A Study about Emission Characteristic of LPG Vehicle on SFTP

(1)

†

To whom corresponding should be addressed.

Tel : +82-2-240-7954 E-mail: [email protected]

https://doi.org/10.5855/ENERGY.2016.25.4.074

LPG 자동차의 SFTP 모드 배출가스 특성에 관한 연구

김성우^†․송호영․이민호․김기호 한국석유관리원 석유기술연구소

(2016년 10월 27일 접수, 2016년 12월 7일 수정, 2016년 12월 9일 채택)

A Study about Emission Characteristic of LPG Vehicle on SFTP

Sungwoo Kim

^†․ Hoyoung Song ․ Minho Lee ․ Kiho Kim

Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority (Received 27 October 2016, Revised 7 December 2016, Accepted 9 December 2016)

요 약

2015년 미국 켈리포니아 주의 LEV3 배출가스 허용기준 도입과 함께 국내에서도 2017년부터 LEV 3에 준하는 가솔린 및 가스자동차 배출가스 허용기준이 적용될 예정이다. 이 기준에는 국내 배출가스 허용기준 모드가 FTP-75 모드뿐만 아니라 HWFET 및 SFTP(US06, SC03)를 추가할 예정이다. 대부분의 LPG 자동차는 국내에서 저공해자 동차로 인증 받았다. 현재까지는 저공해자동차 등록을 위하여 FTP-75 모드의 허용기준만 만족하면 되었으나 LEV3 기준 부터는 추가된 3가지 모드의 허용기준이 추가될 것으로 판단된다. 본 연구는 LPG차량의 연료분사기술 에 따라 LEV3 SULEV SFTP 허용기준 적합여부와 발전방향 제시를 위하여 8종의 LPG 차량과 4종의 가솔린 차량을 대상으로 FTP-75 모드 및 SFTP 모드 배출가스 시험을 실시하였다. 연구결과 최근 출시된 LPLi 1개 차종 을 제외하고 SFTP 허용기준을 만족시키는 차량은 없었으며 이를 보완하기 위하여 연소분사 제어기술의 개선이 필요한 것으로 나타났다.

주요어 : LPG 자동차, LEV3 SULEV, SFTP, US06, SC03

Abstract - After Sep. 2017, the LEV3 emission standard will be applied to gasoline and gas vehicles in Korea. This standard has HWFET and SFTP standard as well as FTP-75. Most of LPG vehicles were certificated as SULEV in Korea. Until now, only FTP-75 standard is applying for the certification but it is expected that HWFET and SFTP are used after beginning LEV3. In this paper, 8 LPG and 4 gasoline vehicles were tested on FTP-75 and SFTP to check whether the LPG vehicles can meet LEV3 SFTP standard or not and to suggest direction of development. Most of test vehicles did not meet the SFTP standard. To make up for the fault, fuel injection control improvement is needed.

Key words : LPG vehicle, LEV3 SULEV, SFTP, US06, SC03

1. 서 론

LPG 자동차는 화학적 구조가 간단하고 단순하며 공기와 혼합이 쉬운 LPG 연료의 특성 때문에 완전연 소에 가까운 연소를 구현할 수 있어 가솔린과 디젤 자 동차 대비 질소산화물(NOx) 및 탄화수소(HC), 압자

상물질(PM), 미규제물질(벤젠, 부타디엔, 알데하이드 등)을 적게 배출함에 따라 LPG는 청정연료로 분류되 고 있다^1,2). 또한, LPG의 높은 옥탄가 특성으로 가솔 린엔진과 동일한 SI(Spark Ignition)을 이용함에 따라 삼원촉매로 배출가스를 저감함으로써 디젤 자동차 대 비 경제적인 배출가스 저감효율을 구현할 수 있고 가 솔린 자동차 대비 적은 온실가스(CO2)를 배출한다^3,4). 과거 LPG 차량은 저온시동성 불량 및 가속성 문제 등 이 거론되었으나 연료분사 방식이 기화기(Mixer)에서

(2)

(a) Domestic

(b) Imported

Fig. 1. Number of SULEV certification in Korea.

Test mode

Item FTP-75 US06 SC03

CO(g/km) 0.625 5.9 2.0

NMOG(NMHC)+NOx(g/km) 0.019 0.037 0.012 Durability Vehicle Basis(km) 240,000

Deterioration factor

<CO:1.6 HC:1.5 NOx:1.6> Apply No apply

Table 1. Emission standard of LEV3 SULEV.

LPGi 및 LPLi로 발전됨에 따라 가솔린 자동차 수준 으로 성능이 향상되었다^1,5).

한국 정부는 수송분야 배출가스 저감을 위한 정책 의 일환으로 저공해자동차의 구매 촉진에 노력을 기하 고 있다. 전기자동차(1종)와 하이브리드 자동차(2종)를 제외한 일반 내연기관 자동차는 ｢수도권 대기환경개선 에 관한 특별법｣의 저공해자동차 배출허용기준을 만 족하는 경우 저공해자동차(3종)로 분류되며 각 단계별 차등을 두어 차량구매자에게 혜택을 제공하고 있다.

Fig. 1.(a)는 국내 Fig. 1.(b)는 수입 제작사의 저공 해 인증현황을 나타내고 있다. 저공해자동차관련 제도 시행(2005년) 후 국내 LPG 자동차의 저공해자동차 인증이 활발히 이루어 졌으나 2012년부터 인증수가 대폭 하향되었다. 이는 2006-2011년에 LPG엔진이 장 착된 승용자동차 및 승합자동차의 인증이 활발히 이 루어 졌으나 2012년부터 승합자동차의 인증 취득 건 수가 없는 것으로 미루어 볼 때 강화된 배출가스 규제 로 중량이 큰 LPG 자동차의 저공해자동차 인증이 어

려운 상황에 기인한 것으로 판단된다.

2007-2009년도에는 국내 가솔린 자동차의 저공해 자동차 인증 취득 건수가 없었으나 2012년부터 국내 LPG 자동차 인증 건수와 동등수준으로 저공해 자동 차 인증을 받았다. 또한, 최근 국내 제작사와 수입사 전체 저공해자동차 인증 건수 대비 LPG 자동차의 인 증은 가솔린자동차 대비 현저히 낮게 나타났다. 이는 가솔린자동차가 직접분사 등 다양한 배출가스 및 연 비 향상기술 적용으로 LPG 자동차 수준의 유해배기 가스를 배출하기 때문으로 판단된다.

현행 국내 휘발유 및 가스 제작자동차 배출허용기 준은 FTP-75모드 시험결과에 대한 규제로 한정되어 있 으나, 2017년도부터 HWFET 및 SFTP(US06, SC03) 모드의 시험결과에 대한 규제로 확대될 예정으로 저 공해자동차 인증기준도 미국의 LEV3 SULEV SFTP 배출허용기준(Table 1)과 같이 변경될 것으로 판단됨 에 따라 사용연료에 따른 연료분사 제어기술에 변화 가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 연료분사 기술(Mixer 및 LPGi, LPLi) 별 LPG 차량과 동급차량의 가솔린 차량의 FTP-75, US06, SC03 모드 배출가스 시험을 실시하고 유해배 기가스 배출량을 비교평가 함으로써 저공해자동차로 서 LPG자동차의 연료분사 제어기술에 대한 발전방안 을 논하고자 하였다.

2. 시험장치 및 방법

2-1. 시험대상

주 시험대상은 2000년 이후에 출시된 LPG 자동차 이다. LPG 분사 기술 및 시기별 배출가스 특성을 분 석하기 위하여 분사기술내 인증시기가 상이한 LPLi 5 대, LPGi 2대, Mixer 1대를 시험대상으로 선정하였 다. 또한 가솔린 차량과 비교를 위하여 위 LPLi 차량과

(3)

Fig. 2. Diagram of chassis dynamometer system.

Roll type & diameter Single Roll (48inch MIM type) Simulated vehicle weight 454 ~ 5400 kg Electric motor absorber type AC IGBT Vector

Max. speed 200 km/h

Registration of actual speed value ± 0.01 % km/h Registration of

actual tractive force value

± 0.1 % F.S.

(F.S.: 5870N) Measurement of driving distance Encoder type Flow rate of cooling fan 63000 CFM

Table 3. Specifications of dynamometer system.

Vehicle

Item #a #b #c #d #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8

Manufacturer A B A B B

Model A1 B1 B2 B3 A1 B1 B2 B3 B4 B5 B1 B2

Fuel Gasoline LPG

Fuel injection

system MPI GDI MPI MPI LPLi LPLi LPLi LPLi

+Hybrid LPLi Mixer LPGi LPGi Displacement(L) 1.998 1.591 1.999 1.591 1.998 1.591 1.999 1.591 1.998 1.975 1.993 1.998 ETW(kg) 1,530.9 1,304.1 1,611.4 1360.8 1,530.9 1304.1 1587.6 1,417.5 1,701.0 1,530.9 1,587.6 1757.7 Model year 2011 2012 2015 2010 2011 2013 2015 2010 2008 2003 2010 2013

ODO(km) 17,000 50,000 7,000 27,000 25,000 29,000 25,000 23,000 69,000 112,000 36,000 46,000 Emission

Table 2. Specifications of test vehicles.

동일한 인증시기 및 동종모델군의 가솔린 차량 4대를 시험대상으로 선정하였다. Table 2에 시험대상의 상세 주요 제원을 작성하였다.

2-2. 시험장치

본 실험을 위하여 자동차를 실제 도로 조건과 동일 하게 부하를 제어하기 위한 차대동력계의 제원을 Fig.

2과 Table 3에 나타내었다. 본 시스템은 국내 차량총 중량 3.5ton 미만의 소형, 승용 및 화물자동차에 대하 여 배출가스 및 연료소비율을 측정할 수 있도록 형식 승인 된 시험장비이다.

차대동력계는 자동차가 실제도로를 주행할 때 정지

→가속→정속→감속 등을 반복하는 과정을 대표화한 실측 주행모드를 사용하여 주행할 수 있도록 자동차 에 부하를 가해주는 장치로서 시험에 사용한 차대동력 계는 AC동력계(AVL 차대동력계)로 관성중량(Inertia weight), 동력흡수계(Power absorption unit), 제어기 (Controller)로 구성되어 있다.

배출가스 측정장치(HORIBA Co. MEXA series)는 자동차의 배출가스 중 CO, THC, NOx, CO2, CH4를 분석할 수 있는 장치로서 분석원리로 CO 및 CO2는 비분산적외선분석법(Nondispersive Infrared), THC는 열식불꽃이온화 검출기법(Heated Flame Ionization De- tector), NOx는 화학발광법(Chemiluminescence De- tector), CH4는 GC-FID(Gas chroomatography-FID)를 사용한다.

(4)

(a) FTP-75 mode

(b) US06 mode

(c) SC03 mode

Fig. 3. Speed schedule of each test mode.

Test mode Item

Test Schedule FTP-75 US06 SC03 Top speed(km/h) 90.1 128.7 88.2 Average Speed(km/h) 34.1 77.9 34.8 Max. Acceleration(m/s²) 1.475 3.783 2.281 Simulated Distance(km) 17.84 12.87 5.79

Time (min) 31.2 9.9 9.9

Number of Stops 23 4 5

Idling time(%) 18 % 7 % 19 % Engine Startup Cold Warm Warm

Lab temperature(℃) 25±5 35

Vehicle air conditioning Off Off On

Table 4. Characteristics of each test mode.

2-3. 시험방법

본 실험배출가스 시험을 위하여 선정된 시험방법은 FTP-75모드 및 US06, SC03모드이다. FTP-75 모드와 함께 HWFET, US06, SC03모드가 국내에 도입될 예 정이지만 HWFET의 경우 FTP-75 대비 배출가스가 매우 적게 배출되어 무의미한 것으로 판단됨에 따라 시험방법에서 제외하였다.

FTP-75모드는 도심주행을 모사한 속도계획으로 이 루어져 있으며 최초 시동은 예비주행 후 12~32시간동 안 25±5℃의 온도에서 Soaking 된 상태에서의 냉간 시동이다. US06 모드는 급가․감속 공격적 주행을 모 사한 속도계획으로 이루어져 있으며 FTP와 달리 냉간

시동이 아닌 예열시동을 최초 시동으로 한다. 본 연구 에서는 US06 모드 전 예열모드로 FTP-75모드의 Phase 1의 속도계획에 따라 운행하였다. SC03 모드는 하절 기 대기온도를 모사(35℃)한 상황에서 에어컨을 켜고 풍량을 최대로 설정하여 운전한다. 속도계획은 FTP-75 모드보다는 다소 공격적이다. 또한 US06과 같이 예열 시동을 최초 시동으로 하나 FTP-75모드 운전 후 10분 의 휴지기간(Key off)을 가진 후 시동을 시작하였다.

각 모드의 속도계획은 Fig. 3에 나타내었으며 Table 4에는 각 모드의 특징을 나타내었다.

3. 시험결과 및 고찰

3-1. FTP-75 모드 배출가스 인증현황 분석 시험결과 분석에 앞서 시험대상으로 선택된 차량의 대표성과 전체 LPG 차량의 유해배기가스 배출현황을 확인하기 위하여 국내 환경부가 제공하는 자동차 배 출가스 및 소음인증대장과 저공해자동차 인증현황 그 리고 수도권대기환경청이 고시하는 자동차 배출가스 등급의 인증시험결과를 종합하여 분석하였다.

Fig. 4는 2002년부터 2,000cc급 국내 승용차량의 배 출가스 인증결과를 도시한 것이다. Fig. 4.(a)는 LPG 차량의 인증결과를 나타내고 있으며 Fig. 4.(b)는 가솔 린 차량의 결과를 나타내고 있다.

LPG 차량은 2004년 이전에는 1g/km이상의 CO를 배출하였으나 이후에는 SULEV CO 인증기준 0.625g/

km(열화계수 적용 시 0.391g/km) 이하의 배출량을 보 이고 있다. NMOG+NOx는 2004년 이전에는 0.075g/km

(5)

(a) LPG Vehicle

(b) Gasoline Vehicle

Fig. 4. Emission certificate of domestic 2.0L SI.

Fig. 5. Emission result at FTP-75(1).

이상의 배출량을 보이고 있으나 이후에는 점차 감소 하여 대다수의 인증결과가 SULEV30 NMOG+NOx 인증기준 0.0188g/km(열화계수 적용 시 0.0125g/km) 이하로 배출가스 배출량이 낮아졌다.

2004년 전․후의 급격한 CO 및 NMOG+NOx 배출 량 감소의 주요원인은 Mixer 형태의 연료분사시스템이 2003년부터 LPLi 및 LPGi의 기술로 전환되었기 때문 이다. Mixer 형태의 연료분사기술은 LPG를 기체 상태 로 일점연속분사하는 방식으로 공연비 정밀제어가 어 려웠으나 새로운 기술은 기체 또는 액체상태의 LPG 를 다점정기분사하여 공연비를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

반면 가솔린 차량은 Mixer 타입의 LPG 차량의 인 증시기와 근접한 시기에 CO 배출량은 이미 1g/km이하 로 나타났으며 점차 감소하여 SULEV CO 인증기준 이하의 배출량을 보이고 있다. 그러나 NMOG+NOx 배출량은 SULEV30 인증기준을 초과하고 있는 것으로 나타났다. 최근 출시된 2.0L급 터보 직접분사(T-GDI)

가솔린엔진의 경우에도 기존 MPI 엔진대비 NMOG+

NOx의 개선된 인증결과는 없었다.

가솔린의 경우 다점정기분사(MPI) 방식이 2000년 도 이전부터 사용되어온 것이 2004년 이전에도 LPG 차량의 CO 배출량이 LPG 보다 상당히 낮게 배출된 주요원인으로 판단되며, 지속적인 기술개발(엔진연소 전략, ULEV 삼원촉매 개발 등)로 CO 및 NMOG+

NOx 배출량이 점차 감소하였으나 LPG 대비 복잡한 화학구조를 가진 가솔린 연료의 특성으로 LPG 대비 많 은 NMOG를 배출함⁶⁾에 따라 NMOG+NOx SULEV30 기준을 만족하기 어려운 이유 중 하나이다.

3-2. FTP-75 모드 시험결과

인증현황 분석의 결과가 실제 판매차량과 동등수준 인지 경향을 확인하고 가솔린 차량 및 연료분사기술 별 배기가스 배출특성을 확인하고자 시험대상차량으로 FTP-75 모드에 따라 시험을 실시하였다.

Fig. 5는 LPG-가솔린 모델 배출가스 비교를 위한 시험대상차량이 현행 인증모드인 FTP-75에서 배출한 결과를 도시하고 있다. 먼저 CO의 배출량을 살펴보면 Vehicle #1과 #2의 CO는 #a 및 #b와 동등수준으로 배출되었으며 #3과 #4는 LPG차량이 큰 차이로 적게 배출되었다. NMOG의 경우 LPG 차량이 가솔린 차량 보다 1/2 수준이하로 적게 배출되었으며 NOx 또한

#2 차량을 제외하고 LPG 차량이 가솔린 차량보다 1/2 수준이하로 배출되었다.

엔진등급별 특징으로는 동종엔진을 장착한 2011년식

#a와 2015년식 #c 가솔린 차량은 CO, NOx, NMOG 가 동등한 수준으로 배출되었으나 2011년식 #1과 2015년식 #3 차량은 CO, NMOG가 감소하고 NOx는 증가하였다.

(6)

(a) CO of #1, #3, #a and #c (b) CO of #2, #4, #b and #d

(c) THC of #1, #3, #a and #c (d) THC of #2, #4, #b and #d

(e) NOx of #1, #3, #a and #c (f) NOx of #2, #4, #b and #d

Fig. 6. Real time Emission concentration at FTP-75(1).

Fig. 7. Emission result at FTP-75(2).

또한 동일모델군으로 2013년식 #2 LPG 차량은 2012년식 #b GDI 차량 대비 동등수준의 CO를 배출 하였으나 NOx는 많게 NMOG는 적게 배출하였다. 반 변 2010년식 #4 LPG 하이브리드 LPG 차량은 2010 년식 #d MPI 차량 보다 적은 CO, NMOG, NOx 를 배출하였다.

Fig. 6은 FTP-75 모드에서 각 차량이 배출한 실시 간 배출가스 농도이다. 먼저 2L급 LPG 차량과 가솔 린 차량이 배출한 실시간 CO를 살펴보면 모든 차량 에서 냉간시동 후 삼원촉매의 온도가 낮은 구간에서 다량의 CO가 배출되는 것을 확인할 수 있다. 특이점 은 #1 차량이 이후에도 나머지 차량대비 높은 농도로 고속구간에서 CO를 배출하였다는 점이다. 반면 1600cc LPG 차량은 냉간 시동 후 삼원촉매의 온도가 낮은 구 간에서 가솔린 차량보다 적은 CO를 배출하였고 안정 화 시간도 짧은 듯 보였으나 #2 차량은 촉매예열 이후 에도 상대적으로 높은 속도에서 CO를 배출하고 있음 을 알 수 있다. 이에 따라 냉간시동 시 제일 적게 CO 를 배출하면서도 예열구간에서 CO를 배출하지 않은

#3 LPG 차량을 제외하고 FTP-75 모드에서 가솔린 차량과 동등수준의 CO 배출량이 나타난 것으로 사료 된다.

모든 차량의 THC는 냉간 시동 후에 집중하고 있으 나 LPG 차량이 가솔린 차량대비 적게 배출하였고 안 정화기간도 짧게 나타났다. 이를 미루어 볼 때 LPG 차량은 가솔린 차량대비 THC의 냉간시동 후 배출량

(7)

(a) CO of #1, #2, #3, #4 and #5(LPLi) (b) CO of #6, #7 and #8(Mixer and LPGi)

(c) THC of #1, #2, #3, #4 and #5(LPLi) (d) THC of #6, #7 and #8(Mixer and LPGi)

(e) NOx of #1, #2, #3, #4 and #5(LPLi) (f) NOx of #6, #7 and #8(Mixer and LPGi)

Fig. 8. Real time emission concentration at FTP-75(2).

이 적고 안정화 기간이 빠른 것이 NMOG 배출량이 가솔린 대비 적은 것이 직접적인 원인으로 판단된다.

반면 NOx는 MPI 차량(#a, c, d)의 경우 냉간 시동 에서 다량 배출되었으나 GDI 차량(#b)과 LPG 차량은 상대적으로 냉간시동에서 매우 적게 배출하였다. 반 면, 차량의 속도 변화에 따라 NOx는 낮은 농도에서 증감을 반복하고 있어 냉간 시동 구간보다는 예열구 간에서 배출이 NOx 배출량에 직접적인 원인인 것으 로 판단된다.

위 결과로 미루어 볼 때 LPG 차량은 고속구간에서 배출되는 CO의 원인을 해결하거나 CO를 저감하는 노력이 필요할 것으로 판단되며 예열 구간에서 주행 중 배출되는 NOx의 원인을 해결하거나 저감하는 노 력이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 7은 LPG 분사기술별 배출가스 비교를 위한 시 험대상차량이 현행 인증모드인 FTP-75에서 배출한 결과를 도시하고 있다. 먼저 CO의 배출량을 살펴보면 Mixer 타입의 차량 #6이 가장 많은 배출량을 보였으 며 LPGi 차량은 0.4-0.8g/km, LPLi 0.3g/km 이하의

배출량을 보였다. NMOG는 Mixer 타입 차량이 가장 많이 배출하였으며, LPGi는 약 0.01g/km, LPLi는 #5 차량을 제외하고 0.01g/km 이하의 배출량을 보였다.

NOx도 Mixer 타입의 차량이 가장 많이 배출하였으며 LPGi는 0.009-0.007g/km, LPLi는 0.011-0.005g/km 의 NOx를 배출하였다.

Fig. 8은 FTP-75 모드에서 위 차량이 배출한 실시 간 배기가스 농도를 나타내고 있다. 앞서 언급한바와 같이 1.6L급 LPLi 차량의 CO는 냉간시동 이후 일정 기간 동안 농후한 CO를 배출하였다. 위에서 언급되지 않은 2008년식 LPLi #5 차량은 이 현상이 더욱 뚜렷 하게 나타났다. 또한, Mixer 및 LPGi 차량에서도 #5 차량과 같이 촉매가 충분히 예열되었다고 판단되는 구간에서도 농후하게 CO를 배출하였으며 고속영역에 서 CO 배출이 뚜렷하게 나타났다. 반면 THC는 LPLi 및 LPGi 모두 냉간시동조건에서 배출된 농도가 가장 높고 예열구간에서는 낮은 농도를 꾸준히 유지하였다.

NOx는 LPLi 차량의 경우 예열구간중 배출하는 간헐 적 NOx 농후구간이 나타나는 것이 최종 NOx 배출량

(8)

(a) US06 mode

(b) SC03 mode

Fig. 9. Emission result at SFTP(1).

(a) US06 mode

(b) SC03 mode

Fig. 10. Emission result at SFTP(2).

결정의 주요 원인으로 판단되며, LPGi 차량은 냉간시 동조건에서 LPLi 대비 높은 농도의 NOx를 배출하는 것으로 보아 냉간시동에 따른 영향이 최종 NOx 결과 에 주요한 원인으로 작용한 것으로 판단된다. Mixer 형식의 #6의 차량의 NOx는 냉간시동뿐만 아니라 모 든 예열구간 중 가속구간에서 높은 NOx 농도를 나타 내었다.

위 결과와 희박 혼합기에서 NOx가 증가하고 농후 한 구간에서 CO가 증가하는 일반적인 이론에 비추어 볼 때 가스상으로 분사하는 LPGi 차량은 고속 또는 고부하영역에서 이론공연비보다 많은 연료를 분사하 는 것으로 판단되며 LPLi 차량은 상대적으로 이론공 연비에서 제어하고 있으나 희박한 혼합기가 생성되는 영역이 발생되어 예열구간에서 CO의 배출은 상대적 으로 낮으나 NOx의 배출이 발생하는 것으로 판단된 다. 또한 Mixer 차량은 과농후와 과희박 혼합기가 반 복적으로 나타나는 것으로 사료된다.

3-3. SFTP모드 배출가스 시험결과

서론에서 언급한바와 같이 휘발유 및 가스사용 자동 차는 2017년부터 FTP-75 모드와 함께 추가될 SFTP모 드의 공격적 운전을 모사한 US06 모드와 하절기 운전 을 모사한 SC03 모드를 이용하여 가솔린차량과 LPG 차량의 배출가스를 측정하였다.

Fig. 9.(a)는 LPG-가솔린 모델 배출가스 비교를 위 한 시험대상차량이 US06 모드에서, Fig. 9.(b)는 SC03 모드에서 각 시험차량이 배출한 결과를 도시하고 있 다. LPG 차량이 배출한 CO의 경우 두 모드 모두 #1 차량을 제외한 나머지 3차종에서 가솔린 차량 대비 낮은 배출량을 보였고 US06모드에서 SC03모드 보다 높은 배출량을 보였다. NMHC는 두 모드 모두 가솔 린 차량 대비 낮은 배출량을 보였으며 NOx는 US06 모드에서 가솔린 차량과 같거나 적은 배출량을 나타 내었고 SC03 모드에서는 많거나 같은 배출량을 나타 내었다.

Fig. 10.(a)와 (b)는 LPG 분사기술별 배출가스 비교

(9)

(a) US06 of #1, #2, #3, #4 and #5(LPLi) (b) US06 of #6, #7 and #8(Mixer and LPGi)

(c) SC03 of #1, #2, #3, #4 and #5(LPLi) (d) SC03 of #6, #7 and #8(Mixer and LPGi)

Fig. 11. Real time CO concentration at SFTP.

를 위한 시험대상차량이 US06 및 SC03 모드에서 배 출한 결과를 도시하고 있다.

CO의 경우 FTP-75 모드와 같이 US06과 SC03모 드에서 Mixer≫LPGi≥LPLi 순으로 나타났으나 US06 모드에서 SC03 모드 보다 정량적으로 약 2배 이상 배 출하였다. NMHC도 Mixer≫LPGi≥LPLi 순으로 나 타났고 #3과 #6을 제외하고 SC03 모드에서 US06 모 드보다 같거나 낮게 배출되었다. NOx는 US06 모드 에서 Mixer≫LPGi≥LPLi 순으로 나타났으나 SC03 모드에서는 Mixer≫LPLi≥LPGi로 나타났다. LPLi 차량에서는 SC03에서 US06 모드 보다 많이 배출되었 으나 Mixer와 LPGi 차량에서는 US06에서 많이 배출 되었다.

Mixer 형식의 차량을 제외하고 나머지 차량의 CO 배출량은 SULEV 배출가스 허용기준(US06: 5.9g/km, SC03: 1.98g/km)에 모두 만족하는 수치로 나타났으 나 하이브리드 차량을 제외하고 LPG 차량이 US06에 서 배출한 CO의 양은 FTP-75 모드보다 5배에서 13 배 높게 나타나고 있다.

US06 모드의 NMHC+NOx SULEV 배출가스 허용 기준(0.037g/km)에 만족하는 차량은 모든 LPLi 차량 과 LPGi #8이나 최근 인증받은 #3 차량과 하이브리 드 차량인 #4를 제외하고 SC03 모드 SULEV 배출가스 허용기준은 만족하지 못하였다. LPGi #7 차량은 SC03 및 US06모드 SULEV 배출가스 허용기준(0.012g/km) 을 만족하지 못하였다.

Fig. 11은 분사기술별 LPG 차량이 US06 및 SC03 모드에서 배출한 배기가스 CO 실시간 농도를 나타내 고 있다. US06모드에서 LPLi 차량은 급가속구간에서 CO를 다량 배출하는 것으로 나타났으며 고속구간에 서도 CO를 배출하나 급가속구간보다 낮은 농도를 보 였다. 특히, #3, #4 차량은 가속구간에서도 낮은 CO 를 배출하였다. LPGi 차량역시 급가속구간에서 CO를 다량배출하고 고속구간에서 상대적으로 낮은 CO를 배출하나 LPLi 차량보다 두 조건 모두에서 많은 CO 를 배출하고 있다. SC03 모드에서 LPGi 차량은 LPLi 차량보다 CO를 다량배출하고 있다. US06 모드와 같 이 고속구간이 없음에도 불구하고 LPGi가 정속구간 에서 배출하는 CO의 원인은 에어컨 사용에 따른 연 료분사량보정 또는 SC03 모드의 대기온조건에 따른 분사량보정이 이론공연비보다 농후한 것이 원인 중 하나로 판단된다.

Fig. 12는 US06 및 SC03 모드의 THC 실시간 농 도를 나타내고 있다. CO 배출농도와 같이 US06 모드 의 급가속구간에서 많은 THC가 배출되는 것으로 나 타나 급가속 시 농후한 분사가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 그러나 LPLi 차량은 LPGi 차량대비 고속구 간에서 비교적 안정적으로 낮은 THC 배출량을 보이 고 있어 이론공연비 수준에서 분사제어가 이루어지는 것으로 판단된다. 특히, CO 배출 경향과 동일하게 #3,

#4 차량은 가속영역에서도 타 차량대비 매우 낮은 THC 배출량을 보이고 있다. SC03 모드 역시 LPLi 차량은

(10)

Fig. 12. Real time NMHC concentration at SFTP.

Fig. 13. Real time NOx concentration at SFTP.

급가속 구간을 제외하고 안정적으로 낮은 THC를 배 출하였으나 LPGi 차량은 CO 배출 경향과 같이 고속 구간이 아님에도 높은 THC 배출농도를 나타내었다.

Fig. 13은 US06 및 SC03 모드의 NOx 실시간 농 도를 나타내고 있다. US06에서 LPLi 차량은 가속구 간과 고속구간에서 NOx 배출이 간헐적으로 발생하고 있으나 LPGi 차량은 가속구간에서만 뚜렷하게 나타 나고 있다. #8 차량은 가속구간에서 뚜렷하게 나타나 고는 있으나 #7 차량대비 빠르게 낮은 농도로 복귀하고

있어 Fig 10.(a)와 같이 LPLi 수준의 최종 NOx 결과 를 가져온 것으로 판단된다. LPGi 차량이 고속영역에 서 LPLi 차량 대비 낮은 NOx농도를 보이는 것은 CO 와 THC 배출량에서 추론한 농후한 혼합기의 영향으 로 고속구간에서는 NOx가 배출되지 않는 것으로 판단 된다. SC03 모드에서는 LPLi가 배출한 NOx 역시 전 구간에 걸쳐 간헐적으로 배출되고 있으나 LPGi는 일 부구간에 국한되어 배출되었고 특히 #8 차량은 매우 낮은 농도로 배출되었다. 이 역시 Fig. 11(d) 및 Fig. 12(d)

(11)

에서 보이는 높은 CO와 THC 배출량으로 혼합기가 농후한 것으로 추정되는 것이 원인으로 판단된다.

결과적으로 과거 및 일부 현재 LPG 차량은 2017년 부터 추가될 SFTP 모드의 LEV3 SULEV 기준에 만 족하지 못하고 있어 이에 대한 해결이 필요하다.

용량 또는 성능이 향상된 SULEV용 삼원촉매를 적 용하는 것이 SULEV 기준 만족을 위한 확실한 방안 인 것으로 판단되나 비용효과적인 측면⁷⁾에서 SFTP에 서도 최적화된 연료분사제어를 구현한다면 비용상승 을 완화할 수 있을 것으로 판단된다.

LPLi 차량은 SC03 모드 SULEV NMHC+NOx 기 준 만족을 위하여 꾸준히 간헐적으로 배출되는 NOx 배출을 줄일 수 있는 방안이 요구되며 LPGi 차량은 US06 모드 기준 만족을 위하여 고부하 및 고속운전 구간에서 농후한 혼합기를 개선하여 NMHC를 개선하 고 급가속후 뒤따르는 NOx 배출량 개선이 필요한 것 으로 판단된다. SC03 기준 만족을 위하여 에어컨 또 는 고온에 따른 농후혼합기 생성원인파악 및 해결이 필요한 것으로 판단된다. 더불어, LEV3 기준부터 연 장되는 삼원촉매의 내구성(240,000km) 달성도 함께 이루어져야 할 것이다.

4. 결 론

본 연구에서는 2017년도부터 신규 적용될 SFTP (US06, SC03)모드에 대한 저공해 자동차 기준에 대비 하여 LPG 자동차의 연료분사 제어기술에 대한 발전방 향을 논하고자 연료분사 기술(Mixer 및 LPGi, LPLi)별 LPG 차량과 동급차량의 가솔린 차량의 FTP-75, US06, SC03 모드 배출가스 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) LPG 자동차는 FTP-75 모드에서 가솔린 차량과 동등한 수준의 CO 배출량을 나타내고 있으나 NMOG 와 NOx의 배출량이 낮았다.

(2) LPG 자동차는 SFTP 모드에서 가솔린 차량 대비 NMHC, NOx 뿐만 아니라 CO 도 배출량이 낮았다.

(3) LPG 자동차는 SFTP 모드에서 FTP-75 모드 대비 정량적으로 높은 배출량을 나타내었다(5-13배).

(4) LPLi 자동차는 LEV 3 SULEV CO 허용기준을 모두 만족하였고 US06 NMHC+NOx 허용기준도 만족 하였으나 2015년식 이전 차량은 SC03 NMHC+NOx 허용기준을 초과하였다.

(5) LPGi 자동차는 LEV 3 SULEV CO 허용기준을 만족하였으나 2013년 이전 차량은 US06 NMHC+NOx 허용기준을 초과하였고 모든 차량이 SC03 NMOG+NOx 허용기준을 초과하였다.

(6) LPLi 자동차는 SC03 모드에서 US06 모드 보다 NOx 배출량이 높았으나 LPGi 자동차는 US06 모드 에서 SC03 모드보다 NOx 배출량이 높았다.

(7) LPGi 자동차는 LPLi 자동차 대비 SFTP 모드 에서 높은 CO 및 THC 실시간 농도를 보였다.

References

1. The world LPG Association, 2015, Autogas Incen- tive Policies, 2015 update, WLPGA, France, pp. 1-28 2. Kim, J. K., et al., 2014, A study on the perform- ance and exhaust emissions characteristics of LPG engine using LPG fuel with new sulfur free odor- ant, Journal of Energy Engineering, Vol. 23, No. 3, pp. 88-95

3. Lee, M. H., et al., 2015, A study on the emissions characteristics of a LPG vehicle according to var- ious test modes and ambient conditions, KIGAS, Vol.19, No. 4, 3(1), pp. 1-7

4. Kim, Y. T., et al., 2008, Relation ship between CO2 emission and fuel consumption rate according to used fuels at driving mode, Journal of Energy Engineering, Vol. 7, No. 4, pp. 227-232

5. Kim, D. L. et al., 2005, LPG LPI(Liquified Pet- roleum Injection) system, Auto Jounal, Vol. 25, No 3, pp 14-18

6. Richards, P., 2014, Automotive fuels reference book, SAE International, 3^rd ed, pp. 384-391 7. Kang, H. Y., et al., 2010, Development of SULEV

emission of LPG gaseous injection system(Ⅱ), KSAE annual conference, pp. 731-738(KSAE10-A0120)