최근 영업용 트럭을 비롯해 승용차 중에서도 디젤 엔진을 사용하는 자동차들의 경우 ‘DPF’라는 장치를 많이 장착하고 있습니다. 신차일 경우에는 거의 틀림없이 장착되어 있고, 오래된 디젤 엔진의 경우라면 나중에 추가로 장착하고 있죠.
그렇다면 과연 DPF가 무엇이길래, 디젤 엔진 자동차들이 하나같이 달고 다니는 걸까요?
DPF, 꼭 필요한 장치일까?
DPF를 설명하기에 앞서, 먼저 디젤 엔진의 특성에 대해서 알아봐야 할 것 같습니다. 디젤 엔진과 가솔린 엔진의 가장 큰 차이점은 당연히 사용하는 연료가 다르다는 점입니다. 그 연료 자체의 성분 구성이 다르므로 연료에서 얻을 수 있는 힘도 다르며, 연소시키는 과정도 아주 다릅니다.
연료의 성분이 다르므로 이를 태웠을 때 나오는 배기가스의 성분 역시 약간의 차이를 보입니다. 질소화합물과 더불어 특히, 최근에 화제가 되었던 입자상 물질 또는 미세먼지가 가솔린에 비해 다소 발생하는 현상을 보이는 것이 큰 차이점입니다.
물론 최근 개발된 디젤의 경우, CRDI(Common Rail Direct Injection)라 불리는 장치를 이용해 연료를 고압으로 분사한 후 이를 압축시키는 과정에서 발생하는 열에 의해 폭발시키는데, 고압으로 최적의 연료량만을 분사하기 때문에 배기가스 내의 오염물질 절감에 있어서도 상당한 이점을 볼 수 있습니다.
그러나 근본적으로 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비해 고온 고압 상태로 연료를 연소시키는데, 이 과정에서 불완전 연소 현상이 자주 일어나므로 이에 따른 질소화합물과 입자상 물질이 가솔린보다 더 많이 생성됩니다.
또한 개선된 환경 규제의 기준에 따르면 기존의 CRDI만으로는 각종 배기가스 배출 기준을 충족시킬 수 없어 새로운 방식으로 배기가스를 개선하고자 노력했고, 그 결과 개발된 기술이 바로 SCR과 DPF입니다.
DPF, 도대체 무엇이길래?
DPF는 Diesel Particulate Filter의 약자로 ‘배기가스 후처리 장치’라고 보면 됩니다. 이 DPF는 기존 직분사 방식으로는 완전히 처리할 수 없었던 미립자 내지는 입자상 물질을 처리하는 장치인데요. 어떻게 보면 아주 간단한 원리로 작동합니다.
우선 입자상 물질이 함유된 배기가스가 엔진에서 배출되면 배기관을 통해 지나가게 되는데, 배기관의 중간에 장착된 필터로 입자상 물질이 외부로 배출되는 현상을 최소화합니다. 이때 입자상 물질을 붙잡아두는 필터 역할을 하는 것이 바로 백금촉매입니다.
아주 미세한 구조로 이루어진 백금 촉매 필터가 디젤이 연소하는 과정에서 발생한 각종 물질들을 걸러주는 역할을 하죠. 하지만 문제는 시간이 지나면서 각종 물질들이 쌓여 필터를 막아버린다는 것입니다. 그러면 배기가스의 압력 차이가 발생하기도 하며, 심하면 이 장치가 망가져버리기도 합니다.
DPF는 위에서 이야기한 것처럼 백금 촉매로 이루어져 있기 때문에 가격도 비싼 편이죠. 이런 장치가 망가지면 연비와 출력 저하는 물론, 교체 비용도 상당히 발생하겠죠?
그래서 이 장치는 일정량 이상 물질이 쌓이면 강제로 태워버리는 역할까지 함께 수행합니다.
만약 이 필터 전후로 배기가스의 압력 차이가 크다고 인식될 경우 자동차의 상태를 전자제어하는 장치인 ECU(엔진제어 유닛, Engine Control Unit)는 연료를 추가적으로 분사하라고 지시를 내리는데, 엔진에 지정량 이상의 연료가 분사될 경우 당연히 완전히 연소되지 못한 연료가 배기가스를 통해 배출될 것입니다.
그리고 이 연료는 DPF 장치 내로 밀려들어가며, 이때 약 500~600도가량의 뜨거운 배기가스에 의해 점화가 이루어집니다. 이 온도를 이용해 필터를 막고 있던 각종 오염물질들을 태워서 다시 배기압력을 균일하게 맞춥니다.
DPF 작동 시, 연비가 떨어진다? 진짜?
디젤 엔진 이용자 사이에서 DPF와 연비의 상관관계를 묻는 질문이 상당히 많은데, 실제로 DPF에서 열처리 과정이 진행되면 연비가 떨어집니다. 이유는 위에서 설명한 것처럼 DPF 내에 쌓인 오염물질들을 태우기 위해 연료를 강제로 더 분사하기 때문입니다. 오염 물질들을 완전히 태워버리기 위해서 필요한 양만큼 연료를 추가로 분사하기 때문에 당연히 연비가 떨어지는 것이죠.
“연비가 걱정이 되는데 어떡하죠?”
그렇다면 딱 한가지 방법이 있습니다. rpm을 2,000 이상으로 올린 상태에서 20분 이상 주행을 하는 것입니다. 고속도로에서 고속 주행을 하는 것이 거의 유일한 방법이죠. 이 방법은 배기 온도를 강제로 올려서 DPF내에 쌓인 오염 물질들을 태워버리는 방식으로, 물론 어느 정도 연료의 추가 소비는 피할 수 없으나, DPF의 후처리 장치가 가동됨에 따라 발생하는 연료의 소모량보다는 다소 유리하며, 잦은 빈도로 DPF의 후처리 장치가 작동할 경우 DPF 자체에도 문제가 생길 수 있기 때문에 위의 방법을 추천하는 경우가 많습니다.
DPF 전용 오일, 반드시 사용해야 할까?
디젤 엔진 오일을 찾다보면 DPF 전용 오일이라는 것을 발견하게 되는데, 이 오일은 말 그대로 DPF와 연관성이 아주 높은 오일입니다.
엔진 오일은 원칙적으로 연소되지 않아야 합니다만, 실제로는 연소과정에서 미량의 오일이 함께 타는데, 연료만 태울 때 보다 엔진 오일이 함께 타게 되면 불순물의 발생 정도가 더 높아집니다.
이 불순물 중에는 금속성 황산화합물과, 인(P)과 황(S)이 결합된 화합물들이 DPF 백금촉매 필터 표면에 흡착되어 성능을 저하시키고 심하면 쌓이게 되어 제 성능을 못하게 만듭니다. 이 물질들은 엔진오일의 성분 중에 들어있는 황(S)과 인(P)에 의해 주로 생성되는 물질들입니다.
그러나 이 물질들은 마모방지를 위해 반드시 필요한 마모방지 보호막을 만드는 중요한 구성 요소이므로 엔진오일에서 없어서는 안 되는 물질이기도 합니다. 따라서 이 성분들을 필요한 적합한 양으로 넣는 것이 중요합니다.
황산회분 (Sulfated Ash), 인(P), 황(S)이 바로 그 성분들이며, 이들의 첫자를 따서 SAPS 라고 부릅니다. DPF 전용 엔진오일에 표기된 Low SAPS는 바로 이 세가지 요소가 적게 들어갔다는 것을 의미합니다.
가솔린 엔진이나 DPF 가 필요 없이 큰 힘만을 목적으로 하는 디젤엔진들은 이 성분들이 많이 들어 있는 엔진오일을 쓰므로 High SAPS 엔진오일이라고 합니다.
결론적으로 이야기를 해보면 DPF 전용 오일, 즉 Low SAPS 엔진오일은 엔진의 연소 과정에서 발생하는 불순물들을 최소화하는 오일입니다. 그래서 DPF에 쌓이는 오염 물질들을 최소화 시켜줍니다.
따라서 오일이 함께 연소되었을 때 오염물질의 발생량을 최소화하도록 전용 오일을 사용할 것을 권장하고 있는 것입니다. 또한 전용 오일은 대부분 연료 연소 후 오염물질이 DPF 필터를 막는 현상을 추가적으로 줄여주는 첨가제도 함유하고 있어, 장기적으로 봤을 때도 DPF의 수명을 연장시킬 수 있는 방법이라 할 수 있겠죠.
DPF 전용 엔진 오일은?
DPF 전용 엔진 오일은 ACEA C 등급 (C1에서 C4까지 있음)으로 분류됩니다. 특히 ACEA C2 와 C3가 대표적으로 많이 쓰이며 C2는 연비개선에 적합하며 C3는 연비개선과는 상관없이 내구성을 요구하는 경우에 사용됩니다.
DPF 가 없는 가솔린 차량과 승용디젤차량의 경우는 ACEA A3/B3 또는 ACEA A3/B4 등급을 사용하지만 DPF가 장착된 차량은 반드시 ACEA C 등급의 오일을 사용하는 것이 바람직할 것입니다.
만약 타고 계신 차가 승용 디젤이며 DPF가 장착된 차량이라면 ACEA C 등급의 엔진오일을 선택해야 하며 또한 차량에 쓰이는 엔진의 종류에 따라 요구되는 엔진오일의 종류도 달라지므로 반드시 차량취급설명서를 참고하고 맞는 등급(한국에서 사용되는 엔진들은 대부분이 C2 아니면 C3임)을 알고 사용해야 할 것입니다.
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DPF와 함께 언급되는 SCR, 도대체 무엇인가요?
Euro 6 등의 배기가스배출 규정이 강화됨에 따라 엔진 후처리 장치의 중요성이 부각되고 이로 인해 DPF와 SCR (선택적 촉매환원법, Selective Catalytic Reduction)이 동시에 대중들에게 알려지게 되었습니다.
DPF에 관련된 자료들을 접하다 보면 요소수를 활용한 선택적 촉매환원법, SCR이라는 단어와도 반드시 마주하게 됩니다. 그래서 흔히 DPF방식과 SCR방식을 동일목적으로 사용하는 후처리 장치라고 생각하거나, 반드시 같이 붙어 사용해야 한다고 생각하는데요.
사실 이 두가지 방식은 사용되는 목적이 다르며, 각각 개별적으로 사용하는 장치입니다. 물론 두 가지 목적을 모두 만족하기 위해 같이 사용하기도 합니다. 디젤 엔진이 가지는 딜레마, 즉 환경문제를 해결하기 위해 최근 만들어지는 디젤엔진은 두 장치를 모두 사용하는 경우가 많습니다.
디젤 엔진에서 발생하는 배기가스 중 크게 문제되는 두 가지가 바로 입자상 물질과 질소산화물입니다. 그런데 이 두가지는 서로 반대되는 조건에서 생성됩니다. 우선 입자상 물질은 연료의 연소 온도가 낮을 경우에 발생하며, 이를 DPF가 포집하게 됩니다.
만약 DPF의 수명을 좀 더 연장하고자 한다면 연소 온도를 높이면 됩니다. (배기가스 온도를 높이는 것) 하지만 이 과정에서 질소 분자가 분해되는데, 이때 발생하는 것이 질소산화물입니다.
기존의 유로5 기준에서는 DPF만으로도 충분했지만, 유로6 기준에서는 질소산화물을 처리하는 것도 매우 중요해졌습니다. 결국 이 기준에 부합하기 위해 도입된 것이 바로 요소수 방식입니다.
원리는 이렇습니다. 배기가스에 요소수를 분사해서 질소산화물을 물과 질소로 환원하여 배출하게 만드는 것입니다.
따라서 요소수와 DPF는 서로 대립하는 방식이 아니라 서로 다른 조건에서 생성되는 두 가지 배출물질을 제거하기 위해 만들어진 기술이라 볼 수 있습니다.
