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문제 정의
- 또한 매연여과장치(DPF) 장착 경유승용차의 미세입자 배출특성에 가장 영향을 미치는 재생의 영향을 파악하기 위하여 재생조건에서 의미 세입자 개수 및 입경 특성을 조사하였다. 이러한 연구는 향후 저공해기술 평가 기준 및 경유차 미세입자 규제기준 마련의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다
- 본 연구에서는 PMP 에서 추천하고 있는 시험 방법에 따라 정용량 시료채취장치로부터 채취한 배출가스를 희 석 장치 와 CPC(Condensation Particle Counter) 를 이용하여 디젤자동차로부터 배출되는 순수 탄소 입자를 측정하였고 규제대상에서 제외된 휘발성 입자 및 22nm 이하의 미세입자 거동을 파악하기 위하여 EEPS(Engine Exhaust Particle Sizer)에 측정된 미세입자 개수 및 입경 결과와 비교 . 분석하였다.
- 수행하고 있다. 이 프로그램의 주요 목표는 자동차로부터의 미세입자 배출 억제를 위한 인증제도의 설정이다.
제안 방법
- 측정하였다. CPC를 이용한 입자 개수 측정은 PMP의 추천에 따라 시료를 희석터널내의 총 입자상물질 측정 프로브 근처에서 채취하였고, 2.5㎛ 이상 크기의 입자를 제거하기 위해 싸이클론이 사용되었다. 1차 희석터널은 입자의 응축을 피하기 위하여 채취된 시료를 150±5。(3로 가열시키면서 희석하였으며, 휘 발성 입자를 제거하기 위하여 300。(3로가열하는 증발튜브를 사용하였다휘발성 입자의 경우 희석온도에 따라 측정되는 농도 변화가 커서 규제대상에 적합하지 않다는 판단하에 PMP 규제시험 방법에서는 측정대 상에서 제외되었다.
- DPF 의 포집상태 에 따른 영향을 파악하기 위 하여 시험 차량은 재생전, 재생 및 재생후 각 DPF 조건에서 연속으로 매일 1회씩 시험을 진행하였다. 또한 DPF 의 자동 재생 조건에 도달시키기 위해 매일 50km/h 이 하의 저 속 주행후 시험 하였으며 재 생시 에는 가스상물질이 급격히 증가하므로 주행시 DPF 재생 확인을 위하여 CO, NOx, CO2 등의 가스상 물질을 측정하였다.
- UNECE-GRPE 미세입자 측정 프로그램(PMP: Particulate Measurement Program)에서는 이미 모든 미세입자 측정장치에 대한 법규 적용성 검토를 통하여 규제에 적합한 장치 선정 및 시험방법을 설정하였고, 이에 대한 검증시험을 실시하였다.
- 또한 DPF 의 자동 재생 조건에 도달시키기 위해 매일 50km/h 이 하의 저 속 주행후 시험 하였으며 재 생시 에는 가스상물질이 급격히 증가하므로 주행시 DPF 재생 확인을 위하여 CO, NOx, CO2 등의 가스상 물질을 측정하였다. 각 조건에서의 입자 배출 측정은 규제대상인 약 23nm 이상의 탄소 성 분 입자를 측정 하는 CPC와 탄소 성분 입자, 22nm 이하의 극미세 입자 및 휘발성 입자를 모두 측정 가능한 EEPS를 이용하여 비 교 . 분석하였다.
- 그러나 EEPS의 경우 희석터널에서 직접 시료를 채취하여 측정하여 순수 탄소 입자 외에 휘발성 입자를 포함하여 측정하였다.
- 또한 DPF 의 자동 재생 조건에 도달시키기 위해 매일 50km/h 이 하의 저 속 주행후 시험 하였으며 재 생시 에는 가스상물질이 급격히 증가하므로 주행시 DPF 재생 확인을 위하여 CO, NOx, CO2 등의 가스상 물질을 측정하였다. 각 조건에서의 입자 배출 측정은 규제대상인 약 23nm 이상의 탄소 성 분 입자를 측정 하는 CPC와 탄소 성분 입자, 22nm 이하의 극미세 입자 및 휘발성 입자를 모두 측정 가능한 EEPS를 이용하여 비 교 .
- 마지 막으로 CPC로 들어 가는 시료가 온도 35℃ 이하 및 개수농도가 104(N/cn?) 이 되 도록 2차 희 석 터널에 희석한후 측정효율이 D10(10%효율) 16±lnm, D25(25% 효율) 18±2nm, D50(50% 효율) 23±3nm, D90(효율) 37±4nm가 되는 CPC(TSI 3010D)를 사용하여 입자 개수농도를 연속으로 측정하였다.
- 모든 시험은 차대동력계를 사용하여 자동차로부터 배출되는 배기가스를 측정하였고, 정확한 총 입자상물질(PM) 측정을 위하여 시료채취 온도는 희석 공기 에 의해 52℃ 이 하로 제어 하였다. 총입 자상 물질은 자동차가 주행하면서 배출되는 배기가스를 불소 탄화로 코팅된 유리섬유필터에 통과시켜 채취하고 이를 온습도가제어된 챔버에서 8시간웨 잉후 전자저울을 사용하여 전후 필터 무게로 측정하였다.
- 미세입자를 측정하기 위한 장치 구성도를 그림 2 에 나타내었고, 싸이클론 1, 2차 희석터널, 증발 튜브 및 CPC(Condensation Particle Counter, TSI 3010D) 로 구성되어 있는 입자 개수 측정장치와 입자 개수 및 입경을 동시에 측정할 수 있는 EEPS(Engine Exhaust Particle Sizer, TSI)를 이용하여 실시간으로 동시에 측정하였다. CPC를 이용한 입자 개수 측정은 PMP의 추천에 따라 시료를 희석터널내의 총 입자상물질 측정 프로브 근처에서 채취하였고, 2.
- 시험은 규제시험방법에 따라 시험차량을 온도 20~30℃ 및 습도 50%로 제어된 시험실에서 6시간 이상 소킹후 한국과 유럽 에서 규제모드로 사용하는 NEDC(ECE15+EUDC) 모드에 의해 주행하면서 측정하였고, 그림 1 에 NEDC 주행모드를 나타내었다.
- 공기 에 의해 52℃ 이 하로 제어 하였다. 총입 자상 물질은 자동차가 주행하면서 배출되는 배기가스를 불소 탄화로 코팅된 유리섬유필터에 통과시켜 채취하고 이를 온습도가제어된 챔버에서 8시간웨 잉후 전자저울을 사용하여 전후 필터 무게로 측정하였다.
- DPF 재생 전 . 후에서의 ECE15+EUDC 모드 주행 시 배출되는 미세입자 개수농도, 입자크기 및 PM 중량농도를 측정하였고 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 시험은 DPF 장착된 1 대의 디젤승용차를 사용하였으며, 시 험차량의 제원은 표 1과 같다.
성능/효과
- 2) 각 모드 구간별 DPF 재생전 . 후에서의 입자 배출 비교 결과 DPF 재생시의 입자배출은 6.2x lOeN/km개로 재생전 1.5xl0"N/km 보다 400배 이상 높게 배출되었고, 모드별 배출특성에 있어서는 재생전에는 ECE 구간에서 대부분의 입자가 배출되 었으나 재생시 결과에서는 NOx 및 입자의 급격한 증가 결과에서 볼 수 있듯이 재생이 600초 부근에서 시작되어 전체 구간에서 활발히 재생이 발생한 780초 이후의 EUDC 구간에서 약 98%의 입자가 배출되었다. 이는 DPF 장착시 입자 저감 효율이 99% 이상임을 고려할 때 재생이 활발히 발생한 EUDC 구간에서 는 입 자의 저 감이 적어 엔진 연소에 의한 배출보다 재생에 의한 입자 배출이 주를 이루는 것으로 나타났다.
- 1) DPF 재생전에는 엔진이 냉간시동 상태인 초기 400초 이내에서 대부분 배출되었고, 엔진이 충분히 예 열된 이 후에는 최 고속도 120km/h 구간을 제외하고는 거의 배출되지 않았다. 그러나 DPF 재생시에는 600초 부근에서 재생 이 시작되어 그 이전 구간에서는 재생전과 비슷한 결과를 보였으나 재생이 발생한 이후 구간에서는 급격히 입자 발생이 증가하였다.
- 3) 재생전 입경별, 입자성분별 측정결과 대부분의 탄소 입자가 발생하는 시동 초기에는 CPC 와 EEPS(22-560nm)에 의해 측정된 결과가 유사한 값을 보였으나 그 이후 구간에서는 EEPS에 의 해서 만 입 자가 측정 되었다. 그러나 재 생 시 에는 시동 초기 와 급격한 재생 이 발생한 600초 이후 구간에서 CPC와 EEPS(6-560nm)의 결과가 유사한 값을 보였고 이는 재생시 입자는 휘발성입자와 22nm 이하의 입자보다 23nm 이상의 탄소 성분의 입자가 주를 이 루는 것으로 보인다.
- 4) 입경별 입자 특성에 있어서는 재생전에는 22nm 이상의 입자들중 대부분 23 ~ 100nm 이하의 입자가 ECE 구간에서 배출되 었고 60nm 부근에서최고값을 나타내었다. 반면 EUDC 구간에서는 입경이 작은 휘발성입자들로 구성되어 있어 그보다 작은 34nm에서 최 고값을 보였다.
- 후에서의 입자 배출 비교결과를 보여준다. DPF 재생 시의 입자배출은 6.2x1012n/Km개로 재생전 i.5x 10'°N/km보다 400배 이상 높게 배출되 었고, 모드별 배출 특성에 있어서는 재생전에는ECE 구간에서 대부분의 입자가 배출되었으나 재생시 결과에서는 그림 4, 및 5에서와 같이 NOx 및 입자의 급격한 증가 결과에서 볼 수 있듯이 재생이 600초 부근에서 시작되어 전체 구간에서 활발히 재생이 발생한780초 이후의 EUDC 구간에서 전체 입자의 약98%가 배출되었다. 이는 Lin『의 연구결과에서와 같이 엔진 조건에 관계없이 DPF 장착시 입자 저감 효율이 99% 이상임을 고려할 때 재생이 활발히 발생한 EUDC 구간에서는 그림 4와 같이 입자의 저감이 적어 엔진 연소에 의한 배출보다 재생에 의한 입자 배출이 주를 이루는 것으로 나타났다.
- 그러나 재 생 시 에는 시 동초기 탄소 성 분의 입자가 배출되는 ECE 구간에서는 80nm 부근에서 최고값을 보였으나 재생에 의한 탄소 성분 입자가 발생한 EUDC 구간에서는 45nm 부근에서 최고값을 보여 재생에 의해 발생된 입자크기는 재생전 엔진 연소에의 해 발생되는 입자보다 작음을 알 수 있었다. 또한, 재생전에는ECE 구간이 전체 입경특성을 대표하는데 반해 재생시에는EUDC 구간이 전체 입경 특성을 대표하는 것으로 나타났다.
- 그러나 재 생 시 에는 시 동초기 탄소 성 분의 입자가 배출되는 ECE 구간에서는 80nm 부근에서 최고값을 보였으나 재생에 의한 탄소 성분 입자가 발생한 EUDC 구간에서는 45nm 부근에서 최고값을 보여 재생에 의해 발생된 입자크기는 재생전 엔진 연소에의 해 발생되는 입자보다 작음을 알 수 있었다. 또한, 재생전에는ECE 구간이 전체 입경특성을 대표하는데 반해 재생시에는EUDC 구간이 전체 입경 특성을 대표하는 것으로 나타났다.
- 해 발생되는 입자보다 작음을 알 수 있었다. 또한, 재생전에는ECE 구간이 전체 입경특성을 대표하는데 반해 재생시에는EUDC 구간이 전체 입경 특성을 대표하는 것으로 나타났다.
- 5xl0"N/km 보다 400배 이상 높게 배출되었고, 모드별 배출특성에 있어서는 재생전에는 ECE 구간에서 대부분의 입자가 배출되 었으나 재생시 결과에서는 NOx 및 입자의 급격한 증가 결과에서 볼 수 있듯이 재생이 600초 부근에서 시작되어 전체 구간에서 활발히 재생이 발생한 780초 이후의 EUDC 구간에서 약 98%의 입자가 배출되었다. 이는 DPF 장착시 입자 저감 효율이 99% 이상임을 고려할 때 재생이 활발히 발생한 EUDC 구간에서 는 입 자의 저 감이 적어 엔진 연소에 의한 배출보다 재생에 의한 입자 배출이 주를 이루는 것으로 나타났다.
- 후에서 CPC 및 EEPS에 의해 측정된 결과이다. 재생전에는 대부분의 탄소 성분의 입자가 발생하는 시동 초기에는 CPC 와 EEPS(22- 560nm)에 의해 측정된 결과가 유사한 값을 보였으나 그 이후 구간에서는 EEPS에 의해서 만 입자가 측정되어 23nm 이상의 탄소성분의 입자보다 휘발성입 자와 22nm 이 하의 입자가 전구간에서 가속시 많이 배출되는 것으로 확인되었다. 그러나 재생 시에는 시동 초기와 급격한 재생이 발생한600초 이후 구간에서 CPC와 EEPS(6-560nm)의 결과가 유사한 값을 보였다.
- 그림 10에서와 같이 DPF 재생전 . 후에서 매일 1 회씩 측정한 입자개수 및 PM 배출특성은 재생 전에 비해 재생시 PMe 약25배 입자는 약400배 높게 배출되었고, 특히 재생전 . 후에서 PMe 변화가 거의 없었으나 입자개수는 약 6배까지 차이가 발생하였다.
후속연구
- 후에서 PMe 변화가 거의 없었으나 입자개수는 약 6배까지 차이가 발생하였다. 이는 DPF의 포집상태와 필터효율에 의한 영향으로 판단되며 향후 미세입자의 규제기준 설정에 중요한 변수가 될 것으로 판단된다.
- 및 입경 특성을 조사하였다. 이러한 연구는 향후 저공해기술 평가 기준 및 경유차 미세입자 규제기준 마련의 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다
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