| 내연기관의 배기 후처리 | ||||
| EGR | DOC | DPF | SCR | LNT |
1. 개요
| 오펠/복스홀 디젤 차량에 장착되는 DPF의 구조 |
2. 상세
디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 연비는 뛰어나지만 환경적인 측면에서는 그렇지 못하다. 매연에 질소산화물(NOx)과 미세먼지(PM)가 많기 때문인데 그래서 디젤 엔진은 오래도록 친환경과 거리가 멀었다. 게다가 질소산화물을 줄이면 미세먼지는 증가하고 미세먼지를 줄이면 질소산화물이 늘어나는 트레이드 오프 관계가 있어 디젤 엔진은 환경오염의 주범으로 항상 지목되었다. 하지만 환경 규제의 강화와 더불어 자동차 제조사들의 연구와 노력으로 여러 오염물질 배출 저감 기술이 등장하면서 디젤 엔진도 환경과 거리가 멀다는 오명을 듣지 않아도 되었다. 대표적인 것이 유로3 규격의 핵심인 CRDi와 그리고 유로4 이후의 DPF+EGR.3. 작동 원리
DPF는 매연 가운데 미세먼지 배출을 감소시키는 장치이며 트럭들이 내뿜는 검푸른 연기를 밖으로 나오지 못하게 막아주는 것이다. 이 장치는 디젤 엔진에서 나오는 매연의 미세먼지를 포집하는 장치와 포집한 먼지를 태워 없애는 장치로 이뤄진다. 포집 장치는 일종의 필터와 같은 형태이기에 기술적으로 복잡하지는 않지만, 이 필터를 꺼내 청소하는 것은 무리인 만큼 주 성분이 탄소 입자인 이 먼지를 주기적으로 태워 없애는 형태로 처리한다. 먼지를 태워 없앨 연료는 DPF에 직접 분사하지 않고 배기 행정 시 실린더로 연료를 분사하여 자연적으로 연료가 DPF로 흘러가도록 한다. 이 연료와 배기 가스에 남은 산소가 미세먼지와 반응하여 활활 타게 되는 것이 DPF의 구조다. 기본적으로 연료를 더 뿜는 구조이기에 포집된 먼지를 태울 때 연비는 나빠지게 된다. 또한 DPF의 표면이 다른 물질로 덮여버리면 제 역할을 할 수 없기 때문에, 황산화물, 인, 황(SAPS)의 함량이 제한된 엔진 오일[2]을 사용해야만 하는데, SAPS는 엔진의 보호에 중요한 역할을 하는 첨가제들에 다량 포함되어 있으므로 DPF용 엔진오일은 엔진 보호능력이 상대적으로 떨어지고 수명이 짧거나, 그렇지 않으면 상대적으로 비싸다.DPF의 먼지를 태우는 작업은 자동차가 운행 중에 늘 돌아가는 것이 아니며 필터에 어느 정도 먼지가 찼을 때 작동한다. 이 기능이 작동할 때는 매우 고온이 발생하는 만큼 자동차 냉각팬이 최대한 돌게 되며 자동차에 따라서는 DPF 작동 램프가 켜지게 된다. 이렇게 먼지를 태우는 작업을 재생(Regeneration)이라고 하는데, 이때는 엔진을 끄면 안 된다. 엄청난 고열을 내는 DPF의 냉각이 되지 않아 장치 손상이 발생하기 때문이며 충분한 공랭 효과를 낼 수 있도록 정속 주행을 권장한다. DPF는 자동차의 부품 가운데서도 꽤 비싼 것인 만큼 목돈이 나가는 것을 피하고자 한다면 DPF의 올바른 사용법을 알아둬야 한다. 2014년에 문제가 된 쉐보레 말리부 디젤 모델의 시동 꺼짐 문제도 DPF의 냉각이 제대로 이뤄지지 않는 결함으로 일어난 것이다.
중요한 것은 이 먼지를 태우는 작업, 즉 재생에서 DPF는 막대한 단점이 몇 가지 있다.
첫째, DPF 재생은 그냥 이루어지지 않고 일정한 조건을 요한다.
재생 온도는 보통 600도 이상이며, 엔진 RPM을 2000 ~ 2500으로 80 ~ 110km/h 정속주행을 하여 10분 이상 유지가 돼야 미립자들이 산화된다. 그런데 고속주행이 거의 없이 운행시간이 짧은 시내 주행을 주로 하고, 그것도 천천히 다니게 되면 1년간 한 번도 600도 이상 10분의 기준을 충족시키지 못할 수도 있다. 또 고속도로를 달린다고 해도 시속 80km/h 이하로 정속주행을 하며 RPM을 낮게 유지할 경우 재생기능을 수행하지 못한다. 하지만 EURO4 시절 이야기이며 싼타페DM ~ TM 기준 60km/h 이상 또는 변속기를 2단 이상으로 하여 1500 ~ 2500RPM으로 약 25분 이상 주행하면 매연 필터 장치 재생이 완료된다. 문제는 일반 디젤 승용(합)차와는 다르게 화물차의 경우 DPF 게이지가 2~3주 이내로 꽉차는데, 화물차는 80km/h, 1500RPM을 유지하기 위해서 고속도로 주행이 필수이나 고속도로를 운행하지 않는 사내 운송차량이나 시내 배송차량의 경우 한적한 빈 공터에서 강제재생을 해야하는데 시내에서는 소음과 매연으로 재생이 쉽지않다.
또 이렇게 필터가 꽉 차서 막히게 되면 배압이 생겨 연비와 출력이 동시에 저하된다. 집에 싱크대 음식물 필터 막힌 걸 생각해보면 된다.
둘째, DPF의 재생 충족 온도가 600도인 반면 SCR의 작동온도는 약 150 ~ 350도 사이에서 배기가스 저감을 촉매가 돕는다. 문제는 이둘의 장치는 애석하게도 구조상 같이 붙어있게 되는 정말 쓸모없는 짓들을 한다.
DPF가 미세먼지 감소 기술이라면 이와 세트를 이루는 EGR은 질소산화물(NOx)를 줄이는 기술이다. 용어 그대로 배기가스의 일부를 흡기 쪽으로 되돌려 다시 한번 실린더 안에서 태우는 기술인데, 이렇게 산소가 적은 배기가스를 섞어 연소를 시키면 전반적인 연소(폭발) 온도가 내려가 고온에서 더 발생하기 쉬운 질소산화물이 줄어들게 된다. 엔진에 신선한 공기 대신 배기가스가 일부 유입되므로 EGR도 출력과 연비가 떨어지고, EGR 리턴라인이 DPF 이전에 있는 경우에는 흡기기관이 미세먼지 때문에 심각하게 오염되므로 연비와 출력을 유지하기 위해서는 주기적으로 청소를 해 줘야 한다. 경쟁하는 오염 감소 기술인 SCR이 장점으로 내세우는 것이 출력과 연비의 우세와 흡기기관의 청정 지속성이며, 질소산화물 저감 능력도 SCR이 더 우수하다. SCR은 요소수라고 불리는 우레아(암모니아 수용액)를 제어장치를 통해 분사시킨 후 질소산화물을 정화시켜, 일산화탄소와 매연 등의 유해가스를 인체에 무해한 질소와 물로 변환하여 유해가스를 저감시키는 시스템이다. SCR에 사용되는 요소수는 질소산화물은 물론 가솔린 엔진에서 다량 발생하는 일산화탄소까지 저감시키는 효과가 있어 가솔린 엔진에 맞춘 SCR 시스템의 적용도 진행되고 있다.
DPF+EGR 구조는 연비면에서는 분명한 손실이 있고 추가 장치도 필요하다. 대신, 종전 디젤 엔진에 큰 개량을 하지 않고 엔진 외부에 DPF와 EGR을 붙이면 되는 만큼 설계가 단순해진다. 꾸준히 요소수를 넣어주어야 하는 SCR과 달리 연료 이외에 필요한 첨가제가 딱히 없어 운전자 입장에서는 관리도 쉬워 DPF+EGR은 제대로 관리만 해주면 반영구적으로 쓸 수 있다. 유로3 이하에도 DPF를 단 차들이 많은데 유로3 이하 차들은 환경규제가 약해서 DPF를 제조사에서 순정으로 달아준 경우가 거의 없다. 지방자치단체, 대한민국 정부 차원에서 매연, 미세먼지 같은 배기가스를 덜 내뿜게 하려고 개조를 한 것이다. DPF를 사제로 단 경우는 주로 제x종 배출가스저감장치 장착이라는 스티커를 붙여 주는데, 스티커 하단에는 저감장치 제작사명과 연락처가 기재되어 있다. 2003년부터 서울시는 노후 경유차량의 조기폐차 혹은 DPF 부착 등 저공해화 개조 사업을 진행한다. 그러나 노후 경유차에 DPF를 달 경우 중고 감가상각률이 커지고 연비, 출력이 확 떨어지고 결정적으로 저감장치 제작사가 망할 경우 제대로 수리가 안 되는 바람에 일부러 안 다는 사람도 많았다. 그래서 검사 때문에 마지못해 장착 후 DPF를 뚫어버리고 운행하거나, 규제가 느슨한 세종시 등으로 차고등록지를 옮겨버리는 일이 허다했다.
단, 2020년대 들어 이야기가 달라졌는데 저공해조치 미이행 차량에 대한 단속이 본격적으로 시작되고 신차로 대체할 차종이 없거나 생계형으로 쓰이는 차종들(ex. 화물차, 15인승 승합차, 오프로드 4륜구동 차량 등)의 경우[3]에는 상기 서술한 단점을 감내하고서라도 중고차 구매시 저감장치가 장착된 차량을 선호하는 사람이 많아졌다. 게다가 예시로 언급한 차종들은 한 때는 저감장치를 지원했지만 지금은 장착이 불가능한 경우가 대다수라[4] 장착되어 있기만 하면 감사하다고 할 상황이 돼버렸기 때문.[5]
그리하여 정부는 2010년이 좀 넘은 시점부터 노후 경유차량에 DPF 장착 대신 디젤차 조기폐차 또는 LPG, CNG 개조에 지원금을 배당하고 있다.
해외에서는 범용 DPF가 있으나 국내에선 아직 없다.[6]
4. 정비
재생이 잘 안 되는 환경이라면 DPF는 2만 km마다 클리닝으로 관리를 철저히 해줘야 한다. DPF의 관리를 부실하게 했다가 고장 판정 내지 배출가스검사 부적합 판정[7]을 받고 조치를 하는데에 적게는 백만, 많게는 천만 원[8]에 가까운 돈을 한순간에 날린다. 더군다나 제조사 보증수리 기간이 만료됐다면 차라리 폐차를 하는게 나을 정도로 말 그대로 답이 없다. 그나마 금전지출이면 다행이지, 최악의 경우에는 상술한 말리부의 사례처럼 주행 중 시동이 꺼져버리는 위험한 상황까지 닥칠 수 있다.클리닝은 건식클리닝과 습식클리닝 두가지 방법이 있는데 건식클리닝은 DPF 자체를 최적의 작동온도까지 가열하여 내부에 있는 불완전연소 매연을 태워버리는 방식이고 습식클리닝은 DPF 내부로 세척용 케미컬을 넣어 내부에 쌓인 재를 불리고 나서 케미컬을 빼고 약 3bar 정도의 압축 공기를 쏴서 재를 강제로 배출시키는 방식이다. 하지만 각각의 장단점이 있기 때문에 차주가 판단하지 말고 DPF 클리닝 전문점으로 가서 정비사의 판단으로 클리닝을 하는 것이 좋다.
5. 문제점
DPF를 수동이던 자동이건 수트가 쌓일때 마다 제대로 재생해야하며, (화물차의 경우 가혹한 운행환경으로 인해)재생 간격이 짧아지거나, 일정 km 마다 클리닝을 하지 않다가 DPF가 고장이나 파손이 나면 엔진가격에 필적하는 어마어마한 돈이 깨지기에 EURO5 규제이후 경유차의 관리를 어렵게 하는 주범이기도 하다.재생 온도가 600도 이상을 넘어가는데, DPF장치를 감싸고 있는 머플러 자체는 600도까지 오르지 않지만 DPF에서 발생하는 열로인해 머플러도 화상을 입을 정도로 매우 뜨겁다. 문제는 화물차의 경우 이 DPF 머플러가 요소수 통 바로 옆에 대놓고 드러나 있기에 화물차가 신호 대기중일때 은색의 DPF 머플러 옆에 서있으면 열감을 느낄 수 있을 정도이다. 가능하면 화물차에 함부로 손대지 말자. 심지어 DPF에서 방출되는 열로 인해 주위 전선이 탄다거나, 차량 프레임으로 열이 전달되어 근처의 전자장비의 고장 오작동을 일으키기도 한다.
또한 검댕(Soot)가 가득차 재생을 해야하지만 재생하기 어려운 환경에서 운전을 할 경우 수동재생을 해야하나, 수동재생시 발생하는 하얀 매연은 수트가 쌓일수록 장난아니게 나오며, 1000~1500RPM 이상으로 엔진이 돌아가면서 발생하는 소음을 최대 30~35분 가량 유지해야하기 때문에 도시화된 한국에서 수동재생할 공간이 마땅치 않다. 더군다나 수동재생 기능이 없거나 고장난 차량이라면 DPF 재생을 위해 어떻게든 고속도로 주행을 해야한다. 재생을 안하다가 타이밍을 놓치면 정말 큰돈을 날린다.
2019년 1월 28일 경기도 구리에서 구리소방서 인창 119 안전센터의 펌프차가 인근의 화재현장으로 출동하여 2분 만에 도착했는데도 물 분사가 되지 않아 가게가 완전히 불에 타 버렸다.#[9] 물 분사가 안 된 이유는 DPF를 수동재생모드로 작동할 경우 물펌프가 아예 작동하지 않는 문제가 있었기 때문이다.#[10] 이 일로 소방청에서는 2월 8일까지 전국의 소방차량을 전수조사했는데 약 1천여대의 차량에 DPF 수동 재생 시 물분사가 되지 않는 문제가 있었다. 이에 순차적으로 ECU 프로그램 수리를 실시하여 5월 29일에 전량 수리와 점검을 완료했다.
6. 관련 문서
[1] 사실, 휘발유로 굴러가는 차량에도 장착되어 있는 대수가 적을 뿐이지, DPF 역할을 하는 GPF(Gasoline Particulate Filter)가 있긴 있다. 이런 GPF는 주로 GDI 엔진에만 들어간다.[2] 대표적으로 승용디젤에 적용되는 ACEA C1~C4 등급. SAPS의 함량은 가솔린 차량에서 삼원촉매 장치의 보호를 위해서도 제한되는데 대표적으로 ILSAC GF-5 등급을 들 수 있다.[3] 15인승 원박스 승합차는 두 가지 경우에 모두 해당하는 케이스[4] 특히 갤로퍼, 이스타나, 뉴 코란도, 무쏘 등.[5] 게다가 이 미개발 차량들은 남은 개체수가 적어 수요가 거의 없는지라 앞으로도 개발될 여지가 거의 0에 수렴하는데, 정부가 계속해서 눈감아줄 수도 없는 노릇이라 지자체들은 점점 미개발 차량에 대해서도 단속 계획을 잡는 실정이다.[6] DPF가 필요한 경우 차량 배기 파이프의 직경이 다를 수 있으니 알아보고 구매하자. 실제로 DPF가 없는 수입차의 경우 정부나 지방자치단체에서 지원하는 사제 DPF 장착이 불가능해 어떻게든 구해서 다는 경우가 생겨나고 있다. 다만 SUV나 MPV는 장착이 쉽지만 세단인 경우 자상고가 낮고 장착할 공간이 안나오기에 머리를 굴려야한다는 단점이 있다. 지금은 관련 규정이 까다로워지면서 이마저도 불가능해졌다. 범용DPF도 모든 차량이 호환되는건 아니다.[7] DPF 필터가 금이 가거나 박살나거나 녹아내리는 경우 DPF를 살릴 수 없다. 사실 유로4 이후의 경유차는 DPF를 비롯한 후처리 장치를 겹겹이 덧붙여 반쯤 어거지로 환경규제를 충족하고 있는 것에 가까운데, 반대로 말해 그 저감장치의 기능이 제대로 작동하지 않는다면 결국 오염 배출량이 유로3 이하의 5등급 차량과 다름없게 되고, 당연히 검사에서 부적합 판정을 받을 가능성이 높아진다. 제작연도가 늦어질수록 엄격한 환경규제에 따라 생산되는 만큼 배출가스검사시 오염물질 허용수치도 더 낮아지기 때문.[8] 국산차는 100~200만원, 수입차는 400~800만원 정도 생각하면 되는데, 당장 국산차 기준으로 엔진 보링이 일반적으로 비싸봐야 2백 내외에서 견적이 나오는 것을 감안하면 얼마나 값비싼 부속인지 이해가 될 것이다. 더 큰 문제는 DPF가 손상됐을 쯤이면 DPF 뿐만 아니라 작게는 흡배기 및 연료분사 계통(특히 터보차저, 인젝터), 심하면 엔진 속 부분까지도 이미 상해버린 경우가 대다수라는 것...[9] 문제의 펌프차는 현대 메가트럭 5톤 펌프차이며 2015년 이후 생산된 차량에서 발생했다.[10] DPF 수동재생 작동 시 엔진 회전수는 1,800rpm까지 올라가는데 작동 중지해도 DPF 부품 보호를 위해 약 2분 동안은 1,000rpm이 유지되도록 프로그래밍 되어있었고, 이로 인해 900rpm 이하여야 동작하는 PTO(동력인출장치)가 연결되지 않았다.