선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 MTBE를 대체할 수 있는 함산소 기재 연료에 대하여 연료물성에 대한 특성을 확인하고, 기존의 휘발유 자동차에서 배출되는 배출가스 및 미규제 물질, PM 입자의 형태가 함산소 기재의 종류 및 함량에 따라 어떠한 경향을 보이는지 알아보고자 하였다.
- 실험에 사용된 시험모드는 국내외에서 사용하고 있는 시험모드로서, 도심모드인 FTP-75와 고속도로 모드인 HWFET 모드이다. 본 논문의 차량 배출가스 실험은 3 회 이상의 실험을 통하여 정확한 결과를 얻고자 하였다.
- 본 연구에서는 MTBE 대체물질로 알코올 연료를 사용하고 있으므로 일반적인 규제물질과 더불어 규제되고 있지 않은 물질들도 측정을 하였다. 실험에서 측정된 미규제 물질은 Formaldehyde와 BTX (Benzene, Toluene, Xylene)이었다.
- 그리고 입자의 크기에 따른 분포형태를 살펴보기 위하여 하전을 띄고 있는 입자의 전기적 이동도의 차이를 이용하여 입자가 분류되고, 전기적으로 입자가 감지되는 실시간 전기적 입경 측정장비인 EEPS를 EECPC의 샘플링 라인과 동일한 위치에 설치하였다. 실험에 사용된 EEPS는 회전형 희석장치나 가열증발튜브를 사용하지 않기 때문에 휘발성 입자도 같이 측정되도록 하여 연료의 특성에 따른 휘발성 입자 배출특성도 같이 확인하고자 하였다.
가설 설정
- 3. PM 입자 개수와 CO2 배출이 차량속도에 따라 동일한 경향으로 배출되고 있는데, 이러한 결과는 PM 입자가 소비되는 연료에 영향을 받고 있기 때문이다. 또한 산소함량이 증가할수록 극미세 입자개수도 증가하고 있고, MTBE, 바이오에탄올, 바이오ETBE, 바이오부탄올 순으로 입자 개수가 증가하고 있으나, 값의 편차는 크게 나타나지 않음을 알 수 있었다.
제안 방법
- MTBE를 대체할 수 있는 함산소 기재 연료에 대하여 함산소 기재 종류 및 산소함량에 따른 휘발유 자동차의 배출가스, 미규제 물질, PM 입자 개수 특성을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그리고 입자의 크기에 따른 분포형태를 살펴보기 위하여 하전을 띄고 있는 입자의 전기적 이동도의 차이를 이용하여 입자가 분류되고, 전기적으로 입자가 감지되는 실시간 전기적 입경 측정장비인 EEPS를 EECPC의 샘플링 라인과 동일한 위치에 설치하였다. 실험에 사용된 EEPS는 회전형 희석장치나 가열증발튜브를 사용하지 않기 때문에 휘발성 입자도 같이 측정되도록 하여 연료의 특성에 따른 휘발성 입자 배출특성도 같이 확인하고자 하였다.
- 실험차량을 일정한 온도조건에서 12 시간 이상 soaking시킨 후 차대동력계에서 시험주행 모드로 차량을 운전하고 주행속도별 실시간 배기가스와 차량의 데이터를 획득하였으며, 배출가스 포집백 분석을 통하여 최종 결과를 분석하였다. 동시에 배출가스 및 미규제 물질, PM 입자 측정을 CVS 및 배출가스분석기 (MEXA-7series), FT-IR 분석기, PM 입자측정 장치로 수행하였다. 실험에 사용된 시험모드는 국내외에서 사용하고 있는 시험모드로서, 도심모드인 FTP-75와 고속도로 모드인 HWFET 모드이다.
- 실험차량을 일정한 온도조건에서 12 시간 이상 soaking시킨 후 차대동력계에서 시험주행 모드로 차량을 운전하고 주행속도별 실시간 배기가스와 차량의 데이터를 획득하였으며, 배출가스 포집백 분석을 통하여 최종 결과를 분석하였다.
- 실험에 사용된 연료의 종류는 함산소 기재가 포함되어 있지 않은 서브옥탄 가솔린과 바이오 에탄올, 바이오 ETBE, 바이오 부탄올이며, 실험연료의 산소 함량은 Table 3과 같다. 여기서 각각의 연료는 서브옥탄 가솔린에 「석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시」상의 휘발유 산소함량 기준을 참고하여 0.8, 2.3 wt %로 맞추어 시료를 제조하였다.
- 차량의 배기가스 측정은 CVS 터널 및 배기가스 분석기 (MEXA-7400)로 수행하였으며, 미규제 물질은 FT-IR을 사용하여 측정하였다. 실험차량을 일정한 온도조건에서 12 시간 이상 soaking시킨 후 차대동력계에서 시험주행 모드로 차량을 운전하고 주행속도별 실시간 배기가스와 차량의 데이터를 획득하였으며, 배출가스 포집백 분석을 통하여 최종 결과를 분석하였다.
- 하지만, 가솔린 보다 발열량이 낮기 때문에 가솔린 연료를 사용하였을 때와 동일한 성능을 유지하려면 연료 분사량을 제어하여 다량의 연료를 공급하여 주어야 하며, 변화하는 공연비에 맞추어 공기와 연료의 혼합 상태를 결정하여 연소 특성 및 배기 특성을 고려하여 주어야 한다. 하지만, 본 연구에서는 운행차에서의 문제점을 확인하기 위한 것으로 차량과 엔진 제어를 진행하지 않고, 차량 출시 상태에서 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 차량은 국내에서 가장 대표적인 2000 cc급 휘발유 자동차를 선정하였고, 실험에 사용된 차량의 제원은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서 미규제 물질로 정한 분석대상 물질은 미국 EPA에서 규정한 주요 유해대기오염물질 중 VOCs 1종 (인체위해도 및 오존 생성력이 큰 BTX)과 알데히드 1종 (Formaldehyde)이었다. Fig.
- 실험에 사용된 모드는 국내와 미국 EPA에서 배출가스 및 연비를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 FTP-75 (도심)와 HWFET (고속도로) 시험모드를 사용하였다.
- 실험에서 측정된 미규제 물질은 Formaldehyde와 BTX (Benzene, Toluene, Xylene)이었다. 실험에 사용된 분석장치는 Fig. 2와 같은 FT-IR (FT-IR, Fourier transform infrared spectroscopy)을 사용하였다.
- 동시에 배출가스 및 미규제 물질, PM 입자 측정을 CVS 및 배출가스분석기 (MEXA-7series), FT-IR 분석기, PM 입자측정 장치로 수행하였다. 실험에 사용된 시험모드는 국내외에서 사용하고 있는 시험모드로서, 도심모드인 FTP-75와 고속도로 모드인 HWFET 모드이다. 본 논문의 차량 배출가스 실험은 3 회 이상의 실험을 통하여 정확한 결과를 얻고자 하였다.
- Table 3은 MTBE 대체물질로 성능평가 실험에 사용된 함산소 기재의 종류와 부피비를 나타낸 것이다. 실험에 사용된 연료의 종류는 함산소 기재가 포함되어 있지 않은 서브옥탄 가솔린과 바이오 에탄올, 바이오 ETBE, 바이오 부탄올이며, 실험연료의 산소 함량은 Table 3과 같다. 여기서 각각의 연료는 서브옥탄 가솔린에 「석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시」상의 휘발유 산소함량 기준을 참고하여 0.
- 본 연구에서는 MTBE 대체물질로 알코올 연료를 사용하고 있으므로 일반적인 규제물질과 더불어 규제되고 있지 않은 물질들도 측정을 하였다. 실험에서 측정된 미규제 물질은 Formaldehyde와 BTX (Benzene, Toluene, Xylene)이었다. 실험에 사용된 분석장치는 Fig.
- 측정항목은 국내 배출가스 규제 항목으로 가장 환경적으로 문제가 되는 CO, NMHC, NOx를 나타내었다.
이론/모형
- 나노 입자의 측정은 UN-ECE regulation No. 83 시험방법을 사용하였다. 기존의 휘발유 CVS 터널에 입자를 포집할 수 있는 샘플링 라인과 2.
성능/효과
- 1. 함산소 기재 종류에 따라 배출가스 경향은 대체로 유사하게 나타나고 있고, 배출가스 CO는 감소하고, CO2는 증가하였다.
- 2. 미규제 물질 중 미국 EPA에서 규정한 주요 유해대기오염물질 중 VOCs 1종 (인체위해도 및 오존 생성력이 큰 BTX)과 알데히드 1종 (Formaldehyde)을 분석한 결과, BTX의 결과를 정리하면, 서브옥탄가솔린보다 산소 함량이 0.8 무게%로 증가하면서 전체적으로 감소하고 있으나, 산소함량이 2.3 무게%로 증가하면서 약간씩 증가하는 경향을 보인다. 이러한 결과에 대한 자세한 분석은 연료 자체의 Benzene, Toluene, Xylene의 함량과 비교하여 좀 더 정확한 결과를 산출해야 할 것으로 보인다.
- Fig. 7에서 BTX (Benzene, Toluene, Xylene)의 결과를 살펴보면, 함산소 기재의 종류에 따라 약간의 결과차이를 보이지만, 적은 산소함량인 0.8 무게%에서는 바이오에탄올이 가장 적게 배출되고, 바이오ETBE, MTBE, 부탄올, 서브옥탄가솔린의 순으로 증가하였으나, 산소함량 2.3 무게%에서는 바이오ETBE가 가장 적게 배출되고, MTBE, 바이오에탄올, 서브옥탄가솔린, 부탄올 순으로 증가하였다. 특히, 부탄올은 산소함량이 증가하면서 서브옥탄가솔린보다 많이 배출되고 있다.
- 그러나 NOx에 관한 결과는 조금 다양한 연구가 필요할 것으로 보인다. 그리고 함산소 기재의 종류와 산소함량별 차량의 배출가스 규제물질 결과는 국내 휘발유차 배출가스 규제기준을 보다 전체적으로 낮게 배출되어 기준을 만족하고 있음을 알 수 있고, 특히 CO와 NOx는 상당히 좋은 결과를 보임을 알 수 있었다.
- PM 입자 개수와 CO2 배출이 차량속도에 따라 동일한 경향으로 배출되고 있는데, 이러한 결과는 PM 입자가 소비되는 연료에 영향을 받고 있기 때문이다. 또한 산소함량이 증가할수록 극미세 입자개수도 증가하고 있고, MTBE, 바이오에탄올, 바이오ETBE, 바이오부탄올 순으로 입자 개수가 증가하고 있으나, 값의 편차는 크게 나타나지 않음을 알 수 있었다. 전체적으로 배출가스 규제값인 6 × 1011 보다는 적게 배출되고 있는 것을 볼 수 있으나, 산소함량이 증가하면서 점차 규제 값에 가깝게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
- 이러한 경향은 1 phase에서 차량속도가 92 km//h까지 상승하는 부분에서는 가장 많이 배출되는 것과 동일하다고 할 수 있다. 또한 차량이 가장 낮은 온도로 운전되는 1 phase의 첫 사이클에서도 높게 배출되고 있어, 시험차량을 빠르게 예열할 수 있는 엔진제어 기술이 필요함을 확인할 수 있었다.
- 전체적으로 산소함량이 증가할수록 극미세 입자 개수도 증가되어 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 함산소 기재의 종류에 따른 결과를 보면, MTBE, 바이오에탄올, 바이오ETBE, 부탄올 순으로 입자 개수가 증가되고 있으나, 값의 편차는 크게 나타나지 않음을 알 수 있다. 산소함량 2.
- 실험결과에서 볼 수 있듯이, 함산소 기재의 종류와 서브옥탄가솔린을 비교하여 보면 종류에 따른 배출가스의 증감은 동일한 경향으로 증가와 감소를 나타내고 있다. 먼저, 함산소 기재의 특징을 잘 보여주는 배출가스 CO의 결과를 살펴보면 0.8 무게%의 부탄올 (옥탄가가 서브옥탄가솔린에 비하여 감소)을 제외하고는 전체적으로 감소하는 경향의 결과를 가진다. 이것은 함산소 기재의 산소함량이 증가하면서 연료의 옥탄가가 향상되고, 이러한 옥탄가의 향상은 연소실내의 연소효과를 증대시키기 때문이며, 연소효율의 향상은 연료의 연소를 완전연소에 가까운 방향으로 연소가 이루어지게 한다.
- 본 연구의 결과를 정리해 보면, 함산소 기재 종류에 따른 배출가스 경향은 대체로 유사하게 나타나고 있고, 배출가스 CO는 감소하고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 NOx에 관한 결과는 조금 다양한 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 또한 산소함량 증가에 따라 바이오ETBE를 제외하고는 서브옥탄가솔린보다 증가되어 배출되고 있다. 산소함량 2.3 무게%에서 MTBE의 포름알데히드 결과와 비교하여 보면 바이오ETBE가 30.4 %, 바이오에탄올이 6.5 % 감소되고 있고, 오히려 부탄올은 11.0 % 증가하여서 나타나고 있다.
- 또한 산소함량 증가에 따라 바이오ETBE를 제외하고는 서브옥탄가솔린보다 증가되어 배출되고 있다. 산소함량 2.3 무게%에서 MTBE의 포름알데히드 결과와 비교하여 보면 바이오ETBE가 30.4 %, 바이오에탄올이 6.5 % 감소하고 있고, 오히려 부탄올은 11.0 % 증가하여서 나타나고 있다.
- 또한 함산소 기재의 종류에 따른 결과를 보면, MTBE, 바이오에탄올, 바이오ETBE, 부탄올 순으로 입자 개수가 증가되고 있으나, 값의 편차는 크게 나타나지 않음을 알 수 있다. 산소함량 2.3 무게%에서 입자개수를 MTBE에 대하여 비교하여 보면, 바이오에탄올은 1.2 % 정도의 입자 개수가 감소하였다. 이에 반해 바이오ETBE는 8.
- 특히, 부탄올은 산소함량이 증가하면서 서브옥탄가솔린보다 많이 배출되고 있다. 산소함량에 따른 BTX의 결과를 정리하면, 서브옥탄가솔린보다 산소함량이 0.8 무게%로 증가하면서 전체적으로 감소하고 있으나, 산소함량이 2.3 무게%로 증가하면서 약간씩 증가하는 경향을 가진다. 이러한 결과에 대한 자세한 분석은 연료 자체의 Benzene, Toluene, Xylene의 함량과 비교하여 좀 더 정확한 결과를 산출해야 할 것으로 보인다.
- 실험결과에서 볼 수 있듯이, 함산소 기재의 종류와 서브옥탄가솔린을 비교하여 보면 종류에 따른 배출가스의 증감은 동일한 경향으로 증가와 감소를 나타내고 있다. 먼저, 함산소 기재의 특징을 잘 보여주는 배출가스 CO의 결과를 살펴보면 0.
- 실험에 사용된 함산소 연료는 옥탄가가 높아 SI 엔진에서 안티노크성을 우수하게 하며, 압축비를 증가시켜 열효율을 높일 수 있고, 높은 증발 잠열로 인하여 흡입과정 중 흡입공기의 냉각 효과로 엔진의 충전 효율을 향상할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 가솔린 보다 발열량이 낮기 때문에 가솔린 연료를 사용하였을 때와 동일한 성능을 유지하려면 연료 분사량을 제어하여 다량의 연료를 공급하여 주어야 하며, 변화하는 공연비에 맞추어 공기와 연료의 혼합 상태를 결정하여 연소 특성 및 배기 특성을 고려하여 주어야 한다.
- 연비와 CO2의 결과를 살펴보면, CO의 결과와 마찬가지로 함산소 기재 연료가 완전연소에 가깝게 연소함으로 인하여 CO2가 증가하는 영향도 어느 정도 있지만, 함산소 기재 연료 자체의 저위발열량 감소로 인하여 CO2가 증가하고 이에 따른 연비는 감소하는 결과를 보인다.
- 기존의 연구에서는 옥탄가 향상에 의한 연소실내 연소 촉진은 연소효율과 연소온도, 압력상승을 높여 주게 되고, “Thermal NOx"가 증가할 수 있는 환경을 만들어줌으로 인하여 NOx가 증가한다고 발표하고 있기도 하고, 또 다른 에탄올에 관한 연구에서는 NOx 배출량이 공기 과잉률 전 영역에서 가솔린 보다 에탄올이 적게 배출되고 있고, 이러한 원인은 에탄올의 높은 증발 잠열로 인해 흡입 행정 말기에 혼합기 온도가 낮아져서 연소온도가 감소했기 때문으로 해석하였다. 위의 연구들에 대하여 종합하여 보면, 본 연구에서 NOx의 결과가 동일한 것은 연소효율의 증대에 의한 연소온도 상승보다는 연료의 높은 증발 잠열과 저위 발열량의 감소로 인한 영향이 더 많은 것으로 사료된다.
- 전체 극미세 입자개수 배출 결과는 유럽 배출가스 규제 값인 6 × 1011 보다는 적게 배출되고 있는 것을 볼 수 있으나, 산소함량이 증가할수록 점차 규제 값에 가깝게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
- 전체적으로 배출가스 규제값인 6 × 1011 보다는 적게 배출되고 있는 것을 볼 수 있으나, 산소함량이 증가하면서 점차 규제 값에 가깝게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
- 9, 10 결과는 각각의 시험모드에서 극미세 입자 배출결과를 함산소 기재 종류에 따라 나타낸 것이다. 전체적으로 산소함량이 증가할수록 극미세 입자 개수도 증가되어 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 함산소 기재의 종류에 따른 결과를 보면, MTBE, 바이오에탄올, 바이오ETBE, 부탄올 순으로 입자 개수가 증가되고 있으나, 값의 편차는 크게 나타나지 않음을 알 수 있다.
- 8은 함산소 기재 연료 종류에 따른 가솔린 차량의 CO2 배출가스와 극미세 입자 배출특성을 시험모드의 시간순서로 배출되는 결과를 나타낸 것이다. 전체적인 배출 경향은 차량이 냉각상태로 운전되는 1 phase에서 CO2 배출가스와 극미세 입자 배출이 두드러지게 나타나고 있으며, 차량이 예열된 상태인 2 phase에서 차량 속도와 유사하게 낮은 값으로 배출되고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 1 phase에서 차량속도가 92 km//h까지 상승하는 부분에서는 가장 많이 배출되는 것과 동일하다고 할 수 있다.
- 이러한 이유는 연료 옥탄가 향상에 의한 것과 연료 자체의 저위발열량 감소로 인하여 것으로 파악된다. 전체적인 배출가스 결과는 국내 휘발유차 배출가스 규제기준보다 낮게 배출되고 있음을 확인할 수 있었으며, 특히 CO와 NOx는 상당히 좋은 결과를 보인다.
- 함산소 기재의 종류 및 산소함량에 따라 약간 다른 경향을 보이고 있으나, 배출되는 값의 편차는 크지 않음을 볼 수 있다. 포름알데히드는 산소함량이 증가할수록 MTBE, 바이오에탄올, 부탄올 등에서는 증가의 경향을 보이나, 바이오ETBE는 약간의 감소 결과를 보였다. 또한 산소함량 증가에 따라 바이오ETBE를 제외하고는 서브옥탄가솔린보다 증가되어 배출되고 있다.
- 그러나 NMHC, NOx의 결과를 살펴보면 CO의 뚜렷한 감소경향에 비하여 실험분석 오차이내에서 동일한 경향을 보이고 있다. 함산소 기재의 다른 연구결과와 비교하여 보면 CO의 감소 경향은 동일하나, NOx 값의 증가는 본 연구에서는 보이지 않았다. 기존의 연구에서는 옥탄가 향상에 의한 연소실내 연소 촉진은 연소효율과 연소온도, 압력상승을 높여 주게 되고, “Thermal NOx"가 증가할 수 있는 환경을 만들어줌으로 인하여 NOx가 증가한다고 발표하고 있기도 하고, 또 다른 에탄올에 관한 연구에서는 NOx 배출량이 공기 과잉률 전 영역에서 가솔린 보다 에탄올이 적게 배출되고 있고, 이러한 원인은 에탄올의 높은 증발 잠열로 인해 흡입 행정 말기에 혼합기 온도가 낮아져서 연소온도가 감소했기 때문으로 해석하였다.
후속연구
- 4. 휘발유 연료에 대한 산소함량 품질기준 설정, MTBE 대체물질로 다른 함산소 기재 연료를 고려할 경우, 가솔린 대체연료로 바이오에탄올을 차량에 적용할 경우 등에는 반드시 배출가스 물질 뿐만 아니라 미규제물질, 극미세 입자에 대한 특성 등의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- [6-9] 또한 현재 고려되고 있지 않은 휘발유 자동차에서의 PM 입자 개수들은 DPF를 장착한 디젤자동차와 유사한 수준의 값을 가지고 있고, 환경적으로도 많은 문제점을 가지고 있다는 연구결과가 발표[10,11]되고 있어 깊이 있는 연구가 필요한 상태이다. 그러므로 연료품질에 따른 자동차의 환경 영향에 관한 다양한 연구를 통하여 향후 휘발유 자동차의 배출가스 및 미규제 물질, PM 입자개수 특성 확인이 필요하다.
- 이러한 결과를 통해 추후 휘발유 연료에 대한 산소함량 품질기준 설정, MTBE 대체물질로 다른 함산소 기재 연료를 고려할 경우, 가솔린 대체연료로 바이오에탄올을 함량을 증가할 경우 등에는 기존 시험항목뿐만 아니라 반드시 극미세 입자에 대한 특성, 영향 연구도 추가되어야 할 것으로 판단된다.
- 3 무게%로 증가하면서 약간씩 증가하는 경향을 가진다. 이러한 결과에 대한 자세한 분석은 연료 자체의 Benzene, Toluene, Xylene의 함량과 비교하여 좀 더 정확한 결과를 산출해야 할 것으로 보인다.
- 연료에 따라 자동차에서 배출되는 알데히드에 관한 연구를 할 때 보통 포름알데히드와 아세트알데히드 두 가지에 대한 영향을 고려하여야 하나, 본 연구에서는 아세트알데히드 분석 장치의 미비로 인하여 측정을 하지 못하였다. 이러한 부분에 대해서는 추후에 좀 더 많은 실험과정과 분석을 통하여 고려해야만 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.