디젤 기관은 가솔린 기관 대비하여 높은 압축비와 희박 공연비 조건에서 작동이 가능하고 출력 제어를 위한 쓰로틀 밸브가 필요 없으며 노킹으로 인한 연소 제어의 제한이 비교적 적기 때문에 열효율 측면에서 상대적으로 유리하다. 이러한 장점으로 인하여 이산화탄소(CO2) 배출량 규제에 대응할 유력한 대안으로 인식되고 있으며 디젤 차량의 보급 또한 급격히 증가하는 추세에 있다. 그러나 디젤 기관은 가솔린 기관에 비하여 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)의 발생량이 현저히 높다는 단점이 있다. 이중 PM은 성분중의 용해성 유기 화합물(SOF)의 일부분만을 산화 촉매를 이용하여 저감이 가능하기 때문에 PM의 효과적인 저감을 위하여 물리적으로 포집하였다가 주기적으로 재생(regeneration)시키는 매연 포집 필터(DPF, diesel particulate filter)가 적용되고 있다. DPF에 포집되는 PM은 연료의 연소에 의하여 발생되는 탄소 계열의 입자상 물질인 soot외에 기관을 구성하는 금속 성분이 엔진 마모에 의해 발생되어 윤활유에 섞여 연소실로 유입되었다가 배기관으로 배출되는 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 알루미늄(Al)등의 산화물과 윤활유에 첨가되는 중화제, 산화방지제, 내마모제 등의 첨가물질에 의하여 칼슘(Ca), 아연(Zn), 망간(Mg) 산화물 그리고 연료 내의 황(S)이 산화되어 발생하는 황산화물(Sulfate)과 같은 비탄소 계열의 입자상 물질로 구성된다. 포집되는 PM중에 탄소 계열의 입자상 물질만 재생 과정을 통하여 제거가 가능하기 때문에 비탄소 계열의 입자상 물질은 계속 퇴적되어 필터 전후단의 차압 증대 요인으로 작용하게 된다. 재생 과정 중에 soot의 산화율은 필터 전후단의 차압을 이용하여 산출되기 때문에 상기의 비탄소 계열에 의한 차압 증가분이 정확히 인식되지 않으면 재생 중 soot의 산화율 산출에도 많은 영향을 미치게 된다.
또한 DPF의 형상이나 장착 위치 그리고 배기가스의 유동 특성에 의해서 soot의 포집 상태가 균일하지 않으면 필터 전후단의 압력 강하 특성 변화와 국부적으로 상이한 soot의 산화 반응을 유발하게 되어 필터 전후단의 차압을 이용하여 soot의 산화율을 산출하는데 오차 요인으로 작용한다.
본 연구에서는 soot과 비탄소 계열 입자상 물질이 혼합 퇴적된 DPF에서 재생 중 soot의 산화율을 종래의 방식인 DPF 전후단의 차압을 이용하는 방식과는 달리 필터 전후단에서 soot의 연소 생성물인 배기가스의 성상을 이용함으로써 재생중의 soot 산화율을 실시간으로 산출하기 위한 연구를 시도하였다.
우선 soot과 비탄소 계열 입자상 물질과의 혼합 퇴적 조건을 모사하기 위하여 고온 조건에서도 열화학적 물성 변화가 없는 코디어라이트(cordierite) 분말을 DPF에 도포하고 실 엔진을 이용하여 soot을 퇴적 시켰다. 입자상 물질이 퇴적 되지 않은 크린(clean) 상태, soot 25g 퇴적 상태 그리고 혼합 퇴적 상태에서 실 엔진의 배기가스 유동 조건하에서 퇴적된 PM의 질량에 따른 압력 강하 특성을 관찰하였으며 재생 중 DOC와 DPF의 전후단에서 배기가스 성분의 특성을 관찰하였다. 재생중에 일산화탄소(CO)의 생성을 억제하여 CO2에 의한 soot의 산화 검출도를 높일 목적으로 공기과잉율(λ)은 2[-] 수준으로 설정하여 CO의 농도를 0.1% 이하 수준으로 유지하였으며 이로 인한 soot의 비제어 급속 연소를 방지하기 위하여 DPF 전단의 배기가스 온도는 500℃로 설정하였다.
DPF 내에 입자상 물질이 퇴적되지 않은 조건, soot이 퇴적된 조건 그리고 비탄소 계열의 PM과 soot이 혼합 퇴적된 조건에서 재생중 DPF 후단에서의 CO2의 질량 유량과 분사된 연료의 질량비를 비교한 결과 CO2/Fuel mass ratio는 포집된 soot의 산화에 매우 뚜렷한 검출도가 있음이 확인되었으며 이를 이용하여 재생중 soot의 산화 착수 및 종료 시점과 실시간 산화율 산출의 가능성을 확인하였다.
입자상 물질이 퇴적되지 않은 조건에서의 재생 중 CO2/Fuel mass ratio를 기저 수준으로 설정하여 soot퇴적 조건과 혼합 퇴적 조건에서의 실시간 soot의 산화율을 산출한 결과, 두 조건에서 재생 초기에 최대 0.23g/s 수준의 산화율을 보이는 것으로 확인되었으며, 혼합 퇴적 조건에서 산화된 soot의 질량을 산출한 결과는 실측값 대비 96.6% 수준의 정확도를 보이는 것으로 확인되었다. 따라서 CO2/Fuel mass ratio를 분석하여 DPF내에 퇴적된 비탄소 계열 입자상 물질의 영향 없이 soot의 산화 착수 및 종료 시점 그리고 실시간 soot의 산화율 산출이 가능할 것으로 판단된다.
O2/Fuel mass ratio는 DPF에 포집된 soot의 산화율과 직접적인 상관 관계가 없는 것으로 확인되었다. 입자상 물질이 퇴적되지 않은 조건에서의 O2 배출량을 기저 수준으로 설정하여 soot 퇴적 조건과 혼합 퇴적 조건에서 산화된 soot의 질량을 산출한 결과는 실측값 대비 81.9% 수준의 다소 낮은 정확도를 보였으며, soot의 산화 착수 및 종료 시점은 CO2/Fuel mass ratio를 이용한 경우와 유사하였다. 다소 낮은 산화율 산출 정확도의 원인은 포집된 soot이 산화되는 과정에서 이산화질소(NO2)와 탄소(C)의 산화 반응에 의한 영향으로 판단된다.
재생중 DPF 전후단의 배기가스 온도 차이의 특성은 퇴적 조건과 비퇴적 조건에서 최대 95℃에 달하는 온도 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 그러나 soot퇴적 조건과 혼합 퇴적 조건의 차이는 20℃ 수준으로 다소 낮은 것으로 확인되었다. 따라서 DPF 전후단의 가스 온도와 온도 차이를 이용하여 포집된 soot의 산화 여부 검출은 가능하나 soot의 산화율 산출시에는 검출도가 매우 낮은 것으로 판단된다. 이는 DPF 담체의 열용량 및 케이스에서의 방열에 의하여 포집된 soot의 산화열로 인한 온도 차이를 정확히 분별할 수 없고, soot이 균일하게 포집 되지 않은 경우에는 국부적으로 상이한 soot의 산화열을 배기가스 온도를 통하여 검출 할 수 없기 때문인 것으로 판단된다.

By high performance of particulate matter(PM) reduction, diesel particulate filter(DPF) is applied to almost all of modern HSDI diesel engine. PM emitted from diesel engine is consist of carbon based and non-carbon based material. Representative carbon based PM is soot. Non-carbon based PM is produced by wear of engine and exhaust component, combustion of lubrication oil and sulphur in fuel. Accumulation of non-carbon based PM affects pressure difference of DPF and thus accuracy of soot mass estimation in DPF can be lowered during normal and regeneration condition when the pressure difference caused by non-carbon based PM is not recognized correctly. Also unevenly accumulated PM inside of DPF can produce locally different exhaust gas temperature and thus it can lower the accuracy of soot mass estimation during regeneration.
This study focuses on estimation of soot oxidation rate not by conventional pressure difference of filter but by exhaust gas analysis up and downstream of DPF. By comparing O2 and CO2 concentration in exhaust gas during DPF regeneration of clean and PM loaded condition, soot oxidation can be detected but exact soot oxidation rate can not be drawn because of variation of gas concentration caused by different injected fuel quantity according to different engine operation condition.
In order to estimate real time soot oxidation rate through exhaust gas analysis, this study used mass ratio of exhaust gas and injected fuel. Results, strong correlations between CO2-fuel mass ratio and soot oxidation was observed. To extract soot oxidation rate from CO2-fuel mass ratio, CO formation should be limited. For this, high air excess ratio(λ) was applied and to prevent uncontrollable fast combustion of soot caused by high λ, lower gas temperature was applied for this study.
Real time soot oxidation elicited from CO2-fuel mass ratio showed 96.6% of accuracy of soot oxidation rate under soot and mixed PM loaded condition. By this method, exact soot oxidation rate can be estimated with high accuracy even under error inducing condition such as mixed accumulation with non-carbon based PM and locally uneven accumulation. O2-fuel mass ratio showed low accuracy of soot oxidation. This reason is considered that NO2 participated in oxidation of soot resulting in inaccurate estimation of soot oxidation.