SCR 및 LNT가 적용된 Euro-6 소형 경유차의 실제도로 주행과 인증모드에서의 CO
2
및 NOx
배출특성의 비교이종태
*
ㆍ김정수*
ㆍ전문수**
ㆍ차준표†
Characteristics of Real-Driving CO
2and NO
xEmissions Compared to Test Modes on Euro-6 LDVs Equipped with SCR and LNT
Jongtae Lee, Jeongsoo Kim, Mun Soo Chon and Junepyo Cha
Key Words: Confirmity Factor(CF, 적합계수), LNT(흡장형 질소산화물 저감 촉매), MAW(이동평균구간), PEMS(이동식 배기가스 측정장비), RDE(실제도로 주행 배출가스), SCR(선택적 촉매 환원)
Abstract
Recently, the certification procedure for exhaust emission regulation of LDV has tested with the NEDC mode in the lab- oratory. But the on-road exhaust emissions exceed the standard emission limits. Therefore, it is important to analyze the real- driving emissions (RDE) with a portable emissions measurement system (PEMS). In present study, the on-road emissions were measured with a PEMS and evaluated by moving averaging window (MAW) method. Also, it was compared with the CO
2and NO
xemissions for real-driving and test modes from euro-6 light-duty vehicles equipped with SCR and LNT sys- tems. In results, on-road NOx emission has been 2.3-10.0 times higher than the standard NO
xemission limit on NEDC mode. The reason was that the test modes did not reflect traffic and various real-driving patterns sufficiently.
1. 서 론
국내 경유 자동차의 질소산화물 (NOx) 배출 규제 는 환경부의 주도로 2002년부터 유로-3 기준을 도입 하여 단계적으로 크게 강화해 왔다(1-3). 이러한 배기 가스 배출 허용기준 강화 정책에 대한 제작사들의 친 환경 자동차 기술 개발에 의하여 국내 도로이동오염 원에 의한 NOx 배출량은 크게 감소하였다.
그럼에도 불구하고 최근 환경부에서 발표한 자료
에 의하면 국내 NOx 배출 오염원 중 가장 큰 비율을 차지하는 분야가 여전히 도로이동오염원에 의한 것 으로 보고되고 있다(4-6). 이러한 현상은 EU에서도 동 일하게 보고되고 있으며 그 주요 원인을 교통량의 증 가와 경유 자동차 비율의 확대로 추정하고 있다. 더 불어 현행 경유 자동차의 배출가스 허용기준 관리제 도의 인증시험 모드가 실제도로의 다양한 주행패턴 의 특성을 반영하지 못하는 것으로 판단하고 있다.
이러한 문제의식에서 EC-JRC는 이동식 배출가스 측정장비(Portable emissions measurement systems, PEMS)를 기반으로한 실제도로 주행 배출가스를 평 가하는 방법을 제시하였다(7). 국내에서도 환경부 산 하 국립환경과학원을 중심으로 소형자동차에 대한 PEMS 기반 실제도로 주행 배출가스 평가에 관한 연 구가 진행되어 왔으며 유럽과 동일한 시기인 2017년
Recieved: 2 Sep 2016, Recieved in revised form: 6 Dec 2016, Accepted: 7 Dec 2016)
*
국립환경과학원 교통환경연구소
**
한국교통대학교 에너지시스템공학과
†
차준표, 회원, 한국교통대학교 에너지시스템공학과 E-mail : [email protected]
TEL : (043)841-5283 FAX : (043)841-5280
9월에 소형자동차 실제도로 주행 배출가스 측정시험 (RDE-LDV, Real driving emissions-light duty vehicles)의 적용을 목표로 시험방법 및 인증 기준안을 준비하고 있다(8).
본 연구에서는 EC-JRC에서 제안한 경로구성 요건 에 맞춰 국립환경과학원에서 개발한 시험경로(경로 1)에서 Euro-6 경유 자동차의 실제도로 주행 CO2및 NOx 배출 특성을 현재 인증모드인 NEDC 모드와 시 험모드인 WLTC 모드에서 주행한 결과와 비교하고 자 한다. 또한, Euro-6 경유 자동차의 대표적인 NOx
저감 후처리 장비인 LNT(Lean NOx trap)와 SCR (Selective catalyst reduction) 시스템에 따른 실제도로 주행 배기가스 특성을 비교하고자 한다.
2. 연구내용 및 방법
2.1 실험차량 및 장비
실제도로 주행 배출가스를 평가하기 위하여 본 연 구에서는 Euro-6 경유 차량 4대를 선정하여 실험하 였으며 주요 제원을 Table 1에 나타내었다. 특히, 후 처리 장비에 따른 영향을 알아보기 위하여 LNT (Lean NOx trap)와 SCR(Selective catalyst reduction) 이 적용된 차량을 선정하였다.
본 연구에서 실제도로 주행 배출가스를 분석하기 위하여 사용된 이동식 배기가스 측정장비(Portable emissions measurement system, PEMS)는 크게 배기 가스 유량계, 배기가스 샘플링 장비, 배기가스 분석 기, GPS 및 OBD 데이터 취득 장비, 전원공급 장비 로 구성되어 있으며 주요제원을 Table 2에 나타내었 다. 또한, 취득되는 데이터는 1Hz로 샘플링되며 배기 가스 농도 데이터는 배기유량 데이터와 동기화되어 g/s 단위로 환산된다.
특히, 차량속도 데이터는 GPS를 통해 수신된 실시 간 위치 정보 데이터와 OBD 단말기를 통하여 실시 간으로 취득되며, 이 두 차량속도 데이터를 기준으로 OBD 데이터와 PEMS의 측정 데이터를 교정하여 취 합한다(9).
2.2 실제도로 주행 경로
본 연구에서는 EC-JRC에서 제시한 실제도로 주행 시험경로 요건을 만족하도록 국립환경과학원에서 개 발한 경로 1에서 수행하였으며, Fig. 1에 전체 경로를 나타내었다.
도심구간은 행신역→화전역→수색역→연세대→독 립문→홍제역→연신내역→구파발 순으로 구성되며 이어서 교외구간은 구파발→일영역→송추역→운경 공원묘원→경민대→호원IC 순으로 구성된다. 그리고 전용도로 구간은 외곽순환도로를 이용하여 호원IC→
송추IC→통일로IC→일산IC→김포IC로 구성된다. 특 히, 경로 1은 Fig. 2에서 나타나듯이 교외구간에서 주 행고도 차가 높은 특성을 갖고 있다.
Figure 2에서 나타낸 차량속도 데이터는 경로 1에 서 실제도로 주행 실험시의 대표적인 예이다. 물론, 차량속도 데이터는 실험시의 차량소통 상황과 신호
Table 1 Specifications of test vehicles
Vehicle Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4
Emission standard Euro-6
Test weight [kg] 1,600 1,700 1,900 1,800 Engine displacement [cc] 1,500 1,500 2,000 2,000 After-treatment LNT SCR LNT SCR
Table 2 Specifications of PEMS
Item Principle Range
CO Heated NDIR 0-8 vol.%
CO
2Heated NDIR 0-8 vol.%
NO, NO
xNDUV 0-3,000 ppm
Exhaust flow Pitot flow meter 0-670 kg/h
Fig. 1 Map of Route 1 for RDE
등에 의한 정지구간 등이 다르기 때문에 동일할 수 없 으나 각 구간의 평균 속도는 크게 차이가 나지 않 는다. 본 연구에서 실험 차량들의 도심구간 평균 차량 속도는 22.8 km/h(편차 1.8)이며, 교외구간은 54.0 km/
h(편차 2.1), 전용도로 구간은 93.7 km/h(편차 2.9)로 나타났다.
2.3 이동평균구간 분석 방법
이동평균구간(Moving Averaging Window, MAW) 방법은 실험차량의 실제도로 주행 배출가스 데이터 를 하위 데이터 구간(Window)으로 구분하여 통계적 으로 처리하는 방법이다. 각 배기가스 질량은 전체 시험 데이터가 아니라 특정 구간으로 정의된 부분 데 이터 구간에서의 평균값으로 계산하며, 이 구간의 길 이는 실험차량이 차대동력계에서 기준 사이클 (Worldwide harmonized light vehicles test cycle, WLTC)을 주행할 때 배출하는 CO2배출량의 0.5배 의 값으로 결정한다. 이와 같이 정의된 부분 데이터 구간을 평균구간 (Averaging window)이라고 하며 실 험 데이터 샘플링 주파수와 동일한 시간 간격만큼 이 동하면서 각 평균구간의 배기가스 (NOx, CO 등) 및 차속 등의 평균값을 계산한다(4). 정의된 평균구간은 각 구간의 평균 차속에 따라 45 km/h 미만은 도심 (Urban) 평균구간, 45 km/h 이상 80 km/h 미만은 교 외 (Rural) 평균구간, 80 km/h 이상 145 km/h 미만인 구간은 전용도로(Motorway) 평균구간으로 구분한다.
이동평균구간 방법으로 평가한 실제도로 주행 배기 가스 배출량은 각 주행 평균구간에서 산출하여 주행 거리 당 배출량(g/km)으로 나타낸다.
3. 연구결과 및 고찰
Figure 3과 4는 실험차량의 실제도로 주행 CO2와 NOx의 배출특성을 평가하기 위하여 인증모드 (NEDC) 및 시험모드 (WLTC)와 경로 1에서의 총 주행거리당 CO2및 NOx배출량을 비교하였다.
Figure 3에서 현재 경유 차량의 인증모드인 NEDC 에서의 CO2 배출량은 실험차량 모두 140 g/km 이하 로 나타났으며 이는 현행 온실가스 기준이 140 g/km 이기 때문이다. 하지만, NEDC 대비 실제도로 주행 여 건을 폭넓게 반영하는 것을 목적으로 개발된 WLTC 모드에서는 Veh. 1을 제외한 Veh. 2 (147 g/km), Veh.
3 (151 g/km), Veh. 4 (142 g/km)는 다소 초과하는 특 성을 보였다. 특히, 실제도로 주행 실험인 경로 1에 서 Veh. 1의 CO2 배출량은 142 g/km, Veh. 2는 157 g/km, Veh. 3은 168 g/km, Veh. 4는 172 g/km으로 모 두 140 g/km를 최대 22.9% 초과하였다. 이는 차량 인증 시험모드인 NEDC가 실제도로 주행 특성을 반
Fig. 2 Altitude and vehicle speed profile of Route 1
Fig. 3 Distance specific CO
2in laboratory tests and Route 1
Fig. 4 Distance specific NO
xin laboratory tests and route 1
영하지 못하는 것을 보여주며, 현재 판매중인 대부분 의 경유 차량은 앞으로 예정된 시험모드인 WLTC와 제정중인 실제도로 주행 시험 기준을 달성하기 위하 여 연비를 더욱 향상시켜야함을 보여준다. 아울러 2020년까지 온실가스 기준을 97 g/km로 강화하려는 계획에 대응하기 위해서는 더 많은 기술향상이 필요 하다.
한편, NOx의 경우에서는 실험조건 및 차량의 후처 리장비에 따른 배출량 특성의 편차가 매우 크다. 전 실험차량의 NOx 배출량은 NEDC 모드에서 Euro-6 기준인 0.08 g/km 이하로 나타났다. 하지만, WLTC 모드에서 실험하였을 때 Veh. 1의 경우에는 인증기 준의 약 3.2배 (0.257 g/km), Veh. 3의 경우에는 약 2.3배 (0.183 g/km)를 초과하였다. 이는 앞으로 더욱 강화되는 배기규제를 달성하기 위한 질소산화물 저 감시스템은 SCR이 LNT보다 유리함을 보여준다. 하 지만, 실제도로 주행 실험인 경로 1에서는 Veh. 4를 제외한 모든 실험차량의 NOx배출량이 인증기준을 크게 초과하는 특성을 보였다. Veh. 1은 약 10.0배 (0.796 g/km), Veh. 2는 약 8.3배 (0.662 g/km), Veh. 3 은 약 4.4배 (0.351 g/km) 초과하였다. 반면 모든 실 험조건에서 NOx 배출허용기준을 만족하는 특성을 보이는 Veh. 4는 SCR 시스템이 앞으로 더욱 강화되 는 경유 차량의 배기규제에 대응할 수 있는 대표적 인 NOx 저감기술이 될 수 있음을 보여준다.
이와 같은 결과에서 나타나듯이 현행 시험모드인 NEDC를 보완하기 위하여 개발된 WLTC 모드도 배 기가스 규제 측면에서 평가할 때 실제도로 주행 특 성을 반영하지 못하고 있다. 그러므로 추가적인 배기
규제로서 논의되고 있는 실제도로 주행 시험에서의 배기가스 배출량을 평가하는 것은 적합하다고 판단 된다.
Figure 5는 경로 1에서의 실제도로 주행 NOx 배출 특성을 이동평균구간 (MAW) 방법으로 평가한 것이 다. 이동평균구간 방법으로 평가된 총 주행경로 (Total trip)에 따른 NOx배출량은 Fig. 4에서 나타낸 총 주행거리당 평균 NOx 배출량과 비교하여 다소 높 은 특성을 보이고 있다.
이는 실험실 안의 차대동력계에서 규정된 절차에 따라 실험을 수행하는 NEDC 및 WLTC 모드 주행에 서는 배기가스를 총 주행경로에 따른 평균 배출량으 로 평가되고 있다. 하지만, 실제도로 주행에서는 동 일한 실험조건이 불가능하기 때문에 각 실험시의 환 경조건 (Ambient conditions) 및 동적조건 (Dynamic conditions) 등에 의한 영향들을 이동평균구간 방법을 적용하여 가중평가하기 때문이다.
각 구간에 관하여 보면 대부분의 실험차량 경우에 도심과 교외구간이 전용도로 구간보다 NOx배출량 이 높은 특성을 보이고 있다. 이러한 특성을 분석하 기 위하여 Fig. 6은 각 평균구간 (Averaging window) 의 차량속도에 따른 NOx배출량을 나타내었다. Veh.
4를 제외한 모든 실험차량은 도심구간 중에 차량속 도가 약 30 km/h의 근방에서 높은 수준의 NOx 배출 량을 보이고 있다. 이는 경로 1의 도심구간 중 연세 대→독립문→홍제역→연신내역 구간에서의 극심한 차량정체 현상에서 기인한 것으로 판단된다. 이는 차 량 정체시에 악화되는 연비 특성과 관련된 CO2 특성
Fig. 5 NO
xemission during on-road driving evaluated by MAW method in route 1
Fig. 6 On-road NO
xemission evaluated by MAW method
in route 1
(Fig. 7)에서도 나타나는 것을 볼 수 있다.
또한, Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 경로 1의 특성 인 교외구간 후반부의 높은 고도차이는 주행부하에 영향을 주기 때문에 높은 NOx배출 특성을 보이며, 이와 같이 전용도로 구간 초반부의 오르막길도 주행
부하에 영향을 주기 때문에 교외구간의 후반부와 전 용도로의 초반부에서 높은 NOx배출 특성을 볼 수 있다.
위와 같은 결과는 Fig. 7의 CO2 배출 특성에서도 비슷한 경향을 보이고 있다. 하지만, Veh. 4의 경우에 는 높은 CO2의 특성을 보이는 구간에서도 NOx배출 량이 현저히 낮은 특성을 보이고 있다. 이는 Veh. 4 에 적용된 NOx 저감기술인 SCR 시스템이 원활하게 작동되어 엔진에서 배출되는 NOx를 효과적으로 저 감하기 때문이며, 특히 정지 후 출발 현상이 많은 도 심지역에서는 배출허용기준보다 낮은 수준으로 저감 하기 때문이다. 한편, 같은 후처리기술을 적용한 Veh. 2의 높은 NOx 배출 특성과 비교하여 보면 NOx
저감의 중요한 인자로 SCR 시스템의 적용 유무도 중 요하지만 적용된 SCR 시스템의 제어 및 최적화 기 술이 더욱 중요하다고 볼 수 있다.
실제도로 주행 특성과 배기가스 특성을 분석하기 위 하여 주행가속 및 출력과 관계되는 대표적인 주행인자 인 차량속도와 RPA (Relative Positive Acceleration)(10-11)
Fig. 7 On-road CO
2emission evaluated by MAW method
in route 1
Fig. 8 Bubble chart of CO
2and NO
xemission in route 1
에 따른 CO2 및 NOx 분포를 시험차량 별로 Fig. 8에 나타내었다.
배기량이 약 1,500 cc인 Veh. 1과 Veh. 2의 주행패 턴과 배기량이 약 2,000 cc인 Veh. 3과 Veh. 4의 주 행패턴은 상당히 비슷한 결과를 보이고 있다. 특히, RPA와 차량속도에 따른 CO2배출 특성에서 상대적 으로 작은 배기량을 가진 실험차량들은 차량속도 40 km/h 이하의 도심구간을 대표하는 구간에서 폭넓고 다양한 주행패턴이 분포하고 있지만, 2,000 cc 이상 의 실험차량들은 상대적으로 단순한 주행패턴의 특 성을 보이고 있다. 이 차이가 배기량에 따른 엔진출 력 특성에서 원인을 찾기 위해서는 추가적인 데이터 취득방법과 그에 의한 자세한 분석방법이 필요할 것 으로 판단된다. 한편, RPA와 차량속도에 따른 NOx
배출 특성에 관하여 볼 때 LNT 적용 실험차량들은 특정구간, 특히 교외 및 전용도로 구간에서 NOx배 출특성이 집중되는 분포를 보였지만, SCR 적용 차량 은 폭넓은 구간에서 상당히 비슷한 수준의 배출특성 을 보였다. 이는 SCR 시스템은 엔진 연소전략 및 EGR 시스템의 제어 등의 영향을 크게 받지 않지만, LNT 시스템은 복잡한 제어 로직이 엔진 시스템의 영 향을 받는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 LNT와 SCR 시스템이 적용된 Euro- 6 경유 차량들의 실제도로 주행 배기가스 특성을 분 석하기 위하여 인증모드 (NEDC) 및 시험모드 (WLTC) 에서의 실험과 국립환경과학원에서 개발한 실제도로 시험경로에서 PEMS를 사용하여 실험하고 이를 이 동평균구간 방법을 적용하여 데이터를 분석하였다.
실험차량의 실제도로 주행 배기특성을 평가하기 위하여 인증모드 (NEDC) 및 시험모드 (WLTC)를 경 로 1에서의 총 주행거리당 CO2 및 NOx 배출량으로 비교하였다. CO2및 NOx 배출 특성의 경우에 모든 실험차량이 인증모드에서는 허용기준을 만족했지만, 실제도로 주행에서는 매우 크게 초과하는 특성을 보 였다.
경로 1에서의 실제도로 주행 NOx 배출특성을 이 동평균구간 (MAW) 방법으로 평가한 경우, 대부분의
실험차량은 차량정체가 심한 도심과 높은 고도차에 의하여 주행부하가 높은 교외구간에서 NOx 배출량 이 높은 특성을 보였다.
실험경로의 실제도로 주행 특성과 배기가스 특성 을 분석하기 위하여 차량속도와 RPA에 따른 CO2 및 NOx분포를 분석하였다. CO2의 분포특성을 볼 때, 1,500 cc 이하의 배기량을 가진 실험차량들은 차량속 도 40 km/h 이하의 도심구간을 대표하는 구간에서 폭넓고 다양한 주행패턴이 분포하고 있지만, 2,000 cc 이상의 실험차량들은 상대적으로 단순한 주행패 턴의 특성을 보였다. NOx배출 특성에 관하여 볼 때 LNT 적용 실험차량들은 교외 및 전용도로 구간에서 NOx 배출특성이 집중되는 분포를 보였지만, SCR 적 용 차량은 폭넓은 구간에서 상당히 비슷한 수준의 배 출특성을 보였다.
후 기
본 연구는 국립환경과학원의 연구비와 한국연구재단 신진연구지원사업 신진연구(NRF-2016R1C1B1015927) 의 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
