[논문]중형트럭에서 발생하는 배출가스 중 미량유해물질 발생 특성 연구

임윤성; 문선희; 이종태; 동종인

doi:10.15435/jilasskr.2019.24.1.21

중형트럭에서 발생하는 배출가스 중 미량유해물질 발생 특성 연구
A Study on the MSATs (Mobile source Air Toxics) Contribution from MDTs (Medium-duty Trucks) Exhaust Emission 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.24 no.1, 2019년, pp.21 - 26

임윤성 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 문선희 (서울시립대학교 일반대학원 환경공학과) , 이종태 (서울시립대학교 일반대학원 환경공학과) , 동종인 (국립환경과학원, 서울시립대학교 일반대학원 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, Medium-duty trucks are classified into GVW (Gross Vehicle Weight) 3.5~10tons. MDTs are mostly used for logistics or delivery between regions. There have been studied on diesel fuel vehicles for SUVs(Sports Utility Vehicle) or light-duty trucks. But MDTs have been not studied. Therefore, this study have been used MDTs for characteristic exhaust emission. Test was carried out using the certification test mode (NEDC, New European Driving cycle) and the NIER mode in chassis dynamometer of the MDTs. And emission gas was analyzed for PN (Particulate Number), PN size distribution and aldehydes, VOCs (Volatile Organic Compounds), PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). This paper concluded that EURO-IV trucks produced more MSATs than EURO V trucks. Depending on the engine temperature, more MSATs were generated in cold temperature than in the hot start operation. However, the driving speed, the opposite results was obtained.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Schematic Diagram of Vehicle Test System
표 Table 1 Specifications of chassis dynamometer
표 Table 2 Medium Duty Truck Specification
표 Table 3 WHVC, NEDC, NIER-7mode Test Cycle
표 Table 4 Analytical conditions of TD and GC/MSD
그림 Fig. 2 Distribution of Particle size and PN by NEDC
표 Table 5 Analytical conditions of GC/MSD
그림 Fig. 3 Results of Particle Number by NEDC and NIER Mode
그림 Fig. 4 Results of THC Emission Ratio
그림 Fig. 5 Results of BTEX Ratio by NEDC and WHVC
그림 Fig 6. Result of PAHs Aromatic Rings Ratio

AI 본문요약
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문제 정의

중형트럭은 대부분 지역간의 배송, 운반 등에 활용이 되며, 활용측면에 있어서도 중장거 리용으로 이용되어 있어서 운행거리와 운전시간이 일반 소형차량보다는 높은 것으로 조사되고 있다. 따라서 이번연구에서는 중형트럭을 대상으로 입자상물질의 크기별 발생특성과 유해물질의 발생정도에 대해 조사하였다.

제안 방법

차량의 배출특성을 확인 하기 위해 사용한 주행시험방법은 NIER모드와 NEDC 모드를 이용하였다. NIER시험법은 차속에 따른 특성을, NEDC는 인증시험모드의 특성을 가지고 있어 두 개의 시험방법을 사용하였다. 입자상물질의 개수 시험결과 저속구간(NIER-1)과 냉간시동 조건에서 발생량이 많은 것으로 조사되었다.
또한 미량유해물질의 시료채취를 위해 VOCs는 차대동력계의 분석이 끝난 이후 시료처리 및백(bag)청소를 하는 단계 전에서 차대동력계와 연결된 프로그램을 정지한 후 3L의 테들러백(Teddlar Bag)을 이용하여 옮겨 담은 후, 암냉장소에 보관 하여 백 내에 서의 흡착, 변환 등을 최소화 하였다. PAHs는 PM의 무게 측정 후 여지를 항온항습실에 보관 후 입자상 물질중 PAHs 물질만 추출하여 분석 하였다.
VOCs 결과를 주요물질인 BTEX(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene)를 중심으로 조사하였다. 톨루엔>자일렌 > 벤젠 ≥ 에틸벤젠 순으로 발생비율이 높았으며 모드별 발생비율은 NEDC > WHVC 보다 높게 나타났다.
또한 냉간시동(cold start)과 열간시동(hot start)의 특성을 확인 하기 위하여 NIER모드 중 중간 속도인 NIER-7모드를 이용하여 냉·열간에 따른 배출가스 특성을 비교 평가 하였다.
측정 장치 구성은 차대동력계, 보조운전장치, 시료채취장치, 희석터널, 입자상물질 측정장치 및 배출가스 분석 등으로 구성 되어 있다. 또한 미량유해물질의 시료채취를 위해 VOCs는 차대동력계의 분석이 끝난 이후 시료처리 및백(bag)청소를 하는 단계 전에서 차대동력계와 연결된 프로그램을 정지한 후 3L의 테들러백(Teddlar Bag)을 이용하여 옮겨 담은 후, 암냉장소에 보관 하여 백 내에 서의 흡착, 변환 등을 최소화 하였다. PAHs는 PM의 무게 측정 후 여지를 항온항습실에 보관 후 입자상 물질중 PAHs 물질만 추출하여 분석 하였다.
3.1 EURO-IV, EURO-V에 따른 PN의 배출특성

배출가스 기준이 상이한 두차량(A, B)을 사용하여 PN의 배출특성을 살펴보았다. 차량의 배출특성을 확인 하기 위해 사용한 주행시험방법은 NIER모드와 NEDC 모드를 이용하였다.
이번 연구에서 PAHs는 배출가스 PM 중 포함되어 있는 PAHs의 농도를 분석하였다. 배출가스 시험이 종료되고 PM의 무게를 측정한 후 항온항습이 되는 챔버내에 PM 여지를 보관한 후 용매가속추출기를 이용하여 PAHs를 추출하여 GC/MSD로 분석하였다. PAHs의 표준물질은 Supelco Corp.
본 연구에서는 중형트럭에서 배출되는 미량유해물질을 분석하기 위하여 Fig. 1과 같이 실험장치를 적용하여 측정하였다. 차대동력계는 자동차가 실제 도로를 주행할 때 정지, 가속, 정속, 감속 등을 반복하는 과정을 대 표화한 실측 주행모드를 사용하여 모사 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 걸어주는 장치, 관성중량, 동력흡수계, 제어기로 구성되어 있다.
PAHs의 표준물질은 Supelco Corp.에서 제조한 16종의 물질이 혼합된 표준물질을 사용하였으며, 내부표준물질을 표준물질에 혼합하여 확인하는 과정을 통해 분석 정확도를 향상 시켰다. GC/MSD의 조건은 Table 5에서 나타냈다.
이번 연구에서 PAHs는 배출가스 PM 중 포함되어 있는 PAHs의 농도를 분석하였다. 배출가스 시험이 종료되고 PM의 무게를 측정한 후 항온항습이 되는 챔버내에 PM 여지를 보관한 후 용매가속추출기를 이용하여 PAHs를 추출하여 GC/MSD로 분석하였다.
이번 연구에서는 경유트럭의 미량유해물질 특성을 조사하였으며, 특히 입자상물질의 개수별 발생 분포와 PAHs의 발생특성을 나타냈다. 연구결과에 대한 결론을 요약하면 다음과 같다.
자동차의 배출가스 인증 시험모드를 통해 인증조건에서 발생되는 오염물질의 양을 측정하였으며, 국립환경 과학원에서 개발한 차속모드인 NIER 모드를 이용하여 차속에 따른 배출가스의 특성을 조사 분석 하였다. 또한 냉간시동(cold start)과 열간시동(hot start)의 특성을 확인 하기 위하여 NIER모드 중 중간 속도인 NIER-7모드를 이용하여 냉·열간에 따른 배출가스 특성을 비교 평가 하였다.
배출가스 중 VOCs는 SKC사의 3L 테들러백을 이용 하여 차대동력계에서 분취하였다. 채취된 시료는 6개의 시료주입구가 있는 Air-Server(Markers Corp.)를 이용하여 열탈착시스템 장치를 사용, 저온농축 후, 전처리과정 후에 GC/MSD로 분석하였다. 전처리과정은 Purge & Trap을 거치면서 Naflon Dryer를 통해 수분과 이산화탄 소를 제거하고, Cold trap을 이용하여 -15 o C상태에서 VOCs 성분을 저온농축 흡착시키고, 농축된 시료를 300 o C로 가열 탈착하여 GC/MSD로 분석하는 과정이다.

대상 데이터

VOCs는 배출가스 중 THC농도와 비례하여 나타나기 때문에 NEDC와 WHVC를 사용하였다. 이 시험모드를 사용한 이유는 차량의 운전패턴인 가속, 정속, 감속의 특성이 모드에 포함되어 있으며, 차량 주행을 대표하는 인증시험모드이기 때문에 이 모드를 사용하였다.
배출가스 중 VOCs는 SKC사의 3L 테들러백을 이용 하여 차대동력계에서 분취하였다. 채취된 시료는 6개의 시료주입구가 있는 Air-Server(Markers Corp.
8%이지만 연간 주행거리, 평균배출량 등을 고려할 때 중대형차량에서 배출 되는 PM10은 국내 수송부문에서 발생하는 총량의 약 58%를 차지하는 것으로 보고되고 있다. 이번 논문에서는 촉매 및 기타부품이 안정화 되는 시점인 3,000 km이상 주행한 차량을 선정 하였으며, 차량은 EURO-IV, EURO-V 의 기준을 만족하는 차량을 선정하였다. 차량의 성능 유지를 위해 엔진오일 교환과 주행거리를 유사하게 일치 시켰으며, 차량에 대한 정보는 Table 2에 나타냈다.
(2018)). 이번 연구에서는 그동안 잘 연구 되어지지 않은 3.5톤~4.5톤의 중형트럭(MDTs)을 대상 으로 진행 하였다. 중형트럭은 대부분 지역간의 배송, 운반 등에 활용이 되며, 활용측면에 있어서도 중장거 리용으로 이용되어 있어서 운행거리와 운전시간이 일반 소형차량보다는 높은 것으로 조사되고 있다.
Table 1은 이번 시험에서 이용된 차대동력계의 제원을 나타내었다. 측정 장치 구성은 차대동력계, 보조운전장치, 시료채취장치, 희석터널, 입자상물질 측정장치 및 배출가스 분석 등으로 구성 되어 있다. 또한 미량유해물질의 시료채취를 위해 VOCs는 차대동력계의 분석이 끝난 이후 시료처리 및백(bag)청소를 하는 단계 전에서 차대동력계와 연결된 프로그램을 정지한 후 3L의 테들러백(Teddlar Bag)을 이용하여 옮겨 담은 후, 암냉장소에 보관 하여 백 내에 서의 흡착, 변환 등을 최소화 하였다.

이론/모형

배출가스 기준이 상이한 두차량(A, B)을 사용하여 PN의 배출특성을 살펴보았다. 차량의 배출특성을 확인 하기 위해 사용한 주행시험방법은 NIER모드와 NEDC 모드를 이용하였다. NIER시험법은 차속에 따른 특성을, NEDC는 인증시험모드의 특성을 가지고 있어 두 개의 시험방법을 사용하였다.

성능/효과

1. 2015년 자동차 배출계수자료에 따르면 중대형차의 등록대수는 전체 중 약 5.8%를 차지하지만, PM10의 발생비율은 전체 발생량의 약 59%를 차지한다. 이는 주행 거리와 운행시간이 길기 때문에 발생되는 것이다.
2. 입자상물질의 개수는 Dp < 100 nm 발생이 약 70% 로 조사되었으며, 문헌에 따르면 10 nm는 ultrafine particle에 해당되며 폐포속 침착으로 DNA손상 등을 유발 하는 것으로 조사되고 있다.
3. 배출가스 중 VOCs 발생 특성 분석 결과 톨루엔> 자일렌 > 벤젠 ≥ 에틸벤젠 순으로 발생분포를 나타냈다.
4. PAHs는 aromatic ring에 따른 발생비율 결과 2-3 ring의 발생비율이 70~80%로 발생비율이 가장 높았으며, 고위험군 물질인 benzo(a)pyrene의 발생비율은 1% 미만으로 나타났다. 또한 연료의 방향족화합물의 구성과 발생된 PAHs의 비율은 대부분 2-3 ring 구조로 되어있음을 확인할 수 있었다.
NEDC 모드를 이용하여 PAHs를 분석한 결과 A, B 차량에서 발생되는 PAHs의 발생비율이 유사한 결과를 나타냈다. 우선 PAHs의 물질을 방향족의 결합 숫자와 비교한 경우 대부분의 차량에서 2-3 aromatic ring의 구조의 물질 배출이 70~80%로 발생비율이 가장 높았다.
NEDC모드를 이용하여 A, B차량의 EEPS를 이용한 입경별 입자개수의 특성 조사 결과 EURO-IV인 A차량은 14 < Dp 93 nm에서 발생분포가 높았으며, EURO-V인 B차량의 경우 Dp < 10 nm에서의 발생분포가 높은 것으로 나타났다.
2에서 나타났다. 또한 PAHs의 발생비율은 2-3aromatic rings의 발생부분이 약 70~80%로나타나며, 4aromatic rings는 약 16~25% 발생되는 것으로 나타났다.
PAHs는 aromatic ring에 따른 발생비율 결과 2-3 ring의 발생비율이 70~80%로 발생비율이 가장 높았으며, 고위험군 물질인 benzo(a)pyrene의 발생비율은 1% 미만으로 나타났다. 또한 연료의 방향족화합물의 구성과 발생된 PAHs의 비율은 대부분 2-3 ring 구조로 되어있음을 확인할 수 있었다.
NIER시험법은 차속에 따른 특성을, NEDC는 인증시험모드의 특성을 가지고 있어 두 개의 시험방법을 사용하였다. 입자상물질의 개수 시험결과 저속구간(NIER-1)과 냉간시동 조건에서 발생량이 많은 것으로 조사되었다. 차량간의 비교에서도 EURO-IV인 A차량이 EURO-V인 B차량보다 높게 발생되는 것으로 조사되었다.
톨루엔>자일렌 > 벤젠 ≥ 에틸벤젠 순으로 발생비율이 높았으며 모드별 발생비율은 NEDC > WHVC 보다 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대도심의 미세먼지의 주요발생원은 무엇인가?	8배에 해당하는 수치이다. 서울 같은 대도심의 미세먼지의 주요발생원은 비산먼지, 난방발전, 자동차 등의 영향으로 조사되고 있어, 특히 노후경유차 등 자동차에서 발생한 미세먼지인 입자상물질의 모니터링이 중요한 시점이다.
	WHO 산하 국제암연구센터에서 경유자동차의 배출가스 영향 발암물질 등급을 2급에서 1급으로 상향조정한 것은 어떤 의미의 발표인가?	WHO 산하 국제암연구센터(IARC)에서는 2012년 6월에 경유자동차의 배출가스 영향 발암물질 등급을 2급에서 1급으로 상향조정을 하였다. 이는 자동차 배출가스중 유해물질이 포함되어 있으며 또한 배출가스에 대한 관리 및 평가가 지속적으로 진행되어야 한다는 경각심을 불러일으킬 수 있는 중요한 발표였다.
	자동차의 배출가스 중 유해물질은 어떻게 구분되는가?	자동차의 배출가스 중 유해물질(Mobile Source Air Toxic)은 휘발성유기화합물(VOCs), 알데히드(Aldehyde), 다고리방향족화합물(PAHs) 등으로 구분하고 있다. 이물질들은 배출가스 내 미량으로 존재하고 있지만, 물질이 갖는 위해성이 다른 물질보다 높은 것으로 조사되고 있으며 Myung C-L et al.

참고문헌 (8)

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상세보기
Myung C-L, Choi K-C, Kim J-W, Lim Y-S, Lee J-T, Park S-S, "Comparative study of regulated and unregulated toxic emissions characteristics from a spark ignition light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase LPG", Energy, Vol. 44, No. 1, 2012, pp. 189-196.

상세보기
Winnie Kam, James W. Liacos, James J. Schauer, Ralph J. Delfino, Constantinos Sioutas "On-road emission factors of PM pollutants for light-duty vehicles (LDVs) based on urban street driving conditions", Atmospheric Environment, Vol. 61, 2012, pp. 378-386.

상세보기
Peter F. Nelson, Anne R. Tibbett, Stuart J. Day "Effects of vehicle type and fuel quality on real world toxic emissions from diesel vehicles", Atmospheric Environment, Vol. 42, 2008, pp. 5291-5303.

상세보기
Zhi Ning, Andrea Polidori, James J. Schauer, Constantinos Sioutas "Emission factors of PM species based on freeway measurements and comparison with tunnel and dynamometer studies", Atmospheric Environment, Vol. 42, 2008, pp. 3099-3114.

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Leanidas Ntziachristos, Zhi Ning, Michael D. Geller, Rebecca J. Sheeley, James J. Schauer, Constantinos Sioutas "Fine ultrafine and nanoparticle trace element compositions near a major freeway with a high heavyduty diesel fraction" Atmospheric Environment, Vol. 41, 2007, pp. 5684-5696.

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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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