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문제 정의
- 본 연구는 삼원촉매의 노후화에 따른 연비 및 배출 가스가 대기환경에 미칠 수 있는 영향도를 분석하고자 노후화에 따른 삼원촉매를 시험모드 및 조건별로 분석하였다.
- 본 연구에서는 LPG 차량의 노후화에 따른 연비 및 배출가스 특성을 분석하기 위하여, 5만km를 주행한 신차 상태인 LPG 승용차량의 실차시험을 수행하여 연비 및 CO2 그리고 유해배출가스인 HC, CO, NOx 배출 가스 결과를 분석하였다.
- 현재 운행하는 노후 LPG 차량의 삼원촉매가 열화된 경우 배압이 높아져 배출가스 증가 및 연비 저하의 결과를 초래할 수 있으며, 이러한 특성으로 신차 상태 삼원촉매의 배출가스 수준 대비 배출가스 보증기간이 지난 노후화된 촉매 2종의 노후화에 따른 성능 저하 또는 대기에 미치는 영향 등을 배출가스 성능 특성 시험을 통하여 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 본 연구를 위하여 선정된 노후 삼원촉매 2종의 크랙 유무 등을 확인하기 위하여 CT 단층 촬영을 수행하였으며, 각각의 CT 단층 촬영 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
- 신품상태의 삼원촉매 대비 노후 삼원촉매의 연비 및 배출 가스 분석을 위하여 신차 상태의 동일한 시험 차량에 촉매를 순차적으로 교체하여 FTP-75, NEDC, NIER-05 등의 모드시험을 에어컨을 켜지 않은 기본조건(STD, Standard Driving)으로 수행하였다. 추가적으로 여름철 운행 패턴을 모사하기 위하여 시험 모드를 주행하는 동안 에어컨을 작동하여 시험을 수행하는 AC ON(Air Conditioning On) 조건을 수행하였으며, 각 주행모드 및 조건별 시험결과는 Fig.
- 실차 시험은 차량의 시험 중량 및 도로 부하 값을 차대동력계에 입력한 뒤 차대동력계 위에 시험 차량을 설치하여 차량의 주행속도를 제어하며 주행시험 모드를 수행한다.
- 이 때 배출가스 분석을 위하여 미국 시가지 주행특성을 모사하였으며 가솔린 및 LPG 차량의 배출가스 규제 모드인 FTP-75 모드, 유럽의 시가지 주행특성 및 고속주행특성을 모사하였으며 디젤 차량의 배출가스 규제모드인 NEDC 모드, 국립환경과학원에서 도심권의 주행상태를 고려해 만든 NIER-05 모드(6) 총 3가지 시험모드를 수행하였다. 본 연구에서 수행한 3가지 주행시험모드의 속도 프로파일은 Fig.
- 시험을 수행하는 동안 정용량 시료채취장치(CVS)는 블로워를 이용하여 자동차 배출가스를 외부 공기와 희석하여 임계유량 벤츄리(CFV)를 통과시킨다. 임계유량 벤츄리를 통과하는 배출가스는 특정 속도에 도달하면 유량이 더 이상 증가하지 않으며 일정한 유량이 흐르게 되고 이때 희석 배출 가스를 샘플링하여 Bag에 저장 후 배기가스 분석계에서 농도를 측정하게 되며 CVS 터널의 유량과 희석비를 이용하여 중량 단위로 배출가스 결과를 산출하였다. 또한 Carbon Balance 법을 이용하여 각 시험모드의 연비를 산출하였다.
- 신품상태의 삼원촉매 대비 노후 삼원촉매의 연비 및 배출 가스 분석을 위하여 신차 상태의 동일한 시험 차량에 촉매를 순차적으로 교체하여 FTP-75, NEDC, NIER-05 등의 모드시험을 에어컨을 켜지 않은 기본조건(STD, Standard Driving)으로 수행하였다. 추가적으로 여름철 운행 패턴을 모사하기 위하여 시험 모드를 주행하는 동안 에어컨을 작동하여 시험을 수행하는 AC ON(Air Conditioning On) 조건을 수행하였으며, 각 주행모드 및 조건별 시험결과는 Fig. 6에 나타냈다.
대상 데이터
- 노후화 된 삼원촉매의 연비 및 배출가스를 측정하고 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 국내에서 생산 및 판매되고 있는 신차 상태의 촉매를 장착한 ULEV(Ultra-low emission vehicle) 수준의 2L급 LPG 차량을 선정하였다. 시험 차량은 약 5만km를 주행하였으며, 보증기간 내에 충분한 길들이기가 이루어져 배출가스 배출량 및 연비가 안정화된 차량(신품 촉매)이다.
- 노후화된 촉매는 선정된 시험 차량과 호환이 가능한 동일 모델의 촉매로써 주행거리가 배출가스 보증기간인 16만km을 충분히 넘은 약 30만km 및 약 55만km를 주행한 삼원촉매 2종을 수배하였다. 약 55만km를 주행한 노후 삼원촉매의 MCC(Manifold Catalytic Converter), UCC (Underbody Catalytic Converter) 실물 사진을 각각 Fig.
- 본 연구의 실차 시험은 실내에서 실외와 같은 도로 조건을 모사하여 차량의 연비 및 배출 가스 특성에 대한 평가를 실시하기 위하여 자동차부품연구원에서 보유중인 차대동력계(AVL 社, 48inch Single roll, 4WD)와 배기측정시스템(HORIBA 社, MEXA-7400LE)을 사용하였다.
- 2와 같이 국내에서 생산 및 판매되고 있는 신차 상태의 촉매를 장착한 ULEV(Ultra-low emission vehicle) 수준의 2L급 LPG 차량을 선정하였다. 시험 차량은 약 5만km를 주행하였으며, 보증기간 내에 충분한 길들이기가 이루어져 배출가스 배출량 및 연비가 안정화된 차량(신품 촉매)이다.
- 노후화된 촉매는 선정된 시험 차량과 호환이 가능한 동일 모델의 촉매로써 주행거리가 배출가스 보증기간인 16만km을 충분히 넘은 약 30만km 및 약 55만km를 주행한 삼원촉매 2종을 수배하였다. 약 55만km를 주행한 노후 삼원촉매의 MCC(Manifold Catalytic Converter), UCC (Underbody Catalytic Converter) 실물 사진을 각각 Fig. 3에 나타내었다.
데이터처리
- 이 후 동일한 차량에 노후 삼원촉매 2종을 순차적으로 장착하여 동일한 조건의 연비 및 유해배출가스 실차 시험을 수행하였으며 신차 상태의 삼원촉매 배출가스 성능 결과와 비교분석하였다.
이론/모형
- 임계유량 벤츄리를 통과하는 배출가스는 특정 속도에 도달하면 유량이 더 이상 증가하지 않으며 일정한 유량이 흐르게 되고 이때 희석 배출 가스를 샘플링하여 Bag에 저장 후 배기가스 분석계에서 농도를 측정하게 되며 CVS 터널의 유량과 희석비를 이용하여 중량 단위로 배출가스 결과를 산출하였다. 또한 Carbon Balance 법을 이용하여 각 시험모드의 연비를 산출하였다.
성능/효과
- (1) 다양한 모드 및 조건에 대한 차량의 성능시험을 수행한 결과 배출 가스 보증기간(16만km)을 충분히 지난 약 30만km, 55만km 수준의 노후화된 삼원촉매는 신품 삼원촉매 대비 연비의 차이가 거의 없었으며, 에어컨을 작동하지 않은 기본 조건 대비 ACON 조건에서 에어컨 부하로 저감되는 연비의 차이도 비슷하게 나타났다. 삼원촉매의 노후화는 연비의 영향도에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
- (2) 노후 삼원촉매의 유해 배출 가스는 FTP-75 모드에서 전반적으로 적게 배출되었다. NOx 배출량은 NEDC 모드에서 미미하게 초과하는 것으로 나타났으며, AC ON 조건에서는 55만km 촉매는 규제치 대비 약 2배 많이 배출하였다.
- (3) LPG 차량의 연소 특성상 가장 큰 비중을 차지하는 CO 배출량은 삼원촉매의 노후화에 따라 신품 촉매 대비 증가하는 것으로 나타나나, 대부분의 시험모드에서 규제치를 만족하는 것으로 나타났다.
- (4) 본 연구에서 시험을 수행한 삼원촉매는 주행거리가 배출 가스 보증기간을 약 2배 이상 초과한 것을 감안할 때 노후화에 따라 HC는 약간 증가하는 것으로 보이나 워낙 적은 양이라서 무시할 수준이다. CO배출량은 신품촉매 대비 약 2~4배 이상 증가하였지만 대부분의 모드에서 촉매의 상태가 비교적 양호하여 배출 가스 허용 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- (4) 본 연구에서 시험을 수행한 삼원촉매는 주행거리가 배출 가스 보증기간을 약 2배 이상 초과한 것을 감안할 때 노후화에 따라 HC는 약간 증가하는 것으로 보이나 워낙 적은 양이라서 무시할 수준이다. CO배출량은 신품촉매 대비 약 2~4배 이상 증가하였지만 대부분의 모드에서 촉매의 상태가 비교적 양호하여 배출 가스 허용 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- FTP-75 모드 기준으로 NOx 배출 규제치는 0.044g/km이지만 NEDC 모드에서 55만km 이상 노후 삼원촉매의 NOx 배출량이 0.065g/km로 규제치를 미미하게 초과하는 것으로 나타났다. 이는 미국의 시가지 주행특성을 반영한 FTP-75 모드와 달리 NEDC 모드는 후반부 고속 영역 특성 구간이 포함되기 때문에 NOx 배출량이 증가하는 것으로 추정된다.
- (2) 노후 삼원촉매의 유해 배출 가스는 FTP-75 모드에서 전반적으로 적게 배출되었다. NOx 배출량은 NEDC 모드에서 미미하게 초과하는 것으로 나타났으며, AC ON 조건에서는 55만km 촉매는 규제치 대비 약 2배 많이 배출하였다. 이는 LPG 차량의 배출 가스 규제는 FTP-75 모드로 시가지 주행 특성을 반영한 FTP-75 모드특성과 달리 NEDC의 경우 후반부 고속 영역 특성 구간에서 고부하 영향으로 노후 삼원촉매의 NOx 배출량이 규제치를 미미하게 초과하는 것으로 추정된다.
- 그 결과 주행거리와 관계없이 비교적 균일한 담체형상을 유지하였으며, 크랙 등의 균열은 없는 것으로 확인되었다.
- 신차 상태의 삼원촉매 대비 노후 삼원촉매 2종의 연비 수준은 시험모드별로 약 3% 미만의 차이를 보이며 거의 비슷한 수준으로 나타났다. 또한 삼원촉매별로 에어컨을 켜지 않은 기본 조건과 AC ON 조건의 연비 수준을 비교한 결과 FTP-75 모드 및 NEDC 모드는 에어컨의 부하로 약 20% 수준 저하되는 것으로 나타났으며, NIER-05 모드는 약 25% 수준 저하되는 것으로 나타났다. 이때 신품과 노후 삼원촉매의 연비 저하 수준도 거의 비슷하게 나타났다.
- (1) 다양한 모드 및 조건에 대한 차량의 성능시험을 수행한 결과 배출 가스 보증기간(16만km)을 충분히 지난 약 30만km, 55만km 수준의 노후화된 삼원촉매는 신품 삼원촉매 대비 연비의 차이가 거의 없었으며, 에어컨을 작동하지 않은 기본 조건 대비 ACON 조건에서 에어컨 부하로 저감되는 연비의 차이도 비슷하게 나타났다. 삼원촉매의 노후화는 연비의 영향도에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.
- 31g/km을 넘지 않는 것으로 나타났다. 시험용으로 선정한 노후 삼원촉매 2종은 배출 가스 보증기간이 지났지만 열화 및 손상이 없는 것으로 판단되며, 촉매의 노후화에 따라 배출 가스는 증가하지만 인증 규제치는 충분히 만족하는 것을 알 수 있다.
- 촉매별로 주행시험모드를 수행하여 배출된 유해배출 가스의 배출량을 비교한 결과 LPG 차량의 특성상 삼원촉매를 거치면서 대부분의 모드에서 HC 배출량은 거의 미미한 수준으로 배출되었다.
- 이는 시험 모드의 가혹도와 가·감속 특성에 따라 노후화된 촉매의 경우 유해 배출 가스 농도가 급격하게 변할 수 있다는 점을 의미한다. 하지만 3가지 시험모드 및 조건에 대하여 삼원촉매의 노후화에 관계없이 FTP-75 모드 기준의 CO 배출량 규제치인 1.31g/km을 넘지 않는 것으로 나타났다. 시험용으로 선정한 노후 삼원촉매 2종은 배출 가스 보증기간이 지났지만 열화 및 손상이 없는 것으로 판단되며, 촉매의 노후화에 따라 배출 가스는 증가하지만 인증 규제치는 충분히 만족하는 것을 알 수 있다.
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