디젤엔진의 DPF(Diesel Particulate Filter)와 LNT(Lean NOx Trap)

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DPF는 디젤 차량의 배기가스 중 미세 매연 입자인 PM(Particulate Matter)을 포집하고, 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리 장치이다. 디젤 차량이 내뿜는 PM은 DPF를 통해서 50~80%까지 줄일 수 있다고 한다.

DPF는 운행 중에 배기가스에 섞여있는 PM을 포집하고 있다가 필터에 먼지가 어느정도 차게 되면 먼지를 태우는 연소 작업을 시행한다. 이것을 재생(Regeneration)이라고 한다.

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  재생이 이뤄지기 위해서 가장 중요한 조건은 온도를 600℃ 이상으로 10분 이상 유지시켜야한다는 것이다. 이를 위해서 재생 방법은 아래와 같다.

1) 배기가스에 의한 재생방식: 필터에 포집된 PM의 양이 어느정도 찼다고 감지될 때 ECU에서 엔진의 정밀 제어를 통해서 배기가스 온도를 상승시켜 필터에 포집된 PM을 강제로 연소시킨다. 재생 중 DPF 램프가 켜지는 차들이 있는데 이것이 켜져있을 때 엔진 시동을 꺼서는 안된다. 재생 후 DPF의 냉각이 이뤄지지 않아 장치 손상이 발생하기 때문이다. 디젤차량의 경우 대부분의 주행상황에서 배기온은 높은 열효율로 인해 150℃~200℃ 정도로 낮은 편이며, 이러한 재생 조건을 충족시키기 위해서 배기온도를 높여줄 때 디젤 엔진 본연의 열효율은 만족시키기 어렵게 된다는 단점이 있다.

연료에 세륨 또는 금속화합물의 첨가제를 혼합하면 연소온도를 약 450~500℃로 낮출 수 있다. 또다른 방식으로는 필터에 귀금속(백금)을 코팅해 귀금속 촉매반응을 이용하는 방법이 있다.

2) 강제 재생을 위한 장치 이용: DPF의 필터에 포집된 PM을 전기히터나 버너를 이용해 연소시켜주는 방식이 있다. 중대형 차량의 재생 방식으로 개발되고 있다.

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  흡장 촉매 LNT(Lean NOx Trap)는 희박공연비 조건에서 NOx를 촉매 중의 흡장 물질에 흡장하고, 일정량 이상 NOx가 흡장되면, 엔진을 농후한 공연비 운전으로 전환하여 흡장된 NOx를 배기가스 중의 환원제(CO, HC, H₂)와 반응시켜 질소(N₂)로 환원시켜 공기 중으로 내보낸다. 바륨(Ba)을 흡장 물질로 사용하는 추세이다.

1) 흡장: 희박공연비 조건에서 배출된 산소 O₂ NOx가 반응하여 NO₂가 되고 흡장물질(Ba)에 흡장된다.

2) 재생: NO₂양이 어느정도 다다르면 농후한 공연비로 전환되면서 희박공연비에서 배출된 산소는 HC, CO, H₂로 대체되고, 이것이 흡장되어있던 NO₂와 반응하여 산화 환원 반응이 일어나게 된다. 질소산화물은 질소로 환원되어 배출된다.

 

출처:

https://catalysts.basf.com/files/literature-library/BF-9454_US_LNT_Datasheet-072610_2019.pdf

 

관련문항:(차량기술사 2021년 125회차 2교시 4번 문제)

친환경 디젤엔진에 적용되는 DPF의 개요와 재생방법에 대하여 설명하고, 흡장 촉매 LNT(Lean NOx Trap)에 대하여 개요를 설명하고, 작동모드 2가지를 설명하시오.