CNG/LPLI Bi-Fuel 자동차에서 주행시험 모드와 점화진각에 따른 연비 및 CO2 배출가스 특성
조승완†·김성훈*·권석주**·박성욱***·전충환****·서영호**
Fuel Efficiency and CO
2Emission Characteristics on Driving Cycle Mode and Ignition Advance Condition Change of CNG/LPLI Bi-Fuel Vehicle
Cho Seungwan, Seonghoon Kim, Seokjoo Kwon, Sungwook Park, Chunghwan Jeon and Youngho Seo
Key Words: CNG(압축천연가스), LPG(액화석유가스), Spark Advance(점화진각), Fuel Economy(연비), CO2 Emission (이산화탄소 배출가스)
Abstract
Due to persist of high oil prices, LPG price stabilization and CNG modification project will be conducted. Present study describes the fuel efficiency and CO2 emission characteristics on driving cycle mode and ignition advance condition change of CNG/LPG Bi-Fuel vehicle. In case of LPG Base and CNG Base condition, considerable CO2 emissions are generated within range of high acceleration on FTP-75 and HWFET driving mode. However previous phenomena does not appear in CNG fuel 10oCA and 15oCA spark advance condition. As a result of analyzing the experimental data CNG S/A10oCA, CNG S/A15oCA, CNG Base, and LPG Base sequentially measured high fuel economy and low CO2 emission characteristics.
1. 서 론
최근 지속되는 고유가 현상으로 관련 업계 종사자들 의 어려움은 해가 거듭될수록 증가되고 있으며, 대부분 의 도로이동운수업체와 택시 및 버스로 대표되는 대중 교통 업체들이 심각한 경영난을 겪고 있다. 98.6%의 택 시가 사용하는 주요 연료인 LPG(액화석유가스)의 경우 최근 10년간 리터당 가격 변동량이 약 54.8%나 증가하
였다. 문제 해결을 위하여 LPG 가격 안정화와 CNG 개 조사업 및 경유택시 보급으로 연료 다양화 사업이 진행 될 예정이다(1).
최근 국토교통부는 대구광역시를 CNG 택시 개조 및 충전소 설치 지원 지역으로 선정하였고, 올해 12월까지 택시 448대의 개조와, CNG 택시 전용 충전소 2개소의 건설 시범사업을 시행한다. CNG 택시 개조 사업의 경 우 1대당 약 480만원의 개조비용 가운데 정부지원금은 144만원(30%)이며 나머지는 대구시(30%)와 택시사업자 (40%)가 각각 부담하도록 하였다(2).
차량의 연비계산공식은 연료와 배출가스의 탄소성분 을 통해 사용된 연료를 추정하는 탄소평형법(Carbon Balance)을 사용한다. 유럽은 Natural Gas를 100% 메탄 (CH4)으로 가정하며 2013년에 개정된 UNECE Regula- tion No.101-Revision 3(3)에 명시되어 있고, 미국은 2012 년에 개정된 40 CFR 600.113-78(4)에서 Natural Gas에 (Recieved: 05 March 2014, Recieved in revised form: 18
March 2014, Accepted: 19 March 2014)
*THE SYSTEM
**자동차부품연구원
***한양대학교 기계공학부
****부산대학교 기계공학부
†책임저자, 회원, 더시스템 기업부설연구소 E-mail : [email protected]
TEL : (051)974-9683 FAX : (051)974-9684
대한 연비계산공식을 제정하였다. 하지만, 한국의 산업 통상자원부 고시 제2013-4호 “자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정”에는 아직 휘발유, LPG, 디젤 에 대한 연비계산공식만 존재하고 있을 뿐 CNG에 대한 계산공식은 부재된 상태이다. CNG 연비계산은 유럽·
미국의 연비계산공식과 한국가스공사의 국내 CNG 물 성 및 산업통상자원부 에너지법 시행규칙 “에너지열량 환산기준”에 관한 참고자료를 바탕으로 공식을 사용하 였다(5-7).
본 연구에서는 CNG/LPG Bi-Fuel 개조 자동차에 대 한 연비 및 CO2 배출가스 특성을 알아보고자 연료 (CNG 및 LPG), 주행시험 모드(FTP-75, HWFET 및 NEDC), 점화진각(Base, Spark Advance 10oCA, Spark Advance 15oCA)의 실험 조건하에서 각 조건변화에 따 른 결과를 살펴보았다.
2. 시험 장치 및 방법
2.1 시험 장치
시험 장치는 크게 CNG/LPLI 개조 차량과 실차 연비·
배출가스 측정 장치로 나뉜다. CNG/LPLI Bi-Fuel 시스 템으로 개조된 차량을 차대동력계에 설치하여 각 조건 별 시험을 수행하였다.
2.1.1 시험 차량
시험차량은 2.0 Nu LPLI 엔진의 YF 쏘나타(2013년식, 주행거리 약 30,000 km)를 CNG Bi-Fuel 시스템(CNG 탱크, CNG 인젝터, 압력조절기)을 추가 장착 개조하여 시험에 사용하였다. CNG Base 조건의 점화시기는 기존 의 LPG Base 조건과 동일하게 설정하였고, 점화진각
(10o, 15o)은 엔진회전수(rpm)와 부하를 기준으로 한 별 도의 12*10 점화진각 맵(Map)을 사용하여 점화시기를 제어하였다. Fig. 1은 차대동력계를 이용한 배출가스 시 험 모습을 나타내고 있다.
2.1.2 실차 연비·배출가스 측정 장치
실차 연비·배출가스 측정 장치는 차대 동력계와 배 출가스 분석계로 구성된다. 차대동력계는 4WD 및 차량 의 길이에 맞추어 조절이 가능하다. 그리고 배출가스 측 정 장치는 모드 주행조건에서 발생되는 배출가스를 포 집하여 분석한 후에 배출가스별 g/km 단위로 나타내었 다. Fig. 2는 실차 연비·배출가스 측정 장치의 개략도 이며, Table 1은 차대동력계 및 배출가스 측정 장치의 정밀도 및 분석 가능한 제원을 나타내었다.
2.2 시험 방법
본 연구에서는 상기의 시험 장치를 바탕으로 CNG/
LPG Bi-Fuel 개조 자동차에 대한 연비 및 CO2 배출가 스 특성을 알아보고자 시험조건을 설정하였고, Table 2 는 시험조건에 자세한 연료, 점화진각, 주행모드에 대한 설명을 나타낸다. 시험은 산업통상자원부 고시 제2013- 4호 “자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규 정”를 기준으로 진행되었으며, 시험이 진행되는 동안 시험실의 온도는 20~30oC(68~86oF) 그리고 습도는 30∼
70 R.H.%를 유지하였다(8).
주행모드는 총 3개의 대표모드를 사용하였으며 FTP- 75는 국내 시가지 주행모드로 사용되고 있으며 최고속 도 91.25 km/h, 평균속도 34.12 km/h, 총 주행거리 17.77 km이며 가감속 패턴이 빈번하게 분포하고 있다. 실 주 Fig. 1 Test vehicle equipped with CNG/LPG Bi-Fuel engine
Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus
행시간은 1877초이나 중간에 소킹타임(600±60)초가 추 가된다.
HWFET는 국내 고속도로 주행모드로 사용되고 있으
며 최고속도 96.4 km/h, 평균속도 77.7 km/h, 총 주행거 리 32.9 km이다. 단일주행을 두 번 반복하여 주행하며 예비주행을 거친 후, 본 실험에서만 배출가스를 측정하 는 특성을 가진다. 주행특성에 대한 설명은 Fig. 3에 시 간별 속도 프로파일을 이용하여 보충하였다.
3. 시험 결과 및 고찰
3.1 CO2 배출가스 특성
Figure 4는 FTP-75 모드를 주행하는 동안 실시간 CO2
배출가스 발생량과 그 누적값을 나타낸 그래프이다. 두 연료를 동일한 점화시점에서 연료만 변경한 LPG Base 와 CNG Base 테스트의 경우, CO2배출량은 거의 동일 한 시점에서 유사한 발생량을 나타내고 있다. CNG 연 료에서 점화시기가 10, 15oCA 진각된 조건의 경우, FTP-75 모드의 200초부터 시작되는 90 km/h의 고속단 계에서 LPG Base 및 CNG Base와 비교하였을 때 눈에 띄는 CO2의 감소가 나타났다.
점화진각 조건에서 누적 CO2 배출량을 분석하여 LPG Base와 비교한 결과 CNG S/A 10oCA와 15oCA는 동일하게 약 -15.1%의 감소율을 나타났다. 점화진각의 10oCA와 15oCA의 큰 차이는 발견되지 않았지만 CNG 연료의 경우 느린 연소속도로 인한 타이밍 손실 보상을 위해 LPG와 동일한 점화시기로 연소되는 것보다 CNG 연료의 연소특성에 알맞은 점화시기가 필요하다고 판단 Table 1 Specification of experimental apparatus
Chassis dynamometer 4WD Chassis Dynamometer (48" Single Roll) Max. Generation Power Permanent : 153kW × 2SET
10s : 258 kW from 92 km/h to 146 km/h Inertia Range 2WD : 400 kg ~ 3,500 kg
4WD : 800 kg ~ 5,400 kg
Max. Speed 200 km/h Max.
Cooling Fan Variable Speed
Emission analyzer Model : Horiba Mexa-7200 LE
CO CO2 CH4 THC NOx
Analysis Principal NDIR NDIR GC/FID H. FID CLD
Application Range (Min.)
LEV 50 ppm 1% 10 ppm 10 ppmC1 10 ppm
SULEV 10 ppm 1% 1 ppm 1 ppmC1 1 ppm
Table 2 Experimental conditions
Fuel Driving mode LPG Base Condition FTP-75, HWFET
CNG
Base Condition FTP-75, HWFET Spark Advance 10oCA FTP-75, HWFET Spark Advance 15oCA FTP-75, HWFET
Fig. 3 Experimental driving conditions
된다.
Figure 5는 HWFET 모드를 주행하는 동안 실시간 CO2 배출가스 발생량과 그 누적값을 나타낸 그래프이
다. 두 연료를 동일한 점화시점에서 연료만 변경한 LPG Base와 CNG Base 조건의 경우 1100초, 1400초의 급가 속구간에서 CNG 연료의 CO2배출량이 더 많이 발생하 였다. 점화진각 조건에서는 이러한 현상이 나타나지 않 아 점화진각이 CO2배출가스의 안정화를 유도하였다고 판단되었다. 누적 CO2 배출량을 분석한 경우 LPG Base 와 비교하여 CNG Base는 약 -12.9%, CNG S/A 10oCA 는 약 -16.7%, CNG S/A 15oCA는 약 -16.1%의 감소되 었다. FTP-75와 HWFET 두 모드를 비교한 결과 CNG 의 S/A 10oCA 조건에서 가장 낮은 누적 CO2 배출량을 나타낸다고 판단되었다.
Figure 6은 FTP-75 및 HWFET 주행모드별 단일 CO2
배출량 그리고 복합 CO2배출량을 나타낸 그래프이다.
복합 CO2배출량이란 산업통상자원부 고시 제2013-4호 의 별표1 “자동차의 에너지소비효율 산정방법”에 나타 난 서로 다른 두 모드를 55:45의 가중치로 복합하여 표 기한 값이다(5).
Fx. 1 복합 CO2배출량
= 0.55FTP-75모드 측정 CO2배출량 + 0.45HWFET모드 측정 CO2배출량
LPG 연료대비 CNG 연료를 사용한 경우 CO2배출량 은 전체적으로 약 -14.6% 감소하였고, 복합 CO2가 가장 낮게 나타난 운전조건은 Base 조건 대비 10oCA의 점화 진각된 CNG 조건으로 복합 CO2량이 117.781 g/km로 가장 낮았다.
3.2 연비 및 에너지소비효율 특성
상기의 배출가스 데이터를 활용하여 CNG/LPG 개조 Fig. 4 CO2 emission characteristics of the CNG/LPG Bi-
fuel system on FTP-75 driving mode
Fig. 5 CO2 emission characteristics of the CNG/LPG Bi- fuel system on HWFET driving mode
Fig. 6 Combined CO2 emission characteristics under FTP- 75 and HWFET driving mode
차량의 연비를 산출하기 위하여 산업통상자원부 고시 제2013-4호의 별표1 “자동차의 에너지소비효율 산정방 법”에 나타난 LPG의 탄소평형법(Carbon balance)을 사 용하였다.
Fx. 2 LPG사용 자동차의 에너지소비효율(km/l)
※ 단 시험용 LPG는 부탄 100% 기준, CH비는 2.5, 위의 공식에 사용되는 배출가스는 g/km 단위임.
Figure 7의 CNG 연비계산은 유럽·미국의 연비계산 공식과 한국가스공사의 국내 CNG 물성 및 산업통상자 원부 에너지법 시행규칙 “에너지열량 환산기준”에 관한 참고자료를 바탕으로 유도된 공식을 사용하였다(6).
Fx. 3 CNG사용 자동차의 에너지소비효율(km/m3)
※ 단 시험용 CNG는 메탄(CH4) 90%, 부탄(C2H5) 6%, 프로판(C3H8) 4%기준, 배출가스는 g/km 단위임.
FTP-75모드는 총 4단계(저온시동시험 초기단계, 저온 시동시험 안정단계, 소킹, 고온시동시험 초기단계)이지 만 소킹시간에는 배출가스를 측정하지 않기에 3단계로 나타내었고, HWFET는 예비주행및 본시험으로 나뉘지 만 예비주행은 배출가스를분석하지 않으므로 본시험 1 개의 단계만을 나타내었다.
앞서 분석한 CO2배출가스 특성과 연비는 서로 반비 례적인 Trade off 관계를 고려했을 때 전체적인 데이터 는 이전결과와 동일하게 CNG S/A10oCA, CNG S/
A15oCA, CNG Base, LPG Base 순으로 연비가 높게 측 정되는 경향을 나타내고 있다. 하지만, FTP-75모드의 Phase 1의 경우 CNG S/A10oCA과 CNG S/A15oCA에서 역전되는 경향이 나타났다. 이것은 CNG S/A15oCA가 FTP-75 Phase 1(저온시동시험 초기단계)에서는 CNG S/
A10oCA보다 높은 연비를 나타내지만, FTP-75 Phase 2 (저온시동시험 안정단계에서)에서 CNG S/A15oCA의 연 비가 낮아졌다. CNG S/A15oCA 조건의 경우 모드 초반 의 연비가 높게 나타난다.
Figure 8은 산업통상자원부 고시 제2013-4호의 별표1
“자동차의 에너지소비효율 산정방법”에 나타난 보정복 483 g l( )⁄
0.866 HC× ×0.429×CO 0.273 CO+ + 2 ---
=
565 g m( ⁄ 3)
0.759 HC× +0.429 CO× +0.273 CO× 2 ---
Fig. 7 Fuel economy of CNG/LPG Bi-Fuel vehicle on each phase by FTP-75, HWFET, and NEDC
합 연비 및 에너지소비효율을 사용하였다. 보정복합 연 비는 FTP-75, HWFET 두 모드를 보정식을 이용하여 미 국의 5-cycle을 예측한 연비계산 방식이다. FTP-75 및 HWFET 모드 측정 에너지소비효율을 사용하여 도심 및 고속도로주행 에너지소비효율을 계산하며 그 계산식은 아래와 같다(5).
Fx. 4 Urban Energy Efficiency(km/l, km/m3)
Fx. 5 Highway Energy Efficiency(km/l, km/m3)
최종적으로 보정복합 에너지소비효율을 아래의 계산 식으로 구한 뒤 그래프로 나타내었고, 보정복합 에너지 소비효율을 비교한 그 결과 앞선 데이터와 동일하게
CNG S/A10oCA, CNG S/A15oCA, CNG Base, LPG Base 순으로 연비가 높게 측정되는 경향을 나타내고 있다.
Fx. 6 5-cycle combined Energy Efficiency(km/l, km/m3)
※ E.E : Energy Efficiency(km/l for LPG, km/m3 for CNG)
4. 결 론
본 연구는 CNG/LPLI Bi-Fuel 자동차에서 주행시험 모드와 점화진각에 따른 연비 및 CO2배출가스 특성에 대하여 수행하였고, 그 결과는 다음과 같다.
1) FTP-75 모드에서 LPG Base와 CNG Base의 실시 간 CO2 배출가스 발생량을 분석한 결과 동일시점에서 1
0.007639 1.1886 FTP 75Fuel Economy– --- +
---
=
1 0.004425 1.3425
HWFET Fuel Economy --- +
---
=
1 0.55 Urban E.E
--- 0.45 Highway E.E.
--- +
---
=
Fig. 8 Revision fuel economy of CNG/LPG Bi-Fuel vehicle on FTP-75, and HWFET
유사한 배출가스 발생량을 나타내었다.
2) FTP-75 모드에서 CNG 연료의 점화시기가 10, 15oCA 진각된 경우, 200초부터 시작되는 90 km/h의 고 속단계에서 LPG Base 및 CNG Base와 비교하였을 때 눈에 띄는 CO2의 감소가 나타났다.
3) HWFET 모드의 1100초, 1400초 급가속구간에서 LPG Base와 CNG Base 조건을 비교할 경우, CNG 연료 의 CO2배출량이 더 많이 발생하였다. 이는 점화진각으 로 인한 CO2 배출가스 안정화가 유도되었기 때문이라 판단된다.
4) HWFET 모드에서 누적 CO2배출량을 분석한 경 우 LPG Base와 비교하여 CNG Base는 약 -12.9%, CNG S/A 10oCA는 약 -16.7%, CNG S/A 15oCA는 약 -16.1%
의 CO2 배출량이 감소되었다.
5) FTP-75모드의 Phase 1(저온시동시험 초기단계)에 서 CNG S/A15oCA가 높은 연비를 나타내었고, ECE 154EA에서도 동일하게 나타난 결과 CNG S/A15oCA 조 건의 경우 모드 초반의 연비가 CNG S/A10oCA 보다 높 게 나타남을 알 수 있었다.
6) 전반적으로 CO2배출가스 특성과 연비는 서로 반 비례적인 Trade off 관계를 고려했을 때 전체적인 데이 터는 CNG S/A10oCA, CNG S/A15oCA, CNG Base, LPG Base 순으로 연비가 높고 CO2발생량이 낮게 측정 되는 경향을 나타내고 있다.
후 기
본 연구는 중소기업청 전담의 “점화진각제어기능이
내장된 2L급 CNG-LPG Bi-Fuel 시스템용 고성능 엔진 제어장치(ECU) 개발”의 과제지원으로 진행되었으며 연 구를 지원해주신 기관에 감사드립니다.
참고문헌
(1) 국토교통부 택시발전법안 통과 보도자료, “택시산업 발전 종합대책”, 국토교통부, 2013.12.31.
(2) 국토교통부 보도자료, “대구광역시, CNG 택시 개조 시범사업 지역으로 선정”, 국토교통부, 2014.02.21.
(3) UNECE Regulation No.101-Rev.3, “Uniform provisions concerning the approval of passenger cars...”, 2013.04.
(4) EPA, 40 CFR 600.113-78, “FUEL ECONOMY AND GREENHOUSE GAS...”, 2012.09
(5) 산업통상자원부 고시 제2013-4호의 별표1 “자동차의 에너지소비효율 산정방법”, 산업통상자원부, 2013.
01.03.
(6) S. J. Kwon, Y. J. Choi, E. J. Kang, S. W. Choi, Youngho Seo, S. W. Park, “Analysis study of a procedure for energy consumption efficiency by measuring vehicle fuel efficiency and exhaust emissions of CNG vehi- cle”, KSAE13-A0136, 2013, pp.414-417.
(7) 산업통상자원부령 제1호 별표1 “에너지열량 환산기 준”, 산업통상자원부, 2013.03.23.
(8) 산업통상자원부 고시 제2013-4호 “자동차의 에너지 소비효율 및 등급표시에 관한 규정”, 산업통상자원부, 2013.01.03.
