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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 동일차종에서 휘발유, 경유 LPG 자동차의 배줄가스 중 CO: 배줄특성과 연비와의 상관관계를 파악하기 위하여 주행모드는 현재 국내 및 북미의 배출가스 시험모드인 FTP-75모드와 국내 경유 차량 및 유럽의 배출가스 시험모드인 NEDC(ECE15+EUDC) 모드의 주행조건에서 발생되는 CO2배출특성과 연비의 상관관계를 조사하였다.
- 본 연구에서는 자동차 사용연료에 따른 CO2 배출량과 연비와의 상관관계를 분석하기 위하여 동일차종에서 휘발유, 경유, LPG를 사'용하는 각각의 차량에 대하여 FTP -75모드 및 ECE15+EUDC모드에서 비교분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- CO2 및 연비와의 상관관계를 해석하기 우]한, 주행시험모드는 Fig. 1과 같이 국내 및 북미의 배출가스 시험모드 FTP-75모드와 국내 경유 차량 및 유럽의 배출가스 시험 모드인 NEDC (ECE15+EUDC)모드로 수행하였다.
- Fig. 1의 FTR75모드는 미국의 EPA 및 국내에서 생산되고 수입되어 판매되는 휘발유 및 LPG차량의 배출가스 및 연비시험방법으로 총 3개의 Phase로 구성되어 있으며, 예비주행을 수행한 차량을 25℃에서 12시간 이상 항온항습 시킨 후 배출가스시험을 진행한다. 차량의 평균속도는 냉간 시동 구간인 Phasel 에서는 40.
- Phase 1, 2의 시험을 진행한 후 10분간차량을 상온 25℃에서 방치(Soaking) 시킨 후 Phase 1과 같은 고온시동 구간인 Phase 3의 시험을 진행한다. Fig. 1의 NEDC(ECE15+EUDC) 시험은 현재 유럽의 소형 화물차량 및 승용차량의 배출가스시험모드로서 역시 차량을 25℃에서 6시간이상 방치한 후 2 개의 Phase로 구성된 운전모드에 따라 배출가스시험을 수행한다. Fig.
- 시험차량의 배출가스를 시료채취장치인 임계유량 벤츄리형 정용량 시료채취장치(CFV : 20m3/min)를 사용하여 일정량의 공기와 희석시킨 후 시료 채취백에 담았다. 희석된 배출가스 중 CO, C6는 비분산적외선분석기(Non- dispersive Infrared Analyzer)로 분석하고, NOx는 화학 발광분석기(Chemical Luminescence Analyzer)로 분석하였으며, HC는 불꽃 이온화염 검출기(Flame Ionization Anelyzer)를 통하여 분석하여 자동차의 단위 주행거리 (km)당 시험오염물질 배출량을 산출하였다.
- 연비와 CO2 발생량의 상관관계의 분석에 대한 신뢰성을 높이기 위하여 FTP-75모드의 phasel(냉간시동구간), phase2(고온 안정화구간), phase3(고온시동구간)와 ECE15 +EUDC모드의 phasel(저속반복구간), phase 2(시외주행구간)의 각각 5개의 phase에 대한 평균연비와 평균 CO2 의 발생량을 구하여 Fig. 7에 나타내었다.
- 희석된 배출가스 중 CO, C6는 비분산적외선분석기(Non- dispersive Infrared Analyzer)로 분석하고, NOx는 화학 발광분석기(Chemical Luminescence Analyzer)로 분석하였으며, HC는 불꽃 이온화염 검출기(Flame Ionization Anelyzer)를 통하여 분석하여 자동차의 단위 주행거리 (km)당 시험오염물질 배출량을 산출하였다. 또한 상기의 방법으로 분석한 배출가스 중 카본 성분을 분석하여 현재 국내를 비롯하여 미연방, 일본 유럽연합에서 연비 산출 방법으로 사용되고 있는 카본 밸런스 법에 의하여 연비를 산출하였다
대상 데이터
- 본 연구를 위하여 시험에 적용된 차량은 표 1과 같이 사용 연료에 따른 C6와 연비의 상관관계에 대한 시험의 정확성을 높이고자 동일 차종에서 휘발유, 경유, LPG 연료를 사용하는 각각의 차량을 사용하였다.
- 휘발유 LPG차량의 배출가스 시험에 사용된 차대 동력계는 Clayton사의 DC80 8.65인치 트윈 롤 다이나모메타를사용하였으며, 배출가스측정은 HORIBA사(MEXA-9500) 의 배출가스 분석계를 사용하였고, 디젤 차량의 배출가스 시험은 AVL사의 48인치 싱글 롤 다이나모메타를 사용하였으며, 배출가스 측정은 Pier burg 사(AMA-2000)의 배출가스 분석계를 사용하였다.
이론/모형
- 희석된 배출가스 중 CO, C6는 비분산적외선분석기(Non- dispersive Infrared Analyzer)로 분석하고, NOx는 화학 발광분석기(Chemical Luminescence Analyzer)로 분석하였으며, HC는 불꽃 이온화염 검출기(Flame Ionization Anelyzer)를 통하여 분석하여 자동차의 단위 주행거리 (km)당 시험오염물질 배출량을 산출하였다. 또한 상기의 방법으로 분석한 배출가스 중 카본 성분을 분석하여 현재 국내를 비롯하여 미연방, 일본 유럽연합에서 연비 산출 방법으로 사용되고 있는 카본 밸런스 법에 의하여 연비를 산출하였다
성능/효과
- 1) 동일 연비기준에서 C6의 발생량은 휘발유를 기준으로 하면 디젤연료는 14%가 많이 발생하고 있으며, LPG연료는 33%가 적게 발생하고 있다. 이것은 연료의 종류에 따른 C6의 배출량은 탄소중량비의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다.
- 2) 연비증가에 따른 CO2 저감의 효과는 디젤, 휘발유, LPG 연료의 순서로 점차 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 이것 또한 연료종류에 따라 탄소중량비가 낮을수록 CO2 발생량의 감소율이 큰 것을 알 수 있다.
- 3) 동일 차종의 휘발유와 경유연료 차량에서 발생하는 C6의 배출량은 비슷하였으며, 이것은 경유가 탄소 중량비가 높음에도 불구하고 디젤 차량의 연비가 높아서 CO발생이 상쇄되는 저감효과 때문으로 파악되며, LPG차량의 경우 탄소중량비가 가장 낮음에도 불구하고 연비가 감소하여 이에따른 CO발생의 저감효과가 저하되어 휘발유엔진 기준으로 약 8%정도 적게 배출되는 것을 알 수 있었다.
- 3) 본 실험에 사용한 차량에서 CO2 배출량과 연비와의 관계는 휘발유, 디젤, LPG의 사용연료에 따라 각각 1차함수로 표현할 수 있었으며, 0.98의 높은 상관관계를 갖는 것을 알 수 있었다.
- 또한 디젤엔진은 LPG엔진보다 연비가 40% 높은 것으로 나타나고 있다. CO2의 배출량이 단순하게 연비와 상관관계가 있다면, 디젤엔진의 연비가 가장 높으므로 CO2의 배출량이 가장 적을 것으로 예상되지만 실제 실험결과 디젤연료 내의 탄소중량비가 LPG 연료보다 높음으로서 디젤엔진이 연비가 높음에도 불구하고 CO의 배출량이 8%정도 높은 것으로 해석된다.
- 동일한 차종에서 사용 연료만 휘발유, 경유, LPG를 사용하는 것이 다를 뿐이므로 주행모드시험에서 차량의 종류에 따른 시험 오차를 최소한으로 줄일 수 있을 것으로 판단하였다. 동일 차종이라도 사용하는 연료에 따라 연료공급 및 엔진 시스템이 바뀌므로 약간의 차량무게 변화는 불가피하며, 특히 경유연료 차량의 경우 엔진의 구조상 휘발유 연료 차량보다 165kg이 무겁다.
- 이것은 냉시동구간인 phasel어서 엔진의 낮은 온도에 의한 마찰력 증가 및 냉각손실 증가 등에의하여 연비가 감소하게 되고, 연비감소에 의한 연료사용량이 증가하여 CO2의 배출량이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 phasel 에서 phase2로 모드가 바뀜에 따라 CO2의 배출량은 휘발유와 LPG엔진에서 14%정도의 감소를 가져오는데 디젤엔진은 19%감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 디젤엔진이 엔진의 온도에 따라 CO2 배출량의 변화가 크다는 것을 알 수 있으며, 이것은 고압축비디젤엔진에서 온도에 영향을 많이 받는 마찰력과 디젤연료의 휘발성 및 점도에 미치는 온도영향이 큰 것으로 판 *)단.
- 이것으로 보아 본 실험에 사용한 동일차종의 경우 휘발유, 경유, LPG 연료의 종류와 관계없이 C6의 발생량은 연비와 1차 함수적 인 반비례 관계를 가지고 있으므로 C6의 발생량을 줄이기 위해서는 자동차의 연비를 증가시키는 것이 타당함을 알 수 있다.
- 4%정도 나쁜 것이 원인인 것으로 파악된다. 이것으로 보아 자동차에서 배출되는 CCb의배출량을 저감하기 위해서는 가능한 탄소중량비가 낮은 저탄소 함유 연료를 사용하여야 하며, 또한 동일한 사용 연료에서 차량의 연비를 향상시키는 것이 CO2의 배출량을 감소시키기 위한 중요한 인자임을 알 수 있다. FTP- 75모드의 냉시동 구간인 phasel 과 고온시동구간인 phase3 을 비교하여 보면, 자동차에서 배출되는 C6의 배출량은 고온 시동 구간인 phase3가 phasel보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
- 6에서 보는 바와 같이 전체 FTP-75모드에서 배출되는 C6 는 동일차종에서 가솔린연료와 디젤연료에서 거의 비슷하게 배출되는 것을 나타내고 있다. 이것은 디젤연료의 탄소 중량비의 구성 비율로 보아 더 많은 C6의 배출이 예상되지만 디젤엔진의 고압축비에 의한 고효율 효과로 연비가 12.63km/L로 나타나고 가솔린엔진의 경우는 10.99 km/L로서 디젤엔진이 가솔린엔진보다 14.9% 높은 연비가 나타나므로 FTP-75모드에서는 연비상승에 의한 C6 의 저감효과가 나타나서 결과적으로 본 실험에 사용한 휘발유엔진과 디젤엔진이 발생하는 C6의 배출량이 202 g/km로서 배출량이 비슷한 경향을 나타내고 있다. 또한 LPG 연료는 연료의 구성성분에서 탄소중량비가 낮아서 동일 연비의 경우 휘발유엔진에 비하여 C6가 33% 정도 적게 배출되어야 하지만 FTF-75모드 시험결과 CO는 197 g/km가 배출되면서 7%정도 적게 배출되고 있다.
- 휘발유엔진과 LPG 엔진은 시스템이 비슷하며, 액체연료인 휘발유는 휘발성 및 연료의 점도가 가스연료인 LPG연료와 비교하여 크게 불리하지는 않은 것으로 판단된다. 이와 같은 결과로 보아 엔진 냉시동 후 엔진의 빠른 온도상승이 연비의 개선 및 C6의 발생량을 줄이는 효과적인 방법으로 판단되며, 특히 디젤엔진에서 시동 후 가능한 빠른 엔진의 온도상승이 연비상승 및 CO2 발생량 저감효과가 클 것으로 판단된다.
후속연구
- 이 그림에서 보는 바와 같이 CO2의 배출량은 차량이 가속될 때는 차량의 속도와 비례하여 증가하는 것으로 나타나지만 정속 및 감속구간에서 CO2의 배출량은 차량의 속도와 격차를 나타내고 있는 것을 나타내고 있으므로 이에 대한 상세한 추가 해석이 필요하다.
- 이것은 대표적인 주행조건인 냉간시동구간, 고온안정화구간, 고온시동구간에서 구간별로 발생되는 CO2의 발생량을 검토함으로써 주행모드별 엔진에 대한 CO2배출관련 제어전략을 세울 수 있는 자료가 될 것이다. Fig.
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