WLTC 시험 모드에서 소형 경유자동차의 후처리 시스템에 따른 질소산화물 및 입자개수 배출 특성
이동인
*
ㆍ고상철**,***
ㆍ유영수*
ㆍ박준홍**
ㆍ차준표*
ㆍ전문수*,†
Characteristics of NOx and PN According to After-treatment for Light-duty Diesel Vehicles in WLTC Test Mode
Dong In Lee, Sangchul Ko, Young Soo Yu, Junhong Park, Junepyo Cha and Mun Soo Chon
Key Words: WLTC (Worldwide harmonized Light-duty vehicle Test Cycle), RPA (Relative Positive Acceleration), LNT (Lean NOx Trap), SCR (Selecttive Catalytic Reduction), DPF (Diesel Particle Filter)
Abstract
Since September 2017, a small diesel vehicle certification test mode has been enhanced from NEDC to WLTC. The main reason for the change of the certification test mode is that the certification test mode of the emission control standard of the diesel vehicle does not sufficiently reflect various driving patterns of the actual roads. Several automakers have developed after-treatment systems such as LNT, SCR, and DPF to meet enhanced emissions regulations. In this study, four small diesel cars were selected for sale in Korea, and the exhaust gas measurement test was performed in the WLTC mode, which reflects the driving characteristics of the actual roads. As a result of test, LNT vehicle exceeded Euro 6 NOx regulation and SCR vehicle satisfied Euro 6 NOx regulation. In addition, both LNT and SCR systems showed high NOX emission characteristics due to speed, RPA and Vxa. For the PN, all test vehicles were fitted with a DPF and met the Euro 6 PN regulations, with similar PN emissions results in LNT and SCR system.
1. 서 론
경유자동차는 압축착화 방식의 연소 특성상 질소산화 물(NOx)과 같은 가스상 물질과 매연과 같은 입자상물 질(PM, Particle Matter)이 배출되며
(1), 이러한 경유자동 차에서 배출되는 유해 배출가스는 대기오염 및 인체 건 강을 위협하고 있다
(2). 이에 비교적 경유자동차 보급 및
판매가 활발한 유럽은 경유자동차에 대한 배출가스 규 제를 적용하였으며
(3), 우리나라도 유럽에서 제시한 기준 을 도입하여 사용하고 있다
(4). 경유자동차에 대한배출가 스 인증 시험은 차대 동력계에서 국제표준 배출가스 측 정 장비로 배출가스를 측정하였으며, 2000년 Euro 3부 터 Euro 6b 까지 저속 영역과 고속 영역의 운전 특성을 평균화하여 만들어진 NEDC(New European Driving Cycle) 인증 모드에서 수행되었다. 그러나 경유자동차에 서 배출되는 유해 배기가스 중 하나인 질소산화물의 경 우 실내 인증 시험과 실제도로 주행 배출가스 시험에서 큰 괴리감이 나타나는 것으로 보고되었다
(5-8). 이에 환경 부와 유럽연합(EU)은 실내 인증 시험과 실제도로 주행 배출가스의 차이를 줄이기 위해 2017년 9월 Euro 6d temp. 규제부터 기존 경유 자동차 인증모드였던 NEDC (Recieved: 22 Nov 2018, Recieved in revised form: 20 Dec
2018, Accepted: 21 Dec 2018)
*
한국교통대학교 자동차공학과
**
국립환경과학원 교통환경연구소
***
인하대학교 일반대학원
†
책임저자, 회원, 한국교통대학교 자동차공학과
E-mail : [email protected]
TEL : (043)841-5292 FAX : (043)841-5280
에서 유럽경제위원회(UN ECE, United Nations Economic Commission for Europe) 의 WP29(World Forum for Har- monization of Vehicle Regulations) 에서 개발한 국제표준 소형차 배출가스 시험 모드 WLTC(World harmonized Light-duty vehicle Test Cycle) 로 강화하였다
(9-10). 이에 세계 여러 제작사들은 강화되는 배출가스 규제를 만족 하기 위해 후처리 장치를 개발 및 도입하였다. 경유자동 차는 배기가스의 CO
2, H
2O 와 같은 불활성가스를 연소 실로 재유입시켜 연소 온도를 낮추어 질소산화물의 생 성을 억제하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 과 산화 반응을 통해 NOx를 포집 및 저감시키는 LNT(Lean NOx Trap), 암모니아(NH3)와 같은 환원제를 분사하여 촉매작용으로 NOx를 저감시키는 SCR(Selecttive Cata- lytic Reduction) 등과 같은 후처리 시스템을 개발 및 적 용하여 질소산화물을 저감시키고 있다
(11-12).
또한, 경유자동차에서 발생하는 입자상 물질의 경우 입자포집여과지를 이용하여 포집된 입자들의 질량을 규 제하는 PM(Particle Mass)과 무게가 거의 없는 1 μm 이 하의 아주 미세한 입자는 CPC(Condensation particle counter) 또는 DC(Diffusion Charging)방식을 이용하여 입자의 개수 PN(Particle Number)에 대하여 규제하고 있 다. 특히 입자개수의 배출허용기준은 2011년 9월에 적 용된 Euro 5b부터 실내인증시험에서 6×10
11#/km 로 규 제 되어왔으며, 강화되는 규제를 만족하기 위해 입자상 물질을 포집하는 디젤 미립자필터(DPF, Diesel Particle Filter) 가 장착되면서 경유자동차의 입자개수는 크게 감 소하였다
(13). 그러나 최근 도입된 실제도로 주행 배출가 스 3단계 규제에 입자개수에 대한 평가가 추가되어 다 양한 속도와 가감속이 존재하는 실제도로 주행 조건에 서의 입자개수 배출 특성 연구가 필요하며
(14), 이에 실 제도로의 주행 패턴이 반영된 WLTC 모드에서의 입자
개수 배출 특성 연구가 선행되어야한다.
따라서 본 연구에서는 Euro 6d Temp. 규제 도입하기 전 질소산화물(NOx) 저감 장치 및 입자개수(PN) 저감 장치를 장착한 소형 경유자동차의 배출 수준 및 특성을 알아보기 위해 Euro 6b 규제를 만족하는 소형 경유자 동차 4대를 선정하였으며, 질소산화물(NOx) 저감을 위 해 개발된 LNT 시스템과 DPF가 장착된 경유자동차 2 대와 질소산화물(NOx) 저감을 위해 개발된 SCR 시스 템과 DPF가 장착된 경유자동차 2대를 선정하였다. 또 한 실제도로의 주행 조건에서의 질소산화물(NOx) 및 입자개수(PN)의 배출 특성을 알아보기 위해 WLTC 모 드에서 속도 및 상대가속도, 비출력 등 구간별 특성을 분석하여 질소산화물 및 입자개수 배출 특성에 대해 연구하였다.
2. 시험내용 및 방법
2.1 시험 차량
본 연구에서는 국내에서 판매 및 운행 중이며 다양한 배기량을 가지는 소형 자동차 4대를 선정하여 시험을 진행하였다. 2017년 식 Euro 6b가 적용된 차량이며, NEDC 모드에서 배출 허용기준을 만족하는 LNT와 DPF 를 장착한 경유 차량 2대(시험차량 A, B), Euro 6b 기준을 만족하는 DPF와 SCR이 장착된 경유 차량 2대 ( 시험차량 C, D)이며, 시험 차종에 대해서는 Table 1에 자세한 제원을 나타내었다.
2.2 시험 장비
총 4대의 각각 다른 후처리 시스템을 장착한 차량에 대한 질소산화물 및 입자개수에 대한 배출 특성을 알
Table 1 Specification of test vehicles
Veh. A Veh. B Veh. C Veh. D
Model year 2017 2017 2017 2017
Fuel Diesel Diesel Diesel Diesel
Emission standard Euro 6b Euro 6b Euro 6b Euro 6b
Kurb weight (kg) 1,845 1,730 1,930 2,095
Displaced volume (cc) 1,995 1,995 1,956 2,199
Max. Power (kW) 134.69 110.33 125.12 150.69
After-treatment LNT+DPF LNT+DPF SCR+DPF SCR+DPF
아보기 위해 배출가스와 연비를 측정할 수 있는 배출가스 시험실에서 진행하였으며, 구성은 차대동력계, 배출가스 희석 장치, 배출가스 분석기 등으로 이루어져 있다.
2.2.1 차대동력계
본 연구에서는 자동차가 실제도로의 주행 시 가속, 정 속, 감속, 정지 시 받는 부하를 모사하기 위해 차대동력 계에서 주행을 실시하였으며, AVL사의 AC 동력계를 이용하였다. 차대동력계 구성은 관성 중량, 동력 흡수계, 제어기로 구성되어있다. Table 2에 차대동력계 제원을 나타내었다.
2.2.2 배출가스 분석기 및 입자개수 측정 시스템 차대동력계를 이용한 배출가스 측정 장비는 HORIBA 사의 MEXA series를 이용하였으며, 자동차의 배출가스 중 THC, CO, CO2, NOx, CH4를 분석할 수 있는 장치 이다. CO 및 CO2는 비분산 적외선 분석법(NDIR, Non- dispersive Infrared), THC 는 화염이온 감지법(FID, Flame Ionization Detector), NOx 는 화학 발광법(CLD, Chemilu- minescence detector), CH4 는 (GC-FID, Gas chromatog- raphy-FID) 의 원리로 측정된다. 입자개수 측정 장비는 HORIBA 사의 MEXA-2000PCS를 이용 하였으며, 자동 차에서 배출되는 배출가스를 원심력집진기(Cyclone)을 이용하여 PM2.5를 포집하여 1차 희석터널, 증발튜브, 2 차 희석터널을 지난 뒤 응축 입자 계수법(CPC, Conden- sation particle counter) 로 수 농도를 측정하는 장치이다.
Table 3 에 배출가스 분석기 및 입자개수 측정 장비에 대 한 제원을 나타내었다.
2.3 배출가스 시험 모드
본 연구에서는 Euro 6d temp. 규제부터 도입된 WLTC 모드에서 시험을 진행하였다. WLTC는 유럽, 미국, 한국,
일본 및 인도의 실제 도로주행 데이터를 측정 및 분석 하여 개발 되었으며, 시험 차량의 엔진 최대 출력과 공 차 중량의 비율인 PMR(Power-to-Mass Ratio)에 따라 Class 1, Class 2, Class 3a 및 Class 3b 3가지로 분류하 였다. Class 1에 해당되는 차량은 PMR 값이 22 W/kg 이하인 차량이며, Class 2에 해당되는 차량은 PMR 값 이 22 W/kg을 초과하고 34 W/kg 이하인 차량이다.
Class 3 의 경우 PMR 값이 34 W/kg 초과하는 차량이 며, 최고속도 120 km/h 이상이면 Class 3a 120 km/h 미만이면 Class 3b로 분류된다. Table 4에는 차량 PMR 에 따른 시험 class 분류를 나타내었다. 본 연구에 서 이용된 총 4대의 시험 차량의 PMR 값은 최대 90.5 W/kg 최소 63.77 W/kg으로 PMR＞34 이며 최대 속도가 120 km/h 를 초과하므로 Class 3b에 포함된다. WLTC 3b class 구성은 Low speed, Medium speed, High speed, Extra High speed 로 총 4가지 구간으로 구성되어있으며, Fig. 1 에 WLTC Class 3b에 대한 속도 그래프를 나타내 었다. 또한 실제도로 주행 패턴이 반영된 WLTC 주행모 드의 구간별 특성을 비교하기 위해 실제도로 주행 배출 가스(RDE) 시험에서 필수적으로 만족해야하는 경계 요 건 중 동적 조건에 해당하는 상대가속도(RPA, Relative Positive Acceleration) 와 비출력(v × a)을 WLTC에 적용하 였다. RPA는 양의 가속도를 이용하여 계산되며, 실시간 으로 측정된 차속(km/h) 데이터를 이용하여 다음 식으로 시험 차량의 주행거리, 가속도 및 비출력(v × a)을 계산 후 식 (4)와 같이 RPA를 정의한다. 비출력(v × a)의 경우 가 속도 데이터가
(1)
(2) d
iv
i3.6 ---
=
a
iv
i 1+– v
i 1–--- 3.6
= Table 2 Specification of chassis dynamometer
Roll type & diameter 48 inch MIM type Inertia simulated range 454~5,448 kg Electric motor absorber type AC motor 150 kw
Max. speed 200 km/h Speed deviation ±0.1% F.S.
Torque deviation ±0.02 km/h Driving distance measurement Encoder
Table 3 Specification of emission analyzer and particle counter
Item Range Module
(principle) CO 0~2500 ppm
NDIR CO2 0~16%
NOx 0~3,000 ppm CLD
THC 0~5000 ppmC FID
PN 0~50000 particle/cm
3CPC
(3)
(4)
where d
i: distance covered in time step i, [m]
v
i: vehicle speed in time step i, [km/h]
a
i: acceleration in time step i, [m/s
2]
a
i≥ 0.1 m/s
2이상이여야 하며 양의 비출력(v × a) 데이 터를 오름차순으로 정렬한 후 95% 백분위수(95% Per- centile) 에 해당하는 비출력 값으로 정의된다
(15). 구간별 RPA 값은 상대적으로 고속 구간에 비해 가감속 구간이
많은 Low speed 구간에서 0.199 m/s
2로 가장 높았으며, 그 다음 0.188 m/s
2로 Medium speed로 Low speed 구간 과 비슷한 RPA 값이 나타났다. 그 다음 High speed 구 간, Extra High speed 구간으로 낮은 수준이 나타났다. 비 출력(v × a)의 경우 RPA와 다르게 평균속도가 가장 높 은 Extra High speed 구간에서 14.95 W/kg으로 가장 높 았으며 평균 속도가 가장 낮은 Low speed 구간에서 가 장 낮은 비출력 값이 나타났다. 그 다음 Medium speed 구간에서 12.20 W/kg으로 높았으며 그 다음 High speed 구간에서 11.83 W/kg으로 Medium speed 구간과 비슷한 비출력 값이 나타났다. Table 5에는 WLTC 모드의 구간 별 주행 특성에 대하여 나타내었다.
v a × ( )
iv
i× a
i--- 3.6
=
RPA ∑
j[ Δ t v a ( ×
pos)
j k,] d
i i( )
k--- ∑
=
Table 4 WLTC test cycles classification
Category PMR (W/kg) Max speed Speed phase sequence
Class 3b
PMR > 34
V_max ≥ 120
Low 3+
Medium 3-2+
High 3-2+
Extra High 3
Class 3a V_max < 120
Low 3+
Medium 3-2+
High 3-1+
Extra High 3
Class 2 22 < PMR ≤ 34 -
Low 2+
Medium 2+
High 2+
Extra High 2
Class 1 PMR ≤ 22 -
Low 1+
Medium 1+
Low 1
Fig. 1 WLTC Class 3b test mode
Table 5 WLTC driving characteristics
Low Medium High Extra High Duration(s) 589 433 455 323 Distance(km) 3.1 4.8 7.2 8.3
Max. speed
(km/h) 56.5 76.6 97.4 131.3 Avg. speed
(km/h) 18.9 39.5 56.6 92.0
RPA (m/s
2) 0.199 0.188 0.122 0.118
v × a (W/kg) 8.19 12.20 11.83 14.95
3. 결 과
3.1 WLTC 구간별 NOx 및 PN 배출 결과 시험에 사용된 차량 A~D는 Euro 6b NEDC 모드에서 규제를 만족하는 차량이며, 질소산화물(NOx) 배출허용 기준 0.08 g/km, 입자개수(PN)는 6×10
11#/km 를 만족하 는 차량이다. 또한 다양한 속도와 가감속이 포함된 WLTC 모드 특성에 의한 후처리 시스템에 따른 질소산 화물(NOx)과 입자개수(PN)의 배출특성을 알아보기 위 해 열간시동 조건에서 진행하였다. 시험 조건은 차대동 력계에서 표준 시험 온도인 23
oC±5
oC 에서 시험을 진행 하였다. Fig. 2는 WLTC 모드에서 후처리 시스템이 다 른 시험 차량 4대에 대한 각 구간 및 전체에 대한 NOx 및 PN 배출 결과를 나타내었다. 전체 NOx 배출량의 경 우 LNT+DPF가 장착된 시험 차량 A, B에서 가장 높은 NOx 배출량이 측정되었다. 시험차량 A의 경우 NOx 배 출허용 기준 (0.08 g/km)를 초과하였지만 시험 차량 B 는 배출허용 기준을 만족하였다. 이러한 차이는 국산에
서 생상된 차량 A에 비해 해외 제작사에서 생산된 수입 차량 B의 NOx 저감 기술력이 높은 것으로 판단된다.
반면 PN 배출량의 경우 NOx와 다르게 LNT 차량에서 가장 낮은 배출 특성이 나타났으며, PN 배출허용 기준 (6×10
11#/km) 을 모두 만족 하였다. LNT+DPF 차량의 WLTC 모드 구간별 배출량은 RPA 값이 높은 Low speed 구간과 Medium speed 구간에서 가장 높은 NOx 및 PN 배출 특성이 나타났다. 그 다음 비출력이 가장 큰 Extra High 구간에서 높은 NOx 및 PN이 배출되었으 며 High speed 구간에서 가장 적은 NOx 및 PN이 배출되 었다. DPF+SCR이 장착된 시험 차량 C, D에 대한 전체 NOx 배출량의 경우 LNT +DPF가 장착된 차량 보다 낮
Fig. 2 NOx emissions in WLTC mode of test vehicles Fig. 3 NOx and PN emissions according to acceleration
은 NOx 배출 특성이 나타났으며, NOx 배출허용 기준 (0.08 g/km) 을 모두 만족하였다. 이러한 결과는 NOx 저 감 측면에서 DPF+SCR 시스템이 LNT+DPF 시스템 보 다 더 높은 저감 효율이 나타나는 것을 확인하였다. PN 의 경우 LNT+DPF 차량에 비해 다소 높은 배출 특성이 나타났으며, PN 배출허용 기준 (6×10
11#/km) 을 모두 만 족 하였다. DPF+SCR 차량의 WLTC 모드 구간별 NOx 및 PN 배출량은 LNT+DPF가 장착된 차량과 비슷한 배 출 특성이 나타났으며, 비출력이 높은 Extra High speed 구간 및 High speed 구간 보다 RPA가 높은 Low speed 구간과 Medium speed 구간에서 높은 배출 특성이 나타 났다. 이러한 경유자동차의 낮은 입자개수 배출 특성은 디젤미립자 필터 DPF 시스템에 의한 영향으로 판단되 며, LNT+DPF 시스템과 DPF+SCR 시스템의 입자개수 배 출 차이는 SCR 시스템의 요소수 분사에 의한 입자개수 증가로 판단된다
(16). 또한 Fig. 3에는 WLTC 모드에서 상
대가속도가 0.199 m/s
2으로 가장 높은 Low speed 구간과 0.188 m/s
2로 Low speed 구간 과 비슷한 상대가속도를 포 함한 Medium speed 구간에서 양의 가속도에 의해 높은 NOx 및 PN의 배출 특성을 확인할 수 있다.
3.2 실시간 누적 NOx 및 PN 배출 특성
Figure 4 는 WLTC 모드 주행 시 측정된 차종별 NOx 및 입자개수에 대한 실시간 누적 그래프를 나타내었다.
NOx 배출 특성의 경우 LNT+DPF 차량 A, B에서 누적 된 NOx 배출량이 가장 높았으며, 각각의 구간에서 가 속 및 출력에 의한 급격한 NOx 배출 특성이 나타났다.
DPF+SCR 차량 C, D의 경우 가속에 의한 NOx 배출량 이 증가하는 경향은 보이지만 LNT+DPF 차량에 비해 가속에 의한 영향은 매우 적은 것으로 판단된다. 입자개 수의 배출 특성의 경우 DPF+SCR 차량 C, D에서 LNT+
DPF 차량에 비해 다소 높은 누적 입자개수 배출량이 나 타났다. LNT+DPF, DPF+SCR 차량 모두 각각의 구간에 서 누적 입자개수의 기울기가 증가하였지만 누적 입자 개수 변화량이 매우 낮은 것으로 보아 구간별 특성에 의한 입자개수의 배출량에 대해 영향은 매우 적은 것으 로 판단된다.
3.3 WLTC 속도 범위에 따른 NOx 및 PN 배출 특성
실제도로 주행 패턴이 반영된 WLTC 모드는 정지구
간부터 최고속도 131.3 km/h까지 넓은 속도범위를 가지
고 있으며, 다양한 가감속 구간이 존재한다. Fig. 5(a)는
WLTC 모드의 다양한 속도 범위에 따른 NOx 배출 특
성을 알아보기 위해 속도 기준으로 10 km/h씩 평균 구
간을 나누어 해당 속도 구간에서 배출된 NOx 평균값으
로 나타내었으며, 평균 구간의 속도를 이용해 거리로 계
산 후 각 구간 평균 배출량에 나누어 거리 평균화 하였
다. LNT+DPF를 장착한 Veh. A 차량에 대한 WLTC 모
드에서 10 km/h씩 평균 구간을 나누어 나타낸 평균 속
도와 평균 NOx 배출량의 경우 다른 차량들에 비해 모
든 속도 구간에서 높은 NOx 배출 특성이 나타났으며,
특히 60 km/h~100 km/h 구간에 매우 높은 배출 특성이
나타났다. 이러한 원인은 시험차량 A의 각각의 구간별
가속 구간에서 높은 NOx 배출량에 의한 것으로 판단되
며, 전반적인 속도 구간에서의 Veh. A 차량의 NOx 배
출 특성은 저속에서 고속으로 갈수록 NOx가 증가하는
배출 특성이 나타났다. LNT+DPF를 장착한 Veh. B 차
량에 대한 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 NOx 배출량
의 경우 같은 후처리 시스템을 장착한 Veh. A 차량에
Fig. 4 Cumulative NOx and PN emissions in WLTC mode
비해 낮은 NOx 배출 수준이 나타났으나 전반적인 속도 구간에서 Veh. A 차량과 동일하게 저속에서 고속으로 갈 수록 NOx가 증가하는 배출 특성이 나타났다. DPF+SCR 를 장착한 Veh. C 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 NOx 배출량의 경우 전반적인 속도 구간에서 LNT+DPF를 장 착한 차량에 비해 낮은 NOx 배출 수준이 나타났으며, LNT+DPF 차량과 반대로 저속에서 고속으로 갈수록 NOx 가 감소하는 배출 특성이 나타났다. Veh. D 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 NOx 배출량의 경우 40 km/h 이하 구간에서 동일한 후처리 시스템을 장착한 Veh. C 차량에 비해 다소 높은 NOx 배출 특성이 나타났으나 전반적인 속도 구간에서 Veh. C 차량과 동일하게 저속 에서 고속으로 갈수록 NOx가 감소하는 배출 특성이 나 타났다.
Figure 5(b) 은 WLTC 모드의 다양한 속도 범위에 따 른 PN 배출 특성을 속도 기준으로 10 km/h씩 평균 구
간을 나누어 해당 속도 구간에서 배출된 PN 평균값으 로 나타내었다. LNT+DPF를 장착한 Veh. A 차량에 대 한 WLTC 모드에서 10 km/h씩 평균 구간을 나누어 나 타낸 평균 속도와 평균 PN 배출량의 경우 2×10
9#/km 에 서 2×10
10#/km 사이에 평균 PN이 배출 되었으며, NOx 배출 특성과 달리 저속에서 고속으로 갈수록 PN이 감 소 하는 배출 특성이 나타났다. Veh. B 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 PN 배출량의 경우 Veh. A 차량에 비해 다소 낮은 PN 배출 수준이 나타났으나 Veh. A 차량과 동일하게 저속에서 고속으로 갈수록 PN이 감소하는 배 출 특성이 나타났다. Veh. C 차량에 대한 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 PN 배출량의 경우 전반적인 속도 구 간에서 매우 비슷한 PN 배출 수준이 나타났다. Veh. D 차량에 대한 차량에 대한 10 km/h 평균 구간 PN 배출 량의 경우 Veh. A, B 차량과 동일하게 저속에서 고속으 로 갈수록 PN이 감소하는 배출 특성이 나타났다.
또한, Fig. 6에는 전술한 10 km/h 평균 구간에서 같은 속도 구간에 감속과 가속의 영향을 알아보기 위해 후처 리 시스템이 다른 대표 차량 A와 B차량을 선정하여 각 각의 평균구간에서의 감속 구간에 대한 NOx 및 PN 평 균 배출량과 가속 구간에 대한 NOx 및 PN 평균 배출 량을 나타내었다. 분석결과, NOx 배출량의 경우 차량 A, B 모두 전체 속도 범위에서 가속 구간이 감속 구간 에 비해 높은 NOx가 배출되었으며, PN 배출량의 경우 차량 A 의 110~120 km/h 속도 구간에서 감속 구간이 가속 구간보다 약간 높은 PN 배출량을 제외한 차량 A, B 의 모든 속도 구간에서 가속 구간이 감속 구간에 비해 높거나 비슷한 배출량이 나타났다.
3.4 비출력에 따른 NOx 및 PN 배출 특성
WLTC 모드에서 비출력(v × a)에 의한 배출 특성을 알 아보기 위해 비출력(v × a) 값이 가장 큰 Extra High speed 구간에서 후처리 시스템에 따른 배출 특성을 분 석하였다. 시험 차량별 배출량을 평균화 하여 분석하기 위해 비출력(v × a) 및 NOx 및 PN 배출량을 30초 평균 화하여 나타내었으며, 후처리 시스템에 따른 비출력 (v × a) 영향을 알아보기 위해 같은 크기 범위로 분석하 였다.
Figure 7 는 LNT+DPF을 장착한 Veh. A, B 차량과 DPF+SCR 을 장착한 Veh. C, D 차량에 대하여 Extra High speed 구간에서 비출력(v × a)에 따른 NOx 및 PN 배출 특성을 나타내었다. NOx 배출량의 경우 LNT+DPF, DPF+SCR 차량 모두 양의 비출력 구간에서 높은 NOx Fig. 5 NOx and PN emission characteristics according to
average 10 km/h speed
가 배출 되었으며, DPF+SCR 차량에 비해 LNT+DPF 차량에서 높은 NOx 배출 특성이 나타났다. 비출력은 1530 s~1560 s 구간에서 11.3 W/kg으로 가장 높게 분석 되었으며, 비출력이 가장 높은 구간에서 NOx 배출량은 Veh. A 차량에서 0.039 g으로 가장 높게 측정되었으며, 그다음 Veh. B 차량에서 0.013 g으로 LNT+DPF 차량에
서 비출력이 가장 높은 구간에서 높은 NOx 배출 특성 이 나타났다. 또한, DPF+SCR이 장착된 Veh. C, D 차량 에서도 비출력이 가장 높은 구간에서 각각 0.003 g, 0.0003 g 으로 가장 높은 NOx가 배출되었다. 또한 입자 개수의 경우 NOx 배출 특성과 비슷하게 양의 비출력 구간에서 높은 PN이 배출 되었으며, Veh. C 차량에서 Fig. 6 NOx and PN emission characteristics with deceleration and acceleration at an average speed of 10 km/h
Fig. 7 NOx and PN emission characteristics of Diesel vehicles according to v×a in the WLTC of Extra high speed section
다른 시험 차량에 비해 전반적으로 높은 PN이 배출되었 다. 또한, LNT+DPF가 장착된 Veh. A 차량과 DPF+SCR 이 장착된 Veh. C 차량에서 비출력이 가장 큰 1530 s
~1560 s 구간에서 각각 1.2×10
9#, 6.8×10
8# 으로 PN 배출 량이 가장 크게 나타났으며, Veh. B, D의 경우 각각 5.7×10
7#, 6.1×10
7# 으로 Veh. A, C 차량에 비해 낮은 PN 배출량이 나타났다. 위 결과를 종합해 볼 때 비출력에 의한 NOx 배출 특성의 경우 후처리 시스템에 상관없이 양의 비출력 구간에서 높은 NOx가 배출되었다. 또한, 비출력이 가장 높은 구간에서 모든 차량에서 가장 높은 NOx 가 배출 되었으며, DPF+SCR 차량보다 LNT+DPF 차량에서 비출력의 영향이 더 큰 것으로 판단된다. PN 배출 특성의 경우 전반적으로 Veh. C 차량에서 다른 차 량에 비해 높은 PN이 배출되었지만 비출력이 가장 높 은 구간에서 Veh. A 차량에서 가장 높은 PN이 배출되 었으며, Veh. B 차량과 Veh. D 차량에서 비슷한 PN이 배출량이 나타나 후처리 시스템에 따른 비출력의 영향 보다 차량별 특성에 의한 PN 배출 특성이 더 큰 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 각각 다른 후처리 시스템을 장착한 (LNT+DPF:2 대,DPF+SCR:2대) 차량 4대를 선정하여 실 제도로의 다양한 주행 패턴이 반영된 국제 표준모드 (WLTC) 의 특성에 따른 질소산화물 및 입자개수의 배출 특성을 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
(1) WLTC 총 배출량의 경우 LNT+DPF에서 NOx 배 출량이 가장 높았으나 PN은 가장 낮은 배출 특성이 나 타남. DPF+SCR 차량의 경우 LNT+DPF 보다 낮은 NOx 가 배출되었으나 PN의 경우 LNT+DPF 차량보다 다소 높게 배출되는 특성이 나타났으나 모든 차량에서 규제를 만족하였다. 이러한 결과로 WLTC 모드에서 배 출 규제를 만족하기 위해서는 경유자동차의 경우 LNT+DPF 시스템보다 DPF+SCR 시스템이 유리할 것으 로 판단됨.
(2) WLTC 모드 주행 NOx 및 PN 실시간 누적 그래 프 분석 결과 속도 구간별 NOx 배출 특성은 LNT+DPF 시스템에서 가장 급격한 배출 특성이 나타남. DPF+SCR 시스템의 경우 LNT+DPF 시스템에 비해 크지 않은 것 으로 판단됨. PN의 경우 LNT+DPF와 DPF+SCR 시스 템에서는 비슷한 PN 배출 특성이 나타났으며, 구간별
누적 기울기 변화가 낮은 것으로 보아 DPF로 인해 다 양한 속도 및 가감속에 의한 PN을 배출 특성이 낮은 것 으로 판단됨.
(3) 다양한 속도가 반영된 WLTC 모드를 10 km/h씩 평균 구간을 나누어 분석한 결과, NOx의 경우 LNT+DPF 시스템은 저속에서 고속으로 갈수록 배출량 이 증가함. DPF+SCR 시스템은 저속에서 고속으로 갈 수록 감소함. PN의 경우 대부분 차량이 저속에서 고속 으로 갈수록 감소하는 경향이 나타남.
(4) WLTC 모드에서 비출력이 가장 큰 Extra High speed 구간에서 30초 평균 구간을 나누어 분석한 결과 대 부분 차량에서 비출력이 가장 높은 곳에서 높은 NOx가 배출되는 특성이 나타남. 또한 LNT+DPF와 DPF+SCR를 비교해 보았을 때 NOx 경우 LNT+DPF 시스템이 양의 비출력 구간에서 더 높게 배출됨. PN의 경우 후처리 시 스템에 따른 비출력의 영향보다 차량별 특성에 의한 PN 배출 특성이 더 큰 것으로 판단된다.
후 기
본 논문은 국립환경과학원과 한국연구재단(NRF- 2016R1C1B11015927) 의 연구비 지원으로 수행되었습 니다.
참고문헌
