연료첨가제는 매연 저감과 세탄가 제고를 목적으로 연구되었다. 연료첨가제 로 사용된 금속은 Ba, Ca, Fe, Mn 등이며, 매연저감 효과가 높다고 보고되었다.
매연저감은 (1) 알칼리 이온과 알킨기의 매연 전구물질 저감, (2) 매연 전구 물질의 응집 방해 및 (3) 발생된 매연의 산화 등 세 가지 메커니즘으로 설명되고 있다.
금속소재의 연료첨가제는 DPF장치에서 주로 매연저감 목적으로 사용되고, 자 연재생방식에서 정화장치의 재생역할을 하는 산화촉매로서 연구되고 있다. 연료첨 가제는 엔진 실린더에서 연소되어 금속산화물이나 황산염 형태로 배출되고 필터에 포집된 후 매연을 산화시킨다.
매연재생방식은 촉매방식보다 매연과 접촉하는 비율이 높고, 재생평형온도는 낮다. 재생평형온도가 낮음에도 불구하고, 소형경유 자동차의 매연 문제가 완벽하 게 해결되지 않았기 때문에 자연재생-강제재생 시스템이 도입되었다. 이는 엔진의 분사장치를 활용하는 방식으로 실린더에 연료를 분사시켜 주기적으로 배기온도를 상승시키는 방식이다.
연료첨가제 방식에 대한 연구가 많이 보고되었으나, 연료첨가제와 매연입자의 상호관계나, 촉매반응기구, 첨가제 입자크기 등에 관한 세부적인 연구결과는 미흡 하다.67)
그 밖에 알킨기와 Li, Ca, Ba, Mn, Fe, Ni, Ce, Cu, Pb, Ag, V, Pt 등 전이 금속과 귀금속이 매연재생 첨가제로서 연구되었으며, 경유차 매연재생에는 약 100ppm 농도로 사용되었다. 첨가제의 선정에는 첨가제 농도, 배기가스의 온도, 발 생되는 매연의 양과 조성 등이 고려되어야 한다. 일반적으로 첨가제의 양이 많을 수록 재생온도는 낮아지나, 첨가제의 양이 너무 많으면 Ash포집량이 많아져서 오 히려 배압이 상승된다.
실제로는 첨가제를 100ppm 이상 사용하고 있으나, 첨가제 농도가 높으면 Ash 에 의하여 배압이 상승하므로 부적합하다. 연료첨가제에 의한 재생시험은 성공적 으로 이루어졌으나 아직 상용화되지 않았으며, 실차평가시험이 진행되고 있다.
연료첨가제를 필터에 포집된 매연재생 목적으로 사용할 경우 발생되는 문제 점은 다음과 같다.
1) 연료첨가제 분사장치(dosing system) 도입
대부분 정유회사가 연료첨가제를 생산하지 않기 때문에 시스템에서 자동적 으로 연료에 첨가하는 장치가 필요하다. 이 경우 장치가 복잡해지고, 자연재생 시 스템에 부분적으로 강제재생 시스템이 도입되기 때문에 단가가 상승한다.
2) 필터의 Ash 포집
연료첨가제가 매연재생에 사용된 이후에는 무기산화물 형태로 필터에 잔존 하게 된다. 이 Ash는 필터에서 재생되지 않고 퇴적되어 필터의 배압을 상승시킨 다.
3) Ash 배출
필터제거효율 한계이상이거나 필터파손 시 연료첨가제에 기인하여 배출되는 Ash가 대기 중에 방출될 경우 인체에 유해한 영향을 끼치므로, 첨가제는 환경부의 인증 후 사용하도록 규제하고 있다.
4) 엔진배기가스의 영향
연료첨가제는 엔진에서 배출되는 가스나 매연의 제거율을 향상시키거나 오 히려 악화시킨다. 또 매연의 입자크기를 변화시키고, 2차 오염물질을 배출한다.
5) 엔진 혹은 엔진 부품의 영향
일부 연료첨가제는 연료분사장치에 매우 유해한 영향을 미친다. 따라서 연 료첨가제를 사용하기 전에 엔진자체의 내마모 시험을 실시하고 제작회사에서 추천 하는 사용량을 준수하여야 한다.
6) 연료안정성
연료첨가제가 연료와 혼합될 때 연료분사계통에 침전물이 잔류되어 치명적 으로 파손될 수 있다.
푸조회사는 2000년 연료첨가제를 바탕으로 경유차 매연여과장치를 상용화하 였다. 상용화된 모델은 자체 생산차량인 DW12 TED4, 2.2리터 98kW급 커먼레일 승 용경유차이다. 소형경유자동차용 매연정화장치는 2005년 EURO기준에 만족하는 수 치인 0.025g/km수준까지 저감시켰다.
푸조시스템은 재생평형온도를 낮추기 위하여 연료첨가제를 사용하고, 엔진 연 료분사장치의 후분사를 통한 배기온도를 상승시키는 강제재생방식도 도입하였다. 이 때 엔진제어를 통한 후분사 기술이 도입되고, 또 다른 형태의 강제재생방식이 소개되었으며, 자연재생과 강제재생의 혼합방식이 도입되었다.
푸조시스템은 SiC필터와 전단의 산화촉매로 구성되었으며, 재생온도를 올리 기 위해 Ce계통 연료첨가제를 사용하였다. 실제시험에서 자연재생은 배기가스 온 도가 약 450℃이하일 때 이루어졌는데. 이 온도는 실제 운전에서 거의 발생빈도가 적기 때문에 엔진 후분사와 같은 강제재생방식이 도입되어 배기가스 온도를 높이 게 되었다.
재생은 배기온도를 상승시키는 연료 분사장치에 의해 제어된다. 재생을 돕기 위한 연료분사방식은 후분사(Post injection)와 후연소(Post combustion)로 구분 되는데, 후분사방식에서는 배기온도가 200~250℃까지 상승되고, 후연소방식에서는
배기가스 중의 미연탄화수소가 발생되고 산화촉매에 의해 배기온도는 100℃정도 상승된다.
위의 두 가지 효과에 의해 배기온도는 450℃이상 높아지는데, 이러한 재생은 실제 엔진 운전조건이나 매연배출량에 따라 다르지만 약 400~500km정도에 한 번씩 재생하게 된다. 연료첨가제는 자동적으로 연료탱크에 공급되며, 일단 새로운 연료 가 탱크에 주입되면, 연료첨가제는 계산된 양만큼 연료탱크에 분사된다. 실제로는 연료 60ℓ당 첨가제 37.5㎖(Ce : 1.9g, 25ppm)가 분사된다.
이와 같은 비율로 분사하면 첨가제 5ℓ로서 약 80,000km를 주행할 수 있다.
80,000km 주행 후에는 첨가제를 보충하여야 하며, 필터의 Ash를 제거하기 위하여 물로 세척하여야 한다. 이 시스템은 엔진의 운전조건이나 재생주기에 따라 다소 다르지만 후분사할 경우 연비가 약 5% 상승한다.