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문제 정의
- 본 연구에서는 승용차에서 배출되는 CO2의 영향인자를 연료별, 배기량별, 총중량별, 차속별, 온도별, 변속기별, 운전조건별 배출특성을 분석하고, 연비와의 상관관계를 분석함으로써 향후 자동차 CO2 배출계수 구축을 통한 배출량 산정 등 국내 자동차의 CO2 규제기준 설정 및 저감기술 개발 등을 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 국내 승용차에 대하여 주행조건에 따라 NIER 차속별 CO2의 배출량을 시험·분석하였다.
- 국내 전체 등록대수의 60% 이상을 차지하는 승용차의 CO2의 배출현황을 알아보고자 승용차를 경, 소, 중, 대형으로 구분하여 총 110대를 시험하였으며 CVS-75모드와 차속별 모드를 이용하여 배기량별, 연료별, 총중량별, 차속별, CVS-75/국내차속모드 비교, 변속기별, 온도별, 연비와의 상관관계 등을 조사하였다.
- 차대동력계는 자동차의 실측 주행모드를 모사하여 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 걸어주는 장치이다. 배출가스 측정은 시험자동차가 차대동력계의 롤러위에서 각 모드별로 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정 용량시료채취장치(CVS : Constant Volume Sampler) 로 일정량의 공기로 희석한 후, 20L 테들러 백에 채취하여 배출가스 분석기로 분석했다.
- 본 연구에서는 사용한 배출가스분석기는 차량의 배기관에서 배출되는 가스상물질 CO2, CH4을 측정하는 것 이외에도 CO, THC, NOx도 분석할 수 있으며 시료채취와 분석이 on-line시스템으로 되어 있어 시험 직후 분석결과를 알 수 있다. 배출가스 측정원리로 CO2는 비분산적외선법(NDIR : Non-Dispersive Infrared), CH4은 불꽃염이온화검출법(H-FID: Heated Flame Ionization Detector)로 분석했으며 측정범위는 Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
- Phase 1과 Phase 3는 같은 주행패턴을 가지며 차이점으로는 Cold start와 Hot Start이다. CVS-75 모드 이외에도 서울시내의 일정 구간을 운행하여 차속별로 분류시켜 만든 대표차속별(NIER) 주행모드를 이용하였다.
- 시험대상차종은 승용차종별 점유율 등을 고려한 대표차종을 위주로 선정하였다. 배기량별로는 경형, 소형, 중형, 대형으로 구분하였으며 총 110대의 승용차를 시험하였다. 시험대상 차종 및 대수를 Table 1과 Table 2에 나타냈다.
- 시험대상차종은 승용차종별 점유율 등을 고려한 대표차종을 위주로 선정하였다. 배기량별로는 경형, 소형, 중형, 대형으로 구분하였으며 총 110대의 승용차를 시험하였다.
- 차량시험모드는 CVS-75 모드와 NIER 차속별 모드로 실험하였다. CVS-75모드는 현재 대기환경보전법의 승용차 배출가스 규제시험모드로, Fig.
이론/모형
- 도 분석할 수 있으며 시료채취와 분석이 on-line시스템으로 되어 있어 시험 직후 분석결과를 알 수 있다. 배출가스 측정원리로 CO2는 비분산적외선법(NDIR : Non-Dispersive Infrared), CH4은 불꽃염이온화검출법(H-FID: Heated Flame Ionization Detector)로 분석했으며 측정범위는 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 동일연료, 동일운전조건하에서 배기량에 따라 CO2배출량은 약 20~23%증가하고, 차량총중량이 1.5ton에서 2ton으로 500kg증가하였을 때는 약41.7%가 증가하였다.
- 2) 차속에 따른 CO2 배출특성을 조사한 결과, 자동차 속도가 증가함에 따라 CO2 배출은 일반적으로 감소했으며 서울시 대표 차속 24.6km/hr 이상의 차속에서는 감소율이 완만했다. 한편 고속도로 대표차속 97.
- 3) CVS-75모드에서의 저온 및 고온의 운전조건이 CO2배출에 미치는 영향을 측정, 분석한 결과, 저온운전조건인 Phase1이 고온운전 조건인 Phase3 보다 CO2를 15~18% 더 많이 배출하는 것을 확인하였으며, 이는 저온에서 연료, 엔진오일 및 미션오일의 점성도 증가로 인한 기계적 에너지 손실과 촉매의 활성화 온도(Light-off Temperature)에 빠르게 도달하게 하기위한 ECU의 제어에 따른 연료 사용량의 증가가 CO2 배출 증가의 원인으로 사료된다.
- 3~5에 나타내었다. Fig. 3은 CVS-75모드를 통하여 시험한 배기량에 따른 CO2 배출량의 그래프로 배기량별 시험차량의 평균값을 사용하여 계산한 배출량은 경형은 120~140, 소형은 160~190, 중형은 200~240, 대형은 220~260g/km정도로 배출됨을 확인할 수 있었고 각 그룹별로 배기량의 증가에 따라 약 20~23%정도 많게 배출되는 것을 알 수 있었다.
- Fig. 4의 총중량에 따른 배출량의 그래프를 살펴보면 총중량이 1.5ton에서 2ton으로 증가하였을 때 배출량이 약41.7% 증가하게 됨을 확인할 수 있었으며 부가적으로 상관계수(R2)가 0.8944로 양호한 상관성을 보였다. 이는 배기량이 클수록, 엔진에 걸리는 부하가 커질수록 실린더 내에 유입되는 연료량이 많아지기 때문인 것으로 사료된다.
- Fig. 6에서 보여 주듯이 자동차 속도가 증가함에 따라 CO2 배출은 전반적으로 감소하는 경향을 보여 주고 있으며 24.6km/hr 이상(서울시 대표차속)의 차속에서는 감소율이 완만해지고 배출량이 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 배기량과 연료 등기 타 영향인자에 관계없이 일반적으로 공회전 및 감속이 많은 저속에서는 기어비가 높은 저단기어운전을 하면서 상대적으로 엔진부하와 회전수가 높기 때문에 연료 소비가 많아져서 CO2가 많이 배출되며, 반대로 차속이 증가하면 연료의 완전연소가 진행되어 최적의 연소상태에 근접하며 연료소비율이 향상되고 CO2배출은 급격히 감소하게 되는 것을 알 수 있었다.
- 유럽의 경우 현재 EURO4-5를 거쳐 EURO6로 진입할 단계이며 또한 전 세계적으로 배출권 거래제의 시행 등 자동차업계와 공공기관, 일반기업체등 자발적인 협정을 체결함에 따라 유럽으로 수출되는 모든 승용차는 2012년까지 120 g/km를 만족시켜야한다. 또한 미국 갤리포니아주의 경우 2009년부터 적용되는 CO2 규제기준을 설정하여 2020년까지 수송부문에서 약 17%의 CO2를 저감할 계획이다.
- 또한 초기 시동시(Cold Start) 온도의 영향을 고찰하기위해서 CVS-75 모드에서 1Phase 와 3Phase를 비교해 본 결과, 냉간 시동시 주행할 경우 열간 시동시보다 공통적으로 평균 15~18% 더 많이 배출 되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 8).
- 배기량과 연료 등기 타 영향인자에 관계없이 일반적으로 공회전 및 감속이많은저속에서는기어비가높은저단기어운 전을하면서상대적으로엔진부하와회전수가높기 때문에 연료 소비가 많아져서 CO2가 많이 배출되 며, 반대로 차속이 증가하면 연료의 완전연소가· 진 행되어 최적의 연소상태에 근접하며 연료소비율이 향상되고 CO2배출은 급격히 감소하게 되는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 4) 향후, 이러한 차종별 CO2 배출영향 인자에 대한 자료는 국가 수송부문 온실가스 저감 대책 수립 및 배출통계 구축이나 배출계수 산정에 있어서 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
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