Study on effect of fuel property change on vehicle important parts and exhaust gas

http://dx.doi.org/10.12925/jkocs.2017.34.4.866

연료 물성 변화가 자동차 주요부품 및 배출가스에 미치는 영향 연구

이정천

․김성우․이민호․김기호․박언영

(2017년 10월 25일 접수: 2017년 11월 18일 수정: 2017년 11월 29일 채택)

Study on effect of fuel property change on vehicle important parts and exhaust gas

Jung-Cheon Lee^*✝․Sung-Woo Kim․Min-Ho Lee․Ki-Ho Kim․An-Young Park

*

Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, Chungcheongbuk-do, 363-883, Korea

(Received October 25, 2017; Revised November 18, 2017; Accepted November 29, 2017)

요 약 : 산업이 발전함에 따라 전 세계적으로 환경오염에 대한 문제가 대두되고 있으며, 자동차 배출가 스 규제도 점점 강화되고 있다. 하지만, 배출가스는 단순한 자동차만의 문제가 아닌 연료물성성분에 따른 영향도 받는 것으로 알려져 있으며, 특히, 디젤엔진의 경우 CRDI 엔진이 개발 및 상용화되면서 고성능 엔 진은 고성능 연료를 필요로 하고, 그 중 대표적인 것이 연료의 윤활성으로 밝혀진바, 이에 본 연구에서는 연료물성변화가 자동차 주요부품 및 배출가스에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 윤활성이 취약한 연료 (651㎛/품질기준 400㎛이하)를 차량에 사용하여 고압펌프 및 인젝터, 매연저감장치 등의 파손이 발생하며, 매연 및 배출가스, 연비가 악화되는 것을 확인하였다. 또한, 파손된 매연저감장치(DPF)를 확인한 결과 철 분성분이 다량 검출되었으며 이는 연료에 철분성분이 많이 함유되어 있어, 배출가스에 영향을 미쳐 매연저 감장치(DPF)의 처리능력을 초과한 입자상물질의 배출로 인한 파손으로 추정 및 확인하였다.

주제어 : 연료물성, CRDI, 주행조건(모드 : NEDC mode), 매연저감장치(DPF), 고압펌프, 인젝터, 윤활성

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✝

Corresponding author

(E-mail : [email protected])

Vehicle type Diesel vehicle Engine type Compression ignition

4 stroke 4 cylinder engine Valve mechanism DOHC type

Fuel supply type CRDi + CDPF

Displacement 1,582 cc

Max. Power 151ps / 4000rpm Max. Torque 26.5kg.m / 1,750∼3,000rpm

Intake charging VGT

Table 1. Specifications of test vehicles

less in 400 μm). In addition, through an iron component was detected in the broken DPF, it was estimated that the breakage of the DPF was caused by the excessive exhaust of the particulate matter due to the iron component of the fuel.

Keywords :

1. 서 론

산업이 발전함에 따라 전 세계적으로 환경오염 에 대한 문제가 대두되고 있으며, 자동차 배출가 스 규제도 점점 강화되고 있다. 하지만, 배출가스 는 단순한 자동차만의 문제가 아닌 연료물성성분 에 따른 영향도 받는 것으로 알려져 있다. 특히, 디젤 엔진의 경우 CRDI 엔진이 개발 및 상용화 되면서 경유자동차의 성능은 대폭적으로 향상되 었지만, 이러한 경유자동차에서의 핵심부품은 연 료의 품질과도 밀접한 관계가 있으며, 그 중 대 표적인 것이 연료의 윤활성이다. 이는 엔진만의 문제뿐만 아니라 환경규제와도 연관되어 있다. 윤 활성은 움직이는 표면들이 닿을 때 마모되지 않 도록 해주는 연료의 품질이다. 대부분의 연료분사 장치에서 특히 고압 로터리펌프에서, 주요 부품들 의 과도한 마모 방지를 위하여 연료가 윤활제로 사용된다. 그러나 탈황공정에서 연료의 천연 윤활 물질들이 파괴되는 경향이 있다. 윤활성에 의한 적절한 보호가 없다면 특히 연료펌프에서 과도한 마모가 신속히 일어나게 되고, 유해배출가스의 증 가 및 엔진 또는 차량 작동상의 문제로 확대되게

된다. 마모는 온도나 하중이 증가하면 함께 증가 하는 경향이 있다. 따라서, 경유엔진의 연료계통 은 연료에 의하여 적절한 윤활성이 제공되어야 한다.1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15)

이에 본 연구에서는 연료물성변화, 윤활성이 적은 연료에 따른 차량 및 차량내구부품, 배출가 스 특성이 어떻게 변하는지를 확인하고자 하였다.

2. 시험차량, 장치 및 방법

2.1. 시험용 차량 및 시험용 연료

시험에 사용된 차량은 국내에서 양산․판매되고 있는 경유 자동차로서 차량 제원은 Table 1과 같 다. 연료공급은 CRDI 방식이 적용되었으며, 배출 가스 저감을 위한 후처리장치는 가스상물질과 입 자상물질 저감이 가능한 Catalyst-DPF(C-DPF) 가 장착되어 있다. 본 시험 차량이 국내 전체차 량을 대변할 수는 없지만 국내에서 판매되는 자 동차중 등록대수가 가장 많은 모델과 배기량을 고려하여 가장 많이 선호하고 있는 1.6L급 소형 승용차로 결정하였다. 시험용 연료로는 윤활성이

NEDC mode Computer Tomography System Injector performance evaluation test equipment Table 2. Specifications of test vehicles

Fig. 1. Schematic diagram of gasoline vehicle emission measurement system.

저하된 연료(651㎛) Fuel로 선정하였다.

2.2. 시험장치 및 방법 (내구주행 방법 및 평가 시험방법 등)

차량 시험모드 및 환경(온도) 조건에 따른 배 출가스를 측정할 수 있는 저온 차대동력계 및 배 출가스 분석 장치, FT-IR 분석기, PM 입자측정 장치 등 측정 장비의 전체적인 개략도를 Fig. 1에 나타내었으며, 평가방법 등 시험장비를 Table 2 에 나타내었다.

차량내구주행은 과도한 주행거리 누적을 지양 하고 실제 운전자 누적 주행거리를 모사하여 연

간 평균 주행거리(약 20,000km)를 반영하였으며, 주중 출․퇴근(시내 및 교외) 및 장거리 운전(고속 도로)을 7:3 비율로 반영하여 주행하였다.

차량평가시험방법은 환경부 고시의 시험방법을 준용하였으며 NEDC모드 및 무부하급가속으로 배출가스를 측정하였고 자동차 재 제조 디젤인젝 터 품질인증기준에 의거 인젝터 성능을 분석하였 으며, 매연저감장치(DPF)는 3차원 컴퓨터 단층 측정(CT: Computer Tomography)장비를 활용하 여 분석하였다.

New product Damage product (1) Damage product (2)

Low pressure pump

Shaft

Table 3. Compare new product and damage product

Fig. 2. High Presser Pump System

3. 결과 및 고찰

3.1. 고압펌프

취약한 윤활성(651㎛/품질기준 400㎛이하)을 가진 연료로 내구주행 중 약 21,000km에서 시동 꺼짐 및 재시동불가 상태가 되어 정비소 입고 후 파손 부위를 확인한 결과 고압펌프 내에 저압펌 프(기어식) 및 축이 파손된 것을 확인하였으며, 개략도와 파손부위를 Fig. 2와 Table 3에 나타내 었다. 이는 낮은 윤활성에 따른 부품파손으로 연 료탱크로부터 연료이송이 불가한 것으로 확인되 다. 본 결과가 부품결함에 의한 단순 고장이 아

닌지 확인을 위해 고압펌프를 신품으로 교체 후 내구주행을 다시 실시하였지만, 재 시험에서는 약 15,000km 주행 후 동일한 문제가 발생하여 윤활 성이 열악한 연료가 고압펌프 주요부품들 고장의 직접적인 원인으로 작용한 것으로 판단된다.

3.2 배출가스 및 인젝터

Fig. 3과 Table 4는 배출가스를 측정한 결과이 다. 윤활성이 열악한 연료와 정상적인 연료 비교 시험에서 약 100km 길들이기 주행 후 시험결과 는 대부분의 배출가스가 최대 40% 증가하는 결 과가 도출 되었으나 단기 시험에서는 볼 수 없는

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250

THC CO NOx CH4 PM CO2x1000

등유 100% 내구 인젝터(0K) 등유 100% 내구 인젝터(35K) 등유 100% 신품 인젝터

10%

2,075%

100,950%

88%

8%

320%

injector(0km) injector(35,000km) New injector

Fig. 3. 0km and 35,000km NEDC mode emission.

THC CO NOx PM CO2 CH4

0km 0.014 0.068 0.158 0.0002 148.918 0.004

35,000km 0.129 0.128 0.17 0.2021 164.19 0.087

0km, New injector 0.031 0.094 0.139 0.028 152.801 0.007 Table 4. Compare new product and damage product

약 35,000km 내구주행 후 급격한 배출가스 증가 한 것을 알 수 있었다. THC 300% 이상, CO 80% 이상, CH4 2,000 %이상, PM 100,000 % 이상, CO2 및 연비 10% 이상 악화(연료만 교체 하는 단기시험 시 THC 20% 및 CO 40% 악화, CH4 및 PM, CO2 영향 미미)으로 나타났다. 또 한 Table 5.에 나타낸 인젝터 교체 전후 매연시 험(무부하급가속)의 결과 신품 인젝터 교체 후 배 출가스가 감소한 것을 알 수 있었다. 배출가스 증가 주요 원인은 인젝터 성능악화, 인젝터 분사 홀의 크기 증가로 무화 불량, 인젝터 누설로 인 한 연료와 윤활유 희석에 따른 연소실내 윤활유 과대 유입, 인젝터 내·외부 퇴적물 증가로 무화 불량으로 추정되나 정확한 원인 파악을 위하여 추가 심화연구 및 분석 필요할 것으로 생각된다.

3.3 매연저감장치(DPF)

Table 6은 시험 중 약 31,000km 주행 후 입 자상물질의 과다배출이 발생하여, 매연저감장치 (DPF)의 파손을 확인하였으며, 이를 XCT를 촬

영한 것을 나타낸 것이다. 파손의 주요원인으로 인젝터 성능악화로 인하여 설계 매연저감장치 처 리용량을 초과하는 PM이 발생한 것으로 추정하 였으나 파손된 DPF를 확인한 결과 철분성분이 많이 들어있었다. 이를 분석해보니 연료에 철분성 분이 많이 함유되어 있는 것으로 확인되었다. 이 는 연료의 윤활성이 품질기준에 미치지 못하여 고압펌프가 작동할 때 부품간의 마찰에 의해 발 생된 쇳가루가 연소실로 유입된 것으로 추정된다.

4. 결 론

본 연구는 연료의 윤활성이 품질기준을 초과하 는 연료를 대상으로 내구주행을 수행하여 자동차 성능 및 주요부품(고압펌프, DPF 등)에 미치는 영향에 대해 시험을 진행하고 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.

Table 5. Compare new product and damage product

After(Damage injector) Before(New injector)

First Acceleration

Second Acceleration

Third Acceleration

1. 시험에 사용된 연료는 경유의 품질기준 중 윤활성(400㎛이하)이 약 63% 초과(651㎛) 하였다.

2. 약 21,000km 내구 주행 후 고압펌프 내부 의 고압기어펌프 및 축 파손이 발생하여 주 행 중 시동꺼짐 현상이 발생하였다.(재 시험 에서는 약 15,000km 내구주행 후 동일 증 상 발생)

3. 약 31,000km 내구 주행 후 DPF가 파손된 것을 확인 하였으며, DPF 내 다량의 철 성 분이 검출되었다.

4. 약 35,000km 내구주행 후 THC 300% 이 상, CO 80% 이상, CH4 2,000 %이상, CO2 및 연비 10% 이상 증가하였으며, PM 은 100배 이상 증가하였다.

Table 6. 내구시험품 및 신품 CT 시험사진

New product Damage product

DPF

Focus

References

1. B. d. Soh, S. G. Lee, H. H. Lee, C. H.

Song, J. S. Kim, "The study on the effective evaluation of irregular diesel for diesel engine", KSAE07-S0080, pp.521~526, 2007 2. Robert E. Klebba et al., "A comparison of

fourier transform infrared spectroscopy with traditional analyzers for enhanced inspection and maintenance testing.", SAE Paper No.950219, 1995

3. Stephen R. Lowry et al., "The measurement of exhaust emissions from oxygenated fuel blends by fourier transform infrared spectroscopy.", SAE Paper No.950220,

1995

4. Barbara Terry, Rober L McCormick, Mani Natarajan, "Impact of Biodiesel Blends on Fuel System Component Durability" SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2006-01- 3279

5. J. H. Kim, J. B. Park, H. Y. Song, J. G.

Kim, D. K. Kim, "A study on HFRR of diesel on Fuel System Component Durability"

6. M. H. Lee, J. H. Lim, K. H. Kim, C. S.

Jung, “A study on the emission characteristics of test vehicle according to the fuel property and climate conditions”

KSAE, 2013.11, 358-363 (6 pages)

7. M. H. Lee, J. M. In, J. G. Kim, C. S.

Jung, “The Study on the improvement of vehicle fuel economy test method according to the fuel property” KSAE 2009.11, 917-922 (6 pages)

8. E. J. Jang, S. W. Kim, K. I. Min, C. K.

Park, J. H. Ha, B. H. Lee, “A Study on the cold weather performance for diesel vehicle as fuel properties” Journal of Energy Engineering, VOL 24, NO. 2, pp.144-153 (10 pages)

9. Y. K. Lim, D. K. Kim, E. S. Yim, “The study of lubricity for various bio-diesel using HFRR” Journal of the KSTLE VOL.

25, NO. 2, APRILL 2009, pp. 125~131 10. M. H. Lee, S. W .Kim, J. H. Kim, E. S.

Yim, J. G. Kim, C. S. Jung “Fuel Properties and Automotive Performance Characteristics of Bio-diesel according to FAME Contents as Lubricity Improver”

KSTLE VOL, 2010.11, 199-200 (2 pages) 11. D. S. Kim, J. W. Lee, J. Y. Lee, S. H.

Lee, S. H. Lee, J. Y. Lee, Y. W. Lee, H.

M. Choi, K. D. Min, “A study on the characteristics of PM size distribution and number of particulate matters during DPF regeneration in a HSDI Diesel engine”, KSAE 2012 Annual conference, KSAE12-A0016, (2012)

12. E. J. Kang, M. S. Chon, J. S. Um, K. H.

Kim, Y. H. Seo, “Characteristics Evaluation of Fuel Economy and Emission according to Driving Mode Conditions of The Vehicle by Fuel Type”, KSAE 2015 Annual conference, KSAE15-B0077, 2015 13. J. Y. Jang, Y. J. Lee, O. S. Kwon, “The

Characteristics of Emission on Diesel Vehicle Using Low-SAPS and High-SAPS Engine Oil”, KSAE 2016 Annual conference, KSAE16-F0497, (2016) 14. Ball, D., Moser, D., Yang, Y., and Lewis,

D., “N2O Emissions of Low Emission Vehicles”, SAE International Journal of Fuels Lubricant, Vol.16, Issue 2, pp.450-456, (2013) (SAE Papaer No.2013-01-1300)

15. M. H. Lee, S. W. Kim, K. H. Kim, C. S.

Jung, H. J. Oh, “A study about fuel economy and exhaust emission characteristics according to the vehicle test mode conditions”, KSAE 2012 Annual conference, KSAE12-A0130, (2012)