[논문]바이오 연료 적용에 따른 차량 증발가스 및 성능특성 연구

노경하; 이민호; 김기호; 김신; 박천규

doi:10.12925/jkocs.2017.34.4.874

바이오 연료 적용에 따른 차량 증발가스 및 성능특성 연구
The Characteristics Study of Vehicle Evaporative Emission and Performance according to the Bio-Fuel Application 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.4, 2017년, pp.874 - 882

노경하 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 이민호 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 김기호 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 김신 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 박천규 (한국석유관리원 석유기술연구소)

초록
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국내 외에서 대기오염에 대한 관심이 점점 증가함에 따라 자동차 및 연료관련 분야의 연구자들은 새로운 엔진설계, 향상된 후처리장치, 청정연료 그리고 연료품질향상을 통해 자동차의 배출가스 감소를 위하여 지속적으로 노력해 왔다. 따라서, 본 연구에서는 자동차의 증발가스와 성능, 환경성에 대해 살펴보고자 하였으며, 연료의 옥탄가 향상제로 쓰이는 바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 ETBE (Ethyl Tertia ry Butyl Ether), MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)가 환경에 미치는 문제점에 대해 살펴보고자 하였다. 주로 휘발유의 옥탄가 향상제로 쓰이는 바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 ETBE, MTBE가 휘발유 연료 특성 중 증발가스에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며, 바이오 연료 특성에 대한 가솔린 자동차의 가속 및 동력 성능을 살펴보았다. 실험결과 증발가스는 최대 1.04g/test로 모든 시험 연료가 국내 배출가스 기준에 부합함을 알 수 있었으며, 원료에 대한 증기압 측정 결과 바이오에탄올 15kPa, 바이오 부탄올 1.6k Pa로 E3급 연료 제조 시 바이오 부탄올 함유량을 늘리면 증기압과 증발가스 또한 낮게 나타났다. 또한, 바이오 연료의 종류에 따라 유사한 가속 및 동력 성능을 나타내었으며, 바이오 부탄올과 바이오 에탄올 비교시 가속 성능이 약 3.9%, 출력은 0.8% 개선되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the interest on the air-pollution is gradually rising up at home and abroad, automotiv e and fuel researchers have been working on the exhaust emission reduction from vehicles through a lot of approaches, which consist of new engine design, innovative after-treatment systems, using clean (eco-friendly alternative) fuels and fuel quality improvement. This research has brought forward three main issues : evaporative, performance, air pollution. In addition, researcher studied the environment problems of the bio-ethanol, bio-butanol, bio-ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether), MTBE (Methyl Tert iary Butyl Ether) fuel contained in the fuel as octane number improver. The researchers have many dat a about the health effects of ingestion of octane number improver. However, the data support the con clusion that octane number improver is a potential human carcinogen at high doses. Based on the bio-fuel and octane number improver types (bio-ethanol, bio-butanol, bio-ETBE, MTBE), this paper dis cussed the influence of gasoline fuel properties on the evaporative emission characteristics. Also, this p aper assessed the acceleration and power performance of gasoline vehicle for the bio-fuel property. As a result of the experiment, it was found that all the test fuels meet the domestic exhaust gas standards, and as a result of measurement of the vapor pressure of the test fuels, the bio - ethanol : 15 kPa and the biobutanol : 1.6 kPa. thus when manufacturing E3 fuel, Increasing the biobutanol content reduces evaporation gas and vapor pressure. In addition, Similar accelerating and powering performance was shown for the type of biofuel and when bio-butanol and bio-ethanol were compared accelerated perf ormance was improved by about 3.9% and vehicle power by 0.8%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

바이오 연료는 휘발유의 옥탄가를 향상하는 기능을 가지며, 차량의 저속 및 고속 시의 운전성을 개선하는 효과가 있다. 따라서, 바이오 연료의 특성 시험을 위하여 차량의 성능차이 (가속성 및 출력)를 분석하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 바이오 연료인 바이오 에탄올과 바이오 부탄올, 바이오 ETBE 등에 대하여 기존의 연료인 서브옥탄 가솔린, MTBE 등과의 비교를 통하여 연료물성 특성 및 증기압 변화를 살펴보고, 이를 시험차량에 적용함으로써, 연료 특성에 따른 휘발유 차량의 증발가스 배출, 가속, 출력 성능에 미치는 영향을 알아보고 국내 실정에 맞는 환경성 평가를 통하여 향후 바이오 연료의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

바이오 연료인 바이오 에탄올과 바이오 부탄올, 바이오 ETBE 등에 대하여 기존의 연료인 서브옥탄 가솔린, MTBE 등과의 비교를 통하여 연료물성 특성 및 증기압 변화를 살펴보고, 이를 시험차량에 적용하여 차량 증발가스 배출 및 가속 · 출력 성능을 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 연료는 서브옥탄 연료에 바이오에탄올, 바이오부탄올을 일정 비율로 혼합한 E3, E6, E10급 연료를 사용하였으며, 증발가스 특성을 살펴보기 위하여 E3급 연료에 바이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오 ETBE, MTBE를 혼합하여 사용하였다.
본 연구에 사용된 차량은 국내에서 가장 대표적인 2000 cc급 휘발유 자동차를 선정하였고, 시험에 사용된 차량의 제원은 Table 1과 같다.
차대동력계 시스템은 주행모드 및 환경 조건에 따른 차량 성능을 측정할 수 있는 장비이며, 실제 도로의 운전조건을 모사하여 차량의 성능 및 배출가스를 측정할 수 있다. 본 연구에서는 해당 시험 주행모드 조건으로 운전하며, 주행속도별 실시간 차량 데이터를 획득하였다.
평가에 사용한 base 연료는 서브옥탄 가솔린으 로 산소함량은 0.1무게% 미만으로 분석되었으며 옥탄가는 90.0, 증기압은 52.7 kPa, 황분은 9.6 m g/kg으로 휘발유 품질기준을 만족하는 수준이었 다. 또한, 총발열량은 46.

데이터처리

T (Wide open throttle) 조건으로 조작하여 차량을 가속하였으며, 120 km/h에 도달한 후 일정시간 후 브레이크를 조작하여 감속하였고, 이후 차량 속도를 10 km/h의 속도를 유지하였다. 이러한 진행 방법으로 전체 시험횟수를 총 12회 반복 수행한 후 측정된 데이터 중 20 km/h에서 100 km/h의 속도구간에서의 중간 데이터인 10회 데이터를 통해 결과를 산술평균하였다. 이때, 모든 시험결과는 10Hz로 측정하였다.

이론/모형

Table 2는 시험에 사용된 바이오 연료의 물성 특성을 나타낸 것이며, 바이오 연료의 물성은 국내 연료품질기준 항목의 자동차 휘발유 품질기준 항목에 맞춰 분석하였다. 분석 결과, 바이오 에탄올의 총발열량은 29.
증발가스 측정 장비는 휘발유 및 가스 사용 차량에서 배출되는 증발가스를 측정하기 위한 시험 장비로 자동차를 넣을 수 있는 밀폐실과 밀폐실 내의 탄화수소를 측정하기 위한 분석 장비로 구성되어 져야한다. 따라서, 본 연구에 사용된 장비는 가변 체적 밀폐식 챔버(VVVT-SHED ; Vari able Volume Variable Temperature - Shielded House evaporative gas detector)로 밀폐실 내부의 공기 온도변화에 따라 확장 및 수축할 수 있는 공기주머니가 있으며, 증발가스 분석기는 열식 불꽃 이온화 검출기법 (HFID, Heated Frame Io nization Detector)을 사용하는 분석기를 사용하였다.
평가방법은 ‘제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정’의 증발가스 시험법을 준용하였다. 이는 증기압 변화시료의 증발가스 (VOCs) 측정을 위하여 밀폐 또는 환기가 안 되는 공간 (지하주차장 등)을 묘사하여 증발가스를 평가하며, 측정항목은 고온 (Hot Soak) 증발가스 및 주간 (Diurna l) 증발가스로 나뉘게 된다.

성능/효과

바이오 연료 종류에 따라 유사한 가속 성능과 출력을 보이는 있는 것을 알 수 있다. 그렇지만, 서브옥탄 가솔린과 비교하여보면 E100은 약 4.9%, E70:B30은 8.9%, E30:B 70 8.1% B100 8.7%의 가속 성능이 좋아졌으며, 바이오 에탄올과 바이오 부탄올을 비교해 보면, 바이오 부탄올이 가속 성능이 약 3.9% 개선되었으며, 출력은 약 0.8% 향상되었다.
바이오 연료 종류에 따라 가속 성능 및 출력 성능 결과는 약간의 차이를 나타내지만, 거의 유사한 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 그렇지만, 서브옥탄 가솔린과 비교하여 보면 가속 성능은 최대 약9%, 출력 은 최대 약 10% 정도 개선된 것을 알 수 있다.
3. 바이오 연료 혼합에 따라 운전성 지수를 확인한 결과, E3급 연료에서는 바이오에탄올 : 바이오부탄올(70:30)에서 가장 낮은 수치로 운전성이 가장 좋은 것으로 나타났으며, 바이오 부탄올 함량이 높아질수록 운전성이 나빠졌다. 전반적인 운전성 지수를 검토한 결과 E70:B30에서 542을 나타냈으며, 바이오부탄올 100에서는 588의 운전성 지수를 나타냈다.
1. 바이오 연료의 원액에 대한 물성측정 결과, 바이오 에탄올의 총발열량은 29.24 MJ/kg으로 상당히 낮은 결과를 보였고, 바이오 탄올 및 바이오 ETBE는 바이오 에탄올 보다는 높고 서브옥탄가솔린 보다는 낮은 수준으로 나타났다. 차량 증발가스에 가장 많은 영향을 미치는 증기압은 바이오 부탄올 1.
Table 2는 시험에 사용된 바이오 연료의 물성 특성을 나타낸 것이며, 바이오 연료의 물성은 국내 연료품질기준 항목의 자동차 휘발유 품질기준 항목에 맞춰 분석하였다. 분석 결과, 바이오 에탄올의 총발열량은 29.24 MJ/kg으로 낮게 나타났으며, 바이오부탄올 및 바이오 ETBE는 36.00 MJ /kg 과 38.67 MJ/kg으로 바이오에탄올 보다는 높고 서브옥탄가솔린 보다는 낮은 수준이었다. 수분함량은 바이오에탄올의 경우 0.
7은 대상 시험차량에 대하여 바이오 연료의 종류에 따른 증발가스 배출특성 결과를 나타 낸 것이다. 시험연료를 차량에 주유하여 증발가스 측정시험결과, 모든 시험연료에 대해서 국내 휘발유 차량의 배출가스 허용기준 (2 g / test)을 만족 하였다. 이는 「석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시」상의 휘발유 품질기준 범위 내의 연료에서는 시험차량 증발가스가 국내 휘발유 차량의 배출가스 허용기준을 만족하 는 것을 나타낸다.
연료별로 살펴보면 바이오 에탄올 연료가 가장 많은 증발가스 배출을 보였으며, 바이오 에탄올 혼합 연료, MTBE와 바이오 ETBE, 바이오 부탄올 순으로 증발가스가 높게 발생하였다. 이러한 결과는 앞에서의 연료별 물성시험 결과 중 증기 압 변화 결과와 일치 하였으며, 바이오 에탄올과 바이오 부탄올, 혼합 연료의 전체 누적 증발 가스 증가량의 결과에서도 연료의 증기압에 따라 결과 차이가 나고 있다.
운전성 지수 (Drive ability Index)는 ASTM D 4814 및 WWFC (World Wide Fuel Charter)에 제시된 계산식을 이용하여 확인한 결과, E3급 연료에서는 바이오에탄올 : 바이오부탄올 70:30에 서 가장 낮은 수치로 운전성이 가장 좋은 것으로 나타났으며 80:20, 50:50, 100:0, 30:70, 0:100 의 순으로 바이오 부탄올 함량이 높아지면 운전 성이 나빠지는 것으로 나타났다. E6급의 연료에서의 운전성 지수는 바이오 에탄올과 바이오 부탄올이 50:50으로 혼합될 경우, 가장 좋은 결과를 보였으며, 50:50을 제외하고는 위의 E3급 결과와 동일하게 바이오 부탄올 함량이 증가할수록 운전성이 낮아졌다.
이에 MTBE를 대체할 수 있는지 바이오 연료별 증발 가스 결과를 살펴보면, MTBE 연료 대비 바이오 부탄올이 가장 적게 배출되고 있는 것을 볼 수 있고, 가장 큰 배출은 바이오 에탄올, 바이오 ET BE는 유사한 결과를 보이고 있다. 차량 배출가스 및 성능평가, 경제성 분석 등 다양한 결과의 비교가 필요하지만, 증발가스 결과만을 볼 경우에는 바이오 에탄올 보다는 바이오부탄올이 MTBE 대체물질로서 적당함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오 에탄올의 보급을 위해 검토해야 하는 것은?	하지만, 국내에서는 바이오디젤에 비해 아직 바이오 에탄올 보급이 전무한 실정이다. 바이오 에탄올의 보급을 위해서는 바이오에탄올 특성에 따른 유통 문제와 기존 차량에 사용 시 발생할 수 있는 연료의 상 분리, 차량 연료계통 부식, 배출가스 및 증발가스 증가 등 여러 가지 문제점이 검토되어져야 하기 때문이다[5,6]. 특히, 바이오에탄올의 경우 비점이 일정하고 증기압이 높아 연료의 보급을 위하여 증발가스에 대한 검토가 이루어져야 한다.
	휘발유의 옥탄가 향상제로 쓰이는 물질은 무엇인가?	따라서, 본 연구에서는 자동차의 증발가스와 성능, 환경성에 대해 살펴보고자 하였으며, 연료의 옥탄가 향상제로 쓰이는 바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 ETBE (Ethyl Tertia ry Butyl Ether), MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)가 환경에 미치는 문제점에 대해 살펴보고자 하였다. 주로 휘발유의 옥탄가 향상제로 쓰이는 바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 ETBE, MTBE가 휘발유 연료 특성 중 증발가스에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며, 바이오 연료 특성에 대한 가솔린 자동차의 가속 및 동력 성능을 살펴보았다. 실험결과 증발가스는 최대 1.
	바이오에탄올의 증발가스에 대한 검토가 필요한 까닭은?	특히, 바이오에탄올의 경우 비점이 일정하고 증기압이 높아 연료의 보급을 위하여 증발가스에 대한 검토가 이루어져야 한다. 바이오 에탄올 사용에 따른 증발가스의 증가는 대기 중의 오존 생성을 촉진하여 광화학 스모그 발생의 원인이 될 수 있으며, 높은 증기압으로 인한 냉간시동성 악화와 증기폐쇄를 일으켜 운전성 악화를 초래할 수 있기 때문이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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