배출되었으나, THC는 낮게 측정되었다. 이는 DPF 교체 시에 DOC (Diesel Oxidation Catalyst)를 함께 교체하여 촉매의 정화성능이 향상된 것에 기인하는 것으로 생각된다.
SEM-EDS와 XPF를 이용하여 Ash 내의 금속성분을 분석한 결과, 윤활유에 기인하는 칼슘(Calcium), 인(Phosphorous), 아연(Zinc) 등 성분이 약 66% 검출되었다. Ash의 축적량은 DPF의 재생 횟수가 증가할수록 증가하여 DPF의 배압 증가 등 엔진 성능 및 후처리장치의 성능에 악영향을 미칠 것으로 판단된다.