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문제 정의
- 온도조건은 국내 여름철 및 겨울철을 모사하고자 하였고, 주행 형태는 다양한 시험조건을 가지고 있으며, 현재 배출가스 및 연비시험 모드인 FTP-75,HWFET, US06, SC03, Cold-FTP-755,6),NEDC 모드를 사용하여 결과를 도출하였다. 마지막으로 가솔린, 경유, LPG의 다른 연료유종을 가지고 있는 동일 배기량 차량에 대하여 시험조건에 따라 온실가스 배출 특성이 어떻게 변하는지를 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서는 각각 다른 기술이 적용된 차량에 대하여 유종별(휘발유, 경유, LPG)로 다양한 시험모드와 시험온도조건 변화가 온실가스 배출량에 미치는 영향에 대해 시험을 진행하고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이에 본 연구에서는 차량에 적용된 기술이 다른 형식의 차량에 대하여 배출오염 물질 중 현재전 세계적으로 규제하고 있는 온실가스에 대하여 살펴보고자 하였다. 특히, 온실가스에 영향을 미치는 연료물성 (동절기 & 하절기) 및 온도조건과 주행 형태 (모드)의 영향을 살펴보았다.
가설 설정
- 11. 각 연료별로 배출가스 저감 기술을 다르게 적용하여야 효과적인 방법이라고 할 수 있겠다.
제안 방법
- 각각의 시험모드에서는 온도 조건을 각각의 모드에서 규정되어 있는 온도조건으로 시험하였고, 온도의 변화에 따른 특성을 확인하기 위해, 35℃, 25 ℃, 0 ℃, - 7 ℃, - 15 ℃, - 25 ℃로 구분하여 각각의 조건에서 시험을 진행하였다.
- 공급되는 연료에 따른 온실가스 등 환경성 평가를 위하여 E차량은 가솔린을 연료로 사용하며 T-GDI (Gasoline Direct Injection) 방식, F차량은 경유를 연료로 사용하며 CRDi와 CatalystDPF (CDPF) 방식, G차량은 LPG를 연료사용하며 LPLi 방식의 차량으로 각 1대를 선정하였으며, Table 2에 나타내었다.
- 특히, 온실가스에 영향을 미치는 연료물성 (동절기 & 하절기) 및 온도조건과 주행 형태 (모드)의 영향을 살펴보았다. 온도조건은 국내 여름철 및 겨울철을 모사하고자 하였고, 주행 형태는 다양한 시험조건을 가지고 있으며, 현재 배출가스 및 연비시험 모드인 FTP-75,HWFET, US06, SC03, Cold-FTP-755,6),NEDC 모드를 사용하여 결과를 도출하였다. 마지막으로 가솔린, 경유, LPG의 다른 연료유종을 가지고 있는 동일 배기량 차량에 대하여 시험조건에 따라 온실가스 배출 특성이 어떻게 변하는지를 확인하고자 하였다.
- 1에 나타내었다. 차량시험은 해당 주행모드 및 온도조건으로 운전하고 주행속도별 실시간 차량 데이터를 획득하였으며, 동시에 배출가스 및 PM 입자, 미규제물질 측정을 CVS 및 배출가스분석기(MEXA-7series), FT-IR 분석기, PM 입자측정 장치로 수행하였다.
- 차량을 차대동력계에서 시험주행 모드로 차량을 운전하고 주행속도별 실시간 배출가스 데이터를 획득하였으며, 배출가스가 담긴 포집백 분석을 통하여 최종 결과를 분석하였다. 시험에 사용된 운전조건 (모드)은 국내 가솔린 자동차의 배출가스 및 연비인증 모드인 FTP-75와 HWFET, 미국 EPA 5-cycle 모드에서 급가·감속 모드인 US06 모드, 에어컨 사용 모드인 SC03 모드, 저온조건에서의 시험인 Cold FTP-75 모드를 사용하였고, 유럽의 연비 및 배출가스 시험모드인 NEDC (ECE15 + EUDC) 모드를 사용하였다.
- 특히, 온실가스에 영향을 미치는 연료물성 (동절기 & 하절기) 및 온도조건과 주행 형태 (모드)의 영향을 살펴보았다.
대상 데이터
- 본 시험 차량이 국내 전체차량을 대변할 수는 없지만 국내에서 판매되는 자동차중 등록대수가 가장 많은 모델과 배기량을 고려하여 가장 많이 선호하고 있는 소형승용차로 결정하였다.
- 시험에 사용된 운전조건 (모드)은 국내 가솔린 자동차의 배출가스 및 연비인증 모드인 FTP-75와 HWFET, 미국 EPA 5-cycle 모드에서 급가·감속 모드인 US06 모드, 에어컨 사용 모드인 SC03 모드, 저온조건에서의 시험인 Cold FTP-75 모드를 사용하였고, 유럽의 연비 및 배출가스 시험모드인 NEDC (ECE15 + EUDC) 모드를 사용하였다.
- 시험에 사용된 차량은 국내에서 양산되고 있으며, 다른 엔진형식을 가지고 있는 가솔린, 경유, LPG 자동차로서 A,B차량은 연료의 공급방식에 따른 특성을 비교하기 위한 것이며, C,D 차량은 연료공급방식과 후처리 장치에 의한 특성을 확인하기 위하여 선정하였으며, Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- Fig. 4 (a) CO2와 (b) CH4 의 결과는 모든모드에서 가솔린, 경유, LPG의 순으로 배출이 적게 나오고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 연료 특성과 연소방식에 따른 것으로 청정연료인 LPG가 CO2 온실가스를 적제 배출하고 있음을 볼 수 있다.
- 와 (b) CH4은 시험온도가 저온으로 갈수록 증가하는데, 전체적으로 큰 변화 없이 A차량(2.0 MPI) 보다 B차량(2.4 GDI)이 많이 배출하고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 앞에서 설명하였듯이 GDI 엔진의 고 배기량, 긴 누적 주행거리 때문에 CO2와 CH4 온실가스가 많이 배출되는 것으로 생각된다.
- Fig. 6 (b) CH4의 배출경향은 CO2 배출경향과 다르게, 고온에서 저온으로 갈수록 감소하고 있는 경향을 보인다. 이러한 특징은 차량에 DPF의 장착 유무에 따라 다른 특성을 보이고 있다고 사료된다.
- DPF를 사용함에 따라 CH4가 전체적으로 감소하고 있다, Fig. 6 (c) N2O 배출경향은 CH4 와 마찬가지로 DPF를 사용함에 따라 증가하고 있으며, 반면 엔진 배기량에 따른 특성은 미미함을 알 수 있다. 하지만, CH4와는 다른 특징은 고온에서 저온으로 갈수록 증가한다는 것이다.
- 1. 가솔린에서 배출가스에 영향을 주는 인자 중의 하나인 증기압은 하절기 연료와 동절기 연료의 결과 53.4 kPa와 65.7 kPa로 동절기 연료가 하절기 연료보다 증기압이 약 23.0 % 정도 증가되어 있는 것을 볼 수 있었다.
- 10. 경유 차량에 있어서는 C차량(2.0 w/o DPF)과 D차량(2.2 w/ DPF)은 최고속 및 급가·감속, 에어컨 사용, 저온 조건의 순이었고, F차량(1.6 w/ DPF)은 저온, 에어컨 사용, 최고속 및 급가·감속 조건의 순으로 확인할 수 있었다.
- 2. 연료유종에 따라서 CO2와 CH4 온실가스의 결과는 모든 모드에서 가솔린, 경유, LPG의 순으로 배출이 적게 나오고 있음을 확인할 수 있었다.
- 3. 시험모드의 종류에 따라서는 대부분의 온실가스가 Cold FTP-75 모드가 가장 안 좋은 결과를 나타내고 있고, NEDC, SC03, US06, FTP-75, HWFET 모드의 순인 것을 확인할 수 있었다.
- 4. CO2 온실가스는 시험온도가 저온으로 갈수록 증가하는데, 전체적으로 큰 변화 없이 배기량이 큰 차량이 많이 배출하고 있는 것을 알 수 있었다.
- 5. CH4의 경우 가솔린과 경유 차량이 반대의 경향을 보이고 있고, N2O 온실가스의 경우에는 차량마다 편차를 보이기는 하지만 뚜렷한 배출경향을 볼 수 없음을 알 수 있었다.
- 6. CH4 은 엔진출력이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다.
- 7. 가솔린 차량 중 A차량(2.0 MPI)과 B차량(2.4 GDI)의 가장 큰 증가 요인은 최고속 및 급가·감속, 에어컨 사용, 저온 조건의 순으로 확인할 수 있었다.
- 8. E차량(1.6 T-GDI)은 에어컨 사용, 최고속 및 급가·감속, 저온 조건의 순으로 확인할 수 있었다.
- 9. G차량(LPLI)은 에어컨 사용, 저온, 최고속 및 급가·감속 조건으로 가솔린 차량과 다른 특성을 나타낸 것을 알 수 있었다.
- 6T-GDI) 보다 반응이 늦고 정밀 제어가 되지 않기 때문으로 생각된다. CO2 온실가스를 감소시키기 위해서는 엔진 다운사이징 기술이 필요할 것으로 생각되며, CH4 온실가스에 대해서는 엔진출력이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 이는 향후 엔진출력 증가와 더 많은 특성 파악, 저감기술의 개발이 필요하다고 할 수 있다.
- C차량(2.0 w/o DPF)과 D차량(2.2 w/ DPF), F차량(1.6 w/ DPF)을 비교하여 보면, 시험에 사용된 차량의 구동 방식 (2.0 w/o DPF 차량 : 전륜 구동, 2.2 w/ DPF 차량 : 사륜 구동)의 차이에 의해 D차량이 많이 배출하고 있는 것을 볼 수 있고, 배기량이 적은 F차량이 가장 낮은 배출 결과를 보이고 있음을 알 수 있다.
- 각각의 연료에 대하여 차량에 적용된 기술적인 면에서 비교하여 보면, A차량(2.0 MPI) 보다 B 차량(2.4 GDI)이, C차량(2.0 w/o DPF) 보다 D 차량(2.2 w/ DPF)이 전체적으로 모든 요인에 대하여 CO2 증가가 적게 나타났지만, 배기량이 적은 차량의 경우 특성이 다르고 증가요인도 더 크게 나타남을 알 수 있다. 신기술을 적용한 차량이 차세대 엔진이고, 전자제어 기술이 발전함으로서 엔진의 부하 응답성도 좋으며 배출가스 및 연비가 개선된 엔진이므로 이러한 결과가 나온 것으로 생각되며, 이에는 엔진 배기량 및 출력의 특성에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
- 6은 경유 시험차량에 대하여 온실가스인 CO2, CH4, N2O 배출가스에 대한 결과를 적용된 시험온도 조건별로 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면, 가솔린 차량과 동일한 경향으로 온도가 고온에서 저온으로 낮아질수록 CO2가 증가하는 경향을 가진다. 하지만, CH4의 경우 감소하는 결과를 보인다.
- Table 3, 4, 5는 시험에 사용된 휘발유와 경유, LPG 연료의 물성시험 결과를 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면, 시험용 연료가 자동차 연료제조기준 적합한 결과를 나타내고 있다.
- 기존의 연구결과에서도 볼 수 있듯이 차량에 적용되는 부하에 따라 전륜인 2륜 구동방식보다 4륜구동이 연비 및 CO2가 안 좋게 나오기 때문이다. 결론적으로 CO2를 감소시키기 위해서는 가솔린 차량과 마찬가지로 차량의 엔진 배기량과 공차중량을 낮게 하고, 구동방식에 있어서도 부하가 적게 걸리는 구동방식을 사용하여야 한다.
- 기존의 연구결과에서도 볼 수 있듯이 차량에 적용되는 부하에 따라 전륜인 2륜 구동방식보다 4륜구동이 연비 및 CO2가 안 좋게 나오고, 고배기량 저출력 엔진, 높은 공차중량 보다 저배기량 고출력 엔진, 낮은 공차중량에서 연비 및 CO2가 좋게 나오고 있음을 알 수 있다. CO2 온실가스의 경우에는 이와 같은 경향을 그대로 유지하고 있는 것을 볼 수 있다.
- 이러한 경향은 저온인 Cold FTP-75에서는 반대의 결과를 보이고 있어, 저온에서 N2O와 CH4 온실가스에 대해서는 배출가스 저감 장치의 특성 및 작동방식에 따라 좀 더 많은 데이터와 분석을 필요로 하겠다. 기존의 연구에서는 N2O는 촉매의 비활성화 영향과 촉매의 귀금속이 증가할수록 증가하는 특징을 가지고, CH4의 경우는 촉매의 산화반응이 증가할수록 증가하며 배출가스의 NMHC의 비율과 관계가 있음을 확인할 수 있다.11,12,13)
- 시험모드별로는 Cold FTP-75 모드와 SC03모드가 가장 많은 배출을 보였고, NEDC, FTP-75, US06, HWFET 모드 순으로 적게 배출되고 있음을 알 수 있다. 이러한 특징은 연료의 연소방식과 엔진 출력 및 토크에 따른 차이라고 할 수 있으며, 앞에서 설명한 시험모드의 각각 특성이 반영된 결과라 할 수 있다.
- 시험에 사용된 각각 연료에 따른 시험 차량 결과를 비교하여 보면, 먼저 가솔린 차량 중 A차량(2.0 MPI)과 B차량(2.4 GDI)의 가장 큰 증가 요인은 최고속 및 급가·감속 조건이고, 에어컨 사용조건, 저온 조건의 순인데 비해 E차량(1.6T-GDI)은 에어컨 사용 조건, 최고속 및 급가·감속 조건, 저온 조건이다.
- 차량에 적용된 기술과 배기량에 따라 다양한 특성을 보이고 있지만, 평균적으로 시험모드의 종류에 따른 비교 결과를 Fig. 2 (b) CH4에서 나타내었듯이 대부분의 온실가스가 Cold FTP-75 모드가 가장 안 좋은 결과를 나타내고 있고, NEDC, SC03, US06, FTP-75, HWFET 모드의 순인 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 모드의 특징을 잘 반영한 것으로 Cold FTP-75 모드는 저온에서 히터를 작동하여 시험함으로서 저온 영향과 엔진부하가 다른 모드에 비해 크기 때문이고, NEDC 모드는 모드 길이는 짧지만, 모드자체에 저속부터 고속 또는 적절한 엔진부하를 사용하기 때문으로 생각된다.
후속연구
- 국내에서도 산업화에 따라 지속적으로 악화되고 있는 배출가스 및 유해물질 저감을 위하여 도로이동 오염원에 대한 배출허용기준 강화를 추진하고 있으며, 특히, 도로이동 오염원의 경우 다양한 운전 및 환경조건에 배출 특성이 상이하게 나타나게 됨으로 이에 대한 연구가 필요하다.1,2)
- 위의 결과를 정리하여 보면, 고속 및 급가·감속, 계절변화에 따른 온도 변화, 각종 부하장치작동에 따른 특성 등에 따라 차량에서 배출되는 온실가스의 특성은 다르게 나타나므로 실제 도로에서 운전되고 있는 상황에 맞추어 차량 시험을 진행할 필요성이 있으며, 온실가스 증가요인에 대한 결과를 분석할 경우에는 각각의 차량이 가지고 있는 엔진 배기량, 출력, 공차중량 등의 특성을 구분하여 온실가스 배출특성 추이나 환경조건검토를 할 필요가 있다고 할 수 있다.
- CO2 온실가스를 감소시키기 위해서는 엔진 다운사이징 기술이 필요할 것으로 생각되며, CH4 온실가스에 대해서는 엔진출력이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 이는 향후 엔진출력 증가와 더 많은 특성 파악, 저감기술의 개발이 필요하다고 할 수 있다.
- 3 (c) N2O 결과는 CH4와 마찬가지로 DPF를 사용함에 따라 증가하고 있으며, 다른 특징은 엔진 배기량에 따른 특성은 미미함을 알 수 있다. 이러한 경향은 저온인 Cold FTP-75에서는 반대의 결과를 보이고 있어, 저온에서 N2O와 CH4 온실가스에 대해서는 배출가스 저감 장치의 특성 및 작동방식에 따라 좀 더 많은 데이터와 분석을 필요로 하겠다. 기존의 연구에서는 N2O는 촉매의 비활성화 영향과 촉매의 귀금속이 증가할수록 증가하는 특징을 가지고, CH4의 경우는 촉매의 산화반응이 증가할수록 증가하며 배출가스의 NMHC의 비율과 관계가 있음을 확인할 수 있다.
- 가솔린 차량의 온도에 따른 특성은 약간의 차이를 보이고는 있지만 대체적으로 유사한 경향을 가지며, 저온으로 갈수록 증가하는 경향은 온실가스에서도 동일한 경향을 가지게 된다. 향후에 좀 더 많은 차량에 대한 데이터가 확보하여 분석을 해야 되겠지만, 현재의 온실가스 결과만을 가지고 정리해 보면 낮은 온도에 따른 차량 온실가스 배출 등에 대해 대책을 강구할 필요가 있다고 할 수 있다.
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