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문제 정의
- 본 연구에서는 후처리 저감장치(DPF)가 장착된 경유자동차 1종을 선정하고 경유자동차 인증모드인 ECE15 + EUDC(NEDC)를 이용하여 DPF 재생에 따라 발생하는 가스상 오염물질과 입자상 오염물질을 조사하였다. DPF 재생 유무의 시점을 확인하기 위한 지속적인 연구를 수행하였고, 자연 재생주기 파악을 위해 주행거리 측정, 발생되는 대기 오염물질 실시간 분석 등으로 재생 유무의 시점을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 입자상물질은 불소탄화로 코팅된 유리섬유 재질 필터의 무게 전후차를 이용하여 측정하였고, 입자개수(PN)를 측정하기 위해 CPC를 사용 하였다. AMS 분석기를 사용하여 Sulfate, Nitrate, Organic을 측정하였다.
- 4에 제시한 에어로졸 질량 분광계 Aerosol Mass Spectrometry(AMS)를 이용하였다. AMS는 경유자동차에서 배출되는 PM1 이하의 입자상 물질을 실시간으로 측정하였다. 에어로졸 입자는 공기와 함께 100 µm 임계오리피스를 통해 1.
- 본 연구에서는 후처리 저감장치(DPF)가 장착된 경유자동차 1종을 선정하고 경유자동차 인증모드인 ECE15 + EUDC(NEDC)를 이용하여 DPF 재생에 따라 발생하는 가스상 오염물질과 입자상 오염물질을 조사하였다. DPF 재생 유무의 시점을 확인하기 위한 지속적인 연구를 수행하였고, 자연 재생주기 파악을 위해 주행거리 측정, 발생되는 대기 오염물질 실시간 분석 등으로 재생 유무의 시점을 확인할 수 있었다. 가스상 물질은 MEXA-7200H, CVS-7100 분석기를 이용하여 CO, CO2, HC, NOx, CH4을 분석하였고, PTR-MS 분석기를 이용하여 VOCs 분석하였다.
- 차대동력계 배출가스 측정 장비는 차대동력계, 시료 채취 장치, 보조 운전 장치, 희석터널, 입자상물질 측정 장치 및 배출가스 분석기 등으로 구성되어 있다. Fig. 2와 같은 구성으로 시험을 하였고, 시험자동차가 차대 동력계의 롤러위에서 시험모드를 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취방법(Constant Volume Sampler:CVS)으로 일정량 공기로 희석한 후, 시료 채취 백에 채취하여 배출가스 분석하였다. 또한 CVS는 자동차 배출가스를 공기와 희석하여 채취할 수 있고 희석터널은 고온에 의한 입자상물질의 변화를 배제시키고 대기조건으로 제어하기 위해 시료채취온도가 항상 52oC 이내로 유지되도록 외부공기와 배기가스를 희석시키는 기능을 한다.
- PTR-MS 분석기를 이용하여 DPF 재생 전·후에 따른 자동차 배기가스 중 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene의 농도를 측정하여 배출량을 산정하였다.
- DPF 재생 유무의 시점을 확인하기 위한 지속적인 연구를 수행하였고, 자연 재생주기 파악을 위해 주행거리 측정, 발생되는 대기 오염물질 실시간 분석 등으로 재생 유무의 시점을 확인할 수 있었다. 가스상 물질은 MEXA-7200H, CVS-7100 분석기를 이용하여 CO, CO2, HC, NOx, CH4을 분석하였고, PTR-MS 분석기를 이용하여 VOCs 분석하였다. 입자상물질은 불소탄화로 코팅된 유리섬유 재질 필터의 무게 전후차를 이용하여 측정하였고, 입자개수(PN)를 측정하기 위해 CPC를 사용 하였다.
- 배출가스에서 나오는 VOCs 물질을 분석하기 위해 Fig. 3의 양자 전이 분석기(Porton Transfer Reaction Mass Spectrometry : PTR-MS)를 이용하였다(4,5). 측정방법은 화학적 이온화방법(soft chemical ionization)으로 발생된 H30+ 이온이 VOCs와 친화력이 높은 점을 이용하여 VOCs에 수소 이온을 전이시키는 방법으로 측정위치는 정용량 시료채취장치(CVS) Full Tunnel내에서 배기가스와 희석공기를 혼합하여 일정 유량으로 형성되는 지점을 선택하여 측정하였다.
- 본 시험은 차대 동력계를 이용하여 경유자동차 인증모드인 ECE15 (Elementary urban cycle) + EUDC (Extra urban cycle)로 시험하였다. Fig.
- 시험 횟수는 DPF 재생 전·후 각 2회 및 1회 시험 하였다.
- 가스상 물질은 MEXA-7200H, CVS-7100 분석기를 이용하여 CO, CO2, HC, NOx, CH4을 분석하였고, PTR-MS 분석기를 이용하여 VOCs 분석하였다. 입자상물질은 불소탄화로 코팅된 유리섬유 재질 필터의 무게 전후차를 이용하여 측정하였고, 입자개수(PN)를 측정하기 위해 CPC를 사용 하였다. AMS 분석기를 사용하여 Sulfate, Nitrate, Organic을 측정하였다.
- 3의 양자 전이 분석기(Porton Transfer Reaction Mass Spectrometry : PTR-MS)를 이용하였다(4,5). 측정방법은 화학적 이온화방법(soft chemical ionization)으로 발생된 H30+ 이온이 VOCs와 친화력이 높은 점을 이용하여 VOCs에 수소 이온을 전이시키는 방법으로 측정위치는 정용량 시료채취장치(CVS) Full Tunnel내에서 배기가스와 희석공기를 혼합하여 일정 유량으로 형성되는 지점을 선택하여 측정하였다.
- 후처리 저감장치 DPF가 장착된 경유자동차 1종을 선정하여 경유자동차 인증모드인 ECE15+EUDC모드로 재생 전·후에 따라 발생되는 대기오염물질의 대해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 기존 연구에서는 재생 시 발생되는 입자상물질(PM), 입자개수(PN)의 발생량을 비교하는 경우가 많았지만, AMS 분석기를 이용하여 입자상물질의 성분을 세부적으로 알 수 있었다. 본 연구에서 측정한 AMS 분석물질은 Sulfate, Nitrate, Organic 이다.
- 시험차량의 제원은 Table 1에 제시한 바와 같이 DPF와 DOC가 장착된 RV 소형 경유차로 배기량 1995 cc의 2010년식 차량이다.
이론/모형
- 배출가스에서 나오는 입자상 물질을 실시간으로 분석하기 위해 Fig. 4에 제시한 에어로졸 질량 분광계 Aerosol Mass Spectrometry(AMS)를 이용하였다. AMS는 경유자동차에서 배출되는 PM1 이하의 입자상 물질을 실시간으로 측정하였다.
성능/효과
- 1) 가스상 물질 THC, CO, CO2, NOx, CH4, 의 결과 재생 후 THC 약 81%, CO 약 17%, CO2 약 28%, NOx 약 69%, CH4 약 94% 증가하였다. 재생 시 DPF 쌓인 soot를 태우기 위해 고온연소가 필요하고, 그로인해 추가적인 연료분사에 기인한 결과로 사료된다.
- 2) 배출가스 중 입자상 물질을 대상으로 PM, PN, Sulfate, Nitrate, Organic을 측정한 결과 DPF 재생 시 PN이 약 94% 증가하였고, Sulfate, Nitrate, Organic은 재생 전 거의 배출되지 않았지만 DPF 재생 시 배출농도가 Sulfate 100 µg/m3, Nitrate 20 µg/m3, Organic 15 µg/m3으로 추가적인 배출량이 확인되었다.
- 3) 연비는 DPF 재생 후 감소하는 것을 알 수 있었다. 재생 전 14.
- 767 g/km로 약 71% 증가 하였다. CH4 배출량은 0.011 g/km에서 0.150 g/km로 약 93% 증가 하여, DPF 재생 시 THC와 CH4 배출량의 증가량이 가장 많은 것으로 확인되었다.
- 029 g/km로 약 66% 증가 하였다. CO2 배출량은 158 g/km에서 203 g/km로 약 22% 증가 하였고, NOx 배출량은 0.171 g/km에서 0.676 g/km로 약 72% 증가 하였고, CH4 배출량은 0.003 g/km에서 0.067 g/km로 약 95% 증가 하였다.
- 339 g/km로 약 6% 증가 하였다. CO2 배출량은 240 g/km에서 365 g/km로 약 35% 증가 하였고, NOx 배출량은 0.220 g/km에서 0.767 g/km로 약 71% 증가 하였다. CH4 배출량은 0.
- 1 km/L로 감소하였다. ECE15 모드는 차량속도 저속구간으로 가속, 정속, 감속, 공회전을 반복하는 특성상 EUDC모드 대비 연비가 다소 낮은 것으로 확인 되었고 DPF 재생 시에도 유사한 경향을 보였다.
- 실험차량의 후처리장치 DPF 재생은 필터에 soot이 가득 쌓여 필터 활용 능력이 떨어질 때 연료분사로 고온을 만들어 soot를 태워 제거하는 방식이다. ECE15+EUDC 모드를 이용한 실험차량의 재생 전과 재생 시에 발생되는 대기 오염물질을 가스상물질과 입자상 물질로 구분하여 비교하였고 DPF 재생 시 가스상물질과 입자상물질이 모두 높게 배출되는 것으로 확인되었다.
- EUDC 모드구간에서 THC 배출량은 0.008 g/km에서 0.075 g/km로 약 89% 증가 하였고, CO 배출량은 0.004 g/km에서 0.029 g/km로 약 66% 증가 하였다. CO2 배출량은 158 g/km에서 203 g/km로 약 22% 증가 하였고, NOx 배출량은 0.
- 2×1012#/km로 증가하였다. PN은 DPF 정상가동 상태에서는 도시운전구간인 ECE15 구간에서 가장 높았으나 DPF 재생시에는 DPF 재생이 활발하게 진행되는 고속구간인 EUDC 모드에서 높은 것으로 확인 되었다.
- Sulfate 농도를 실시간으로 분석 한 결과 재생 전 약 3 µg/m3에서 재생 시 최고 농도는 약 100 µg/m3까지 증가하며 분석물질 중 가장 많이 배출되는 것으로 확인되었고, Sulfate가 증가하는 시점부터 DPF 재생이 시작된 것으로 판단된다.
- Table 2에 DPF 재생 전·후의 가스상 오염물질 배출량을 제시하였고, 재생 시 모든 시험모드 조건에서 오염물질의 배출량이 증가하는 것을 확인 하였다.
- DPF 재생 전·후에 따른 PM의 배출량은 재생 시 높았다. 각 2회 측정결과의 모드 구간별 평균값 비교 시 ECE15구간 0 g/km에서 0.0020 g/km로 증가 하였고, EUDC구간 0.0001 g/km에서 0.0412 g/km로 증가하였고, ECE15+EUDC 0.0001 g/km에서 0.0045 g/km로 증가하였다. 이는 재생 시 DPF 필터에 쌓인 Soot가 태워져 배출되는 입자상 물질로 DPF 재생 시 고속구간인 EUDC 모드에서 많이 배출되는 것으로 확인 되었다.
- 반면 VOCs 물질은 DPF 재생에 따른 추가적인 배출량이 확인되지 않았으며, 오히려 재생 전 대비 재생 후에 낮게 배출되었다. 이는 DPF 재생 시 고온으로 입자상물질을 태워 제거하는 과정에서 휘발성 오염물질의의 연소도 함께 진행된 결과로 판단된다.
- 으로 추가적인 배출량이 확인되었다. 이 결과로 미루어 보면 재생이 발생될 때 Sulfate, Nitrate, Organic의 최고 농도가 측정되는 지점부터 재생이 이루어짐을 예측할 수 있으며 입자상물질 중 Sulfate가 가장 많은 비중을 차지하였다.
- 0045 g/km로 증가하였다. 이는 재생 시 DPF 필터에 쌓인 Soot가 태워져 배출되는 입자상 물질로 DPF 재생 시 고속구간인 EUDC 모드에서 많이 배출되는 것으로 확인 되었다.
후속연구
- 이때 고온 상승으로 배출되는 가스상물질과 입자상물질의 농도가 증가하고 연비는 감소한다. 따라서 DPF 재생 시 발생되는 대기오염물질 발생특성과 정량적인 오염물질 증가에 대한 연구가 필요하다.
- 2 µg/m3에서 재생 시 약 15 µg/m3 까지 증가하였다. 이로써 DPF 재생 시 입자상 유기물질 배출량이 급증하는 것을 확인하였고, 이는 DPF에 축적된 입자상 물질이 연소되는 과정에서 발생하는 생성물로 사료되며 DPF 재생 여부를 판단할 수 있는 지표물질로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 약 94% 증가하였다. 재생 시 DPF 쌓인 soot를 태우기 위해 고온연소가 필요하고, 그로인해 추가적인 연료분사에 기인한 결과로 사료된다.
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