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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 CNG/LPLI Bi-Fuel 시스템이 적용된 차량을 대상으로 LPG 연료와 CNG 연료를 각각 사용했을 때 점화진각(Base, Spark Advance 10° CA, Spark Advance 15°CA)과 주행시험모드(FTP-75, HWFET 및 NEDC)에 따른 배출가스 배출 특성에 대한 조사·분석을 통해 CNG/LPLI Bi-Fuel 차량의 배출가스에 대한 기초자료로 제공하고자 한다.
제안 방법
- CNG Base 조건의 점화시기는 기존의 LPG Base 조건과 동일하게 설정하였고, 점화진각(10°, 15°)은 엔진회전수(rpm)와 부하를 기준으로 한 별도의 12 × 10 점화진각 맵(Map)을 사용하여 점화시기를 제어하였다.
- 시험 장치는 크게 CNG/LPLI 개조 차량과 실차 연비·배출가스 측정 장치로 나뉜다. 개조된 차량을 설치하여 각 조건별 시험을 수행하였다.
- 점화시기 진각은 TR Base 신호제어(점화성능 저하) 대신 점화코일에 1차 전류가 흐르는 시간인 드웰시간(Dwell time)의 제어를 통해 크랭크각 기준으로 기존 점화시기에 비해 일정 각도만큼 점화시기 진각이 이루어지고, 이는 엔진 회전수 상승 및 부하 변동 등에 따른 진각량이 많아도 드웰시간이 항상 일정하여 점화에너지가 안정적이어서 시스템이 매우 안정적이다. 따라서 이를 기준으로 정확한 점화진각을 구현하였다.
- 본 연구에서는 상기의 실험 장치를 바탕으로 CNG/LPLI Bi-Fuel 차량에서 주행시험 모드(FTP-75, HWFET 및 NEDC), 그리고 LPG & CNG Base, 점화진각(Spark Advance 10°CA, 15°CA)에 따른 LPG와 CNG 연료를 각각 사용 시 CO, THC, NOx, CH4 배출가스 특성을 살펴보았다.
- 분사시간은 LPLI 인젝터의 신호 차단 시 발생하는 역기전력을 계측하여 차단시간을 판단하여 정확한 분사기간 계측이 가능하며, 이를 통해 점화진각에 따른 정확한 연료 분사량을 제어 하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 CNG/LPLI Bi-Fuel 자동차에서 주행시험 모드와 점화진각에 따른 CO, NOx, THC, CH4 배출특성에 대하여 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 시험은 환경부 고시 제 2012-122호 “제작자동차 시험 검사 및 절차에 관한 규정”을 기준으로 진행되었으며, 실험이 진행되는 동안 시험실의 온도는 20~30°C(68~86°F) 그리고 습도는 30~70 R.H.%를 유지하였다(7).
- 시험차량은 2.0 Nu LPLI 엔진의 YF 쏘나타(2013년식, 주행거리 약 30,000 km)를 CNG Bi-Fuel 시스템(CNG 탱크, CNG 인젝터, 압력조절기)을 추가 장착 개조하여 시험에 사용하였다. CNG Base 조건의 점화시기는 기존의 LPG Base 조건과 동일하게 설정하였고, 점화진각(10°, 15°)은 엔진회전수(rpm)와 부하를 기준으로 한 별도의 12 × 10 점화진각 맵(Map)을 사용하여 점화시기를 제어하였다.
- 주행모드는 총 3개의 대표모드를 사용하였다. FTP-75 Mode는 국내 시가지 주행모드로 사용되고 있으며, 최고속도 91.
성능/효과
- 1) CO Emission의 경우 LPG 연료대비 CNG Base, CNG S/A10, S/A15에서 평균 -21%, -35%, -29% 각각 저감되었다.
- 2) CH4 Emission은 모든 조건에서 CNG 연료 사용 시 CH4 배출량의 증가가 뚜렷한 것을 볼 수 있다. 이것은 CNG 연료의 주성분이 CH4인 것과 삼원촉매의 CH4에 대한 낮은 정화율에 기인한 것으로 판단된다.
- 3) THC Emission의 경우 CH4의 배출량에 비례해서 배출량이 증가된 것을 확인 할 수 있다. 하지만 THC 중 CH4가 차지비율을 제외하고도 LPG 연료에 비해 배출량이 높았다.
- 4) NOx Emission 또한 LPG 연료에 비해 배출량 증가가 뚜렷하게 나타났다. 따라서 NOx 배출량 저감을 위해서는 이론공연비보다 약간 농후한 영역에서의 운전을 통한 CO Emission을 보다 적극적으로 이용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 5) FTP-75 Mode 주행 시 구간별 Emission 배출특성 분석을 통한 배출가스 저감방안 마련을 위해 배출가스 총 배출량에 대한 각 측정점까지의 경과시간에 대한 배출가스의 누적량의 비율을 조사한 결과 보다 능동적인 Emission 저감을 위해 시동 초기에는 점화시기의 진각보다는 점화시기 지각을 통해 촉매 예열성 상승 및 연소 안정성 개선을 도모하는 것이 배출가스 저감에 유리할 것으로 판단된다.
- 6) CNG 연료사용과 점화진각 시 LPG 연료 대비 CO Emission을 제외한 나머지 배출가스(CH4, THC, NOx)의 배출량은 오히려 증가하였다. 따라서 이 연구결과를 바탕으로 향후 연구에서는 엔진회전수와 부하에 따른 각 운전 구간별 점화시기 제어 및 공연비 정밀 제어를 통해 보다 높은 배출가스 저감을 실현하고자 한다.
- CO Emission의 경우 LPG, CNG Base, CNG S/A10, CNG S/A15에서 시동 후 300 sec 동안에 총배출량의 71%, 87%, 85%, 99%, NOx Emission의 경우 19%, 65%, 40%, 52%, THC Emission의 경우 61%, 61%, 66%, 60%, CH4 Emission의 경우 56%, 65%, 71%, 69%에 각각 도달하였음을 볼 수 있다. 상기 결과를 통해 보다 능동적인 Emission 저감을 위해 시동 초기에는 점화 시기의 진각보다는 점화시기 지각을 통해 촉매 예열성 상승 및 연소 안정성 개선을 도모하는 것이 배출가스 저감에 유리할 것으로 판단된다.
- Geok 등(6)은 가솔린과 CNG 연료에 대한 열 발생율과 점화지연에 대한 차이에 대해 연구를 통해 CNG 연료의 경우 가솔린에 비해 열 발생율 피크(Peak) 지연과 점화지연(∆θig)이 발생하므로 점화지연발생 크랭크각도 만큼 점화진각이 반드시 필요함을 주장하였다. 또한 CNG 연료를 사용했을 경우 UHC는 40~87%, CO와 CO2는 20~98%와 8~20% 각각 감소했음을 확인하였다.
- Emission의 경우 56%, 65%, 71%, 69%에 각각 도달하였음을 볼 수 있다. 상기 결과를 통해 보다 능동적인 Emission 저감을 위해 시동 초기에는 점화 시기의 진각보다는 점화시기 지각을 통해 촉매 예열성 상승 및 연소 안정성 개선을 도모하는 것이 배출가스 저감에 유리할 것으로 판단된다.
- 전자의 경우 Fig. 6의 결과에서 보듯이 CNG 연료 사용 시 THC 중 CH4가 차지하는 비율이 평균 86%인 것을 알 수 있다. Fig.
후속연구
- 이 중 HC의 대부분이 CH4이기 때문에 환원제로써 기여도가 크지 못하며(8), CO의 배출량은 상대적으로 적게 배출되기 때문에 환원 기여도가 낮아 NOx 배출량 저감 기여도가 낮아지게 될 것이다. 따라서 NOx 배출량 저감을 위해서는 이론공연비보다 약간 농후한 영역에서의 운전을 통한 CO Emission을 보다 적극적으로 이용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- , THC, NOx)의 배출량은 오히려 증가하였다. 따라서 이 연구결과를 바탕으로 향후 연구에서는 엔진회전수와 부하에 따른 각 운전 구간별 점화시기 제어 및 공연비 정밀 제어를 통해 보다 높은 배출가스 저감을 실현하고자 한다.
- 한편 점화진각에 따른 영향은 거의 미미한 것을 볼 수 있다. 따라서 향후 CO 배출량 저감을 위해서는 점화시기 제어 보다는 운전영역별 정밀 공연비 제어가 보다 효과적일 것이다.
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