[논문]주행모드 및 조건변화에 따른 LPG와 디젤승용차량 배출특성 비교에 관한 연구

김형준; 이종태; 서영호; 홍유덕

doi:10.15435/jilasskr.2017.22.4.185

주행모드 및 조건변화에 따른 LPG와 디젤승용차량 배출특성 비교에 관한 연구
Investigation on the Comparison of Exhaust Emission Characteristics of Passenger Cars using LPG and Diesel Fuel in Variation of Driving Mode and Ambient Conditions 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.22 no.4, 2017년, pp.185 - 189

김형준 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 이종태 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 서영호 (자동차부품연구원) , 홍유덕 (국립환경과학원 교통환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, sales of passenger cars using diesel and LPG fuels were continuously increased in recent years. From now on 2030, the registrated vehicles will close in about twenty five million in Korea. From these reason, Investigation on the comparison of exhaust emission characteristics of passenger cars using LPG and Diesel fuel in variation of driving mode and ambient conditions were conducted in this study. Exhaust emission characteristics of test vehicles were measured and analyzed by using chassis dynamometer and emission analyzer. Also, test vehicles were selected on the diesel vehicle with 1.7L engine and LPG vehicle with 2.0L engine. In order to study on emission characteristics according to driving cycles, CVS-75, NEDC, US06, SC03, Cold-FTP and HWFET were applied and the test conditions were set up the cases of A/C on and hot start. From these results, it is revealed that the NOx emission of diesel vehicle was higher than that of LPG vehicle and the case of CO emission shows the opposite patterns. In the HC emission, the emission increasing patterns not showed but the NOx emission of diesel vehicle and CO emission of LPG vehicle were showed the variation patterns according to the various driving modes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 경유자동차의 경 우에도 2014년부터 강화된 배출허용기준(EURO-6)에 따라 후처리장치들이 추가되고 있어 차량의 배출수준은 낮아지고 있으며 2017년 9월부터 도입된 경유승용차의 실제도로 배출허용기준(RDE-LDV, Real Driving Emission - Light Duty Vehicle)에 따라 제작사에서는 오염물질 배출을 저감시키는 기술을 개발하여야 하며 많은 연구자들도 이에 대한 활발한 연구^(8~11)들을 진행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 판매되는 대표적인 차종을 선정하여 다양한 주행모드와 조건에 따라 LPG 및 경유자동차의 배출가스 특성을 비교하고 분석하였다.
본 연구에서는 다양한 주행모드와 조건변화에 따른 경유자동차와 LPG 자동차의 배출특성에 대하여 측정하고 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

다양한 주행모드에서는 차량간 배출가스 변화를 비교(13)하기 위하여 고속도로 주행모드인 HWFET, –7도 에서 CVS-75모드로 주행하는 Cold FTP모드, 엔진부하와 에어컨의 사용과 관련된 SC03모드, 고속·고부하 운전패턴을 고려한 US06모드로 주행하였다.
또한 배출가스 측정을 위하여 LPG 및 경유자동차의 배기관에서 일정유량으로 샘플링하여 다양한 주행모드의 각 단계별로 포집하여 배출가스를 분석기(CVS-7200s & MEXA7200LE, Horiba)를 통하여 측정하였다.
또한 인증시험모드의 조건변화를 주기위하여 에어컨작동여부 및 예열상태(Hot Start)를 반영하여 추가로 시험을 진행하였다.
또한 배출가스 측정을 위하여 LPG 및 경유자동차의 배기관에서 일정유량으로 샘플링하여 다양한 주행모드의 각 단계별로 포집하여 배출가스를 분석기(CVS-7200s & MEXA7200LE, Horiba)를 통하여 측정하였다. 배출가스 분석은 각 주행모드 및 조건에 따라 현재 배출허용기준으로 규제하고 있는 오염물질을 대상으로 측정, 비교하였다.
본 연구에서는 다양한 주행모드와 조건들에 따른 LPG 및 경유자동차의 배출가스 특성을 비교 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 실험장치를 사용하여 측정하였다. 차량의 부하와 구동을 위한 차대동력계(Chassis dynamometer 48'' compact 4WD, AVL)와 다양한 주행모드를 구현할수 있는 운전보조시스템(CRSD-7000 & VETS-7000NT, Horiba) 및 가변송풍팬을 통해 시험을 수행하였다.
주행조건에 따른 경유자동차와 LPG자동차 간의 배출 특성을 비교하기 위하여 경유자동차 인증시험모드에서 3가지 시험조건(A/C 작동여부, 예열조건, 동시적용)을 변경하였으며 그 결과를 Fig. 4에서 보여주고 있다. 경유자동차의 질소산화물(NOx)의 배출량은 LPG 차량보 다 두드러지게 높게 나타났는데 이는 최근 적용되는 별도의 질소산화물 저감장치 없이 배출가스재순환장치 (EGR)만으로 저감하기 때문인 것으로 판단된다.
차량의 부하와 구동을 위한 차대동력계(Chassis dynamometer 48'' compact 4WD, AVL)와 다양한 주행모드를 구현할수 있는 운전보조시스템(CRSD-7000 & VETS-7000NT, Horiba) 및 가변송풍팬을 통해 시험을 수행하였다.

이론/모형

현재 대기환경보전법 시행규칙 별표17⁽¹²⁾에 따라 국내의 LPG 및 경유자동차의 인증주행모드는 CVS-75 및 ECE15+EUDC(NEDC)로 규정되어 있어 본 연구에서도 해당 시험모드를 포함하였다. 또한 인증시험모드의 조건변화를 주기위하여 에어컨작동여부 및 예열상태(Hot Start)를 반영하여 추가로 시험을 진행하였다.

성능/효과

(1) 차종별 연료에 따른 인증시험모드에서는 경유자동차의 질소산화물이 LPG 자동차보다 높게 나타났으며 LPG 자동차의 일산화탄소가 경유자동차보다 높았다.
(2) 탄화수소의 경우 연료에 따라 주행모드에 따른 배출량 변화가 나타나지 않았으나 경유자동차의 질소산화물과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 경우 주행모드 특성을 반영하여 증가하였다.
(3) 이산화탄소의 배출량은 경유자동차 및 LPG자동차 모두 유사한 패턴을 보여주고 있으며 주행모드에 따라서는 HWFET에선 가장 낮게 나타났으며 SC03에서의 배출량이 가장 높았다.
경유자동차 인증시험모드 대비 가감 속구간이 많아 경유자동차의 경우 질소산화물(NOx) 배출량이 크게 증가하였으나 가솔린 자동차의 경우에는 모드 중간에 고온시동구간의 포함으로 배출량은 오히려 낮게 나타났다. 따라서 경유자동차 인증시험모드와 유사한 패턴으로 경유자동차가 질소산화물(NOx) 배출량이 LPG 자동차에 비하여 현저히 높게 나타났으며 일산화탄소(CO)의 경우는 LPG 자동차가 약간 높게 나타났다.
하지만 급가감속, 고부하 조건을 감안한 US06모드에서는 배출량이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 계절의 영향을 반영할 수 있는 SC03(여름), Cold FTP(겨울) 두 모드에서도 경유자동차의 질소산화물(NOx)과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 증가를 확인할 수 있었다. 특히 겨울철의 주행모드를 구현한 Cold FTP 모드에서의 배출량이 눈에 띄게 증가하였는데 이는 경유자동차의 경우는 실화를 방지하기 위한 배출가스 재순환장치의 작동율을 낮추거나 흡입되는 공기의 온도가 낮아 열효율의 감소가 원인으로 생각된다.
이는 LPG연료의 탄소함유량은 디젤연료보다 적으나 연소 효율이 낮아 같은거리 주행 시 이산화탄소의 배출량이 높은 것으로 판단된다. 또한 비교적 주행패턴이 단순한 NEDC 모드나 HWFET 모드에서는 큰 차이를 보이지 않았으나 고부하 또는 온도조건이 반영된 모드들에서는 그 차이가 큰 것으로 나타났다.
이는 냉간시동때보다 열간시동 시 배기가스온도가 상승되어 삼원촉 매가 활성화된 것으로 판단된다. 또한, 에어컨작동 시에는 경유자동차의 경우 부하량의 증가로 질소산화물 (NOx)의 배출량이 증가하였으나 LPG 차량의 경우는 뚜렷한 증가패턴을 보이지는 않았다.
7에 보여주고 있다. 이산화탄소(CO₂)의 배출량은 경유자동차 및 LPG자동차 모두 유사한 패턴을 보여주고 있으며 주행모드에 따라서는 HWFET에선 가장 낮게 나타났으며 SC03에서의 배출량이 가장 높았다. 전반적으로 LPG 자동차에서의 이산화탄소(CO2) 배출량이 경유자동차보다 높게 나타났다.
하지만 주행모드 특성을 그대로 반영하는 오염물질은 경유자동차의 질소산화물(NOx)과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 변화가 뚜렷하다. 일정한 고속조건을 모사한 HWFET 모드에서는 두 자동차 모두 낮은 배출량을 보이는 것으로 나타났다. 하지만 급가감속, 고부하 조건을 감안한 US06모드에서는 배출량이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	겨울철의 주행모드를 구현한 Cold FTP 모드에서 LPG 차량의 CO 증가 이유는 무엇인가?	특히 겨울철의 주행모드를 구현한 Cold FTP 모드에서의 배출량이 눈에 띄게 증가하였는데 이는 경유자동차의 경우는 실화를 방지하기 위한 배출가스 재순환장치의 작동율을 낮추거나 흡입되는 공기의 온도가 낮아 열효율의 감소가 원인으로 생각된다. LPG 자동차의 경우는 냉간 시동에 따른 삼원촉매의 활성화의 영향으로 판단된다.
	LPG자동차의 현재와, 전망은 어떠한가?	특히 LPG자동차의 경우에는 국내의 연료정책에 따라 경유 및 가솔린연료 보다 저렴하여 경제 성면에서 우수하여 보급이 증대되고 있다. 최근에는 LPG자동차는 영업용이나 장애인용으로 구매가 제한되어 있으나 5인승 SUV 차량도 일반인이 구매가능하도록 하는 제도가 논의중에 있어 보급대수는 지속적으로 증가될 전망이다. 아울러, 국내의 택시의 거의 대부분은 LPG 연료를 사용하고 있으며 차량 한 대당 주행거리가 길어 실제로 배출되는 오염물질에 대한 연구(2)가 필요한 실정이다.
	오염물질에 대한 주행모드에 따른 배출량 변화는 어떠한가?	(2) 탄화수소의 경우 연료에 따라 주행모드에 따른 배출량 변화가 나타나지 않았으나 경유자동차의 질소산화물과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 경우 주행모드 특성을 반영하여 증가하였다.

참고문헌 (13)

국토교통부, "자동차 등록대수 2016년 말, 2천 2백만대 육박", 보도자료, 2017.1.17.
P. Geng, E. Cao, Q. Tan, L. Wei, "Effects of alternative fuels on the combustion characteristics and emission products from diesel engines: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 71, 2017, pp. 523-534.

상세보기
K. Kim, J. Kim, S. Oh, C. Kim, Y. Lee, "Lower particulate matter emissions with a stoichiometric LPG direct injection engine", Fuel, Vol. 187, 2017, pp. 197-210.

상세보기
C-L. Myung, Y. Lim, S. Kim, J. Lee, K. Choi, S. Park, "Mobile source air toxic emissions from direct injection spark ignition gasoline and LPG passenger car under various in-use vehicle driving modes in Korea", Fuel Processing Technology, Vol. 119, 2014, pp. 19-31.

상세보기
C. Cinar, F. Sahin, O. Can, A. Uyumaz, "A comparison of performance and exhaust emissions with different valve lift profiles between gasoline and LPG fuels in a SI engine", Applied Thermal Engineering, Vol. 107, 2016, pp. 1261-1268.

상세보기
K. Kim, J. Kim, S. Oh, C. Kim, Y. Lee, "Evaluation of injection and ignition schemes for the ultra-lean combustion direct-injection LPG engine to control particulate emissions", Applied Energy, Vol. 194, 2017, pp. 123-135.

상세보기
T. Y. Kim, C. Park, S. Oh, G. Cho, "The effects of stratified lean combustion and exhaust gas recirculation on combustion and emission characteristics of an LPG direct injection engine", Energy, Vol. 115, 2016, pp. 386-396.

상세보기
M. Gumus, "Effects of volumetric efficiency on the performance and emissions characteristics of a dual fueled (gasoline and LPG) spark ignition engine", Fuel Processing Technology, Vol. 92, 2011, pp. 1862-1867.

상세보기
C. F. Lau, A. Rakowska, T. Townsend, P. Brimblecombe, T. L. Chan, Y. S. Yam, G. Mocnik, Z. Ning, "Evaluation of diesel fleet emissions and control policies from plume chasing measurements of on-road vehicles", Atmospheric Environment, Vol. 122, 2015, pp. 171-182.

상세보기
T. Lee, J. Park, S. Kwon, J. Lee, J. Kim, "Variability in operation-based NOx emission factors with different test routes, and its effects on the real-driving emissions of light diesel vehicles", Science of the Total Environment, Vol. 461-462, 2013, pp. 377-385.

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S. Kwon, Y. Park, J. Park, J. Kim, K-H. Choi, J-S. Cha, "Characteristics of on-road NOx emissions from Euro 6 light-duty diesel vehicles using a portable emissions measurement system", Science of the Total Environment, Vol. 576, 2017, pp. 70-77.

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법제처, 대기환경보전법 시행규칙.
J. Kim, K. Choi, C-L. Myung, Y. Lee, S. Park, "Comparative investigation of regulated emissions and nanoparticle characteristics of light duty vehicles using various fuels for the FTP-75 and the NEDC mode", Fuel, Vol. 106, 2013, pp. 335-343.

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저자의 다른 논문 :

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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