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문제 정의
- 국내에서도 자동차의 개별 물질별 VOCs 배출계수 및 배출량 산정, 국내 실정에 적합한 규제기준 설정 등 배출원관리를 위해서 다양한 조건에서의 배출실태 조사가 필요하나 이에 대한 연구는 전무한 실정이다 이에 본 연구에서는 자동차 배줄가스 중 파라핀, 올레핀 및 방향족화합물 등 VOCs의 차종별, 연료별 배출특성을 측정 . 분석하여 향후 효율적인 대기 질 관리에 기여할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구는 인체 유해성이 높고 오존 전구물질로 작용하는 VOCs 의 주요 배출원인 자동차 배출가스 중의 VOCs 배출특성을 조사하여 배출량 산출 및 국내 실정에 적합한 관리방안 마련을 위한 기초 연구자료 확보를 위해 수행되었다. 자동차에서 배출되는 VOCs는 차종, 사용연료, 적용기술, 주행거리 등 매우 다양한 인자에 의해 그 배출 특성이 변하기 때문에 이를 세부적으로 조사하기 위해 휘발유, 경유, LPG 자동차를 주행거리별로 구분하여 총 45대를 시험하였으며, CVS-75모드 및 차속모드를 이용하여 연료 및 차속에 따른 배출특성, 주행거리에 의한 영향, 연료 성상과의 상관관계 등을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 배출특성을 측정 . 분석하여 향후 효율적인 대기 질 관리에 기여할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 연료의 성분은 VOCs 배출에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 인자이기 때문에 본 연구에서는 배출가스에 대한 연료의 영향 정도를 확인하기 위하여 휘발유 연료와 휘발유차의 배출가스 중 VOCs 성분별 조성비를 비교 . 분석하였다.
- 배출량을 비교하였다. 이번 연구에서는 오존과의 반응성이 없는 메탄을 제외한 NMVOCs를 조사하였다. 일반적으로 가스상 오염물질인 VOCs는 경유 차량보다는 휘발유와 LPG차량에서 많이 배출되며, 경유 차량의 경우 삼원촉매를 장착한 휘발유나 LPG 차량에 비해서도 낮게 배출되는 경향을 나타낸다.
제안 방법
- 또한 대기환경보전법에서 규정하고 있는 승용 및 소형 경유차의 제작차 배출가스 규제시험모드인 CVS-75 모드를 이용하여 VOCs 및 규제오염물질의배출량을 측정 . 분석하였다.
- 배기가스 중 VOCs는 GC/MSD를 이용하여 분석하였다. VOCs 분석을 위한 시료채취는 CVS (cons- tant volume sampler)를 통하여 희석된 배기관 가스를 테들러백을 통하여 일부 포집하였으며 채취 용량은 2L로 하였다.
- 분석하였다. 배출가스 중 VOCs 조성비는 규제모드인 CVS-75모드에서 시험한 주행 거리별 VOCs 배출 조성비를 파라핀족, 올레핀족, 방향족 성분으로 구분하였으며, 휘발유는 탄소수에 따른 성상을 역시 파라핀족, 올레핀족, 방향족으로 구분하여 비교하였다. 앞 절에서 언급한 바와 같이 휘발유차의 배출가스 중 VOCs는 파라핀족>방향족>올레핀족순으로 배출되는 것으로 나타났으며, 가장 높은 배출 비율을 나타내는 물질은 연료와 배출가스 모두 톨루엔으로 조사되어 전반적으로 매우 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다(그림 5).
- 분석하기 위하여 CVS-75모드 시험 결과 중 냉간시동 (cold start) 조건인 Phased]* 열간시동(h아项art) 조건인 Phase3에 대한 결과를 비교하였다.
- VOCs로 구분하여 수행하였다. 연료의 조성은 VOCs 배출과 밀접한 관련이 있기 때문에 이를 확인하기 위하여 휘발유와 경유에 대해 연료 제조기준 항목을 분석하였으며, 특히 휘발유에 대해서는 개별 탄화수소와 파라핀, 올레핀, 방향족을 구분 측정하여 배기관 배출과 비교하였다. 분석대상 VOCs는 휘발성 오존 전구물질로 알려진 53개 물질로 표 1과 같다.
- 저감된다. 이러한 배출가스 관련 부품의 노후화에 따른 VOCs 배출영향을 조사하기 위하여 시험대상 차량을 주행거리 80, 000 km 전후로 구분하여 VOCs 배출특성을 조사하였다. 조사결과 배출가스 저감장치 및 차량의 노후화에 의해 휘발유차, 소형경유차 등 모든 차량에서 주행거리 80, 000 km 이상 차량이 80, 000 km 미만 차량보다 VOC『배출이 증가하는 것으로 나타났다.
- 자동차 배기관 VOCs의 배출특성을 조사하기 위하여 규제시험모드를 이용한 시험을 통해 각 연료별로 배출량을 비교하였다. 이번 연구에서는 오존과의 반응성이 없는 메탄을 제외한 NMVOCs를 조사하였다.
- 자동차 배기관 VOCs의 배출특성을 조사하기 위한 측정분석은 차량시험에 사용된 연료, 규제 오염물질, VOCs로 구분하여 수행하였다. 연료의 조성은 VOCs 배출과 밀접한 관련이 있기 때문에 이를 확인하기 위하여 휘발유와 경유에 대해 연료 제조기준 항목을 분석하였으며, 특히 휘발유에 대해서는 개별 탄화수소와 파라핀, 올레핀, 방향족을 구분 측정하여 배기관 배출과 비교하였다.
- 확보를 위해 수행되었다. 자동차에서 배출되는 VOCs는 차종, 사용연료, 적용기술, 주행거리 등 매우 다양한 인자에 의해 그 배출 특성이 변하기 때문에 이를 세부적으로 조사하기 위해 휘발유, 경유, LPG 자동차를 주행거리별로 구분하여 총 45대를 시험하였으며, CVS-75모드 및 차속모드를 이용하여 연료 및 차속에 따른 배출특성, 주행거리에 의한 영향, 연료 성상과의 상관관계 등을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시험대상차량은 국내에서 생산.제작되어 보급되고 있는 차량 중 점유율이 높은 휘발유 승용차, 소형경유차, LPG 택시를 선정하였으며, 배출가스 관련 부품의 노후화에 따른 배기관 VOCs의 배출특성 변화를 조사하기 위해 주행거리를 80, 000km 미만과 80, 000 km 이상으로 각각 구분하였다.
- 차속에 따른 VOCs 배출특성을 조사하기 위하여 5 개 대표차속에서의 NMVOCs 배출특성을 조사하였다. 보증기간 이내의 휘발유, 경유, LPG 차량의 차 속별 배출특성 조사결과 그림 7과 같이 사용연료에 관계없이 모든 차종에서 저속에서 고속으로 갈수록 VOCs 배출이 뚜렷이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 촉매 및 엔진의 온도에 따른 배출특성을 비교 . 분석하기 위하여 CVS-75모드 시험 결과 중 냉간시동 (cold start) 조건인 Phased]* 열간시동(h아项art) 조건인 Phase3에 대한 결과를 비교하였다.
- 휘발유 연료와 휘발유차 배출가스 중 VOCs 성분별 조성비룔 비교 . 분석한 결과, 휘발유 연료 중 G~(為사이의 VOC&가 가장 많이 포함된 것으로 나타났으며, 조성비는 파라핀족(氐파라핀+i-파라핀)> 방향족>올레핀족>나프타 순이었다.
대상 데이터
- VOCs 분석을 위한 시료채취는 CVS (cons- tant volume sampler)를 통하여 희석된 배기관 가스를 테들러백을 통하여 일부 포집하였으며 채취 용량은 2L로 하였다. 테들러백에 의한 시료채취는 백 내의 가스나 수증기, 리크 발생, 백 내에서 성분들의 반응 등에 의한 영향으로 대상물질의 농도가 감소하거나 증가할 수 있기 때문에 채취가 완료된 백은 이중으로 밀봉하여 냉암소에 보관하였으며 모든 시료는 72시간 내에 분석을 완료하였다.
- 연료의 조성은 VOCs 배출과 밀접한 관련이 있기 때문에 이를 확인하기 위하여 휘발유와 경유에 대해 연료 제조기준 항목을 분석하였으며, 특히 휘발유에 대해서는 개별 탄화수소와 파라핀, 올레핀, 방향족을 구분 측정하여 배기관 배출과 비교하였다. 분석대상 VOCs는 휘발성 오존 전구물질로 알려진 53개 물질로 표 1과 같다.
- 소형 경유차 4대를 포함하여 총 45대의 차량에 대해 시험하였다. 선정된 차종 및 시험 대수는 표 2와 같다
- 시험대상차량은 국내에서 생산.제작되어 보급되고 있는 차량 중 점유율이 높은 휘발유 승용차, 소형경유차, LPG 택시를 선정하였으며, 배출가스 관련 부품의 노후화에 따른 배기관 VOCs의 배출특성 변화를 조사하기 위해 주행거리를 80, 000km 미만과 80, 000 km 이상으로 각각 구분하였다.
- 차량시험을 위한 운전 조건은 국내 대도시 및 주요 도로의 일정 구간을 운행하여 차속별로 분류 시켜 만든 대표차속별 주행모드를 이용하였다. 이 주행모드는 총 15개의 각기 다른 대표차속으로 이루어져 있으며, 이 중 본 시험에 사용된 대표차속은 4.
- 차량의 시험 대수는 전체 차량에 대한 점유율을 고려하여 가장 점유율이 높은 휘발유 승용차를 소형, 중형, 대형으로 구분하여 총 29대, LPG 택시 12다]. 소형 경유차 4대를 포함하여 총 45대의 차량에 대해 시험하였다.
- 포집된 배기가스는 전처리장치인 Entech사의 7100 모델을 사용하여 - 170℃에서 저온 농축한 후 180° C로 가열 탈착하여, GC/MSD로 주입 . 분석하였으며 세부적인 분석 조건은 표 4, 5와 같다.
성능/효과
- 이 중 휘발유와 경유에 대해 대기환경보전법 상에 규정된 제조기준항목을 분석하여 표 3에 나타내었다. VOCs 배출과 관련이 있는 기준항목은 휘발유의 방향족함량, 벤젠함량, 올레핀함량 등으로 분석 결과에 모두 기준치 이내 인 것으로 나타났다.
- 그림에서 알 수 있듯이 모든 휘발유차량에서 냉 간 시동 시에 열간시동시보다 높은 VOCs 배출값을 나타냄을 알 수 있었다. 이러한 저온에서의 배출량 증가는 촉매가 활성화 되는 lightgff 온도 이전에 주로 일어나며 주요 VOCs 그룹별 차이를 살펴보면 파라핀족, 올레핀 족, 방향족이 모든 차종에서 냉간시동시 높게 배출되는 것으로 조사되었다.
- 수준으로 배출되는 것으로 나타났다. 또한 연료별 배출조성을 비교 분석한 결과 주행거리와 운전조건에 상관없이 휘발유차의 경우 파라핀족>방향족> 올레핀족 순으로 배출된 반면, 경유차와 LPG차는 파라핀>올레핀>방향족 순으로 배출되었다. 휘발유 차량에서 배출된 VOCs 중에는 방향족인 톨루엔이 가장 많이 배출되었고, 올레핀족인 에틸렌이 그 다음으로 많이 배출되는 것으로 나타났다.
- 배출가스 관련 부품의 노후화에 따른 니OCs 배출영향을 조사하기 위하여 시험대상차량을 주행거리 80, 000 km 전후로 구분하여 VOCs 배출특성을 조사한 결과, 모든 차종에서 주행거리 80, 000km 이상 차량이 80, 00이on 미만 차량보다 VOC& 배출이 증가하는 것으로 조사되었다.
- 보증기간 이내의 휘발유, 경유, LPG 차량의 차 속별 배출특성 조사결과 그림 7과 같이 사용연료에 관계없이 모든 차종에서 저속에서 고속으로 갈수록 VOCs 배출이 뚜렷이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 20 km/h 정 도에서 배출량이 급격히 감소하여 VOCs 배출이 주로 2。km/h 이하의 저속에서 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 조성비룔 비교 . 분석한 결과, 휘발유 연료 중 G~(為사이의 VOC&가 가장 많이 포함된 것으로 나타났으며, 조성비는 파라핀족(氐파라핀+i-파라핀)> 방향족>올레핀족>나프타 순이었다. 휘발유차의 배출가스 중 VOCs는 파라핀족>방향족>올레핀족 순으로 배출되는 것으로 나타났으며, 가장 높은 배출 비율을 나타내는 물질은 연료와 배출가스 모두 톨루엔으로 조사되어 전반적으로 매우 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다.
- 배출가스 중 VOCs 조성비는 규제모드인 CVS-75모드에서 시험한 주행 거리별 VOCs 배출 조성비를 파라핀족, 올레핀족, 방향족 성분으로 구분하였으며, 휘발유는 탄소수에 따른 성상을 역시 파라핀족, 올레핀족, 방향족으로 구분하여 비교하였다. 앞 절에서 언급한 바와 같이 휘발유차의 배출가스 중 VOCs는 파라핀족>방향족>올레핀족순으로 배출되는 것으로 나타났으며, 가장 높은 배출 비율을 나타내는 물질은 연료와 배출가스 모두 톨루엔으로 조사되어 전반적으로 매우 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다(그림 5). 휘발유 연료 중 개별 VOCs의 조성 분석결과는 표 7에 나타낸 것과 같이 C5~C9사이의 VOCs가 가장 많이 포함된 것으로 나타났으며 조성비는 파라핀족(n-파라핀+i-파라핀)>방향족>올레핀족>나프타 순이었다.
- 연료별 VOCs 배출특성을 비교한 결과 휘발유 차량과 LPG차량은 유사한 배출수준을 나타내었으며 소형경유차는 휘발유차량과 LPG차량 배출량의 약 30% 수준으로 배출되는 것으로 나타났다. 또한 연료별 배출조성을 비교 분석한 결과 주행거리와 운전조건에 상관없이 휘발유차의 경우 파라핀족>방향족> 올레핀족 순으로 배출된 반면, 경유차와 LPG차는 파라핀>올레핀>방향족 순으로 배출되었다.
- 이러한 배출가스 관련 부품의 노후화에 따른 VOCs 배출영향을 조사하기 위하여 시험대상 차량을 주행거리 80, 000 km 전후로 구분하여 VOCs 배출특성을 조사하였다. 조사결과 배출가스 저감장치 및 차량의 노후화에 의해 휘발유차, 소형경유차 등 모든 차량에서 주행거리 80, 000 km 이상 차량이 80, 000 km 미만 차량보다 VOC『배출이 증가하는 것으로 나타났다. 휘발유차의 경우 약 11%가량 증가했으며, LPG차의 경우 약 300% 증가하여 매우 높은 증가율을 나타내었디' 경유차의 경우 휘발유차와 LPG차에 비해 VOCs 배출량은 적으나 차량 노후화에 의해 배출율은 높아지는 것으로 조사되어 80, 000 km 이상 차량이 미만 차량에 비해 약 90% 높게 배출되는 것으로 조사되었다.
- 차속에 따른 VOCs 배출특성은 사용연료에 관계없이 모든 차종에서 저속에서 고속으로 갈수록 VOCs 배출이 뚜렷이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 20 km/h 정도에서 배출량이 급격히 감소하여 VOCs 배출이 주로 20km/h 이하의 저속에서 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- VOCs 분석을 위한 시료채취는 CVS (cons- tant volume sampler)를 통하여 희석된 배기관 가스를 테들러백을 통하여 일부 포집하였으며 채취 용량은 2L로 하였다. 테들러백에 의한 시료채취는 백 내의 가스나 수증기, 리크 발생, 백 내에서 성분들의 반응 등에 의한 영향으로 대상물질의 농도가 감소하거나 증가할 수 있기 때문에 채취가 완료된 백은 이중으로 밀봉하여 냉암소에 보관하였으며 모든 시료는 72시간 내에 분석을 완료하였다.
- 뚜렷이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 20 km/h 정도에서 배출량이 급격히 감소하여 VOCs 배출이 주로 20km/h 이하의 저속에서 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 앞 절에서 언급한 바와 같이 휘발유차의 배출가스 중 VOCs는 파라핀족>방향족>올레핀족순으로 배출되는 것으로 나타났으며, 가장 높은 배출 비율을 나타내는 물질은 연료와 배출가스 모두 톨루엔으로 조사되어 전반적으로 매우 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다(그림 5). 휘발유 연료 중 개별 VOCs의 조성 분석결과는 표 7에 나타낸 것과 같이 C5~C9사이의 VOCs가 가장 많이 포함된 것으로 나타났으며 조성비는 파라핀족(n-파라핀+i-파라핀)>방향족>올레핀족>나프타 순이었다. 국내의 경우 시중에 유통되는 휘발유의 경우 방향족과 올레핀의 규제기준이 설정되어 있기 때문에 이러한 물질들의 조성이 파라핀에 비해 낮게 조정되는 것이 일반적이다.
- 휘발유차 의경 우 파라핀족>방향족>올레 핀쪽 순으로 배 출된반면, 경유차와 LPG차는 파라핀족>올레핀족>방향족 순으로 배출되었다. 휘발유차량에서 배출된 VOCs 중에는 방향족인 톨루엔이 가장 많이 배출되었고, 올레핀족인 에틸렌이 그 다음으로 많이 배출되는 것으로 나타났다. LPG차의 경우 파라핀족의 비율이 70% 이상으로 매우 높은 배출비율은 나타내었는데 이는 LPG 연료가 주로 탄소수가 적은 가벼운 파라핀족인 부탄과 프로판으로 이루어져 있기 때문으로 사료된다.
- 본연구에서 조사된 차종별 배출량의 평균값을 그림 4 에 나타내었다. 휘발유차량과 LPG 차량에서 유사한 수준을 나타내었으며, 소형경유차에서의 배출량은 휘발유 및 LPG차량과 비교하여 약 30% 정도의 배출 수준으로 조사되었고, 주요 배출물질인 벤젠과 톨루엔은 휘발유차량에서 가장 많이 배출되는 것으로 나따났다. 또한 LPG차의 경우 연료의 특성상 부탄의 배출이 많았다.
- 휘발유차 의경 우 파라핀족>방향족>올레 핀쪽 순으로 배 출된반면, 경유차와 LPG차는 파라핀족>올레핀족>방향족 순으로 배출되었다. 휘발유차량에서 배출된 VOCs 중에는 방향족인 톨루엔이 가장 많이 배출되었고, 올레핀족인 에틸렌이 그 다음으로 많이 배출되는 것으로 나타났다. LPG차의 경우 파라핀족의 비율이 70% 이상으로 매우 높은 배출비율은 나타내었는데 이는 LPG 연료가 주로 탄소수가 적은 가벼운 파라핀족인 부탄과 프로판으로 이루어져 있기 때문으로 사료된다.
- 조사결과 배출가스 저감장치 및 차량의 노후화에 의해 휘발유차, 소형경유차 등 모든 차량에서 주행거리 80, 000 km 이상 차량이 80, 000 km 미만 차량보다 VOC『배출이 증가하는 것으로 나타났다. 휘발유차의 경우 약 11%가량 증가했으며, LPG차의 경우 약 300% 증가하여 매우 높은 증가율을 나타내었디' 경유차의 경우 휘발유차와 LPG차에 비해 VOCs 배출량은 적으나 차량 노후화에 의해 배출율은 높아지는 것으로 조사되어 80, 000 km 이상 차량이 미만 차량에 비해 약 90% 높게 배출되는 것으로 조사되었다.
- 분석한 결과, 휘발유 연료 중 G~(為사이의 VOC&가 가장 많이 포함된 것으로 나타났으며, 조성비는 파라핀족(氐파라핀+i-파라핀)> 방향족>올레핀족>나프타 순이었다. 휘발유차의 배출가스 중 VOCs는 파라핀족>방향족>올레핀족 순으로 배출되는 것으로 나타났으며, 가장 높은 배출 비율을 나타내는 물질은 연료와 배출가스 모두 톨루엔으로 조사되어 전반적으로 매우 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 이러한 연구결과는 향후 이동오염원 유해 대기오염물질 배출량 산출 및 규제기준 설정을 위한 기초자료로 활용될 것이며, 계속적으로 강화되고 있는 자동차 규제기준과 이에 대응하기 위해 점차 발달되고있는 자동차 기술에 따른 VOCs 배출특성을 적절히 반영하기 위해서는 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- (1999) 등의 연구 결과와 유사한 것으로 배출가스의 조성이 차량의 연소기술 또는 저감장치 종류 등에 따라 일부 달라질 수는 있으나 전반적으로 그 차이가 크지 않음을 나타낸다. 이런 이유로 미국의 EPAQ004)와 유럽의 EEA (2002)에서는 VOC& 배출량 산정시 배출율이아닌 조성비를 기초로 Top Down 방식에 의한 배출량을 산정하고 있으며, 국내의 경우도 향후 자동차에서 배출되는 벤젠 등 유해 VOCs의 배출량 산정을 위해 물질별 조성비를 DB화 할 수 있는 후속 연구가 진행 중이다.
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