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문제 정의
- 본 연구에서는 현행 휘발유 차량 엔진방식별(MPI, GDI)로 올레핀 함량을 변화시키면서 배출특성을 평가하여 연료 품질기준 설정에 대한 기초자료를 확보하고자 한다.
제안 방법
- 이를 해결하기 위한 방안으로 1990년 대기환경보전법 개정을 통해 그동안 자동차 성능을 충족하기 위해 관리해왔던 자동차 연료품질기준을 대기 오염물질 저감을 위한 자동차 배출허용기준 차원에서 접근하기 시작하였다.1,2) 이로써 1991년부터 연료로부터 기인되는 오염물질 저감을 위해 자동차용 휘발유와 경유에 적용되는 품질기준을 규정하였다.
- 1,3-부타디엔 등 미규제물질은 FT-IR 분광기(spectroscopy)를 이용하여 측정하였으며 적외선 영역 4000~400cm-1의 영역에서 ±2% 이내의 선형성을 가지며, ppm단위로 농도를 연속적으로 측정하였다.
- 모든 시험은 정확도를 고려하여 3회 실시하였다. 각각의 운전조건에 따라 배출가스(CO, THC, CO2, NOx), 연비 및 미규제 배출가스 특성 등을 측정하였다.
- 모든 시험은 정확도를 고려하여 3회 실시하였다. 각각의 운전조건에 따라 배출가스(CO, THC, CO2, NOx), 연비 및 미규제 배출가스 특성 등을 측정하였다.
- 올레핀 함량변화에 따른 배출가스 측정의 신뢰도 향상 및 정확도를 높이기 위하여 3회 측정을 기본으로 수행하나, 시험 오차값이 클 경우 반복시험 수행하였다.
- 올레핀 함량별 배출가스 특성을 파악하기 위하여 올레핀 함량에 따른 시료3종 (12, 16, 20%) 및 2종의 평가차량(2.4L GDI방식, 1.6L MPI방식)으로 배출가스 특성시험을 수행한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 올레핀 함량에 따른 환경성 평가를 위하여 현행의 휘발유 엔진 방식에 따라 MPI (Multi-Point Injection)과 최근 개발되어 상용화된 GDI (Gasoline Direct Injection) 방식의 차량을 각각 1대씩 선정하여 성능을 평가하였으며, 그 제원을 Table 3에 나타내었다.
- 자동차용 휘발유는 400~500여 가지의 화합물로 임의 조제가 어렵기 때문에 「석유 및 석유대체연료 사업법」 (이하“석대법”) 상의 품질기준을 준수시키면서 올레핀 함량을 충족시키도록 특정 정유사에 의뢰하여 올레핀 및 방향족 함량 등을 고려하여 Table 1과 같이 조제하였다.
대상 데이터
- 또 다른 연구결과4)에서는 39대의 1989~1990년도 사용 중인 차량을 12종의 연료와 함께 시험하였다. 올레핀 함량이 낮은 연료는 NOx는 저감되나 CO는 동등하며 HC에는 영향을 미치지 않는다고 결론지었다.
이론/모형
- 배출가스 측정 장치(MEXA-7400LE)는 배출가스중 CO, THC, NOx, CO2을 분석할 수 있는 장치로서, 분석원리는 CO 및 CO2가 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive Infrared), THC는 열식불꽃이온화검출기법(HFID, Heated Flame Ionization Detector), NOx 는화학발광법(CLD, Chemiluminescence Detector)을 사용하였다.
- 시험은 항온이 유지된 시험실 내(항온 25±5℃)에서 대기환경보전법 제3조제1호에 규정된 국내제작 자동차 공인시험모드인 CVS-75모드 및 HWFET모드를 사용하여 배출가스 항목 (CO, HC, NOx, CO2)을 측정하였으며, 연료소비효율은 산업통상자원부 고시 제 2008-1 62호(자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정)에 의거한 에너지소비효율을 측정하였다.
- 품질분석은 석대법상의 자동차용 휘발유품질기준에 근거하여 각 품질항목별 한국산업규격(KS) 및 최신규격으로 품질분석을 실시하였으며, Table 2에 품질기준 및 시험방법을 나타내었다.
성능/효과
- 1) 올레핀 함량 감소(20→12부피%)에 따른 배출가스 평가결과, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)는 일정하게 감소하는 경향을 나타내었으나, 그 외의 배출가스는 경향성을 확인할 수 없었다.
- 1.6L MPI 방식 차량에서는 올레핀 함량에 따라 CO (CVS-75모드 0.05 g/km, HWFET 모드 0.04 g/km) 가 증가하는 경향을 나타내었으나, CO2, THC, NOx, CH4, NMHC와 관련하여 증감의 상관성을 확인할 수 없었다.
- 2) 올레핀 함량변화는 연료소비효율에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 2.4L GDI 방식 차량은 올레핀 함량에 따라 CO, CO2의 증가경향을 나타내었으나, THC, NOx, CH4, NMHC와 관련하여 증감의 상관성은 나타나지 않았다. CRC (Coordinating Research Council)의 연구보고서5)에 의하면 올레핀 함량 증가에 따라 CO가 증가하는 것으로 보고되고 있으며, 본 평가에서도 올레핀 증가(12→20%)에 따라 CO(CVS-75모드 0.
- Table 5, 6에 올레핀 함량에 따른 미규제물질 분석 결과를 나타내었다. 2.4L GDI 차량의 경우, 아세틸렌(Acetylene), 1,3-부타디엔(1,3 butadiene)은 미량 감소하였으나, 포름알데히드(Formaldehyde), 자일렌(Xylene), 벤젠 (Benzene), 톨루엔(Toluene)은 동등 수준으로 평가되었으며, 1.6L MPI 차량에서는 포름알데히드, 벤젠, 아세틸렌은 미량 증가하였으나 톨루엔, 자일렌, 1,3 부타디엔은 표준편차내 동등수준의 결과로 평가되었다. 올레핀은 열에 불안정하여 엔진내 검 형성 및 퇴적물을 일으키며 연소생성물로는 디엔(Diene)이 형성된다.
- 3) 일산화탄소(CO), 전탄화수소(THC) 등 모든 배출가스 항목에서 GDI 엔진 탑재차량의 배출가스저감효율이 보다 높게 나타났다.
- 4) 1,3 부타디엔의 경우, 2.4L GDI 차량에서는 감소되었으나, 1.6L MPI 차량에서의 동등수준의 결과가 도출되었으며, 다른 미규제물질은 이러한 상관성을 확인할 수 없었다.
- )는 일정하게 감소하는 경향을 나타내었으나, 그 외의 배출가스는 경향성을 확인할 수 없었다. 메탄(CH4) 및 비메탄탄화수소(NMHC)는 올레핀 함량이 12부피%, 20부피%, 16부피%의 순으로 증가하는 경향이며, 전탄화수소(THC) 및 질소산화물(NOx)는 20부피%, 12부피%, 16부피%의 순으로 증가하는 경향으로 평가되었다.
- 본 평가에서는 Table 7에서 나타낸 바와 같이 올레핀 8% 저감에 따라 HC 8~20% 저감, CO는 15~22% 저감, NOx는 +17 ~ -17%, 1,3 부타디엔은 -17~21% 저감으로 약간 상이한 결과가 도출되었다. 여기서 인용된 AQIRP 데이터는 1989년식의 기화기 방식 차량을 대상으로 한 평가이며, 본 평가는 MPI 및 GDI 엔진 탑재차량을 대상으로 직접적인 비교는 어렵지만, 올레핀 감소에 따라 1,3 부타디엔이 약 20% 이상 저감되는 공통적인 결과가 도출되었다.
- 실험연료의 연료적 품질특성에 대한 분석은 Table 4와 같이 석대법상 품질기준항목에 의거하여 올레핀 표준시료를 분석한 결과, 방향족은 18~19 부피%이며, 올레핀은 각각 12, 16, 20 부피%로 분석되었으며, 기타 물성 항목은 석대법상 휘발유 품질기준을 만족하였다.
- 엔진기술별 배출가스 저감효율은 Fig. 5, 6에서와 같이 일산화탄소(CO), 전탄화수소(THC) 등 모든 배출가스 항목에서 GDI 엔진 탑재차량의 배출가스 저감효율이 보다 높게 나타났다.
- 본 평가에서는 Table 7에서 나타낸 바와 같이 올레핀 8% 저감에 따라 HC 8~20% 저감, CO는 15~22% 저감, NOx는 +17 ~ -17%, 1,3 부타디엔은 -17~21% 저감으로 약간 상이한 결과가 도출되었다. 여기서 인용된 AQIRP 데이터는 1989년식의 기화기 방식 차량을 대상으로 한 평가이며, 본 평가는 MPI 및 GDI 엔진 탑재차량을 대상으로 직접적인 비교는 어렵지만, 올레핀 감소에 따라 1,3 부타디엔이 약 20% 이상 저감되는 공통적인 결과가 도출되었다. 또한, 이산화탄소 배출량도 1~2% 저감되어 온실가스 저감에도 기여할 것으로 판단된다.
- 연료소비효율 측정결과, Fig. 7에서와 같이 연료의 기본적인 품질은 변화되지 않았으며, 옥탄가, 발열량 등 연비에 기여하는 연료물성 차이가 없기 때문에 3가지 연료에서 연료소비효율의 차이는 없으며, 동등수준으로 평가되었다.
- 연료의 분석결과, 배출가스에 영향을 주는 주요 항목으로는 옥탄값의 경우 91, 벤젠과 방향족은 3가지 연료 모두에서 동등한 결과값을 나타내었으며, 배출가스의 주요 증가요인으로 작용하는 황분함량은 4~5 mg/kg으로 sulfur-free수준으로 분석되었다. 표준시료 분석결과에서 올레핀성분만 변화됨을 알 수 있으며, 배출가스 등 측정값에서 올레핀 함량 감소에 따른 배출가스 저감을 예측할 수 있다.
- 올레핀 함량 감소(20→12부피%)에 따른 배출가스 평가결과, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)는 일정하게 감소하는 경향을 나타내었으나, 그 외의 배출가스는 경향성을 확인할 수 없었다.
- 에서는 39대의 1989~1990년도 사용 중인 차량을 12종의 연료와 함께 시험하였다. 올레핀 함량이 낮은 연료는 NOx는 저감되나 CO는 동등하며 HC에는 영향을 미치지 않는다고 결론지었다.
- 엔진기술의 발달에 따른 배출가스 저감 효과는 시험차량 2대의 배기량 및 모델이 상이하여 직접적인 비교는 불가하나 간접적인 저감효과는 비교가 가능하다고 판단된다. 직접분사방식을 적용한 자동차가 간접분사방식보다 배출가스가 적게 나타나는 것으로 나타났다.
- 연료의 분석결과, 배출가스에 영향을 주는 주요 항목으로는 옥탄값의 경우 91, 벤젠과 방향족은 3가지 연료 모두에서 동등한 결과값을 나타내었으며, 배출가스의 주요 증가요인으로 작용하는 황분함량은 4~5 mg/kg으로 sulfur-free수준으로 분석되었다. 표준시료 분석결과에서 올레핀성분만 변화됨을 알 수 있으며, 배출가스 등 측정값에서 올레핀 함량 감소에 따른 배출가스 저감을 예측할 수 있다.
- 휘발유 중 올레핀 함량에 따른 규제물질별 배출 가스 특성은 Fig. 3, 4에서와 같이 2.4L GDI 차량 및 1.6L MPI 차량 모두에서 fuel C(올레핀 함량 20%) 연료 대비 올레핀 함량감소에 따라 적게 배출되었다. 이러한 결과는 연료의 물성 분석결과에 의한 배출가스 예측과 동일한 결과를 나타내었다.
후속연구
- 여기서 인용된 AQIRP 데이터는 1989년식의 기화기 방식 차량을 대상으로 한 평가이며, 본 평가는 MPI 및 GDI 엔진 탑재차량을 대상으로 직접적인 비교는 어렵지만, 올레핀 감소에 따라 1,3 부타디엔이 약 20% 이상 저감되는 공통적인 결과가 도출되었다. 또한, 이산화탄소 배출량도 1~2% 저감되어 온실가스 저감에도 기여할 것으로 판단된다.
- 이에 따라, 본 평가는 2종류의 엔진 탑재차량만을 대상으로 수행한 것으로 정책의 기초자료에는 문제가 없을 것으로 예상되나 정확한 데이터 확보차원에서 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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