연료첨가제 주입에 따른 승용차의 규제물질 배출특성 분석
정성운*·손지환*·홍희경*·성기재*·김정수*·김정화†
Characteristic Analysis of Regulated Pollutants Emitted from Passenger Cars according to Fuel Additives
Sungwoon Jung, Jihwan Son, Heekyoung Hong, Kijae Sung, Jeongsoo Kim and Jounghwa Kim
Key Words: Emission characteristics(배출특성), Regulated pollutants(규제물질), Passenger cars(승용차), Fuel additives(연료 첨가제), Emission standards(규제기준)
Abstract
This paper was designed to investigate emission characteristics of regulated pollutants (CO, HC, NOx and PM) from 134 diesel and gasoline passenger cars based on emission standards according to fuel additives. The experiments using chassis dynamometer were conducted under NEDC and CVS-75 modes. Comparison for fuel additive management and test between Korea, USA, EU and Japan, Korea was more strict than others. The fuel additives of this study was satisfied within fuel manufacturing standards. For with/without fuel additives according to diesel emission standards, NOx of EURO 4 and EURO 5 showed a relatively similar tendency. In the case of PM reduction rate, EURO 5 was over 20% increased than EURO 4.
In the case of standard deviation/average ratio for gasoline vehicles, variation interval was big for LEV 23.3~58% and ULEV 31.6~56.4%. Following the imposition of stricter regulations (EURO 5 and ULEV), difference rate for standard deviation was big. Especially, in the case of diesel vehicles, difference rate for NOx 68% and PM 48% was most big. The results of present study will be of assistance in completing the legislative process and will provide basic data to set up emission standards for fuel additives in Korea.
1. 서 론
연료첨가제는 자동차의 성능을 향상시키거나 배출가 스를 줄이기 위하여 자동차의 연료에 첨가하는 탄소와 수소만으로 구성된 물질을 제외한 화학물질을 말한다(1). 연료첨가제의 역할은 크게 자동 차의 성능향상과 배출 가스 저감이라는 두 가지 측면으로 나누어 볼 수 있다.
가솔린의 경우는 카뷰레터, 흡기밸브, 연소실 등에서의 청정성을 확보하기 위한 청정제, 엔진의 노킹을 방지하 기 위한 산화방지제, 기타 타제품과 구별하기 위한 착색 제, 식별제 등이 사용되고 있으며, 경유에는 동절기 유 동성을 향상시키기 위한 유동성향상제, 노킹을 방지하기 위한 세탄가향상제 및 출력, 소포성, 산화안정성, 윤활성 등을 향상시키기 위한 첨가제 등이 사용되고 있다(2).
현재 국내에서 연료첨가제를 제조·공급·판매하기 위해서는 사전에 대기환경보전법에서 규정하고 있는 제 조기준 적합여부 사전검사를 받아야 한다(1). 연료첨가제 사전검사는 연료제조기준, 유해물질, 배출가스 검사로 구성되어 있다. 특히 배출가스 검사는 사전검사의 대부 분을 차지하기에 신뢰성 및 정확성 검토는 중요하며, 이 (Recieved: 14 Oct 2015, Recieved in revised form: 13 Nov
2015, Accepted: 14 Nov 2015)
*국립환경과학원 교통환경연구소
†책임저자, 국립환경과학원 교통환경연구소 E-mail: [email protected]
TEL: (032)560-7618 FAX : (032)561-7013
를 위해 연료첨가제 주입에 따른 규제물질의 배출특성 을 파악하는 것은 필수적이다. 하지만 국내·외 연구사 례를 살펴보면 자동차 배출가스에 대한 연구는 많은 반 면, 첨가제 주입 전·후 규제물질의 배출실태 조사가 이 루어지지 않아 이를 파악하기 어려운 실정이다.
본 연구에서는 국내·외 연료첨가제 관리 및 시험방 법을 조사하여 비교 및 분석하였다. 또한 정확도가 높고 통계적으로 유의한 시험데이터를 확보하고자 국내에서 차종 점유율이 높은 경유 및 휘발유 승용차 총 134대 (경유 76대 및 휘발유 58대)를 대상으로 규제기준별 연 료첨가제 주입에 따른 규제물질 배출 분포현황을 분석 하였다.
2. 연구방법
2.1 시험첨가제
본 연구에서는 자동차 연료첨가제 사전검사에서 승인 받은 적합제품을 사용하여 시험하였다(3). 용도별 첨가제 적합제품 점유현황에서 경유 약 70%, 휘발유 약 30%를 차지하고 있다. 또한 다목적첨가제의 비율이 경유 55%, 휘발유 79%로 가장 높았으며 본 연구에서는 다목적 첨 가제를 사용하였다.
2.2 시험차량
본 연구에서는 국내에 등록된 경유 및 휘발유 승용차 의 점유율(4)을 고려하여 「제작자동차인증방법 및 절차 에 관한 규정」“제18조 배출가스 시험자동차의 길들이 기”의 규정에 따라 주행한 차량으로 선정하였다(5). 대상 차종의 배기량은 2000cc 이며 규제기준은 경유차는 EURO 4 및 EURO 5, 휘발유차는 LEV(Low Emission Level) 및 ULEV(Ultra Low Emission Level)로 첨가 전·
후 각각 3회 이상씩 총 134대를 시험하였다. 시험대상 차종 및 대수 현황을 Table 1에 나타내었다.
2.3 시험모드
국내 승용차의 연료첨가제 주입에 따른 배출특성을 분석하기 위하여 적용한 시험모드는 현행 연료첨가제 배출가스 검사에서 사용하는 NEDC 모드(경유차) 및 CVS-75 모드(휘발유차)를 이용하였다. 시험모드별 특성 을 보면, NEDC 모드의 경우, 시내 주행모드와 고속도 로 주행모드가 연속으로 구성된 모드로 유럽에서 연비 및 배출가스 측정에 사용하고 있다. CVS-75 모드의 경 우 도심지 주행상황을 가정하여 구성한 것으로 차량의 가감속 구간이 많고 정지구간이 다수 존재한다. Fig.
1~2에 시험모드의 주행패턴을 나타내었다.
2.4 시험장치
2.4.1 차대동력계를 이용한 배출가스 분석
차대동력계는 자동차가 실제 도로를 주행할 때 가속, 정속, 감속, 정지 등을 반복하는 과정을 동력계상에서 그대로 재현하여 모사 주행할 수 있도록 자동차에 부하 를 걸어주는 장치이며, 측정 장치는 차대동력계, 시료채 취 장치, 보조운전 장치, 희석터널, 입자상물질 측정장 치, 배출가스분석기로 구성되어 있으며 제원은 Table 2 Table 1 Specification of test vehicles
Vehicle type
Displacement (cc)
Fuel type
Emission standards Fleet
Passenger
car 2000
Diesel EURO 4 19 EURO 5 57
Gasoline LEV 10 ULEV 48
Fig. 1 Driving pattern of NEDC mode
Fig. 2 Driving pattern of CVS-75 mode
에 나타내었다. 배출가스 측정은 시험차량이 차대동력 계의 롤러 위에서 각 시험모드를 주행할 때 배기관으로 부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(CVS; Con- stant Volume Sample)에 일정량의 공기로 희석한 후 시 료채취 백에 채취하여 배출가스 분석기로 분석하며, 희 석터널은 고온에 의한 입자상물질의 변화를 배제시키고 대기조건으로 제어하기 위해 시료채취 온도가 52oC 이 내로 유지되도록 외부공기와 배기가스를 희석시키는 역 할을 한다. Fig. 3~4에 배출가스 측정시스템 계통도 및
시험모습을 나타내었다.
2.4.2 배출가스 측정장치
배출가스 측정장치(Horiba사, MEXA-9200D, 7200)는 배출가스 중 CO, THC, NOx를 분석할 수 있는 장치로 서, 분석원리는 CO는 비분산적외선분석법(NDIR; Non- dispersive infrared), THC는 열식수소염이온화검출법 (HFID; Heated flame ionization detector), NOx는 화학발 광법(CLD; Chemiluminescence detector)을 사용하였다.
2.4.3 PM 시료채취장치
입자상물질은 차대동력계에서 주행할 때 배출가스를 일정비율로 공기와 희석시켜 입자상물질을 채취하는 방 식 (Horiba사, MEXA-9100D accessory)을 이용하였다.
이 장치들은 희석터널에서 배기가스의 일부를 채취하여 외부공기로 희석시킨 후, 입자상물질은 테프론이 코팅 된 유리섬유 여지(φ70 mm)에 포집하는 장치이다. 여과 지에 포집된 입자상물질의 무게를 측정하기 위해서는 마이크로 밸런스(SACD-WC)를 사용하며, 여과지에 포 집된 입자상물질의 정확한 측정을 위하여 온도 20±5oC 및 상대습도 47±5%로 유지된 무게측정실(Weighing chamber) 내에서 측정하였다.
입자상물질 측정은 다음의 순서에 의해 측정한다. 먼 저, 항온항습실에서 무게를 측정한 여지를 PM 시료채 취장치 필터홀더에 장착한 후, 배기관에서 배출 가스를 일정 유량 등속 흡인하여 입자상물질 시료를 채취한다.
이때에 필터를 통과하는 배출가스의 온도를 50oC 이내 로 유지하여야 한다. 입자상물질을 채취한 여지는 포집 된 부분이 묻지 않도록 Petridish에 넣어 보관한다. 샘플 여지를 무게측정실내에서 온도 20oC 및 상대습도 50%
로 24±4시간 동안 항온항습 시킨 다음 측정 전후 무게 차를 구한다.
3. 연구결과
3.1 국내·외 연료첨가제 관리 및 시험방법 비교 국내의 연료첨가제는 대기환경보전법 제74조 및 동법 시행규칙 제115조에 의거하여 첨가제 제조기준에 맞도 록 제조하여야 한다. 첨가제 제조자가 제시한 최대의 비 율로 첨가제를 자동차연료에 혼합한 경우의 성분(첨가제 +연료)이 연료 제조기준에 맞아야 하며, 혼합된 성분 중 유해물질인 중금속(Cd 등 8종)의 농도는 각각 1.0 mg/L Table 2 Specification of chassis dynamometer
Items Specifications
Model DCE-80
Power absorption 40HP Maximum inertia weight 3,345 kg
Maximum roll speed 150 km/h Roll size 21.97 cm Trim wheel(lb) 680 kg
Fig. 3 Schematic diagram of exhaust emission test system
Fig. 4 Overview of chassis dynamometer
이하이어야 한다. 또한 배출가스 측정치는 첨가제 주입 전·후 배출가스 항목별 10% 이상 및 배출가스 총량 5% 이상 초과하여서는 아니 된다(1).본 연구에서 사용한 경유 및 휘발유 다목적첨가제의 연료제조기준 성분별 분석결과를 Table 3~4에 나타내었다.
미국의 경우 연료첨가제는 EPA에 등록을 통해 관리 되고 있다. 등록은 기본자료 제출과 Tier 1, 2, 3단계에 의한 EPA 환경성 평가로 구성되며, 그 결과가 EPA 심 사를 통과하면 연료첨가제로 등록되고 이후 규정에 따 른 주기적인 보고를 통해 지속적으로 관리된다(6). 유럽 연합 및 일본은 연료첨가제에 대한 별도의 관리 규정이
없다(7,8).
3.2 규제기준별 연료첨가제 주입 전·후 배출특성 분석 국내 승용차의 규제기준 고려하여 경유는 EURO 4 및 EURO 5, 휘발유는 LEV 및 ULEV로 구분하였다(9). 경유 승용차의 연료첨가제 주입 전·후 NOx 및 PM 배 출특성을 Fig. 5에 나타내었다. 첨가 전·후 EURO 4는 NOx 1.9% 증가, EURO 5에서 2.5% 감소하였으며 비교 Table 3 Properties of test diesel1)
Property tested Result of test Standards 10% Residual carbon content
(wt %) < 0.01 ≤ 0.15
Density (15oC, kg/m3) 822~829 815~835 Sulfur content(ppm) 3~5 ≤ 10
PAH2)(wt %) 0~2 ≤ 5
Lubrication (µm) 245~286 ≤ 400 Aromatic compounds content
(wt %) 19~23 ≤ 30
Cetane index (or cetane number) 54~59 ≤ 52
1)Cd, Cu, Mn, Ni, Cr, Fe, Zn, Al : 0 mg/L
2)Polycyclic aromatic hydrocarbons
Table 4 Properties of test gasoline1)
Property tested Result of test Standards Aromatic compounds content
(vol. %) 14~20 ≤ 21
Benzene content (vol. %) 0.3~0.5 ≤ 0.7 Lead content (g/L) 0 ≤ 0.013 Phosphorus content (g/L) 0 ≤ 0.0013 Oxygen content (wt %) 0.8~2.0 ≤ 2.3 Olefin content (vol. %) 11~15 ≤ 16 Sulfur content (ppm) 2~6 ≤ 10 Vapor pressure2) (kPa, 37.8oC) 52~56 ≤ 60 Distillation (90%, oC) 150~165 ≤ 170
1)Cd, Cu, Mn, Ni, Cr, Fe, Zn, Al : 0 mg/L
2)Products from June 1 ~ August 31 on every year
Table 5 Comparison for fuel additive management and test between Korea and USA
국가 대한민국 미국
관리 − 첨가제 제조기준 − 등록제 검사방법
− 연료제조기준 검사
− 유해물질인 중금속 (Cd 등 8종) 검사
− 배출가스 검사
− 기본자료 제출
− Tier 1, 2, 3에 의한 EPA 환경성 평가
Fig. 5 Comparison for NOx and PM emissions from die- sel passenger cars between with/without additives according to emission standards. Vertical bars rep- resent ±1σ (standard deviation)
적 유사한 경향을 보였다. EURO 4 및 EURO 5 소형차 의 NOx 저감장치는 EGR이 장착되었으며, 실험오차에 의해 첨가 전후 소폭 증감이 발생한 것으로 사료된다.
PM의 경우, 첨가 전·후 EURO 4는 4.2%, EURO 5는 24.5% 감소하였다. PM의 표준편차/평균값 비율이 EURO 4는 67.6~71%, EURO 5는 74.2~78.6%로 높게 나타났다. EURO 5는 EURO 4 대비 PM의 규제기준이
80% 강화됨에 따라 변화폭이 더 큰 것으로 판단된다.
Fig. 6에 휘발유 승용차의 연료첨가제 주입 전·후 규 제물질 배출특성을 나타내었다. 첨가 전·후 LEV는 CO 15.1%, NMHC 15.5%, NOx 13.7%, ULEV는 CO 11.5%, NMHC 10.1%, NOx 8.3% 감소하였다. 이는 첨 가제에 의한 배기가스 감소 뿐만 아니라 표준편차에 의 한 변화폭의 영향으로 사료된다. 규제물질의 표준편차/
평균값의 비율이 LEV는 23.3~58%, ULEV는 31.6~
56.4%로 변화폭이 크게 나타났다. Niziachristos and Samras(2000)은 차대동력계 시험에서 동일한 규제기준 의 배출물질에 대한 데이터 분포가 분산되어 나타날 수 있다고 하였다(10).
3.3 규제기준별 연료첨가제 주입 전·후 데이터 분 포현황 분석
국내 승용차의 연료첨가제 주입 전·후 배출특성분석 을 통해 배출가스 각각의 데이터 분포현황 파악이 중요 하다는 것을 확인하였다. Table 6~7는 연료별 규제기준 에 따른 첨가 전·후 증감율의 표준편차 분석결과를 나 타내었다. 경유차량의 경우, EURO 4 대비 EURO 5 차 량이 첨가 전·후 증감율 폭이 NOx 2.3%, PM 8.9% 높 았다. 또한 휘발유차량은 LEV 대비 ULEV 차량이 첨가 전·후 증감율 폭이 CO 4%, NMHC 3.8%, NOx 0.5% 높 았으며, 특히 경유차량의 PM 증가폭이 가장 두드러졌다.
국내 승용차의 첨가후/첨가전 ratio 분포현황을 분석 한 결과(Fig. 7), 경유 차량의 경우 첨가후/첨가전 ratio 변화폭이 EURO 4는 NOx 0.96~1.09, PM 0.50~1.08인 반면 EURO는 NOx 0.78~1.09, PM 0~1.00으로 나타났 다. 휘발유 차량의 경우 첨가후/첨가전 ratio 변화폭이 LEV는 CO 0.64~0.93, NMHC 0.75~1.00, NOx 0.77~1.06인 반면 ULEV는 CO 0.54~1.08, NMHC 0.38~1.09, NOx 0.57~1.10으로 나타났다. 이는 구차(EURO 4, LEV)보다 신차(EURO 5, ULEV)에서 변화폭이 큰 것으로 확인되 었다.
Fig. 6 Comparison for CO, NMHC and NOx emissions from gasoline passenger cars between with/with- out additives according to emission standards. Ver- tical bars represent ±1σ (standard deviation)
Table 6 Difference rate for standard deviation from die- sel passenger cars according to with/without addi- tives
Emission standards EURO 4 EURO 5 Pollutants NOx PM NOx PM SD1) variation with/
without additives 3.4% 18.4% 5.7% 27.3%
1)Standard deviation
4. 결 론
본 연구는 국내 승용차의 연료첨가제 주입에 따른 규 제물질 배출특성을 분석하고자 규제기준별 총 134대(경 유 76대 및 휘발유 58대) 차량을 규제시험모드인 NEDC 및 CVS-75 모드로 시험하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
(1) 본 연구에서 사용한 다목적첨가제의 연료제조기 준 성분별 분석결과, 경유 및 휘발유는 유해물질인 중금 속 8항목, 경유는 황함량 등 7항목 및 휘발유는 벤젠함 량 등 9항목이 제조기준을 만족하였다.
(2) 규제기준별 첨가 전·후 배출특성 분석 결과, 경 유차의 경우, NOx는 EGR이 장착된 EURO 4 및 EURO 5 모두 비교적 유사한 경향을 보였다. PM의 경우,
EURO 5는 EURO 4 대비 80% 배출규제강화에 따라 수 치가 작기에 변화폭이 큰 것으로 판단된다.
(3) 휘발유차의 경우, 첨가 전·후 CO, NMHC, NOx 가 LEV는 13.7~15.5%, ULEV는 8.3~11.5% 감소하였으 며, 첨가제 주입에 따른 배출가스 감소뿐만 아니라 측정 Table 7 Difference rate for standard deviation from gasoline passenger cars according to with/without additives
Emission standards LEV ULEV
Pollutants CO NMHC NOx CO NMHC NOx
SD1) variation with/without additives 9.8% 10.2% 13.8% 12.8% 14.0% 14.3%
1)Standard deviation
Fig. 7 NOx and PM with/without additives ratio from diesel passenger cars according to emission stan- dards
Fig. 8 CO, NMHC and NOx with/without additives ratio from gasoline passenger cars according to emis- sion standards
값의 변화폭의 영향으로 판단된다.
(4) 규제기준에 따른 첨가 전·후 증감율의 표준편차 분석결과, 구차(EURO 4, LEV)보다 신차(EURO 5, ULEV)에서 첨가 전·후 증감율 폭이 크며, 특히 경유 차의 NOx 68%, PM 48%로 증가폭이 두드러졌다.
(5) 본 연구는 국내 연료첨가제 검사에서 대부분을 차 지하는 배출가스의 규제기준별 배출 분포현황을 제시하 였으며, 이는 연료첨가제 배출가스 기준 설정을 위한 기 초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
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(2) C. S. Jung, “Fuel Additive Regulation in Korea” Jour- nal of the Korean Society of Automotive Engineers (Auto Journal), Vol. 31, No. 6, 2009, pp. 104~107.
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(8) NIER, “Effect of reduction devices according to changes in fuel quality standards (I)”, 2010.
(9) DELPHI, “Worldwide Emissions Standards: Passen- ger Cars and Light Duty Vehicles”, 2012/2013.
(10) Niziachristos, L. and Samaras, Z., “Speed-dependent representative emission factors for catalyst passenger cars and influencing parameters”, Vol. 34, No. 27, 2000, pp. 4611~4619.
