[논문]스크린 필터 구조 Partial Metal DPF의 PM 저감 특성

김충희; 김현철; 이기수; 최정황; 전문수; 신석신; 서현규

doi:10.7467/ksae.2013.21.3.082

스크린 필터 구조 Partial Metal DPF의 PM 저감 특성
PM Reduction Characteristics of Partial Metal DPF with Screen Mesh Filter Structure 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.3, 2013년, pp.82 - 87

김충희 (자동차부품연구원 동력시스템연구센터) , 김현철 (자동차부품연구원 동력시스템연구센터) , 이기수 (자동차부품연구원 동력시스템연구센터) , 최정황 (씨엠씨(주) 연구소) , 전문수 (한국교통대학교 에너지시스템공학과) , 신석신 (충남대학교 기계공학과) , 서현규 (공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the 1L grade integrated metal DOC/DPF filter that can install in engine manifold position was developed to investigate the effect of platinum-coating amount of filter on the improvement of filter activation temperature and reduction of particulate matter (PM). This filter was installed in 2.9L CI engine which meets the EURO-4 emission regulation. Tests for PM reduction efficiency of filter were conducted under ND-13 mode with full-load test condition. It was revealed that the time to reach the activation temperature of metal filter ($280^{\circ}C$) was shorter as the amount of platinum-coating increased. This short activation time can be helpful for the reduction of CO and HC emissions during cold start condition. At the same time, PM reduced as the coating amount increased. The reduction percentage of $DOC_{40}$, $DOC_{20}$, and $DOC_0$ were 96.7% (2.34 mg/kW'h), 95.1% (3.47 mg/kW'h), and 94.5% (3.69 mg/kW'h) compared to previous result (71.4 mg/kW'h), respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 엔진 장착이 가능한 1L급 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터를 제작하여 다양한 엔진 운전 조건에서 백금 코팅량에 따른 온도 분포 및 입자상 물질(PM) 저감 효율을 분석 검토하였다. 또한, 연구 결과를 비교 분석하여 개발된 필터의 중소형 디젤자동차 적용 가능성을 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 엔진 장착이 가능한 1L급 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터를 제작하여 다양한 엔진 운전 조건에서 백금 코팅량에 따른 온도 분포 및 입자상 물질(PM) 저감 효율을 분석 검토하였다. 또한, 연구 결과를 비교 분석하여 개발된 필터의 중소형 디젤자동차 적용 가능성을 검토하였다.
본 연구는 지식경제부가 지원하는 부품소재기술 개발사업의 일환으로 수행되었으며 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구에서는 엔진 근접 장착이 가능한 1L 급 금속 소재 DOC/DPF 일체형 구조 필터를 제작하고, 실험용 엔진에 장착하여 백금 코팅량에 따른 활성화 온도 및 PM 저감 효율 평가를 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

Metal DPF는 복잡한 유로의 기공을 배기가스가 통과하게 되고, 이때 입자상 물질은 스크린 구조의 Wire에 충돌, 확산 및 간섭의 효과로 포집되는 구조를 가지며, SiC필터와 연계형 구조로 제작하여 포집 효율을 향상시키고자 하였다. 촉매 코팅량의 증가는 필터내의 온도를 빠른 속도로 상승시키고, 온도 분포를 균일하게 하여, 재생시 필터의 Thermal Crack의 발생을 억제하는 효과가 있다.
금속 소재 일체형 필터의 평가를 위한 장치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스 온도 및 배압 특성을 분석하기 위해 배기 매니폴드 후단에서 필터 후단까지 총 4개의 K-type 열전대를 설치하였으며, 필터 전·후단에 압력센서를 설치하여 배압 및 차압 특성을 분석하도록 하였다.
금속 필터의 PM 저감 평가는 ND-13 모드⁹⁾로 평가하였으며, 평가 전에 약 400℃ 이상의 온도에서 20여 분간 필터를 재생하여 필터 내부에 기포집된 입자상 물질(PM)을 완전히 제거하고, 필터의 초기 무게를 확인한 후에 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 개발된 금속 필터를 기존 세라믹 필터의 장착 위치(Conventional Filter Position, CFP)와 엔진 근접 위치(Manifold Filter Position, MFP)에 각각 설치하여 각 경우에 따른 온도 활성화 시점 및 특성을 각각 비교하여 연구 평가 하였다. 평가 조건은 1,900rpm의 동일 엔진 회전수 조건에서, 엔진 부하율 8%에서 23%로 변경시 변화되는 온도 특성 및 필터 활성화 시간에 대하여 검토하였다.
시험 조건에 따른 엔진 특성을 분석하기 위해 다양한 실험 조건에서의 엔진 회전수, 냉각수 온도, 오일온도, 흡입 공기량, 엔진 부하량 및 동력성능을 측정하였으며, 측정된 데이터는 데이터 수집 장치를 통해 실시간으로 모니터링 및 저장되도록 하였다.
입자상 물질(PM)의 측정은 항온 항습기에서 최초 온도 22±3℃ 범위에서, 상대습도 48±8% 범위에서 24시간동안 항온, 항습 시킨 여과지를 ND-13 모드9) 조건 하에서 실험 전·후 무게를 측정하여 산출 하도록 하였다.
본 연구에서는 개발된 금속 필터를 기존 세라믹 필터의 장착 위치(Conventional Filter Position, CFP)와 엔진 근접 위치(Manifold Filter Position, MFP)에 각각 설치하여 각 경우에 따른 온도 활성화 시점 및 특성을 각각 비교하여 연구 평가 하였다. 평가 조건은 1,900rpm의 동일 엔진 회전수 조건에서, 엔진 부하율 8%에서 23%로 변경시 변화되는 온도 특성 및 필터 활성화 시간에 대하여 검토하였다.

대상 데이터

촉매 코팅량의 증가는 필터내의 온도를 빠른 속도로 상승시키고, 온도 분포를 균일하게 하여, 재생시 필터의 Thermal Crack의 발생을 억제하는 효과가 있다.⁸⁾ 따라서, 백금 코팅량에 따른 필터의 성능 비교 연구를 위해 본 연구에 사용된 필터의 백금 코팅량은 Table 3에 나타낸 바와 같이 DPF는 15g/ft³이고, DOC는 각각 40g/ft³, 20g/ft³, 0g/ft³으로 제작하였다. 또한, DOC 코팅량의 원활한 구분을 위하여 샘플 표기는 DOC40 (40g/ft³), DOC20 (20g/ft³), DOC0 (0g/ft³)으로 표기하 였다.
Fig. 2는 본 연구에서 개발한 일체형 DOC/DPF를 나타낸 것으로, 선행 연구^7,8)에서 우수한 재생 평형 온도(Balance Point Temperature, BPT) 및 차압 성능을 보이는 것으로 확인된 S-Type 필터 구조의 DOC 와 K-Type 필터 구조의 DPF로 제작하였다.
본 연구에서는 주로 장시간 내구성 평가 실험에 사용되는 Water Brake Type 동력계 시스템에 인터 쿨러와 터보 차져가 장착되어 있고, EURO-4 배출가스 규제를 만족하는 2.9L급 4기통 고압 직분사식 디젤 엔진을 적용하여 실험을 수행하였다. 자세한 동력계 및 엔진의 주요 제원은 Table 1과 2에 나타내었다.

성능/효과

1) 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터의 백금 코팅량에 따른 필터의 활성화 온도(280℃ 이상) 도달시간은 DOC40 (40g/ft3) 필터가 DOC0 (0g/ft3) 필터에 비하여 14초 정도 빨리 도달하는 것으로 나타났다.
2) 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터의 장착 위치에 따른 활성화 온도의 변화를 연구한 결과, 엔진 근접 장착 경우(Manifold Filter Position, MFP)가 동일 시간에서 기존 세라믹 필터 장착 경우(Conventional Filter Position, CFP)보다 활성화 온도가 30℃ 가량 높게 나타났으며, 활성화 온도까지 도달 하는 시간도 40초 정도 빨라지는 결과를 보였다.
3) 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터의 백금 코팅량이 증가하고, 엔진에 근접(MFP)하여 장착을 할 경우, 필터의 활성화 온도까지의 도달 시간이 단축되고, 높은 PM 저감특성을 보였다. 이러한 특성 활성화 시간의 단축은, 냉간시동시CO 및 HC가 약 90% 이상 배출되는 점을 고려할 때 높은 배출가스 저감 결과를 나타낼 것으로 판단된다.
4) 본 연구에서 개발한 금속 소재 DOC/DPF 일체형 구조필터의 PM 저감효율은금속필터와 SiC 연계형 구조로 되어 있다. 따라서, PM 저감 효율은 금속 필터에 의한 저감 효율과 SiC에 의한 저감 효율에 대한 추가적인 연구를 통하여, 각각의 저감효율 특성을 명확히 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
PM 배출량은 3.47mg/kW'h로 DOC40 샘플에 비해 코팅량 감소로 약 48% 증가했으나 EURO-6 배출가스 규제(5mg/km이하)는만족하는 결과를 나타내었다.
PM 배출량은 3.96mg/kW'h의 결과로 DOC40에 비해 69% 증가한 결과를 나타내었고, EURO-6 배출가스 규제 (5mg/km이하)를 역시 만족하였다.
본 실험의 선행 연구 결과, 엔진 입자상 물질(PM)의 총 배출량이 5mg/kW'h 이하인 경우에는 실제 차량의 배출가스 측정 모드인 NEDC(New European Driving Cycle) 평가시의 PM 배출량은 3mg/km 이하로 나타났다. 결과적으로 DOC₄₀ 필터는 EURO-6 배출가스 규제인 입자상 물질(PM) 배출 5mg/km 이하를 만족하는 결과를 나타내었다.
연구결과, 동일 측정 시간에서 기존의 세라믹 필터 위치(CFP)에 장착한 경우보다, 엔진 근접 위치(MFP)에 장착한 경우의 필터 온도가 약 30℃ 높게 나타났으며, 필터 활성화 온도까지 도달하는 시간은 약 40초정도 빨라지는 결과를 나타내었다. 기존 세라믹 필터의 경우에는 낮은 열전도율 및 내구성과 같은 단점으로 엔진 근접 장착에 어려움이 있었으나, 본 연구에서 개발한 금속 필터의 경우 엔진 근접 장착이 가능하여 전술한 바와 같이 필터의 활성화 시간 단축을 통한 초기 배출가스 저감 효과가 있을 것으로 판단된다.
또한, PM 저감 특성은 기초 결과(71.4 mg/ kW'h)에 대비하여, DOC40 은96.7% (2.34 mg/kW'h), DOC20은 95.1% (3.47 mg/kW'h), DOC0은 94.5% (3.69 mg/kW'h)의저감 효율을 보여, 코팅량이 증가할수록 저감효율이 증가하는 결과를 보였다.
분석 결과, 본 연구에서 개발한 일체형 금속 필터의 원활한 재생 과정에 따른 배압 및 차압의 결과가 모두 유사한 것을 확인할 수 있었으며, 입자상 물질(PM)의 총 배출량은 2.34mg/kW'h이었다.
7은 DOC₀ 샘플에 대한 입자상 물질(PM)의 저감 평가 결과이다. 비교 결과, DOC₄₀과 DOC₂₀ 샘플에 비해 DPF 차압이 최대 50mbar 상승한 결과를 나타내었다. 이러한 이유는 백금 코팅시 PM 산화 온도는 약 280℃~320℃에서 산화가 시작하나, DOC₀ 샘플의 경우 백금 코팅이 되지 않아 일반적인 PM 산화온도인 550℃ 이상의조건을 만족하지 못하여, 배압 및 온도가 상승한 것으로 판단된다.
즉, 필터의 백금 코팅량이 증가할 수록 필터 활성화가 빨리 진행되는 것으로 판단된다. 실제 차량의 배출가스 및 연비 시험에서 CO와 HC 발생이 초기 냉간 시동시에 90% 이상 배출되는 점을 고려할 때, 이와같이 촉매 활성화 시점이 빠를수록 높은 배출가스 저감 효과를 보일 것으로 판단된다.
연구 결과, 필터 입구 온도는 코팅량과 상관없이 유사하게 나타났으나, 필터 후단 온도는 필터의 활성화 온도인 280℃까지 도달하는 시간이 DOC₀ (0g/ft³)에 비해 DOC₄₀ (40g/ft³)이 14초 줄어드는 결과를 나타내었다. 즉, 필터의 백금 코팅량이 증가할 수록 필터 활성화가 빨리 진행되는 것으로 판단된다.
4는 DOC₂₀ 필터를 엔진 근접 위치(MFP)와 기존 세라믹 필터 위치(CPF)에 각각 장착한 후, 동일한 실험 조건에서의 활성화 온도 시험 결과를 나타낸 내용이다. 연구결과, 동일 측정 시간에서 기존의 세라믹 필터 위치(CFP)에 장착한 경우보다, 엔진 근접 위치(MFP)에 장착한 경우의 필터 온도가 약 30℃ 높게 나타났으며, 필터 활성화 온도까지 도달하는 시간은 약 40초정도 빨라지는 결과를 나타내었다. 기존 세라믹 필터의 경우에는 낮은 열전도율 및 내구성과 같은 단점으로 엔진 근접 장착에 어려움이 있었으나, 본 연구에서 개발한 금속 필터의 경우 엔진 근접 장착이 가능하여 전술한 바와 같이 필터의 활성화 시간 단축을 통한 초기 배출가스 저감 효과가 있을 것으로 판단된다.
3) 금속 소재 DOC/DPF 일체형 필터의 백금 코팅량이 증가하고, 엔진에 근접(MFP)하여 장착을 할 경우, 필터의 활성화 온도까지의 도달 시간이 단축되고, 높은 PM 저감특성을 보였다. 이러한 특성 활성화 시간의 단축은, 냉간시동시CO 및 HC가 약 90% 이상 배출되는 점을 고려할 때 높은 배출가스 저감 결과를 나타낼 것으로 판단된다.

후속연구

4) 본 연구에서 개발한 금속 소재 DOC/DPF 일체형 구조필터의 PM 저감효율은금속필터와 SiC 연계형 구조로 되어 있다. 따라서, PM 저감 효율은 금속 필터에 의한 저감 효율과 SiC에 의한 저감 효율에 대한 추가적인 연구를 통하여, 각각의 저감효율 특성을 명확히 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 자동차의 장점은?	디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 열효율이 높아 연비가 우수하고, CO2의 배출량이 약 20% 이상 감소하는 장점이 있어, 국내외 시장에서 판매가 증가하는 추세이다. 그러나, 디젤 연료의 연소 특성상 배출되는 질소 산화물(NOX)과 입자상물질 (PM)은 인체의 폐나 호흡기에 흡수되는 경우에 폐암 및 각종 질환을 유발하는 등 치명적인 것으로 알려져 있다.
	디젤 자동차에 세라믹 필터 적용이 어려운 점을 극복하기 위해 개발 중인 것은?	3,4) 따라서, 배기가 스 온도 분포가 높은 대형 디젤 자동차에는 주로 세라믹 필터가 사용되나, 상대적으로 배기가스 온도 분포가 낮은 중소형 디젤 자동차는 세라믹 필터의 사용에 많은 제약이있다. 이와같은, 세라믹필터의 단점을 해결하고자 내열성, 내식성 및 강도가 우수한 금속 소재의 필터 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 측면에서, Partial DPF 구조의 금속 소재 필터는 배기가스의 일정 유량만을 포집하는 특성이 있어, 낮은 배압 특성과 높은 열전도성 및 내구성이 뛰어난 대체 필터로 주목받고 있다.5,6)
	디젤 연료의 배출물이 인체에 미치는 영향은?	디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 열효율이 높아 연비가 우수하고, CO2의 배출량이 약 20% 이상 감소하는 장점이 있어, 국내외 시장에서 판매가 증가하는 추세이다. 그러나, 디젤 연료의 연소 특성상 배출되는 질소 산화물(NOX)과 입자상물질 (PM)은 인체의 폐나 호흡기에 흡수되는 경우에 폐암 및 각종 질환을 유발하는 등 치명적인 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (9)

A. G. Konstandpoulos and M. Kostoglou, "Reciprocating Flow Regeneration of Soot Filter," Combustion and Flame, Vol.121, Issue 3, pp.488-500, 2000.

상세보기
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S. S. Lee, G. B. Cho, J. H. Kim, H. S. Kim, E. S. Lee, K. H. Oh, S. H. Han, K. J. Kim and Y. I. Jung, "A Study on the Performance of Radial Type Metal Foam DPF," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.414-419, 2006.
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C. H. Kim, H. C. Kim, G. S. Lee, J. H. Choi and M. S. Chon, "A Study on Balance Point Temperature Characteristics of Metal DPF for a Diesel Engine," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.928-933, 2010.
S. H. Yoo, Y. C. Noh, Y. J. Park, D. S. Kim and Y. S. Cho, "An Experimental Study on Pressure Drop by Soot Loading and Heat Transfer in Catalyzed Diesel Particulate Filter," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.317-376, 2006.
Regulation for Certification Way and Process of the Exhaust Emissions Reduction System/Low Emissions Engine in Diesel Vehicle, Ministry of Environment, 2005-16, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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