벌집형 기판 DPF 촉매

DPF 작동 원리: 여과 및 재생
DPF를 이해하려면 두 가지 핵심 프로세스를 이해해야 합니다.
1. 여과과정
DPF 기판은 일반적으로 탄화규소 또는 코디어라이트의 다공성 벽으로 만들어진 벌집 구조이며, 입구와 출구 끝이 교대 채널로 막혀 있습니다.
배기가스는 채널 사이의 다공성 벽을 강제로 통과하게 됩니다.
입자상 물질은 크기가 벽 구멍의 직경보다 크기 때문에 벽에 갇히게 됩니다.
이 공정은 그을음 ​​여과 효율이 95% 이상으로 매우 효율적입니다.
2. 재생과정
이것이 DPF 기술의 핵심입니다. 그을음이 수집되기만 하고 제거되지 않으면 입자가 지속적으로 축적되어 배기 배압이 급격히 상승하여 결국 엔진 오작동으로 이어집니다. 따라서 수집된 입자상 물질은 주기적으로 연소되어야 하며, 이 과정을 재생이라고 합니다.
핵심 과제: 순수한 그을음의 발화 온도는 매우 높은 반면(약 550~600°C), 일반적인 디젤 배기 온도, 특히 도시 주행 중 범위는 150~300°C에 불과하며 그을음을 자연적으로 태울 수 없습니다.
촉매의 역할: DPF 촉매의 주요 목적은 화학 반응을 통해 그을음의 산화 온도를 현저히 낮추어 엔진 작동 중 정상적인 배기 온도 범위 내에서 연소될 수 있도록 하는 것입니다.

DPF 촉매의 종류와 구성
DPF 촉매는 독립된 단위가 아니라 코팅 형태로 DPF 기판과 통합됩니다. 세 가지 주요 구현 방법이 있습니다.
1. 촉매 코팅 DPF
이것은 촉매 코팅이 DPF 기판의 다공성 벽에 직접 적용되는 가장 일반적인 유형입니다.
기질: 다공성 탄화규소 또는 근청석 DPF.
코팅: DOC와 유사하게 표면적이 높은 γ-알루미나가 베이스 코팅으로 사용됩니다.
활성 구성 요소:
백금 및 팔라듐과 같은 귀금속: 이들은 초기 및 현재의 많은 시스템에서 주류 선택이었습니다.
행동 메커니즘:
NO를 NO2로 산화: 촉매는 배기가스 내 NO를 NO2로 산화시킵니다. NO₂는 상대적으로 낮은 온도(~250~300°C)에서 그을음과 반응하는 강력한 산화제입니다. C 2NO₂ → CO₂ 2NO. 이 반응은 수동 재생을 달성하는 데 중요합니다.
직접 산화: 더 높은 온도에서 촉매는 산소와 그을음 사이의 직접적인 반응도 촉진합니다.
2. 연료첨가제형 촉매
이 방식은 촉매를 DPF에 코팅하지 않고 금속계 첨가제 형태로 연료에 직접 첨가하는 방식이다.
첨가제: 일반적으로 세륨이나 철의 유기금속 화합물입니다.
원리: 연소 후 첨가제의 금속 입자는 배기 가스와 함께 DPF에 들어가 수집된 그을음 층에 균일하게 묻힙니다. 재생 중에 이러한 금속 입자는 촉매 역할을 하여 그을음 산화 온도를 크게 낮춥니다(~450°C까지).
장점: 촉매는 그을음과 고르게 혼합되어 충분한 접촉과 높은 재생 효율을 보장합니다.
단점: 추가적인 첨가제 저장 및 주입 시스템이 필요하고 비용이 증가하며 DPF에 금속산화물 재 잔여물이 축적되어 주기적인 청소가 필요합니다.
3. 촉매 DPF
이는 혼동되기 쉽지만 중요한 개념입니다. DOC 기능성과 DPF 기능성을 단일 성분으로 통합하는 것, 즉 DPF ​​입구에 고용량 산화촉매(백금, 팔라듐 등)를 적용하는 것을 말한다.
기능: DOC처럼 CO와 HC를 산화시키고 수동 재생을 위해 NO2를 생성하는 동시에 DPF와 같은 입자상 물질을 포집할 수 있습니다.
적용 분야: 공간이 제한된 소형 후처리 시스템에 일반적으로 사용됩니다.

DPF 재생 전략
DPF 촉매가 있으면 다음과 같은 재생 전략이 가능해집니다.
1. 수동 재생
과정: 정상적인 차량 운행 중, 배기 온도가 일정 수준에 도달하면(예: 고속도로 주행 중) DPF 촉매가 지속적으로 NO2를 생성하여 쌓인 그을음을 꾸준히 산화시킵니다.
특징: 이 과정은 운전자가 인지할 수 없으며 가장 바람직한 재생 방법입니다. 그러나 NO2를 공급하려면 충분한 배기 온도와 상류 DOC와의 조정이 필요합니다.
2. 활성 재생
프로세스: 차량의 온보드 컴퓨터가 차압 센서를 통해 DPF가 충분히 막혀 패시브 재생이 불가능함을 감지하면 시스템이 적극적으로 개입합니다.
개입 방법: 연료 분사를 지연하거나 후 분사를 수행함으로써 미연소 연료가 DOC에 들어가 산화 과정을 거쳐 600°C 이상의 고온 배기가스를 생성한 후 DPF로 향하게 되어 그을음이 고온에서 산소와 함께 빠르게 산화되도록 합니다.
촉매의 역할: 이 모드에서는 고온에서 촉매 없이도 그을음을 태울 수 있습니다. 그러나 촉매가 존재하면 재생에 필요한 온도가 낮아지고, 재생 시간이 단축되며, 연료 소모도 줄어듭니다.
3. 서비스 재생
프로세스: 차량이 단거리 또는 저속 조건에서 지속적으로 작동되어 활성 재생이 완료되지 않는 경우 서비스 담당자가 특수 장비를 사용하여 강제 재생을 수행해야 합니다.

주요 과제 및 고려 사항
1. 회분 축적: 엔진 오일의 첨가제(예: 칼슘, 아연, 인, 황 등)는 연소 시 불연성 회분을 생성합니다. 재는 DPF 채널을 영구적으로 막아 배압이 점진적으로 증가합니다. 이는 DPF 수명의 궁극적인 제한 요소이며 정기적인 분해, 청소 또는 교체(일반적으로 수십만 킬로미터 후)가 필요합니다.
2. 촉매 중독: 황, 인과 같은 물질은 DPF의 촉매 코팅을 중독시켜 촉매 활성을 감소시킬 수 있습니다.
3. 열 관리: 활성 재생 중 온도 제어가 중요합니다. 온도가 너무 높으면 열 응력으로 인해 DPF 기판이 녹거나 갈라질 수 있습니다.
4. 연료 품질: 고유황 연료는 촉매 성능을 심각하게 저하시키고 황산회 생성을 증가시킬 수 있습니다.