맑고 안전한 공기

Clean and Safe Air Quality

디젤 배가스 정화처리 기술개발

Development of Diesel Exhaust After-treatment Technology

SK 에너지

환 경 부

과제번호 131-053-001

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제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “디젤 배가스 정화처리 기술개발에 관한 연구”과제 (세부

(위탁)과제 “경유매연후처리장치 중국제품 개발 및 평가에 관한 연구”)의

보고서로 제출합니다.

2007 년 11 월 30 일

주관연구기관명 : SK 에너지

연구책임자 : 김 용 우

연 구 원 : 이창규외 8인

(세부)위탁연구기관명 :

국가환경보호총국

자동차배출가스감독규제센터

(세부)위탁연구책임자 : 탕 대강

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보고서 초록

과제번호 131-053-001해당단계연구기간

2005. 12 ~ 2007. 11

구분 (2차년도) / (2년)

연구사업명 국제공동연구사업

분야명 맑고 안전한 공기

연구개발과제명

국문명 디젤 배가스 정화처리 기술개발

영문명 Development of Diesel Exhaust After-treatment Technology

연구책임자 김용우

해당단계 참여연구원수

총: 19 명내부: 9 명외부:10 명

해당단계 연구개발비

정부: 150,000 천원기업: 150,000 천원 계 : 300,000 천원

총연구기간참여연구원수

총: 19 명내부: 9 명외부:10 명

총연구개발비

정부: 306,500 천원기업: 306,500 천원 계 : 613,000 천원

연구기관명 및

소속부서명

SK 에너지촉매기술Lab

참여기업명 SK에너지

국제공동연구

상대국명 : 상대국연구기관명 :

위 탁 연 구 연구기관명 : 국가환경보호총국 자동차배출가스감독규제센터

연구책임자 : 탕대강

요약(연구개발결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서면수

114

본 “디젤 배가스 정화처리 기술개발에 관한 연구”는 중국 환경에 적합한 디젤 자동차 배기가스 후처리장치를 개발하고자 시작하였다. 중국은 대부분의 지역에서 고유황 경유(HSD 2,000 ppmS)를 사용하고, 일부 대도시 중심으로 저유황 경유(LSD 500 ppmS)를 사용하기 때문에, 기존의 선진국 중심으로 초저유황 경유(ULSD 30 ppmS)에 적합하게 개발된 자연재생식 DPF(Passive type Diesel Particulate Filter)는 사용할 수 없는 환경이었다. 이에 1차년도에는 중국 저유황 경유에 적합하도록 촉매를 이용한 자연재생식 DPF 개발에 주력하여 DPF 와 P-DPF를 개발하였고, 2차년도에는 중국 전역에 적용할 수 있도록 고유황 경유에 적합한 강제재생식 DPF 개발에 주력하였다. 이 결과, 중국 환경에 적합한 디젤자동차 배기가스 후처리장치를 4종 개발할 수 있었으며, 중국 각지의 연료 환경과 물가수준에 따라 적절한 장치를 선정·적용할 수 있게 되었다. 본 과제를 통해 개발된 기술은 관련분야에서 지금까지 개발된 기술보다 실용성이 높은 것으로, 향후 중국을 포함한 동남아시아 등의 고유황 경유 및 저유황 경유를 사용하는 국가의 대기환경 개선에 크게 이바지할 수 있을 것이다.

색 인 어(각 5개 이상)

한 글 디젤배가스, 정화처리, DPF, P-DPF, DOC

영 어 Diesel Exhaust, After-treatment, DPF, P-DPF, DOC

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요 약 문

Ⅰ. 제 목

디젤 배가스 정화처리 기술개발

Development of Diesel Exhaust After-treatment Technology

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

본 과제는 중국 환경에 적합한 디젤 자동차 배기가스 후처리장치를 개발

하고자 시작하였다.

중국은 아시아에서 가장 많은 경유차량을 보유하고 있으며, 디젤차량의

구성비는 지속적으로 증가하고 있다. 2005년 중국내 디젤차량의 수는 전체

자동차 수의 약 20%이고, 이 비율은 매년 지속적으로 증가하여 2015년에는

26.7%에 달할 전망이다.

고속 경제성장에 따라 환경보전에 대한 인식도 점차 고조되고 있는 추세

이고, 특히 2008년 북경올림픽을 계기로 대기환경개선을 위한 정부차원의 대

책이 수립/시행되어 디젤 자동차 배기가스 후처리장치 사업 여건이 마련되어

왔다.

중국은 대부분의 지역에서 고유황 경유(HSD 2,000 ppmS)를 사용하고,

일부 대도시 중심으로 저유황 경유(LSD 500 ppmS)를 사용하고 있기 때문에,

기존에 선진국 중심으로 사용되는 초저유황 경유(ULSD 30ppmS)에 적합하게

개발된 자연재생식 DPF(Passive type Diesel Particulate Filter)는 사용할 수

없는 환경이다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

중국 내부의 다양한 연료 환경 (고유황 경유, 저유황 경유, 초저유황 경

유) 에 대응하고, 각 지방도시, 기관 및 회사의 다양한 요구에 대응할 수 있

는 다양한 제품군을 개발하도록 한다. 그리고, 상업성이 높은 제품에 대해서

는 중국현지의 엔진시험 및 실차시험을 통해 내구성 평가를 수행하여 중국

인증에 참여할 수 있도록 한다.

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Ⅳ. 연구개발결과

2008년 장착사업에 예상되는 북경시의 시장환경에 대해 면밀하게 검토하

였다. 북경시의 디젤차는 총 12만대가 있지만, 북경시 환보국에서 관심을 갖

는 대중교통차량 중 retrofit 대상 차량은 약 8000대로 예상되었다.

자연재생방식으로 작동되는 촉매방식 DPF/P-DPF를 개발하기 위하여,

DPF 촉매 10종, P-DPF 촉매 18종에 대해 엔진시험 및 실차시험을 수행하여

중국환경에 적합한 촉매방식 DPF/P-DPF 장치를 개발하여, PM 저감성능

85%, 50%를 달성하였다.

디젤주입방식 Active DPF를 개발하여, 배기가스 온도가 낮은 저속 주행

차에도 적용할 수 있게 되었다. 디젤 주입양과 시간을 조절하여, DPF 필터의

온도를 500 ~ 600 도까지 임의로 승온시킬 수 있어 Soft regeneration 이 가

능한 장치로 설계하였다. 북경시 환보국의 데모사업에 참가하여 인증을 획득

하였다.

버너방식 DPF/P-DPF는 버너와 메탈필터로 구성된 제품으로, 일반적인

주행조건에서 매연을 포집하고, 차량 아이들링 상태에서 운전자가 재생을 실

시하는 방식이다. 버너는 산소공급원으로 배기가스내 산소를 사용하기 때문

에 장치가 비교적 간단하여 고장 가능성이 낮다. 메탈필터는 18g/L 조건에서

도 필터가 멜팅되지 않아, 상용판매되는 세라믹 제품에 비해 상대적으로 강

한 내구성을 갖추고 있다. 북경시 환보국의 인증시험 조건을 완료하였다.

교환방식 Offline System은 필터교체 방식의 저가 장치로, 틈새시장을 겨

냥해 설계하였다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

본 연구과제에서 개발된 기술과 장치로 북경과 심천(광동지방) 중심의

장착사업(retrofit)에 참가하고, 장기적으로 중국의 대형디젤차량 제조사의

OEM 사업에 참여한다.

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Summary

Ⅰ. Title

Development of Diesel Exhaust After-treatment Technology

Ⅱ. Object and Needs for Research Project

This research project was started to develop the after-treatment

device for diesel vehicles, especially targeting for China environment.

China has the most diesel vehicles in Asia, and the percentage of

diesel vehicles is increasing gradually. The percentage of diesel vehicle in

China was 20% in 2005, and it is increased constantly, which is expected

to be 26.7% in 2015.

With the high economic growth, the environmental conservation is

thought to be important as a trend. In particular, the Beijing government

launched many measures to improve the air quality before 2008 Beijing

Olympic games, which opened the new business opportunity of

after-treatment device for diesel vehicles.

In China, HSD (2,000 ppmS) is used in most of area, and LSD (500

ppmS) is used around the great city. Therefore, It is difficult to use the

passive type diesel particulate filter (DPF) which is optimized to be used

in the developed country where ULSD (30 ppmS) is used.

Ⅲ. Contents and Boundaries of Research Project

The goal is to develop the after-treatment device to be used in China

regardless of the fuel condition, such as, HSD, LSD, ULSD, and to satisfy

the various demand of small city, government and company. For the goal,

it is necessary to participate in the certification process composed of

engine and fleet testing with a candidate of high commercial possibility.

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Ⅳ. Results of Research Project

The market environment for Beijing is reviewed closely. It is expected

that Beijing will launch the retrofit business in 2008. There is totally

120,000 diesel vehicles in Beijing, and the Beijing EPB is interested in the

retrofitting public vehicles sector first, which is expected to be 8000.

To develop the passive type catalyzed DPF and P-DPF, 10 DPF and

18 P-DPF catalysts were tested in engine and fleet. The PM removal

results are 85% and 50% for DPF and P-DPF respectively.

The diesel injection type active DPF can be applied to the low speed

diesel vehicle whose exhaust temperature is low. By controlling diesel

amount and time, the DPF filter's temperature reached to 500 ~ 600

degree celcius, which makes it possible to design soft regeneration. The

developed diesel injection type active DPF was applied during the Beijing

EPB's demo business and acknowledged to be certified device.

The burner type DPF/P-DPF composed of burner and metal filter,

accumulate PM during normal driving condition, and is regenerated at

idling by driver. Because the burner use exhaust gas as oxygen source,

the device is relatively simple and has low possibility of trouble. The

metal filter can endure 18 g/L PM, which shows high durability compared

to commercial ceramic filters. This burner type DPF/P-DPF device

completed the Beijing EPB's certification test protocol.

Offline System is low-end product which is composed of changeable

cartridge type filter. It is designed to be used in niche market.

Ⅴ. Practical Plan for Research Project

The technology and device will be applied to the Beijing and

Shenzhen(Guangdong area) retrofit business first, and to the Chinese

heavy duty diesel vehicle maker's OEM market in the long run.

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Contents

Chapter 1. Introduction to Research Project ......................................................12

1.1 The object of research project ..............................................................12

1.2 The needs for research project .............................................................13

1.3 The contents and boundaries of research project ...........................16

Chapter 2. Domestic and Foreign Status of Technology Development ....22

2.1 The foreign status of technology development ...............................22

2.2 The domestic status of technology development ............................26

2.3 The special aspects of developed technology ...................................27

Chapter 3. Results of Research Project ...............................................................30

3.1 The research boundaries and methodology .......................................30

3.2 The market research and regulation in China .................................38

3.3 The development of catalyzed DPF for China .................................40

3.4 The development of diesel injection type DPF ................................63

3.5 The development of burner type DPF ................................................75

3.6 The development of cartridge type DPF .........................................100

3.7 Conclusion ...................................................................................................104

Chapter 4. Achievements and Contribution to Related Research Area ...105

4.1 The annual research goal and achievements ..................................105

4.2 The contribution to related research area .......................................107

Chapter 5. Practical Plan for Research Project ...............................................109

5.1 The needs of afterwork .........................................................................109

5.2 Commercialization plan ...........................................................................110

Chapter 6. Information about the oversea technology ...................................111

Chapter 7. References ...............................................................................................112

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목 차

제1장 연구개발과제의 개요 ...........................................................................12

제1-1절 연구개발의 목적 ....................................................................................12

제1-2절 연구개발의 필요성 ................................................................................13

제1-3절 연구개발의 내용 및 범위 ....................................................................16

제2장 국내외 기술개발 현황 .........................................................................22

제2-1절 국외 기술개발 현황 ..............................................................................22

제2-2절 국내 기술개발 현황 ..............................................................................26

제2-3절 국내외 기술과의 차별성 ......................................................................27

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...............................................................30

제3-1절 연구범위 및 연구수행 방법 ...............................................................30

제3-2절 시장조사 및 규제수준에 대한 조사 .................................................38

제3-3절 촉매방식 DPF/P-DPF 개발 ...............................................................40

제3-4절 디젤주입방식 Active DPF 개발 ........................................................63

제3-5절 중국형 Active DPF 개발 ....................................................................75

제3-6절 교환방식 Offline System 개발 ........................................................100

제3-7절 결론 .........................................................................................................104

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...........................................105

제4-1절 연구개발목표 달성도 ..........................................................................105

제4-2절 대외기여도 .............................................................................................107

제5장 연구개발결과의 활용계획 .................................................................109

제5-1절 추가연구의 필요성 ..............................................................................109

제5-2절 기업화 추진방안 ..................................................................................110

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ..............................111

제7장 참고문헌 ................................................................................................112

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표 목 차

<표 1.1> 기술개발시 예상되는 파급효과 및 활용방안 ....................................15

<표 1.2> 연구과제의 최종목표 ...............................................................................17

<표 2.1> DPF 기술의 구분 .....................................................................................23

<표 2.2> 주요 업체별 경유매연저감장치 관련 기술 및 제품 현황 .............25

<표 2.3> 당사제품과 HUSS 사 제품의 차이 .....................................................29

<표 3.1> 연구계획과 수행방법 ...............................................................................30

<표 3.2> 중국형 DPF 제품의 규격 .......................................................................32

<표 3.3> 테스트 엔진의 규격 .................................................................................32

<표 3.4> 오염물질 절감률 요구기준 .....................................................................34

<표 3.5> 시험엔진의 규격 ........................................................................................47

<표 3.6> ECE R49 시험모드의 구성 및 출구온도 ............................................48

<표 3.7> 엔진동력계 시험평가결과 요약 .............................................................50

<표 3.8> 엔진동력계 시험평가결과 요약 .............................................................51

<표 3.9> 엔진동력계 시험평가결과 요약 .............................................................56

<표 3.10> P-DPF 및 A-DPF 의 실차평가결과 ................................................61

<표 3.11> 평가엔진 규격 ..........................................................................................67

<표 3.12> 디젤주입방식 Active DPF 제품의 성능평가 ..................................68

<표 3.13> SiC 필터와 메탈 필터의 적용성 비교 ..............................................89

<표 3.14> 메탈 필터의 매연저감효율 ...................................................................90

<표 3.15> 메탈 필터의 매연저감효율 ...................................................................91

<표 3.16> HSD 연료하의 중국형 Active DPF 성능 ........................................95

<표 3.17> LSD 연료하의 중국형 Active DPF 성능 ........................................95

<표 3.18> 1800 rpm 에서의 Smoke 저감율 ........................................................96

<표 3.19> 2000 rpm에서 Smoke 저감효율 ..........................................................97

<표 3.20> 2200 rpm 조건에서 Smoke 저감성능 ...............................................97

<표 3.21> 4가지 중국형 제품의 비교 .................................................................104

<표 4.1> 연도별 연구목표 및 평가의 착안점 ...................................................105

<표 4.2> 연구개발목표의 달성도 ..........................................................................106

<표 4.3> 관련분야 기여부분 요약 .......................................................................107

<표 4.4> 본 과제 활용실적 ....................................................................................108

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그 림 목 차

<그림 1.1> 국제공동연구 개발 Scope ..................................................................18

<그림 1.2> 연구원 편성표 ........................................................................................21

<그림 2.1> PM/NOx 저감기술 체계도 .................................................................24

<그림 2.2> HUSS 시스템의 외형 ..........................................................................27

<그림 2.3> HUSS 시스템의 작동원리 ..................................................................28

<그림 3.1> 과제의 업무분장 ....................................................................................31

<그림 3.2> ECE R49 시험모드의 구성 ................................................................33

<그림 3.3> 중국형 제품의 공동개발 계약식 .......................................................36

<그림 3.4> 산화촉매의 PM 성분에 대한 작용 ...................................................40

<그림 3.5> 설페이트 생성 원리 ..............................................................................41

<그림 3.6> 저유황경유(LSD) 사용시 산화촉매에 의한 PM 조성의 변화 ..42

<그림 3.7> 담체별 SO2 흡착량 상대 비교 ..........................................................43

<그림 3.8> 백금-바나듐 촉매의 SO2 산화력 비교 ............................................44

<그림 3.9> 백금-바나듐 촉매의 Hydrocarbon 연소력 비교 ...........................45

<그림 3.10> 다양한 DPF 촉매의 매연연소 온도 비교 (TGA-DTA) ..........46

<그림 3.11> 엔진동력계 실험 모습 .......................................................................49

<그림 3.12> DPF 제품의 엔진동력계 성능평가결과 ........................................50

<그림 3.13> P-DPF 제품의 엔진동력계 성능평가결과 ...................................51

<그림 3.14> P-DPF 제품의 고유황연료(HSD)하에서의 성능평가 ...............52

<그림 3.15> ECE R 49 시험모드 상의 성능 ......................................................53

<그림 3.16> ETC 시험모드 상의 성능 .................................................................54

<그림 3.17> ETC 시험모드상 유해가스 저감성능 ............................................55

<그림 3.18> ECE R49 시험모드의 PM 성분 구성 ...........................................56

<그림 3.19> 촉매설계에 따른 PM 저감율 제어 ................................................58

<그림 3.20> 축적속도와 연소속도, BPT 간의 관계 .........................................59

<그림 3.21> P-DPF 장치를 청소차에 장착한 모습 ..........................................60

<그림 3.22> P-DPF 장착차량의 주행중 온도, 배압 특성 ..............................61

<그림 3.23> CRT, CCRT, Active CCRT 의 적용범위 비교 .........................63

<그림 3.24> 디젤주입방식 Active DPF와 기존 방식과의 차이점 ................64

<그림 3.25> 디젤주입방식 Active DPF 구조도 .................................................65

<그림 3.26> 디젤주입방식 Active DPF 에 추가된 부품들 ............................66

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<그림 3.27> 엔진동력계 시험평가 모습 ...............................................................67

<그림 3.28> 시내버스 모사환경에서 디젤주입에 따른 승온효과 ..................69

<그림 3.29> 엔진 운전조건에 따른 승온효과 분석 ...........................................69

<그림 3.30> 디젤주입에 따른 온도승온효과 .......................................................70

<그림 3.31> 개선된 디젤주입방식 Active DPF의 승온효과 ..........................71

<그림 3.32> 디젤주입방식 Active DPF 가 장착된 우정국 차량 ..................72

<그림 3.33> A-DPF를 우정차에 적용한 후 온도/배압 운행데이타 .............73

<그림 3.34> 중국형 Active DPF 제품의 기본 구성 .........................................77

<그림 3.35> 중국차량의 기존 머플러 위치를 나타낸 모습 ............................78

<그림 3.36> 중국형 제품의 요소기술 ...................................................................80

<그림 3.37> 버너 형태의 개선 ................................................................................81

<그림 3.38> 버너의 개선에 의한 유동특성의 변화 ...........................................82

<그림 3.39> 중국형 장치의 재생 패턴 .................................................................83

<그림 3.40> 장기 내구성 평가중의 장치의 온도, 배압 특성 .........................84

<그림 3.41> I-type 장치와 L-type 장치의 설계 ...............................................85

<그림 3.42> SiC 필터에서 발생한 크랙(Crack) 모습 ......................................86

<그림 3.43> 중국 차량에 2달간 적용 후 메탈 필터의 모습 ..........................87

<그림 3.44> SiC 필터와 메탈 필터의 열전도 특성 ..........................................88

<그림 3.45> 메탈 필터 각 층의 매연 축적 패턴 ...............................................90

<그림 3.46> 재생과정에서 필터 각 부위의 온도 분포 .....................................92

<그림 3.47> 매연이 12 g/L 축적되었을 때 재생패턴 ......................................93

<그림 3.48> 매연이 23 g/L 축적되었을 때, 재생패턴 .....................................94

<그림 3.49> 과열에 의해 필터가 녹은 형상 .......................................................94

<그림 3.50> 시험차량의 모습 ..................................................................................96

<그림 3.51> 시험차량에 장치를 장착한 모습 .....................................................98

<그림 3.52> 8시간 주행시 재생패턴의 전형적인 모습 .....................................99

<그림 3.53> 16시간 재생시의 배압재생패턴 .......................................................99

<그림 3.54> Offline DPF System 구조도 .........................................................101

<그림 3.55> Offline DPF System 장치 개념도 ...............................................102

<그림 3.56> Offline DPF System 필터 개념도 ...............................................102

<그림 3.57> V-Clamp 의 형상 .............................................................................103

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제1장 연구개발과제의 개요

제1-1절 연구개발의 목적

본 “디젤 배가스 정화처리 기술개발에 관한 연구”는 중국 환경에 적합한 디젤 자

동차 배기가스 후처리장치를 개발하고자 시작하였다. 중국은 대부분의 지역에서 고유

황 경유(HSD 2,000 ppmS)를 사용하고, 일부 대도시 중심으로 저유황 경유(LSD 500

ppmS)를 사용하기 때문에, 기존에 선진국 중심으로 초저유황 경유(ULSD 30 ppmS)

에 적합하게 개발된 자연재생식 DPF(Passive type Diesel Particulate Filter)는 사용

할 수 없는 환경이었다.

이에 1차년도에는 저유황 경유에 적합한 촉매를 이용한 자연재생식 DPF 개발에

주력하여 DPF 와 P-DPF를 개발하였고, 2차년도에는 중국 전역에 적용할 수 있는 고

유황 경유에 적합한 강제재생식 DPF 개발에 주력한 결과, 중국 환경에 적합한 디젤자

동차 배기가스 후처리장치를 4종 개발할 수 있었으며, 이로써 중국 각지의 연료 환경과

물가수준에 따라 적절한 장치를 선정·적용할 수 있게 되었다.

본 과제를 통해 개발된 기술은 관련분야에서 지금까지 개발된 기술보다 실용성

이 높은 것으로, 향후 중국을 포함한 동남아시아 등의 고유황 경유 및 저유황 경유를

사용하는 국가의 대기환경 개선에 크게 이바지할 수 있을 것이다.

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제1-2절 연구개발의 필요성

경유자동차는 에너지경제성, 지구온난화가스배출억제정책 및 EU의 자동차연비

규제 등에 힘입어 전 세계적으로 수요가 증가하고 있다. 특히 수년간 에너지가격이 급

등하면서 가솔린 엔진 대비 20∼40% 유리한 연비를 가진 경유자동차에 대한 관심이

급증하고 있으며, 교통체증과 도심구간이 많은 일본, 유럽을 중심으로 경유자동차의 등

록이 급격히 증가하고 있다. 최근 우리나라와 아시아 개발도상국가에서도 경유자동차

의 비율이 증가하는 추세를 보이고 있으나, 그 반대급부로 경유매연 및 오존농도문제가

또 다른 환경문제를 일으키고 있는 실정이다. 따라서 이러한 경유배출가스를 저감할 수

있는 기술이 국제적인 공통관심사가 되기에 이르렀다.

경유자동차는 기상변화를 일으키는 지구 온난화의 주 요인인 CO2의 배출량이 가

솔린 차량에 비해 30% 정도 낮아 CO2의 총량을 줄이는 측면에 있어 효과적인 대책으

로 각광받고 있으나, 연소방식 특성상 가솔린 엔진에 비해 소음과 진동이 심하고 (CO2,

CO, HC의 배출량이 적은 반면) 질소산화물(NOx)과 입자상물질이(PM) 다량으로 배

출되는 단점을 지니고 있다. 이미 선진국에서는 경유자동차로 인한 환경오염문제를

(PM 및 NOx배출) 극복하기 위하여 배기규제를 단계적으로 강화하고, 관련 기술의 개

발 및 실차적용을 적극적으로 유도하고 있다. 최근의 규제동향을 고려할 때, 가까운 미

래에는 첨단 후처리기술을 적용하지 않고서는 PM 및 NOx 규제를 만족시키기 어려울

것이란 것이 중론이며, 자동차 업계에서는 DPF 또는 DeNOx 장치가 경유자동차의 필

수부품이 될 것으로 전망하고 있다.

한편 중국은 아시아에서 가장 많은 경유차량을 보유하고 있으며, 고속 경제성장

에 힘입어 환경보전에 대한 인식도 점차 고조되고 있는 추세다. 또한 2008년 북경올림

픽을 계기로 대기환경개선을 위한 정부차원의 대책이 강구되고 있는 것으로 알려져, 미

국은 EPA를 동원하여 자국 기업의 후처리장치기술 홍보에 열을 올리고 있다. 당사는,

이미 국내와 일본에서 탁월한 기술력을 검증받은 후처리장치 기술을 중국에 적용하고

자 많은 노력을 기울여 왔다. 따라서 “미국 EPA의 후처리장치평가 Program”의 경우

처럼, 금번 대한민국 환경부와 중국 VECC간의 한중 환경기술 공동개발사업이 국내기

업의 중국시장 진출에 교두보가 될 것으로 기대하고 있다.

- 14 -

당사는, 금번 한중 환경기술 공동개발사업을 통하여, 국내 및 일본시장용으로 개

발한 경유배출가스 후처리기술을 중국의 차량, 연료 및 주행조건에 적합하게 적용성을

확대하고자 하며, 이를 통하여 즉시 상품화가 가능한 촉매연속식 경유매연저감장치, 보

조재생장치, 산화촉매장치, PM-NOx 동시저감장치 제품군을 확보하고자 한다. 특히

중국 국영 연구기관인 VECC(Vehicle Emission Control Center)와의 협력을 통하여,

향후 성능인증 및 보급계획에 유리한 고지를 점하고자 한다.

2005년 중국내 디젤차량의 수는 전체 자동차 수의 약 20%에 이르렀다. 이 비율

은 매년 지속적으로 증가할 것으로 예측되어, 2010년에는 22.8%, 2015년에는 26.7% 에

달할 것이다. 선진국과 비교할 때, 중국은 디젤차량의 배기가스 규제수준이 낮기 때문

에, 향후에 신차교체와 Retrofit 에 의한 배기가스 저감 효과는 매우 높을 것으로 기대

된다.

- 15 -

분야 파급효과 및 활용방안

기술적

- 환경규제에 적절히 대응함으로써 지속적인 시장경쟁력

유지.

- 다양한 촉매물질, 세라믹, 금속 필터에 당사 기술을 적

용함으로써 파생기술 (재료 제조, 형성기술) 개발.

- 제어과정에 대한 노하우 축적과, 데이터프로세싱, 해

석, 알고리즘 및 프로그램 기술 확보.

- 디젤 배기가스 분석기술 향상.

경제/산업적

- 향후 경유차 배기처리 분야의 핵심기술을 확보함으로

써 무역수지 개선 및 국가경쟁력 우위 확보.

- 고부가가치 산업인 후처리장치 수출.

기타

- 지구온난화 방지를 위한 디젤차량의 수요가 급격히 증

대할 것으로 예상됨으로 관련 핵심기술을 통한 산업 • 경

제적 파급 효과 예상.

- 공해문제와 에너지 효율문제를 동시에 해결할 수 있는

원천기술 활용을 극대화 하여 대기환경개선 및 에너지효

율화에 기여.

<표 1.1> 기술개발시 예상되는 파급효과 및 활용방안

- 16 -

제1-3절 연구개발의 내용 및 범위

1. 국내외 관련분야 환경변화

디젤엔진이 개선되면서, 열효율이 높아지고 디젤차량 배기가스의 온도가 점차적

으로 낮아지고 있다. 배기가스의 온도가 낮아지면 기존의 자연재생식 DPF

(Passive-type DPF) 의 NOx-soot 연소반응이 효율적으로 일어나지 않는다. 또한, 중

국 현지 연료내 황함량이 높기 때문에, 기존의 후처리장치의 보완이 필요하게 되었다.

당해연도에 개발된 PM 저감율 35% 이상의 DOC(P-DPF) 장치와 85% 이상의

DPF 장치의 실차 평가를 수행하여 실차 적용성을 검증하고, 저온 배기차량 및 매연 과

다 차량에 대해서는 강제재생식 DPF 개념이 도입된 Active DPF 를 개발하여 중국 현

지에서 상용화 가능한 디젤 배가스 정화장치 제품을 개발하고자 한다.

- 17 -

최종목표 연구내용

중국 현지에서 상용화 가능한 디젤 배가스 정화장치 제품개발

자연재생식 DPF 제품의 실차적용 검증 및 저온배기차량용의 Active DPF 추가

개발

<표 1.2> 연구과제의 최종목표

2. 연구계획의 목표 및 내용

본 연구개발의 최종목표는 “중국 현지에서 상용화 가능한 디젤 배가스 정화장치

제품의 개발” 이다. 이를 위해, 1차년도에서 개발된 자연재생식 DPF 제품의 실차적용

검증을 수행하면서 저온배기차량용의 Active DPF를 추가 개발하는 것이다.

2차년도 연구는 크게 3가지로 구성되며, 먼저, 저온 배기차량 및 매연 과다 차량

을 위한 강제재생방식 DPF를 개발하여, 중국의 대표적 디젤차량을 대상으로 엔진성능

평가와 3대 이상 실차적용 평가를 수행하고, 엔진내구시험을 실시한다. 장치의 개발은

SK 에너지가 주관하고, 중국 현지의 엔진시험 및 실차시험 일체는 위탁기관에서 수행

한다.

- 18 -

디젤 배가스 정화처리 기술개발

주관기관 : SK주식회사

위탁기관 : 자동차 배기감독중심(VECC)

장치의 시험 및 관리

(1) 엔진동력계 성능시험

(2) 실차 내구성 시험

(3) 엔진동력계 내구 시험

(4) 중국내 시범사업 추진

인증업무

(1) 인증시험안 수립

제남자동차연구소 (JNATC)

북경자동차연구소 (BARI)

각 지방 환경국 (EPA)

연구보고서의 작성

<그림 1.1> 국제공동연구 개발 Scope

3. 국제공동연구개발의 추진계획

가. 국제공동연구 개발 Scope

본 과제는 주관기관인 당 연구소에서 중국 현지에 적합한 디젤 자동차 배기가스

후처리장치를 개발하고, 중국내 위탁기관인 자동차배기감독중심(VECC)에서 중국 사

업에 필수적인 인증시험업무를 담당하여 추진하게 된다. 자동차배기감독중심(VECC)

은 중국 환경총국 산하기관으로 현재 중국내 제작차의 배기가스 감독시험 및 인증을

담당하고 있다.

구체적으로, 당해 연도에 중국내 인증시험에 대비하여 (1) 신규개발 장치의 엔진

동력계 성능시험, (2) 최종 선정된 장치의 실차 내구성 시험, (3) 엔진동력계 내구 시험,

(4) 중국내 시범사업 추진 과정에 있어 중국내 시험기관간 일정 조정 및 관리, 시험비

용 지불, 시험보고서 작성 및 배포 업무를 담당한다.

- 19 -

나. 중국에서의 연구 및 사업계획

중국에서 자동차 배기가스 후처리장치 사업을 하기 위해서는 관련 인증절차가

확립되어야 한다. 아직 중국에는 통일된 배기가스 후처리장치 인증절차가 없으나, 북경

환경국(Beijing EPA)과 중국 환경총국(SEPA)에서 독자적으로 인증절차에 관한 연구

를 수행하고 있기 때문에 조만간 통일된 인증절차가 확립될 것으로 보인다.

당 연구소는 중국내 위탁연구기관인 자동차배기감독중심(VECC)을 활용하여 중

국 환경총국(SEPA)이 배기가스 후처리장치 인증절차를 확립할 수 있도록 지원할 계획

이다. 자동차배기감독중심(VECC)은 현재 제작차/상용차 대상의 인증기관이기 때문에

배기가스 후처리장치 인증절차를 확립하는 데서도 중요한 역할을 할 것이기 때문이다.

인증시험절차는 한국, 일본, 유럽의 실시예를 반영하도록 하고 최종 선정된 중국형 제

품에 대하여 VECC와 함께 인증시험에 필요한 성능 및 내구성 시험을 실시할 계획이

다.

후처리장치 사업은 정부가 보조금을 지원하여 보급하게 되므로, 예산의 적절한

활용이라는 점에서 대체방안(노후차량이 교체, 노후엔진의 교체)과 경쟁하게 된다. 시

장조사 결과 중국형 DOC/DPF 제품이 경제성을 갖추기 위해서는 노후엔진의 교체 비

용 대비 60 - 70% 수준에서 판매하여야 하고 이를 위한 원가절감방안을 도출하여 추

진할 계획이다.

삶의 질과 환경 개선을 위하여 중국 정부에서는 대기질 개선에 노력하고 있다.

Retrofit 사업은 중국 대도시 중심(북경, 상해 등)으로 추진하고 있고, 대체로 요구되는

인증을 확보하면 사업을 진행할 수 있다. 당 연구소는 개발된 중국형 제품에 대해서는

인증시험을 통해 인증을 확보하고, 이후 일본, 한국에서의 경험을 살려 판매 네트워크

를 확보하여 Retrofit 사업을 추진할 계획이다.

제작차용 배기가스 후처리장치의 중국 시장진출을 위해서는 생산, 제품QC 설비

및 인력의 막대한 투자가 필요하고 자동차 제작사와 수 년에 걸친 장기적인 연구를 수

행해야 하는 어려움이 있어서 독자적 신규진출은 사실상 어렵다고 판단된다. 중국내 제

작차용 DOC 를 판매하는 회사와 Joint Venture 를 통해 접근하는 방안 등을 고려하고

있다.

- 20 -

중국 국가환경보호총국이 1997년 설립한 산하연구기관인 VECC는 중국내 가장

유력한 자동차 배기가스 연구기관 중 하나임. 환경보호총국의 규정에 의해 정해진 주요

업무는, 첫째 각종 자동차 환경관련제품의 검측, 둘째 새로 생산하는 자동차의 배기오

염물의 검측, 셋째 신규생산 자동차엔진의 배기오염물의 검측 기능임. 제남 및 우한지

역의 검측연구센터와 실험을 병행하여 수행하고 있으며 최신 자동차 자동시험, 검측 시

스템을 모두 보유하고 있음.

연구책임자인 탕대강 주임은 북경대학 환경화학과와, 미네소타 대학 입자기술실

에서 공부하였으며 대기품질, 자동차배기물질 통제 및 대책 분야에서 오랫동안 활동해

오고 있음. 현재 중국화공학회 상무이사, 중국환경학회 대기분회 부주임 등을 겸임하고

있으며, 국가급 과기 프로젝트를 여러 개 수행하고 있음.

- 21 -

4. 연구원 편성표

주관연구책임자김 용 우

직 급 별참여연구원

소속기관별참여연구원

책임급 8명 출 연(연) 명국공립(연) 10 명선임급 8명대 학 명

원 급 3명산 업 계 9 명

기 타 명 기 타 명계 19명 계 19 명

참여기업 위탁기관

디젤 배가스 정화처리 기술개발

경유매연 후처리장치 중국제품 개발 및 평가

김 용 우 탕 대 강

SK 에너지 중국 자동차 배출가스 감독 규제센터

직급별참여연구원 직급별참여연구원

책 임 급 5 명 책 임 급 3 명

선 임 급 4 명 선 임 급 4 명

원 급 명 원 급 3 명

기 타 명 기 타 명

계 9 명 계 10 명

<그림 1.2> 연구원 편성표

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제2장 국내외 기술개발 현황

제2-1절 국외 기술개발 현황

1. 경유차량 저공해 대응기술

경유자동차 청정성 확보를 위한 기술로는 크게 엔진기술, 촉매와 그 보조기술 및

CNG개조를 들 수 있는데, 그 중 적용가능성이 큰 기술을 기술성숙도에 따라 중장기적

으로 정리하면 <표 2.1>에 나타난 바와 같다.

관련 기술의 동향을 요약하자면, 미국을 중심으로 추진되어 왔던 연료의존적 정

책이 (CNG 기술 등) 안전성 및 경제적 약점으로 인해 보다 실용적인 경유매연저감장

치 (DPF 기술) 및 기타 대체기술로 전환되는 추세를 보이고 있다.

- 23 -

기술 구분기술 확보 시기 및 성숙도

1~3년 3~6년 6~10년

엔진기술

CRDI ◎ ● ●CRDI+EGR ○ ◎ ●

Adv(High NOx) ○ ◎

후처리기술

PMDOC ● ● ●DPF ● ● ●

DeNOx

Urea-SCR ○ ◎HC-SCR(LNC) ○ ◎DeNOx/LNT ○ ◎

보조기술

Plasma ○ ◎Additive ○ ◎ ●

Heater/Burner ○ ◎ ●

연료

경유(황함량 ppm) 350 30 <10

DME ○ ○ ◎CNG ● ● ●

<표 2.1> DPF 기술의 구분

※ 기술 단계 : 도입기 ○, 발전기 ◎, 성숙기 ●

- 24 -

2. 세계의 기술동향

경유자동차로부터 배출되는 입자상물질의(PM) 유해성에 대한 새로운 발견과 이

에 수반되는 사회적 비용의 증가로 말미암아 미국, 일본 및 스위스에서는 PM을 저감시

키기 위한 정부 주도 (또는 업계와 정부의 자발적 협약에 의한) 정책이 집행되고 있다.

PM과 NOx를 저감시키기 위한 기술체계는 <그림 2.1>와 같이 분류할 수 있으며, 이

중에서 PM을 저감시킬 수 있는 기술을 살펴보면, SOF 저감효과가 있는 DOC가 우선

적으로 적용될 수 있으며, 그 후로는 DOC+Passive DPF 시스템, 그리고 신뢰성과 내

구성이 입증된 재생방식을 활용한 Active DPF 시스템이 있다. 또한 DeNOx 저감기술

로는 단기적으로 운행차에는 LNC(Lean-NOx Catalyst), 중장기적으로 대형제작차에

는 SCR, 그리고 소형 제작차에는 LNT(Lean NOx Trap)이 적용될 것으로 전망된다.

PM/NOx Reduction

NOx

LNC

(Lean NOx

Catalyst)

SCR

(Selective

Catalytic

Reduction)

LNT

(Lean NOx

Trap)

PM

SOF PM

DOC DPF

Active Passive

Combination

<그림 2.1> PM/NOx 저감기술 체계도

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Company Technologies

Johnson MattheyCEM(Catalytic Exhaust Muffler), CRT,

CCT(Up-grade kit)

Engelhard CMX, DPX(Sulfer Tolerant), CPX

Lubrizol

Cattrap DPF(Sulfer Tolerant), Combifilter (Cordierite

DPF, SiC DPF), Omega DPF, PuriNOx(Water

emulsion fuel(20%))

Ceryx

Quad CAT(Lean NOx + PM simultaneous reduction

by HC injection, recuperator system using 2NO +

O₂⇒2NO₂( + HC⇒N₂+CO₂) : 5% fuel loss for

25% NOx reduction)

Clean Diesel

Tech

Platinum Plus(Fuel Borne Catylyst, Platinum/Cerium

Bimetalic additive (4-8ppm add) fuel efficiency 4-6%

Up, Exhaust gas 15-30% reduction, Catylyst

performance Up, BUWAL is now approving)

CleanAir

using ISO8178C1 Test Cycle, UDDS/CBD Bench

Schedule(compare weig cycle), 500 vehicles test in

Tawian with 500ppm Sulfur

<표 2.2> 주요 업체별 경유매연저감장치 관련 기술 및 제품 현황

3. 주요 업체의 기술 및 제품

미국의 EPA는 2007년 PM/NOx 규제를 만족할 수 있는 후처리시스템 기술과

그 실제 적용가능성을 검증하고자 하였으나, 관련 산업계가 수용할 수 있는 수준의 신

뢰성 및 가격에 대한 대안을 찾지 못한 것으로 알려져 있다. 주요 업체별 경유매연저감

장치 관련 기술 및 제품의 현황을 종합하면 <표 2.2>와 같다.

- 26 -

제2-2절 국내 기술개발 현황

1. Passive DPF System

Passive DPF System은 당사를 포함하여 4개사가 기술을 개발하여 장치를 판매

하고 있다. Passive DPF System은 촉매반응을 이용하여 축적된 매연을 연소하는 기

술인데, 촉매반응에 필요한 온도를 확보하기 어려운 경우(예를 들어, 저속 주행 차량)에

는 매연 연소반응이 원활히 일어나지 않아 매연의 과축적에 의해 필터가 깨지는 현상

이 발생한다.

특히, 중국의 연료환경은 앞서도 서술하였듯이, 황함량이 국내 ULSD에 비해 5 ~

70배 가량되며, 황함량이 높은 경우는 촉매반응에 의해 설페이트(sulfate)가 발생하여

오히려 PM 저감효올이 떨어지는 현상이 발생한다. 심지어 장치를 부착하고 나서 PM

총량이 증가하는 현상이 나타나기도 한다. 따라서, 중국 전역에 제한없이 적용되기는

어려운 점이 있다.

2. Active DPF System

Active DPF는 당사를 포함하여 3사가 기술을 개발하여 제품화하였는 데, 당사

를 제외한 2개 회사의 기술은 모두 백금계 촉매를 필요로 하고, 이에 따라 설페이트가

생성되는 것을 피할 수가 없다. 따라서, 기술의 유효성 여부를 떠나 설페이트 생성에 따

른 PM 저감효율이 문제가 된다.

또한 2개 회사의 기술은 필터에 매연이 과포집되면 주행중에 자동적으로 매연을

연소할 수 있도록 구성하였는 데, 기술 및 장치의 내구성은 논외로 하고, 이 경우 필터

보호를 위한 잦은 재생과 과도한 연료 사용으로 인하여 연비가 떨어지는 부작용이 발

생하여 디젤엔진의 장점을 훼손하게 된다.

현재, 국내기술 중에는 중국환경에 적용가능한 장치는 없는 것으로 판단된다.

- 27 -

<그림 2.2> HUSS 시스템의 외형

제2-3절 국내외 기술과의 차별성

1. HUSS System

가. HUSS MK-SYSTEM

HUSS는 독일에 기반을 둔 회사로서, 버너에 기반한 DPF 장치를 유럽에 3,000

대 이상 판매하였으며, 미국에서 on-road 와 off-road 모두에서 CARB 인증을 받은

유일한 제품이다. <그림 2.2>에 CARB 인증을 받은 HUSS-MK 시스템의 외형을 나

타내었다.

- 28 -

<그림 2.3> HUSS 시스템의 작동원리

나. 작동원리

기본 구성은 버너와 필터로 되어 있으며, 8시간 정도 주행 후, 필터에 매연이 포

집되면 차의 시동을 끈 후, 30분 정도에 걸쳐 재생을 실시하게 되어 있다. 매연 연소를

위해 외부에서 별도의 Air를 공급하는 시스템이 부착되어 있다. 재생에 소요되는 시간

이 30분 가까이 되는 이유는 SiC 필터가 열 충격에 쉽게 크랙이 가는 단점이 있어, 승

온 속도를 최대한 느리게 하여 필터를 보호하기 위해서이다.

- 29 -

구분 당사제품 HUSS

제품명 Econix-C MK-system

작동방식

매연포집후,

운전자가 버너로 매연 연

소 ￫ 필터재생 (수동식)

재생주기가 지켜지지 않을

때, 시스템에서 스스로 작

동 (자동식)

매연포집 후,

운전자가 버너로 매연 연소

￫ 필터재생 (수동식)

매연포집시간 8시간 ~ 20시간 8시간

재생방식차량 아이들링 상태에서

재생시작

차량 시동을 끈 상태에서

재생시작

재생시간 3분 소요 30분 소요

필터재질 메탈 필터 SiC 필터

<표 2.3> 당사제품과 HUSS 사 제품의 차이

다. 당사기술과 HUSS 기술과의 차별성

당사제품과 HUSS 사의 MK-system 은 ‘매연을 일정기간 포집한 후, 버너를 이

요하여 재생한다’ 는 기본개념은 유사한 편이다. 반면, 당사는 일본과 한국에서의

retrofit 사업경험을 살려, 좀 더 고객의 편의에 중점을 두고 설계함으로써 제품의 성능

및 편의성에서 확연한 차별성을 갖게 되었다. <표 2.3>에 차별성을 정리하였다.

당사제품은 사용자의 편의성을 감안하여, 기본적인 작동은 사용자가 필터에 축적

된 매연 연소를 위한 버너작동을 스스로 하게 하지만, 재생주기가 지켜지지 않을 때는

스스로 작동할 수 있도록 설계되어있다. 또한, 기존 제품이 재생시 30분이 소요되어

차량 운행에 지장을 주는 점을 고려하여, 필터 재질을 변경함으로써 3분만에 재생이 가

능하도록 하였다.

- 30 -

제3장 연구개발수행 내용 및 결과

제3-1절 연구범위 및 연구수행 방법

1. 연구계획과 수행방법

중국형 DPF 제품의 개발을 위한, 연구계획과 수행방법을 <표 3.1>에 요약하였

다.

연 구 범 위연구수행방법(이론적 • 실험적

접근방법)구체적인 내용

중국내 시장환경,

규제수준 조사자료조사

중국내 시장환경, 규제수준, 기술동향, 연료품질, 엔진특성 등을 총체적으로 조사

Partial DPF 기능을

가지는 DOC 구조 설계 자료조사 / 외주

매연 저감을 위한 다양한 형상의 금속재질 필터 및 트랩 탐색, 제작

DOC 촉매 Sulfur Resistance 기능 강화

촉매 개발 및 Screening

Sulfate 생성을 억제하는 다양한 촉매조성에 대한 Screening

DPF 촉매 Sulfur Resistance 기능 강화

촉매 개발 및 Screening

Sulfate 생성을 억제하는 다양한 촉매조성에 대한 Screening

중국용 DOC 엔진시험 엔진동력계 시험Euro II 수준 엔진과 ECE R49 시험모드로 시험

중국용 P-DPF 엔진시험 엔진동력계 시험Euro II 수준 엔진과 ECE R49 시험모드로 시험

중국용 DPF 엔진시험 엔진동력계 시험Euro II 수준 엔진과 ECE R49 시험모드로 시험

<표 3.1> 연구계획과 수행방법

위 연구계획에 따라, 1차년도에는 주로 기존의 촉매를 활용한 자연재생식 DPF

개발에 초점을 맞춰 개발하였으며, 2차년도에는 중국 전역에 사용할 수 있는 DPF 개발

을 위해 Active DPF를 개발하였다.

- 31 -

<그림 3.1> 과제의 업무분장

중국에서의 적용성을 위한 엔진시험 및 실차시험은 위탁기관인 자동차배출가스

감독중심(VECC)에서 주관하게 하였다. <그림 3.1>에 과제의 업무분장 내용을 나타내

었다.

- 32 -

P-DPF DPF 비고

성능목표, % 35% 50%ECE R 49 시험모드

기준

LSD, Low Sulfur Diesel O O 350 ppmS 기준

HSD, High Sulfur Diesel O 2,000 ppmS 기준

<표 3.2> 중국형 DPF 제품의 규격

Engine Displacement 9.7 liter TCi, 6 cylinders

Output 229 kW / 2200 rpm

Emission

Euro 1 emission,

NOx 10 g/kWh

PM 0.257 g/kWh

<표 3.3> 테스트 엔진의 규격

2. 제품개발목표

가. 중국전역대상 개발목표

중국의 국가환경보호총국 자동차배출가스감독센터(VECC, Vehicle Exhaust

Control Center)와 중국 전역에 적용하기 위한 중국형 DPF 제품의 규격에 대하여 <표

3.2>과 같이 협의하였다.

통상 선진 각국에서 DPF 와 P-DPF 의 요구 성능 수준은 85% 와 50% 이지만,

고유황 경유를 사용하는 중국의 연료 현실을 고려하여, 중국 환경보호총국 산하 자동차

배출가스감독규제센타에서 제시한 것이다. 그 대상은 고유황 경유를 사용하는 Euro 1

이하 배기가스 수준의 차량이다.

<표 3.3>과 <그림 3.2>에 테스트 엔진의 규격과 테스트 모드의 상세구성을 나

타내었다. 테스트 엔진은 9.7 liter Turbo-charge 엔진으로 Euro 1 배기수준을 나타

내며 PM 양은 0.257 g/kWh 이다. 이 양은 한국에서 운행되는 통상의 Euro 3 엔진의

약 2.5배에 해당하는 양이다.

- 33 -

<그림 3.2> ECE R49 시험모드의 구성

일반적으로, 경유매연저감 기술은 Euro3 대응엔진 및 초저유황연료유 사용이 보

장되어야 하므로, 중국시장에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 중국의 시장 환경에

적합한 기술로 적용성을 확대해야 하는 실정이다.

당사는 저온배기가스 영역, 고유황연료(350ppm S) 및 노후엔진에 (다량의 PM

이 배출되는 엔진) 적용할 수 있는 다양한 PM 및 NOx 후처리장치 원천기술을 보유하

고 있으며, 촉매연속식 후처리장치, 강제재생방식DPF, 디젤산화촉매장치

Customization을 통하여 중국시장에 보급할 기술Package를 개발하고자 한다. 특히

(대한민국 환경부의 주도하에 정부차원의 배려로) 중국의 전문연구기관과 협력하게 됨

에 따라서 향후 중국 내 상용화 및 보급에 정책적 배려도 기대하고 있다.

- 34 -

분류

입자상물질 절감률%1)

기체상 오염물질

변화 요구기준1)적용기술 사례

초기2) 사용수명

기한 내

1종 ≥35 ≥25기존 엔진을 토대로,

기체상 오염물질

(CO, HC, NOx) 배

출 증가율 10%를

초과하면 안됨.

경유차 산화형 촉

매 컨버터(DOCs)

유형의 기술

2종 ≥50 ≥50통용 입자상물질

여과기

3종 ≥85 ≥85

선진 입자상물질

포집기(DPFs) 기

술

注: 1) GB17691-2001 표준에 따라 측정함.

2) 자동차 실제 운행거리 3,000km 이상 또는 GB17691-2001 표준 규정에

따라 동작상태가 엔진

대에서 20사이클(26시간) 운행된 후에 측정함.

<표 3.4> 오염물질 절감률 요구기준

나. 북경시 환보국 요구기준

북경시에는 저유황 경유(LSD)가 보급되고 있고, 향후 올림픽을 대비하여 초저유

화 경유(ULSD)를 보급할 예정으로, 중국전역 대상보다는 다소 강화된 요구기준을 제

시하고 있다.

하기의 “정화제품 요구기준은 북경시자동차연구소에서 경유차 입자상물질 오염

대처를 위해 만든 원안 심의용 자료로서 향후 정화제품의 인증기준을 시사한다.

< 인 증 기 준 >

1. 제품은 입자상물질 절감률에 따라 3종으로 분류되며, 각 제품의 오염물질 절

감률 요구기준은 아래와 같음.

2. 각종 제품의 장착 전후 엔진성능에 미치는 영향 관련 요구기준:

GB/T18297-2001 표준에 따라 측정할 경우 제품 장착 후와 제품 장착 전을 비교해서

- 35 -

엔진 규정출력 하락률이 10%를 초과하면 안됨.

3. 사용수명 관련 요구기준: 각종 제품의 사용수명은 3년 이상 또는 15만km 이

상이어야 함(먼저 도달하는 조건을 기준으로 함)

4. 사용수명 기한 내에 DB11/121-2003 표준에 의한 검측 결과가

DB11/121-2003 표준 요구기준을 충족시켜야 함.

5. 정비가 요구되는 제품의 경우 제품의 최단 정비주기는 5,000km 이상 또는 2

개월 이상이어야 함.

6. 제2종 및 제3종 제품은 배기가스 배압(back pressure) 제어시스템 또는 기타

효과적인 자동차 안전사용 보호장치를 반드시 구비하여야 함.

7. 기존 소음기를 대체해야 하는 제품의 경우 제품 장착 후 자동차의 가속 주행

외부소음은 GB1495-2002 표준에 따라 측정하고, 개조 전 기존 자동차의 소음 정도를

초과하지 않아야 함.

- 36 -

<그림 3.3> 중국형 제품의 공동개발 계약식

3. 제품 개발 경과

2006년 4월 19일，국가환경보호총국 자동차 배기가스 감독센터(VECC)와 한국

SK주식회사는 북경 장안클럽에서 디젤차량에 사용할 배기가스 정화장치를 공동개발

하는 합작계약을 맺었음. 본 사업은 중한양국 환경보호부문에서 공동으로 지원하는 합

작사업임. 위탁연구기관으로 중국 환경부(SEPA) 산하 자동차배기감독중심(VECC)을

선정하고, SK 경유차량 후처리장치 기술세미나를 실시하였다.

VECC는<중국 디젤 차량 후속처리장치 시장조사 보고>를 SK에 제출하였다

2006년 5월, 중국 국가환경보호총국(SEPA)과 홍콩 교통환경국(HKSAR) 주관

의 MoVEC Workshop 2006 에 참여하여, 포스터 발표를 하였음.

“In-Use Diesel Vehicle Emission Control in Korea and Japan : Development

and Practical Operational Experiences”

2006년 6월 23일，제남자동차연구소(JNATC)에서 개발성과를 토의하고, 내구성

시험방법에 대해 협의함.

- 37 -

2006년 7월, 제2회 한중 국제공동연구 성과세미나 참가

2006년 8월，제남 자동차 검측센터에서 제1차 엔진실험을 진행함.

2006년 11월，제남 자동차 검측센터에서 제2차 엔진실험을 진행함.

2006년 12월，VECC에서 1차년도 성과 및 엔진시험 결과를 정리한 <SK 디젤

차량 후처리장치 엔진시험 종합평가 리포트>를 SK에 제출함

2007년 2월, SK 대덕기술원에서 2차년도 연구개발계획을 협의함

2007년 4월, 제남 자동차 검측센터에서 제3차 엔진실험을 진행함.

2007년 4월 19일, 디젤분사형 Active DPF 1대를 우정차에 장착함.

2007년 6월, Partial DPF 5대와 디젤분사형 Active DPF 3대를 청소차 및 우정

차에 장착함.

2007년 7월, 제남 자동차 검측센터에서 제4차 엔진실험을 진행함.

2007년 8월, 제3회 한중 공동연구 성과세미나에 참가

2007년 9월, 버너방식 Active Partial DPF 1대를 우정차에 장착함.

2007년 11월, 버너방식 Active DPF 4대를 청소차에 장착함.

- 38 -

제3-2절 시장조사 및 규제수준에 대한 조사

디젤 배기가스 후처리 장치는 대상차량(엔진)의 크기, 형식(자연흡기 또는 터보

차지, 인터쿨러 등), 사용연료의 성상(황함량 등)에 따라 적절히 선택/개발될 필요가 있

다. 특히, 중국의 상황은 국내와는 상이하기 때문에, 중국용 제품 개발을 위해서 중국내

디젤차량의 상황, 규제수준 등에 대한 폭넓은 조사가 필요하였다.

이를 위해 중국 국가환경보호총국(SEPA) 산하 자동차배기가스감독중심

(Vehicle Exhaust Control Center, VECC)에 관련 조사를 의뢰하여, 시장조사보고서

“Market Study Report for Diesel Vehicle After-treatment Devices in China" 를

접수하였다. 시장조사보고서 중 핵심내용을 아래에 요약하였다.

<시장조사보고서 요약>

1. 북경시에는 디젤차 총 12만대가 있으며, 그 중 Euro-I 배출기준 도달 39%,

Euro-II와 Euro-III 배출기준 도달 24%이며, Euro-I 배출기준 미 도달이 37%를 차지

함. 기존 디젤차는 주로 중대형 객차와 중대형 화물차이고, 일부 개조 디젤차를 포함하

며, 디젤 승용차는 기본적으로 제로 상태임.

2. 북경시 대중교통 디젤차량이 금번 사업의 목표대상임. 조사에 따르면 북경시

Euro-II 배출기준 이하의 디젤차는 이미 전부 도태된 상태이며, 현재 디젤 대중교통차

량은 총 8000대이고, Euro-II 배출기준 도달 약 2000대, 유로III 배출기준 도달 약 6000

대로 집계됨. 그 중 Cummins IsBe22031 기종 엔진이 북경시 기존 대중교통차량의

70-80%를 점유하고, IVECO F*B 계열 엔진이 약 20-25%를 차지하며, 비교적 대표성

을 갖는 것은 F2BE0682와 F4AE0682 2개 기종의 엔진임.

3. 배출에 직접적인 영향을 미치는 연료 품질의 경우 현재 중국시장에서 판매되

는 디젤 중 황함량이 500ppm 이하는 8%에 불과하고, 그 중 주유소에서 판매되는 것은

약 4%에 그침. 북경시는 석유제품의 황함량을 규제하기 위해 지방표준에 2005년 7월1

일 이후의 차량용 디젤의 황함량이 350ppm을 초과할 수 없도록 규정했음. 샘플조사

결과, 황함량은 기본상 기준초과 현상이 발견되지 않음.

- 39 -

4. 중국 내 제조업체가 생산한 배기가스 후처리장치는 주로 DOC이며, 완성차공

장에서 조립에 사용하는 중국산 DOC는 모두 내구성 문제가 존재함. 현재 이미 중국

배기가스 후처리 시장개발에 착수한 외국기업으로는 Engelhard, Johnson Matthey 등

이 있으며, 최근에는 이탈리아 Pirelli사와 덴마크 Grundfos사 역시 중국 디젤차 후처

리 장치 시장진입 의사를 밝혔음. 이상 외자기업 제품은 DPF를 위주로 하며, 대체로

기술수준이 비슷하기 때문에 제품가격이 시장점유율에 결정적인 영향을 미칠 것임.

5. 대중교통차량의 개조 방면에서 북경시는 2006년과 2007년 4,000-5,000대를

갱신할 계획이며, 2008년까지 북경시의 대중교통차량 보유량은 현재의 18,000여대에서

약 23,000대로 늘어나게 됨. 북경시 디젤차 2개 개조 시범사업의 진행에 따라 이는 북

경시, 더 나아가 기타 다른 지역의 디젤차 개조계획에도 영향을 미칠 전망임.

- 40 -

<그림 3.4> 산화촉매의 PM 성분에 대한 작용

제3-3절 촉매방식 DPF/P-DPF 개발

1. 촉매방식 DPF/P-DPF 개요

가. 작동원리

디젤 배기가스의 PM 성분은 크게 Soot, Soluble Organic Fraction (SOF),

Sulfate 로 구성되며, 일반적으로 검은 매연은 Soot 성분을 의미한다. 디젤 배기가스

후처리장치의 대표적인 DPF 와 DOC 는 각각 Soot 과 SOF 성분을 저감하도록 설계

되어 있는 데, 각각 Wall-flow 방식과 Flow-through 방식으로 PM을 저감한다. 이러

한 저감원리는 PM 성분 중 Soot 과 SOF 성분은 주로 탄소화합물로 이루어져, 산소

(O2) 존재 하에서 산화촉매의 작용에 의해 CO2 로 연소되기 때문이다.

<그림 3.4>에 의하면, DPF 장치 전 배기가스 조성은 산화촉매를 거치면서,

SOF, THC, CO 가 산화 연소되어 저감되는 모습을 보여주고 있다. Soot 성분은 산화

촉매에서는 변함없으나, 촉매코팅필터를 지나면서 저감되고 있다. 촉매코팅필터에 축적

된 Soot 성분은 여러 가지 화학반응에 의해 연소되어 CO2 로 배출된다. NOx 성분은

산화촉매와 촉매코팅필터를 지나면서 화학적으로 변형되기는 하지만, 그 총량은 그대

로 유지되어 배출된다.

- 41 -

<그림 3.5> 설페이트 생성 원리

나. 설페이트(Sulfate) 생성

배기가스 중 SO2 성분은 산화촉매에 의해 SO3 로 산화된 후 수분(H2O)과 반응

하여 PM 중 Sulfate 가 된다. 요컨대, 산화촉매의 산화기능은 Soot 과 SOF 성분은 저

감할 수 있지만 Sulfate 성분은 증가시키게 된다. <그림 3.5>에 설페이트가 생성되는

원리를 도시하였다.

국내에서 유통중인 초저유황경유(ULSD, S < 50 ppm)를 사용할 때에는 배기가

스 내 SO2 의 농도는 수 ppm 수준으로 배기가스 내 존재하는 다른 NOx,

Hydrocarbon (HC) 등에 비해 상대적으로 1% 미만이기 때문에 산화촉매에 의해

Sulfate가 발생하더라도 문제가 되지는 않는다. 그러나, 저유황경유(LSD, S < 500

ppm)를 사용할 때에는 배기가스 내 SO2 농도가 10 ~ 30 ppm 수준이 되어, 산화촉매

에 의해 생성되는 Sulfate 의 양이 초기 PM 보다 높은 수준이 되는 경우가 있다.

- 42 -

<그림 3.6> 저유황경유(LSD) 사용시 산화촉매에 의한 PM 조성의 변화

다. 설페이트 생성 효과

<그림 3.6>에 도식화하여 나타내었는 데, 베이스에서 PM 의 주성분은 Soot 으

로 대략 75%를 차지하며, Sulfate 는 5% 미만이다. 그러나 DPF 장치를 지나면서,

Soot 성분은 50% 이상 저감되지만, Sulfate 성분과 Sulfate 에 응축된 수분 (Bound

Water) 는 큰 폭으로 증가하고, 이에 따라 산화촉매후 PM 성분의 대부분은 Sulfate

와 Bound Water 로 구성됨을 알 수 있다. 즉, DPF 를 사용할 경우 Soot 이 제거되어

검은 매연은 저감되지만, 반면 Sulfate 가 증가하여 PM 의 총량은 증가하는 것을 알

수 있다.

후처리장치를 사용하여 디젤차량의 PM을 제거하기 위해서는 Soot 과 SOF 를

제거하는 핵심기능을 수행하는 산화촉매의 세기를 적절하게 조정할 필요가 있다. 즉,

요약하면 중국용 DPF/DOC 제품의 산화촉매에 요구되는 특성은 기존의 제품에 비해

- 43 -

<그림 3.7> 담체별 SO2 흡착량 상대 비교

Soot 과 SOF 성분을 저감하면서도, Sulfate 생성을 최대한 억제하여야 한다.

2. 촉매개발

가. 담체의 선정

앞서 논의된 바와 같이, 황을 함유하는 연료에 적용하는 DPF 시스템, 특히 촉매

의 경우에는 설페이트 생성을 억제하는 특성이 매우 중요하다.

설페이트는 담체에 흡착된 후, 촉매 물질과 반응하여 발생하는 것이 일반적이므

로, 설페이트 억제를 위해서는 SO2 흡착을 억제하는 담체의 선정이 매우 중요하다. 아

래 <그림 3.7>에 문헌에 알려진 다양한 담체와 당사의 촉매담체의 SO2 흡착량을 비교

하였는 데, 일반적으로 널리 사용되는 알루미나(Al2O3) 담체에 비해 SO2 흡착량이 현

저히 낮은 것을 알 수 있다. 이는 촉매와 SO2 반응에 의한 설페이트 생성을 억제하는

의미가 있으므로, 고유황 경유에 대응하는 중국형 제품에 적합한 담체로 판단된다.

- 44 -

<그림 3.8> 백금-바나듐 촉매의 SO2 산화력 비교

나. 산화촉매의 선정(Screening)

산화촉매의 세기를 조절하기 위하여, 산화촉매로 널리 사용되는 백금(Pt) 촉매에

Sulfate 생성을 억제하는 바나듐(V)을 조촉매로 하여, Sulfate 생성을 억제하면서도

Soot 과 SOF 가 연소되는 최적점을 찾는 실험을 하였다. 이를 위해 배기가스 조성을

모사한 촉매시험장비에서 촉매를 screening 하였다.

백금-바나듐 촉매는 백금 촉매의 산화력을 유지하면서도 Sulfate 생성을 억제할

수 있는 좋은 촉매조성으로, 아래 <그림 3.8>에 백금촉매와 백금-바나듐 촉매의

Sulfate 생성특성을 요약하였다. 백금 촉매 하에서는 SO2 산화가 250 도의 저온에서부

터 발생하여 400도 이상에서 SO2 는 100% 산화되고 있다(SO2-1). 바나듐함량이 증가

되면서, Sulfate 생성은 상당히 억제되고 있음을 알 수 있으며, 백금량과 동일한 수준의

바나듐 함량에서는 500도 에서도 전환율이 50% 미만임을 알 수 있다. 백금량보다 많은

수준 이상에서는 바나듐 추가에 따른 효과가 뚜렷하지 않으며, Sulfate 생성 억제효과

는 어느 정도 saturation 되어 감을 확인할 수 있다. PV4 조성에서는 500도에서도

Sulfate 생성 전환율이 20% 미만임을 확인할 수 있었다.

- 45 -

<그림 3.9> 백금-바나듐 촉매의 Hydrocarbon 연소력 비교

Bound water 는 Sulfate 에 흡착되는 것으로, Sulfate 양에 비례하여 증가하기

때문에 Sulfate 생성을 억제하면 Bound water 를 포함한 산화촉매 후의 PM 양을 현

저히 줄일 수 있다. 500도에서 Sulfate 생성을 25% 수준으로 낮추게 되면, 산화촉매 후

PM 양은 -40% (산화촉매 후 PM이 증가함) 증가에서 25% 저감으로 큰 폭으로 저감

할 수 있다.

반면, Sulfate 생성을 억제하기 위하여 촉매성능을 조절하면 Hydrocarbon 산화

성능 역시 억제되어 PM 성분 중 SOF 함량 저감이 용이하지 않게 된다. <그림 3.9>에

백금촉매와 백금-바나듐 촉매의 Hydrocarbon 연소성능을 나타내었다. 바나듐 함량이

증가하면서 Hydrocarbon 의 연소성능은 떨어지고 있으며, 그 지표인 50% light-off

temperature 는 백금촉매의 240도에 비해, PV5 촉매는 320도까지 80도 정도 후퇴하고

있음을 알 수 있다. 산화촉매를 실제 차량에서 사용하기 위해서는 배기가스 온도조건

범위인 300 도 이하에서 PM 성분 중 SOF 성분을 저감하여야 하므로 바나듐 촉매의

함량에 적절한 제한을 두어야 함을 알 수 있다.

Lab 실험결과를 토대로 백금-바나듐 촉매의 함량을 적절히 제한함으로써, 저유

황 경유 (LSD) 하에서 작동할 수 있는 산화촉매 조성을 결정할 수 있었다.

- 46 -

<그림 3.10> 다양한 DPF 촉매의 매연연소 온도 비교 (TGA-DTA)

다. DPF 촉매의 선정(Screening)

DPF 촉매의 Soot 연소반응은 (1) 저온영역의 NO2 - Soot 연소반응과, (2) 중/

고온영역의 O2 - Soot 연소반응으로 구분되는 데, 초저유황경유(ULSD)를 사용하는

자연재생식 DPF 에서는 첫 번째인 NO2 - Soot 연소반응을 효율적으로 이용하여, 저

온에서 Soot 연소를 유도하고 있다. NO2 - Soot 연소반응에 필요한 NO2 는 배기가스

내에 존재하는 NOx 성분을 산화촉매에 의해 산화하는 방법을 이용하게 된다. 산화촉

매의 세기가 강할수록 NO2 생성량이 높아져서 DPF 에 포집된 Soot 을 원활히 연소할

수 있게 된다.

반면, 저유황경유(LSD)를 사용하는 경우에는 NO2 생성량을 높이기 위해 산화촉

매 세기를 강하게 하면 과량의 Sulfate 가 생성되기 때문에 앞에서 ‘나. 이론적 접근 배

경’에서 설명한 이유에 의해, 촉매 세기를 적절히 조절해야 한다.

<그림 3.10>에서 촉매조성의 변화에 따라 Soot 연소온도의 변화를 나타내었다.

촉매조성은 (1) 촉매-Soot 의 tight contact 조건, (2) 촉매의 oxidation-reduction 싸

이클, (3) Oxygen storage 기능에 다양한 변화를 주도록 조절하였는 데, 이에 따라 초

기 435도 수준에서 연소되던 Soot 이 280 도 수준까지 그 연소연도가 낮아졌으며,

DTA peak 이 커지므로, 연소속도도 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 이러한 Soot 의

저온연소특성은 DPF 에 포집된 Soot 성분을 적시에 연소함으로써 DPF 의 재생을 돕

고 장치의 안정성을 보장할 수 있었다.

- 47 -

3. 엔진시험

가. 엔진시험 개요

산화촉매와 DPF 촉매의 screening 과정을 거쳐 결정된 촉매조성의 적용성을 평

가하기 위하여 DOC 5종, P-DPF 13종, DPF 10종의 총 28종 시제품을 제작하여 엔진

동력계 평가시험을 수행하였다.

엔진시험은 중국에서 생산된 Euro I 수준의 9.7 리터 터보차지(turbocharge) 엔

진을 사용하였으며, ECE R49 시험모드에 따라 수행하였다. 중국 현지 상황을 반영하

기 위하여 LSD 급 연료 (S = 350 ppm) 를 사용하여 시험하였다. <표 3.5>에 시험엔

진의 특성을 요약하였다.

Engine model WD615.68A

Engine manufacturer Hangzhou Engine Company

Engine type Turbo charge intercooler

Cylinders 6

Displacement 9726 cm3

Compression ratio 17 : 1

Rated power 229 kW / 2200 rpm

Emission levels

NO 10 g/kwh

CO 0.9

THC 0.43

PM 0.257

<표 3.5> 시험엔진의 규격

- 48 -

모드엔진회전수,

rpm토크, Nm 출력, kW Weight factor 출구온도

1 659 0.1 0 0.08 139

2 1320 119.2 16.47 0.08 165

3 1320 295.8 40.88 0.08 241

4 1320 593.5 82.05 0.08 364

5 1320 891.8 123.28 0.08 460

6 1320 1216.3 168.13 0.25 530

7 658 0 0 0.08 183

8 2200 897.3 206.72 0.10 442

9 2200 667.9 153.88 0.02 391

10 2200 444.7 102.46 0.02 333

11 2200 222 51.14 0.02 261

12 2200 88.5 20.38 0.02 202

13 658 0 0 0.08 114

<표 3.6> ECE R49 시험모드의 구성 및 출구온도

ECE R49 시험모드는 full-load 의 가혹조건에서 장치의 성능을 검증하기 위한

것으로 구식 디젤엔진의 PM 배출량 산정에 이용되며, 총 13개 시험모드로 구성되고,

이중 1, 7, 13 모드는 아이들링(idling) 이다. 6 모드는 fill-load 이며, 배출가스 온도는

530 도까지 상승하였다. Full-load 조건에서는 PM 성분 중 SOF 함량이 5% 미만으로

낮기 때문에, DOC 장치의 저감효율에 불리하며, 온도가 높아서 Sulfate 생성 가능성이

높기 때문에 산화촉매에는 불리한 조건이다. 특히, ECE R49 시험모드에서는 6 모드의

Weight factor 가 25%로 높기 때문에 초기 촉매조성으로는 PM 저감 목표를 달성하기

어려웠으나, 지속적인 촉매 및 장치개선에 따라 PM 저감목표를 달성할 수 있었다.

<표 3.6>에 ECE R49 시험모드의 구성 및 출구온도를 요약하여 나타내었다.

- 49 -

<그림 3.11> 엔진동력계 실험 모습

<그림 3.11>에 엔진동력계 시험평가 모습을 나타내었다.

- 50 -

장치PM 양,

g/kwhPM 저감율(%)

BASE 0.265

DPF #1 0.252 4.9

DPF #8 0.039 85.3

DPF #10 0.055 79.2

<표 3.7> 엔진동력계 시험평가결과 요약

<그림 3.12> DPF 제품의 엔진동력계 성능평가결과

나. DPF 성능시험결과

<표 3.7>와 <그림3.12>에 엔진동력계 시험평가한 DPF 제품의 시험결과를 요

약하였다. 중국연료와 국내연료의 차이가 있어, 당사에서 보유한 엔진동력계에서 평가

한 시험결과와 중국 제남자동차연구소(JNATC, Jinan Automotive Testing Center)

에서 평가한 시험결과가 일치하지 않아서, 중국 연료 특성을 감안한 촉매조성을 개발하

여 요구성능을 만족할 수 있었다.

DPF #8 제품의 경우, CO, HC (Hydrocarbon), PM 저감율이 각각 96%, 86%,

85% 였으며, NOx 는 분석기기 오차범위에서 일부 저감됨을 확인하였다.

- 51 -

장치PM 양,

g/kwhPM 저감율(%)

BASE 0.265

P-DPF #1 0.364 -37.5

P-DPF #2 0.252 5.1

P-DPF #3 0.163 38.4

P-DPF #4 0.314 -18.6

P-DPF #9 0.116 56.2

P-DPF #11 0.119 55.1

P-DPF #12 0.105 60.4

P-DPF #13 0.169 36.2

<표 3.8> 엔진동력계 시험평가결과 요약

<그림 3.13> P-DPF 제품의 엔진동력계 성능평가결과

다. P-DPF 성능시험결과

<표 3.8>에 엔진동력계 시험평가한 P-DPF 제품의 시험결과를 요약하였다. 중

국 연료 특성을 감안한 촉매조성을 개발하여 요구성능을 만족할 수 있었다.

P-DPF #9 제품의 경우, CO, HC (Hydrocarbon), PM 저감율이 각각 54%,

53%, 56% 였다.

- 52 -

<그림 3.14> P-DPF 제품의 고유황연료(HSD)하에서의 성능평가

P-DPF #12 의 경우, 고유황 (HSD, 1000 ppmS) 연료 조건에서도 PM을 60%

저감할 수 있었다. 북경시를 제외한 중국 전역의 연료품질은 고유황 연료이기 때문에,

P-DPF #12 촉매조성은 중국 전역에 적용할 수 있도록 개발되었다.

- 53 -

R49试验去除率

65.79

1.23

52.78

36.36

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

CO NOX THC PM

<그림 3.15> ECE R 49 시험모드 상의 성능

매연저감효율이 높을수록 촉매에 의한 높은 수준의 재생을 요하기 때문에, 장치

의 내구성능이 떨어지는 경향이 있다. 이런 이유로, P-DPF 성능을 35% 수준에서 유

지하면서, 장치의 내구성능을 높이기 위한 노력을 하였다.

P-DPF #13 제품은 P-DPF #12 와 동일한 촉매조성을 가지면서, 필터의 포집효

율을 낮춤으로써, 장치내 매연이 적절히 재생되지 않더라도 배압이 일정이상 걸리지 않

도록 설계하였다. P-DPF #13 제품을 중국형 P-DPF 장치로 선정하고 ECE R 49 시

험모드 상에서 장치의 성능을 분석하였다. <그림 3.15>에 시험결과를 나타내었다.

- 54 -

ETC试验去除率

87.01

2.78

62.27

31.78

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

CO NOX THC PM

<그림 3.16> ETC 시험모드 상의 성능

ECE R 49 시험모드는 1 사이클이 13개 시험모드로 이루어져 다양한 도로 주행

조건을 표현하기는 하지만, 유해가스 분석 및 PM 분석은 steady-state 조건에서 이뤄

지기 때문에, 실제주행 조건을 좀 더 현실적으로 모사하기 위하여 선진각국에서는

transient 시험모드를 도입하여 실시하여 왔다. ETC (European Transient Cycle) 시

험모드는 Euro 3 급 이상 차량에 적용하는 표준의 transient 시험모드로 P-DPF #13

의 저감성능을 평가하였다. <그림 3.16>에 결과를 나타내었다.

유해가스 성분 (NOx, CO, THC)에 대하여, P-DPF 장착 전후 농도를 분석한

결과를 <그림 3.17>에 나타내었다. 장착 전후, NOx 농도는 큰 변화가 없었지만, CO

와 THC 는 저감되었으며, 특히 CO는 장착전 대비 상당량 저감됨을 확인하였다.

- 55 -

<그림 3.17> ETC 시험모드상 유해가스 저감성능

- 56 -

장치PM 양,

g/kwhPM 저감율(%)

BASE 0.265

DOC #1 0.571 -115

DOC #2 0.544 -105

DOC #3 0.548 -107

DOC #4 0.284 -7.3

DOC #5 0.244 7.8

<표 3.9> 엔진동력계 시험평가결과 요약

<그림 3.18> ECE R49 시험모드의 PM 성분 구성

라. DOC 성능시험결과

DOC 제품은 일반적으로 엔진크기 2 liter 급의 소형 디젤승용차에 적용되는 것

으로, 배기가스 PM 성분 중 SOF 성분만을 제거하기 위한 목적으로 장착되기 때문에,

최대 PM 저감율은 PM 중 SOF 함량에 의존적이다. 촉매 성능을 변화시켜 가며 5종의

DOC를 제작하여 평가하였고, 최대성능은 PM 저감율 7.8 %를 나타내었다.

기존의 문헌결과와 내부 시험결과를 토대로, 중/대형 엔진의 ECE R49 시험모드

상에서 PM 내 SOF 의 함량은 15% 이내였으며, DOC 제품의 특성상 SOF 성분을 완

전히 저감하더라도 PM 정화율 15% 이상을 달성하기는 어려운 일이다. 실제로는 SOF

성분의 완전저감이 어렵고, Sulfate 생성효과도 있어서 최대 7.8% 수준을 달성하였다.

- 57 -

이러한 연료, 엔진, 시험모드에 내재한 근본적인 이유로 일반적인 flow-through

type DOC 로는 PM 저감율 35% 를 달성할 수 없었기 때문에, PM 포집기능을 가지는

P-DPF 로 대체 개발하여, PM 저감율 38.4%를 달성할 수 있었다. P-DPF 는 매연포

집기능이라는 면에서는 DPF 와 유사하나, flow-through 방식의 매연저감기능으로

DOC 에 특징을 가지기 때문에 DPF가 가지는 재생불량에 따른 한계는 가지지 않는다.

DPF 제품개발에 있어서는 DOC 와 P-DPF 개발과정에서 실험실 결과와 엔진결

과의 correlation 을 충분히 갖춤으로써 시행착오 없이 개발이 가능하였다.

- 58 -

<그림 3.19> 촉매설계에 따른 PM 저감율 제어

4. 촉매설계

가. 촉매설계에 의한 PM 저감율 변화

본 과제를 진행하면서, 다양한 연료 상황에 대한 설페이트 발생량을 조절하는 촉

매기술을 적용하였으며, 촉매설계에 따라 PM 저감율을 0 ~ 80% 까지 다양하게 조절

할 수 있었다. 대체로 촉매의 산화성능을 강하게 할수록 설페이트 생성에 의해 PM 저

감율이 떨어지는 현상이 나타났다. 그 결과를 <그림 3.19>에 나타내었다.

촉매 설계에 있어, 주의할 점은 설페이트 생성을 억제하기 위해 촉매 성능을 낮

추다 보면 (Weak catalyst), 매연 연소반응 속도 또한 떨어져서 결국 장치의 성능을

낮추게 되는 결과를 초래한다는 점이다.

- 59 -

<그림 3.20> 축적속도와 연소속도, BPT 간의 관계

나. BPT (Balance Point Temperature)

BPT (Balance Point Temperature) 로 표현되는 제품의 성능은 필터 관점에서,

매연이 축적되는 속도(RateAccumulation)와 촉매반응에 의해 매연이 연소되는 속도

(RateOxidation) 에 의해 결정되는 변수이다. 반응온도 (배기가스 온도)가 낮을 때는 통

상 매연연소속도가 낮고, 매연 축적속도가 높기 때문에, 배연이 축적되지만,

Soot Accumulation Condition : RateAccumulation > RateOxidation

반응온도가 상승할수록, 매연연소속도가 급격히 증가하여 특정 온도에서 두 속도

는 같아지며, 거시적으로 (macroscopic) 필터에 매연이 축적되지 않는 것처럼 보인다.

Balance Point Temperature : RateAccumulation = RateOxidation

반응온도가 더 증가하여 BPT 이상이 되면, 매연연소속도가 매연축적속도보다

커져서 매연은 더 이상 쌓이지 않고 오히려 축적되어 있는 매연이 더욱 연소되어, 자연

적으로 필터의 재생이 일어나게 된다.

Regeneration condition : RateAccumulation < RateOxidation

- 60 -

<그림 3.21> P-DPF 장치를 청소차에 장착한 모습

5. 실차시험

개발된 촉매방식 P-DPF 제품을 북경시 청소차량, 우정국 차량 등 5대에 장착하

여 운행하였다. <그림 3.21>에 P-DPF를 청소차에 장착한 모습을 나타내었다.

- 61 -

<그림 3.22> P-DPF 장착차량의 주행중 온도, 배압 특성

차종 엔진 장치종류 PM 저감 매연저감

청소차 Euro 1 P-DPF 76% 59%

우정차 Euro 2 A-DPF 87%

<표 3.10> P-DPF 및 A-DPF 의 실차평가결과

청소차에 장착한 P-DPF 의 Lug-down 평가결과, PM 저감효율은 76%, 매연저

감효율은 59%였다. 그 결과를 <표 3.10>에 나타내었다.

청소차에 장착후, 3개월간 P-DPF를 운행한 결과를 <그림 3.22>에 나타내었다.

차량의 일일 최대배압이 200 mbar 이하에서 양호하게 유지되고 있음을 확인하였다.

- 62 -

6. 결론

2008년 북경올림픽에 대비해, 중국 정부에서는 대기질 개선에 많은 노력을 기울

이고 있으나, 예산사정에 따라 DPF 를 장착해야 하는 중형 및 대형차량에 있어서도

DOC 를 장착하려는 계획을 가지고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 일반적인 DOC 제

품의 개념으로는 PM 저감목표를 달성할 수 없기 때문에, DOC 장치의 테스트에는 별

도의 시험모드를 채택하거나, 또는 일반적인 개념의 DOC 보다는 매연저감 효과를 가

지는 Parital DPF (PDF) 로 대체해야 할 필요가 있다.

1차년도 목표인 디젤차량 배기가스 중의 PM을 35% 이상 제거하기 위한 Diesel

Oxidation Catalyst (DOC) 장치 및 85% 이상 제거하기 위한 Diesel Particulate

Filter (DPF) 장치를 개발하기 위하여,

1. 중국의 현지상황을 파악하기 위하여 중국내 위탁기관인 자동차 배기가스감동

중심에 의뢰하여 시장보고서를 작성하였으며, 이를 토대로 중국용 후처리장치 개발을

위한 이론적 배경을 도출하였다.

2. 중국용 제품의 관건인 Sulfate 생성을 효과적으로 억제하기 위하여 실험실에

서 산화촉매와 DPF 촉매를 screening 하여 엔진테스트에 적합한 촉매조성을 결정하였

다.

3. 실험실에서 개발된 촉매조성을 바탕으로 엔진시험용 시제품을 제작하여 중국

현지 엔진시험조건에서 성능을 평가하여, PM 85% 이상 제거하는 DPF 제품을 개발하

였다.

4. DOC 제품의 특성상 중국 현지 엔진시험조건에서는 PM 저감 35% 달성이 어

려웠기 때문에, 매연포집기능을 갖도록 재설계한 P-DPF 장치를 개발하여 PM 저감율

35%를 달성하였다.

- 63 -

<그림 3.23> CRT, CCRT, Active CCRT 의 적용범위 비교

제3-4절 디젤주입방식 Active DPF 개발

1. 디젤주입방식 Active DPF

가. 작동원리

디젤주입방식 Active DPF는 기존의 촉매를 이용한 자연재생방식 DPF 장치가

정상작동 하기위해 배기가스 온도가 촉매반응이 가능한 온도보다 높아야 하는 단점을

보완하기 위한 것이다. 자동차 배기가스에 디젤연료를 분사하고, 촉매를 통과하여 연

소시킴으로써 발생하는 연소열을 이용하여 배기가스 온도를 촉매반응이 가능한 온도

이상으로 승온시켜 매연을 저감하는 원리이다. <그림 3.23>에 기존의 촉매방식 DPF

(CRT, CCRT) 와 Active DPF (Active CCRT) 의 성능차이에 따른 적용가능한 차량

배기가스 온도범위를 나타내었다.

- 64 -

<그림 3.24> 디젤주입방식 Active DPF와 기존 방식과의 차이점

특히, 중국에 적용한 시스템에는 촉매반응의 효과를 향상시키기 위하여 연료첨가

촉매 (FBC, Fuel Borne Catalyst)를 함께 적용하였다. 기존의 촉매코팅 방식이 필터

표면에 코팅하는 것으로 필터에 축적된 매연이 촉매와 접촉하기 어려웠던 반면, 연료첨

가 촉매는 엔진에 직접 주입하는 것으로, 엔진내에서 매연과 촉매가 균일하게 혼합됨으

로써 촉매반응의 효율을 높이도록 설계된 것이다. 기존 필터코팅 방식의 촉매에 비해

더 낮은 온도에서 반응하고, 반응효율이 높다.

<그림 3.24>에 기존 Passive DPF, Active DPF 와 당사가 중국에 적용한

Active DPF + FBC 방식의 차이점을 비교하였다.

- 65 -

<그림 3.25> 디젤주입방식 Active DPF 구조도

나. 시스템 구조

<그림 3.25>에 디젤주입방식 Active DPF 시스템의 구조를 나타내었다. 기존

의 DPF 시스템에 추가되는 하드웨어는 (1) FBC 주입을 위한 장치들 - FBC 탱크, 주

입장치(dosing system) 과 (2) 연료 주입을 위한 장치들 - Fuel Line, Sol v/v, Pump,

Injector, (3) 장치제어를 위한 컨트롤러 (Controller)로 구성되어 있다.

- 66 -

<그림 3.26> 디젤주입방식 Active DPF 에 추가된 부품들

다. 개발 부품들

기존의 자연재생방식 DPF와 비교할 때, 디젤주입방식 Active DPF에 추가된 부

품들은 (1) Diesel injection device, (2) Electronic injection controller, (3) Fuel

pump, (4) Injector, (5) Sensor, (6) Harness 등이며, <그림 3.26>에 나타내었다.

- 67 -

Engine DE12Ti

Maker DAEWOO

Engine Size 11,051 cc

Max. Power 280 ps / 2,100 rpm

Max. Torque 115 kgm / 1,260 rpm

Intake Air TCi

Cylinder No. / Injection Type 6 / Direct Injection

<표 3.11> 평가엔진 규격

<그림 3.27> 엔진동력계 시험평가 모습

2. 엔진시험

가. 엔진시험 개요

디젤주입방식 Active DPF 에 대해 당사에 구비된 엔진설비를 이용하여 성능평

가를 실시하였다. 사용된 엔진의 규격은 <표 3.11>과 같다.

- 68 -

Unit : g/k조 CO HC HC+NOx NOx PM

Base (w/o DPF) 1.328 0.292 12.134 11.842 0.254

DPF 0.085 0.075 11.246 11.171 0.014

DPF (after 25hr) 0.088 0.073 11.245 11.172 0.022

DPF (after 50hr) 0.084 0.077 11.245 11.168 0.020

Reduction Ratio 94% 74% 7% 6% 92%

<표 3.12> 디젤주입방식 Active DPF 제품의 성능평가

나. PM 저감성능 평가

11 liter 급 Turbocharge 평가엔진을 이용한 디젤주입방식 Active DPF 제품의

성능평가 결과를 <표 3.12>에 나타내었다. 시험모드는 D-13 모드를 이용하였다. 장치

의 초기상태, 25시간, 50시간 사용 후, 성능평가 결과를 함께 나타내었다. 25시간 사용

후부터 장치의 성능이 일정하게 유지됨을 확인하였고, CO, HC, NOx, PM 저감효율은

각각 94%, 74%, 6%, 92%를 나타내었다.

- 69 -

<그림 3.28> 시내버스 모사환경에서 디젤주입에 따른 승온효과

<그림 3.29> 엔진 운전조건에 따른 승온효과 분석

다. Active DPF 장치 승온실험

시내버스 환경을 엔진동력계 상에서 모사하면서, 장치의 성능을 확인한 결과를

<그림 3.28>에 나타내었다. 배기가스 온도는 200도 전후로 일정하게 유지되지만, 디

젤연료가 주입되면서 연료에 연소에 의한 연소열로 필터 내부온도가 450 ~ 550 도로

승온되는 효과를 보여주고 있다. 디젤연료 주입양 (Injection Duty) 에 따라 승온효과

를 일정하게 제어할 수 있었다.

<그림 3.29>은 엔진의 rpm 변화, Load (토크) 변화, 디젤연료 주입양 변화에 따

른 승온효과를 보여주고 있다. 배기가스 온도와 rpm 에 따른 다소의 차이는 있었지만,

차량 운행조건의 모든 영역에서 승온이 가능함을 알 수 있었다.

- 70 -

<그림 3.30> 디젤주입에 따른 온도승온효과

<그림 3.30>에 디젤주입에 따른 온도 승온효과를 정량적으로 나타내었다. 장치

장착적 배기가스 온도는 250 도 이상이 약 20%, 300 도 이상은 관찰되지 않았다. 장치

장착후, 250 도 이상은 84%로, 300도 이상은 79% 로 향상되어 장치 작동에 따른 온도

승온효과를 확인할 수 있었다.

- 71 -

<그림 3.31> 개선된 디젤주입방식 Active DPF의 승온효과

라. 개선된 디젤주입방식 Active DPF 특성

기존의 디젤주입방식 Active DPF 는 주입된 디젤 연료를 촉매에서 연소하는 방

식을 취하였다. 이러한 촉매연소반응이 원활히 일어나기 위해, 배기가스 온도가 230도

이상 되어야 하는 단점이 있었다. 이러한 단점을 개선하기 위하여, 촉매반응 전단계에

점화기(Igniter)를 사용하여, 주입된 디젤의 연소를 보조하는 방식을 적용하였다.

그 결과 배기가스 아이들링 상태에서도 Active 기능에 의하여 매연연소가 가능

한 온도까지 승온이 가능하였다. <그림 3.31>에서 배기가스 온도 100 도 전후의 아이

들링 상태에서도 600 ~ 950 도까지 승온이 가능하였고, 1,000 rpm 에서도 450 도까지

승온이 가능하였다.

- 72 -

<그림 3.32> 디젤주입방식 Active DPF 가 장착된 우정국 차량

3. 실차시험

개발된 디젤주입방식 Active DPF를 북경시 우정국차에 적용하여 내구성 평가를

실시하였다. <그림 3.32>은 우정국차에 적용한 모습을 보여주고 있다.

- 73 -

<그림 3.33> A-DPF를 우정차에 적용한 후 온도/배압 운행데이타

디젤주입방식 Active DPF를 적용후, 3달간 운행결과를 분석하면, 일일 최대배압

은 100 mbar 이하에서 유지되고 있음을 확인하였다. 운행 5개월 후, 9/11에 장치 후단

부를 확인한 결과, 매연이 전혀 감지되지 않고 있음을 확인하였다.

- 74 -

4. 결론

디젤주입방식 Active DPF를 개발하여, 배기가스 온도가 300도 이하로 주행하는

저속 주행차에도 적용할 수 있게 되었다.

디젤 주입양과 시간을 조절하여, DPF 필터의 온도를 500 ~ 600 도까지 임의로

승온시킬 수 있어, Soft regeneration 이 가능하여, 장치의 배압은 3 ~ 5 psi 이하로 유

지되었다.

디젤주입방식 Active DPF 적용을 위한 요구사항은,

1. 차량의 통상적인 정비가 되어야 하고, (오일 소모량이 연료의 0.2 % 미만)

2. 연료는 350 ppmS 이하의 저유황 경유를 사용하여야 하고,

3. 배기가스 온도는 230 도 이상이 전체주행시간의 10% 이상이어야 한다.

- 75 -

제3-5절 중국형 Active DPF 개발

1. 중국형 제품의 디자인

가. 중국형 제품의 필요성

중국의 대기환경은 Euro 2 수준으로 규제되고 있어, 중국 전역의 경유 수준은 대

체로 고유황 경유 (High Sulfur Diesel, HSD) 이다. 북경, 상해 지역 위주로 저유황

경유 (Low Sulfur Diesel, LSD) 가 보급되고 있다. 북경의 경우 2008년 북경 올림픽

에 대비하여 2007년 7월부터 시내버스에 대해 초저유황경유(Ultra Low Sulfur Diesel,

ULSD)를 적용하고 있고, 2008년 1월부터는 북경시내 전역에 저유황 경유 (Low

Sulfur Diesel)을 보급할 예정이다. 그러나, 북경을 왕래하는 차량의 대부분은 여전히

고유황 경유 (High Sulfur Diesel, HSD)를 사용하고 있는 것으로 파악된다.

고유황 경유를 사용함에 따라, 기존 매연저감장치의 적용한계와 관련하여 문제되

는 것은, 촉매 사용시 (1) 설페이트(sulfate) 생성에 따른 PM 저감효과가 반감되는 것

과 (2) 촉매의 피독으로 인한 내구성능의 저하이다. 이런 이유로 미국, 유럽, 일본, 한

국 등 선진국에서 이미 적용되어 그 성능이 입증된 촉매방식 매연저감장치를 중국에

적용하는 데 한계가 있다.

- 76 -

중국형 제품의 요구조건

* 고유황 경유(High Sulfur Diesel, HSD) 조건에서 사용가능할 것

* 매연저감율 85% 이상 성능을 가질 것

* 내구성능을 가질 것 (5년 160,000 km 성능보장)

* 저가형 장치일 것

나. 중국형 제품의 요구조건

이에 본 연구에서는 지금껏 시도되지 않았던, 고유황 경유에서도 사용가능한, 즉,

중국 전역에 적용할 수 있는 중국형 매연저감장치를 개발하고자 하였다. 중국형 제품

의 특징은 고유황 경유 (HSD) 에서도 사용가능하도록 하기 위해 촉매의 사용을 최대

한 제한하고, 매연저감율 85% 이상의 성능을 가지면서 재생에 용이한 필터 특성을 가

지고, 장착 편의성 및 지상고 문제를 해결하기 위하여 장치의 외관은 머플러 형태로 제

작하였다. 기본적으로 장치는 매연을 필터에서 걸러내고, 대체로 1일 1회 사용자가 재

생을 실시하는 것을 원칙으로 하였다. 1회 재생시 5분 이내에 재생되는 것을 목표로

하였다. 재생주기가 지켜지지 않을 때는 자동재생으로 진입할 수 있도록 하였다. 또한

중국환경보호총국 자동차배출가스감독규제센터에서 요청한 저가형의 제품을 디자인하

였다.

- 77 -

<그림 3.34> 중국형 Active DPF 제품의 기본 구성

다. 중국형 제품의 구성 및 디자인

상기 중국형 제품의 요구조건(원가 및 적용성)을 고려하여, 중국형 Active DPF

제품을 디자인하였다. 중국 전역의 고유황 경유(HSD)에도 적용할 수 있도록, 촉매를

사용하지 않고, 필터에 축적 후 버너로 연소하는 방법을 적용하기로 하였다.

<그림 3.34>에 중국형 Active DPF 의 디자인을 표현하였다. 이 중국형 장치가

제대로 작동하기 위하여, 각 요소부품별로 달성할 목표(요소기술)를 선정하고 각 요소

기술에 대한 개발을 실시하였다.

- 78 -

<그림 3.35> 중국차량의 기존 머플러 위치를 나타낸 모습

중국 차량에서의 장착을 용이하게 하기 위하여, 제품의 크기를 기존 차량의 머플

러 크기에 유사하게 설계함으로써, 장착 공간을 확보하고, 기존 머플러 장착에 이용되

었던 브라켓 등을 활용하게 하는 장점이 있다. 중국 차량은 국내 기준으로 중소형에

해당하여, 개발 초기 당사에 적합한 크기의 장치가 없었으며 중국형 제품에 적합한 필

터 크기등을 설계하면서, 머플러 타잎 (머플러 크기) 장치의 필요성을 인식하고 적용할

수 있되면서 차량 장착성이 크게 개선되었다. 특히, 버스와 같이 장착 공간이 협소한

차량의 경우에 장치 크기를 줄임으로써, 장착공간을 확보하는 데 유리하였다.

- 79 -

중국형 Active DPF 개발 방향

* 버너 : 유동 (flow distribution) 균일성을 갖도록 개선

* 필터 : 높은 PM 저감율을 갖고 재생성을 확보한

Fiber 계열 메탈 필터를 채용

* 외형 : 차량 지상고를 고려한 장착이 가능하도록 머플러 타잎으로 디자인

2. 중국형 제품의 요소기술

가. 중국형 제품의 개발 방향

앞서 상술한 바와 같은 점을 고려하여, 중국형 제품 개발에 있어 중점을 두어 달

성해야 할 부분에 대해 간략히 정리하였다.

- 80 -

<그림 3.36> 중국형 제품의 요소기술

나. 중국형 제품의 요소기술

중국형 제품의 요소기술은 크게 3부분으로 나뉘는 데, 버너와 로직, 그리고 필터

이다. 버너 부분의 요소기술은 장치 내부의 유동개선 기술, 점화기 (Igniter)의 내구설

계 기술이다. 로직 부분의 요소기술은 필터의 재생효율을 높일 수 있도록 재생온도와

시간, 승온방식 등을 최적화 하는 것이다.

필터 부분의 요소기술은 기본적으로 실차에 적용가능한 수준의 매연저감율을 갖

도록 하는 매연저감기술, 필터 재생시 필터의 전체 부분이 함께 재생되도록 온도 편차

등을 줄이고, 배기가스의 혼합 (mixing)을 유도하는 필터설계기술, 그리고 재생시 필터

의 손상을 방지할 수 있는 필터 내구성과 관련된 기술이다.

- 81 -

<그림 3.37> 버너 형태의 개선

3. 버너 디자인

가. 버너 디자인 개요

초기 방식 버너는 아래 그림과 같이 배관에 삽입하는 방식을 취하여, 기존 장치

를 크게 수정하지 않고 전단배관에 간단히 추가 장착하는 방식으로 개발되었다. 그러

나, 이 방식을 버스 및 트럭 5대에 적용한 실차시험 과정에서 여러 가지 문제점이 발견

되었다.

배기가스 유동이 배관 내에서 일정하게 유지되지 않았기 때문에, 화염 안정성이

떨어졌고, 형성된 화염과 배기가스가 균일하게 섞이는 데도 한계가 있었다. 또한, 화염

이 배관에 직접 닿음으로써, 화염에 닿은 배관에서 과열에 의해 배관표면 온도가 상승

함에 따라 화재 위험성이 있고, 열량이 외부로 노출되어 필터까지 도달하는 총 열량이

부족한 문제들이 발견되었다.

화염 안정성을 높이기 위하여 여러 가지 버너 디자인을 시험한 결과, 버너를 제

품 캐닝내에 고정하는 방식이 유효하다는 결론을 내어 결국 버너 및 필터 전단 부위는

한 개의 부품 유닛으로 설계하였다. 배기가스는 제품의 옆방향에서 들어와서 회전

(Swirl)을 통해, 버너 화염과 잘 섞일 수 있었고, 중앙부 화염을 감싸는 형태가 되어,

캐닝 표면에 화염이 직접 닿는 것을 방지함으로써, 화재 위험성과 열량이 소모되는 것

을 방지할 수 있었다.

- 82 -

<그림 3.38> 버너의 개선에 의한 유동특성의 변화

나. 유동 설계

버너의 유동설계는 버너 화염과 필터 사이에 유동판(Liner)을 설치하여, 배기흐

름에 스월(Swirl)을 형성함으로써, 바람직한 원형의 균일한 유동을 형성할 수 있는 데,

실제로는 장치 입구로 들어가는 배기관의 꺽인 형상, 특히 장치는 머플러 형태로 장치

입구가 장치 중앙이 아닌 하단부에 설치되어 있어 특히 유동 설계에 어려움을 겪었다.

<그림 3.38>은 재생되는 동안을 촬영한 동영상에서 일정 시간 간격의 영상을 추

출하여 나타낸 것으로, 초기 제품에 대해 유동을 관찰한 결과 11시 ~ 4시 방향의 유동

이 상대적으로 낮아서, 이로 인해 필터의 재생이 원활하지 않았다. 이는 상기 물리적인

유동 방해요인 외에 고온의 배기가스 온도에 의한 부력 효과 등이 복합적으로 작용한

결과이다.

이후 배기가스의 부력상승에 의한 쏠림현상을 고려하여 유동판을 설계하여 삽입

한 후, 아래 그림처럼 유동 특성이 현저히 개선되었다. 약 2분간 재생되는 동안 버너의

화염은 필터 전체에서 균일한 유동 특성을 보여주고 있다.

<그림 3.38>에서 윗부분은 개선전 버너의 유동특성을 보여주고, 아랫부분은 개

선후 버너의 유동특성을 보여주고 있다.

- 83 -

<그림 3.39> 중국형 장치의 재생 패턴

다. 재생 로직

필터에 매연이 축적된 상태에서, 필터를 재생하는 기술 및 로직은 매우 중요하다.

로직 설계에 있어서는 버너의 제어조건인 재생온도와 재생시간 설정이 중요하다.

버너의 제어조건인 재생온도와 재생시간은 서로 반비례 관계가 있어, 재생온도를

높이면, 매연의 연소속도가 빨라져서 재생시간이 짧아진다. 반면, 재생온도를 높이면

연소열에 의해 필터가 과열되어 필터 크랙이나 맬팅 가능성이 높아진다. 특히 대부분

의 필터에 매연은 균일하지 않은 상태로 축적되기 때문에, 필터 전체적으로는 매연양이

과도하지 않더라도, 특정 부위는 매연이 과도하게 축적되어 재생과정에서 국부적인 필

터 크랙이나 맬팅이 발생할 여지가 높다. 따라서, 한계온도 범위 이내에서 필터온도를

제어하는 게 중요한 데, 통상 필터의 한계온도는 코디어라이트는 1200 도 이므로, 재생

온도는 1100 도 이내에서 제어할 필요가 있다.

<그림 3.39>은 중국형 제품에 적용된 버너의 재생로직으로, 버너 후단의 온도

(Tf)는 최대 850 도 이내에서 제어되고 있다. 필터 후단의 온도(To)는 550 도 이내에

서 제어되고 있어서, 필터 내부의 온도는 충분히 안전한 범위에서 재생되도록 설계되었

다.

- 84 -

<그림 3.40> 장기 내구성 평가중의 장치의 온도, 배압 특성

라. 점화기 (Igniter) 내구성

버너 제품의 성능을 결정짓는 여러 구성품 중 내구성에 가장 취약한 것은 점화기

(Igniter)로써, 중국형 Active DPF 제품의 전체 성능과 직결된 부분인 만큼 점화기 내

구성에 대한 평가를 수행하였다.

통상 점화기는 버너 화염을 형성하기 위해서, 약 1400 도의 고온에 노출되기 때

문에, 가장 수명이 짧은 부품이면서 점화기가 고장나면 Active DPF 자체가 기능하지

않는 핵심부품이다.

DPF 의 내구성능 요건은 통상 5년을 요하므로, 1일 1회 재생 조건이라면, 약

1,800 회의 내구성능을 요한다.

재생과정은 아래와 같이 약 6분 이내에 이루어지며, 이 과정을 2,000 회 반복한

기간 동안 점화기 내구성을 확보할 수 있었다.

- 85 -

<그림 3.41> I-type 장치와 L-type 장치의 설계

마. 추가 개선사항

현재까지의 제품은 기존 머플러를 대체하는 개념으로 설계되었기 때문에, 장치의

입구는 장치 전면의 하단부에 위치하였다.

실제 차량에서는 넓은 장착공간이 따로 존재하고, 제품의 특성상 엔진 매니폴드

로부터 어느 정도 거리가 떨어져 있어도 제품의 성능을 발휘할 수 있는 만큼, 기존의

자연재생식 DPF 와 달리 중국형 Active DPF 는 차량 후단의 넓은 장착공간에 설치할

예정이며, 이 경우 엔진에서 출발한 배관이 장치에 연결되기 전에 한번 꺾여야 한다.

이런 장착상의 특성과 유동 개선에 좀 더 효과적인 현재의 I-type 외에 L-type

개발을 추가적으로 수행할 예정이다.

- 86 -

<그림 3.42> SiC 필터에서 발생한 크랙(Crack) 모습

4. 필터 디자인

가. 필터 재질의 선정 - SiC 필터

중국형 제품의 필터가 갖추어야 할 기본 요소는 매연을 충분히 축적할 수 있어야

하고, 재생시 재생열에 의해 필터가 깨지거나(crack) 녹지 않아야(melting) 한다. 처음

선정한 필터 재질은 코디어라이트 재질의 필터였으나, 녹는점이 1,200 도 정도로 몇 번

의 재생동안 쉽게 melting 되는 특성이 있었다.

SiC 필터는 재질의 특성상 녹는점이 1,600 도로 연소열에 의한 필터의 녹는 현

상은 극복할 수 있었으나, 열팽창에 의한 깨지는 현상(crack)이 커서 사용이 불가능하

였다. 요컨대, SiC 필터는 고온 열충격에 약한 특성을 가지고 있다.

- 87 -

<그림 3.43> 중국 차량에 2달간 적용 후 메탈 필터의 모습

나. 필터재질의 선정 - Metal Filter

다음으로 테스트한 메탈 필터는 flow-through type 으로 뛰어난 열전도 특성 및

기계적 내구성으로 Active DPF 에 적합한 특성을 가지고 있었다. Flow-through 메

탈 필터는 blow-out 특성으로,매연의 과도축적이 방지되어, 필터 Crack 이나 Melting

현상이 없는 장점이 있으나, 매연 저감효율이 낮아서, Active P-DPF 로 적용 가능하

였다.

- 88 -

<그림 3.44> SiC 필터와 메탈 필터의 열전도 특성

다. 필터 재질의 선정 - SiC vs. 메탈 필터

<그림 3.44>에서 동일한 운전조건에서 SiC 필터와 메탈 필터의 온도특성을 비

교해 보았다. T1_1, 2, 3 는 각각 필터의 후, 중, 전의 온도센서 위치를 표시하고 있어

필터의 축 방향(Axial) 온도편차를 분석할 수 있다. 실험 시작 필터온도가 상승하기

시작하는 부분과, 끝의 필터온도가 하락하는 부분을 면밀히 검토해보면, SiC 필터는 온

도상승 부분에서 최대 200도 온도편차를 하락하는 부분에서는 최대 300도 까지 온도편

차를 보이고 있다. 반면 메탈필터는 필터온도가 상승하는 부분에서 약 50도, 하락하는

부분에서 약 100도의 온도편차를 나타내고 있다. 축 방향 뿐 아니라, 직각 방향

(Ladial) 온도편차까지 고려한다면, 재생과정에서 SiC 필터가 각 부위에서 겪는 온도

편차는 상당하여, 필터의 크랙을 유도하게 됨을 유추할 수 있다. 반면, 메탈 필터는 적

은 온도 편차에 특유의 기계적 강도를 고려하면, 재생과정에 손상은 거의 없을 것으로

판단된다.

- 89 -

항목 SiC 필터 메탈 필터

필터 특성 wall-flow

flow-through, blow-out

매연 과도축적 방지 (no

melting)

재료 특성 고온 열충격에 약함뛰어난 열전도 특성 (no

crack)

장점 높은 PM 저감율 (> 90%) 높은 실용성

단점 필터 Crack 발생낮은 PM 저감율 (< 60%)

필터 적층에 따른 높은 배압

<표 3.13> SiC 필터와 메탈 필터의 적용성 비교

<표 3.13>에 SiC 필터와 메탈 필터의 주요 특성을 요약하였다.

- 90 -

실험조건 장치 후단 매연 매연저감효율

차량 자체 22%

필터 1개 6% 73%

필터 2개 2% 91%

<표 3.14> 메탈 필터의 매연저감효율

<그림 3.45> 메탈 필터 각 층의 매연 축적 패턴

라. 메탈필터의 매연 저감율

메탈 필터가 가지는 매연 저감율이 떨어지는 문제를 해결하기 위하여, 메탈 필터

를 2층으로 배열하여 매연 저감율을 높일 수 있었다. 메탈 필터 1개의 매연 저감율은

70% 수준이었으나, 2개를 직렬로 배열함으로써, 매연저감율은 90% 수준으로 향상되었

다.

특히, 각 필터의 매연 축적 패턴을 비교해 본 결과, 매연 축적 과정은 매연 축적

량에 따라 2가지 패턴으로 확연히 구분됨을 알 수 있었다. 1단계에서는 매연이 필터와

접촉하는 면적이 적기 때문에, 전단 및 후단 필터에서 비례적으로 축적되는 특성을 보

였으나, 매연이 어느 정도 축적된 후에는 축적된 매연이 새로운 매연을 포집하는 효과

(Soot Cake) 때문에, 매연이 전단 필터에 집중적으로 축적되고 있다.

- 91 -

실험조건 PM 양 PM 저감효율

Base 13.957

1차 3.138 77.5 %

2차 1.820 87.0 %

3차 1.550 88.9 %

4차 1.330 90.5 %

5차 1.194 91.4 %

<표 3.15> 메탈 필터의 매연저감효율

마. 메탈필터의 PM 저감율

엔진동력계상에서 11 liter Turbocharge 엔진을 사용하여, 메탈필터의 PM 저감

율을 분석하여 <표 3.15>에 나타내었다. 2차 시험 이후 장치성능이 안정화되어, PM

저감율 87 ~ 91 % 성능을 나타내어 DPF 장치의 요구성능을 만족할 수 있었다.

- 92 -

<그림 3.46> 재생과정에서 필터 각 부위의 온도 분포

바. 메탈필터의 한계 매연량

필터에 매연이 한계량 이상 축적되면 재생 과정에서 발생하는 연소열에 의해 필

터가 녹는 현상이 발생하기 때문에, 매연의 한계 축적량을 판단하기 위한 일련의 실험

을 수행하였다.

<그림 3.46>에서 일반적인 wall-flow type 필터에서 가장 온도가 높은 곳은 필

터 후단부로써, 다른 곳에 비해 200 - 300 도 정도 온도가 더 높은 것을 알 수 있다.

이는 필터 전단부에서 매연 연소에 의해 발생한 열이 배기가스와 함께 후단부로 이동

하면서, 후단부에서 발생한 열과 더해지기 때문이다. 캐닝 표면에 가까운 부분은 상대

적으로 온도가 낮게 유지된다.

- 93 -

0 2 4 6 8 10 12 14

0

200

400

600

800

1000

DP

TC.1

TC.2

TC.3

Temp.(degree)

DP(mbar)

Time(min)

9" x 10"

Soot Loading mass : 12g/L

Regeneration time : 4.5min

Regeneration rate : 83%

Nozzle 0.6->0.9

<그림 3.47> 매연이 12 g/L 축적되었을 때 재생패턴

필터에 매연을 10 g/L, 12 g/L, 18 g/L, 23 g/L 로 축적하면서 재생과정에서 필

터 각 부위의 온도분포와 필터 녹는 현상이 발생하는 지 관찰하였다.

매연이 10 g/L 축적되었을 때, 최고온도는 950도로 안정적인 재생이 가능하였으

며, 매연이 12 g/L 축적되었을 때, 최고온도는 1000도 내외로 유지되었다. 매연이 18

g/L 축적되었을 때, 최고온도는 1150 도까지 상승하였으며, 비록 필터의 녹는 현상은

없었으나, 바람직한 재생 패턴으로는 판단되지 않았다.

매연이 23 g/L 축적되었을 때, 재생 시작 후 1.5 분만에 1400 도 이상 상승하여

필터가 녹는 현상이 나타났다. 이와 같은 실험결과를 토대로 한계 매연량을 12 g/L 로

정하고, 이 범위에서 장치의 재생이 이루어지도록 로직 개선을 하였다.

- 94 -

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

DP

TC.1

TC.2

TC.3

Temp.(degree)

DP(mbar)

Time(min)

φ187 x 300L

Soot loading mass : 23g/L

Regeneration time : 2min

Regeneration rate : melt

Nozzle 0.6 -> 0.9

<그림 3.48> 매연이 23 g/L 축적되었을 때, 재생패턴

<그림 3.49> 과열에 의해 필터가 녹은 형상

- 95 -

LSD Base DOC #1 DOC #2 DOC #1 DOC #2

CO 0.72 1.01 0.82 -41% -14%

NOx 11.52 10.95 10.69 5% 7%

THC 0.33 0.16 0.16 53% 52%

PM 0.24 0.04 0.03 85% 86%

<표 3.17> LSD 연료하의 중국형 Active DPF 성능

HSD Base DOC #1 DOC #2 DOC #1 DOC #2

CO 0.82 1.06 0.95 -29% -17%

NOx 11.27 11.14 10.81 1% 4%

THC 0.34 0.14 0.17 58% 50%

PM 0.28 0.05 0.02 82% 91%

<표 3.16> HSD 연료하의 중국형 Active DPF 성능

5. 엔진 성능 평가

가. PM 저감성능

중국형 Active DPF의 성능평가를 중국 제남자동차연구소(JNATC)에서 2007년

9월 3 ~ 7일 실시하였다. 특히, 고유황 경유(HSD) 환경하에서 성능평가를 실시하여

중국형 Active DPF 로 범용성을 가질 수 있는지 확인하였다.

<표 3.16>와 <표 3.17>에서 알 수 있듯이 두 종류 DOC 상에서 PM 저감율은

82~91% 성능을 나타내고 있다. 설페이트 생성을 억제하기 위한 촉매사용으로 연소과

정에서 발생하는 불완전연소물인 CO 의 저감이 충분치 않아, CO 양이 증가했으나,

THC 는 50% 가까이 감소하였다. NOx 는 5% 정도로 저감되었다.

중국형 Active DPF 는 저유황 경유(LSD) 뿐만 아니라, 고유황 경유(HSD) 상

에서도 요구수준을 만족하였다.

- 96 -

Case speed torque OPA

Base 1800 0% 0.05

　 50% 0.52

　 　 100% 1.495

DOC #2, SiC 1800 0% 0.0205 59%

　 50% 0.0215 96%

　 　 100% 0.026 98%

metal, 6" 1800 0% 0.0165 67%

　 50% 0.0725 86%

　 　 100% 0.1845 88%

metal, 15" 1800 0% 0.018 64%

　 50% 0.068 87%

　 　 100% 0.1475 90%

<표 3.18> 1800 rpm 에서의 Smoke 저감율

나. Smoke 저감성능

Smoke 저감성능에 대하여 중국형 DPF 제품의 성능을 평가하였다. 엔진의 회

전수를 1800, 2000, 2200 rpm 각각에서 무부하, 중부하, 풀부하에서 발생하는 Smoke

저감성능을 <표 3.18> ~ <표 3.20>에 나타내었다.

무부하 상태에서 매연저감율은 낮게 나왔지만, 중부하 (50% Load), 풀부하

(100% Load)에서 매연 저감율은 모두 요구수준을 만족하였다. 이는 무부하 상태의 매

연 발생양이 너무 낮아 분석기 오차에 기인하는 것으로 판단된다.

메탈필터는 PM 및 매연저감율 85% 이상으로, 북경 EPB에서 요구하는 수준을

만족하여, 북경시 및 중국 전역에 적용할 수 있었고, 특히 연료의 황함량에 관계없이

DPF 장치 필터로 적용할 수 있음을 확인하였다.

- 97 -

Case speed torque OPA 저감율

Base 2000 0% 0.055

　 50% 0.545

　 　 100% 1.48

DOC #2, SiC 2000 0% 0.0185 66%

　 50% 0.021 96%

　 　 100% 0.025 98%

metal, 6" 2000 0% 0.0215 61%

　 50% 0.0675 88%

　 　 100% 0.169 89%

metal, 15" 2000 0% 0.0185 66%

　 50% 0.0585 89%

　 　 100% 0.13 91%

<표 3.19> 2000 rpm에서 Smoke 저감효율

Case speed torque OPA 저감율

Base 2200 0% 0.12

50% 0.66

100% 1.52

DOC #2, SiC 2200 0% 0.02 83%

50% 0.0195 97%

100% 0.023 98%

metal, 6" 2200 0% 0.024 80%

50% 0.0645 90%

100% 0.1515 90%

metal, 15" 2200 0% 0.0165 86%

50% 0.053 92%

100% 0.116 92%

<표 3.20> 2200 rpm 조건에서 Smoke 저감성능

- 98 -

<그림 3.50> 시험차량의 모습

<그림 3.51> 시험차량에 장치를 장착한 모습

6. 실차 내구성 평가

6 liter 급 디젤 트럭을 이용하여, 중국형 Active DPF 장치의 실차 내구성 평가

를 실시하였다.

- 99 -

<그림 3.52> 8시간 주행시 재생패턴의 전형적인 모습

<그림 3.53> 16시간 재생시의 배압재생패턴

평균속도 15 km/h 로 8시간 주행후 1회 재생하는 방식으로 필터의 재생효율을

평가하였는 데, 주행중 매연축적에 따라 최대배압이 200 ~ 250 mbar 까지 증가하였고,

재생에 따라 배압은 fresh 상태까지 낮아졌다. 재생없이 16시간 주행시 최대배압은

470 mbar 까지 상승하였으나, 역시 재생 후 fresh 상태까지 낮아졌다.

필터의 melting 등 특이사항은 발견되지 않아서, DPF 장치로 사용할 수 있음을

확인하였다.

- 100 -

제3-6절 교환방식 Offline System 개발

1. Offline DPF system 개요

중국의 Tier 2&3 수준 지방도시에는 저가의 DPF 시스템이 필요하다. Online 재

생이 가능한 자연재생식 및 강제재생방식 DPF 가격은 USD 6000 ~ 7000 수준으로 중

국의 차량가격을 고려할 때 다소 고가인데, USD 1000 수준의 저가장치가 중국의 낮은

노동임금(월 USD 200 ~ 300 수준)과 결합될 때, 새로운 시장의 창출이 가능하다.

또한, 중국 현지의 연료 품질의 문제로 DPF 장치를 국가 전체적으로 확대하기는

어렵다고 판단된다. 반면, 북경, 상해 등의 대도시는 도심진입 차량에 대해 배기가스 단

속을 해야하는 상황이므로, 저가의 신뢰할만한 장치에 대한 수요가 상당하다고 판단된

다.

이러한 Offline DPF 장치에 대한 요구조건으로,

(1) 필터는 스모크 저감율 60% 이상의 성능을 가져야 하고,

(2) 3 ~ 5 일간 재생없이 사용이 가능해야 한다.

(3) 수거된 필터의 재생은 배치작업이 가능하도록 한다.

(4) 알람장치는 필요하지 않으나, 사용가능기간에 대한 보증이 필요하다.

(5) 기존의 머플러를 대체할 수 있도록 머플러와 동일한 규격을 가져야 하고,

(6) 필터의 교환이 간단한 카트리지 방식이어야 한다.

(7) 가격 요건은 최종판매가가 USD 1000 이하가 되도록 한다.

상기 요구조건을 고려한, Offline DPF System 에 대한 구조도를 <그림 3.54>

에 나타내였다.

- 101 -

<그림 3.54> Offline DPF System 구조도

- 102 -

<그림 3.56> Offline DPF System 필터 개념도

2. 작동원리

가. 장치 및 필터 개념도

<그림 3.55> Offline DPF System 장치 개념도

나. 필터 특성

필터의 매연 저감 특성에 대한 요구조건은 다음과 같다.

- 저감율 : 60%

- 차 압 : 250mbar 이하 (@10g/L soot loading, 12㎥/min)

- 최대Soot 포집량 : 10g/L

- 103 -

그림 3.57 V-Clamp 의 형상

- 필터 규격 : φ233×200ℓ or φ210×250ℓ (장착위치 및 필터특성에 따라 변동)

다. 체결방법

V-Clamp 로 입구단 - 출구단의 Flange를 체결하여 5분내 필터의 탈-부착 가능

하도록 하였다.

라. 재생방법

탈착한 필터는 외부 열원으로 재생하거나, Air 분사하여 재생하는 데, 먼저 필터

출구단 쪽에 강한 Air를 분사하여 Soot 및 Ash 등을 제거한 후, 필터를 복수 적재하여

600℃ 이상 열원으로 가열하여 재생

- 104 -

촉매방식

DPF/P-DPF

디젤주입방식

Active DPF

버너방식

Active DPFOffline System

구성 촉매 + 필터디젤주입부 +

촉매 + 필터버너 + 필터 필터

특징

촉매반응에 의해

매연을

연소/제거함

촉매반응 +

고온연소반응고온연소반응

일정한 주기로

필터를 교체함

장점

기계, 제어부가

없이 간단하여

고장이 적음.

장치가 자동으로

작동

일부

저속차량에도

적용가능함.

장치가 자동으로

작동

차량, 연료 및

주행조건에 대한

제약 없음

간단한 구성으로

고장이 적음.

차량, 연료 및

주행조건에 대한

제약 없음.

단점

배기온도가 낮은

저속차량에

적용할 수 없음.

황함량 높은

연료에는 적용할

수 없음

기계, 제어부가

복잡함.

황함량 높은

연료에는 적용할

수 없음

기계, 제어부가

복잡함.

사용자가

필터재생과정을

제어함.

필터를 교체해야

함

장치가격 고가 고가 중가 저가

적용범위중속/고속 차량

초저유황 경유

중속/고속 차량

초저유황 경유제한없음 제한없음

<표 3.21> 4가지 중국형 제품의 비교

제3-7절 결론

‘제3장 연구개발수행 내용 및 결과’에서 기술했듯이, 한중 국제공동 연구개발과제

를 진행하면서, 중국환경에 적용할 수 있는 장치 4종을 개발해 왔다. 처음 계획한 것은

중국 연료환경에서 제1종 및 제2종 PM 저감장치로 기능할 수 있도록 DPF/P-DPF용

촉매를 개발하는 것이었으나, 연구개발과정에서 중국현지의 현실을 고려하여 상용화할

수 있도록 적용범위를 넓히는 방향으로 장치개발이 이루어 졌다.

지금까지 기술한 4종 장치의 특징과 적용처, 기타 기술적 구분내용을 <표 3.21>

에 요약 정리하였다.

- 105 -

구분 연도 세부연구목표 평가의 착안점 및 기준

1차

연도2006

중국내 시장환경, 규제수준

조사

실용화를 위한 제품개발 목표를 명

확히 제시

중국용 DOC/DPF 촉매조성

개발

중국의 현지특성을 감안한 촉매조

성의 개발

중국용 DOC 엔진시험중국의 시험엔진 및 시험모드 상에

서 DOC 제품을 평가

중국용 P-DPF 엔진시험중국의 시험엔진 및 시험모드 상에

서 P-DPF 제품을 평가

중국용 DPF 엔진시험중국의 시험엔진 및 시험모드 상에

서 DPF 제품을 평가

2차

연도2007

복합재생식 장치의

엔진동력계 성능시험

복합재생식 장치의 엔진동력계 성능

시험을 실시하여 PM 저감율 기준을

만족

중국용 장치의

실차 내구시험

중국의 디젤차량 3대 이상을 대상

으로 10,000 km 실차내구시험 후

PM 저감율 기준을 만족

중국내 시범사업 참가 중국 현지의 시범사업 참가

중국내 사업을 위한 다양한

중국형 제품을 구축

연료품질, 가격, 성능 등 다양한 요

건을 만족할 수 있는 중국형 제품

군을 구축

최종

평가

중국용 장치의 개발중국 현지에서 상용화 가능한 디젤

배가스 정화장치 제품개발

중국 사업 추진 중국 대도시 중심의 시범사업 참가

<표 4.1> 연도별 연구목표 및 평가의 착안점

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도

제4-1절 연구개발목표 달성도

- 106 -

목 표 연구개발 수행내용 달 성 도(%)

중국의 디젤차량

후처리장치 시장조사

중국내 시장환경, 규제수준, 기술동향, 연료품질, 엔진특성 등을 총체적으로 조사

100

중국형 DOC 엔진동력계

시험평가

다양한 촉매조성을 갖는 DOC 및 P-DPF 제품 18종에 대한 엔진동력계 평가 시험

100

중국형 DPF 엔진동력계

시험평가

다양한 촉매조성을 갖는 DPF 제품 10종에 대한 엔진동력계 평가 시험

100

복합재생장치 엔진동력계

성능평가

디젤주입방식 Active DPF 및 버너방식 Active DPF 장치의 엔진동력계 성능평가를 실시

100

중국형 장치의

실차내구평가

P-DPF 및 A-DPF 장치의 30,000 km 실차내구평가를 실시

100

중국형 장치의 제품군

구축

촉매방식 P-DPF/DPF 및 디젤주입방식 Active DPF, 버너방식 P-DPF/DPF, 교환방식 Offline DPF System 등 6종 제품군을 구축

100

중국내 시범사업 참가

2007년 4월 북경시 환보국에서 실시한 100대 데모사업에 참가하였고,2007년 12월 북경시 Dump Truck을 대상으로 한 retrofit 사업에 참가중

100

<표 4.2> 연구개발목표의 달성도

* PM 저감율 기준

시험모드 DPF P-DPF 비고

ETC 시험모드 > 85% > 50% Beijing EPA 시험안

ECE R 49 시험모드 > 50% > 35% VECC 시험안

- 107 -

순번 한중과제 전 한중과제 후 기여도

1초저유황경유에

적합한 촉매 조성

저유황 경유 및

고유황 경유에

적합한 촉매 개발

다양한 연료품질에 대하여

적용할 수 있는 촉매기술 개발

2배기가스 관에

고정된 버너 방식

장치에 고정된

버너 방식 개발

버너기술을 DPF 장치에

적용하는 데 있어, 발생하는

여러 가지 문제점을

해결함으로써 기존 버너기술의

수준을 제고

3

Active DPF

장치의 필터로

Cordierite 및 SiC

필터를 사용

Active DPF

장치에 사용가능한

메탈 필터를 개발

기존의 세라믹 필터에 내재한

필터 melting 및 Crack 문제를

해결할 수 있는 메탈 필터를

개발함으로써, 메탈 필터의

재료 및 설계 기술 수준을

제고

4DPF 장치 전용의

부품 미비

내구성을 갖춘

DPF 전용 부품의

확보

자연재생식 및 강제재생식

DPF 장치 개발에 필요한

적절한 부품을 선정함으로써,

부품의 내구성을 갖추고,

원가를 절감하게 되었음.

제4-2절 대외기여도

한중 국제공동연구를 통해 중국형 DPF 제품개발에 참여하기전과 비교할 때, 관

련분야 기술발전에의 기여부분을 <표 4.3>에, 활용실적을 <표 4.4>에 정리하였다.

<표 4.3> 관련분야 기여부분 요약

- 108 -

항목 실적

산업재산권

국내출원 3건

- 10-2006-0089440 (2006. 9)

- 10-2006-0062293 (2006. 7)

- 10-2008-0037876 (2008. 4)

국외출원 2건

- PCT/KR2006/002312 (2006. 6)

- 200710194601.0 (2007. 11)

인증

북경시 환보국 인증 획득 (2007년)

북경시 환보국 추가인증 진행중

심천시 환보국 인증 진행중

미국 CARB 인증 진행중

학술발표

국외발표 2건

- MoVEC 2006 Workshop, 홍콩, 중국

- DEER 2006, 디트로이트, 미국

한중 국제공동연구 성과세미나 3건

- 구두발표 2회

- 포스터발표 1회

대외수상 대기환경학회 기술상 (2006년 10월)

홍보실적 서울경제신문, 한국경제TV 등 신문/방송 총 8건

사업화 실적2007년, 8대 판매

2008년, 480대 계약 및 장착 진행중

<표 4.4> 본 과제 활용실적

- 109 -

제 5 장 연구개발결과의 활용계획

제 1 절 추가연구의 필요성

한중 국제공동연구사업을 통하여, 연구 초기 의도하였던 ‘중국형 제품의 개발’이

라는 목표를 달성하였기 때문에, 기술개발과 관련된 추가연구는 필요하지 않다고 판단

된다.

향후, 중국형 제품의 완성도라는 측면에서, 제품의 내구성, 원가절감, 장착성 편

의, 안전성(safety) 확보 차원에서 계속적으로 추가적인 연구가 필요하겠지만, 이는 기

술개발이라기 보다는 실용적인 의미에서의 제품개발에 가까운 것이다.

본 과제를 통해, 비록 개발 대상을 ‘중국형 제품’으로 국한하여 표현하였지만, 개

발된 제품은 ‘중국형’ 으로 표현된 본래의 의미, 즉, 열악한 품질의 연료를 사용하는 디

젤자동차에 적용하는 제품의 개발이므로, 현재 저유황 경유 및 고유황 경유를 사용하는

개발도상국가(동아시아, 인도, 중동 등) 모두에 적용할 수 있다. 또한, 선진각국에서도

기존의 DPF 장치가 저속주행차량에 적용할 수 없는 한계가 있었던 점에 비하여, 본 과

제를 통해 개발된 제품은 주행조건에 관계없이 적용할 수 있는 장점이 있다.

- 110 -

제 2 절 기업화 추진방향

본 과제를 통하여, 당사가 개발하여 보유하고 있는 경유매연저감장치 원천기술을

활용하여 중국시장환경에 적합한 제품을 개발할 수 있었으며, 상용성 확보/검증에 필수

적인 엔진시험과 실차시험 위주의 (업무분장과 Scope이 명확한) 한중공동연구 과제를

수행하여 사업화 성공확률을 높일 수 있었다.

아직, 중국에 통일된 인증제도가 미흡하여 그 시장이 크지 않기 때문에, 사업초

기에는 한국에서 주요부품을 수출하고, 중국에서 조립/생산/관리하는 방식으로 운영할

계획이다. 북경에 위치한 중국본부가 별도법인이 되면, 현지에서 DPF 중국사업을 할

수 있는 기업화가 가능할 것으로 예상된다.

2008년 북경 올림픽에 대비하여, 북경시 환보국이 주관하는 retrofit 사업에 본격

적으로 참여할 계획이다. 본 사업은 약 5,000 대 규모로 2008년 상반기에 본격적으로

실시될 예정이다. 2008년 올림픽을 함께 유치하는 청도 및 홍콩지역에서도 retrofit 사

업에 대한 관심이 높기 때문에, 북경시 retrofit 사업이 완료되면, 대도시 중심으로 지속

적으로 활성화될 것으로 예상된다.

또한, 당사는 저가의 교환방식 Offline DPF System을 개발/확보하였으므로, 인

증과 무관한 지방도시의 관공서/기관이나 사업주의 필요에 따른 다양한 틈새시장

(niche market) 에 접근할 수 있을 것으로 기대된다.

상기 retrofit 사업과는 별도로 사업의 안정성을 높이기 위해, 중국의 제작차를

대상으로 한 OEM 시장에 참여할 예정이다. 중국도 향후 Euro 4, 5 수준으로 배기규

제를 강화할 계획으로, 제작차 및 운행차에 공히 PM 및 NOx 저감장치가 필요하다. 따

라서 본 개발기술은 중국 측 관계자에게도 큰 반향을 불러일으키며, 향후 경유차량 배

기문제 해결을 위한 중국정부의 정책 입안에 기여하게 될 것으로 기대된다.

- 111 -

제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보

연구개발과정에서 작성된 보고서는 다음과 같다.

1. Study on Adaptability of Diesel Vehicle After-treatment Devices on

Chinese Market : Sinotrust사에서 작성한 시장보고서로, 그 내용과 범위가 본 최종보

고서에 적합하지 않아 생략함.

2. Report of Evaluation on the Purification Performances of SK Diesel

Vehicle After-treatment Devices : VECC(자동차배기가스감독중심)에서 작성한 엔

진시험결과 보고서로, 그 내용을 “제3-3절 촉매방식 DPF/P-DPF 개발” 및 “제3-4절

디젤주입방식 Active DPF 개발”에 정리하였음.

3. Market Study Report for Diesel Vehicle After-treatment Devices in

China : VECC(자동차배기가스감독중심)에서 작성한 시장보고서로, 그 내용을 “제3-2

절 시장조사 및 규제수준에 대한 조사”에 요약하여 정리하였음.

연구개발과정에서 해외과학기술정보 수집을 위해 참가한 해외학회는 다음과 같

다. 해외학회의 기술정보는 책자 및 CD로 제공되며, 인터넷을 통해서도 구할 수 있다.

1. MoVEC 2006

2. SAE 2006

3. DEER 2006

4. SAE 2007

5. DEER 2007

- 112 -

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주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 차세대 핵심환경기술개

발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행

한 차세대 핵심환경기술개발사업의 연구개발결과임을 밝

혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로

발표 또는 공개하여서는 아니됩니다.