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문제 정의
- 따라서 DME-LPG 혼합연료를 LPG 자동차 연료로 사용했을 때 차량의 주행안정성 및 내구성 확보를 위한 장기적인 실증평가가 필요하다. 본 연구에서는 국산 상용 LPG 자동차의 구조적인 변경없이 DME 5 mol% 농도의 DME-LPG 혼합연료를 사용하여 60,000 km 내구주행을 실시하고 DME-LPG 혼합연료가 차량의 배출가스와 연료소비효율에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 이 과정을 거친 시험차량은 실내온도가 20-30 ℃로 유지되는 시험실내에 엔진이 정지되어 있고 모든 전기장치가 가동되지 않는 상태에서 12시간 이상 정차시킨 후(soaking) 차량의 시동을 걸지 않은 상태로 차대동력계실로 옮겨 CVS-75 모드로 운전을 실시하였다. CVS-75 모드 시험이 종료된 후에는 바로 HWFET 모드 시험을 수행하였다[16].
- 다음으로 시험차량을 실도로 상황과 동일한 부하조건으로 설정하기 위하여 차대동력계에서 coast-down을 실시하였다. Coast-down을 실시한 후에는 차량의 상태를 동일한 조건으로 유지하기 위하여 CVS-75 모드 운전조건으로 1회 운전하는 preconditioning을 수행하였다. 이 과정을 거친 시험차량은 실내온도가 20-30 ℃로 유지되는 시험실내에 엔진이 정지되어 있고 모든 전기장치가 가동되지 않는 상태에서 12시간 이상 정차시킨 후(soaking) 차량의 시동을 걸지 않은 상태로 차대동력계실로 옮겨 CVS-75 모드로 운전을 실시하였다.
- 본 연구에서는 LPG 연료 공급방식에 따라 국내에서 운행 중인 4대의 LPG 차량을 선정하여 평가를 수행하였다. DME-LPG 혼합연료를 각각의 차량에 충전하여 60,000 km 실도로 내구주행을 실시하면서 매 10,000 km 마다 배출가스와 연료소비효율을 평가하였다.
- LPG 연료 공급방식에 따라 국산 제작 LPG 자동차 4대에 대하여 차량의 구조적인 변경없이 DME가 5 mol% 혼합된 DME-LPG 혼합연료를 적용하여 차량 성능평가를 수행하였다. DME-LPG 혼합연료를 사용하여 총 60,000 km 내구주행을 수행하면서 매 10,000 km 마다 배출가스와 연료소비효율을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2와 같은 과정으로 수행하였다. DME-LPG 혼합연료를 차량연료로 사용하여 60,000 km 실도로 주행을 실시하고 매 10,000 km 마다 엔진오일 및 필터를 교환하고 차량점검을 실시하였다. 다음으로 시험차량을 실도로 상황과 동일한 부하조건으로 설정하기 위하여 차대동력계에서 coast-down을 실시하였다.
- LPG 연료 공급방식에 따라 Table 3의 제원을 가진 4대의 시험용 차량에 DME-LPG 혼합연료를 사용하여 60,000 km까지 내구주행을 실시하면서 매 10,000 km 마다 유해 배출가스인 CO, NMHC(Non-methane hydrocarbon) 및 NOX를 CVS-75 모드로 측정하여 Fig. 3-5에 나타내었다. LPG 연료와의 상호 비교를 위하여 DME-LPG 혼합연료를 적용한 내구주행을 실시하기 전에 LPG 연료를 이용하여 바탕시험을 수행하였다.
- LPG 연료 공급방식에 따라 국산 제작 LPG 자동차 4대에 대하여 차량의 구조적인 변경없이 DME가 5 mol% 혼합된 DME-LPG 혼합연료를 적용하여 차량 성능평가를 수행하였다. DME-LPG 혼합연료를 사용하여 총 60,000 km 내구주행을 수행하면서 매 10,000 km 마다 배출가스와 연료소비효율을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3-5에 나타내었다. LPG 연료와의 상호 비교를 위하여 DME-LPG 혼합연료를 적용한 내구주행을 실시하기 전에 LPG 연료를 이용하여 바탕시험을 수행하였다.
- 국내 제작자동차 연비인증 시험방법인 CVS-75 모드와 고속연비 측정 방법인 HWFET 모드를 이용하여 각 시험용 차량의 연료소비효율을 주행거리 매 10,000 km마다 측정하였다. CVS-75 모드와 HWFET 모드에 따라 측정된 배출가스 농도를 이용하여 국내 공인연비산출법인 카본밸런스법에 의해 연료소비효율 구하였다.
- DME-LPG 혼합연료를 차량연료로 사용하여 60,000 km 실도로 주행을 실시하고 매 10,000 km 마다 엔진오일 및 필터를 교환하고 차량점검을 실시하였다. 다음으로 시험차량을 실도로 상황과 동일한 부하조건으로 설정하기 위하여 차대동력계에서 coast-down을 실시하였다. Coast-down을 실시한 후에는 차량의 상태를 동일한 조건으로 유지하기 위하여 CVS-75 모드 운전조건으로 1회 운전하는 preconditioning을 수행하였다.
- 배출가스 측정은 시험자동차가 차대동력계의 롤러 위에서 각 모드별로 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치(CVS, Constant volume sampler)로 일정량의 공기를 희석한 후, 시료 채취백에 포집하여 배출가스를 정량분석하였다. 배출가스 측정장치는 MEXA Series(HORIBA, Japan)를 사용하였으며, 자동차의 배출가스 중 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)는 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive infrared), 미연탄화수소(THC)는 열식불꽃이 온화검출기법(HFID, Heated flame ionization detector), 질소산화물(NOX)은 화학발광법(CLD, Chemiluminescence detector), 메탄(CH4)은 GC-FID(Gas chromatography-FID)를 사용하여 각각 분석하였다.
- 본 연구에서 배출가스와 연료소비효율을 측정하기 위한 차대동력계 시스템(Chassis dynamometer)은 자동차를 실도로 조건과 동일하게 부하를 제어하기 위한 차대동력계와 자동차의 배기구를 통하여 배출되는 배출가스를 분석하는 배출가스 분석기, 배출가스를 일정하게 채취하기 위한 시료채취장치, 배기가스와 ambient 가스를 적절하게 희석하는 희석터널, 배기가스 열교환기, 보조 운전장치(Driver aid, weather station) 등으로 구성되어 있다. 본 시스템은 국내 총중량 3.
- 이 과정을 거친 시험차량은 실내온도가 20-30 ℃로 유지되는 시험실내에 엔진이 정지되어 있고 모든 전기장치가 가동되지 않는 상태에서 12시간 이상 정차시킨 후(soaking) 차량의 시동을 걸지 않은 상태로 차대동력계실로 옮겨 CVS-75 모드로 운전을 실시하였다.
대상 데이터
- 9 ton 용량의 저장탱크 3기에 저장하였다. DME-LPG 저장탱크와 연결된 디스펜서를 이용해 차량에 연료를 충전하였으며, 4대의 차량을 60,000 km 주행하는 동안 약 20 ton의 연료가 사용되었다. DME-LPG 혼합연료의 물성은 액화석유가스의 안전관리 및 사업법에서 규정하고 있는 LPG 시험방법에 준하여 품질기준 항목을 분석하였다.
- 시험용 연료는 유통되는 LPG 연료에 DME 5 mol%를 혼합한 DME-LPG 혼합연료를 사용하였다. DME는 한국가스공사 DME Demo Plant에서 생산된 연료를 사용하였으며, 총 5회에 걸쳐 DME-LPG 혼합연료를 공급받아 2.9 ton 용량의 저장탱크 3기에 저장하였다. DME-LPG 저장탱크와 연결된 디스펜서를 이용해 차량에 연료를 충전하였으며, 4대의 차량을 60,000 km 주행하는 동안 약 20 ton의 연료가 사용되었다.
- 본 연구에서 배출가스와 연료소비효율을 측정하기 위한 차대동력계 시스템(Chassis dynamometer)은 자동차를 실도로 조건과 동일하게 부하를 제어하기 위한 차대동력계와 자동차의 배기구를 통하여 배출되는 배출가스를 분석하는 배출가스 분석기, 배출가스를 일정하게 채취하기 위한 시료채취장치, 배기가스와 ambient 가스를 적절하게 희석하는 희석터널, 배기가스 열교환기, 보조 운전장치(Driver aid, weather station) 등으로 구성되어 있다. 본 시스템은 국내 총중량 3.5 톤 미만의 소형, 승용 및 화물자동차에 대하여 인증하는 장비로 배출가스 및 연료소비효율을 측정할 수 있도록 형식 승인된 시험장비이며 그 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 DME-LPG 혼합연료는 총 5차례에 걸쳐 공급받았으며 각각에 대한 품질분석 결과를 Table 4에 나타내었다. 품질분석 결과 DME는 4.
- 차대동력계는 자동차가 실제 도로를 주행할 때 정지 →가속→정속→감속 등을 반복하는 과정을 대표화한 실측 주행모드를 사용하여 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 걸어주는 장치로서 노상 주행저항과 관성 등을 모의하여 운전하도록 하는 기능을 가진다. 본 연구에 사용된 차대동력계는 AC(교류) 동력계(AVL, Austria)로 관성중량(Inertia weight), 동력흡수계(Power absorption unit), 제어기(controller)로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 LPG 연료 공급방식에 따라 국내에서 운행 중인 4대의 LPG 차량을 선정하여 평가를 수행하였다. DME-LPG 혼합연료를 각각의 차량에 충전하여 60,000 km 실도로 내구주행을 실시하면서 매 10,000 km 마다 배출가스와 연료소비효율을 평가하였다.
- 시험용 연료는 유통되는 LPG 연료에 DME 5 mol%를 혼합한 DME-LPG 혼합연료를 사용하였다. DME는 한국가스공사 DME Demo Plant에서 생산된 연료를 사용하였으며, 총 5회에 걸쳐 DME-LPG 혼합연료를 공급받아 2.
- 시험용 차량은 국내 자동차 제작사에서 출시된 4대의 LPG 차량으로 액상연료공급방식(LPLi), 기상연료 공급방식(LPGi), LPLi 하이브리드 및 분배식펌프방식 (Mixer type) 차량을 각각 1대씩 선정하였다. Table 3에 각각의 차량에 대한 제원을 나타내었다.
이론/모형
- 국내 제작자동차 연비인증 시험방법인 CVS-75 모드와 고속연비 측정 방법인 HWFET 모드를 이용하여 각 시험용 차량의 연료소비효율을 주행거리 매 10,000 km마다 측정하였다. CVS-75 모드와 HWFET 모드에 따라 측정된 배출가스 농도를 이용하여 국내 공인연비산출법인 카본밸런스법에 의해 연료소비효율 구하였다. 연비산출 계산식은 다음과 같고, 그 결과를 Fig.
- DME-LPG 혼합연료의 동판부식은 동판의 부식정도를 분석하는 한국산업규격 시험방법 KS M ISO 6251에 의하여 분석하였다.
- DME-LPG 저장탱크와 연결된 디스펜서를 이용해 차량에 연료를 충전하였으며, 4대의 차량을 60,000 km 주행하는 동안 약 20 ton의 연료가 사용되었다. DME-LPG 혼합연료의 물성은 액화석유가스의 안전관리 및 사업법에서 규정하고 있는 LPG 시험방법에 준하여 품질기준 항목을 분석하였다.
- DME-LPG 혼합연료의 잔류물질은 증발잔류물의 양을 용량법으로 분석하는 미국재료시험협회 시험방법 ASTM D2158에 의하여 분석하였다.
- DME-LPG 혼합연료의 증기압과 밀도는 DME-LPG 조성성분 데이터와 증기압 및 밀도 인자를 이용하여 계산하는 한국산업규격 시험방법 KS M ISO 8973에 의하여 이론식으로 구하였다.
- DME-LPG 혼합연료의 황 함량은 자외선형광발광법을 이용한 분석기기(NSX-2100V, Mitsubishi Chemical Analytech, Japan)를 사용하여 미국재료시험협회 시험 방법인 ASTM D6667에 의하여 분석하였다.
- 배출가스 측정은 시험자동차가 차대동력계의 롤러 위에서 각 모드별로 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치(CVS, Constant volume sampler)로 일정량의 공기를 희석한 후, 시료 채취백에 포집하여 배출가스를 정량분석하였다. 배출가스 측정장치는 MEXA Series(HORIBA, Japan)를 사용하였으며, 자동차의 배출가스 중 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)는 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive infrared), 미연탄화수소(THC)는 열식불꽃이 온화검출기법(HFID, Heated flame ionization detector), 질소산화물(NOX)은 화학발광법(CLD, Chemiluminescence detector), 메탄(CH4)은 GC-FID(Gas chromatography-FID)를 사용하여 각각 분석하였다. 이러한 제반 데이터를 분석하여 배출가스농도와 카본밸런스법에 의하여 연비를 산출하였다.
- 본 연구에 사용된 DME-LPG 혼합연료의 조성분석은 Deans switching system(Analytical Controls, The Netherlands)이 설치된 Agilent Technologies 7890A GC(Agilent Technologies, USA)를 사용하여 한국산업규격 시험방법 KS M 2078에 의하여 분석하였다 [8,15].
- 시험에 사용된 차량의 운전조건(모드)은 국내 제작 자동차의 배출가스 및 연비인증 모드인 CVS-75(FTP-75)와 고속연비측정 모드인 HWFET(Highway fuel economy test) 모드를 사용하였다. 시험은 Fig.
- 배출가스 측정장치는 MEXA Series(HORIBA, Japan)를 사용하였으며, 자동차의 배출가스 중 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)는 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive infrared), 미연탄화수소(THC)는 열식불꽃이 온화검출기법(HFID, Heated flame ionization detector), 질소산화물(NOX)은 화학발광법(CLD, Chemiluminescence detector), 메탄(CH4)은 GC-FID(Gas chromatography-FID)를 사용하여 각각 분석하였다. 이러한 제반 데이터를 분석하여 배출가스농도와 카본밸런스법에 의하여 연비를 산출하였다.
성능/효과
- (1) DME-LPG 혼합연료를 적용한 차량의 내구주행으로 주행거리 증가에 따른 유해 배출가스 (CO, NMHC, NOX)를 측정한 결과 배출가스 허용기준을 모두 만족하였고, 순수 LPG 연료대비 동등한 수준으로 평가되었다.
- (2) CVS-75 모드와 HWFET 모드로 연료소비효율을 측정한 결과 차량 초기 출고당시의 공인연비와 동등한 결과를 얻었으며, 주행거리 증가에 따라 연료소비효율의 저하가 발생하지 않았다.
- (3) DME가 5 mol% 혼합된 DME-LPG 혼합연료는 배출가스와 연료소비효율 면에서 순수 LPG 연료와 비교해서 큰 차이점 없이 동등한 수준을 유지하였으며, 차량의 구조적인 변경없이 사용이 가능할 것으로 판단된다.
- 각 시험용 차량의 누적 마일리지에 따른 배출가스는 Table 5에 나타낸 대기환경보전법 시행규칙 별표 17에서 규정하는 제작차 배출가스 허용기준을 모두 만족하여야 한다. DME-LPG 혼합연료를 사용한 각 차량의 내구주행 거리 증가에 따른 배출가스 측정값은 공히 허용기준에 모두 적합하였다. 각 차량의 운행거리가 증가할수록 배출가스가 조금씩 상승하는 경향을 보이기도 하였으나 배출가스 허용기준 범주 내에서의 편차로 순수 LPG 연료 대비 동등한 수준으로 판단된다.
- 본 연구에서는 DME 연료 혼합량을 5 mol%로 제한하였으며, DME-LPG 혼합연료의 발열량과 옥탄가는 순수 LPG 연료와 비교해 차이가 미미한 수준으로 판단된다. 따라서 60,000 km 내구주행을 수행하는 동안 연료소비효율의 저하 없이 LPG 연료 대비 동등한 수준을 유지하였으며, 차량의 구조적인 변경없이 DME 5 mol%가 혼합된 DME-LPG 혼합연료 사용이 가능함을 확인하였다.
- 5와 95이며, DME가 5 mol% 혼합된 DME-LPG 혼합연료의 옥탄가는 LPG와 비교하여 계산적으로 약 2-3 정도 감소한다. 본 연구에서는 DME 연료 혼합량을 5 mol%로 제한하였으며, DME-LPG 혼합연료의 발열량과 옥탄가는 순수 LPG 연료와 비교해 차이가 미미한 수준으로 판단된다. 따라서 60,000 km 내구주행을 수행하는 동안 연료소비효율의 저하 없이 LPG 연료 대비 동등한 수준을 유지하였으며, 차량의 구조적인 변경없이 DME 5 mol%가 혼합된 DME-LPG 혼합연료 사용이 가능함을 확인하였다.
- 시험용 차량 A, B, C, D의 초기 출고 당시 CVS-75 모드로 인증받은 연료소비효율은 각각 8.6, 8.7, 17.8, 6.8 km/L로 DME-LPG 혼합연료를 사용하여 운행한 차량의 CVS-75 모드 시험결과인 Fig. 6과 비교하여 큰 차이 없이 동등한 수준으로 평가되었다. Fig.
- 본 연구에 사용된 DME-LPG 혼합연료는 총 5차례에 걸쳐 공급받았으며 각각에 대한 품질분석 결과를 Table 4에 나타내었다. 품질분석 결과 DME는 4.7-5.0 mol% 농도로 혼합되었고, DME 함량을 제외한 모든 품질 항목은 국내 법에서 규정하는 LPG 품질규격을 모두 만족하였다. 우리나라는 동절기에 LPG 차량의 시동성 향상을 위해 LPG 성분 중 C3 탄화수소(프로 판) 함량을 25-35 mol%로 규정하고 있다.
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