1. 서 론

본 연구는 노후 건설기계 차량과 같이 특수차량에서 발생하는 백연의 원인을 분석하고 이를 저감하기 위한 기술적 방안을 제시하기 위한 목적으로 수행되었다. Fig. 1은 DPF(Diesel Particulate Filter, 매연여과 필터)가 장착된 노후 건설기계에서 백연이 발생하는 모습을 보여주고 있다. 이처럼 백연이 발생되는 대표적인 조건과 상황은 다음과 같다. 즉, 1) 겨울철과 같이 대기 온도가 낮고, 2) 엔진 노후 또는 DPF 재생용 버너의 착화실패/불완전 연소 등의 이유로 디젤연료 또는 미연탄화수소(unburned hydrocarbons)가 배기관과 디젤촉매에 쌓인 상태에서, 3) 엔진 속도/부하 증가 또는 DPF 재생용 버너의 작동에 의해 배기가스 온도가 급격히 상승하여 배기관과 촉매에 쌓인 연료 및 탄화수소가 고농도로 탈착 및 증발될 때 백연이 발생하게 된다. 노후 건설기계에서 배출되는 백연은 건설 현장에서 적지 않은 민원을 야기함과 동시에 대기환경정책을 수행하는 데에도 문제를 일으키고 있다.¹⁾ 노후 건설기계에 DPF를 장착할 경우 백연 발생의 가능성이 높아짐에도 불구하고, 노후 건설기계에 DPF를 장착함으로써 얻을 수 있는 환경 측면에서의 이득은 더 크다. 이는 건설기계 엔진에서 배출되는 미연탄화수소, 일산화탄소 및 입자상 물질들이 건설기계가 작동되는 대부분의 시간 동안 DPF를 통해 제거되는 반면, 백연은 특정한 조건에서만 일시적으로 발생하기 때문이다. 따라서 DPF가 장착된 건설기계에서 백연발생을 억제할 수 있는 기술의 개발은 DPF 장치의 보급 확대 및 이를 통한 대기환경 개선을 위해 중요하다.

Fig. 1.

White smoke emission from a construction vehicle.

Table 1은 노후 경유차에 DPF를 장착해온 HK-MnS에서 그동안의 현장 경험을 바탕으로 건설기계에서 백연이 발생되는 원인과 대책을 요약한 자료이다. 표에서 볼 수 있듯이 백연발생을 억제하기 위해서는 1) 노후 엔진의 수리와 2) DPF 재생용 버너의 성능 개선이 병행되어야함을 알 수 있다. 그리고 촉매 성능 향상에 의해서도 백연 발생이 억제될 수 있을 것으로 기대되는데, 이는 본 연구에서도 실험을 통해 입증할 수 있었다. 일부 건설현장에서는 백연 발생의 원인은 다양하고 복합적이어서 근본적인 해결이 불가능하다는 의견이 있으나, 본 연구에 따르면 백연 발생의 원인을 정확히 이해하고 DPF 재생용 버너의 성능을 향상시킬 경우 백연발생 문제는 상당 부분 해결될 수 있음이 밝혀졌다.

본 연구는 Table 1에 제시된 바와 같이 노후 건설기계에서의 백연 문제를 직접 또는 간접적으로 해결할 수 있는 DPF 재생용 버너 기술개발에 중점을 두고 수행되었다. 한국기계연구원에서는 DPF 재생용 버너 중 가장 뛰어난 성능이 기대되는 플라즈마 버너(plasma burner 혹은 diesel burner assisted by plasma)를 개발하였고, 한국자동차연구원에서는 플라즈마 버너를 활용한 DPF 시스템의 운용 및 각종 시험평가를 담당하였다. 그리고 HK-MnS에서는 플라즈마 버너의 차량 장착 및 도로주행 시험을 수행하였다. 이상과 같이 본 연구는 플라즈마 버너를 활용한 디젤화염의 착화 기술과 같은 기본 요소기술 개발부터 배기정화 시스템 개발, 도로주행 시험까지를 포함하는 여러 단계의 기술개발이 종합적으로 수행되었다. 본 논문에서는 구체적인 데이터 분석이나 기술적인 설명은 가능한 피하고 기술개발에 대한 전 과정을 개략적으로 소개하는데 중점을 두기로 한다. 이를 통해 본 글이 플라즈마 버너를 활용한 백연저감 기술에 대한 이해뿐만 아니라 이와 관련된 대기환경 정책을 세우는 데에도 도움이 되기를 기대해 본다.

2. 플라즈마 버너(Diesel burner assisted by rotating arc plasma)

2.1 DPF 재생용 버너의 필요성과 특성

노후 경유차에 장착된 디젤 버너와 DPF의 개념도는 Fig. 2와 같다. 그림에서 보듯이 버너는 엔진과 DPF 중간에 장착되어 있으며, 버너는 매연이 쌓인 DPF를 주기적으로 재생할 때 배기가스 온도를 강제로 올려주는 역할을 하게 된다.²⁾ EURO 5 규제 이후에 제작된 대부분의 경유 차량에는 Fig. 2와 같은 버너를 활용하지 않고 엔진 실린더에 엔진 연소 후 추가로 연료를 주입하여 배기온도를 올려주는 기술 즉, 포스트 인젝션(post injection) 기술을 활용하여 배기가스 온도를 올려주고 있다. 이처럼 버너 대신 포스트 인젝션 기술을 선호하는 이유는 포스트 인젝션 기술은 버너와 같은 별도의 장치가 필요 없기 때문에 가격이 저렴하고 또한 고장의 요인도 상대적으로 줄어들기 때문이다. 그러나 배기가스 규제가 강화될수록 기존의 포스트 인젝션 기술만으로는 배기가스 온도를 충분히 올리기가 어려워지는 문제가 발생한다. 예를 들어 1) 냉시동(cold start-up) 조건, 2) 저속 또는 장시간의 아이들링 운전 조건과 같이 배기가스 온도가 극히 낮은 경우는 촉매가 작동하는 온도 이상으로 배기온도를 올려주기 위해서는 적지 않은 열에너지를 배기가스에 공급되어야 하지만,³⁾ 기존의 포스트 인젝션 기술은 열을 배기가스에 전달하는 효율이 낮거나 또는 정해진 시간 내에 원하는 만큼의 온도 상승이 불가능한 경우가 발생한다[1,2]. 이에 따라 대형 특수차량을 중심으로 지속적으로 강화되는 규제에 맞추어 배기가스 온도를 올려주는 버너를 사용할 필요성이 제기되고 있고[3,4], 포스트 인젝션 기술의 적용이 불가능한 노후 경유차는 배기가스 온도 제어용 버너 사용이 불가피하다.

Fig. 2.

A schematic of diesel burner for the thermal management of DOC (Diesel Oxidation Catalyst) and DPF (Diesel Particulate Filter).

차량용 디젤 버너의 기술적 난이도는 산업이나 가정에서 일반적으로 사용되고 있는 경유 버너에 비해 상당히 높다. 이처럼 차량용 버너의 기술적 난이도가 높은 이유는 차량용 버너의 경우 별도의 공기 압축기를 통해 안정적으로 공기를 공급받지 못하고 배기가스 내에 일부 남아있는 산소를 활용하기 때문이다(Fig. 2 참조). 즉, 차량용 버너에서 안정적인 착화와 화염의 유지를 위해서는 많은 양의 공기를 버너에 공급할 수 있는 대용량 공기 압축기가 필요하지만, 차량에는 공간과 배터리 용량에 큰 제약이 있기 때문에 공기 압축기의 용량을 최소화하고 대신 버너에 필요한 산소는 배기가스에 일부 남아 있는 산소를 활용할 수밖에 없다. 한편, 디젤 배기가스 내의 산소 농도는 1) 대기 중의 산소 농도에 비해 낮을 뿐만 아니라, 2) 버너 전단에 놓인 디젤 엔진의 운전 조건에 따라 수시로 변하기 때문에 화염의 착화 및 안정적인 화염을 유지하는데 어려움이 발생하게 된다. 이에 따라 기술력이 뛰어나다고 알려진 해외 유명 자동차 관련 업체들도 차량용 버너 개발에 큰 어려움을 겪고 있는 것으로 보고되고 있다[5,6].

2.2 기존 디젤 배기관 적용 버너의 문제점

Fig. 3은 우리나라 DPF 장착 업체들이 사용하고 있는 기존 버너의 내부 사진으로, 버너는 연료분사 노즐과 세라믹 전기 히터를 사용한 점화원(ignition source)으로 구성되어 있다.⁴⁾ 또한 높은 유속으로 유입되는 배기가스에 의해 화염이 소실되는 것을 방지하기 위해 화염과 배기가스가 직접 접촉하지 못하도록 연소실(combustion chamber)을 두고 있다. 여기서 연소실 전단부와 후단부에는 여러 개의 작은 홀(hole)이 뚫려 있고, 이들 홀을 통해 배기가스 내의 산소가 연소실에 공급되고 있다. Fig. 3에서 보듯이 기존 버너는 1) 점화원의 크기가 연소기 대비 작고, 2) 위치가 고정된 점화원을 사용하고 있다.⁵⁾ 이처럼 화염의 착화 공간의 물리적 크기가 작고 위치가 고정된 버너는 시간 및 공간에 따라 공기-연료비 조건이 수시로 변하는 차량용 버너에는 적합하지 않으며, 실제로 기존의 차량용 버너가 정상적으로 작동되는 엔진 운전 조건은 제한적이다.

Fig. 3.

Conventional glow-plug type diesel burner and a schematic of its configuration in the exhaust system of vehicles.

세라믹 전기 히터를 점화원으로 사용하는 버너의 문제점은 Fig. 4를 통해 예시적으로 살펴볼 수 있다. Fig. 4는 1) 차량이 저속 운행 또는 아이들링(idling) 조건으로 운용됨에 따라 배기가스 유량이 작아 버너에 적은 양의 디젤연료가 공급되는 경우⁶⁾ 및 2) 차량이 중·고속으로 주행 시 배기가스 유량이 증가되어 버너에 공급되는 연료량이 많은 경우 서로 다른 형상의 연료 스프레이 및 점화원과의 상대적인 거리를 보여주고 있다. 배기가스 유량이 적은 저속 및 아이들링의 경우 버너에 공급되는 유량도 함께 줄어들며, 이 경우 연료 미립화가 미흡하고 스프레이의 각도가 작아 점화원과 연료 간의 거리가 착화에 어려움을 겪을 정도로 멀어진다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이 버너에 공급되는 유량의 많고 적음에 따라 연료 스프레이의 각(angle)과 연료 액적(fuel droplets)의 미립화(atomization) 정도는 크게 달라진다. 이에 따라 저속 및 아이들링 조건에서는 1) 연료 액적과 점화원의 거리가 멀고, 2) 연료 액적의 미립화가 충분히 진행되지 않아 화염 착화에 어려움이 발생된다.

Fig. 4.

Spray characteristic of diesel burner nozzle depending on the mass flow rate of the fuel.

현재 국내에서 사용 중인 모든 차량용 버너는 Fig. 4의 우측 그림과 같이 중/고속 주행을 하는 차량 운전조건에 맞추어 설계 및 제작되어 있다. 따라서 건설기계 및 특수차량과 같이 저속 운행 구간이 많고 아이들링 시간이 긴 차량에서는 기존의 차량용 버너가 정상적으로 작동되기가 어려우며, 실제로 현장에서 DPF 재생에 많은 문제가 발생하고 있는 차량들의 대부분은 건설기계와 특수차량들임이 밝혀져 있다. 한편, Fig. 4에서 보는 바와 같이 저속 및 아이들링 조건에서는 착화가 용이하지 않으며, 이 경우 대표적으로 나타나는 현상은 1) 연료가 분사된 이후 화염이 착화되기까지 시간이 길고(ignition delay time이 증가), 2) 일부 극단적인 경우는 착화에 실패하게 된다. 이러한 경우 디젤연료와 미연탄화수소가 배기관 및 촉매에 쌓이게 되고 이후 엔진의 속도/부하 변동이나 또는 차량용 버너가 작동되어 배기가스 온도가 올라갈 경우 백연 발생의 원인이 된다. 또한 백연이 발생하지 않더라도 이들 연료와 미연탄화수소는 버너의 노즐이나 내부에 검댕(carbon black)을 만들거나 오염시켜 정상적인 버너 작동을 불가능하게 만드는 원인이 된다.

2.3 플라즈마 버너의 작동원리

자동차 배기가스 온도를 다양한 엔진 운전 조건에서 정교하게 제어할 수 있는 플라즈마 버너를 보다 정확하게 표현하면 ‘회전 아크 플라즈마로 착화 및 화염을 유지하는 디젤 버너’이다. 플라즈마 버너 기술은 당초 연료개질 반응기(fuel reformer) 개발과정에서 얻어진 스핀오프(spin-off) 기술로, 디젤연료 개질기는 디젤 연료를 부분산화 반응을 통해 개질하여 수소, 일산화탄소, 가벼운 탄화수소(light hydrocarbons) 등의 기체 연료를 만드는 기술이다[7,8]. 디젤 연료의 개질반응을 통해 만들어진 수소와 가벼운 탄화수소(light hydrocarbons)는 1) 착화에 필요한 최소 에너지(minimum ignition energy)가 작고, 2) 디젤연료와 같은 무거운 탄화수소(heavy hydrocarbons) 대비 연소 속도가 빠르다는 특징을 갖고 있다.⁷⁾ 이에 따라 이들 개질된 연료로 버너의 연소실에서 배기가스 내의 산소와 연소반응을 일으키게 되면 뛰어난 착화 성능과 동시에 화염의 가연한계(flammability limit)가 넓어 안정적인 화염유지가 가능하다[9,10]. 이상의 설명과 같이 플라즈마 버너는 1 단계에서 는 개질된 연료를 발생시키고, 2 단계에서는 개질된 연료와 배기가스 내의 산소와 연소반응을 연소실에서 일으키는 일종의 다단 연소(staged combustion)을 활용하는 기술이다.

Fig. 5는 플라즈마 버너의 전면(front view) 및 측면(side view)을 제시한 것으로, 그림에서는 1) 분당 수십 – 수 백회로 회전하는 아크 플라즈마(좌측 사진), 2) 전극 내부를 통해 공급된 연료가 스프레이 형태로 분사되어 아크와 만나는 개념도를 보여주고 있다(우측 그림). Fig. 5의 좌측 사진에서 볼 수 있듯이 플라즈마 버너는 회전하는 아크 플라즈마를 활용하여 기존 버너의 세라믹 소재 점화원에 비해 넓은 점화 공간을 갖고 있다. 플라즈마 버너에서는 특정한 공간에서 착화에 실패를 하더라도 곧바로 다음 공간에서 착화가 다시 시도된다. 한편, Fig. 5의 우측 그림에서 볼 수 있듯이, 길이가 수 cm에 이르는 아크 플라즈마는 연료 스프레이 가까이서 회전을 하고 있어 연료의 증발 및 착화에 필요한 에너지를 전달하는 데 유리하다. 본 플라즈마 버너에서 아크 플라즈마가 회전하는 힘은 버너 내부에서 선회하는 공기 유동에 의해 만들어지고 있으며, 아크 플라즈마의 온도는 2,000 K 이상이다[11].

Fig. 5.

The front view of plasma burner with rotating gliding arc and a schematic of the interaction between arc column and fuel droplets.

2.4 기존 버너와 플라즈마 버너의 착화 과정 비교

Figs. 6과 7은 기존 세라믹 소재 히터를 사용하는 DPF 재생용 버너와 플라즈마 버너의 착화 과정을 고속 카메라 촬영을 통해 찍은 사진으로, 이들 그림들은 기존 버너와 플라즈마 버너의 착화 과정이 크게 다르다는 사실을 보여주고 있다. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 기존 버너의 착화과정은 연료 액적 분사 → 액적의 미립화(atomization) → 미립화된 연료 액적의 증발(evaporation)과 공기와의 혼합(mixing) → 점화(ignition) 및 화염 전파라는 일련의 과정을 밟고 있음을 알 수 있다. 한편, 본 실험은 실험의 편의상 버너를 디젤 배기관 내에 장착하지 않고 대기 중에 노출시켜 수행되었다. 이에 따라 산소 농도가 충분히 높은 조건에서 실험이 진행되었음에도 불구하고, 최초로 연료가 노즐로부터 분사된 다음 화염이 착화되기까지 349 ms가 소요되었다. 여기서 연료가 분사된 이후부터 최초의 화염이 나타나기까지의 시간을 점화지연시간(ignition delay time)이라고 정의한다면, 본 실험에서 버너의 점화지연시간은 349 ms이다. 점화지연시간 349 ms 동안 연료는 연소되지 않고 버너, 배기관, 촉매 등에 액체 상태로 쌓이게 되므로, 이처럼 연소되지 않은 연료는 이후 버너가 착화된 다음 열에 의해 증발되어 배기관에서 미연탄화수소로 배출되거나 또는 버너와 배기관을 오염을 시키게 된다. 실제 현장에서 DPF를 재생하는 경우 상류에 있는 엔진 운전 조건에 따라 버너는 수차례에 걸쳐 점화 및 소염을 반복하는데, 이런 경우 긴 점화지연시간은 다량의 미연탄화수소를 배출시키게 되어 버너 및 배기관의 오염과 백연 발생의 원인이 된다.

Fig. 6.

High-speed images of ignition process of conventional glow-plug type diesel burner with 120 W electric power. (좌측 상단에서부터 시계방향으로 점화 과정 진행. 버너 상부에 장착된 세라믹 히터 점화기는 연료분사 이전에 충분히 가열된 상태에서 착화실험이 진행, 비교적 크기가 큰 액적이 분무(185 ms) → 연료의 미립화(atomization) 및 공기와의 mixing이 진행(323 ms) → 최초로 작은 화염이 발생(349 ms))

Fig. 7은 플라즈마 버너의 착화에서 대표되는 사례 가운데 하나를 보여주고 있다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이 플라즈마 버너의 점화지연시간은 기존 버너 대비 1/100 수준인 1.5 ms에 불과하다. 이처럼 점화지연 시간이 짧은 이유는 플라즈마 버너의 착화 과정에는 대다수의 스프레이 연소기(spray combustor)에서 나타나는 연료의 미립화, 증발 및 공기/연료 혼합과 같은 과정이 생략된 채 연료 노즐에서 연료가 나오는 즉시 비교적 큰 크기의 연료 액적이 착화될 수 있기 때문이다. 플라즈마 버너에서 최초로 화염이 나타난 위치는 연료 노즐 가까이에 위치하고 있으며, 해당 위치는 아크 플라즈마와 어느 정도 거리가 있다. 이처럼 아크 플라즈마와는 거리가 떨어진 위치에서 연료 액적이 점화될 수 있는 이유는 고온의 아크 플라즈마에서 연료 액적으로 착화에 필요한 열에너지가 복사 열전달(radiative heat transfer)을 통해 전달된 것으로 보고 있다. 즉, 수 천 K에 이르는 아크에서 전달된 열에너지가 액적을 증발시키고, 연료 일부를 착화가 보다 용이한 수소나 가벼운 탄화수소로 전환시켜 착화를 일으킨 것으로 보인다. 본 연구에서는 다양한 산소 농도 및 투입 전력 조건에서 플라즈마 버너의 착화성능을 살펴보았는데, 산소 농도가 15% 이상이고 플라즈마 발생을 위한 전력이 60 – 200 W 범위의 경우 10 – 20 ms 내에서 착화가 가능했다[12]. 이상에서 관찰된 바와 같이 플라즈마 버너는 1) 점화지연 시간이 짧고, 2) 연료량에 의해 형상이 좌우되는 스프레이 분무 상태와는 무관하게 즉, 연료 분사량이 많고 적음에 관계없이 착화가 가능했다. 이러한 플라즈마 버너의 독특한 특성으로 인해 플라즈마 버너는 미연탄화수소의 발생을 최소화하고 또한 다양한 연료조건에서도 안정적인 착화가 가능했으며, 이는 이후에 설명하고 있듯이 백연발생을 억제하는 기술을 개발하는데 있어 핵심적인 역할을 하게 된다.

Fig. 7.

High-speed images of ignition process of plasma burner with 200 W electric power.

DPF 재생용 버너를 차량에 장착하고 장기간 운용했을 때 지금까지 해결하기 어려웠던 고질적인 문제로 연료 노즐 출구가 검댕(carbon black)에 의해 오염되거나 심지어 막혀버리는 문제를 들 수 있다. 노즐이 검댕에 의해 오염되거나 막힐 경우 연료 분사는 불규칙하거나 불균일해지고, 이는 버너의 착화 실패 및 불안정한 연소의 원인이 된다. 노즐의 오염 및 막힘 문제는 연료 과농 조건에서 착화 및 연소가 이루어지는 차량용 버너에서는 불가피하며, 노후 건설기계에 장착된 버너를 수리하는 원인 가운데 1/3 가량은 노즐의 오염과 막힘이 차지한다는 조사 결과도 있다.

지금까지 노즐의 오염과 막힘에 대한 기술적인 대책은 주기적인 정비 이외에는 없는 상황이고, 이는 자동차 배기정화 기술에서 버너 사용이 기피되는 가장 큰 이유 가운데 하나이다. 한편, 플라즈마 버너의 경우 재생이 종료된 다음 즉, 버너에 연료 공급이 중단된 이후 약 30초 동안 회전 아크 플라즈마를 발생시켜 노즐에 부착된 탄화수소를 고온에서 산화(oxidation) 처리하는 기능을 갖고 있다. Fig. 8은 이러한 노즐 청소 기술을 사용했을 때의 효과를 보여주는 사진으로, 그림은 플라즈마 버너 및 DPF를 장착한 차량이 5,000 km 주행 후 플라즈마 버너의 노즐 상태를 보여주는 사진이다.⁸⁾ 그림에서 보듯이 일반 버너의 노즐은 탄화수소로 인해 오염이 심한 반면, 회전 아크 플라즈마를 활용해서 노즐이 주기적으로 청소된 노즐은 깨끗한 상태를 유지하고 있다.

Fig. 8.

(left) Nozzle tip contamination by residues and (right) Removal of residues around the nozzle tip by rotating gliding arc.

3. 노후 건설기계 백연저감 연구

노후 건설기계에서 DPF 장착에 따른 백연 발생과 관련된 연구는 지금까지 수행된 사례가 많지 않고, 또한 관련된 시험 절차나 규정도 없는 상태이다. 이에 따라 본 연구에서는 1) 기계연구원과 자동차연구원이 자체적으로 백연이 발생되는 특정 조건을 잠정적으로 정의하고, 2) 이러한 특정 조건에서 발생된 백연을 저감하는 버너 및 촉매 기술을 개발하였으며, 3) 개발된 기술의 효과는 백연발생이 용이한 조건에서 검증하였다. 여기서 백연발생이 용이한 조건이란, 1) 차가운 상태의 DPF와 배기관에 일정한 양의 디젤 연료를 미리 분사시켜 적신 다음, 2) 엔진 속도/부하를 변동시키거나 버너를 작동시켜 배기온도를 급격하게 상승시켜 임의로 탄화수소 배출 양을 증가시키는 조건을 말한다. 본 연구에서는 기초 및 엔진 시험은 물론 총 5 대의 레미콘 차량에 플라즈마 버너와 DPF를 장착하고 운행한 실증연구도 수행되었다.

3.1 백연 발생 특성 시험

3.1.1 백연이 발생할 때의 DPF 온도 및 미연탄화수소 농도

백연은 응축된 수증기와 탄화수소가 가시적으로 보이는 현상이기 때문에 주관적인 기준에 의해 ‘백연 발생’과 ‘백연 미발생’의 경계가 나누어진다. 그럼에도 불구하고 DPF를 재생할 때 어떤 조건에서 백연 발생이 뚜렷해지는지에 대한 정량화된 기준이 있어야 기술개발이 용이해진다. 이러한 현실적인 필요성에 의해 본 연구에서는 DPF 재생 시 발생되는 백연 현상과 DPF 출구온도 및 탄화수소 농도의 상관관계를 살펴보았다. 본 실험은 12 리터 엔진을 이용하여 엔진 속도(1200 rpm)를 고정하고 부하를 변동시켜 DPF 출구온도에 변화를 주면서 수행되었다. DPF 출구 온도를 변수로 잡은 이유는 DPF 시스템에 의한 최종 배기가스는 DPF에 코팅된 촉매에 의해 변화하기 때문이다. 재생 초기 배기가스의 온도가 높은 경우, 즉 DPF 출구 온도가 높은 경우는 연료 분사 초기부터 촉매에 의한 연료의 산화가 활발히 일어나고 담체 내 연료 누적이 적으며 이후 배기온도 상승을 원활하게 유도함으로써 버너에 의해 배기온도가 상승되더라도 배기가스 중에 급격한 탄화수소 농도를 상승시키지 않는다. 반면에 온도가 낮은 경우는 버너의 안정적 화염 형성 이전에 분사된 연료의 산화가 작아서 많은 연료가 담체에 쌓이거나 버너에 의한 온도상승에 의해 급격히 배기로 배출된다. 이로 인하여 재생 과정에서 탄화수소의 농도가 급격하게 상승하게 되고 배기온도는 상승하지 못하여 백연이 발생할 가능성이 높아지게 된다. 따라서 재생 초기의 DPF 출구온도는 DPF시스템의 백연 발생에 크게 영향을 주는 인자이다. 본 실험은 DPF 출구온도에 대한 백연생성 특성을 분석하기 위해 비교적 일정한 배기유량에서 부하 변화를 통한 DPF 출구 온도 변화에 따라 장착된 DPF를 재생하면서 백연 발생 여부를 관찰하였다. Fig. 9에서 볼 수 있듯이 DPF 후단 온도가 일정온도 이상인 조건에서는 배기관 근처에서 백연 발생을 관찰할 수 없었다. 이는 배기온도가 어느 정도 큰 경우는 앞에서 설명했듯이 촉매에 누적되는 탄화수소 양이 감소하고 산화촉매에 의한 탄화수소 산화에 의해 촉매의 예열이 단계적으로 진행되기 때문이다. 반면에 DPF 출구온도를 낮추면서 재생을 진행한 경우 DPF 출구온도가 150°C 정도가 되면 미연탄화수소 농도가 500 ppm으로 상승하고 배기단 이후 외부에서 백연발생이 뚜렷하게 관찰되었다. 따라서 백연 발생을 억제하기 위해서는 이들 온도 및 농도 조건으로부터 가능한 멀리 벗어나야 한다고 보았다. 본 실험결과는 절대적인 기준은 아니지만, 이후 DPF를 재생하는 다양한 실험을 수행하면서 백연 발생을 피하는 미연탄화수소 농도의 잠정적인 기준값으로 활용되었다.

Fig. 9.

The outlet temperature of DPF and white smoke emission with the concentration of unburned hydrocarbons at the ambient temperature is around 5~10°C and relative humidity is roughly 10~30%.

3.1.2 DPF 재생 시 버너 연료 공급방식에 따른 백연 발생 특성

버너를 사용하여 DPF를 재생할 때 백연이 심하게 발생되는 경우는 1) 버너에서 점화지연 시간이 길어진 경우 또는 2) 착화에 실패했을 때이다. 이러한 경우 버너에 공급된 디젤 연료는 완전히 연소되지 못한 채 액상 또는 기체상의 탄화수소로 배기관이나 촉매필터에 쌓이게 되는데, 이후 재차 DPF 재생을 위해 배기온도를 올렸을 때 배기관이나 촉매필터에 쌓였던 탄화수소가 일시에 배출되어 백연 현상이 나타날 수 있었다. 따라서 DPF 재생 시 발생되는 백연 발생을 억제하기 위해서는 1) 버너의 점화지연시간을 최대한 줄이고, 2) 착화 이후에도 촉매의 온도 변화에 따라 연료 분사량이 적절히 조절되어야 하며, 3) 착화에 실패하지 않는 것과 동시에 착화실패를 하더라도 조기에 연료를 차단할 수 있도록 화염 발생 여부를 신속히 감지할 수 있는 기술이 요구되고 있다.⁹⁾Figs. 10과 11에서는 운행 중 재생을 수행하는 기존 경유 버너에 연료를 공급하는 방식에 따라 어떻게 백연이 발생되거나 발생이 억제되는지를 예시적으로 보여주고 있다. Fig. 10은 재생 시 버너의 착화 이후 배기온도 상승을 위해 연료량을 급격히 증가시킬 경우의 DPF 시스템의 온도 변화 및 백연 발생 최대 시점의 사진을 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이 점화 후 버너의 연료 분사량을 촉매의 온도상승을 고려하지 않고 갑자기 높인 경우에는 버너에서 발생한 미연연료가 증가하고 증가된 미연연료는 낮은 온도의 촉매 혹은 DPF 담체에 쌓이게 된다. 그리고 이후 화염의 크기의 증가에 의해 배기온도가 빠르게 올라가고 담체온도가 올라가면서 백연발생도 뚜렷이 관찰되었다.

Fig. 10.

Characteristic of white smoke emission with the fuel injection duty pattern 1 (engine speed : 1200 rpm).

이에 반해 Fig. 11과 같이 촉매의 온도상승을 고려하여 연료를 서서히 증가시킬 경우 백연 발생이 상당히 억제되었다. 이처럼 초기에 연료량을 급격히 증가시킬 경우 버너에서 화염이 완전히 발달하지 못하고 다량의 미연탄화수소가 배출되어 백연발생의 원인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 백연발생을 억제하기 위해서는 배기온도를 서서히 올리는 방안이 효과적임을 알 수 있었다[13]. 그러나 이로 인해 DPF 재생시간이 지나치게 길어질 경우 연료 소비량의 증가 및 배기계통의 열화 문제를 일으키므로, 백연발생을 억제하면서도 적절한 DPF 재생시간을 유지하는 전략이 필요하다.

Fig. 11.

Characteristic of white smoke emission with the fuel injection duty pattern 2 (engine speed : 1200 rpm).

3.2 백연 발생 억제를 위한 기술

3.2.1 버너 착화 및 연료 분사량 조절 최적화 기술

재생 버너의 동작에서 백연 생성 관점으로 중요한 구간을 나누어보면 Fig. 12와 같이 1) 화염이 형성되는 점화 시점, 2) 배기온도 상승을 위한 연료량 증가 구간, 그리고 3) 재생온도 유지를 위한 연료 분사량 제어구간으로 크게 나눌 수 있다. 점화 시점에서는 점화기 설치 지점에서의 연료의 무화 및 산화제와의 적절한 혼합이 중요하고 전술했듯이 점화 지연이 짧아야 미연 연료의 슬립을 최소화하여 백연 생성을 피할 수 있다. 따라서 점화 시에는 선정된 연료 노즐에서 가능한 작은 연료량으로 연료 무화 특성이 확보되고 점화가 용이한 조건 설정이 필요하다. 그리고 화염을 성장시키면서 배기온도를 상승시키는 구간에서는 산화 촉매 및 DPF의 온도상승을 고려하여 연료량 상승을 유도해야 제한된 화염 영역으로 인한 미연 연료의 누적을 최소화함으로써 이후 배기온도의 상승에 의한 과도한 슬립을 최소화 할 수 있다. 이러한 과정에서 점화 및 온도 상승 오류 등으로 재생 과정이 완료되지 못하는 경우 재생 실패를 빨리 진단하고 재생 종료를 유도하고 다음 재생 재진입시 촉매나 담체에 연료가 쌓이는 것을 전제로 온도상승을 세밀히 제어할 필요가 있다. 그리고 3번째 구간에서는 목표 온도제어를 위한 제어 변수의 과도 동작 제어(배기유량 측정 피드백, 산소농도 모니터링, 연료 분사량 제한 등) 방법의 최적화가 백연 저감을 위한 방법으로 가장 중요하다.

Fig. 12.

Characteristic of white smoke emission during the regeneration process of DPF.

플라즈마 버너 복합재생 DPF 장치를 노후화한 12리터 엔진(D6CB, Euro-3 엔진)에 설치하여 초기 점화 및 분사량 제어 등 백연 저감을 위한 제어기 변수를 설정하였다. Fig. 13은 본 연구에 사용된 대형 복합 재생 DPF 장치와 엔진 시험을 위한 장치 구성을 보여준다. 장치는 크게 버너부와 DOC, DPF로 구성된 촉매부와 각종 제어기 및 연료공급, 공기공급 장치들로 이루어져 있다.

Fig. 13.

Components of plasma burner DPF system for a heavy-duty diesel vehicle.

버너부의 점화기는 전술하였듯이 연료노즐 주위로 회전하는 아크 플라즈마를 이용하여 이루어지고 점화기에 맞게 노즐 및 버너 헤드부가 설계되었다. DOC 촉매는 11.25인치 직경에 길이 3인치 촉매가 사용되었고 DPF는 11.25인치 직경에 길이 12인치인 산화 촉매가 코팅된 200 cpsi의 SiC 필터가 사용되었다. 제어기의 제어변수 설정은 초기 점화 단계, 화염 유지 및 점화 정상 판단 단계, 화염 성장 단계 그리고 재생온도 유지 단계로 크게 나누어 진행되었다. 전술하였듯이 초기 점화 단계에서는 후처리 장치가 예열되지 않은 조건을 감안하여 초기 연료 분사량을 최대한 감소(연료 분사 패턴 유지, 점화특성 유지)하여 배기 후단에서 THC(total hydrocarbons) 슬립 피크(peak)를 500 ppm 이하가 되도록 설정하였다. 점화된 이후 산화촉매(DOC) 출구 온도가 설정 온도(본 장착조건에서의 설정: 200°C)이상이 되었을 때 연료량을 늘려 화염을 성장시키는 단계로 넘어가고 화염의 안정적 점화를 확인한다. 이후 산화촉매 출구온도가 설정온도(본 장착조건에서의 설정: 250°C)에 도달하면 추가적인 화염의 성장을 위한 연료 분사량 증가 및 재생온도 유지를 위한 연료량 제어가 진행하도록 설정되었다. 이때에도 촉매의 열화 및 내구성 확보를 위해 DOC 입구 및 DOC출구, DPF 출구온도의 정상 범위를 설정하였고 이런 범위를 벗어나면 연료량 가감에 의한 제어가 이루어지도록 구성되었다. Fig. 14는 이렇게 설정된 제어기를 이용하여 재생과정을 수행한 결과를 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이 배기온도가 100°C로 유지되고 있는 조건에서 초기 점화단계의 라인 플러싱과 초기 점화 연료 분사량에 기인한 THC 슬립 피크가 370 ppm 정도로 백연 발생 수준 이하임을 알 수 있다. 그리고 이후 버너에 의해 산화촉매 온도가 상승함에 따라 THC 농도는 급격히 감소하는 모습을 보인다. DOC 출구 온도가 250°C에 도달하면 DPF 출구온도가 200°C를 넘어서고 이후 연료의 추가 공급 및 재생 목표온도로 제어가 진행되도록 설정함으로써 대부분의 엔진 운전조건에서 재생시 큰 THC의 슬립 없이 재생 수행이 가능하였다.

Fig. 14.

Regeneration process of plasma burner DPF system with fuel injection control (idling at 800 rpm).

3.2.2 착화 실패에 조기 대응하는 기술

백연발생이 가장 심각하게 나타나는 조건은 버너에서 착화에 실패한 다음 곧바로 DPF를 재생하기 위해 버너를 작동시키는 경우이다. 이 경우 착화에 실패한 버너에서 분사된 다량의 연료가 배기관이나 촉매필터를 적시게 되며, 이후 DPF 재생을 위해 배기가스 온도가 급격히 올라가면 백연이 발생한다. 이에 따라 백연발생을 억제하기 위해서는 먼저 착화 실패를 방지해야하나, 착화에 실패한 경우라도 조기에 이를 감지하고 연료를 차단하면 백연발생을 막을 수 있다. Fig. 15는 연료가 분사되고 화염이 형성되지 않는 착화 실패 조건을 모사한 상황에서 DPF 시스템 내에 분사된 연료가 액체 상태로 쌓인 상태를 보여준다. 아이들 상태(800 rpm)에서 착화 실패 판단을 위한 시간을 5분이라 가정하고, 연료를 5분 정도 분사한 경우 무화된 연료는 버너 표면(화염 길이 제어를 위한 타공판)에서 액적이 되어 아래로 흘러 고이거나, 미립화된 연료 액적은 배기가스와 함께 후류에 있는 촉매 담체 표면으로 이동하여 쌓이게 된다. 이렇게 재생 실패로 쌓인 연료는 이후 재생 재진입 혹은 배기온도의 갑작스런 상승에 의해 급격히 증발하게 되고 산화 촉매에 의해 산화되지 못하고 배기로 배출되게 되면 외부에서 과도한 백연이 발생된다. 본 실험에서 구성된 플라즈마 버너 DPF 장치를 이용하여 산화 촉매 전/후단 온도센서를 이용하여 재생시 연료 조절 단계 중 착화 단계에서 착화 판단을 수행하도록 설정하였다. 착화 판단 시간과 착화 실패 판단 과정에서 분사된 연료량을 측정하기 위해서 점화기를 제거하고 재생이 수행되었다. Fig. 16은 착화 실패 감지 시기 및 착화 실패시에 분사된 연료량 그리고 재생 재진입시 백연 발생 결과를 보여준다. 그림에서 알 수 있듯이 착화 실패 판단은 재생 진입후 100 s(점화 준비기간을 제외한 연료 분사 시간은 75 s)후에 이루어졌고 연료는 69 g 정도가 분사되었다. 이러한 상태에서 재생 재진입을 하고 정상적인 재생을 수행했을 때 배기단에서 백연이 관찰 되지 않았다. 이는 이전단계에서 액상으로 쌓인 연료는 본 개발 장치의 산화 촉매와 촉매 코팅된 DPF(c-DPF)에 의해 제거가 가능한 수준임을 알 수 있다.

Fig. 15.

Simulation test for misfiring of diesel burner and fuel wetting on the DOC and DPF.

Fig. 16.

Simulation test for misfiring of plasma burner and white smoke emission during the regeneration process.

본 장치의 DOC와 c-DPF 구성에서는 얼마나 이른 시기에 착화 실패를 감지하면 재진입 재생 혹은 급가속 승온 조건에서 백연 발생을 피할 수 있는지를 엔진 아이들 조건에서 착화 실패 감지 시간을 늘리면서 살펴보았다. Fig. 17에서 볼 수 있듯이 연료를 누적하고 촉매를 가열하는 방법에 따라서 백연 발생 시점이 변화한다. 배기가스 온도가 100°C인 아이들 조건에서 연료가 누적되고 이후 엔진 부하를 올린 승온 조건에서는 2.5분(연료 누적 95 g) 누적한 경우 백연이 관찰되었다. 같은 연료 누적조건에서 장치 재생조건으로 승온한 경우, 백연은 관찰되지 않았고 3분 정도 연료가 누적되었을 때 백연이 관찰되었다. 재생조건으로 승온한 경우의 온도신호를 확인한 결과 점화 후 유지 단계에서 DOC 입구 온도, 즉 화염의 온도가 연료 누적이 안 된 경우와 비교해서 100°C 정도 증가된 결과를 확인할 수 있었다. 이는 화염 점화후 온도 증가에 의해 증발된 연료의 일부가 버너부에서 산화된다는 것을 유추할 수 있고 이로 인해 촉매로 유입되는 미연연료량의 감소로 백연 발생 누적 연료량이 상승하는 결과를 보여준다.

Fig. 17.

Variations of white smoke emission depending on the accumulated fuel supplies and heat-up rate of DOC and c-DPF.

본 장치 구성에서 착화 실패 감지 후 플라즈마 버너를 이용한 재생 재진입시에 백연발생은 3분 이후부터 발생되기 때문에 착화 감지는 이보다 빠른 시점에 수행되어야함을 알 수 있다. 그리고 또한 엔진 가속에 의한 백연 관찰은 이보다 빠른 1.5분 정도에서 발생했다는 결과(Fig. 16)를 고려하면 백연 발생을 최소화하기위해서는 1.5분(57 g 연료 누적) 이전에 착화 실패 감지를 하고 이후 재생 재진입시의 재생 과정 관리가 필요함을 알 수 있다. 본 실험은 착화에 실패하더라도 조기에 이를 감지하고 연료를 차단하면 DPF 재생을 위해 다시 버너를 작동시켜도 백연 발생을 피할 수 있다는 사실을 밝혀주었다.

3.2.3 촉매 코팅 및 재료기술

촉매 담체의 재질 또는 귀금속 촉매의 코팅 기술에 따라 탄화수소의 흡·탈착 및 산화속도는 달라지며, 이에 따라 DOC 및 DPF 기술도 백연 발생을 억제하는데 중요하다. Table 2는 본 실험에서 수행한 4 종류의 DOC + DPF의 사양 및 특성으로, 이들의 백연 발생을 억제하는 성능은 사용한 촉매 필터의 종류에 따라 상당히 다르게 나타났다. 통상적인 엔진 실험에서는 백연이 잘 발생되지 않으므로, 본 실험에서도 앞서 소개한 착화 실패를 모사한 엔진실험과 마찬가지로 1) 40 – 190 g에 이르는 디젤연료를 아이들 조건에서 사전에 분사하여 배기관과 촉매 필터를 적셔놓은 다음, 2) 배기가스 온도를 급격히 올려 백연발생 특성을 살피는 실험이 수행되었다. 착화 실패 판단시간 및 횟수 등을 모사하여 재생 시 점화 단계에서 분사되는 연료량으로 분사시간을 조절하여 단계적으로 누적 연료량을 증가시켰고 각 누적 분사량에서 배기 온도 승온 조건을 변경하여 각각 시험을 진행하였다. 본 실험에서 배기온도를 올리는 방법으로는 2 종류의 서로 다른 방법을 사용하였다. 즉, 1) 엔진 회전수를 800 rpm로 고정하고 엔진 부하를 올리는 방법, 2) 플라즈마 버너를 작동시켜 DPF를 재생시켜 배기가스 온도를 올리는 방법 시험을 수행하는 방법. 이처럼 서로 다른 조건에서 시험이 수행되었다. 본 실험에 사용된 촉매 및 담체는 Table 2에 정리하였다. 촉매는 3개 업체로부터 제공받았고 촉매 코팅량의 변경과 DPF 담체 재료 변경에 의한 백연 발생 영향을 확인하였다.

Table 2.

Four types of DOC + DPF sets for white smoke emission test

촉매 필터 구분		DOC + DPF 사양 또는 특성	촉매 필터 제공사
			DOC (300 cpsi)	DPF (200 cpsi)
A사		DOC 귀금속 촉매 코팅 : 1.77 g/L DPF 필터 재료 : silicon carbide (Bulk density: 0.82 kg/L)
H사	Low	DOC 귀금속 촉매 코팅 : 1.0 g/L DPF 필터 재료 : silicon carbide (Bulk density: 0.82 kg/L)
	High	DOC 귀금속 촉매 코팅 : 2.1g/L DPF 필터 재료 : silicon carbide (Bulk density: 0.82 kg/L)
C사		DOC 귀금속 촉매 코팅 : 0.75 g/L (w/ catalysts) DPF 필터 재료 : cordierite (Bulk density: 0.45 kg/L)

Fig. 18은 4종류의 DOC + DPF 시스템을 2 가지 방법으로 배기온도를 올렸을 때 백연이 발생한 누적 연료량 결과를 보여주는 그림이다. 그림에서 볼 수 있듯이 DOC의 촉매 코팅량이 많은 H사의 DOC+c-DPF 경우는 1회 착화 실패시 발생하는 연료 누적량(69 g 정도)의 2배 정도의 누적 연료량에서도 백연이 작게 발생하는 결과를 보였다. 그에 반해 DPF 담체의 재질을 변경한 C사 촉매의 경우는 1회 착화 실패 분사량의 1/2이하의 누적 연료량에서도 확연한 백연 발생 특성을 관찰할 수 있었다. 이는 촉매의 성능 부분에 대한 영향도 있지만 DPF 담체의 낮은 밀도(bulk density)로 인한 담체 온도 상승이 빠름에 기인한 결과로 유추할 수 있다. 결과적으로 DOC에 귀금속 촉매 코팅 양을 증가시키는 방법은 엔진 부하를 올리거나 DPF를 재생하는 경우 효과적으로 백연 발생을 억제하는 특성을 보였다. 본 실험결과는 가능한 탄화수소를 잘 흡착시키고, 흡착된 탄화수소는 낮은 온도에서도 산화를 시켜줄 수 있는 경우에 백연발생이 억제될 수 있음을 보여주었다. 본 실험을 통해 알 수 있었던 또 다른 사항 가운데 하나는 어떤 종류의 DOC 및 DPF 조합을 사용하더라도 착화 실패는 백연을 가장 잘 발생시킬 수 있다는 사실이다. 그림에서 볼 수 있듯이 엔진 속도의 급속한 증가나 DPF 재생을 위해 플라즈마 버너를 작동시킬 경우에는 촉매필터의 성능에 의해 어느 정도 백연 발생이 억제될 수 있으나, 착화 실패의 경우는 어떠한 DOC 및 DPF 조합에서도 다량의 백연 발생을 피하기가 어려웠다.

Fig. 18.

Variations of white smoke emission depending on the types of DOC + DPF sets.

3.3 차량 실험

Fig. 19는 건설기계의 일종인 레미콘 차량에 플라즈마 버너 및 DPF를 장착한 사진 및 해당 차량을 차량 동력계에 올려놓고 배기가스 특성 시험을 수행하고 있는 사진을 보여주고 있다. 차량 장착 시험은 총 5 대의 차량에서 수행하였으며, 이들 차량은 1) 건설 현장에서 장기간 운용을 통해 플라즈마 버너의 내구 및 신뢰성을 검증하는 시험과 2) 다양한 운행 조건에서 플라즈마 버너의 백연발생 억제 성능을 파악하는 실험에 활용되고 있다. 특히 이들 5 대의 차량은 플라즈마 버너를 장착하기 이전에 기존의 버너를 장착하고 운행해왔던 차량이기에 플라즈마 버너와 기존 버너의 성능 비교를 용이하게 할 수 있었다. 본 차량 실험에 활용된 차량의 제작연도는 1994 년도부터 2004년도에 걸쳐 있으며, 이로 인해 엔진의 노후화 정도는 각 차량마다 달랐다. 따라서 노후 엔진으로 인해 발생되는 미연탄화수소의 영향을 최소화하기 위해 차량 실험에 앞서 모든 차량은 엔진을 정비한 이후에 수행하였다.

Fig. 19.

Chassis dynamometer test for a decrepit construction vehicle with plasma burner DPF system.

레미콘 차량을 활용하여 백연 발생 연구를 위해 수행된 차량 동력계 시험에서 알게 된 중요한 사실은 기존의 공인된 시험 모드를 바탕으로 수행된 시험만으로는 건설기계의 백연 특성을 파악하기가 불가능했다는 사실이다.

예를 들어 본 연구 초기에는 NIER(National Institute of Environmental Research Mode) 시험 모드를 바탕으로 DPF 재생 시 기존 버너와 플라즈마 버너의 미연탄화수소 발생량을 비교했으나, 그 차이는 30% 정도로 크지 않았다. 또한 운행 속도가 정해진 시험모드에서는 기존 버너나 플라즈마 버너 모두 DPF를 재생하는 동안에도 백연이 잘 발생하지 않았다. 이는 앞서 언급했듯이 백연이 발생하기 위해서는 정상적인 도로주행 조건이 아니라 1) 대기 온도가 낮고, 2) 버너의 착화 실패, 불안정한 연소, 버너의 오염 등으로 인해 다량의 미연탄화수소가 발생하거나 또는 3) 저속운행 및 장시간의 아이들링으로 인해 배기관 및 촉매 온도가 낮아 연료 또는 미연탄화수소가 이들 배기계통에 쌓인 상태에서 배기가스 온도가 급격하게 상승되는 등과 같이 특정한 조건들에 의해 발생하는 현상이기 때문이다. 따라서 차량 시험에서 백연발생 특성을 살펴보기 위해서는 도로주행을 모사하고 있는 기존의 공인된 시험 모드가 아니라 백연이 잘 발생되는 다음과 같은 특정 운행 조건에서 시험이 수행되어야만 한다. 즉, 차가운 날씨는 기본이고 여기에 덧붙여 1) 냉간 시동(cold start) 조건, 2) 아이들링 30 분간 유지 후 전/후진 급가속을 하면서 DPF를 재생하는 조건, 3) 아이들링 30 분간 유지 후 언덕 주행을 하면서 DPF를 재생하는 조건과 같이 미연탄화수소가 다량으로 발생하는 특정 운행 조건에서 백연발생 시험이 수행되어야한다.

차량을 활용한 백연저감 연구는 백연이 잘 발생되는 시기인 12월, 1월에 집중적으로 수행되었으며, 미연탄화수소를 측정하는 정량적인 시험과 병행하여 실제 백연 발생여부를 확인하는 정성적인 시험이 병행되었다. Fig. 20은 언덕길을 주행하면서 DPF를 기존 버너와 플라즈마 버너를 활용하여 재생했을 때 백연발생을 비교한 사진이다. 실험 조건은 30분 아이들링 유지 후 언덕길을 주행하며 DPF를 재생했을 때 레미콘 차량에서 백연이 발생하는 현상을 관찰한 것이다. 그림에서 보듯이 플라즈마 버너를 사용했을 때 백연발생이 뚜렷이 감소한다는 사실을 확인할 수 있었다. 이 밖에도 본 연구에서는 냉간시동 조건, 급속 전/후진을 하면서 DPF를 재생하는 조건 등에서 기존 버너와 플라즈마 버너의 성능을 비교했으며, 실험 결과 모든 조건에서 플라즈마 버너를 사용했을 때 백연이 확연하게 감소된다는 것을 알 수 있었다. 이처럼 플라즈마 버너를 활용하여 DPF를 재생했을 때 백연발생이 크게 줄어든 주된 이유는 앞에서 세부적으로 소개된 바와 같이 1) 고온의 아크 플라즈마를 활용하여 점화지연시간을 획기적으로 단축시킬 수 있었다는 점, 2) 플라즈마 버너에서는 연료 스프레이(fuel spray)가 충분히 발달되지 않을 정도로 연료공급 양이 적은 조건에서도 착화가 가능해짐에 따라 버너에 공급되는 연료의 양을 정밀하게 제어하여 미연탄화수고 발생을 최소화할 수 있다는 점, 3) 화염이 착화된 이후에도 화염은 광범위한 연료-공기 조건에서¹⁰⁾ 플라즈마의 도움을 받아 안정적으로 화염을 유지할 수 있다는 점, 4) 고온의 아크 플라즈마에 의해 연료 노즐 및 버너에 부착된 숯 또는 기타 이물질을 제거함으로써 버너의 주요 부품의 오염을 방지할 수 있다는 점 등을 들 수 있다.

Fig. 20.

Investigation of white smoke emission with the two different diesel burners (left: glow-plug type burner, right: plasma burner).

4. 결 론

DPF가 장착된 노후 건설기계에서 백연이 발생되는 상황은 다양한 조건이 복합적으로 나타난 경우이다. 예를 들어 날씨가 춥고, 노후 엔진에서 다량의 미연탄화수소가 배기관이나 촉매 필터에 쌓인 조건에서 DPF를 재생하기 위해 급격히 배기온도를 올려주는 경우에 백연은 뚜렷이 발생한다. 이외에도 DPF 재생 시 버너의 착화 실패 및 불완전 연소는 심각한 백연발생의 원인이 된다. 이처럼 백연이 발생되는 조건은 다양하고 복합적임에도 불구하고, 백연발생을 줄이는 대책은 의외로 단순했다. 즉, 본 연구를 통해 밝혀진 바와 같이 1) 버너에 공급되는 연료의 정밀한 제어를 통해 배기가스 온도의 급격한 상승을 억제하고, 2) 버너의 착화 및 화염을 안정화시켜 미연탄화수소 발생을 줄일 경우 백연발생은 억제될 수 있었다. 이 밖에도 촉매 성능의 향상에 의해서도 백연 발생은 감소되었다. 이상과 같이 지금까지 백연 문제는 원인이 다양하고 복잡한 만큼 해결이 어려울 것으로 보는 의견도 있었으나, 배기가스 온도의 적절한 제어와 이를 통한 완성도 높은 DPF 재생 기술에 의해 백연발생은 상당히 억제될 수 있음이 밝혀졌다.

본 기술개발을 통해 배기가스 온도의 제어 및 완성도 높은 재생 기술을 위해서는 플라즈마 버너의 활용이 매우 유용함을 알 수 있었다. 플라즈마 버너는 대다수의 스프레이 연소기의 착화과정에서 볼 수 있는 액적의 미립화 → 증발 및 공기와의 혼합 → 착화와 같은 단계를 거치지 않고 노즐에서 분사된 큰 액적이 곧바로 착화되는 특성을 갖고 있음이 밝혀졌다. 이러한 특성에 의해 플라즈마 버너는 짧은 점화지연시간 및 다양한 연료량 조건에서의 안정적인 착화 및 화염 유지가 가능했고, 이는 백연 발생을 억제하는 다양한 기술에 적용되었다. 본 기술개발을 통해 밝혀진 여러 플라즈마 버너의 장점은 앞으로 다양한 응용처에도 적용이 가능할 것으로 보인다. 예를 들어 1) 향후 강화될 배기가스 규제에 대응한 배기가스 온도의 신속한 상승 기술(냉간시동, 저속운행 등의 조건에 적용), 2) 연료에 비교적 높은 황성분이 포함되어 있어 귀금속 촉매 사용에 제한이 있는 지역에서의 디젤배기 정화 기술 등에 플라즈마 버너의 활용이 기대될 수 있고, 현재 이를 위한 기술개발이 진행중에 있다.