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문제 정의
- 본 연구에서는 국내·외 연료첨가제 관리 및 시험방법을 조사하여 비교 및 분석하였다.
- 본 연구는 국내 승용차의 연료첨가제 주입에 따른 규제물질 배출특성을 분석하고자 규제기준별 총 134대(경유 76대 및 휘발유 58대) 차량을 규제시험모드인 NEDC 및 CVS-75 모드로 시험하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 국내·외 연료첨가제 관리 및 시험방법을 조사하여 비교 및 분석하였다. 또한 정확도가 높고 통계적으로 유의한 시험데이터를 확보하고자 국내에서 차종 점유율이 높은 경유 및 휘발유 승용차 총 134대(경유 76대 및 휘발유 58대)를 대상으로 규제기준별 연료첨가제 주입에 따른 규제물질 배출 분포현황을 분석하였다.
- 샘플여지를 무게측정실내에서 온도 20℃ 및 상대습도 50%로 24±4시간 동안 항온항습 시킨 다음 측정 전후 무게 차를 구한다.
- 여과지에 포집된 입자상물질의 무게를 측정하기 위해서는 마이크로 밸런스(SACD-WC)를 사용하며, 여과지에 포집된 입자상물질의 정확한 측정을 위하여 온도 20±5℃ 및 상대습도 47±5%로 유지된 무게측정실(Weighing chamber) 내에서 측정하였다.
대상 데이터
- 대상 차종의 배기량은 2000cc 이며 규제기준은 경유차는 EURO 4 및 EURO 5, 휘발유차는 LEV(Low Emission Level) 및 ULEV(Ultra Low Emission Level)로 첨가 전·후 각각 3회 이상씩 총 134대를 시험하였다.
- 본 연구에서는 국내에 등록된 경유 및 휘발유 승용차의 점유율(4)을 고려하여 「제작자동차인증방법 및 절차에 관한 규정」“제18조 배출가스 시험자동차의 길들이기”의 규정에 따라 주행한 차량으로 선정하였다(5).
- 본 연구에서는 자동차 연료첨가제 사전검사에서 승인받은 적합제품을 사용하여 시험하였다(3). 용도별 첨가제 적합제품 점유현황에서 경유 약 70%, 휘발유 약 30%를 차지하고 있다.
- 국내 승용차의 연료첨가제 주입에 따른 배출특성을 분석하기 위하여 적용한 시험모드는 현행 연료첨가제 배출가스 검사에서 사용하는 NEDC 모드(경유차) 및 CVS-75 모드(휘발유차)를 이용하였다. 시험모드별 특성을 보면, NEDC 모드의 경우, 시내 주행모드와 고속도로 주행모드가 연속으로 구성된 모드로 유럽에서 연비 및 배출가스 측정에 사용하고 있다.
- 배출가스 측정장치(Horiba사, MEXA-9200D, 7200)는 배출가스 중 CO, THC, NOx를 분석할 수 있는 장치로서, 분석원리는 CO는 비분산적외선분석법(NDIR; Nondispersive infrared), THC는 열식수소염이온화검출법(HFID; Heated flame ionization detector), NOx는 화학발광법(CLD; Chemiluminescence detector)을 사용하였다.
이론/모형
- 입자상물질은 차대동력계에서 주행할 때 배출가스를 일정비율로 공기와 희석시켜 입자상물질을 채취하는 방식 (Horiba사, MEXA-9100D accessory)을 이용하였다. 이 장치들은 희석터널에서 배기가스의 일부를 채취하여 외부공기로 희석시킨 후, 입자상물질은 테프론이 코팅된 유리섬유 여지(∅70 mm)에 포집하는 장치이다.
성능/효과
- 용도별 첨가제 적합제품 점유현황에서 경유 약 70%, 휘발유 약 30%를 차지하고 있다. 또한 다목적 첨가제의 비율이 경유 55%, 휘발유 79%로 가장 높았으며 본 연구에서는 다목적 첨가제를 사용하였다.
- 첨가 전·후 EURO 4는 NOx 1.9% 증가, EURO 5에서 2.5% 감소하였으며 비교적 유사한 경향을 보였다.
- 또한 휘발유차량은 LEV 대비 ULEV 차량이 첨가 전·후 증감율 폭이 CO 4%, NMHC 3.8%, NOx 0.5% 높았으며, 특히 경유차량의 PM 증가폭이 가장 두드러졌다.
- 국내 승용차의 연료첨가제 주입 전·후 배출특성분석을 통해 배출가스 각각의 데이터 분포현황 파악이 중요하다는 것을 확인하였다.
- 첨가 전·후 LEV는 CO 15.1%, NMHC 15.5%, NOx 13.7%, ULEV는 CO 11.5%, NMHC 10.1%, NOx 8.3% 감소하였다.
- 5% 감소하였다. PM의 표준편차/평균값 비율이 EURO 4는 67.6~71%, EURO 5는 74.2~78.6%로 높게 나타났다. EURO 5는 EURO 4 대비 PM의 규제기준이 80% 강화됨에 따라 변화폭이 더 큰 것으로 판단된다.
- 이는 첨가제에 의한 배기가스 감소 뿐만 아니라 표준편차에 의한 변화폭의 영향으로 사료된다. 규제물질의 표준편차/평균값의 비율이 LEV는 23.3~58%, ULEV는 31.6~56.4%로 변화폭이 크게 나타났다. Niziachristos and Samras(2000)은 차대동력계 시험에서 동일한 규제기준의 배출물질에 대한 데이터 분포가 분산되어 나타날 수 있다고 하였다(10).
- (2) 규제기준별 첨가 전·후 배출특성 분석 결과, 경유차의 경우, NOx는 EGR이 장착된 EURO 4 및 EURO 5 모두 비교적 유사한 경향을 보였다.
- (1) 본 연구에서 사용한 다목적첨가제의 연료제조기준 성분별 분석결과, 경유 및 휘발유는 유해물질인 중금속 8항목, 경유는 황함량 등 7항목 및 휘발유는 벤젠함량 등 9항목이 제조기준을 만족하였다.
- (4) 규제기준에 따른 첨가 전·후 증감율의 표준편차 분석결과, 구차(EURO 4, LEV)보다 신차(EURO 5, ULEV)에서 첨가 전·후 증감율 폭이 크며, 특히 경유차의 NOx 68%, PM 48%로 증가폭이 두드러졌다.
- (3) 휘발유차의 경우, 첨가 전·후 CO, NMHC, NOx가 LEV는 13.7~15.5%, ULEV는 8.3~11.5% 감소하였으며, 첨가제 주입에 따른 배출가스 감소뿐만 아니라 측정값의 변화폭의 영향으로 판단된다.
후속연구
- (5) 본 연구는 국내 연료첨가제 검사에서 대부분을 차지하는 배출가스의 규제기준별 배출 분포현황을 제시하였으며, 이는 연료첨가제 배출가스 기준 설정을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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