Investigation on the Comparison of Exhaust Emission Characteristics of Passenger Cars using LPG and Diesel Fuel in Variation of Driving Mode and Ambient Conditions

주행모드 및 조건변화에 따른 LPG와 디젤승용차량 배출특성 비교에 관한 연구

김형준

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Investigation on the Comparison of Exhaust Emission Characteristics of Passenger Cars using LPG and Diesel Fuel in Variation of Driving Mode

and Ambient Conditions

Hyung Jun Kim, Jongtae Lee, Youngho Seo and You Deug Hong

Key Words: Emission characteristics(배출특성), LPG(액화천연가스), Diesel vehicle(경유차량)

Abstract

In Korea, sales of passenger cars using diesel and LPG fuels were continuously increased in recent years. From now on 2030, the registrated vehicles will close in about twenty five million in Korea. From these reason, Investigation on the com- parison of exhaust emission characteristics of passenger cars using LPG and Diesel fuel in variation of driving mode and ambient conditions were conducted in this study. Exhaust emission characteristics of test vehicles were measured and ana- lyzed by using chassis dynamometer and emission analyzer. Also, test vehicles were selected on the diesel vehicle with 1.7L engine and LPG vehicle with 2.0L engine. In order to study on emission characteristics according to driving cycles, CVS- 75, NEDC, US06, SC03, Cold-FTP and HWFET were applied and the test conditions were set up the cases of A/C on and hot start. From these results, it is revealed that the NOx emission of diesel vehicle was higher than that of LPG vehicle and the case of CO emission shows the opposite patterns. In the HC emission, the emission increasing patterns not showed but the NOx emission of diesel vehicle and CO emission of LPG vehicle were showed the variation patterns according to the various driving modes.

기호설명

NEDC : New European Driving Cycle NOx : Nitrogen oxide

CO : Carbon monoxide HC : Hydrocarbon

1. 서 론

현재 국내 등록된 차량은 2016년말 2천2백만대에 육 박⁽¹⁾하고 있으며 지속적으로 증가하고 있으며 국토교통 부에서는 2020년경에는 자동차등록대수가 약 2,500만대 에 도달할 것으로 예측하고 있다. 이렇게 증가되는 자동 차 만큼 최근에는 대기오염문제에 대한 우려도 사회적 으로 이슈가 되고 있다. 산업시설에서 배출되는 오염물 질 뿐만아니라 많은 수송부문에서 매일 많은 양의 대기 오염물질들이 배출되고 있다. 특히 최근의 폭스바겐의 디젤게이트에서 촉발된 경유자동차의 질소산화물 과다 배출 문제로 경유자동차에 대한 대기오염이 심하다고 인식되고 있다. 따라서 차량구매패턴도 경유자동차에서

(Recieved: 21 Nov 2017, Recieved in revised form: 11 Dec

2017, Accepted: 12 Dec 2017)

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국립환경과학원 교통환경연구소

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자동차부품연구원

†책임저자, 회원, 국립환경과학원 교통환경연구소 E-mail : [email protected]

TEL : (032)560-7624 FAX : (032)561-7013

휘발유자동차, LPG자동차로 변화하고 있고 정부에서는 전기차, 하이브리드 차량과 같은 친환경차 보급정책도 추진하고 있다. 특히 LPG자동차의 경우에는 국내의 연 료정책에 따라 경유 및 가솔린연료 보다 저렴하여 경제 성면에서 우수하여 보급이 증대되고 있다. 최근에는 LPG자동차는 영업용이나 장애인용으로 구매가 제한되어 있으나 5인승 SUV 차량도 일반인이 구매가능하도록 하 는 제도가 논의중에 있어 보급대수는 지속적으로 증가될 전망이다. 아울러, 국내의 택시의 거의 대부분은 LPG 연 료를 사용하고 있으며 차량 한 대당 주행거리가 길어 실 제로 배출되는 오염물질에 대한 연구⁽²⁾가 필요한 실정이 다. 하지만 LPG자동차의 경우 연료의 발열량이 낮아 타 연료에 비하여 연료소비율 좋지 않아 이를 향상하기 위 한 연소실에 직접분사하는 직분사방식을 도입하기 위한 많은 연구^(3~7)들이 진행되고 있다. 또한 경유자동차의 경 우에도 2014년부터 강화된 배출허용기준(EURO-6)에 따 라 후처리장치들이 추가되고 있어 차량의 배출수준은 낮 아지고 있으며 2017년 9월부터 도입된 경유승용차의 실 제도로 배출허용기준(RDE-LDV, Real Driving Emission - Light Duty Vehicle)에 따라 제작사에서는 오염물질 배출 을 저감시키는 기술을 개발하여야 하며 많은 연구자들도 이에 대한 활발한 연구^(8~11)들을 진행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 판매되는 대표적인 차종을 선정 하여 다양한 주행모드와 조건에 따라 LPG 및 경유자동 차의 배출가스 특성을 비교하고 분석하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

본 연구에서는 다양한 주행모드와 조건들에 따른 LPG

및 경유자동차의 배출가스 특성을 비교 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 실험장치를 사용하여 측정하였다. 차량의 부하와 구동을 위한 차대동력계(Chassis dynamometer 48'' compact 4WD, AVL)와 다양한 주행모드를 구현할수 있 는 운전보조시스템(CRSD-7000 & VETS-7000NT, Horiba) 및 가변송풍팬을 통해 시험을 수행하였다. 또한 배출가 스 측정을 위하여 LPG 및 경유자동차의 배기관에서 일 정유량으로 샘플링하여 다양한 주행모드의 각 단계별로 포집하여 배출가스를 분석기(CVS-7200s & MEXA- 7200LE, Horiba)를 통하여 측정하였다. 배출가스 분석은 각 주행모드 및 조건에 따라 현재 배출허용기준으로 규 제하고 있는 오염물질을 대상으로 측정, 비교하였다.

2.2 실험방법 2.2.2 시험조건

현재 대기환경보전법 시행규칙 별표17⁽¹²⁾에 따라 국 내의 LPG 및 경유자동차의 인증주행모드는 CVS-75 및 ECE15+EUDC(NEDC)로 규정되어 있어 본 연구에서도 해당 시험모드를 포함하였다. 또한 인증시험모드의 조 건변화를 주기위하여 에어컨작동여부 및 예열상태(Hot Fig. 1 Sales status of diesel and LPG passenger car in

Korea

Fig. 2 Picture of experimental apparatus

Start)를 반영하여 추가로 시험을 진행하였다.

2.2.3 주행모드

다양한 주행모드에서는 차량간 배출가스 변화를 비 교⁽¹³⁾하기 위하여 고속도로 주행모드인 HWFET, –7도

에서 CVS-75모드로 주행하는 Cold FTP모드, 엔진부하 와 에어컨의 사용과 관련된 SC03모드, 고속·고부하 운 전패턴을 고려한 US06모드로 주행하였다. 관련 주행모 드들에 대해서는 Fig. 3에 나타내었다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 시험조건에 따른 배출특성

주행조건에 따른 경유자동차와 LPG자동차 간의 배출 특성을 비교하기 위하여 경유자동차 인증시험모드에서 3가지 시험조건(A/C 작동여부, 예열조건, 동시적용)을 변경하였으며 그 결과를 Fig. 4에서 보여주고 있다. 경 유자동차의 질소산화물(NOx)의 배출량은 LPG 차량보 다 두드러지게 높게 나타났는데 이는 최근 적용되는 별 도의 질소산화물 저감장치 없이 배출가스재순환장치 (EGR)만으로 저감하기 때문인 것으로 판단된다. 이에 반하여 일산화탄소(CO)의 경우는 오히려 LPG 차량의 Table 1 specifications of test vehicles

Item Diesel Vehicle LPG Vehicle

Engine type 1.7 VGT 2.0 LPi

Transmission 6-speed automatic 6-speed automatic

Displacement (cc) 1,685 1,999

Max. Power (ps/pm) 140/4,000 157/6,200

Max. torque (kg-m/rpm) 33.0/2,000~2,500 20.0/4,200

Wheelbase (mm) 2,770 2,795

Length×Width×Height (mm) 4,815×1,815×1,470 4,820×1,835×1,470

Fig. 3 Test driving cycles (X-axis : Vehicle speed[km/s], Y-axis : time[s])

Fig. 4 Exhaust emission characteristics [g/km] of diesel and LPG vehicles according to various test condi- tions in NEDC mode

배출량이 높게 나타났는데 이는 연료특성이 반영된 것 으로 생각된다. 예열된 상태에서의 배출량의 경우 경유 자동차는 약간 증가하는 반면 LPG 차량의 경우는 예열 후 인증시험시 배출가스양이 감소하였다. 이는 냉간시 동때보다 열간시동시 배기가스온도가 상승되어 삼원촉 매가 활성화 된 것으로 판단된다. 또한, 에어컨작동시에 는 경유자동차의 경우 부하량의 증가로 질소산화물 (NOx)의 배출량이 증가하였으나 LPG 차량의 경우는 뚜 렷한 증가패턴을 보이지는 않았다.

Figure 5에서는 주행조건에 따른 경유자동차와 LPG 자동차 간의 배출특성을 비교하기 위하여 LPG 차량의 인증시험모드에서 시험조건들을 변경하여 시험한 결과 를 보여주고 있다. 경유자동차 인증시험모드 대비 가감 속구간이 많아 경유자동차의 경우 질소산화물(NOx) 배 출량이 크게 증가하였으나 가솔린 자동차의 경우에는 모드 중간에 고온시동구간의 포함으로 배출량은 오히려 낮게 나타났다. 따라서 경유자동차 인증시험모드와 유사 한 패턴으로 경유자동차가 질소산화물(NOx) 배출량이 LPG 자동차에 비하여 현저히 높게 나타났으며 일산화탄 소(CO)의 경우는 LPG 자동차가 약간 높게 나타났다.

3.2 주행모드에 따른 배출특성

Figure 6은 다양한 주행모드에 따른 경유자동차와 LPG 자동차간의 배출특성을 나타내고 있다. 주행모드 특성에 따라 탄화수소(HC)의 경우 연료에 따라 주행모 드에 따른 배출량 변화가 나타나지 않았다. 이는 경유자 동차에서는 연소특성상 탄화수소(HC) 배출량 자체가 낮게 나오며 LPG 자동차의 경우는 공연비 제어를 하기 때문에 그 양이 미미한 것으로 판단된다. 하지만 주행모 드 특성을 그대로 반영하는 오염물질은 경유자동차의 질소산화물(NOx)과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의

변화가 뚜렷하다. 일정한 고속조건을 모사한 HWFET 모드에서는 두 자동차 모두 낮은 배출량을 보이는 것으 로 나타났다. 하지만 급가감속, 고부하 조건을 감안한 US06모드에서는 배출량이 급격히 증가하는 것을 알수 있다. 또한 계절의 영향을 반영할 수 있는 SC03(여름), Cold FTP(겨울) 두 모드에서도 경유자동차의 질소산화 물(NOx)과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 증가를 확 인할 수 있었다. 특히 겨울철의 주행모드를 구현한 Cold FTP 모드에서의 배출량이 눈에 띄게 증가하였는데 이 는 경유자동차의 경우는 실화를 방지하기 위한 배출가 스재순환장치의 작동율을 낮추거나 흡입되는 공기의 온 도가 낮아 열효율의 감소가 원인으로 생각된다. LPG 자 동차의 경우는 냉간 시동에 따른 삼원촉매의 활성화의 영향으로 판단된다.

3.3 주행모드에 따른 CO2 배출특성

주행모드에 따른 경유자동차와 LPG 자동차의 이산화 탄소(CO2) 배출특성을 Fig. 7에 보여주고 있다. 이산화 Fig. 5 Exhaust emission characteristics [g/km] of diesel

and LPG vehicles according to various test condi- tions in CVS-75 mode

Fig. 6 Exhaust emission characteristics [g/km] of diesel and LPG vehicles according to various driving cycles

Fig. 7 CO₂ emission characteristics [g/km] of diesel and LPG vehicles according to various driving cycles

탄소(CO2)의 배출량은 경유자동차 및 LPG자동차 모두 유사한 패턴을 보여주고 있으며 주행모드에 따라서는 HWFET에선 가장 낮게 나타났으며 SC03에서의 배출량 이 가장 높았다. 전반적으로 LPG 자동차에서의 이산화 탄소(CO2) 배출량이 경유자동차보다 높게 나타났다. 이 는 LPG연료의 탄소함유량은 디젤연료보다 적으나 연소 효율이 낮아 같은거리 주행시 이산화탄소의 배출량이 높은 것으로 판단된다. 또한 비교적 주행패턴이 단순한 NEDC 모드나 HWFET 모드에서는 큰 차이를 보이지 않았으나 고부하 또는 온도조건이 반영된 모드들에서는 그 차이가 큰 것으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 주행모드와 조건변화에 따른 경유자동차와 LPG 자동차의 배출특성에 대하여 측정하 고 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.

(1) 차종별 연료에 따른 인증시험모드에서는 경유자 동차의 질소산화물이 LPG 자동차보다 높게 나타났으며 LPG 자동차의 일산화탄소가 경유자동차 보다 높았다.

(2) 탄화수소의 경우 연료에 따라 주행모드에 따른 배 출량 변화가 나타나지 않았으나 경유자동차의 질소산화 물과 LPG 자동차의 일산화탄소(CO)의 경우 주행모드 특성을 반영하여 증가하였다.

(3) 이산화탄소의 배출량은 경유자동차 및 LPG자동 차 모두 유사한 패턴을 보여주고 있으며 주행모드에 따 라서는 HWFET에선 가장 낮게 나타났으며 SC03에서의 배출량이 가장 높았다.

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