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문제 정의
- 본 논문은 경유 승용차의 NOx 배출규제와 관련된 법규 제‧개정 및 효율적인 정책 운영 근거 마련, NOx 저감장치에 따른 한계점과 극복 방안을 논하기 위하여 현행 인증 모드(NEDC 모드) 및인증 모드 외 다양한 기타 배출가스 시험 조건 (시험모드 및 시험온도)에서 LNT와 SCR을 적용 하여 Euro 6a 및 6b 규제를 만족한 4대의 디젤 승용차를 대상으로 NOx 배출량 수준과 배출특성을 파악하였다. 이와 더불어 본 논문의 시험실 NOx 배출량과 본 논문과 동일차량으로 연구를 수행한타 연구논문의 실도로 NOx 배출량 연구결과8) 를비교하여 실효성 있는 NOx 배출량 측정방법에 대하여 논하였다.
- 본 논문은 경유 승용차의 NOx 배출규제와 관련된 법규 제‧개정 및 효율적인 정책 운영 근거 마련, NOx 저감장치에 따른 한계점과 극복 방안을 논하기 위하여 현행 인증 모드(NEDC 모드) 및인증 모드 외 다양한 기타 배출가스 시험 조건 (시험모드 및 시험온도)에서 LNT와 SCR을 적용 하여 Euro 6a 및 6b 규제를 만족한 4대의 디젤 승용차를 대상으로 NOx 배출량 수준과 배출특성을 파악하였다. 이와 더불어 본 논문의 시험실 NOx 배출량과 본 논문과 동일차량으로 연구를 수행한타 연구논문의 실도로 NOx 배출량 연구결과8) 를비교하여 실효성 있는 NOx 배출량 측정방법에 대하여 논하였다.
제안 방법
- LNT를 장착한 차량 A와 B가 NEDC 14℃의 시험조건에서 배출한 NOx는 0.256 g/km 및 0.174 g/km로 규제값 대비 약 3.2배 및 2.1배의 NOx를 배출하였으며, WLTC 14℃의 조건에서는 0.440 g/km 및 0.144 g/km로 규제값 대비 약 5.5배 및 1.4배의 NOx를 배출하였다.
- 그리고 대기온도에 따른 NOx 배출량 영향을 분석하기 위하여 NEDC 및 WLTP, FTP 모드에서 시험온도를 저온과 고온으로 변경하여 배출가스를 측정하였다. 시험온도 및 사이클이 적용된 차량은 Table 5에 나타내었다.
- 본 논문의 시험대상 차량이 Euro 6 만족을 위하여 LNT 또는 SCR을 장착하였음에도 불구하고 낮은 시험온도에서 배출량이 크게 증가한 원인을 분석하기 위하여 각 시험에서 차량의 배출가스가 희석된 정용량 시료채취관(CVS)에서 실시간 NOx 농도를 측정하였다. Fig.
- 본 연구는 국내 경유 승용자동차 실도로 배출 가스 관련 법규 제․개정 근거 마련 및 효율적인 환경정책 제언을 위하여 수행된 연구로서, De-NOx 적용 기술별 4대의 차량(Euro 6a~6b 만족)을대상으로 다양한 시험실 Off-cycle 모드 (WLTC(-7℃, 14℃, 23℃), NEDC(-7℃, 14℃, 23℃), FTP-75, HWFET, US06, SC03, Cold FTP, CADC(Artemis))에서 NOx 배출량을 측정하고 주요 배출량 증가 원인등 배출특성을 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구를 위하여 Fig. 1과 같이 시험실 상에 설치된 차대동력계와 배출가스 분석기로 이루어진 차대동력계 시스템을 사용하였다.
- 본 연구에서 시험차량은 NEDC 모드와 더불어 미국의 5-cycle(FTP-75, HWFET, US06, SC03, Cold FTP) 모드, 유럽의 NEDC 및 WLTC, CADC (Artemis) 모드에서 배출가스 수준이 평가되었다. 각 모드의 특징을 Table 4에 나타내었다.
- 시험온도 변화에 따른 NOx 배출특성 분석을 위하여 다양한 시험실 온도조건(-7 및 14, 23℃)에서 각 차량에 NEDC 및 WLTC, FTP 모드를 적용하여 배출가스를 측정하였다. Fig.
- 차대동력계 Off-cycle과 RDE Off-cycle의 차이를 확인하기 위하여 Fig. 6에 본 연구에서 측정한 각차량 및 각 모드에서 배출된 NOx 배출량을 CF(Conformity Factor) 개념으로 온도별로 나타내 었고, 동일한 시험차량으로 RDE 시험을 수행한타 연구8)의 NOx 배출결과를 CF 개념으로 온도별로 나타내었다.
대상 데이터
- 차대동력계는 자동차의 주행속도와 가속도에 상응하는 주행저항과 관성저항을 모사하는 장치이다. 본 시험에 사용된 차대동력계는 AVL사의 AC동력계로 관성중량(Inertia weight), 동력흡수계 (Power absorption unit), 제어기(Controller)로 구성되어 있으며, 상세제원은 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구의 시험을 위하여 사용된 차량은 LNT를 장착한 2.2L 급 디젤 중형 승용차 및 디젤 소형 승용차 각 1대, SCR을 장착한 2.2 L급 및 3.0 L급 디젤 소형 승용차 각 1대로 총 4대이다. 이차량들은 NEDC모드로 배출가스를 측정하는 Euro 6a~b 규제를 만족하는 차량으로 실제도로 주행 배출가스 규제를 포함하는 Euro 6d temp.
성능/효과
- -7℃ 시험온도 조건의 NEDC에서는 1.253 g/km 및 0.881 g/km로 규제값 대비 약 16배 및 11배로 나타났으며, WLTC에서는 1.487 g/km 및 0.905 g/km로 규제값 대비 약 19배 및 11배, FTP에서는 1.516 g/km 및 0.903 g/km로 규제값 대비 약 19배및 11배의 NOx를 배출하는 것으로 나타났다.
- 1) 모든 시험차량이 동일 시험 모드에서 시험 온도가 낮을수록 NOx 배출량이 많았으며, 14℃ 및 -7℃온도조건 시험모드에서 현행 NEDC NOx 배출허용기준(0.08 g/km)을 초과하였다.
- 2) 동일 온도 조건에서는 주행속도계획이 가혹한 시험 모드에서 NOx 배출량이 높은 경향을 나타내었으며 시험차량을 C를 제외한 모든 차량이 US06 및 Artemis 모드에서 0.08 g/km를 초과하였다.
- 3) 모든 차량이 35℃ 외기온도 및 A/C를 작동 하는 SC03모드에서 0.08 g/km을 초과하였다.
- 3.1절과 3.2절에서 Euro 6a~b 경유차가 기존 (NEDC) 또는 향후(WLTC) 인증모드 외 운전영역 (Off-cycle)에서 NOx 배출량이 규제값을 초과하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 시험한 시험 모드들은 각각의 특성을 가지고 있으나, 실제 도로에서 배출가스에 영향을 주는 모든 요소들을 포함하지 않고 있다(실제운전에서 나타나는 광범 위한 엔진사용 영역을 포함하지 않는다).
- 1절에 나타낸 -7℃조건 시험결과보다는 낮았으나 14℃ 조건 배출량보다 높게 나타났다. 3.1절의 온도조건별 결과 및 아래 기술된 시험차량 B(동일엔진을 사용하나 차량중량이 작은)의 결과와 비교하였을때, 시험차량 A의 NOx 배출량은 외기 온도와 모드 가혹도에 의한 영향을 동시에 받고 있는 것으로 판단된다.
- 상온시험 및 냉간 시동을 포함한 모드에서는 Artemis(150) > Artemis(130) > FTP-75 > WLTC(23℃) > NEDC 순으로 높게 나타났고 냉간 시동을 포함하지 않은 모드에서는 SC03 > US06 ≫ HWFET 순으로 나타 났다. 3.1절의 온도조건별 결과와 더불어 종합적인 결과를 고려해 보면 시험차량 D는 시험차량 C 차량보다 시험온도에 NOx 배출량이 다소 낮게 영향을 받고 있으나 온도의 영향이 가장 큰 것으로 나타났고, 시험차량 C와 달리 모드의 가혹도에도 온도의 영향과 동등 수준으로 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 1절에 기술한 14 및 -7℃ 온도조건보다 높은 배출량을 보였고, US06 모드는 -7℃조건 시험결과보다 낮았으나 나머지 14℃조건 보다는 높게 나타났다. 3.1절의 온도조건별 결과와 위 결과를 종합해 볼 때 시험차량 B는 모드 가혹도보다 외기온도 또는 에어컨 사용에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 4) LNT 장착 차량 대비 SCR 장착 차량이 대부 분의 동일 모드에서 정량적인 NOx 배출량이 낮았다.
- LNT를 장착한 시험차량 B의 시험결과를 살펴 보면 NEDC 및 HWFET를 제외한 나머지 모드에서 NEDC NOx 배출허용기준 (0.08 g/km)을 모두 초과하였다. 다만 시험차량 A 대비 SC03 모드를 제외한 모든 시험모드에서 낮은 배출량을 보이고 있다.
- Urea–SCR을 장착한 차량 C와 D가 WLTC 14℃ 조건에서 배출한 NOx는 0.090 g/km 및 0.118 g/km로 규제값 대비 약 1.1배 및 1.5배의 NOx를 배출하였고 차량, D의 FTP 14℃ 조건 NOx 배출 량은 0.085 g/km로 규제값보다 다소 높게 측정되었다.
- 08g/km) 이하의 배출량을 보였다. 그러나 적용된 시험실 온도가 낮아질수록 NOx 배출량은 증가하였으며 0.08 g/km를 초과하는 NOx를 배출하였다.
- 냉간 시동성을 포함하지 않은 모드의 배출량은 SC03 > US06 ≫ HWFET 순으로 높게 나타났으며, SC03 모드는 3.1절에 기술한 14 및 -7℃ 온도조건보다 높은 배출량을 보였고, US06 모드는 -7℃조건 시험결과보다 낮았으나 나머지 14℃조건 보다는 높게 나타났다.
- 상온 23℃의 냉간 시동성을 포함한 모드의 배출량은 Artemis(150) > Artemis(130) > FTP-75 > WLTC > NEDC 순으로 높게 나타나 FTP-75와 WLTC를 제외하고 모드의 가혹도(가속도)가 높은 순서와 일치하였다. 냉간 시동성을 포함하지 않은 모드의 배출량은 US06 = SC03 ≫ HWFET 순으로 높게 나타났고, US06과 SC03의 배출량은 3.1절에 나타낸 -7℃조건 시험결과보다는 낮았으나 14℃ 조건 배출량보다 높게 나타났다. 3.
- 마지막으로 SCR을 장착한 시험차량 D의 NOx 배출량을 살펴보면 시험차량 C와 같이 LNT를 장착한 두 차량보다 상대적으로 낮은 NOx 배출량을 보이고 있다. 그러나 US06, SC03, Artemis(130, 150) 모드에서 0.
- 모드 전체의 NOx 배출량은 SC03 > Artemis(150) > US06 = FTP-75 > NEDC > Artemis(130) > WLTC > HWFET 순으로 높게 나타났다.
- 모드 전체의 NOx 배출량은 SC03 > US06 > Artemis(150) > Artemis(130) > FTP-75 > WLTC > NEDC > HWFET 순으로 높게 나타났다.
- 상온시험 및 저온 시동을 포함한 모드에서는 Artemis(150) > FTP-75 > NEDC > Artemis(130) > WLTC(23℃) 순으로 높게 나타나 모드 가혹도 순서와는 무관한 결과를 나타내었으며, 저온시동성을 포함하지 않은 모드의 배출량은 SC03 ≫ US06 > HWFET 순으로 높게 나타나 시험차량 C는 외기온도 또는 에어컨 사용에 의한 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
- 시험대상 차량의 인증모드인 NEDC 23℃ 시험 조건에서 모든 차량이 Euro 6 NOx 규제값(0.08g/km) 이하의 배출량을 보였다. 그러나 적용된 시험실 온도가 낮아질수록 NOx 배출량은 증가하였으며 0.
- 4 (a)에 도시한 WLTC에서 시험차량 C의 배출농도를 살펴보면, 온도조건이 낮을수록 초기 냉간 시동 후 NOx의 농도가 높고 약 300초까지 높은 농도가 지속되고 이후부터는 낮은 농도를 유지하고 있다. 엔진 및 후처리장치가 예열 되었다고 판단되는 300초 이후부터 1,500초의 NOx 농도는 3가지 온도조건이 유사하게 나타났으나 -7℃ 조건의 Phase 4 운전구간에서 급격한 NOx 농도 증가가 나타났다. 이 구간의 다른 배출 가스(CO 및 THC, PN) 실시간 농도확인 결과 DPF 재생에서 나타나는 형태의 배출량 증가가 나타나지 않아 DPF 재생에 의한 NOx 농도 증가는 아닌 것으로 판단되며, 저온조건에서 고부하(또는 고속) 영역에서 차량 자체의 EGR 및 SCR 제어전략이 최적화되지 않음으로써 발생된 것으로 판단된다.
- 위 결과를 살펴보면 시험온도가 낮아짐에 따라 선형에 가깝게 NOx 배출량이 상승하였으며, LNT를 장착한 차량이 Urea–SCR 장착 차량보다 낮은 시험온도에서 NOx 배출량 상승률이 높은 것을 알 수 있다.
- 위 결과를 전제로 분석하였을 때 LNT 차량의 온도가 낮아짐에 따른 NOx 배출량 증가는 어느 수준의 시험온도조건까지 냉간시동에 따른 영향이지만 매우 낮은 온도에서는 EGR 작동 정지 또는 감소에 의한 영향이 큰 것으로 판단된다.
- 위와 같은 이유로 NOx 배출가스 규제는 단계적으로 강화되었지만 실제 대기의 NOx 농도 저감은 배출가스 규제강화 정도보다 둔한 것으로 나타났다.7)
- 엔진 및 후처리장치가 예열 되었다고 판단되는 300초 이후부터 1,500초의 NOx 농도는 3가지 온도조건이 유사하게 나타났으나 -7℃ 조건의 Phase 4 운전구간에서 급격한 NOx 농도 증가가 나타났다. 이 구간의 다른 배출 가스(CO 및 THC, PN) 실시간 농도확인 결과 DPF 재생에서 나타나는 형태의 배출량 증가가 나타나지 않아 DPF 재생에 의한 NOx 농도 증가는 아닌 것으로 판단되며, 저온조건에서 고부하(또는 고속) 영역에서 차량 자체의 EGR 및 SCR 제어전략이 최적화되지 않음으로써 발생된 것으로 판단된다.
- 경유 자동차의 배출 물질 중 가장 심각한 것은 호흡기를 통해 인체에 유입되어 폐암을 유발시킬 수 있는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)과 세계보건기구가 2012년에 1급 발암물질로 규정한 질소산화물(NOx)이다. 입자상 물질은 대부분의 차량에 DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착되면서 획기적으로 저감되었으며, NOx는 배출가스 재순환 장치(EGR, Emission Gas Recirculation) 도입으로 Euro 5 규제 조건(0.18 g/km)까지는 만족시킬수 있었다. 하지만 2014년 Euro 6 규제(0.
후속연구
- Euro 6c 규제 이후부터 디젤 승용차 배출가스 규제 시험모드는 WLTP로 변경됨에 따라 NEDC 모드를 사용하는 Euro 6a 및 6b 규제를 만족하는 차량의 WLTP 모드에서 NOx 배출특성에 대한 연구가 필요하다. 그리고 Euro 6d temp.
- 위 결과를 종합해 볼 때 실도로 배출가스 시험 방법은 실제 도로의 조건(엔진부하)을 반영하는 장점을 가지고 있으나 시험온도조건을 자유롭게 가변하기 어려운 단점을 가지고 있다. 반면 시험실 배출가스 시험방법은 실도로 조건을 반영하기 어려운 단점이 있으나 환경챔버를 이용하여 다양한 시험온도조건을 자유롭게 가변 가능하기 때문에 실도로 시험방법의 단점을 단시간에 보완할수 있는 수단으로 활용 가능 할 것으로 판단된다.
- 위 특성을 이용하여 단일 실도로 부하조건에서 다양한 시험온도를 반영하였을 때도 NOx 배출규제 만족 여부를 확인할 수 있는 보다 효율적인 시험방법 개발이 필요한 것으로 판단된다.
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