대형 경유트럭의 NOx 저감장치에 따른 배출가스 특성비교 Comparison on Exhaust Gas of Heavy Duty Diesel Trucks; THC and CO Emission Affected by NOx Control Devices (EGR, SCR)원문보기
With increasing of GDP, the registration number of passenger cars has exceeded 20 million last year in Korea. Especially, the registration number of the diesel engine vehicles has been increasing. However, the WHO(World Health Organization) IARC (International Agency for Research on Cancer) has repo...
With increasing of GDP, the registration number of passenger cars has exceeded 20 million last year in Korea. Especially, the registration number of the diesel engine vehicles has been increasing. However, the WHO(World Health Organization) IARC (International Agency for Research on Cancer) has reported that diesel engine exhaust gas is an one of HAPs, which has carcinogenic for human, and they have designated it to Group 1. To solve this problem, exhaust gas from diesel engines has to be controlled. Thus, it has been controlling by European regulatory standard in Korea. On the other hand, in order to meet the enhanced emission regulations, all manufacturing company applied $NO_x$ control device to vehicles such as EGR (Exhaust Gas Recirculation), SCR (Selective Catalytic Reduction) and so on. However, these devices (EGR, SCR) were operated by difference reaction mechanism respectively, and the composition of exhaust gas would be differenced from that of them. In this study, it was conducted to evaluate variety characteristics on changing of exhaust gas composition by each $NO_x$ control device, and the heavy duty diesel trucks were chosen as experimental vehicles. From the result, it revealed that vehicles (with EGR) were discharged higher THC as 52.5% than that of others (with SCR). However, it did not followed that trend, in the case of CO; it was discharged as 57.2% lower than that of others (with SCR). In the future, these data would be used to apply to efficient $NO_x$ control device for meeting to EURO 6.
With increasing of GDP, the registration number of passenger cars has exceeded 20 million last year in Korea. Especially, the registration number of the diesel engine vehicles has been increasing. However, the WHO(World Health Organization) IARC (International Agency for Research on Cancer) has reported that diesel engine exhaust gas is an one of HAPs, which has carcinogenic for human, and they have designated it to Group 1. To solve this problem, exhaust gas from diesel engines has to be controlled. Thus, it has been controlling by European regulatory standard in Korea. On the other hand, in order to meet the enhanced emission regulations, all manufacturing company applied $NO_x$ control device to vehicles such as EGR (Exhaust Gas Recirculation), SCR (Selective Catalytic Reduction) and so on. However, these devices (EGR, SCR) were operated by difference reaction mechanism respectively, and the composition of exhaust gas would be differenced from that of them. In this study, it was conducted to evaluate variety characteristics on changing of exhaust gas composition by each $NO_x$ control device, and the heavy duty diesel trucks were chosen as experimental vehicles. From the result, it revealed that vehicles (with EGR) were discharged higher THC as 52.5% than that of others (with SCR). However, it did not followed that trend, in the case of CO; it was discharged as 57.2% lower than that of others (with SCR). In the future, these data would be used to apply to efficient $NO_x$ control device for meeting to EURO 6.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 다양한 주행조건에서 대형트럭을 대상으로 NOx 저감장치별(EGR+DPF, SCR)로 오염물질이 어떠한 특성이 있는지 평가하였으며, 이는 향후 EURO 6에 대한 저감장치 선정과 대응방향 설정에 기초자료로 활용하고자하였다.
또한, 차속 또는 주행패턴에 따라 배출가스의 구성이 달라질 것으로 예상되는 바(12-14), 이를 반영하기 위해 국내 차속모드를 이용하여 실도로 주행패턴을 반영하면서 차속에 따른 배출가스의 변화를 관찰하고자 하였다. 이에 WHVC(평균차속 40.
제안 방법
. 그러나 본 연구에서는 선행연구로부터 도출된 NIER 6에서의 전환계수를 활용하여 NIER 7 모드에서의 결과 값을 비교하였다. Fig.
그러나 본 연구에서는 선행연구로부터 엔진동력계와 차대동력계의 결과값을 상호·비교할 수 있도록 도출한 전환계수를 활용하여(15) NIER 7 모드에서의 결과 값을 비교하였다.
대형자동차 배출가스 인증시험은 엔진을 탈착하여 엔진동력계에서 ND-13, ETC 모드로 측정되며 2014년부터 WHSC, WHTC 모드의 측정방법을 적용하였다. 한편, 해당모드로부터 측정되는 값의 단위는 g/kwh인데 반해(7), 본 연구에서 수행한 차대동력계에서의 결과 값은 g/km로 배출허용기준 적합여부 및 배출수준을 평가하는 것은 다소 무리가 있다.
시험대상 차량은 국내에 보급되어 있는 대형 트럭 중 대기정책원시스템(CAPSS)의 현황자료에 근거하여 점유율에 맞게 선정하였다. 또한 실험목적에 따라 배출허용기준(EURO4, EURO5)에 부합하기 위해 개발된 NOx 저감장치(EGR, SCR)가 장착된 차량을 위주로 재선별하였고, 선정된 차량의 제원을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 대형트럭에 대한 NOx 저감장치에 따른 오염물질의 배출특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 WHVC(평균차속 40.2 km/h) 모드 외에 NIER1(평균 차속 4.6 km/h), NIER3(평균차속 10.6 km/h), NIER7(평균차속 24.2 km/h), NIER10(평균차속 45.0 km/h), NIER12(평균차속 64.7 km/h)를 적용하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
시험대상 차량은 국내에 보급되어 있는 대형 트럭 중 대기정책원시스템(CAPSS)의 현황자료에 근거하여 점유율에 맞게 선정하였다. 또한 실험목적에 따라 배출허용기준(EURO4, EURO5)에 부합하기 위해 개발된 NOx 저감장치(EGR, SCR)가 장착된 차량을 위주로 재선별하였고, 선정된 차량의 제원을 Table 1에 나타내었다.
측정장치는 차대동력계, 보조운전장치, 정용량 시료채취장치, 희석터널, 입자상물질 측정 장치, 배출가스 분석기 등으로 구성되어 있다.
주행모드는 Fig. 2와 같이 시험검증 및 주행모드 변화에 따른 배출특성을 분석하기 위해 대기오염물질 인증모드로 검토되고 있는 국제표준화 모드(WHVC, Worldwide Harmonized Vehicle Chassis dynamometer test)로 시험하였다.
성능/효과
(1) 오염물질에 대한 분석결과, 전체적으로 차속이 증가함에 따라 배출량이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 고속운전에 의한 온도상승이 촉매 활성화를 유발시켜 상대적으로 CO와 NOx를 감소시킨 것으로 판단된다.
(2) THC의 배출특성 결과 EGR 장착 차량 대비 SCR 장착 차량에서 52.5% 적게 배출 되었으며, 이는 SCR 촉매의 탄화수소 흡착 기능에 의한 것으로 판단된다.
(4) CO의 배출특성 결과 EGR 장착 차량 대비 SCR 장착 차량에서 57.2% 높게 배출되었 으며, 이는 SCR 장착에 따른 엔진 맵핑의 변화 때문인 것으로 판단된다.
CO의 배출량은 SCR 장착 차량에서 배출허용기준치보다 0.08 g/kWh 초과하는 결과를 보였다.
037) 저감되었다. EURO4에서 EURO5의 배출허용기준 강화율이 없음에도 불구하고 THC는 높은 저감 수준을 보였으며, 이는 NOx 저감장치에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 Gerald liu et al.
이는 SCR 작동원리가 실도로 주행패턴을 반영한 모드에 실시간으로 응답하지 못하기 때문인 것으로 판단된다. (16-18)Fig. 3의 결과로부터 SCR 차량은 EGR 차량과 비교해볼 때, NOx 저감효과가 있고 상대적으로 HC에 대한 제어효과가 우수하나 더 많은 양의 CO를 배출하는 것으로 확인되었다.
2 km/h)은 국내 시가지 모드 중 NIER10 모드의 평균차속(45 km/h)과 유사하다. 각 모드를 비교해본 결과, 전체적으로 차속이 증가함에 따라 배출량이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 저속모드인 NIER 1 모드와 고속모드인 NIER 12 모드를 비교해 볼 때, 고속운전에 의한 온도상승이 촉매 활성화를 유발시켜 상대적으로 CO와 NOx를 감소시킨 것으로 판단된다.
특히 THC는 고속모드 대비 저속모드에서 약 50% 이상의 높은 배출량을 보여, 상기된 바와 같이 저속구간과 낮은 RPM으로부터 연료의 불완전연소가 유발된다는 해석을 뒷받침한다. 또한 CO2와 연비의 상관성을 분석한 결과 차속이 4.6 km/h에서 64.7 km/h로 증가함에 따라 CO2 배출량은 감소하는 반면 연비는 약 3배 정도 향상되는 것을 확인하였다. 이는 에너지소비량을 계량할 수는 없지만 연료연소에 따른 탄소전환률로부터 계산될 수 있다.
본 연구에서는 NOx의 저감효과에 대한 직접적인 비교는 불가하나 상대적인 비교를 통해 차속이 증가할수록 NOx가 저감되는 경향을 확인하였다. 그러나 동일한 SCR 저감장치임에도 NOx 배출량이 다르고 경향이 뚜렷하지 않아 제작사 또는 차종에 대한 변수도 고려되어야 할 것이다.
이는 저속모드인 NIER 1 모드와 고속모드인 NIER 12 모드를 비교해 볼 때, 고속운전에 의한 온도상승이 촉매 활성화를 유발시켜 상대적으로 CO와 NOx를 감소시킨 것으로 판단된다. 특히 THC는 고속모드 대비 저속모드에서 약 50% 이상의 높은 배출량을 보여, 상기된 바와 같이 저속구간과 낮은 RPM으로부터 연료의 불완전연소가 유발된다는 해석을 뒷받침한다. 또한 CO2와 연비의 상관성을 분석한 결과 차속이 4.
08 g/kWh 초과하는 결과를 보였다. 한편, NOx의 배출량을 비교해본 결과 SCR에 의한 NOx 저감효과가 더 높은 것으로 확인되었지만, EGR, SCR 장착 차량의 NOx 배출량은 모두 배출허용기준을 초과하였다. 이는 SCR 작동원리가 실도로 주행패턴을 반영한 모드에 실시간으로 응답하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
(6) 저감장치에 따라 THC, CO의 배출량이 달라 지는 경향을 확인한 바, 향후 동일한 차종 과 주행모드에서의 비교 실험이 필요한 것으로 판단되며, 이는 향후 NOx 제어에 따른 ‘trade-off’ 현상에 대해 좀 더 정량적이고 면밀 하게 파악할 필요가 있을 것으로 사료된다.
또한, 저감장치에 따라 THC, CO의 배출량이 달라지는 경향을 확인한 바, 향후 동일한 차종과 주행모드에서의 비교 실험이 필요한 것으로 판단되며, 이는 향후 NOx 제어를 위해 THC와 CO 간의 ‘trade-off’ 현상에 대해 좀 더 정량적이고 면밀하게 파악할 필요가 있을 것으로 사료된다.
(2008)에 의해서도 CO는 SCR 장착 엔진에서 더 높게 배출되었으며, SCR zeolite 촉매는 활성화 온도 범위에서 탄화수소가 방출되는 동안 부분적 산화가 발생하여 CO가 높게 배출되는 것으로 보고하고 있다(22). 이러한 NOx 저감장치의 저감 효율은 제작사나 제품에 따라 시험결과에 영향을 주기 때문에 절대적으로 비교하기에는 추가적인 연구와 해석이 더 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유해대기오염물질이 증가하는 이유는 무엇인가?
승용차, 트럭, 이륜차 등 도로이동오염원에서 배출되는 유해대기오염물질은 산업 및 경제 생산 활동이 발전함에 따라 그 비중도 증가하고 있으며, 대기오염원 중 가장 높은 비중을 차지하고 있다(1). 이에 따라, 최근 자동차 등록대수는 지난해 말 2천만대를 초과하였으며(2), 이중에서도 특히, 디젤자동차의 등록대수가 크게 증가하고 있다.
대기오염원 중 가장 높은 비중을 차지하는 것은 무엇인가?
승용차, 트럭, 이륜차 등 도로이동오염원에서 배출되는 유해대기오염물질은 산업 및 경제 생산 활동이 발전함에 따라 그 비중도 증가하고 있으며, 대기오염원 중 가장 높은 비중을 차지하고 있다(1). 이에 따라, 최근 자동차 등록대수는 지난해 말 2천만대를 초과하였으며(2), 이중에서도 특히, 디젤자동차의 등록대수가 크게 증가하고 있다.
디젤자동차의 등록대수가 크게 증가하고 있는 현상에 주된 원인은 무엇인가?
이에 따라, 최근 자동차 등록대수는 지난해 말 2천만대를 초과하였으며(2), 이중에서도 특히, 디젤자동차의 등록대수가 크게 증가하고 있다. 이는 디젤엔진의 압축비가 높고, 흡입공기의 저항이 없어 연비가 우수하다는 장점에 의한 영향이 크다. 한편, 가솔린과 디젤엔진의 가장 큰 차이점은 팽창방식으로 가솔린엔진은 압축한 가솔린과 공기를 전기불꽃으로 점화한 후 폭발시켜 구동에너지를 얻는 ‘압축·점화’ 방식이지만, 디젤엔진은 공기만을 흡입하여 압축한 후 가열된 공기 중에 경유를 분사해 자연발화 시킴으로써 구동에너지를 얻는 ‘압축·착화’방식을 적용한다.
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