국내에 유통되는 자동차용휘발유의 산소함량은 2.3 wt % 이하로 규제하고 있는 반면, 유럽 및 세계연료헌장(WWFC)에서는 2.7 wt % 이하로 규제하고 있다. 산소함량을 결정짓는 함산소물질은 내연기관 내에서 연료의 연소를 보조하여 옥탄가를 상승시키고, 불완전연소로 야기되는 CO, HC와 같은 배출가스 저감에 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 2000년대 이전 미국, 유럽 등에서 자동차용휘발유의 산소함량 변화에 따른 차량적용 평가연구가 추진된 바 있으나, 발전하고 있는 연료품질, 자동차기술현황을 반영한 국내실정의 연구는 많지 않다. 본 연구에서는 자동차용휘발유의 산소함량을 변화시킨 3종의 연료를 GDI, MPI 연료 분사 방식의 차량에 적용하여 비교 평가 하였다. 결과적으로 산소함량 변화에 따른 연비, 배출가스의 변화는 유사하였지만, GDI 엔진에서 산소함량이 증가할수록 PN은 감소하는 경향을 나타내었다.
국내에 유통되는 자동차용휘발유의 산소함량은 2.3 wt % 이하로 규제하고 있는 반면, 유럽 및 세계연료헌장(WWFC)에서는 2.7 wt % 이하로 규제하고 있다. 산소함량을 결정짓는 함산소물질은 내연기관 내에서 연료의 연소를 보조하여 옥탄가를 상승시키고, 불완전연소로 야기되는 CO, HC와 같은 배출가스 저감에 효과가 있는 것으로 보고되고 있다. 2000년대 이전 미국, 유럽 등에서 자동차용휘발유의 산소함량 변화에 따른 차량적용 평가연구가 추진된 바 있으나, 발전하고 있는 연료품질, 자동차기술현황을 반영한 국내실정의 연구는 많지 않다. 본 연구에서는 자동차용휘발유의 산소함량을 변화시킨 3종의 연료를 GDI, MPI 연료 분사 방식의 차량에 적용하여 비교 평가 하였다. 결과적으로 산소함량 변화에 따른 연비, 배출가스의 변화는 유사하였지만, GDI 엔진에서 산소함량이 증가할수록 PN은 감소하는 경향을 나타내었다.
While the oxygen content of gasoline for automobiles in Korea is regulated to less than 2.3 weight %, European and World-Wide Fuel Charter (WWFC) regulate it to less than 2.7 weight %. The oxygen content of oxygen-containing materials increases the octane number of the fuel due to the secondary comb...
While the oxygen content of gasoline for automobiles in Korea is regulated to less than 2.3 weight %, European and World-Wide Fuel Charter (WWFC) regulate it to less than 2.7 weight %. The oxygen content of oxygen-containing materials increases the octane number of the fuel due to the secondary combustion in the internal combustion engine. It has been reported to be effective in reducing emissions, such as CO, HC, which is caused by incomplete combustion. Before 2000s in the United States and Europe, there has been many researches about vehicle application of the changes in oxygen content of gasoline. However, there are not many domestic researches which reflect the improvement of the fuel quality and automotive technology. In this study, fuels of three different oxygen contents were applied to GDI and MPI engines. As a result, the changes of fuel consumption and emission gas were very similar depends of the oxygen content changes. The PN in GDI engine was decreased as the oxygen content was increased.
While the oxygen content of gasoline for automobiles in Korea is regulated to less than 2.3 weight %, European and World-Wide Fuel Charter (WWFC) regulate it to less than 2.7 weight %. The oxygen content of oxygen-containing materials increases the octane number of the fuel due to the secondary combustion in the internal combustion engine. It has been reported to be effective in reducing emissions, such as CO, HC, which is caused by incomplete combustion. Before 2000s in the United States and Europe, there has been many researches about vehicle application of the changes in oxygen content of gasoline. However, there are not many domestic researches which reflect the improvement of the fuel quality and automotive technology. In this study, fuels of three different oxygen contents were applied to GDI and MPI engines. As a result, the changes of fuel consumption and emission gas were very similar depends of the oxygen content changes. The PN in GDI engine was decreased as the oxygen content was increased.
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제안 방법
본 연구에서는 자동차용휘발유의 MTBE에 의한 산소함량을 1.0 wt %, 2.3 wt %, 2.7 wt %로 변화시켜 GDI(Gasoline Direct Injection, 가솔린 직분사식) 엔진 방식 및 MPI(Multi Point Injection, 다중분사방식) 엔진방식의 국내 제작차량에 적용하여, 연비, 배출가스, PM(Particle Matter, 입자상물질), PN(Particle Number, 입자개수)을 비교 평가 하였다.
본 연구에서는 자동차용휘발유의 산소함량을 1.0 wt %, 2.3 wt %, 2.7 wt %로 변화시켜 GDI 및 MPI 차량에 적용하여, 연비, 배출가스, PM, PN을 비교 평가 하였다.
시험자동차가 차대동력계의 롤러 위에서 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치(CVS, Constant volume sampler)로 일정량의 공기를 희석한 후, 채취백에 채취한 배출가스를 분석한다. 배출가스 분석기(HORIBA社 7400LE)는 자동차의 배출 가스 중 CO, THC, NOx, CO2, CH4를 분석할 수 있는 장치로서, CO 및 CO2는 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive Infrared), THC는 열식불꽃이온화검출기법(HFID, Heated Flame Ionization Detector), NOx는 화학발광법(CLD, Chemiluminescence Detector), CH4는 GC-FID (Gas chroomatography-FID)을 사용하였다.
대상 데이터
국내 휘발유 차종으로, 연료 분사방식이 다른 GDI, MPI 방식의 차량 2대를 선정하였고 시험차량의 제원을 Table 3에 나타내었다. 시험 모드는 미국의 EPA와 국내의 배출가스 인증시험모드인 FTP-75 모드를 사용하였다.
시험연료는 함산소화합물로 MTBE를 사용하여 산소함량을 변화시킨 3종으로 구성하였다. MTBE의 함량이 증가 할수록 옥탄가가 증가 하는 점을 고려하여 MTBE외 자동차용휘발유 배합기재 함량을 조정하였다.
이론/모형
2.5 ㎛ 이하의 입자직경을 갖는 PM의 개수인 PN 측정은 TSI社의 CPC 3790 model의 GPMS(Golden PM measurement system : CPC, Diluter, vacuum pump) 장비를 사용하였다.
시험자동차가 차대동력계의 롤러 위에서 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치(CVS, Constant volume sampler)로 일정량의 공기를 희석한 후, 채취백에 채취한 배출가스를 분석한다. 배출가스 분석기(HORIBA社 7400LE)는 자동차의 배출 가스 중 CO, THC, NOx, CO2, CH4를 분석할 수 있는 장치로서, CO 및 CO2는 비분산적외선분석법(NDIR, Nondispersive Infrared), THC는 열식불꽃이온화검출기법(HFID, Heated Flame Ionization Detector), NOx는 화학발광법(CLD, Chemiluminescence Detector), CH4는 GC-FID (Gas chroomatography-FID)을 사용하였다.
배출가스 항목은 CO(Carbon monoxide), NMHC (Non-methane hydrocarbon), NOx (Nitrogen oxide), CO2(Carbon dioxide)를 분석하였고, 연비(Fuel economy)는 국토교통부, 산업통상자원부, 환경부 공동고시인 ‘자동차의 에너지소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시’에 규정된 방법으로 측정하였다.
국내 휘발유 차종으로, 연료 분사방식이 다른 GDI, MPI 방식의 차량 2대를 선정하였고 시험차량의 제원을 Table 3에 나타내었다. 시험 모드는 미국의 EPA와 국내의 배출가스 인증시험모드인 FTP-75 모드를 사용하였다.
7 wt %로 변화시키고, 옥탄가를 92로 고정하였다. 제조한 연료 3종의 물성분석은 한국산업규격 KS M 2612:2012 ‘자동차용 휘발유’ 방법에 의거하여 분석 하였다. 산소함량별 시험연료 A, B, C 3종의 연료 물성을 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
1) GDI, MPI 차량에 적용한 휘발유의 산소함량 변화에 따른 배출가스 및 연비에서는 유의미한 경향성을 확인할 수 없었다.
2) GDI 차량이 MPI 차량보다 많은 PM을 배출하였고, 산소함량 변화와 PM과의 상관성은 찾을수 없었다. PN의 경우에는 GDI 차량의 PN이 MPI 차량보다 약 5배 높게 측정되었다.
3) GDI 차량에 산소함량을 변화시킨 3종의 연료를 적용하여 PN을 측정한 결과, 산소함량이 1.0 wt %에서 2.3 wt %로 증가하였을 때, PN은 약 2배 감소하였고, 산소함량이 2.3 wt %에서 2.7 wt %로 증가하였을 때, PN은 약 1.7배 감소하였다.
2) GDI 차량이 MPI 차량보다 많은 PM을 배출하였고, 산소함량 변화와 PM과의 상관성은 찾을수 없었다. PN의 경우에는 GDI 차량의 PN이 MPI 차량보다 약 5배 높게 측정되었다.
후속연구
4) EURO-6의 PN 규제치 만족을 위해서 연료기술 측면에서는 자동차용휘발유의 산소함량 증가 등이 방안이 될 수 있다고 판단된다.
이에 따라, EURO-6의 PN을 규제치 만족을 위해서는 차량기술 측면에서 연구되고 있는 GPF, GDI+MPI 도입과 더불어, 연료기술 측면에서는 자동차용휘발유의 산소함량 증가 등이 방안이 될 수 있다고 판단된다.
현재의 대기환경보전법상 PN은 국내 규제대상 항목은 아니지만, 향후 EURO-6에 상응하는 PN 규제가 도입된다면, 휘발유 차량의 50 % 이상 보급률을 나타내는 GDI 차량에 국내 휘발유를 사용했을 경우, EURO-6의 PN 규제치(6 × 1011 #/km)를 만족시키지 못하는 결과가 발생할 수 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안티노크제의 역할은 무엇인가?
자동차용휘발유 첨가제 중 안티노크제(Antiknock Agent)는 휘발유의 옥탄가를 향상시켜 줌으로써 노킹 현상을 방지해주는 역할을 하며, 주로 사에틸납(TEL, tetraethyl lead)이나 사메틸납(TML, tetramethyl lead) 이 사용되었으나 납 성분의 인체 유해성 및 배기가스 정화용 촉매의 피독현상이 문제되어 1980년대 후반부터 사용을 금하고 있다. 현재 국내 정유사에서 생산되는 자동차용휘발유에는 옥탄가 향상제 또는 안티노크 제로 함산소화합물인 MTBE(Methyl Tertiary Buthyl Ether)가 주로 사용되고 있고, 대기환경보전법과 석유 및 석유대체연료 사업법에서 함산소물질의 산소함량을 2.
사에틸납이나 사메틸납의 사용이 금지된 이유는 무엇인가?
자동차용휘발유 첨가제 중 안티노크제(Antiknock Agent)는 휘발유의 옥탄가를 향상시켜 줌으로써 노킹 현상을 방지해주는 역할을 하며, 주로 사에틸납(TEL, tetraethyl lead)이나 사메틸납(TML, tetramethyl lead) 이 사용되었으나 납 성분의 인체 유해성 및 배기가스 정화용 촉매의 피독현상이 문제되어 1980년대 후반부터 사용을 금하고 있다. 현재 국내 정유사에서 생산되는 자동차용휘발유에는 옥탄가 향상제 또는 안티노크 제로 함산소화합물인 MTBE(Methyl Tertiary Buthyl Ether)가 주로 사용되고 있고, 대기환경보전법과 석유 및 석유대체연료 사업법에서 함산소물질의 산소함량을 2.
함산소화합물은 내연기관 내에서 어떤 효과가 있는가?
3 wt % 이하로 규제하고 있다.(1,2) 이러한 함산소 물질은 내연기관 내에서 연료의 연소를 보조하여 불완전 연소에 의한 자동차 배출가스를 저감시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.(3)
참고문헌 (11)
Clean Air Conservation Act, Ministry of Environment, 2014.
Petroleum and Petroleum Substitute Fuel Business Act, Minstry of Trade, Industry and Energy, 2014
Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, "A Study on Environmental Assessment about the Substances for Alternative of MTBE", Ministry of Environment, 2008
Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, :Characterization of Fuel Economy and Exhaust Emissions and Cost Benefit by the Variation of Oxygen Contents of Gasoline Fuels, Korea Automobile Environmental Association, 2015
Anthanasios Mamakos, "Feasibility of Introducing Particulate Filters on Gasoline Direct Injection Vehicles", JRC Scientific and Policy Reports, 2011
C. Oh, G. Cha, "Influence of Oxygenate Content on Particulate Matter Emission in Gasoline Direct Infection Engine", International Journal of Automotive Technology, 2013
Chulho Yu, Yoonho Cho, Jinnam Kim, Ingoo Hwang, Daeyoon Oh, "Study on the reduction and source of particulate number in GDI engine for meeting EURO6 PN regulation", The Korean Society of Automotive Engineers, 2012
Kenichiro Saitoh, Minoru Hamasaki, "Effect of Sulfur, Aromatics, T50, T90, and MTBE on Mass Exhaust Emissions from Vehicles with Advanced Technology-JCAP Gasoline WG STEP II Report", SAE Technical Paper, 2003-01-1905, 2003
Cheonkyu Park, Choongsub Jung, Byungki Na, "The Effect of Olefin Contents on Exhaust Emissions from Gasoline Vehicles", The Korean Society of Automotive Engineers, 2014
Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, "A Study on the Vehicle Environmental Assessment by the Change of the Olefin and Vapor Pressure in Automobile Gasoline", Korea Automobile Environmental Association, 2012
Jongtae Lee, Kijoon Kim, Jeongsoo Kim, Jihwan Jang, Sungwook Park, "Comparisons of the Particle Emission Characteristics Between GDI and MPI Vehicles", The Institute for Liquid Atomization and Spray Systems, 2014
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