Off-cycle에서 Euro 6a, 6b 및 6d 규제 만족 디젤 자동차의 NOx 배출 특성
김정환
†
ㆍ김성우*
ㆍ김기호**
NOx Emission Characteristics of Diesel Passenger Cars Met Euro 6a, 6b and 6d Regulations on Off-cycles
Kim Jeonghwan, Kim Sungwoo and Kim Kiho
Key Words: NOx (질소산화물), After-treatment device (후처리장치), LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction)
Abstract
Major countries have tighten their NOx regulation of diesel passenger cars. In the case of the EU, the regulation has been toughen up to 6.25 times since 2000. Despite the regulation the NOx concentration of the ambient has not been reduced pro- portionally. As these issues, to reduce NOx emission practically, Korea and the EU introduced the real-world driving emission (RDE) regulation and the test method that will be applied after 2017. In this paper, for the regulation to make a soft landing in Korea, 6 diesel passenger cars which met Euro 6a~6d regulation and were equipped with LNT/SCR were tested at a chas- sis dynamometer with environmental chamber applying the off-cycles (FTP, US06, SC03, HWFET and CADC) and several ambient conditions (-7 and 14oC) as well as certification modes (NEDC, WLTC@ 23oC). The result of the test showed that the ambient temp. and the engine load as a test mode impacted the NOx emission of the cars while the vehicles with SCR emitted NOx lower than with LNT. Additionally, to propose an effective RDE test method, the above result was compared with the results of the other papers which tested RDE using the same cars.
1. 서 론
경유 자동차의 배출 물질 중 가장 심각한 것은 호흡 기를 통해 인체에 유입되어 폐암을 유발시킬 수 있는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)과 세계보건기구가 2012년에 1급 발암물질로 규정한 질소산화물(NOx)이다.
입자상 물질은 대부분의 차량에 DPF(Diesel Particu- late Filter)가 장착되면서 획기적으로 저감되었으며, NOx 는 배출가스 재순환 장치(EGR, Emission Gas Recircula- tion)가 도입되어 Euro 5 규제 조건(0.18 g/km)까지는 만 족시킬 수 있었다. 하지만 2014년 Euro 6 규제(0.08 g/
km)가 도입되면서 EGR만으로는 NOx 규제 조건을 만 족시키기 어려워짐에 따라 제작사는 LNT(Lean NOx Trap), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등의 NOx 저 감 후처리장치를 추가로 도입하기 시작했다.
유럽과 국내에서 디젤 승용차에 대한 배출가스 인증 시 험 모드로 사용되는 NEDC(New European Driving Cycle) 모드는 시험실에서 실시되는 시험 모드로서 저속 영역과 고속 영역의 운전 특성을 평균하여 만들어졌기 때문에 실
(Recieved: 7 Sep 2018, Recieved in revised form: 18 Sep
2018, Accepted: 19 Sep 2018)
*
김성우, 한국석유관리원 석유기술연구소
**
김기호, 한국석유관리원 석유기술연구소
†
김정환, 한국석유관리원 석유기술연구소
E-mail : [email protected]
TEL : (043)240-7953 FAX : (043)240-7956
도로의 다양한 환경 조건과는 다소 차이가 있을 수 있다.
이러한 차량 배출가스에 대한 인증제도(시험실 시험) 의 한계성을 보완하기 위하여, 환경부는 유럽과 동일한 시기(2017년 9월)에 새로운 배출가스 시험방법인 WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) 와 실도로 시험방법인 RDE(Real Driving Emission)를 도입하였다. 그러나 RDE 세부사항(시험방법 및 결과계 산 방법 등)은 유럽에서 계속 개정논의가 되고 있다.
현재 국내·외 정부 및 제작사는 시험실 조건 외 배출가 스 측정 모드(Off-cycle)를 이용하여 수송분야 대기환경보 전 정책의 실효성을 확보하는 것은 필수불가결한 사항으 로 판단하고 있지만, 제작사의 입장에서 모든 Off-cycle 모드를 수행하여 자사의 자동차가 무결함을 밝히는 것은 경제적·효율적인 측면에서 불합리하다고 판단하고 있다.
국내 배출가스 규제의 경우 가솔린 및 LPG차량은 미 국과 조화를 이룬 제도 및 규제를 사용하고 있고, 디젤 차량은 유럽과 조화를 이룬 제도 및 규제를 사용하고 있어, RDE를 포함한 Off-cycle의 경우 국내 적용에 대 한 구체적인 방법론이 필요하다. 이 구체적인 방법론을 개발하기 위하여 Off-cycle 모드에 대한 다양한 시험결 과는 필수조건이나, 국내 배출가스 규제 및 측정이
FTP(가솔린 및 LPG 차량), NEDC(디젤 차량)로만 이루 어졌기 때문에 다양한 Off-cycle(HWFET, US06, SC03, CADC, 온도별 WLTC, 온도별 NEDC, RDE) 시험 등은 시험 데이터가 부족한 실정이다.
그리고 NOx에 대한 Euro 6 규제를 만족시키기 위하 여 차량에 장착되기 시작한 LNT, SCR 등 NOx 후처리 장치의 실질적인 NOx 저감 효과 및 Off-cycle 에서의 효용성 등을 검토할 필요가 있으며, 관련 연구가 필요한 실정으로 경유 차량 유해 배출가스 측정을 위해 인증 모드 및 기타 배출가스 시험 조건에서의 배출가스 수준을 파악하고자 하였다. 이를 위해 Euro 6a 및 6b, 6d temp. 기 준을 만족하는 6대의 경유차를 미국의 5-Cycle(FTP-75, HWFET, US06, SC03, Cold FTP) 모드, 유럽의 NEDC 및 WLTC, CADC(Artemis), RTS-95 모드에서 배출가스 수준을 평가하였다.
2. 시험대상 및 방법
2.1 시험용 차량
사용된 차량은 Euro 6a 기준(NEDC를 인증모드로 사
Table 1 Spec. of test vehicles Vehicle
Items A B C
Engine CRDI VGT CRDI VGT CRDI VGT
Displacement (cc) 2,199 2,199 2,959
Max. Power (ps/rpm) 202 / 3,800 202 / 3,800 260 / 3,800 Max. Torque (kg·m/rpm) 45 / 1,750~2,750 45 / 1,750~2,750 57.1 / 1,500~2,300
DeNOx LNT LNT SCR
Curb weight (kg) 1,691 2,138 2,170
Regulation Euro 6a Euro 6a Euro 6b
Vehicle
Items D E F
Engine CRDI VGT CRDI VGT CRDI VGT
Displacement (cc) 2,143 2,199 1,955
Max. Power (ps/rpm) 170 / 3,000 220 / 3,800 190 / 4,000 Max. Torque (kg·m/rpm) 40.8 / 1,400 45 / 1,750~2,750 40.8 / 1,750~2,500
DeNOx SCR LNT+SCR LNT+SCR
Curb weight (kg) 1,950 1,785 2,170
Regulation Euro 6b Euro 6d temp. Euro 6d temp.
용)을 만족하는 경유 차량 2대(시험차량 A 및 B), 6b 기 준(NEDC를 인증모드로 사용하고 RDE는 모니터링)을 만족하는 차량 2대(시험차량 C 및 D) 그리고 6d temp.
(WLTC를 인증모드로 사용하고 RDE 규제 적용)를 만족 하는 차량 2대(시험차량 E 및 D) 총 6대 이다. 시험차 량 A 및 B는 동일 엔진배기량을 가지고 있고 LNT 기 술을 적용한 것이 특징이나 시험차량 B의 공차중량이 A 대비 약 26% 높은 것이 특징이다. 시험차량 C와 D는 SCR을 장착한 차량(LNT를 조합하지 않음)으로 D는 A 및 B와 동급의 배기량을 가지고 있고 공차중량은 두 차 량의 중간정도이다. D의 배기량은 3L 급으로 시험 대상 차량 중 가장 크며, 공차중량은 B보다 다소 무겁다. 시 험차량 E와 F는 LNT와 SCR을 조합한 기술을 적용한 차량이며 E는 2.2L, F는 2.0L급 엔진을 장착하고 있으 며 공차중량은 E가 F보다 작다. 상세 제원은 Table 1에 나타내었다.
2.2 시험 장비 및 설비
고·저온 하에서의 배출가스 특성 및 연비 특성을 확인 하기 위하여 고·저온 챔버 설비를 갖춘 시험실에서 시험 을 실시하였다. 고·저온 챔버 설비를 갖춘 환경의 차대 동력계 시스템은 차량 총 중량이 3.5톤 미만인 차량을 대상으로 -40oC ~ 60oC의 온도 조건 및 상대습도 40% ~ 60% 조건을 유지하며 배출가스와 연비 등을 측정할 수 있다. 차대동력계 시스템은 차대동력계, 배출가스 희석 장치 및 배출가스 분석기 등으로 이루어져 있다.
2.2.1 고·저온 챔버
FTP-75 시험 모드와 HWFET 시험 모드 및 US06 시 험 모드는 25oC±5oC, 상대습도는 50%±5% 조건을 만족 해야 하며, SC03 모드는 35oC±2oC, 상대습도는 40±5%
의 조건을 충족해야 하고, Cold-FTP 모드는 -6.7oC 조건 을 유지해야 한다. NEDC 시험 모드와 WLTC 시험 모 드는 25oC±5oC, 상대습도는 50%±20% 조건을 만족해야 한다. 고·저온 하에서의 배출가스 특성 및 연비 특성을 확인하기 위하여 고·저온 챔버를 사용하였다.
2.2.2 차대동력계
차대동력계는 자동차가 실제 도로를 주행할 때 받는 부하를 동일하게 모사해 주는 장치로서 정속, 가속, 감 속 시 받는 부하를 전기 모터를 사용하여 구현한다.
본 연구에서 사용된 차대동력계는 AC 동력계(AVL사) 로 관성 중량, 동력 흡수계 및 제어기로 구성되어 있다.
Table 2에 차대동력계 제원을 나타내었다.
2.2.3 차대동력계용 배출가스 분석기 시스템
차대동력계를 이용한 배출가스 측정은 시험 자동차가 각 시험 모드별로 주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 희석 장치로 일정량의 공기를 희석한 후, 시료 채취 백(bag)에 채취하여 배출가스를 정량 분석한다.
배출가스 측정 장치(HORIBA사, MEXA series)는 자 동차의 배출가스 중의 CO, THC, NOx, CO2, CH4를 분 석할 수 있는 장치로서 CO 및 CO2는 비분산 적외선 분 석법, THC는 열식 불꽃 이온화 검출기법, NOx는 화학 발광법, CH4는 GC-FID를 이용한다. Table 3에 배출가스 분석기의 상세제원을 나타내었다.
2.2.4 배출가스 및 연비 시험 모드
RDE 도입에 앞서 현행 규제 모드에서의 차량 배출가 스 배출 수준에 대한 데이터를 확보하기 위하여 미국의
Table 2 Specification of Chassis Dynamometer 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 Max. flow rate of cooling fan 63000CFM
Table 3 Spec. of emission analyzer Emis-
sion Method Range Linearity and repeata-bility Min. Max
HC H.FID 0 ~ 10 ppmC
0 ~ 500 ppmC
Within ±2% of full
scale CO
NDIR
0 ~ 10 ppm
0 ~ 2500 ppm CO2 0 ~ 1% 0 ~ 16%
NOx CLD 0 ~ 10 ppm
0 ~ 500 ppm
FTP-75, HWFET, US06, SC03 및 Cold FTP 모드와 유 럽의 NEDC 및 WLTC, CADC(Artemis), RTS-95 모드에 따른 배출가스를 측정하였다. 더불어 온도별 영향을 분 석하기 위하여 NEDC 및 WLTC 모드에서 Soaking 및 시험온도를 -7, 14oC 설정하여 시험하였고(시험차량 A~D), RDE moderate 온도조건(0~30oC)내 변화량을 분 석하기 위하여 1, 25 및 29oC로 설정하여 시험하였다(시 험차량 E&F). 각 시험 모드에 대한 개요는 다음과 같다.
1) FTP-75, Cold FTP 시험 모드
FTP-75 시험 모드는 시험 전 25oC에서 12 ~ 36시간 이하의 시간 동안 soaking을 실시하여 25oC의 시험 온 도 조건에서 Fig. 1과 같은 시간별 속도 계획을 따라 시 험을 실시한다.
Cold FTP 시험 모드는 FTP-75 시험 모드와 동일하지 만 soaking과 시험 온도를 -6.7oC 조건에서 실시한다.
2) HWFET 시험 모드
HWFET 시험 모드는 고속도로의 주행 상황에 맞추어 미국 EPA에서 제정하여 사용하고 있는 시험 모드로서 차량이 예열된 상태로 고속 주행할 때의 배출가스 및 연비를 측정하기 위하여 개발한 시험 모드이며, 차량의 엔진 상태를 hot 상태의 일정 조건으로 설정하기 위하 여 시험 모드 시작 전에 동일한 모드로 warm up 과정 을 진행한다. Fig. 2에 HWFET 시험 모드의 주행 패턴
을 나타내었다.
3) US06 시험 모드
US06 시험 모드는 급가속, 급감속 및 고속 조건에서 의 차량 배출가스 및 연비를 측정하기 위한 시험 모드 이며 SFTP(Supplemental Federal Test Procedure) 시험 모드 중 하나로서 고속 운전 및 높은 가속 운전 행동, 다양한 속도 변동 등의 주행 패턴을 적용하여 FTP-75 시험 모드의 결점을 해결하기 위해 개발되었다.
US06 시험 모드는 차량이 예열된 상태로 시험을 측 정하기 때문에 시험 측정 모드 시작 전에 FTP-75 모드 의 phase 1 구간을 505초 동안 운전한 후 warm up 상 태로 본 시험(US06 시험 모드) 과정을 진행한다. Fig. 3 에 US06 모드의 주행 패턴을 나타내었다.
4) SC03 시험 모드
SC03 시험 모드는 고온 조건(35oC, 40% 상대습도)에 서 에어컨 사용 등에 의한 차량의 고부하 상태에서 배 출가스 및 연비를 측정하기 위한 시험 모드이며, FTP- 75 시험 모드의 결점을 해결하기 위해 개발되었다.
SC03 시험 모드는 US06 시험 모드와 마찬가지로 미국 EPA에서 배출가스 및 연비 시험용으로 제정하여 사용 하고 있는 시험 모드이며, 에어컨의 가동에 의한 조건을 유지하기 위하여 차량을 에어컨 가동 상태로 설정하고,
Fig. 1 Test mode of FTP-75 and Cold FTP
Fig. 2 HWFET test mode
Fig. 3 US06 test mode
Fig. 4 SC03 test mode
예열된 조건에서 시험을 진행하기 때문에 시험 모드 시 작 전에 FTP-75 시험 모드의 phase 1 구간을 505초 동 안 운전하고 난 후 10분간 휴지(Soaking) 후 재 시동하 여 본 시험(SC03 시험 모드) 과정을 진행한다. Fig. 4에 SC03 모드의 주행 패턴을 나타내었다.
5) NEDC 시험 모드
NEDC 시험 모드는 유럽의 배출가스 및 연비 측정 시 험 모드로서 시험실에서 모의로 배출가스를 측정하여 각 phase에 따라 배출가스 농도계산을 하고 최종적으로 연비를 계산한다.
NEDC 시험 모드는 Fig. 5와 같이 ECE15(Economic Commission for europe) 시험 모드 4회와 EUDC(Extra Urban Driving Cycle) 시험 모드 1회로 구성되어 있다.
FTP-75 시험 모드와 다른 점은 phase 구간에 사이의 10 분 간 휴지시간이 없다는 것이다.
6) WLTC 시험 모드
WLTC 시험 모드는 차기 유럽의 배출가스 및 연비 측 정 시험 모드로서 NEDC 시험 모드를 개선하고자 국제 연합 유럽경제위원회(UN ECE, United Nations Eco- nomic Commission for Europe)의 WP.29(World Forum for Harmonization of Vehicle Regulation) 산하 자동차 배출가스 및 에너지 분과(GRPE, Group of Pollution and Energy)에서 제안된 시험 모드이다. WLTC는 Class 1, Class 2, Class 3a 및 Class 3b로 구분되며, 각각의 시험 모드는 시험 대상 차량의 공차 중량 대 엔진 최대 출력 및 차량 최대 속도에 따른다. 국내에서 판매되는 승용차 의 대부분은 공차 중량 900 kg으로 가정할 경우, 최대 출력이 36.8 마력 이상의 차량이 되며 최대 속도가 120 km/h를 초과하므로 대부분 Class 3b에 포함되며, 시험온 도는 23oC±5oC이다.
7) CADC(Artemis) 시험 모드
CADC(Common Artemis Driving Cycle)은 Europe Artemis Project에서 2005년 개발된 모드이며 Arte-
mis(Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory System)로도 명한다(본 보고서에 는 Artemis로 표기함). 이 모드는 유럽의 실제 도로교통 에서 발생하는 배출가스를 모델링하기 위하여 만들어졌 다. 배출가스 인증모드로 사용하는 NEDC 모드가 유럽 의 실제주행을 대표할 수 없음에 따라 유럽 실제주행 패턴을 통계적으로 분석하여 현실적인 속도계획을 갖춘 모드를 개발하고 이를 모델링에 사용하였다. Artemis의 속도계획은 Fig. 7에 나타내었다.
8) RTS-95 시험 모드
RTS-95모드는 WLTC 모드 개발을 위하여 수집된 데이 터 베이스를 기반으로 개발되었으며 도심 및 교외, 고속 Fig. 5 NEDC test mode Fig. 6 WLTC test mode
Fig. 7 Atremis(CADC) test mode
도로에서 공격적인 운전을 모사하여 고속 및 고부하 운전 영역을 대표하는 차대동력계용 시험모드이다. RTS(Stan-
dardized random test)의 의미는 TNO의 무작위 시험모드 생성 프로그램으로 작성되었음을 의미한다. RTS-95 모 드는 유럽의 제작사 및 부품제작 업제가 RDE 대응차량 을 개발하는데 사용되었으며 공격적인 운전을 대표하는 상한값으로 간주되었다.
3. 결 과
3.1 시험 모드별 NOx 배출 결과
시험용차량 A~D는 NEDC mode로 배출가스 인증 받 은 차량이며 시험용 차량 E와 F 는 WLTC mode 로 배 Fig. 8 RTS-95 test mode
Fig. 9 NOx emission data
출가스 인증 받은 차량이다.
Figure 9는 각 차량이 다양한 시험모드에서 배출한 NOx 배출량을 도시하고 있다. Fig. 9(a)에 나타낸 Euro 6a 규제를 만족하며 LNT를 장착한 시험차량 A의 시험 결과를 살펴보면 NEDC 및 HWFET를 제외한 나머지 모드는 NEDC NOx 배출허용기준 (0.08 g/km)을 모두 초과하였다. 다만 아래에서 기술할 시험차량 B 결과 대 비 SC03 모드를 제외한 모든 시험모드에서 낮은 배출 량을 보이고 있다. 시험차량 A의 모드별 NOx 배출량은 SC03 > Cold FTP > WLTC(-7oC) > NEDC(-7oC) > US06 >
NEDC(14oC) > WLTC(14oC) > WLTC > FTP-75 > NEDC (23oC) > HWFET 순으로 높았다. 동일 모드에서 온도가
낮아질수록 NOx 배출량은 증가하였으며, 동일 온도에 서 NEDC와 WLTC 모드의 배출량은 동등 수준이었다.
23~25oC의 냉간 시동을 포함한 모드의 배출량은 WLTC
> FTP-75 > NEDC 순으로 높게 나타나 가혹도가 높은 순과 일치하였다. 냉간 시동을 포함하지 않은 모드의 배 출량은 SC03 > US06 ≫ HWFET 순으로 높게 나타났으 며, SC03 모드는 모든 시험모드 중 가장 높았고, US06 모드는 -7oC조건 시험결과보다 낮았으나 나머지 시험보 다는 높게 나타났다.
위 결과를 종합해 볼 때 시험차량 A는 모드 가혹도 보다 외기온도 또는 에어컨 사용에 의한 영향이 큰 것 으로 판단된다.
Fig. 9 Continued
Figure 9(b)에 나타낸 Euro 6a 규제를 만족하며 LNT 를 장착한 시험차량 B의 시험결과를 살펴보면 NEDC 및 HWFET를 제외한 나머지 모드는 NEDC NOx 배출 허용기준(0.08 g/km)을 모두 초과하였다. 시험차량 B의 모드별 NOx 배출량은 Cold FTP > WLTC(-7oC) > NEDC (-7oC) > US06 & SC03 > CADC(150) > CADC(130) >
WLTC(14oC) > FTP-75 > WLTC(23oC) > NEDC(14oC) >
NEDC(23oC) > HWFET 순으로 높았다. 동일 모드에서 온도가 낮아질수록 NOx 배출량은 증가하였으며, 동일 온도에서는 NEDC 보다 WLTC 모드의 배출량이 높게 나타났다. 상온 23 ~ 25oC의 냉간 시동을 포함한 모드의 배출량은 CADC(150) > CADC(130) > FTP-75 > WLTC >
NEDC 순으로 높게 나타나 FTP-75와 WLTC를 제외하 고 모드의 가혹도(가속도)가 높은 순과 일치하였다. 냉 간 시동을 포함하지 않은 모드의 배출량은 US06 &
SC03 ≫ HWFET 순으로 높게 나타났고 US06과 SC03 의 배출량은 -7oC조건 시험결과 보다는 낮았으나 나머 지 시험보다는 높게 나타났다. 위 결과를 종합해 볼 때 시험차량 B는 앞서 기술한 시험차량 A의 결과와 달리 NOx 배출량은 외기 온도와 모드 가혹도(가속도)에 의한 영향을 동시에 받고 있는 것으로 나타났다.
Euro 6b 규제를 만족하고 SCR을 장착한 시험차량 C 의 NOx 배출량을 도시한 Fig. 9(c)의 그래프를 살펴보 면 앞서 기술한 LNT를 장착한 두 차량보다 상대적으로 낮은 NOx 배출량을 보이고 있다. 그러나 WLTC(14oC, -7oC), US06, SC03, Cold FTP, CADC(130, 150) 모드에 서 0.08 g/km를 초과하였다. 모드 전체의 NOx 배출량은 Cold FTP & WLTP(-7oC) > SC03 > US06 > CADC(150)
> CADC(130) > WLTC(14oC) > FTP-75 > WLTC(23oC)
> NEDC > HWFET 순으로 높게 나타났다. SCR을 장 착한 시험차량 C 역시 동일 시험모드에서 온도가 낮을 수록 NOx 배출량은 증가하였고, 상온시험 및 냉간 시 동을 포함한 모드에서는 CADC(150) > CADC(130) >
FTP-75 > WLTC(23oC) > NEDC 순으로 높게 나타났으 며, 냉간 시동을 포함하지 않은 모드에서는 SC03 >
US06 ≫ HWFET 순으로 나타났다. 위 결과를 고려해볼 때 시험차량 C는 외기온도 조건과 모드 가혹도(가속도) 에 의한 영향을 받고 있으며 두 영향은 동등수준으로 판단된다.
Figure 9(d)에 나타낸 Euro 6b를 만족하고 SCR을 장 착한 시험차량 D의 시험결과를 살펴보면 시험차량 C와 같이 앞서 기술한 Euro 6a를 만족하며 LNT를 장착한 차량 2대의 결과보다 정량적으로 낮은 NOx 배출량을
확인할 수 있다. 그러나 WLTC(14oC), WLTC(-7oC), SC03, Cold FTP 모드의 NOx 배출량이 0.08g/km을 초과하였다.
모드 전체의 NOx 배출량은 SC03 > WLTC(-7oC) >
CADC(150) > US06 & FTP-75 > NEDC > CADC(130)
> WLTC(23oC) > HWFET 순으로 높게 나타났다. 두 LNT 차량에서와 같이 시험차량 D도 동일모드에서 온 도가 낮아질수록 NOx 배출량이 증가하였으며 LNT 차량 대비 낮은 배출량을 보였으나 14oC 및 -7oC조건에서 0.08 g/km을 초과하였다. 상온시험 및 냉간 시동을 포함한 모 드에서는 CADC(150) > FTP-75 > NEDC > CADC(130) >
WLTC(23oC) 순으로 높게 나타나 가혹도 순과는 무관한 결과를 나타내어 시험차량 C 보다 상대적으로 가혹도에 의한 영향이 적은 것으로 나타났으며, 냉간 시동을 포함 하지 않은 모드의 배출량은 SC03 ≫ US06 > HWFET 순으로 높게 나타나 시험차량 D는 외기온도 또는 에어 컨 사용에 의한 영향을 시험차량 C보다 상대적으로 크 게 받는 것으로 판단된다.
Figure 9(e)에 나타낸 Euro 6d temp.를 만족하고 SCR 과 LNT을 장착한 시험차량 E의 시험결과를 살펴보면 앞서 기술한 Euro 6a 및 6b 규제를 만족하는(LNT only, SCR only) 차량 결과보다 정량적으로 매우 낮은 NOx 배출량을 확인할 수 있다. 또한, SC03 모드를 제외하고 NOx 배출량이 0.08 g/km 미만으로 배출되었다. SC03 모드의 배출량 역시 0.081 g/km으로 규제 값에 근사한 값 이다. 모드 전체의 NOx 배출량은 SC03 > RTS-95 > US06
> WLTC(25oC) > WLTC(1oC) > NEDC > WLTC(29oC) >
CADC(130) > CADC(150) > HWFET 순으로 높게 나타 났다. 시험차량 E는 상대적으로 동일모드에서 moderate 온도범위(0~30oC)에서 온도의 증감에 따른 NOx 배출량 이 변화가 나타나지 않았으며 0.023 g/km 이하의 배출 량을 보였다. 상온시험 및 냉간 시동을 포함한 모드에 서는 RTS-95 > WLTC(25oC) > NEDC > CADC(130)
> CADC(150) 순으로 높게 나타나 가혹도 순과도 무관 한 결과를 나타내었다. 냉간 시동을 포함하지 않은 모드 의 배출량은 SC03 ≫ US06 > HWFET 순으로 높게 나 타나 가혹도 보다는 외기온도가 extended 조건 또는 에 어컨 사용에 의한 영향을 상대적으로 크게 받는 것으로 판단된다.
Figure 9(f)에 나타낸 Euro 6d temp를 만족하고 SCR 과 LNT을 장착한 시험차량 F의 시험결과를 살펴보면 앞서 기술한 Euro 6a 및 6b 규제를 만족하는(LNT only, SCR only) 결과보다 정량적으로 매우 낮은 NOx 배출량 을 확인할 수 있다. 그러나, 위 시험차량 E와 달리 SC03
모드에서는 0.08 g/km 이하의 NOx 배출량을 보였으나 US06 및 CADC(150), RTS-95, WLTC(-7oC) 모드에서는 0.08 g/km 이상의 배출량을 보여 상대적으로 시험차량 E 보다 가혹도에 영향을 더 받는 것으로 나타났다. 모드 전체의 NOx 배출량은 US06 > WLTC(-7oC) > RTS-95
> CADC(150) > WLTC(1oC) > CADC(130) > NEDC >
WLTC(25oC) > WLTC(29oC) > SC03 > HWFET 순으로 높게 나타났다. 위 시험차량 E 차량과 달리 동일모드 (WLTC)에서 moderate 온도범위에서 온도의 증감에 따 른 NOx 배출량이 변화가 나타났으며 25oC를 기준으로 온도의 증감에 따라 NOx 배출량이 증가하는 경향을 나 타내었다. 29oC 외기조건에서는 0.08 g/km이하의 배출 량을 보였으나 1oC 외기조건에서는 0.08 g/km을 초과하 였다. 또한 추가적으로 실시한 -7oC WLTC 시험의 결과 가 0.174 g/km로 나타남에 따라 외기온도 감소에 따른 NOx 배출량 증가가 뚜렷이 나타났다. 다만, Euro 6a 및 6b 차량대비 온도감소에 따른 증가율은 매우 낮다. 상온 시험 및 냉간 시동을 포함한 모드에서는 RTS-95 >
CADC(150) > CADC(130) > NEDC > WLTC(25oC) 순 으로 높게 나타나 모드 가혹도 순과도 유사한 결과를 나타내었다. 냉간 시동을 포함하지 않은 모드의 배출량 은 US06 ≫ SC03 > HWFET 순으로 높게 나타나 시험 차량 F는 온도가 낮을수록 NOx 배출량에 영향을 미치 지만 상대적으로 모드 가혹도에 의한 영향을 더 받고
있는 것으로 판단된다.
위 6대의 시험차량의 시험결과를 종합적으로 고려할 때 Euro 6d RDE NOx 배출허용기준 만족은 LNT와 SCR이 조합된 후처리장치 사용이 필요할 것으로 판단 되고, 뿐만 아니라 엔진 및 후처리장치 제어전략을 정교 히 함으로써 달성 가능할 것으로 판단된다.
위 6대의 차량 중 5대의 차량이 각 시험모드에서 NOx 배출량에 가장 큰 영향을 미친 요소는 온도였다.
Fig. 10과 같이 5대의 차량 모두 시험온도가 낮아질수록 NOx 배출량이 증가하였고 RDE 시험에서 일반 대기온 도조건(0~30oC)에 포함되는 상온 시험에서 시험차량
Fig. 10 WLTC NOx at different temp.
Fig. 11 Vehicle A&B emission
(NEDC and WLTC NOx emission @ different temp.)
A~D 및 F가 Euro 6 NOx 배출허용기준(0.08 g/km)를 초 과하였다.
Figure 11(a)~(d)는 LNT가 장착된 시험차량 A와 시험 차량 B가 NEDC 및 WLTC 모드 온도별 실시간 NOx 배출농도(CVS측정)를 나타내고 있다. 두 차량 모두 NOx 배출농도가 온도가 낮을수록 모드 전반에 걸처 높 게 나타나고 있다.
먼저 냉간 시동 후 NOx 배출농도를 살펴보면 NEDC 에서는 23oC 대비 14oC 및 -7oC조건에서 냉간 시동 후 배출가스 농도가 높으며 14oC 및 -7oC 두 온도의 냉간 시동 후 NOx 농도는 유사하였다.
WLTC 모드에서 냉간 시동 후 주행구간(약 0 ~ 100초) 의 실시간 NOx 농도를 살펴보면 23oC 및 -7oC 시험조 건 보다 14oC 시험조건에서 NOx 농도가 높고 이후(100 초~) 농도는 14oC 시험조건에서 23oC보다 다소 높게 나 타나는 것으로 보아 WLTC 모드에서 14oC 조건이 23oC 조건 대비 NOx 배출량이 큰 이유는 냉간 시동에 의한 영향인 것으로 판단된다.
냉간 시동 이후 예열구간으로 판단되는(약 200초 이 후) NEDC 모드에서의 NOx농도를 살펴보면 촉매가 예 열되었다고 판단되는 구간에서도 14oC 및 -7oC조건에서 는 NOx 농도가 23oC조건 대비 높게 나타나고 있다.
또한 WLTC의 -7oC조건 실시간 NOx 배출농도는 예 열구간으로 판단되는 구간에서 25oC 및 14oC조건 대비 높은 농도를 보이고 있어 두 차량이 LNT를 장착한 Euro 6 기준 만족차량임에도 EGR 사용감소 또는 정지 에 따라 NOx 배출량이 증가한 것으로 판단된다. 또한 저온 시험에서 주행저항을 상온시험 대비 1.1배를 적용 한 점(엔진부하 증가)과 낮은 온도로 Soaking된 차량의 엔진 및 동력전달 장치의 내부저항 증가도 부가적인 영 향을 미친 것으로 판단된다.
Figure 12는 SCR을 장착한 시험차량 C와 시험차량 D 가 WLTC 및 FTP 모드에서 온도별 조건에서 배출한 실 시간 NOx 농도를 도시하고 있다. Fig. 12(a)에 나타낸 시험차량 C의 WLTC 온도별 NOx 농도를 살펴보면 초 기 냉간 시동에 의한 NOx 배출량이 14oC조건의 농도가 23oC조건 대비 높게 나타났다. -7oC조건에서는 초기 냉 간 시동 후 배출되는 농도가 14oC조건 대비 매우 높고 예열이 되었다고 판단되는 300초 이후에도 높은 상태로 유지되고 있다. 이 농도는 점차 낮아지고는 있으나 약 700초까지 이어지고 있다. 3가지 온도조건 모두WLTC 모드에서 700초 이후(예열된 이후)에 700초 이전보다 매우 낮은 농도의 NOx를 배출하나 Phase 4(Extra-high)
구간에서는 3가지 온도조건 모두에서 NOx의 농도가 높 게 나타났고 온도가 낮을수록 농도는 높았다.
Figure 12(b)에 나타낸 시험차량 C의 FTP 모드에서 온도별 NOx 농도를 살펴보면 초기 냉간 시동에 의한 영향은 약 300초까지 나타났다. 이 기간 중 FTP 모드의 배출농도는 WLTC 대비 높은 최댓값을 보이고 있고, WLTC 모드 -7oC조건 보다 냉간 시동 영향이 짧은 것은 WLTP Phase 1 보다 FTP Phase 1의 주행속도가 높기 때 문에 상대적으로 빠르게 엔진 및 저감장치가 예열된 것 으로 판단된다. FTP 모드에서도 300초 이후는 WLTC의 700초 이후와 같은 경향이 나타났으며, 농도가 급격히
Fig. 12 Vehicle C&D emissions
(FTP and WLTC NOx emission @ different temp.)
높아진 시점은 차량이 고속으로 진입하기 위한 가속영 역과 고속영역으로, 이 운전구간에서 차량자체의 EGR 또는 SCR 제어전략이 최적화되지 않음으로써 발생된 것으로 판단된다.
Figure 12(c)의 시험차량 D의 WLTC 온도별 NOx 농 도를 살펴보면 초기 냉간시동 후 온도가 낮을수록 NOx 의 농도가 높고, 약 300초까지 높은 농도가 지속되나 이 후부터는 낮은 농도를 유지하고 있다. 예열이 되었다고 판단되어지는 300초 이후부터 1,500초에는 NOx의 농도 는 3개 온도조건이 유사한 농도를 보이고 있으나 –7℃
조건의 시험 중 1500초 이후 Phase 4(Extra-high)에서 급 격한 NOx 농도 증가가 발견되었다. 이 구간의 다른 배 출가스 항목(CO, THC, PN) 실시간 농도확인 결과 DPF 재생에 의한 농도 증가는 아닌 것으로 판단된다.
Figure 13은 LNT와 SCR을 장착한 시험차량 E 및 시 험차량 F가 온도조건별 WLTC 모드에서 배출한 실시간 NOx 농도를 도시하고 있다. 먼저 Fig. 13(a)에 나타낸 시험차량 E의 WLTP 온도별 NOx 농도를 살펴보면 초 기 냉간시동 후 약 300초 동안 NOx 농도가 SCR 만을 장착한 시험차량 C와 D의 23oC 조건 WLTC 모드의 농 도보다 낮게 나타나고 있다. 또한 25oC와 29oC의 농도 가 유사하게 나타나고 있으며 80 ~ 100초 구간에서 1oC 조건이 다소 높게 나타나고 있으나 이후 유사한 농도를
보이고 있다. Fig. 13(b)에 나타낸 시험차량 F 역시 0 ~ 300초 구간 중 배출농도는 시험차량 C 및 D 대비 매우 낮은 농도를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 SCR 장착차량 대비 LNT+SCR 장착차량이 상대적으로 낮은 온도에서 활성화되기 때문인 것으로 판단된다.
일반적 시험온도(23, 25oC)보다 낮은 온도에서 NOx 배출량이 크게 증가한 것과 같이 시험차량 F를 제외한 시험차량 A~E 5대 차량이 규제모드 대비 SC03 모드에 서 NOx 배출량이 증가하였다.
Figure 14은 시험차량 A~F 6대의 시험대상 차량이 SC03 모드에서 배출한 실시간 NOx농도를 도시하고 있 다. SC03 모드는 35oC의 외기조건에서 FTP-75 모드 Phase 1의 주행속도계획으로 주행하여 예열한 후, 10분 간 Soaking하고 다시 시동하여 시작되는 절차를 가지고 있다. 아래 그림을 살펴보면 시동에 의한 영향은 나타나 지 않았으며, 시험차량 F를 제외한 모든 차량이 모드 전 반에 걸쳐 NOx의 농도가 높게 나타나고 있다. 특히 가 속영역에서 배출농도가 높게 나타났다. 차량별로 시험차 량 A > 시험차량 D > 시험차량 B > 시험차량 C > 시험 차량 E > 시험차량 F 순으로 농도가 높게 나타나고 있 으며 시험차량 B의 경우 모드 초반에는 시험차량 A 보 다 농도가 낮으나 모드 중반에서 시험차량 A 보다 높게 나타나는 것이 특징이다. 또한, 시험차량 D는 SCR 장착 차량임에도 불구하고 LNT 장착차량 B 보다 높은 배출 농도를 보이고 있어 고온 및 A/C 가동 운전영역에서 정 교한 SCR 제어가 이루어지지 못하는 것으로 판단된다.
SC03 모드에서 NOx의 배출량이 높은 것은 높은 외 기온도와 A/C 사용이 주요한 원인인 것으로 판단된다.
SC03 모드에서 높은 외기온도가 배출가스 저감제어에 큰 영향을 미쳤는지, A/C 사용이 큰 영향을 주었는지는 직접적인 분석이 어려우나 시험차량 C는 온도의 영향이 크고 시험차량 D는 A/C 가동이 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
Fig. 13 Vehicle E&F emissions (WLTC NOx emission @ different temp.)
Fig. 14 NOx real time emissions of test vehicel A~F @SC03 mode
Figure 15(a)와 (b)에 시험차량 A ~ F의 HWFET와 US06 실시간 NOx 배출농도를 살펴보면 가혹도가 가장 낮은 HWFET에서 NOx 농도가 매우 낮고 가혹도가 가 장 높은 US06 모드에서 매우 높은 것을 확인할 수 있 다. 또한 US06 모드에서 가혹도의 영향이 뚜렷함과 동 시에 0.08 g/km 이상의 NOx 배출량을 보인 시험차량 A~C 및 F의 농도가 나머지 차량(D 및 E)에 비하여 뚜 렷이 높은 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
국내 경유 승용자동차 중, De-NOx 적용 기술별 6대 의 차량(Euro 6a 및 6b, 6d temp. 만족)을 대상으로 다 양한 시험실 Off-cycle 모드(WLTC(-7oC 및 1oC, 14oC, 23oC, 29oC), NEDC(-7oC, 14oC, 23oC), FTP-75, HWFET, US06, SC03, Cold FTP, CADC(Artemis), RTS-95)에서 유해배기가스 중 질소산화물의 배출량을 측정하고 주요 배출량 증가 원인 등 배출특성을 분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
1) 시험차량 E를 제외한 모든 차량이 동일 시험 모드 에서 시험 온도가 낮을수록 높았으며, LNT를 장착한 시 험차량 A 및 B, SCR을 장착한 시험차량 C는 14oC 및 -7oC온도조건 시험모드에서 NOx 배출허용기준(0.08 g/km)
을 초과하였고, SCR을 장착한 시험차량 D 및 LNT+SCR 을 장착한 시험차량 F는 -7oC 온도조건의 시험모드에서 배출허용기준을 초과하였다
2) 동일 온도 조건에서는 주행속도계획이 가혹한 시 험 모드에서 NOx 배출량이 높은 경향을 나타내었으며 시험차량 D 및 E를 제외한 모든 차량이 US06 및 CADC 모드에서 0.08 g/km를 초과하였다(RTS-95 모드 에서는 시험차량 F가 0.08g/km 초과을 초과함; RTS-95 모드는 시험차량 E와 F만 실시함).
3) 시험차량 F를 제외한 모든 차량이 35oC 외기온도 및 A/C를 작동하는 SC03모드에서 0.08 g/km을 초과하 였다.
4) LNT > SCR > LNT+SCR 장착 차량 순으로 대부 분의 동일 모드에서 정량적인 NOx 배출량이 높았다.
후 기
본 연구는 한국자동차산업협회의 연구비 지원으로 수 행되었으며 이에 감사의 뜻을 표합니다.
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