Exhaust Gas Emission and Particulate Matter (PM) from Gasoline, LPG and Diesel Vehicle Using Different Engine Oil

(1)

가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 및 입자상물질

장 진 영

¹⁾

․이 영 재

^*1)

․권 오 석

¹⁾

․우 영 민

¹⁾

․조 종 표

¹⁾

․김 강 출

¹⁾

․표 영 덕

¹⁾

․이 민 섭

²⁾

한국에너지기술연구원 에너지효율연구본부¹⁾․한양대학교 기계공학과²⁾

Exhaust Gas Emission and Particulate Matter (PM) from Gasoline, LPG and Diesel Vehicle Using Different Engine Oil

Jinyoung Jang

¹⁾

․Youngjae Lee

^*1)

․Ohseok Kwon

¹⁾

․Youngmin Woo

¹⁾

․Chongpyo Cho

¹⁾

․ Gangchul Kim

¹⁾

․Youngdug Pyo

¹⁾

․Minseob Lee

²⁾

1)Energy Efficiency Research Division, Korea Institute of Energy Research, 152 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34129, Korea

2)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Korea (Received 9 June 2015 / Revised 27 November 2015 / Accepted 14 January 2016)

Abstract : This study effect of engine oils on regulated fuel economy and emissions including particulate matter (PM) to provide basic data for management of engine oil in vehicles. Three engine oils (Group III base oil, Group III genuine oil with additive package and synthetic oil with poly alpha olefins (PAOs)) were used in one gasoline, one LPG(liquefied petroleum gas) and two diesel vehicles. In the case of diesel vehicles, one is a diesel vehicle without DPF (diesel particulate filter) other is a diesel vehicle with DPF. In this study, the US EPA emission test cycle FTP-75, representing city driving, was used. HORIBA, PIERBURG, and AVL gas analyzers were used to measure the fuel economy and regulated emissions such as CO, NOx, and THC. The number of PM was measured using a PPS (pegasor particle sensor). And, the shape of PMs was analyzed by SEM (scanning electron microscope). The effects of oil type on fuel economy, exhaust gas, and PM were not significant because engine oil consumption by evaporation and combustion in the cylinder is very tiny. Fuel and vehicle type were dominant factors in fuel economy and emissions.

HC emission from gasoline vehicles was higher than that from other vehicles and NOx emission from diesel vehicles was higher than that from other vehicles. The number of PM was not affected by the engine oil, but by the driving pattern and fuel. The shapes of the PM, sampled from each vehicle using any test engine oil, were similar.

Key words : Engine oil(엔진오일), Fuel economy(연비), Exhaust emissions(배출가스), Particulate matter(입자상물 질), Vehicle(차량), Chassis dynamometer(차대동력계)

1. 서 론

¹⁾

자동차에 적용되는 배출가스 규제가 심화됨에 따라 엔진 및 후처리 장치 개발뿐만 아니라 연료 품질에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 엔진 및 차 량 기술을 이용한 연비 저감 연구 외에도 저점도 윤활유를 이용한 연비 저감에 대한 연구 또한 진

*Corresponding author, E-mail: yjl@kier.re.kr

행 중이다.

연료는 공기와 함께 엔진의 연소실에서 연소되므 로 배출가스의 성분에 영향을 가장 크게 미치게 된 다. 이와 더불어 엔진에 사용되는 윤활유는 그 고유 의 목적인 마찰 저감과 냉각 외에도 다양한 방식으 로 연소실로 들어가게 되어 연소에 참여하게 된다.

이전 연구에서는 전체 연료 소비량의 약 0.2 %정도

의 윤활유가 연소실로 들어가 연소에 참여한다고

(2)

가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 및 입자상물질

Fig. 1 Driving mode (FTP-75)

했다.

¹⁾

윤활유가 연소실로 유입되는 과정에는 (1) 흡/배기 밸브 스템을 거쳐 유입되는 것 (2) 실린더 벽면에 남아 있는 것 (3) 블로바이 가스와 함께 연소 실로 유입되는 것 등이 있다. 배기관으로 직접 유입 되어 배출되는 경우는 터보과급기를 장착한 엔진에 서 터보과급기의 윤활과 냉각을 위해 공급되는 윤 활유의 일부가 누출되어 배기관을 통해 배출되는 것이다.

^1-3)

SwRI에서는 윤활유가 입자상물질(PM: Particulate Material)과 SVOC (Semi-Volatile Organic Compound) 에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구를 수행하였 으며, Vouitsis 등

⁵⁾

은 Euro4 디젤 차량에서 PM에 미 치는 영향을 연구하였다.

^4,5)

정성운 등

⁶⁾

은 연료에 윤 활유를 2 % 첨가하여 그 영향에 대하여 연구하였다.

기계장치에 사용하는 윤활유는 기유와 기능성 첨 가제의 혼합물이다. 기유는 광유와 합성유로 나눌 수 있는데, 광유는 원유로부터 얻게 된다. 합성유가 광유에 비해 가혹한 조건에서도 윤활성을 잃지 않 는 것으로 알려져 있어 고속 고출력 엔진에 사용되 기도 한다.

^3,7)

국내에서 임윤성 등이 윤활유에 따른 배출가스 특성에 대하여 2행정 사이클 기관에 대하 여 연구하였다.

⁸⁾

윤활유가 연소에 참여하거나 배기관으로 직접 배 출되는 경우들이 있으므로 그 영향을 파악하는 것 이 필요하므로, 본 연구는 가솔린, LPG, 디젤 차량에 서 윤활유에 따른 배출가스 영향을 파악하여 차량 에서의 윤활유 관리에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 연구 및 방법

2.1 시험 대상 차량

본 연구에서는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활 유 사용이 배출가스에 미치는 영향을 확인하기 위 하여 유종별로 차량을 선정하였고, 가솔린 차량의 경우 지속적으로 GDI 차량의 점유율이 높아지고 있 는 것을 반영하여 GDI 차량으로 선정하였다. 디젤 차량의 경우에는 DPF가 있는 차량과 없는 차량으로 선정하여 4대의 차량을 이용하여 연구를 진행하였 다. 선정된 차량의 제원은 Table 1과 같다.

Table 1 Specification of test vehicles

Fuel type Gasoline LPG Diesel Diesel Boost N/A N/A Turbo/inter

-cooler

Turbo/inter -cooler

Injection type GDI PFI CRDI CRDI

Displacement (L) 2.4 2.0 2.0 1.6

Model year 2012 2012 2004 2011

Odometer 56,020 50,376 115,429 167,068

Aftertreatment TWC TWC DOC DOC+DPF

Transmission Auto 6 Auto 6 Auto 4 Auto 4

2.2 시험방법 2.2.1 시험 윤활유

각 차량 시험 시 총 세 종의 윤활유에 대하여 교환

하며 시험을 진행하였으며, 각각 Group III 기유,

Group III 기유를 기반으로 한 순정유, 합성유를 사

용하였으며, 점도 등급은 제조사에서 권장하는

SAE 점도 등급의 윤활유를 사용하였다. 다만 가솔

(3)

Jinyoung Jang․Youngjae Lee․Ohseok Kwon․Youngmin Woo․Chongpyo Cho․Gangchul Kim․Youngdug Pyo․Minseob Lee

Fig. 2 Overview of test facilities Table 2 Kinematic viscosity at 40 °C

Oil Vehicle

Group III base oil

Group III

genuine oil Synthetic oil Viscosity at 40 °C (mm²/s)

Gasoline 45.12 47.32 43.93

LPG 44.89 49.30 69.56

Diesel w/o DPF 63.77 64.50 83.21

Diesel with DPF 70.81 71.29 85.90

린을 제외한 차량 시험시에 고점도 합성유를 사용 하였다. Table 2는 각 윤활유의 40 °C에서의 동점도 값을 나타내고 있으며, 시험에 사용된 엔진오일은 차량별로 3종씩 총 12종을 사용하였다.

각각의 윤활유에 대하여 시험하기 위하여 윤활유 교환 작업이 필요한데, 이전에 사용한 윤활유의 영 향이 나타나지 않도록 윤활유 교환시 오일필터를 함께 교환하였으며, 총 3회 교환하였다. 각 교환시 마다 공회전과 주행을 약 30분간 진행한 후 다음 교 환을 진행하였다. 마지막 교환시에는 에어필터 또 한 신품으로 교체하였다.

2.2.2 시험장치

차량 시험은 차대동력계를 이용하여 FTP-75 주행 모드에서 진행되었다. 차대동력계는 48 inch Single roll을 가지고 있으며, 제원은 Table 3과 같 다.

Table 3 Specification of vehicle dynamometer

Items Range

Max. axial load (kg) 4,500 Max. road load

(kW@100km/h) 150

Max. speed (km/h) 200

Inertia weight (kg) 545 ~ 3,175

차대동력계를 이용하여 차량의 주행 속도를 제어 하여 운행한 FTP-75 주행 모드는 도심지역의 주행 특성을 모사하기 위하여 작성된 것으로 총 주행거 리 17.85 km, 평균 주행속도 34.1 km/h, 최고속도 91.2 km/h, 정지횟수 23회, 총 시험시간 2,640 초의 특성 등으로 모의된 주행코스이다(Fig. 1). 시험 절 차는 ‘제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환 경부고시 제2013-112호)’을 따랐다.

시험차량에서 배출되는 배출가스의 측정은 시험 차량의 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시 료채취장치(CVS: Constant Volume Sampler)에서 일 정량의 공기로 희석 후 시료채취백에 채취하여 배 출가스 분석치장치로 분석하였다. Fig. 2는 시험장 치를 보여주고 있다.

가솔린 차량은 호리바 사의 MEXA-9200, DPF 가

장착되지 않은 디젤 차량은 PIERBRGR 사의 AMA

2000 C, LPG와 DPF가 장착된 디젤차량은 AVL사의

(4)

Exhaust Gas Emission and Particulate Matter (PM) from Gasoline, LPG and Diesel Vehicle Using Different Engine Oil

Fig. 3 Principle of PM counting in PPS-m

AMA i60 장비를 사용하여 CO, HC, NOx, CO

2

등의 배출가스를 분석하였다.

입자상물질은 차대동력계를 이용하여 차량을 시 험하는 동안 공기와 희석된 배출가스를 일정량 채 취한 후 무게를 측정하였다. 시험 설비와 방법은 ‘제 작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정(환경부고 시 제2013-112호)’을 따랐다.

입자상물질 배출 개수에 대한 분석을 위해 PEGA- SOR 사의 PPS-m 장비를 사용하였다. 장비의 특성 상 차량 별로 교정(calibration)을 하지 않는 경우 정 량적 데이터를 얻을 수 없는 단점을 가지고 있으나, 정성적 비교가 가능하며 측정범위가 입자수 측정기 (CPC: Condensation Particle Counter)에 비해 넓은 장 점을 가지고 있다. 측정원리는 Fig. 3과 같이 Inlet을 통해 배출가스가 측정기로 들어간 후 Outlet으로 다 시 배출되는 과정에서 장비에서 발생하는 ion이 PM 에 달라붙게되고, 이렇게 달라붙은 ion은 PM과 함 께 배출이 되면서 전하량이 감소하게 된다. 이렇게 감소하게 되는 전하량을 이용하여 배출된 PM의 개 수를 측정한다.

3. 결과 및 고찰

3.1 차량별 연비 특성

차량별로 FTP-75 주행 모드 시험을 통해 배출가 스량을 분석한 후 ‘산업통상자원부 고시 제 2014- 115호’ 별표 1에 따라 에너지소비효율을 아래 식 (1)

~ 식 (3)을 이용하여 계산하였다.

휘발유사용 자동차 에너지소비효율(km/L)

  ×  ×  ×_



(1)

Fig. 4 Fuel economy

LPG사용 자동차 에너지소비효율(km/L)

  ×  ×  ×_



(2)

경유사용 자동차 에너지소비효율(km/L)

  ×  ×  ×_



(3)

Fig. 4는 차종별로 기유, 순정유, 합성유를 사용하 여 측정한 연비 결과이다. 시험 결과 윤활유에 따른 연비 차이는 크게 나타나지 않는 것으로 보인다. 다 만 일관되게 동점성이 높은 합성유를 사용한 LPG 와 DPF 가 장착된 디젤 차량 시험에서 기유, 순정유 에 비해서는 낮은 결과를 보이고 있다.

3.2 차량별 배출가스 특성

Fig. 5는 차량별로 윤활유 사용이 HC, CO 그리고 NOx 배출가스에 미치는 영향을 나타낸 결과이다.

결과에서 확인할 수 있는 것과 같이 윤활유 변경에 따른 배출가스 변화 경향을 판단하기 어렵다. 다만 시험 결과 가솔린 차량에서 순정유 사용시 HC 배출 량이 감소되는 것 같은 결과를 보였다. 가솔린 차량 의 HC 측정 시 NMHC와 CH

4

를 나누어 측정하게 되 는데, Fig. 5의 가솔린 차량와 LPG 차량의 HC 값의 경우 NMHC의 결과이며, CH

4

의 결과까지 고려한다 면 윤활유에 따른 HC 배출량은 비슷한 수준으로 확 인할 수 있었다.

차량별로 비교해 보면 HC의 경우 디젤 차량에서

많이 배출되고 있으나 DPF가 장착된 차량의 경우

(5)

장진영․이영재․권오석․우영민․조종표․김강출․표영덕․이민섭

Fig. 5 Emission results; (a) HC (b) CO (c) NOx

가솔린 차량과 비슷한 수준의 배출량을 보이고 있 다. CO에서는 가솔린 차량에서의 배출이 가장 많았 으며, NOx의 경우에는 디젤차량의 배출량이 많은 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 결과들은 각 유종별 차량의 특징을 잘 보여주는 것이라 할 수 있다. 가솔 린 엔진을 사용하는 차량의 경우 액상의 가솔린 연 료를 분사하여 공기와의 혼합과정을 거친 후 스파 크 점화를 통해 연소가 시작된다. 이때 가솔린 차량 에 쓰이는 삼원 촉매의 효율을 고려하여 공기와 연 료의 혼합비는 이론공연비에 가깝게 된다. 하지만 연료의 특성상 증발이 제대로 되지 않는 경우 센서 에서 측정되는 공연비는 이론공연비에 가까우나 실 제로는 액상의 연료들이 연소실 입구로부터 흘러들 어오거나 이론적인 양보다 더 많은 양을 분사해야 만 하는 경우들이 생기기 때문에 연료량이 많은 경 우가 발생하여 공기가 부족할 때 생기는 CO 발생량 이 많은 것이다.

⁹⁾

HC의 경우에 디젤 차량에서 많이 배출되는 것으 로 보이고 있으나, 실제 연소실에서 배출되는 HC의 양은 가솔린 엔진 및 LPG 엔진에서 더 많다. 하지만 후처리장치를 거치면서 HC의 배출량이 가솔린과 LPG 차량에서 급격히 감소하여 디젤 차량에서 더 많이 배출되는 것처럼 보이는 것이다. 후처리장치 의 효율이 차이나는 이유는 가솔린과 LPG 차량의 배출규제치가 디젤에 비해 더 낮기 때문이다.

3.3 입자상물질 배출 특성

Fig. 6은 각 차량에서 윤활유 변경에 따른 PM 배 출량을 측정한 결과이다. 가솔린과 LPG 차량의 경 우 PM 배출량에 대한 규제가 없으나 디젤 차량과의 비교를 위하여 측정하였다. 차량별로 윤활유에 따 른 PM 배출량의 영향은 경향성을 나타내고 있지 않

Fig. 6 PM weight results

고 있으며, 윤활유에 따라 큰 차이를 보이고 있지 않 다. 다만 차량별로 비교해보면, PM의 배출은 연소 실에서 연료가 공기와 잘 섞이지 않은 상태에서 연 소가 일어나면서 발생하는 것이 대부분이므로 가솔 린과 LPG 차량에서는 배출량이 디젤 차량에 비해 적은 것을 확인할 수 있으며, DPF가 장착된 차량의 경우에도 PM이 DPF에 의해 필터링되어 PM 배출량 이 가솔린과 LPG 차량처럼 적게 배출된다.

윤활유 변화에 따라 디젤 차량에서 배출되는 PM 의 개수를 PPS-m 장비를 이용하여 측정하였다. 앞 서 설명한 바와 같이 PPS-m은 서로 다른 차량에서 측정된 결과에 대하여 정량적 비교는 어렵지만 동 일 차량인 경우에는 절대적인 배출량은 틀릴 수 있 으나 상대적으로 많이 배출되는지 적게 배출되는지 는 비교가 가능하다.

Fig. 7(a)와 7(b)는 각각 FTP-75 주행 모드에서 실

시간으로 PM 배출 개수를 DPF가 장착되지 않은 디

젤 차량과 DPF가 장착된 디젤 차량에서 측정한 결

과이다. 윤활유 사용이 PM 개수 차이에 미치는 영

향을 찾을 수 없었다. DPF의 유무에 따라 PM 개수

의 측정 결과에 차이가 있었다. DPF가 없는 경우에

는 차량의 가/감속에 따라 PM 개수가 크게 증가했

(6)

가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 및 입자상물질

(b) Diesel vehicle without DPF

(b) Diesel vehicle with DPF

Fig. 7 Number of PM from (a) Diesel vehicle without DPF, (b) Diesel vehicle with DPF

Fig. 8 Shape of sampled PM from gasoline vehicle as engine oil; (a) Base oil, (b) Genuine oil, (c) Synthetic oil

다가 감소하는 모습을 보이고 있으나, DPF가 있는 경우에는 초기 시동시와 주행 초기 등 일부 구간을 제외하고는 큰 증/감을 보이지 않고 있다. 이는 DPF 에 의해 PM이 필터링 되기 때문이다.

시험 차량에서 FTP-75 주행 모드 동안 배출되는 PM의 무게를 측정하기 위해 필터에 포집한 PM을 주사 전자현미경(SEM: scanning electron microscope) 을 이용하여 200,000 배로 확대한 후 PM 형태를 살

펴보았다. Fig. 8은 SEM을 이용하여 가솔린 차량에

서 기유, 순정유, 합성유 사용시 배출되는 PM 중

FTP-75 주행 모드의 첫 번째 단계에서 발생한 PM의

모습이다. 윤활유에 의한 PM 형태 변화를 찾을 수

없었다. Fig. 9는 차량에 따른 PM 형태 차이를 확인

하기 위하여 가솔린, LPG, DPF가 없는 디젤 차량과

DPF가 있는 디젤 차량에서 포집한 PM의 모습을 비

교하였다. 차량별로도 차이를 확인할 수 없었다.

(7)

Jinyoung Jang․Youngjae Lee․Ohseok Kwon․Youngmin Woo․Chongpyo Cho․Gangchul Kim․Youngdug Pyo․Minseob Lee

Fig. 9 Shape of sampled PM from (a) Gasoline, (b) LPG, (c) Diesel without DPF, (d) Diesel with DPF vehicle at first phase of FTP-75 mode

TEM을 이용하여 배기관 후단에서 포집하여 분석 하는 경우 단일 PM의 형태까지 확인이 가능하나,

¹⁰⁾

SEM 이 가지는 분해능의 한계로 인하여 단일입자 의 형태 차이까지는 확인할 수 없었다.

4. 결 론

본 연구는 가솔린, LPG, 디젤 차량에서 윤활유에 따른 배출가스 영향을 파악하여 차량에서의 윤활유 관리에 대한 기초자료를 제공하고자, 차대동력계를 이용하여 FTP-75 주행 모드에서 각 차량별 연비, 배 출가스 그리고 PM에 대하여 시험하였다. 윤활유는 기유, 순정유, 합성유를 사용하였다.

1) 시험 결과 윤활유에 따른 연비 차이는 크게 나타 나지 않는 것으로 보인다. 다만 일관되게 동점성 이 높은 합성유를 사용한 결과가 기유, 순정유에 비해서는 낮은 결과를 보이고 있다. 연비의 경우 차량별 특성에 따른 연비차이가 크게 나타났다.

디젤 차량의 경우에 디젤 엔진의 고효율 성에 의 해 연비가 높게 나타났다.

2) 차량별 배출가스 결과에서 윤활유에 의한 영향 은 찾기 어려웠고, 차량별 특성에 따른 배출가스 차이가 크게 나타났다. 가솔린 차량의 경우 HC 배출량이 많았으며, 디젤 차량의 경우 NOx 배출 량이 많았다.

3) 차량별 PM 배출 결과에 있어서도 윤활유에 의한 영향은 찾기 어려웠고, 차량별 특성에 따른 차이 가 크게 나타났다. 디젤 차량의 경우 DPF를 장착 하지 않은 경우 PM 배출량이 많았으며, 실시간 으로 측정한 PM 개수에서도 차속에 따라 PM 개 수가 크게 증/감하는 모습을 보이고 있다.

4) PM 형태에 대하여 SEM을 이용하여 분석해 본 결과, 시험 차량에 사용된 윤활유에 따른 형태 차 이가 없었으며, 차량별로도 차이가 없었다.

본 연구는 차량의 윤활유를 교환한 직후에 윤활

유의 영향을 살펴보았기에 장기적인 윤활유의 영향

을 확인할 수는 없었다. 하지만, 시험 결과, 윤활유

에 따른 배출가스의 영향은 거의 없는 것으로 판단

되며, 윤활유의 동점도 지수가 차이 나더라도 연비

에 있어서 확연한 차이를 보이지 않는다는 것을 확

(8)

Exhaust Gas Emission and Particulate Matter (PM) from Gasoline, LPG and Diesel Vehicle Using Different Engine Oil

인 할 수 있었다. PM 및 PM 형태에 있어서도 윤활유 에 따른 차이를 찾을 수 없었다.

후 기

본 연구는 한국형 오토오일 사업의 지원을 받아 수행되었습니다. 이에 감사를 표합니다. 더불어 윤 활유에 대한 지원을 해준 SK Innovation에도 감사를 표합니다.

References

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3) P. Flynn, R. Durrett, G. Hunter, A. zur Loye, O.

Akinyemi, J. Dec and C. Westbrook, “Diesel Combustion: An Integrated View Combining Laser Diagnostics, Chemical Kinetics, and Empi- rical Validation,” SAE 1999-01-0509, 1999.

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5) E. Vouitsis, L. Ntziachristos, Z. Samaras, L.

Chrysikou, C. Samara and G. Miltsios, “Effect of Lube Oil on the Physicochemical Charac- teristics of Particulate Matter Emitted from a Euro 4 Light Duty Diesel Vehicle,” SAE 2007-24-0110, 2007.

6) H. Jung, D. Kittelson and M. Zachariah, “The Influence of Engine Lubricating Oil on Diesel Nanoparticle Emissions and Kinetics of Oxida- tion,” SAE 2003-01-3179, 2003.

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8) Y. Lim, J. Lee, J. Park, J. Kim and J. Lee, “The Study of PM2.5 and Exhaust Emission Charac- teristics in the Motorcycles according to Various Lubricants,” Transactions of KSAE, Vol.21, No.4, pp.70-76, 2013.