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문제 정의
- (3) 본 연구를 통하여 최근 증가하고 있는 EURO 4 및 EURO 5 규제기준의 경유 중형트럭의 규제물질과 미규제물질의 배출특성 조사를 통해 국내 도로이동오염원 HAPs 인벤토리 구축의 기초자료로 활용하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 국내 운행차에서 비율이 증가 하고 있는 EURO 4 및 EURO 5 규제기준의 경유 중형트럭을 대상으로 차속별 규제물질과 미규제물질의 배출특성을 조사하여 분석하고자 한다.
제안 방법
- (1) 적재중량 2.5 ton 및 5 ton 경유 중형트럭 규제물질의 차속별 배출특성을 비교하였다. 그 결과 EURO 42.
- EURO 4 및 EURO 5 규제기준의 적재중량 2.5 ton 2대 및 5 ton 2대 경유 중형트럭을 선정한 후, NIER 모드 4.7, 10.8, 23.5, 64.7, 94.8 km/h의 5개 모드와 경유자동차의 규제시험모드인 NEDC 모드를 적용하여 실험한 결과 발생되는 대기오염물질에 대해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 열탈착시스템장치를 통한 시료농축 및 전이하는 전처리과정은 시료가 Purge & Trap을 거치면서 Nafion dryer를 통해 수분과 이산화탄소를 제거하고 Unity의 Cold trap에 -15℃ 상태에서 V℃s 성분을 저온농축 및 흡착을 시켜 농축된 시료를 300℃로 가열 및 탈착하여 GC/MS로 주입 및 분석하였다.
- 차량주행 동안 대형 테들러백에 채취된 배출가스를 분석이 끝난 후 Purge line을 통해 5 L 테들러백을 사용하여 시료를 채취하였으며 6개의 시료주입구가 있는 Air-server장치에 연결하여 5 L 테들러백 안에 채취된 배출가스를 주입하였고 열탈착시스템장치를 사용하여 저온농축 하였다. 열탈착시스템장치를 통한 시료농축 및 전이하는 전처리과정은 시료가 Purge & Trap을 거치면서 Nafion dryer를 통해 수분과 이산화탄소를 제거하고 Unity의 Cold trap에 -15℃ 상태에서 V℃s 성분을 저온농축 및 흡착을 시켜 농축된 시료를 300℃로 가열 및 탈착하여 GC/MS로 주입 및 분석하였다.
- ASE는 고온·고압에서 시료추출을 진행하며 온도 100℃, 압력 2000 psi 상태에서 15분간 Dichloromethane으로 약 20 ml로 추출하였다. 추출한 시료는 자외선에 의해 PAHs가 해리되지 않도록 알루미늄 호일로 추출용기를 감싸주었고 추출액은 질소가 연결된 회전감압농축기(Rotary evaporator)에서 약 1 ml 정도 1차 농축한 후 시료 보정을 위해 Hexane 2~3 ml를 넣고 최종 1 ml로 2차 농축을 하였으며 농축된 시료는 Vial에 담고 내부표준물질 4종을 주입한 후 분석하였다. 초기 온도조건은 50℃에서 1분의 지속시간으로 시작하여 320℃까지 승온 후 최종 42.
- 테프론으로 코팅된 유리섬유여지에 입자상물질을 채취하였으며 24±4시간 항온·항습 시킨 후에 전처리를 하였다.
- 테프론으로 코팅된 유리섬유여지에 입자상물질을 채취하였으며 24±4시간 항온·항습 시킨 후에 전처리를 하였다. 포집한 전단 및 후단 필터를 용매가속 추출기 (ASE)의 11 ml 추출 셀에 넣고, 추출 시 오차 발생을 방지하기 위해 셀의 빈 공간을 규조토로 채웠다. ASE는 고온·고압에서 시료추출을 진행하며 온도 100℃, 압력 2000 psi 상태에서 15분간 Dichloromethane으로 약 20 ml로 추출하였다.
- 표준물질은 13종의 물질이 혼합된 40 μg/ml 표준용액을 희석하여 사용하였으며 40, 100, 200, 1000, 2000 ppb의 농도로 검정곡선을 확인하고 R2는 0.99 이상 유지하였다.
- 희석터널에 알데히드 샘플러를 연결하여 채취한 시료의 전처리를 진행하기 전까지 4℃ 이하의 냉동고에 보관한 카트리지를 Acetonitrile로 GHP Filter (47 mm, 0.2 μm)에 필터링 한 후 카트리지에 흡착되어 있는 시료를 10 ml 갈색 용량플라스크에 용출시켜 표선을 맞춘 후 시료가 평형을 이루면 2 ml 전용 Vial에 시료를 옮겨 UPLC(Ultra Performance Liquid Chromatography)로 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국토해양부에서 발표한 2012년도 국내 자동차등록대수 자료를 이용하여 차종별 점유율을 고려하여 「제작자동차인증방법 및 절차에 관한 규정」 “제17조 시험자동차의 길들이기”의 규정에 따라 3,000 km 이상 주행한 차량으로 EURO 4 및 EURO 5 기준의 2.5 ton 2대, 5 ton 2대의 차량을 선정하였으며 각 2회씩 시험하였다.
- 차속별 경유 중형트럭의 규제물질 배출특성을 분석하기 위하여 적용한 시험모드는 국립환경과학원에서 자체 개발한 차속모드인 NIER(National Institute of Environmental Research) 모드이며 본 시험에 사용된 대표차속은 4.7, 10.8, 23.5, 64.7, 94.8 km/h의 5개 모드이다. 또한 경유자동차의 규제시험모드인 NEDC (New European Driving Cycle) 모드를 적용하여 분석하였다.
- 표준물질은 16종의 물질이 혼합된 10 μg/ml 표준용액을 사용하였으며 2000μg/ml의 내부표준물질 4종을 희석하여 사용하였다.
- 25분의 분석시간을 나타내었다. 표준물질은 EPA TO-14A의 43종 물질이 혼합된 100 ppb Standard gas를 사용하였고 10, 20, 40, 80, 100 ppb의 농도로 검정곡선을 확인하고 R2는 0.99 이상 유지하였다. Table 4에 분석조건을 나타내었다.
이론/모형
- 8 km/h의 5개 모드이다. 또한 경유자동차의 규제시험모드인 NEDC (New European Driving Cycle) 모드를 적용하여 분석하였다. NEDC 모드의 경우 시내 주행모드와 고속도로 주행모드가 연속으로 구성된 모드로 유럽에서 연비 및 배출가스 측정에 사용되고 있으며 시험모드별 자세한 제원은 Table 2와 Fig 1에 나타내었다.
성능/효과
- (2) 적재중량 2.5 ton 및 5 ton 경유 중형트럭의 미규제물질 중 Aldehyde 차속별 배출특성 비교 결과, 저속구간에서 고속구간으로 갈수록 Aldehyde류 배출량이 감소하는 경향을 보였다. V℃s 차속별 배출특성 비교 결과, 2.
- 2.5 ton 차량은 Benzene 13%, Toluene 35%, Ethylbenzene 23%, Xylene 29%, 5 ton 차량은 Benzene 17%, Toluene 62%, Ethylbenzene 25%, Xylene 37%로 Toluene의 발생비율이 가장 높았으며 Xylene > Ethylbenzene > Benzene 순으로 나타났다.
- 4에 나타내었다. EURO 4는 CO 243%, NOx 80%, PM 241% 높은 것으로 확인되었으나 HC의경우 19% 감소하였다. EURO 5의 경우 CO 143%, HC 225%, NOx 168%, PM 370% 높은 것으로 확인되었다.
- 5 ton 대비 5 ton 차량의 배출량은 CO 243%, NOx 80%, PM 241% 높은 것으로 확인 되었으나 HC의 경우 19% 감소하였다. EURO 5는 CO 143%, HC 225%, NOx 168%, PM 370% 높은 것으로 확인되었다. 저속구간에서 고속구간으로 증가함에 따라 모든 규제물질의 배출량이 감소하였으며 NOx와 PM의 배출량은 고속구간에서 다소 증가하는 경향을 보였다.
- 5 ton 차량은 Benzene 13%, Toluene 35%, Ethylbenzene 23%, Xylene 29%, 5 ton 차량은 Benzene 17%, Toluene 62%, Ethylbenzene 25%, Xylene 37%로 Toluene 의 발생비율이 가장 높았으며 Xylene > Ethylbenzene > Benzene 순으로 발생하였다. PAHs의 배출특성 비교 결과, 방향족화합물인 2~3 Aromatic ring의 발생 비율이 2.5 ton 73%, 5 ton 53%로 높았으며 3-Aromatic ring 물질인 Phenanthrene, Fluorene의 발생비율이 가장 높았다. 1급 발암물질로 알려진 Benzo[a]pyrene은 5-Aromatic ring 물질로서 본 연구의 분석 결과에서는 검출되지 않았다.
- V℃s 차속별 배출특성 비교 결과, 2.5 ton 차량은 Benzene 13%, Toluene 35%, Ethylbenzene 23%, Xylene 29%, 5 ton 차량은 Benzene 17%, Toluene 62%, Ethylbenzene 25%, Xylene 37%로 Toluene 의 발생비율이 가장 높았으며 Xylene > Ethylbenzene > Benzene 순으로 발생하였다.
- 5 ton 및 5 ton 경유 중형트럭 규제물질의 차속별 배출특성을 비교하였다. 그 결과 EURO 42.5 ton 대비 5 ton 차량의 배출량은 CO 243%, NOx 80%, PM 241% 높은 것으로 확인 되었으나 HC의 경우 19% 감소하였다. EURO 5는 CO 143%, HC 225%, NOx 168%, PM 370% 높은 것으로 확인되었다.
- 7와 같이 결과를 나타내었다. 방향족화합물인 2~3 Aromatic ring이 2.5 ton 73%, 5 ton 53%를 차지하며 EPA에서 규정하고 있는 2-Aromatic ring은 Naphthalene, 3-Aromatic ring 은 Phenanthrene, Fluorene(8)의 발생비율이 가장 높은 것으로 조사 되었다. 1급 발암물질로 알려진 Benzo[a] pyrene은 5-Aromatic ring으로서 본 연구에서는 검출되지 않았다.
- 6에 나타내었다. 저속구간에서 고속구간으로 갈수록 Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene의 배출량이 감소하는 경향을 보였으며 특히 23.5 km/h 이하 속도에서 배출량이 집중적으로 증가하는 것으로 나타나면서 대부분의 V℃s가 차량의 저속 운행 시 배출되는 것으로 확인되었다. 2.
- 5 ton 차량의 NEDC 모드 시험 결과, EURO 4 대비 EURO 5 차량의 NOx가 41% 감소하였으며 두 차량 모두 NOx 기준 강화율 43% 대비 다소 낮은 저감 수준을 보였다. 저속구간에서 고속구간으로 갈수록 모든 규제물질의 배출량이 감소하였으나 NOx와 PM 항목은 64.7 km/h 이후의 고속구간에서 배출량이 다소 증가하는 경향을 보였다. NOx는 대부분이 Thermal NOx에 기인하는데 이것은 높은 온도의 영향으로 생기는 NOx(6)로서 고속구간에서 배출가스의 온도가 상승하면서 NOx의 양이 증가된 것으로 사료된다.
- EURO 5는 CO 143%, HC 225%, NOx 168%, PM 370% 높은 것으로 확인되었다. 저속구간에서 고속구간으로 증가함에 따라 모든 규제물질의 배출량이 감소하였으며 NOx와 PM의 배출량은 고속구간에서 다소 증가하는 경향을 보였다.
- 5 km/h 이후 증가하는 모습을 보였다. 적재중량 2.5 ton 차량의 NEDC 모드 시험 결과, EURO 4 대비 EURO 5 차량의 NOx가 41% 감소하였으며 두 차량 모두 NOx 기준 강화율 43% 대비 다소 낮은 저감 수준을 보였다. 저속구간에서 고속구간으로 갈수록 모든 규제물질의 배출량이 감소하였으나 NOx와 PM 항목은 64.
- 5에 나타내었다. 차 속이 증가함에 따라 배출량이 점차 감소하는 경향을 보였으며 23.5 km/h 이후 배출량은 급격히 감소하였다. 이는 불완전연소가 많은 저속구간에서 Aldehyde류 배출이 많이 발생하고 고속구간으로 갈수록 엔진의 온도와 촉매의 온도가 높아지면서 완전연소로 바뀌어 배출량이 낮아짐을 알 수 있다(7).
- 차량시험 연료로 쓰인 경유는 함산소 물질이 혼합되어 있지 않아 Aldehyde류 배출이 휘발유에 비해 상대적으로 낮은 것으로 조사되었다. Aldehyde류 에서 발생비율이 높은 Formaldehyde와 Acetaldeyde를 중점으로 적재중량에 따른 차속별 특성을 Fig.
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