가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 및 입자상물질 Exhaust Gas Emission and Particulate Matter (PM) from Gasoline, LPG and Diesel Vehicle Using Different Engine Oil원문보기
This study effect of engine oils on regulated fuel economy and emissions including particulate matter (PM) to provide basic data for management of engine oil in vehicles. Three engine oils (Group III base oil, Group III genuine oil with additive package and synthetic oil with poly alpha olefins (PAO...
This study effect of engine oils on regulated fuel economy and emissions including particulate matter (PM) to provide basic data for management of engine oil in vehicles. Three engine oils (Group III base oil, Group III genuine oil with additive package and synthetic oil with poly alpha olefins (PAOs)) were used in one gasoline, one LPG(liquefied petroleum gas) and two diesel vehicles. In the case of diesel vehicles, one is a diesel vehicle without DPF (diesel particulate filter) other is a diesel vehicle with DPF. In this study, the US EPA emission test cycle FTP-75, representing city driving, was used. HORIBA, PIERBURG, and AVL gas analyzers were used to measure the fuel economy and regulated emissions such as CO, NOx, and THC. The number of PM was measured using a PPS (pegasor particle sensor). And, the shape of PMs was analyzed by SEM (scanning electron microscope). The effects of oil type on fuel economy, exhaust gas, and PM were not significant because engine oil consumption by evaporation and combustion in the cylinder is very tiny. Fuel and vehicle type were dominant factors in fuel economy and emissions. HC emission from gasoline vehicles was higher than that from other vehicles and NOx emission from diesel vehicles was higher than that from other vehicles. The number of PM was not affected by the engine oil, but by the driving pattern and fuel. The shapes of the PM, sampled from each vehicle using any test engine oil, were similar.
This study effect of engine oils on regulated fuel economy and emissions including particulate matter (PM) to provide basic data for management of engine oil in vehicles. Three engine oils (Group III base oil, Group III genuine oil with additive package and synthetic oil with poly alpha olefins (PAOs)) were used in one gasoline, one LPG(liquefied petroleum gas) and two diesel vehicles. In the case of diesel vehicles, one is a diesel vehicle without DPF (diesel particulate filter) other is a diesel vehicle with DPF. In this study, the US EPA emission test cycle FTP-75, representing city driving, was used. HORIBA, PIERBURG, and AVL gas analyzers were used to measure the fuel economy and regulated emissions such as CO, NOx, and THC. The number of PM was measured using a PPS (pegasor particle sensor). And, the shape of PMs was analyzed by SEM (scanning electron microscope). The effects of oil type on fuel economy, exhaust gas, and PM were not significant because engine oil consumption by evaporation and combustion in the cylinder is very tiny. Fuel and vehicle type were dominant factors in fuel economy and emissions. HC emission from gasoline vehicles was higher than that from other vehicles and NOx emission from diesel vehicles was higher than that from other vehicles. The number of PM was not affected by the engine oil, but by the driving pattern and fuel. The shapes of the PM, sampled from each vehicle using any test engine oil, were similar.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
6은 각 차량에서 윤활유 변경에 따른 PM 배출량을 측정한 결과이다. 가솔린과 LPG 차량의 경우 PM 배출량에 대한 규제가 없으나 디젤 차량과의 비교를 위하여 측정하였다. 차량별로 윤활유에 따른 PM 배출량의 영향은 경향성을 나타내고 있지 않고 있으며, 윤활유에 따라 큰 차이를 보이고 있지 않다.
본 연구는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 영향을 파악하여 차량에서의 윤활유 관리에 대한 기초자료를 제공하고자, 차대동력계를 이용하여 FTP-75 주행 모드에서 각 차량별 연비, 배출가스 그리고 PM에 대하여 시험하였다. 윤활유는 기유, 순정유, 합성유를 사용하였다.
본 연구에서는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유 사용이 배출가스에 미치는 영향을 확인하기 위하여 유종별로 차량을 선정하였고, 가솔린 차량의 경우 지속적으로 GDI 차량의 점유율이 높아지고 있는 것을 반영하여 GDI 차량으로 선정하였다. 디젤 차량의 경우에는 DPF가 있는 차량과 없는 차량으로 선정하여 4대의 차량을 이용하여 연구를 진행하였다.
윤활유가 연소에 참여하거나 배기관으로 직접 배출되는 경우들이 있으므로 그 영향을 파악하는 것이 필요하므로, 본 연구는 가솔린, LPG, 디젤차량에서 윤활유에 따른 배출가스 영향을 파악하여 차량에서의 윤활유 관리에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
가솔린 차량은 호리바 사의 MEXA-9200, DPF 가 장착되지 않은 디젤 차량은 PIERBRGR 사의 AMA 2000 C, LPG와 DPF가 장착된 디젤차량은 AVL사의 AMA i60 장비를 사용하여 CO, HC, NOx, CO2 등의 배출가스를 분석하였다.
각각의 윤활유에 대하여 시험하기 위하여 윤활유 교환 작업이 필요한데, 이전에 사용한 윤활유의 영향이 나타나지 않도록 윤활유 교환시 오일필터를 함께 교환하였으며, 총 3회 교환하였다. 각 교환시마다 공회전과 주행을 약 30분간 진행한 후 다음 교환을 진행하였다. 마지막 교환시에는 에어필터 또한 신품으로 교체하였다.
각 차량 시험 시 총 세종의 윤활유에 대하여 교환하며 시험을 진행하였으며, 각각 Group III 기유, Group III 기유를 기반으로 한 순정유, 합성유를 사용하였으며, 점도 등급은 제조사에서 권장하는 SAE 점도 등급의 윤활유를 사용하였다. 다만 가솔린을 제외한 차량 시험시에 고점도 합성유를 사용하였다.
각각의 윤활유에 대하여 시험하기 위하여 윤활유 교환 작업이 필요한데, 이전에 사용한 윤활유의 영향이 나타나지 않도록 윤활유 교환시 오일필터를 함께 교환하였으며, 총 3회 교환하였다. 각 교환시마다 공회전과 주행을 약 30분간 진행한 후 다음 교환을 진행하였다.
시험 차량에서 FTP-75 주행 모드 동안 배출되는 PM의 무게를 측정하기 위해 필터에 포집한 PM을 주사 전자현미경(SEM: scanning electron microscope)을 이용하여 200,000 배로 확대한 후 PM 형태를 살펴보았다. Fig.
시험차량에서 배출되는 배출가스의 측정은 시험 차량의 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(CVS: Constant Volume Sampler)에서 일정량의 공기로 희석 후 시료채취백에 채취하여 배출가스 분석치장치로 분석하였다. Fig.
윤활유 변화에 따라 디젤 차량에서 배출되는 PM의 개수를 PPS-m 장비를 이용하여 측정하였다. 앞서 설명한 바와 같이 PPS-m은 서로 다른 차량에서 측정된 결과에 대하여 정량적 비교는 어렵지만 동일 차량인 경우에는 절대적인 배출량은 틀릴 수 있으나 상대적으로 많이 배출되는지 적게 배출되는지는 비교가 가능하다.
입자상물질은 차대동력계를 이용하여 차량을 시험하는 동안 공기와 희석된 배출가스를 일정량 채취한 후 무게를 측정하였다. 시험설비와 방법은 ‘제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환경부고시 제2013-112호)’을 따랐다.
대상 데이터
Table 2는 각 윤활유의 40 °C에서의 동점도 값을 나타내고 있으며, 시험에 사용된 엔진오일은 차량별로 3종씩 총 12종을 사용하였다.
각 차량 시험 시 총 세종의 윤활유에 대하여 교환하며 시험을 진행하였으며, 각각 Group III 기유, Group III 기유를 기반으로 한 순정유, 합성유를 사용하였으며, 점도 등급은 제조사에서 권장하는 SAE 점도 등급의 윤활유를 사용하였다. 다만 가솔린을 제외한 차량 시험시에 고점도 합성유를 사용하였다. Table 2는 각 윤활유의 40 °C에서의 동점도 값을 나타내고 있으며, 시험에 사용된 엔진오일은 차량별로 3종씩 총 12종을 사용하였다.
본 연구에서는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유 사용이 배출가스에 미치는 영향을 확인하기 위하여 유종별로 차량을 선정하였고, 가솔린 차량의 경우 지속적으로 GDI 차량의 점유율이 높아지고 있는 것을 반영하여 GDI 차량으로 선정하였다. 디젤 차량의 경우에는 DPF가 있는 차량과 없는 차량으로 선정하여 4대의 차량을 이용하여 연구를 진행하였다. 선정된 차량의 제원은 Table 1과 같다.
본 연구는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 영향을 파악하여 차량에서의 윤활유 관리에 대한 기초자료를 제공하고자, 차대동력계를 이용하여 FTP-75 주행 모드에서 각 차량별 연비, 배출가스 그리고 PM에 대하여 시험하였다. 윤활유는 기유, 순정유, 합성유를 사용하였다.
이론/모형
시험 절차는 ‘제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환경부고시 제2013-112호)’을 따랐다.
시험설비와 방법은 ‘제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환경부고시 제2013-112호)’을 따랐다.
차량 시험은 차대동력계를 이용하여 FTP-75 주행 모드에서 진행되었다. 차대동력계는 48 inch Single roll을 가지고 있으며, 제원은 Table 3과 같다.
성능/효과
1) 시험 결과 윤활유에 따른 연비 차이는 크게 나타나지 않는 것으로 보인다. 다만 일관되게 동점성이 높은 합성유를 사용한 결과가 기유, 순정유에 비해서는 낮은 결과를 보이고 있다.
2) 차량별 배출가스 결과에서 윤활유에 의한 영향은 찾기 어려웠고, 차량별 특성에 따른 배출가스 차이가 크게 나타났다. 가솔린 차량의 경우 HC 배출량이 많았으며, 디젤 차량의 경우 NOx 배출량이 많았다.
3) 차량별 PM 배출 결과에 있어서도 윤활유에 의한 영향은 찾기 어려웠고, 차량별 특성에 따른 차이가 크게 나타났다. 디젤 차량의 경우 DPF를 장착하지 않은 경우 PM 배출량이 많았으며, 실시간으로 측정한 PM 개수에서도 차속에 따라 PM 개수가 크게 증/감하는 모습을 보이고 있다.
4) PM 형태에 대하여 SEM을 이용하여 분석해 본 결과, 시험차량에 사용된 윤활유에 따른 형태 차이가 없었으며, 차량별로도 차이가 없었다.
차량별로 비교해 보면 HC의 경우 디젤 차량에서 많이 배출되고 있으나 DPF가 장착된 차량의 경우 가솔린 차량과 비슷한 수준의 배출량을 보이고 있다. CO에서는 가솔린 차량에서의 배출이 가장 많았으며, NOx의 경우에는 디젤차량의 배출량이 많은 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과들은 각 유종별 차량의 특징을 잘 보여주는 것이라 할 수 있다.
다만 시험 결과 가솔린 차량에서 순정유 사용시 HC 배출량이 감소되는 것 같은 결과를 보였다. 가솔린 차량의 HC 측정 시 NMHC와 CH4를 나누어 측정하게 되는데, Fig. 5의 가솔린 차량와 LPG 차량의 HC 값의 경우 NMHC의 결과이며, CH4의 결과까지 고려한다면 윤활유에 따른 HC 배출량은 비슷한 수준으로 확인할 수 있었다.
결과에서 확인할 수 있는 것과 같이 윤활유 변경에 따른 배출가스 변화 경향을 판단하기 어렵다. 다만 시험 결과 가솔린 차량에서 순정유 사용시 HC 배출량이 감소되는 것 같은 결과를 보였다. 가솔린 차량의 HC 측정 시 NMHC와 CH4를 나누어 측정하게 되는데, Fig.
차량별로 윤활유에 따른 PM 배출량의 영향은 경향성을 나타내고 있지 않고 있으며, 윤활유에 따라 큰 차이를 보이고 있지 않다. 다만 차량별로 비교해보면, PM의 배출은 연소실에서 연료가 공기와 잘 섞이지 않은 상태에서 연소가 일어나면서 발생하는 것이 대부분이므로 가솔린과 LPG 차량에서는 배출량이 디젤 차량에 비해 적은 것을 확인할 수 있으며, DPF가 장착된 차량의 경우에도 PM이 DPF에 의해 필터링되어 PM 배출량이 가솔린과 LPG 차량처럼 적게 배출된다.
본 연구는 차량의 윤활유를 교환한 직후에 윤활유의 영향을 살펴보았기에 장기적인 윤활유의 영향을 확인할 수는 없었다. 하지만, 시험 결과, 윤활유에 따른 배출가스의 영향은 거의 없는 것으로 판단되며, 윤활유의 동점도 지수가 차이 나더라도 연비에 있어서 확연한 차이를 보이지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. PM 및 PM 형태에 있어서도 윤활유에 따른 차이를 찾을 수 없었다.
참고문헌 (10)
C. De Petris, V. Giglio and G. Police, "Some Insights on Mechanisms of Oil Consumption," SAE 961216, 1996.
W. Audette and V. Wong, "A Model for Estimating Oil Vaporization from the Cylinder Liner as a Contributing Mechanism to Engine Oil Consumption," SAE 1999-01-1520, 1999.
P. Flynn, R. Durrett, G. Hunter, A. zur Loye, O. Akinyemi, J. Dec and C. Westbrook, "Diesel Combustion: An Integrated View Combining Laser Diagnostics, Chemical Kinetics, and Empirical Validation," SAE 1999-01-0509, 1999.
Collaborative Lubricating Oil Study on Emissions (CLOSE) Final Report, Southwest Research Institute, 2011.
E. Vouitsis, L. Ntziachristos, Z. Samaras, L. Chrysikou, C. Samara and G. Miltsios, "Effect of Lube Oil on the Physicochemical Characteristics of Particulate Matter Emitted from a Euro 4 Light Duty Diesel Vehicle," SAE 2007-24-0110, 2007.
H. Jung, D. Kittelson and M. Zachariah, "The Influence of Engine Lubricating Oil on Diesel Nanoparticle Emissions and Kinetics of Oxidation," SAE 2003-01-3179, 2003.
Q. A. Syed and A. Rizvi, A Comprehensive Review of Lubricant Chemistry, Technology, Selection, and Design, ASTM International, Baltimore, 2009.
Y. Lim, J. Lee, J. Park, J. Kim and J. Lee, "The Study of PM2.5 and Exhaust Emission Characteristics in the Motorcycles according to Various Lubricants," Transactions of KSAE, Vol.21, No.4, pp.70-76, 2013.
S. Jung, J. Ryu, Y. Lyu and C. Lim, "A Study on the Exhaust Characteristics of Pollutants from Recreational Vehicle(RV) in Korea," J. KOSAE, Vol.22, No.1, pp.127-134, 2006.
S. Choi, C. Myung and S. Park, "Review on Characterization of Nano-particle Emissions and PM Morphology from Internal Combustion Engines: Part2," Int. J. Automotive Technology, Vol.15, No.2, pp.219-227, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.