[논문]차량 추적 실험을 통하여 디젤 후처리 장치가 입자상 물질 배출에 미치는 영향 파악

이석환; 김홍석; 박준혁; 조규백

[국내논문] 차량 추적 실험을 통하여 디젤 후처리 장치가 입자상 물질 배출에 미치는 영향 파악
On-road Investigation of PM Emissions of Diesel Aftertreatment Technologies (DPF, Urea-SCR) 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.5, 2011년, pp.92 - 99

이석환 (한국기계연구원 그린동력실) , 김홍석 (한국기계연구원 그린동력실) , 박준혁 (한국기계연구원 그린동력실) , 조규백 (한국기계연구원 그린동력실)

Abstract ▼ AI-Helper

To measure the traffic pollutants with high temporal and spatial resolution under real conditions, a mobile emission laboratory (MEL) was designed. The equipment of the mini-van provides gas phase measurements of CO, NOx, $CO_2$, THC (Total hydrocarbon) and number density & size distribution measurements of fine and ultra-fine particles by a fast mobility particle sizer (FMPS) and a condensation particle counter (CPC). The inlet sampling port above the bumper enables the chasing of different type of vehicles. This paper introduces the technical details of the MEL and presents data from the car chasing experiment of diesel bus equipped with aftertreatment system. The dilution ratio was calculated by the ratio of ambient NOx and tail-pipe NOx. Most particles from the diesel bus were counted under 300 nm and the peak concentration of the particles was located between 30 and 60 nm. The total PM number emission from diesel bus equipped with DPF was 10 orders of magnitude lower compared to those emitted from base diesel bus. And the total PM number emission from diesel bus equipped with SCR was comparable to the particle emission from base diesel bus.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다양한 차종을 추적 계측하기 위한 MEL 차량을 소개하며 실제 MEL 차량을 이용한 추적실험을 통하여 디젤버스에 장착되는 후처리 장치인 DPF와 urea-SCR이 입자상 물질 저감에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또한 디젤 버스를 대상으로 추적실험을 통하여 측정한 On-road test 결과와 차대동력계를 이용하여 측정한 Laboratory test 결과를 서로 비교하여 극미세입자의 배출특성 및 생성 과정을 파악하여 보았다.
5에서는 디젤 베이스인 경우와 DPF, SCR을 장착한 경우 버스가 정지한 상태에서 엔진 아이들링 조건일 때 추적차량 2 m 후방에서 측정한 입자들의 입경분포를 대기에서 입경분포와 결과와 비교한 결과를 나타내었다. 이 실험의 목적은 도심 조건에서 신호대기나 횡단보도에 차량이 정차하는 경우 앞 차량에서 배출되는 배출가스를 근거리에서 흡입하게 되는데 이의 영향을 보는 것이다. 디젤 베이스와 SCR을 장착한 경우에는 50 nm 이하의 극미세입자들이 배출되고 있으며 SCR은 입자상 물질의 저감에 영향을 못 미치는 결과를 보여주고 있다.
본 연구에서는 다양한 차종을 추적 계측하기 위하여 MEL 차량을 구축하였으며 실제 MEL 차량으로 디젤 버스에 장착되는 후처리 장치가 미세입자 배출에 미치는 영향을 파악하였다. 본 연구를 통하여 다음의 결론들을 얻을 수 있었다.

제안 방법

자동차 배출가스 오염에 대한 인식의 변화로 인하여 과거에는 대기질 악화에 중점을 주어서 PM, HC, NOx, CO, SO₂ 등과 같은 배출가스를 규제하였다. 하지만 근래에는 배출가스가 건강에 미치는 영향을 심각하게 고려하기 시작하였으며 이로 인하여 디젤나노입자 및 PAHs (다환방향족탄화수소)를 규제하려는 움직임이 있으며, 향후에는 배출가스가 지구온난화에 미치는 영향까지도 고려하여 CO₂ 및 Black carbon을 규제하려는 움직임도 있다.
본 논문에서는 다양한 차종을 추적 계측하기 위한 MEL 차량을 소개하며 실제 MEL 차량을 이용한 추적실험을 통하여 디젤버스에 장착되는 후처리 장치인 DPF와 urea-SCR이 입자상 물질 저감에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또한 디젤 버스를 대상으로 추적실험을 통하여 측정한 On-road test 결과와 차대동력계를 이용하여 측정한 Laboratory test 결과를 서로 비교하여 극미세입자의 배출특성 및 생성 과정을 파악하여 보았다.
차량 추적 실험을 하기 위하여 우선 배출가스에 포함된 미세입자를 샘플링 할 수 있는 라인을 설계하여야 한다. 배출가스 뿐만 아니라 극미세입자까지 포집해서 측정하여야 하므로 입자손실(particle loss)이 생기지 않게 층류유동(laminar flow), 등속성 샘플링(isokinetic sampling), 입자 흡착(particle deposition)을 고려하여 샘플링 라인을 설계하였다.¹⁰⁾ Fig.
)를 사용하여 측정하였다. 차량에서 배출되어 대기 중으로 희석된 배출가스 중 CO, CO₂는 일산화탄소 측정기(Model CO12M, Environnement S.A.)를 사용하여 측정하였으며 NO/NO₂/NOx는 질소산화물 측정기(AC32M, Environnement S.A.), THC/CH4/nMHC는 유기탄소물 측정기(HC51M, Environnement S.A.)를 사용하여 측정하였다.
추적차량과 MEL 차량의 거리에 따라서 배출가스의 희석비가 크게 변화하므로 거리를 일정하게 유지하기 위해서는 두 차량의 속도를 동일하게 유지하여야 한다. 두 차량 사이의 거리를 정확하게 측정하기 위하여 MEL 차량의 전면부에 Laser 거리계를 장착하여 거리에 대한 정보를 기록한다.
추적대상 차량으로는 배기량 3,568 cc의 디젤 엔진을 장착하고 있는 미니버스를 사용하였다. 디젤 후처리 장치로는 플라즈마 버너를 사용하여 재생하는 방식의 DPF와 Urea를 환원제로 사용하는 SCR을 장착하여 차량 추적 실험을 수행하였다. 본 차량의 대표적인 저속 조건(20 km/h), 중속조건(50 km/h), 고속 조건(80 km/h)에서 추적실험을 하였으며, 추적거리 10, 25, 50, 100 m에 따른 가스상 물질 및 입자상물질의 배출특성을 측정하였다.
디젤 후처리 장치로는 플라즈마 버너를 사용하여 재생하는 방식의 DPF와 Urea를 환원제로 사용하는 SCR을 장착하여 차량 추적 실험을 수행하였다. 본 차량의 대표적인 저속 조건(20 km/h), 중속조건(50 km/h), 고속 조건(80 km/h)에서 추적실험을 하였으며, 추적거리 10, 25, 50, 100 m에 따른 가스상 물질 및 입자상물질의 배출특성을 측정하였다. Fig.
NOx의 농도를 이용하여 구한 희석비가 디젤엔진에서 배출된 미세입자에 대한 희석비로 사용하는 것이 타당한지를 살펴보기 위하여 디젤 버스에서 배출되어 대기와 희석된 NOx의 농도와 입자의 수농도를 비교하였다. Fig.
교통환경연구소(NIER)가 보유하고 있는 대형 차대 동력계를 이용하여 디젤버스에서 배출되는 입자상 물질을 측정(Laboratory test)한 후 추적시험(On- road test) 결과와의 비교를 통하여 대기 중 확산 현상에 의하여 발달하는 디젤입자의 발달과정을 살펴보았다. 차량 속도는 20, 80 km/h의 조건에서 측정하였으며 디젤 후처리 장치가 장착되지 않은 Base 상태에서 입자상 물질의 배출 특성을 파악하였다.
교통환경연구소(NIER)가 보유하고 있는 대형 차대 동력계를 이용하여 디젤버스에서 배출되는 입자상 물질을 측정(Laboratory test)한 후 추적시험(On- road test) 결과와의 비교를 통하여 대기 중 확산 현상에 의하여 발달하는 디젤입자의 발달과정을 살펴보았다. 차량 속도는 20, 80 km/h의 조건에서 측정하였으며 디젤 후처리 장치가 장착되지 않은 Base 상태에서 입자상 물질의 배출 특성을 파악하였다. 각각의 시험 조건에서 차량 운전 조건을 동일하게 만들기 위해서는 차량 속도뿐만 아니라 엔진의 부하도 동일하게 설정해야 하는데 본 실험에서는 차대동력계의 부하 조절을 통하여 도로상 주행 조건과 비슷한 환경을 만들어 주었다.
차량 속도는 20, 80 km/h의 조건에서 측정하였으며 디젤 후처리 장치가 장착되지 않은 Base 상태에서 입자상 물질의 배출 특성을 파악하였다. 각각의 시험 조건에서 차량 운전 조건을 동일하게 만들기 위해서는 차량 속도뿐만 아니라 엔진의 부하도 동일하게 설정해야 하는데 본 실험에서는 차대동력계의 부하 조절을 통하여 도로상 주행 조건과 비슷한 환경을 만들어 주었다. 회전형 Diluter (Dekati)를 사용하여 디젤 버스에서 나오는 Raw gas의 희석비를 조절하였으며 극미세입자의 입경별 개수 농도를 측정하기 위해 DMA(Dynamic Mobility Analyzer)와 CPC(Condensation Particle Counter)로 구성된 Grimm 사의 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)를 이용하였다.
각각의 시험 조건에서 차량 운전 조건을 동일하게 만들기 위해서는 차량 속도뿐만 아니라 엔진의 부하도 동일하게 설정해야 하는데 본 실험에서는 차대동력계의 부하 조절을 통하여 도로상 주행 조건과 비슷한 환경을 만들어 주었다. 회전형 Diluter (Dekati)를 사용하여 디젤 버스에서 나오는 Raw gas의 희석비를 조절하였으며 극미세입자의 입경별 개수 농도를 측정하기 위해 DMA(Dynamic Mobility Analyzer)와 CPC(Condensation Particle Counter)로 구성된 Grimm 사의 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)를 이용하였다. Fig.
10에서는 추적실험에서 FMPS로 측정한 입자상물질의 입경분포 곡선과 차대동력계에서 Diluter와 SMPS로 측정한 입자상 물질의 입경분포 곡선을 비교한 것이다. 추적거리 10, 25, 50, 100 m 조건에서 추적실험 한 결과와 차대동력계에서 Tail pipe에서 배출되는 입자상물질을 비교하였다.

대상 데이터

도시대기 측정망이나 도로변 대기 측정망 같은 정지상 측정 장비와 달리 MEL(Mobile Emission Laboratory)은 이동형 장비로서 장소에 제약받지 않고 대기오염을 측정할 수 있으며 다양한 종류의 차량을 추적 계측할 수 있다. 측정 장비를 탑재할 수 있는 공간 활용성 및 운전성을 고려하여 밴 차량을 MEL의 기본 차량으로 선정하였다. 차량 추적 실험을 하기 위하여 우선 배출가스에 포함된 미세입자를 샘플링 할 수 있는 라인을 설계하여야 한다.
또한 일반 도로에서 시험을 수행하게 되면 차량의 속도 및 거리를 유지하기가 어려우며 다른 차량의 이동을 예상하기 어려우므로 상당히 위험할 가능성이 있다. 따라서 주행조건 및 차량안전을 고려하여 자동차성능연구소 (KATRI)의 5.5 km 고속주행로에서 차량 추적 실험을 수행하였다.
추적대상 차량으로는 배기량 3,568 cc의 디젤 엔진을 장착하고 있는 미니버스를 사용하였다. 디젤 후처리 장치로는 플라즈마 버너를 사용하여 재생하는 방식의 DPF와 Urea를 환원제로 사용하는 SCR을 장착하여 차량 추적 실험을 수행하였다.

이론/모형

차량에서 배출되는 입자들의 입경분포는 Fast Mobility Particle Sizer Model 3091(FMPS, TSI, Inc.)을 사용하여 5.6~560 nm 사이즈를 가지는 입자의 입경분포를 측정하였다. FMPS의 최소 Scanning time은 1s이며, 1s 단위로 측정한 데이터들을 30s 단위로 평균하여 결과에 사용하였다.

성능/효과

희석비를 고려하는 경우 피크값을 가지는 구간은 동일하며 베이스 및 SCR을 장착하는 경우 최대 108개/cm³의 수농도 값을 가진다. DPF를 장착하는 경우 베이스 경우에 비해서 최대 10배 정도의 입자상 물질 저감효과가 있는 것을 확인할 수 있었다.
FMPS와 CPC로 측정한 입자의 수농도 값은 거의 동일하였으며 베이스 상태 및 SCR을 장착한 경우에 비해 DPF를 장착하는 경우 입자의 수농도는 최대 10배 정도 저감이 되었다.
20 km/h 속도 조건의 경우 핵생성 모드 영역에서는 추적실험에서 측정한 입자들의 농도가 더 높았으며 축척 모드 영역에서는 차대동력계에서 측정한 입경의 수농도가 추적 실험에서 측정한 값보다 더 높았다. 이는 반휘발성 물질, 가스상 물질에 의하여 생성되는 이차 유기입자물질, 질소산화물에 의해서 생길 수 있는 무기질산염 등에 의해서 미세입자들이 생성되기 때문이다.
대기 조건과 비교할 때 추적실험을 하는 경우 입자상 물질의 농도는 높아지며 50 nm 이하의 핵생성모드(Nuclei mode) 영역의 극미세입자들이 대부분을 차지하고 있다. 베이스 상태와 SCR을 장착한 경우는 입자상물질의 입경분포가 거의 동일하였으며 DPF를 장착하는 경우에는 100 nm 이하의 영역에서 입자상물질의 농도가 더 낮음을 알 수 있다. 희석비를 고려하는 경우 피크값을 가지는 구간은 동일하며 베이스 및 SCR을 장착하는 경우 최대 108개/cm³의 수농도 값을 가진다.
20 km/h의 저속운전 조건에서는 대부분의 입자들이 50 nm 이하의 핵생성모드 영역에 존재하였는데 엔진 부하가 증가한 80 km/h의 차량 속도에서는 입자들의 크기가 증가하여 축척모드(Accumulation mode) 영역에도 많은 입자들이 존재하고 있다. 저속 운전 조건과 마찬가지로 SCR을 장착하는 경우는 입자상 물질 저감에 별다른 영향을 주지 않았으며 DPF를 장착하는 경우 100 nm 이하의 영역에서 최대 10배 수준으로 입자상물질이 저감되었다.
상대적으로 저속조건인 20 km/h 속도 조건의 경우 입경이 50 nm 이하인 핵생성 모드 영역에서는 추적실험에서 측정한 입자들의 농도가 10배 정도 더 높았으며 추적거리의 증가에 따라서 입자들의 수농도가 약간 더 높은 결과를 보였다. 축척 모드 영역에서는 차대동력계에서 측정한 입경의 수농도가 추적 실험에서 측정한 값보다 더 높았다.

후속연구

3) 따라서 Laboratory 실험과 On road test (추적계측) 결과를 상호 비교하여 실제 주행조건에서 극미세입자의 배출특성을 비교하는 것이 필요하다.^4,5)
또한 후처리장치 부착 및 저공해기술도입의 대기질 개선 효과를 실 주행 조건에서 평가하는 것이 필요하며 실제 도로 주행 시 개별 자동차의 배출특성을 평가하여 엔진동력계 또는 차대동력계 시험결과의 검증 및 보완하며 실주행시 문제점을 사전에 파악하여 대응하여야 한다. 운행 중인 차량에서 배출되는 배출가스 및 미세입자의 배출 특성을 평가하기 위해서는 MEL을 이용하는 것이 효과적인 방법이며 많은 연구들이 수행중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 배출가스에 의한 오염을 관리하기 위해 규제하는것은?	국내에서는 배출가스에 의한 오염을 관리하기 위하여 PM, HC, CO, NOx 등의 배출가스 및 연료의 황함량을 규제하고 있으며 최근에는 새로운 대기오염 물질로 부각되고 있는 극미세입자(Nano-particle)를 규제하려는 움직임도 있으며 이미 미세먼지의 경우 규제치가 설정되어 있다.
	미세먼지 관리를 위해 우리나라가 하는것은?	인체에 위해성을 미치는 미세먼지 관리를 위해 우리나라는 총 부유분진(TSP)과 별도로 인체에 흡입되어 폐에 침착 가능성이 큰 직경 10 ㎛ 이하인 먼지(PM10)를 환경정책기본법으로 관리하고 있다. 미세먼지에 대해 연간평균치 70 ㎛/m3 이하, 24시간 평균치 150 ㎛/m3이하로 기준을 관리하고 있는데 이 기준은 미국, 일본, 홍콩, 싱가포르 등 외국과 유사한 수준이나 EC 권고기준에 비해서는 다소 완화된 수준이다.
	MEL 차량으로 디젤 버스에 장착되는 후처리 장치가 미세입자 배출에 미치는 영향을 속도에 따라 실험한 결과는?	20 km/h의 저속 운전 조건에서는 50 nm 이하의 입경크기를 가지는 극미세입자들이 대부분 배출되었으며 DPF를 장착하는 경우 10배 정도의 입자상 물질 저감효과가 있었다. 80 km/h의 고속 운전 조건에서는 피크값이 축척모드 영역인 60 nm에 위치하고 있으며 50 nm 이상의 입경분포를 가지는 입자들이 많이 배출되고 있다. DPF를 장착하는 경우 전영역에서 입자상 물질이 저감되고 있음을 알 수 있다. 20 km/h 속도 조건의 경우 핵생성 모드 영역에서는 추적실험에서 측정한 입자들의 농도가 더 높았으며 축척 모드 영역에서는 차대동력계에서 측정한 입경의 수농도가 추적 실험에서 측정한 값보다 더 높았다. 이는 반휘발성 물질, 가스상 물질에 의하여 생성되는 이차 유기입자물질, 질소산화물에 의해서 생길 수 있는 무기질산염 등에 의해서 미세입자들이 생성되기 때문이다. 80 km/h 조건에서는 추적실험에서 측정한 입자와 차대동력계 실험에서 측정한 입자의 입경분포 곡선이 매우 유사한 형태를 지니는데 이는 엔진 부하가 증가하여 극미세입자들의 배출량이 적으며 대기 중에 배출된 배출가스들이 희석되면서 새롭게 입자로 성장할 시간이 짧아서 미세입자들이 추가적으로 생성되지 않는 것이다.

참고문헌 (10)

G. Bae and S. Lee, "Contamination Level of Vehicle-related Air Pollutants at a Roadside in the Downtown Area of Seoul," Fall Conference Proceedings, KSAE, KSAE09-B0055, pp.340-345, 2009.
G. Bae, S. Lee, H. Jin, S. Lee, S. Woo, S. Lee, J. Kim and D. Shin, "Development and Test Operation of a Mobile Emission Laboratory for Vehicle-related Air Pollution Assessment," Proceeding of 2009 KOSAE Fall Conference, pp.231-232, 2009.
D. Kittelson, "Engine and Nanoparticles : A Review," J. Aerosol Sci., Vol.29, pp.575-588, 1998.

상세보기
S. Sasaki and T. Nakajima, "Study on the Measuring Method of Vehicular PM Size Distribution to Simulate the Atmospheric Dilution Process," SAE 2002-01-2716, 2002.
L. Pirjola, H. Parviainen, T. Hussein, A. Valli, K. Hameri, P. Aaalto, A. Virtanen, J. Keskinen, T. Pakkanen, T. Makela and R. Hillamo, "Sniffer-a Novel Tool for Chasing Vehicles and Measuring Traffic Pollutants," Atmospheric Environment, Vol.38, pp.3625-3635, 2004.

상세보기
D. Kittelson, J. Johnson, W. Watts, Q. Wei, M. Drayton, D. Paulson and N. Bukowiecki, "Diesel Aeroson Sampling in the Atmoshpere," SAE 2000-01-2212, 2000.
M. Maricq, R. Chase, N. Xu and P. Laing, "Effects of the Catalytic Converter and Fuel Sulfur Level on Motor Vehicle Particulate Matter Emissions: Light Duty Diesel Vehicles," Environ. Sci. Technol., Vol.36, pp.276-282, 2002.

상세보기
M. Bergmann, U. Kirchner, R. Vogt and T. Benter, "On-road and Laboratory Investigation of Low-level PM Emissions of a Modern Diesel Particulate Filter Equipped Diesel Passenger Car," Atmospheric Environment, Vol.43, pp.1908-1916, 2009.

상세보기
Y. Sogawa, H. Hattori, N. Yanagisawa, M. Hosoya, T. Shoji, Y. Iwakiri, T. Yamashita, T. Ikeda, S. Tanaka, K. Takahashi, T. Suzuki, T. Nakajima and Y. Tonegawa, "Nano Particle Emission Evaluation of State of the Art Diesel Aftertreatment Technologies (DPF, urea-SCR and DOC), Gasoline Combustion Systems (Lean Burn/Stoichiometric DISI and MPI) and Fuel Qualities Effects (EtOH, ETBE, FAME, Aromatics and Distilation)," SAE 2007-014083, 2007.
S. Lee, H. Kim, S. Lee and G. Bae, "A Mobile Emission Laboratory for Car Chasing Experiment," Transactions of KSAE, Vol.19, No.1, pp.109-116, 2011.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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