[논문]주행모드별 경유 중형화물자동차의 온실가스 배출 특성 연구

홍희경; 정택호; 정성운; 김선문; 서석준; 김인구; 이상은; 이승환; 김정화; 홍유덕; 문선희

doi:10.7316/khnes.2019.30.1.76

주행모드별 경유 중형화물자동차의 온실가스 배출 특성 연구
A Study on the Emission Characteristics of Greenhouse Gas from Diesel Medium Duty Trucks According to Driving Modes 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.1, 2019년, pp.76 - 82

Abstract ▼ AI-Helper

This study was investigate the characteristics of GHGs ($CO_2$, $CH_4$, and $N_2O$) emissions of diesel medium duty trucks according to their various driving modes. GHGs emissions decreased as vehicle speed increased, and emissions increased after 64.7 km/h. The 4.5 ton trucks show higher values of $CO_2$, $CH_4$, $N_2O$, 35%, 25%, and 57%, respectively, comparing of the 2.5 ton trucks. Also, $CO_2$ emissions under WHVC mode were 20% lower than those under the NEDC mode. In the case of cold start condition, $CO_2$ emissions were 12-13% higher than those for hot start condition. In the future, the result of present study will provide basic data to set up GHGs emission standards for medium and heavy duty vehicles.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Driving test modes: (a) NIER 7, (b) NEDC, (c) WHVC
표 Table 1. Specification of test vehicles
그림 Fig. 2. Schematic diagram for vehicle exhaust emission test system
그림 Fig. 3. Overview of chassis dynamometer
표 Table 2. Specification of each driving modes
그림 Fig. 4. Emission characteristics of GHGs according to vehiclespeeds. (a) CO₂, (b) CH₄, (c) N₂O
표 Table 3. Specifications of chassis dynamometer
표 Table 4. Specifications of exhaust gas analyzer
표 Table 5. Analysis conditions of GC
그림 Fig. 5. Comparison of GHGs emissions according to emission standards. (a) CO₂, (b) CH₄, (c) N₂O
그림 Fig. 6. Characteristics of CO₂ emissions under NEDC andWHVC modes
그림 Fig. 7. Characteristics of CO₂ emissions for cold and hot startconditions
그림 Fig. 8. CO₂ emissions and fuel efficiency according to vehiclespeeds. (a) 2.5 ton vehicle, (b) 4.5 ton vehicle

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 Euro 5 경유 중형화물자동차를 대상으로 주행모드별 온실가스 배출 특성을 연구하였으며 향후 중·대형자동차 온실가스 기준설정을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

N₂O는 당량비와 실린더온도에 의하여 크게 영향을 받으며¹⁰⁾ NOx의 불완전환원에 의하여 생성된다. 고속에서 증가하는 N2O는 엔진의 고온에 따른 thermal NOx에 의한 것으로 사료된다. NOx는 대부분이 thermal NOx에 기인하 는데 이것은 주로 연소온도 및 연소영역에서 산소의 농도가 높을 때, 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 많이 발생한다고 알려져 있다¹¹⁾.
NOx는 대부분이 thermal NOx에 기인하 는데 이것은 주로 연소온도 및 연소영역에서 산소의 농도가 높을 때, 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 때 많이 발생한다고 알려져 있다¹¹⁾. 차량중량이 증가하면 도로 마찰력 등에 의하여 엔진에 가해지는 부하량이 증가함에 따라 연료소비량이 많아진다. 이에 따라 2.

제안 방법

본 연구에서는 경유 중형화물자동차를 대상으로 다양한 주행모드를 사용하여 각 모드에 대한 온실가스 배출 특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
시동 조건에 따른 CO₂ 변화 수준을 확인하기 위하여 시험차량을 일정한 온도/시간(25±5℃, over 12-36 hours) 동안 충분히 안정화 후 도심지역의 평균 차속을 고려하여 NIER 7 모드를 적용하여 시험하였으며 Fig. 7에 열간 및 냉간시동 조건에서의 CO₂ 결과를 나타내었다.
시험차량이 차대동력계의 롤러 위에서 각 시험모드를 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(constant volume sampler, CVS)에서 일정량의 공기로 희석한 후 대형 시료채취백에 채취된 배출가스를 분석기로 분석하였다. CO₂는 비분산적외선분석법(nondipersive infraed, NDIR), CH₄는 열식불꽃이온화검출기법(heated flame ionization de-tector, HFID)을 이용하였으며 배출량은 주행거리당 중량단위(g/km)로 환산하여 산정하였다.

대상 데이터

N₂O는 차량시험을 하는 동안 대형 시료채취백에 포집된 배출가스를 5 L 테들러백(tedlar bag)에 시료채취하였으며 자동차 배출오염물질 외 희석공기도 동시에 포집하였다. 시료는 pulsed discharge helium ion-ization detector (PDHID)가 부착된 gas chromatography를 이용하여 분석하였으며 Tables 3-5에 분석장비의 제원과 분석 조건을 나타내었다.
경유 중형화물자동차의 배출 특성을 분석하기 위하여 적용한 시험모드는 국립환경과학원에서 국내 운행 조건을 반영하여 개발한 차속모드인 National Institute of Environ-mental Research (NIER) 모드로 본 연구에 사용된 평균 차속은 4.7, 10.4, 23.5, 45.0, 64.7, 80.5, 94.8 km/h의 7개 모드이다. 또한 경유자동차의 규제시험모드인 New European Driving Cycle (NEDC) 모드와 중·대형 트럭의 국제 표준화 모드인 Worldwide Harmonized Vehicle Chassis dynamometer test (WHVC) 모드를 적용하여 분석하였다.
본 연구에서는 국토교통부의 국내 자동차등록대수 자료를 이용하여 차종별 점유율을 고려하여 자동차 관리법에 따라 최대적재량 1톤 초과 5톤 미만인 Euro 5 기준의 2.5톤 3대, 4.5톤 2대의 차량을 선정, 화물적재 중량 50%를 반영하여 각 2회씩 시험하였다. 시험 차량의 제원은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

시험차량이 차대동력계의 롤러 위에서 각 시험모드를 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(constant volume sampler, CVS)에서 일정량의 공기로 희석한 후 대형 시료채취백에 채취된 배출가스를 분석기로 분석하였다. CO₂는 비분산적외선분석법(nondipersive infraed, NDIR), CH₄는 열식불꽃이온화검출기법(heated flame ionization de-tector, HFID)을 이용하였으며 배출량은 주행거리당 중량단위(g/km)로 환산하여 산정하였다.
8 km/h의 7개 모드이다. 또한 경유자동차의 규제시험모드인 New European Driving Cycle (NEDC) 모드와 중·대형 트럭의 국제 표준화 모드인 Worldwide Harmonized Vehicle Chassis dynamometer test (WHVC) 모드를 적용하여 분석하였다. NEDC 모드는 시내 주행모드와 고속도로 주행모드가 연속으로 구성된 모드이며, WHVC 모드는 실도로 운행 특성을 반영하여 도시(urban), 교외(rural), 고속도로 (motorway)를 구성하여 만든 모드이다.

성능/효과

1) 차속별 온실가스 배출 특성 결과 평균 차속이 증가할수록 CO₂, CH₄, N₂O 배출량은 감소하였고 일정 차속(64.7 km/h) 이후에는 배출량이 다소 증가하였다.
2) 주행모드에 따른 CO₂ 배출 특성 결과 NEDC 모드 대비 WHVC 모드에서 약 20% 낮게 배출되었다.
3) 열간 및 냉간시동 조건에 따른 CO₂ 배출 특성 결과 냉간시동시 약 12-13% 배출량 증가를 확인하였다.
5는 기존 Euro 4 경유 중형화물자동차의 측정 자료¹²⁾를 일부 활용하여 자동차 규제물질 배출허용 기준 강화에 따른 온실가스 배출 특성을 나타낸 그림이다. Euro 4 대비 Euro 5 차량은 물질별 차이를 보이며 배출량이 감소하였으나 감소폭이 크지 않고 CH₄과 N₂O는 배출수준이 낮아 배출허용기준 강화가 온실가스 배출 저감에 미치는 영향은 크지 않다고 보여진다.
7 km/h) 이후에는 배출이 다소 증가하였다. 공회전 및 감속이 많은 저속 구간에서는 연료의 미연소로 인하여 주행거리 당 연료 소비량이 증가하여 CO₂가 많이 배출되었고, 차속이 증가하면서 연료의 완전연소 가능성이 커져 CO₂ 배출량이 감소한 것으로 판단된다. CH₄는 저속주행시 낮은 공연비로 인하여 산소부족으로 연소효율이 낮아지고 불완전연소가 생성되면서 배출량이 많아지고⁶⁾ 고속에 서는 연소실 온도가 상승하면서 촉매가 활성화되어 CH4 배출량이 감소한 것으로 판단된다.
6에 경유자동차 규제모드와 국제표준화 주행 모드의 CO₂ 결과를 나타내었다. 모드 전반적으로 차량 중량이 증가함에 따라 CO₂ 배출량은 약 47-48% 증가함을 확인하였으며, 이는 차량중량에 따른 연료소비율의 증가에 따른 것으로 판단된다. 2.
8에 CO₂ 배출량과 연비를 비교하여 나타내었다. 자동차에서 배출되는 CO₂는 차량의 연비와 반비례하는 등 연료소비와 밀접한 상관관계를 가지며 연비가 좋을수록 CO₂ 배출량은 감소하는 경향을 나타냈다. 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차대동력계란?	차대동력계는 가속, 감속, 정속, 정지 등의 실제 도로 주행을 모사하여 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 주는 장치이며 차대동력계 배출가스 측정장치는 Fig. 2 와 같이 차대동력계, 보조운전장치, 희석터널, 입자 상물질측정장치, 정용량시료채취장치, 배기가스분석 기로 구성되어있다.
	대형자동차의 온실가스 배출허용기준 규제가 이루어지지 않는 이유	우리나라는 환경부 고시 제2017-225호 「자동차 평균에너지소비효율기준 온실가스 배출허용기준 및기준의 적용 관리 등에 관한 고시」에 따라 승용자동차및 승합자동차로서 승차인원이 15인승 이하이고 총 중량이 3.5톤 미만인 자동차에 한하여 배출규제를 적용 하고 있으나, 소형자동차에 비하여 배기량과 중량이 크고 1일 주행거리가 길어 차량대수가 적음에도 불구 하고 전체 자동차 온실가스의 약 30%를 차지하는 대형자동차의 경우 규제가 이루어지고 있지 않다9).
	차속별 온실가스 배출 특성은?	4는 차속별 온실가스 배출 특성을 나타낸 그림이다. 평균 차속이 증가할수록 CO2, CH4, N2O 배출량은 감소하였고 일정차속(64.7 km/h) 이후에는 배출이 다소 증가하였다. 공회전 및 감속이 많은 저속 구간에서는 연료의 미연소로 인하여 주행거리 당 연료 소비량이 증가하여 CO2가 많이 배출되었고, 차속이 증가하면서 연료의 완전연소 가능성이 커져 CO2 배출량이 감소한 것으로 판단된다. CH4는 저속주행시 낮은 공연비로 인하여 산소부족으로 연소효율이 낮아지고 불완전연소가 생성되면서 배출량이 많아지고6) 고속에 서는 연소실 온도가 상승하면서 촉매가 활성화되어 CH4 배출량이 감소한 것으로 판단된다.

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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