[국내논문]배출허용기준 대응기술을 고려한 국내 소형 경유 운행차의 대기오염물질 관리 방안 Control Measures for Air Pollutant Emissions from In-Use Light-Duty Diesel Vehicles Regarding their Emission Control Technologies원문보기
The objective of this study is to enhance the effectiveness of Korean Inspection and Maintenance (I/M) program. Three main tasks are: to measure pollutant emissions of in-use light-duty diesel vehicles (LDVs); to evaluate the validity of existing smoke control scheme for low-smoke-emitting vehicles,...
The objective of this study is to enhance the effectiveness of Korean Inspection and Maintenance (I/M) program. Three main tasks are: to measure pollutant emissions of in-use light-duty diesel vehicles (LDVs); to evaluate the validity of existing smoke control scheme for low-smoke-emitting vehicles, which have diesel particulate filters, DPF, to meet stringent Euro-5 emission limits; and to assess the necessity and the benefit of $NO_x$ inspection, which is not involved in current I/M program. We measured second-by-second smoke, particulate and gaseous emissions of 27 LDVs using opacity smoke meter, photo-acoustic soot sensor, and portable emissions measurement system, respectively, under the Korean I/M test driving cycle, KD-147. We find that the DPF plays a key role in controlling soot, which can be considered as black carbon contained in particulate matter. Thus, from an I/M perspective, we believe smoke inspection strategies for Euro-5 diesel vehicles should be more focused on the capability of detecting DPF malfunctions or failures, in order to keep DPF properly functional. Fleet averaged distance-specific $NO_x$ emissions are consistently higher than corresponding emission limits, and the values are similar among pre-Euro-3, Euro-3, and Euro-4 vehicle fleets. These findings indicate that the $NO_x$ inspection should be incorporated into current I/M program in order to manage urban $NO_x$ emissions. This research allows the Korean I/M program keep pace with developments in vehicle technologies, as well as the increased emphasis on $NO_x$ with respect to air quality and human health.
The objective of this study is to enhance the effectiveness of Korean Inspection and Maintenance (I/M) program. Three main tasks are: to measure pollutant emissions of in-use light-duty diesel vehicles (LDVs); to evaluate the validity of existing smoke control scheme for low-smoke-emitting vehicles, which have diesel particulate filters, DPF, to meet stringent Euro-5 emission limits; and to assess the necessity and the benefit of $NO_x$ inspection, which is not involved in current I/M program. We measured second-by-second smoke, particulate and gaseous emissions of 27 LDVs using opacity smoke meter, photo-acoustic soot sensor, and portable emissions measurement system, respectively, under the Korean I/M test driving cycle, KD-147. We find that the DPF plays a key role in controlling soot, which can be considered as black carbon contained in particulate matter. Thus, from an I/M perspective, we believe smoke inspection strategies for Euro-5 diesel vehicles should be more focused on the capability of detecting DPF malfunctions or failures, in order to keep DPF properly functional. Fleet averaged distance-specific $NO_x$ emissions are consistently higher than corresponding emission limits, and the values are similar among pre-Euro-3, Euro-3, and Euro-4 vehicle fleets. These findings indicate that the $NO_x$ inspection should be incorporated into current I/M program in order to manage urban $NO_x$ emissions. This research allows the Korean I/M program keep pace with developments in vehicle technologies, as well as the increased emphasis on $NO_x$ with respect to air quality and human health.
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문제 정의
본 연구는 차량 제작 당시에 적용된 대기오염물질 저감 기술의 특징을 감안한 운행차 관리방안 제시를 목표로 진행되었다. 운행차 검사 모드에서 소형 경유 운행차의 대기오염물질 배출량을 측정하고, 오염물질 배출특성을 적용 기술별로 분석하였다.
운행차 검사 모드에서 소형 경유 운행차의 대기오염물질 배출량을 측정하고, 오염물질 배출특성을 적용 기술별로 분석하였다. 이에 최근 신기술 적용에 따른 소형 경유 운행차의 매연 검사 타당성과 NOx 검사 필요성을 검토하고 개선방안을 제시하고자 한다.
도입을 위해서는 검사의 선별능력과 효과 등을 미리 가늠해 볼 필요가 있다. 본 장에서는 현재 관리 대상인 휘발유차 NOx 검사 결과분포와 본 27대 경유 차량군의 NOx 농도 분포를 비교하여 NOx 검사 도입을 위한 통찰력을 얻어내고자 하였다.
소형 경유 운행차의 대기오염물질 배출특성을 제작차 배출허용기준별 적용 기술과 연계하여 분석하고, 이를 바탕으로 효율적인 운행차 대기오염물질 관리방안에 대해 고찰하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
환경부의 대표적인 운행차 검사제도인 ‘운행차 배출가스 정밀 검사’ (이하, 정밀검사)는 대도시 지역을 중심으로 2002년부터 시행중인 제도이며, 2011년 정밀검사 대수는 428만여대에 이른다(Cho, 2012). 정밀검사는 대상 차량이 차대동력계 상에서 주행하는 동안 배출하는 오염물질의 농도를 검사하며, 휘발유차에 대해서는 NOx, 일산화탄소(CO), 탄화수소(THC)를, 경유차에 대해서는 매연을 검사한다.
본 연구는 차량 제작 당시에 적용된 대기오염물질 저감 기술의 특징을 감안한 운행차 관리방안 제시를 목표로 진행되었다. 운행차 검사 모드에서 소형 경유 운행차의 대기오염물질 배출량을 측정하고, 오염물질 배출특성을 적용 기술별로 분석하였다. 이에 최근 신기술 적용에 따른 소형 경유 운행차의 매연 검사 타당성과 NOx 검사 필요성을 검토하고 개선방안을 제시하고자 한다.
5 km/h이다. 수동 변속기 차량은 KD-147 주행패턴에 제시된 변속 시점에 따라 변속하였고, 자동변속기 차량은 변속기의 「주행(D)」단 선택 후 주행하였다.
따라서 KD-147 주행패턴에서 측정한 오염물질 배출량을 해석하기 위해서는 본 모드의 운전 조건이 실제 도로상의 운전 조건을 어느 정도 대표하고 있는지를 사전에 파악할 필요가 있다. 이를 위해 배기량 2.5 L의 경유 승합차량에 PEMS를 탑재하여 도심지역 도로 (City Hall), 올림픽대로 (Olympic) 및 인천신공항 고속도로(Airport)를 주행하며 측정한 차속과 배출가스 부피 유량 결과(Lee et al., 2014)를 유사한 사양을 갖는 차량의 KD-147 주행패턴 결과와 비교하였다.
실험 차량이 차대동력계 상에서 KD-147 주행패턴을 주행할 때 배출하는 매연, 가스상 및 입자상 오염물질을 측정하였다(그림 3). 동력계 롤러의 부하는 차량 중량에 맞게 설정하였다.
동력계 롤러의 부하는 차량 중량에 맞게 설정하였다. 광투과 방식 매연 농도는 정밀검사용 부분유량 채취식 매연측정기(Jastec)로 측정하였다. 광투과 농도는 매연측정기의 측정셀 내부로 유입된 자동차 배출가스를 발광부와 수광부 사이로 지나게 하여 이때 수광부에 인식된 빛의 투과정도(광흡수계수)를 [%] 단위로 환산한 것이다.
측정물질 및 측정원리는 표 2와 같다. 배기관에 피토 튜브 유량계를 설치하여 배출가스 부피 유량을 측정하고 이 결과를 이용하여 농도 결과를 질량 결과로 환산하였다.
입자상 오염물질로는 soot를 측정하였다. Soot 질량 농도 측정기(AVL, Micro Soot Sensor)는 광-음향(Photo-acoustic) 측정 원리를 이용하여 배출가스 중 Soot 농도를 [mg/m3] 단위로 측정한다(Giechaskiel et al.
, 2007). 시료 가스의 희석비는 DPF 부착 여부 등, 실험 차량의 오염 물질 저감기술과 측정기 측정한계(0.01 mg/m3)을 감안하여 2~10 범위에서 조정하였다. Soot 질량 환산에는 배출가스 분석기의 피토 튜브 유량계 측정 결과를 이용하였다.
DPF 장착 차량의 매연 특성 확인을 위해 미세입자 개수 농도를 측정하였다. 측정기는 코로나 방전을 통해 발생된 전자를 확산 하전식(Diffusion charging)으로 입자에 하전시켜 측정하는 미세입자 측정기(Pegasor, M-Sensor)를 이용하였다(Giechaskiel et al.
측정 대상 차량에 적용된 제작차 배출허용기준 별로 Soot와 NOx 배출율을 비교하였다(그림 4). 그림 1에 정의된 KD-147의 주행 특성 구간별로 배출율을 구분하고, 이산화탄소 배출율을 함께 도시하여 차량의 동력학적인 거동과 이에 따른 연료 소비 특성을 함께 관찰할 수 있도록 하였다.
배출율을 비교하였다(그림 4). 그림 1에 정의된 KD-147의 주행 특성 구간별로 배출율을 구분하고, 이산화탄소 배출율을 함께 도시하여 차량의 동력학적인 거동과 이에 따른 연료 소비 특성을 함께 관찰할 수 있도록 하였다. CO와 HC는 그 배출량이 극히 적어 도시하지 않았으며, 이후 서술에서도 다루지 않았다.
각 배출허용기준 차량군의 단위 주행거리당 평균 Soot 배출량과 NOx 배출량을 SUV 차종에 적용되는 제작차 배출허용기준과 비교하여 도시하였다 (그림 5). 배출량 측정 결과는 KD-147 주행패턴을 주행하며 측정한 것이며, 제작차 배출허용기준은 인증시험용 주행패턴에 의한 것이다.
전술한 바와 같이 DPF가 장착된 Euro-5 차량의 매연 및 soot 배출량은 극히 적다. Euro-5 차량에 대한 현행 매연 정밀검사의 타당성과 선별 능력을 검토하기 위해, Euro-4 및 Euro-5 차량의 매연, soot 및 미세입자를 측정하여 비교하였다(그림 6).
DPF 장착 차량의 매연 특성 확인을 위해 미세입자 개수 농도를 측정하였다. 측정기는 코로나 방전을 통해 발생된 전자를 확산 하전식(Diffusion charging)으로 입자에 하전시켜 측정하는 미세입자 측정기(Pegasor, M-Sensor)를 이용하였다(Giechaskiel et al., 2014; Ntziachristos et al., 2013). 운행차 검사 조건을 재현하기 위해, 배출가스 중에 포함된 휘발성 입자 및 응결 수분을 인위적으로 제거하지는 않았다.
대상 데이터
실험 차량은 1.5~2.9 L의 엔진 배기량과 2000~2012년의 연식 범위를 갖는 소형 경유 운행차 27대이다. 누적 주행거리는 9천~28만 km 수준이다.
누적 주행거리는 9천~28만 km 수준이다. 차종은 승용차, SUV (Sport Utility Vehicle), 승합차 및 화물트럭 등 현재 국내에서 사용되는 소형 경유차 4개 차종을 모두 포함하였고, 국내 5개 제작사 별로 최소 1대 이상을 포함하였다. 제작차 배출허용기준별 차량대수는 Euro-3 대응 차량이 13대로 가장 많고, Euro-4, Euro-5 및 K2000 대응 차량이 각각 7대, 4대 및 3대 포함되어 있다.
이는 배출허용기준별 검사 도래 일정을 감안한 것으로서, 현재 정밀검사 대상인 차령 6년 이상 차량의 분포와 유사한 분포라고 할 수 있다. Euro-5 차량은 아직 검사 대상으로 편입되지 않은 상황이나, 향후 대응 방안 연구를 위해 분석 대상에 포함시켰다. Euro-3/4 및 K2000 대응 차량은 교통안전 공단 서인천검사소 입고 차량을 이용하였고, Euro-5차량은 렌트카 및 개인 차량을 임차하여 이용하였다.
Euro-5 차량은 아직 검사 대상으로 편입되지 않은 상황이나, 향후 대응 방안 연구를 위해 분석 대상에 포함시켰다. Euro-3/4 및 K2000 대응 차량은 교통안전 공단 서인천검사소 입고 차량을 이용하였고, Euro-5차량은 렌트카 및 개인 차량을 임차하여 이용하였다.
실험은 교통안전공단과 한국환경공단의 정밀검사장에서 정밀검사 시행요령에 따라 실시하였다.d 시험 중 대기온도는 20~27℃, 상대습도는 23~35% 범위를 보였으며, 인위적인 냉∙온 공조는 하지 않았다.
데이터처리
도로 종류별로 측정된 1-km 단위 주행구간들 각각의 평균 차속 분포와 배출가스 부피 유량 분포를 KD-147 평균 결과와 비교하였다(그림 2). 정밀검사 차속은 도심 경로의 차속 분포 대비 높으나, 올림픽대로의 차속 분포의 중앙값과는 유사한 값을 보인다.
성능/효과
배출가스 부피 유량 결과 역시 올림픽대로 주행 결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 위 결과로 판단할 때, KD-147 정밀검사 모드는 비교적 짧은 주행임에도 불구하고 국내 자동차 전용도로의 평균 차속 및 배출가스 부피 유량 분포의 표준적인 특성을 상당 부분 반영하는 것으로 사료된다.
Soot 질량 환산에는 배출가스 분석기의 피토 튜브 유량계 측정 결과를 이용하였다. 현재 정밀검사 대상으로 편입되어 있는 소형 운행 경유차는 대부분 DOC를 장착한 Euro-3/4차량이므로, Soot는 PM의 대표물질(Surrogate)로 가장 적합할 것으로 판단되며, 매연 측정결과와도 좋은 상관성을 보이고 있음을 확인하였다(NIER, 2013b).
차량 주행에 필요한 구동력 요구수준과 이산화탄소 배출량은 정성적으로 잘 일치하는 경향을 보였다. 이산화탄소는 높은 엔진 출력이 요구되는 C 구간(가속-고속)에서 가장 많이 배출되었으며, 이후 D (정속고속), A (가속 저속), B (정속-저속), E (감속) 구간의 순서로 감소하였다.
이산화탄소는 높은 엔진 출력이 요구되는 C 구간(가속-고속)에서 가장 많이 배출되었으며, 이후 D (정속고속), A (가속 저속), B (정속-저속), E (감속) 구간의 순서로 감소하였다. 고속구간(C, D)에서 Euro-4/5 차량군은 K2000 및 Euro-3 차량군 대비 14~18% 적은 CO2 배출량을 보이며, 저속 및 감속구간에서는 배출허용기준 별로 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
경유 운행차 soot 측정결과는 제작차 배출허용기준의 강화 경향을 잘 반영함을 확인하였다. 비록 주행패턴이 달라 직접적인 정량비교는 어렵지만, 측정값은 배출허용기준보다 낮은 값을 보인다.
1% 이하이며, 그림처럼 적게나마 매연이 측정되는 경우라도 soot 배출량은 측정기 검출한계 이하이다. 휘발성 입자 및 응결 수분을 포함한 배출가스 중의 미세입자 측정결과를 감안할 때, 정밀검사를 통해 측정된 Euro-5 차량의 매연은 soot 성분이 아닌, 휘발성분 또는 가스상 에어로졸인 것으로 판단된다.
1) 운행 경유차 Soot 측정 결과는 제작차 PM 배출허용기준의 강화 경향을 잘 반영하고 있으며, 그 배출 수준 또한 허용기준 이내로 관리되고 있음을 확인하였다. 이는 차량 제작 당시에 제작차 기준대응을 위해 적용된 PM 저감기술의 성능이 운행차 검사에 의해 차량 사용 과정 중에서도 효과적으로 관리 및 유지되고 있음을 간접적으로 나타내는 결과이다.
2) Euro-5 차량의 정밀검사 매연 측정결과는 대부분 휘발성 성분 또는 가스상 에어로졸이며, 배출수준 또한 매우 낮음을 확인하였다. 이 효과가 DPF의 강력한 매연 저감효과에 의한 것임을 감안할 때, 향후 운행차 정밀검사의 실효성 제고를 위해서는 DPF의 파손 여부의 진단 및 선별이 가능한 배출허용기준이 필요할 것으로 판단된다.
3) 반면 운행 경유차 NOx는 제작차 배출허용기준보다 많은 배출량을 보이며, 동급 휘발유 자동차와 비교할 때도 많은 배출량을 보이고 있다. 본 연구가 KD-147 주행패턴에서의 노후 운행차 NOx 배출량을 측정한 것임을 감안할 때, 이는 차량 사용시간 경과에 따라 NOx 증가를 초래할 수 있는 다양한 요인들의 영향을 내포하고 있는 것으로 사료된다.
4) 경유 운행차 차량군의 NOx 배출량 분포는 소수의 과다배출차량 선별만으로 현저히 개선시키기 다소 어려운 특징을 가지고 있음을 확인하였다. 이는 효과적인 경유 운행차 NOx 관리를 위해서는 ‘운행차 PM-NOx 동시저감 장치’ 등과 같은 적극적인 저감 대책이 운행차 NOx 검사와 연계되어야함을 시사하는 결과로 판단된다.
차량 주행에 필요한 구동력 요구수준과 이산화탄소 배출량은 정성적으로 잘 일치하는 경향을 보였다. 이산화탄소는 높은 엔진 출력이 요구되는 C 구간(가속-고속)에서 가장 많이 배출되었으며, 이후 D (정속고속), A (가속 저속), B (정속-저속), E (감속) 구간의 순서로 감소하였다. 고속구간(C, D)에서 Euro-4/5 차량군은 K2000 및 Euro-3 차량군 대비 14~18% 적은 CO2 배출량을 보이며, 저속 및 감속구간에서는 배출허용기준 별로 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
후속연구
KD-147 주행패턴은 실제 도로상의 다양한 주행패턴과는 다르다. 따라서 KD-147 주행패턴에서 측정한 오염물질 배출량을 해석하기 위해서는 본 모드의 운전 조건이 실제 도로상의 운전 조건을 어느 정도 대표하고 있는지를 사전에 파악할 필요가 있다. 이를 위해 배기량 2.
따라서 실효적인 Euro-5 운행차 매연 검사를 위해서는 DPF 파손 등의 오작동을 정밀검사를 통해 선별해 낼 수 있도록 하는 배출허용기준 마련이 선행되어야 할 것으로 판단된다. 이는 운행차 관리정책목표 달성을 위한 매연 수준에 대한 문제이기 때문에 배출량 측면에서 접근하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
이는 운행차 관리정책목표 달성을 위한 매연 수준에 대한 문제이기 때문에 배출량 측면에서 접근하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 즉, DPF 손상 정도에 따른 Soot 배출량을 파악하여 대기질 관리 측면에서 허용 가능한 매연수준을 설정할 수 있을 것이다. 이는 현재 경험이 축적되고 있는 분야이며, 다양한 운행 조건 및 파손 거동의 영향을 받을 것으로 보이는 바, 향후 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
즉, DPF 손상 정도에 따른 Soot 배출량을 파악하여 대기질 관리 측면에서 허용 가능한 매연수준을 설정할 수 있을 것이다. 이는 현재 경험이 축적되고 있는 분야이며, 다양한 운행 조건 및 파손 거동의 영향을 받을 것으로 보이는 바, 향후 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.
이를 운행차 NOx 관리제도 개선과 연계하여 생각해 본다면 수도권 대책에서 고려중인 ‘운행차 PM-NOx 동시저감 장치’ 등에 의한 노후 운행차 저공해화 대책과 경유 운행차 NOx 검사가 상호 보완적으로 동반되어야 함을 알 수 있다. 이를 통해 적극적인 운행차 오염물질 저감 대책과, 해당 대책이 실제 사용 과정 중 실효성있게 작동하는 지에 대한 검사제도가 서로 연계된 효과적인 대안을 마련 할 수 있을 것으로 기대된다.
2) Euro-5 차량의 정밀검사 매연 측정결과는 대부분 휘발성 성분 또는 가스상 에어로졸이며, 배출수준 또한 매우 낮음을 확인하였다. 이 효과가 DPF의 강력한 매연 저감효과에 의한 것임을 감안할 때, 향후 운행차 정밀검사의 실효성 제고를 위해서는 DPF의 파손 여부의 진단 및 선별이 가능한 배출허용기준이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DPF는 무엇인가?
제작차 배출허용기준 강화와 관련된 경유 자동차 정밀검사 연구 주제의 하나는 매연여과장치(Diesel Particulate Filter, 이하 DPF) 부착 차량에 대한 매연 검사 적용 타당성에 대한 것이다(CITA, 2011; Denis and Lindner, 2005). DPF는 벌집 모양의 세라믹 필터를 이용하여 엔진 배출가스 중에 포함된 입자상물질(Particulate matter, PM)을 필터링하는 배출가스 후처리 장치의 일종으로, Euro-5 PM 기준(5 mg/km) 대응을 위한 핵심 기술로 알려져 있다 (Sanchez et al., 2012; Tzamkiozis et al.
자동차의 오염물질 관리는 어떻게 구분하여 생각해 볼 수 있는가?
자동차의 오염물질 관리는 자동차 제작단계와 운행단계로 크게 구분하여 생각해 볼 수 있다. 새롭게 생산되는 자동차는 대기환경보전법에 규정된 제작차 배출허용기준에 적합하게 개발되어야 한다.
운행차 배출가스 정밀 검사는 무엇을 검사하는가?
환경부의 대표적인 운행차 검사제도인 ‘운행차 배출가스 정밀 검사’ (이하, 정밀검사)는 대도시 지역을 중심으로 2002년부터 시행중인 제도이며, 2011년 정밀검사 대수는 428만여대에 이른다(Cho, 2012). 정밀검사는 대상 차량이 차대동력계 상에서 주행하는 동안 배출하는 오염물질의 농도를 검사하며, 휘발유차에 대해서는 NOx, 일산화탄소(CO), 탄화수소(THC)를, 경유차에 대해서는 매연을 검사한다.
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