휘발유 물성변화에 따른 배출가스 및 촉매에 미치는 영향성 연구

2.1 시험용 연료

시험에 사용된 연료는 물성 변화를 위해 Table 1과 같은 혼합비율로 제조하였다. 또한 시험 연료는 석대법 상의 시험법을 이용하여 물성평가를 수행하였으며, 정상휘발유를 Gasoline, 휘발유와 용제를 혼합한 시료를 A, 용제와 톨루엔을 혼합한 연료를 B로 표기하여 사용하였다.

Table 1

Mixture ratio of test fuel

2.2 단기통 엔진 및 동력계 시스템

2.2.1 엔진동력계

Fig. 1은 본 연구에 사용된 엔진동력계는 AVL사의 단기통 엔진동력계 시스템의 개략도이다. 단기통 엔진동력계는 최대 8,000 rpm과 190 Nm의 토크가 측정 가능하며, 냉각수 및 오일 온도가 제어되는 시스템을 구성하였으며, 동력계 제원은 Table 2와 같다.

Fig. 1

Schematic diagram of engine dynamometer

Table 2

Specifications of engine AC dynamometer

2.2.2 단기통 엔진,

시험에 사용된 엔진은 MPI형식의 499 cc 단기통 엔진을 사용하였으며 제원은 Table 3과 같다. 엔진제어는 MOTEC사의 ECU를 이용하여 점화시기, 분사량 등 연구에 필요한 엔진제어를 수행하였으며, 공연비 제어를 위해 광대역 공연비 센서(ETAS Lambda meter LA4)를 사용하였다.

Table 3

Specifications of engine

2.2.3 단기통 엔진동력계 배출가스 분석기

본 연구에서 사용된 배출가스 분석기는 배기관에 Probe를 설치하여 Raw gas를 채취하여 분석하였으며, 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(HC), 이산화탄소(CO₂) 등의 배출량을 측정하였다. 분석기의 정밀도 및 분석원리에 대한 상세제원은 Table 4와 같다.

Table 4

Specification of the emission analyzer

2.3 엔진 시험방법

공연비에 대한 배출가스 변화를 살펴보기 위하여 단기통 엔진에서는 물성변화에 따른 엔진의 희박연소 특성 시험을 실시하였다.^1,2) MBT(Max brake torque, BTDC 30°) 조건에서 희박연소 시험을 수행하였으며, 시험조건은 1400 rpm, 2/4 Road에서 실시하였다. 엔진제어시스템(MOTEC)을 통해 연료량을 조절하여 엔진이 안정된 상태에서 λ를 0.8∼1.5까지 변화시켜 배출가스 변화를 살펴보았다.

2.4 시험차량 및 차대동력계 시스템

시험에 사용된 차량은 자연흡기식 다점분사식 엔진을 사용하는 2,000 cc 차량을 선정하여 사용하였다. 또한 Fig. 2는 시험에 사용된 차대동력계 시스템의 개략도를 나타낸 것으로, 시험의 대표성 및 객관성을 확보하기 위해 공인된 시험법인 에너지소비효율측정방법 및 대기환경보전법의 배출가스 시험방법을 구현할 수 있는 차대동력계 시스템을 이용하였다. 또한 차대동력계 시스템의 경우 매년 정도검사를 실시하여 시험의 정확성을 유지하였고, 자동차를 실도로 조건과 동일한 부하로 제어하기 위하여 차대동력계와 자동차의 배기구를 통해 배출되는 배출가스를 분석하는 배출가스 분석기, 배출가스를 일정하게 채취하기 위한 시료채취장치, 배기가스와 Ambient 가스를 적절하게 희석하는 희석터널, PM의 무게를 측정하기 위한 PM 측정 장비, 배기가스 열교환기, 보조 운전장치(Driver aid) 등으로 구성하였다. 차대동력계 시스템은 국내 총중량 3.5 톤 미만의 소형, 승용 및 화물자동차에 대해 인증하는 장비로 차대동력계는 배출가스 및 연료소비율을 측정할 수 있도록 형식 승인된 시험 장비이다.

Fig. 2

Schematic diagram of chassis dynamometer

2.5 차량 시험모드 및 촉매 효율 평가

Fig. 3은 현행 휘발유자동차의 배출가스 시험 모드인 CVS- 75 모드이다. CVS-75는 시험실에서 배출가스를 측정하기 위하여 도로여건과 운전상황을 고려해 개발한 주행모드로 약 41분이 소요되며, 국내 휘발유 차량의 배출가스 시험모드로 사용되고 있다. CVS - 75 주행모드는 총 3개의 Phase로 구성되어 있으며, Phase 1은 저온시동상태에서의 주행을 모의한 것으로 저온시동시험 초기단계(Cold cycle)라 통칭되며 505 초 동안 5.78 km를 주행한다. Phase 2는 냉간 시동 후 엔진의 운전조건이 안정된 상태에서의 주행을 모의한 것으로 저온시동시험 안정단계 (Stabilized cycle)라 불리며 865 초 동안 6.29 km를 주행한다. Phase 3은 Phase 2 주행 후 9~11분간 엔진을 정지시켰다가 다시 주행하는 구간으로 고온시동시험 초기 단계(Hot cycle)라 불리며, 앞에서 설명한 Phase 1 구간과 동일한 모드이다.

Fig. 3

Test mode(CVS-75)

이상 3 Phase의 총주행시간은 10분간의 휴지시간을 포함하여 41.3분으로서 총 주행거리는 17.84 km이다. 1~3 Phase로 구성된 시험이 끝나면 최종 배출가스가 측정되고 계산되며, 이때, 배출가스는 촉매를 거쳐 배출됨에 따라 물성변화에 따른 배출가스 저감 효율을 평가한다.

3.1 연료 물성 및 운전성지수 분석

Table 5는 휘발유와 시험에 사용된 A, B 연료의 물성을 분석한 결과이다. A 연료의 경우 옥탄가가 66으로 정상 휘발유 대비 27% 낮게 나타났으며, B 연료의 경우에는 옥탄가가 97로 정상 휘발유보다 높은 옥탄가를 보여주고 있으나, 차량의 시동성에 영향을 미치는 증류성상 10% 유출온도가 정상 휘발유에 대비 46% 높게 나타났으며, 주행성능에 영향을 미치는 50% 유출온도 또한 24% 높게 나타났다.

Table 5

Properties of test fuel

각 연료에 대한 증류성상이 차이를 보임에 따라 증류성상에 따른 영향성을 살펴보기 위하여 증류성상과 산소함량 결과를 이용해 ASTM D 4814 및 WWFC (World wide fuel charter)에서 제시한 계산식을 이용하여 운전성 지수 (Drive ability index)를 산출하고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4

Drive ability index

운전성 지수의 경우 수치가 높을수록 시동성과 워밍업에 좋지 않은 것을 나타내는데, A연의 경우, 정상 휘발유 대비 5% 낮은 결과를 보여 시동성 및 주행성에서 비슷한 결과를 보일 것으로 판단되며, B연료의 경우에는 정상 휘발유보다 19% 높은 운전성지수를 나타냄에 따라 주행 시 불리할 것으로 사료된다.

3.2 단기통 엔진에서의 성능평가

Fig. 5는 휘발유와 A, B 연료의 공기과잉률을 0.8에서 1.5까지 변화시켜 가며 측정한 토크를 나타낸 것이다. 공기과잉률을 변화시켜 가며 살펴본 결과, 이론공연비까지는 일정한 토크를 보였으나, 1.1부터 1.5까지는 토크가 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이때 휘발유가 가장 높은 토크를 보였으며, A, B 연료의 경우 휘발유에 비해 약 20% 정도 낮은 토크를 나타내었다. 이는 A 연료의 낮은 옥탄가가 연소 시 자발화되면서 출력 저저하로 나타난 것으로 보이며, B 연료의 경우에는 휘발성과 연관이 있는 증기압이 낮고 증류성상의 온도가 높음에 따라 연소를 위한 휘발유의 증발이 원활히 이루어지지 않아 연소에 불리한 조건이 발생한 것으로 사료된다.³⁾

Fig. 5

Torque curve

3.3 단기통 엔진의 배출가스

Fig. 6은 희박연소에 따른 배출가스 변화를 나타낸 것이다. 시험에 사용된 연료 모두 각각의 배출가스에서 동일한 증감 경향을 나타냈으며, HC의 경우 희박연소로 갈수록 점점 증가하는 경향을 보였다. 이는 희박연소로 인한 연소 환경 악화로 미 연소된 연료가 대량 배출된 것으로 사료되며, CO의 경우에는 농후한 연소에서 가장 높게 나타났고, 이론공연비로 가면서 점차 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 희박 연소로 갈수록 점차 늘어나는 것을 볼 수 있는데, 농후한 연소에서는 부족한 공기로 인하여 연소가 원활이 이루어지지 않은 것으로 보이며, 희박으로 갈수록 점차 연소 환경이 악화됨에 따라 증가한 것으로 판단된다. 질소산화물의 경우에는 공기과잉률 1.1에서 가장 높게 나타나고 있는데, 이론공연비에 가까워질수록 점차 늘어났다가 희박연소로 갈수록 점차 낮아는 것을 볼 수 있다. 이는 이론공연비에 가까워짐에 따라 연소에 적합한 환경이 만들어져 HC와 CO는 줄어들고 연소온도는 높아져 Thermal NOx에 기인한 것으로 보인다.

Fig. 6

Emission result of engine dynamometer

3.4 실제 차량의 배출가스 특성

Fig. 7은 실제 차량에서의 배출가스 결과를 나타낸 것이다. THC의 경우 휘발유 대비 A 연료는 83%, B 연료는 1.6% 높게 나타났으며, CO의 경우 A 연료가 1,806%, B 연료는 391% 높게 나타났다. NOx 또한 A 연료는 239%, B 연료는 142% 높은 결과를 나타내었다. A, B 연료는 HC, CO, NOx 모두 정상휘발유보다 매우 높은 결과를 나타내었다. 이는 단기통 엔진에서 각 연료가 최적의 공연비로 제어할 경우 비슷한 증감 경향을 나타낸 것과 다른 결과를 나타낸 것인데, 이는 단기통의 고정된 회전수가 아닌 실제 주행 시 가혹한 연소조건에서 품질기준을 벗어나는 연료 물성이 이상연소를 유발하여 다량의 배출가스를 배출한 것으로 사료된다. 또한 국내에서 판매되는 휘발유 차량의 경우 품질기준에 맞춰 엔진이 맵핑되는데, 이를 통해 공연비제어뿐 아니라 최적의 점화시기를 결정하게 된다. 그러나 A, B 연료가 가지는 물성 자체가 품질기준을 많이 벗어남에 따라 노킹과 미연소 등에 의해 최적의 연소조건을 형성하지 못하고 다량의 배출가스를 배출한 것으로 사료된다.^4-6)

Fig. 7

Emission result of chassis dynamometer

실제 차량에서 삼원촉매를 통과한 배출가스 결과를 통해서도 이상연소를 판단할 수 있는데, 촉매를 통과한 HC, CO, NOx는 공연비에 따라 삼원촉매에서 서로 다른 정화 효율을 나타내게 된다. 농후한 연소일수록 HC와 CO가 증가하며, 희박할수록 NOx가 낮아지게 되는데, 본 연구에서는 정상 휘발유에 비해 HC, CO, NOx가 모두 높게 나타남에 따라 공연비 제어가 이루어지지 않은 것은 물론 이상연소까지 발생한 것을 알 수 있다. 따라서 연료 품질기준을 벗어나는 연료의 경우 실제 차량에서 사용할 시 이론공연비 제어가 되지않아 삼원촉매의 정화효율을 떨어뜨리고, 이상연소로 인해 다량의 유해 배출가스를 배출함으로써 촉매의 허용범위를 벗어나 유해 배출가스가 모두 높게 나타난 것으로 사료된다.⁷⁾