한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 40 CNG/LPLI Bi-Fuel 자동차에서주행시험모드와점화진각에따른배출가스특성 조승완 김성훈 * 권석주 ** 박성욱 *** 전충환 **** 서영호 ** Exhaust Emissions Characteristics on Driving Cycle Mode and Ignition Advance Condition Change of CNG/LPLI Bi-Fuel Vehicle Cho Seungwan, Seonghoon Kim, Seokjoo Kwon, Sungwook Park, Chunghwan Jeon and Youngho Seo Key Words: CNG( 압축천연가스 ), LPG( 액화석유가스 ), Spark Advance( 점화진각 ), NOx( 질소산화물 ), CO( 일산화탄소 ), CH4( 메탄 ), Bi-Fuel( 겸용 ) Abstract Recently rise in oil prices feet the burden on not only diesel vehicle driver but also LPG vehicle driver, and get interested in various way to reduce fuel costs. In this study discuss on exhaust emissions characteristics on driving cycle mode and ignition advance condition change of CNG/LPLI Bi-Fuel vehicle. Experimental test was performed by changing the conditions of fuel (LPG/CNG), spark advance (Base, 10 o CA, 15 o CA), and driving mode (FTP-75, HWFET, and NEDC). In case of CO emission, in the order of CNG Base, CNG S/A10, S/A15 condition are average reduced -21%, -35%, -29% respectively compared to LPG fuel. The active emission reduction from the initial engine start, spark retard is likely to be beneficial in catalyst warm-up and improve combustion stability rather than spark advance. 1. 서론 최근의유가상승은연료비가비교적저렴한경유자동차뿐만아니라 LPG 자동차운전자들에게도연료비에부담을가중시켰고, 운전자들로하여금연료비절감을위한다양한방법들에관심을갖게하였다. 그중에서압축천연가스 (CNG) 와가솔린또는 LPG를동시에자동 (Recieved: 06 March 2014, Recieved in revised form: 18 March 2014, Accepted: 19 March 2014) * THE SYSTEM ** 자동차부품연구원 *** 한양대학교기계공학부 **** 부산대학교기계공학부 책임저자, 회원, THE SYSTEM 기업부설연구소 E-mail : chosw12@daum.net TEL : (051)974-9683 FAX : (051)974-9684 차에저장하고그중한가지연료를선택하여연료로사용하는방식인겸용 (Bi-Fuel : LPG/ 가솔린, CNG/ 가솔린, CNG/LPG) 시스템이장착된차량에대한관심이증가하고있다 (1). 하지만이러한겸용 (Bi-Fuel) 차량에사용되는 CNG 연료의주성분인메탄 (CH 4) 의경우연소속도는 0.34 m/ s로가솔린 (C 8H 17) 은옥탄가 130일경우 1.825 m/s, LPG 연료의주성분인프로판 (C 2H 8) 은 0.39 m/s 그리고노말부탄 (C 4H 10) 은 0.41 m/s로이들자동차용연료에비해상대적인연소속도가느림을알수있다 (2). 이러한특성은압축비, 점화시기등이가솔린또는 LPG 연료의연소특성에맞게설계된엔진에 CNG 연료사용하므로약 10% 이상의엔진출력저하를초래하게되며이는결국차량성능의저하로연결된다. 이러한 Bi-Fuel 시스템의단점을극복하기위한방법으로점
한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 41 화시기진각을통한연소속도지연보상으로출력및연소효율을향상시킬수가있다 (3). Bang 등 (4) 은점화각은압축비에의해서도조정이되는데이것은기관의압축비가증가함에따라혼합기의초기온도가증가하여화염전파속도가빨라져서초기연소시간이더짧아지기때문이며, 가솔린과같은 9:1의경우에는최대 30 o 정도의진각을시켜주어야하지만 CNG 연료의경우최적압축비인 12:1 내외에서는약 25 정도의진각을시켜주면최적을효율을얻을수있다. 따라서가솔린기관에서 MBT(maximum Brake Torque) 상태에서진각이약 13 o 정도임을감안할때 CNG 기관의경우이보다약 12~17 o 정도더진각을시켜야한다고주장하였다. S. Maji 등 (5) 은 CNG/ 가솔린 Bi-Fuel 차량에서점화시기에따른연료소모율과배기가스에대해연구하였다. 최적의연비는가솔린의경우 BTDC 10 에서, CNG의경우 BTDC 24~26 에서얻었다고하였다. H. H. Geok 등 (6) 은가솔린과 CNG 연료에대한열발생율과점화지연에대한차이에대해연구를통해 CNG 연료의경우가솔린에비해열발생율피크 (Peak) 지연과점화지연 ( θ ig) 이발생하므로점화지연발생크랭크각도만큼점화진각이반드시필요함을주장하였다. 또한 CNG 연료를사용했을경우 UHC는 40~87%, CO와 CO 2 는 20~98% 와 8~20% 각각감소했음을확인하였다. 현재국내 외개조 (Retrofit) 시장의 CNG Bi-Fuel 시스템을장착한차량들의경우 ECU와연료시스템 (Injector, Regulator) 의최적화를통한배출가스, 연비, 출력등에대한공인시험수행부재로제품의성능검증이제대로되지않아출력부족, 연비성능저하, 엔진부조등의문제점을나타내고있는것이현실이다. 또한국내 외적으로 CNG/LPG(LPLI) 차량에대한연구는거의확인할수가없었다. 물론우리나라는세계에서가장차량용 LPG를많이소비하는나라이다. 대한 LPG 협회에따르면 2012년국내차량용 LPG 소비량은 425만톤으로세계소비량 (2,372만톤) 의 17.9% 로세계최다소비량을기록했으며, 전체자동차등록에서 LPG 차량이차지하는비율도 12.8%(2012년 12월기준 ) 이라고했다. 따라서본연구에서는 CNG/LPLI Bi-Fuel 시스템이적용된차량을대상으로 LPG 연료와 CNG 연료를각각사용했을때점화진각 (Base, Spark Advance 10 o CA, Spark Advance 15 o CA) 과주행시험모드 (FTP-75, HWFET 및 NEDC) 에따른배출가스배출특성에대한조사 분 석을통해 CNG/LPLI Bi-Fuel 차량의배출가스에대한기초자료로제공하고자한다. 2. 시험장치및시험방법 2.1 시험장치시험장치는크게 CNG/LPLI 개조차량과실차연비 배출가스측정장치로나뉜다. 개조된차량을설치하여각조건별시험을수행하였다. 2.1.1 시험차량시험차량은 2.0 Nu LPLI 엔진의 YF 쏘나타 (2013년식, 주행거리약 30,000 km) 를 CNG Bi-Fuel 시스템 (CNG 탱크, CNG 인젝터, 압력조절기 ) 을추가장착개조하여시험에사용하였다. CNG Base 조건의점화시기는기존의 LPG Base 조건과동일하게설정하였고, 점화진각 (10 o, 15 o ) 은엔진회전수 (rpm) 와부하를기준으로한별도의 12 10 점화진각맵 (Map) 을사용하여점화시기를제어하였다. Fig. 1은차대동력계를이용한배출가스시험모습을나타내고있다. 2.1.2 실차연비 배출가스측정장치실차연비 배출가스측정장치는차대동력계와배출가스분석계로구성된다. 차대동력계는 4WD 및차량의길이에맞추어조절이가능하다. 그리고배출가스측정장치는모드주행에서발생되는모든배출가스를포집하여분석후각배출가스별 g/km로분석이가능하다. Fig. 2는실차연비 배출가스측정장치의개략도이며, Fig. 1 Test vehicle equipped with CNG/LPLI Bi-Fuel engine
42 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) Table 2 Experimental conditions Fuel Driving mode LPG Base FTP-75, HWFET, NEDC CNG Base Spark Advance 10 o CA Spark Advance 15 o CA FTP-75, HWFET, NEDC FTP-75, HWFET, NEDC FTP-75, HWFET, NEDC Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus Table 1은차대동력계및배출가스측정장치의제원을나타낸다. 2.2 시험방법 2.2.1 주행시험모드및시험조건본연구에서는상기의실험장치를바탕으로 CNG/ LPLI Bi-Fuel 차량에서주행시험모드 (FTP-75, HWFET 및 NEDC), 그리고 LPG & CNG Base, 점화진각 (Spark Advance 10 o CA, 15 o CA) 에따른 LPG와 CNG 연료를각각사용시 CO, THC, NOx, CH 4 배출가스특성을살펴보았다. 시험조건은 Table 2와같다. 시험은환경부고시제 2012-122호 제작자동차시험검사및절차에관한규정 을기준으로진행되었으며, 실험이진행되는동안시험실의온도는 20~30 o C(68~86 o F) 그리고습도는 30~70 R.H.% 를유지하였다 (7). 주행모드는총 3개의대표모드를사용하였다. FTP-75 Mode는국내시가지주행모드로사용되고있으며, 최고속도 91.25 km/h, 평균속도 34.12 km/h이며, 속도프로파일의가감속패턴이빈번하게분포하고있다. HWFET Mode는국내고속도로주행모드로사용되고있으며, 최고속도 96.4 km/h, 평균속도 77.7 km/h이다. NEDC Mode 는유럽및국내디젤자동차환경규제를위하여사용되는주행모드이며, 최고속도 120 km/h, 평균속도 33.35 km/h이다. Fig. 3에자세한내용을나타내었다. 2.2.2 점화시기진각제어및분사시간계측점화시기진각은 TR Base 신호제어 ( 점화성능저하 ) 대신점화코일에 1차전류가흐르는시간인드웰시간 (Dwell time) 의제어를통해크랭크각기준으로기존점화시기에비해일정각도만큼점화시기진각이이루어지고, 이는엔진회전수상승및부하변동등에따른 Max. Generation Power Table 1 Specification of experimental apparatus 4WD Chassis Dynamometer (48" Single Roll) Permanent : 153 kw 2SET 10s : 258 kw from 92 km/h to 146 km/h 2WD : 400 kg ~ 3,500 kg Inertia Range 4WD : 800 kg ~ 5,400 kg Max. Speed 200 km/h Max. Cooling Fan Variable Speed Model : Horiba Mexa-7200 LE GAS CO CO 2 CH 4 THC NOx Analysis Principal NDIR NDIR GC/FID H. FID CLD Application Range (Min.) LEV 50 ppm 1% 10 ppm 10 ppmc1 10 ppm SULEV 10 ppm 1% 1 ppm 1 ppmc1 1 ppm
한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 43 Fig. 4 CO Emission on each driving mode 3.2 CH 4 배출특성 Figure 5는 CH 4 배출결과이다. 모든조건에서 CNG 연료사용시 CH 4 배출량의증가가뚜렷한것을볼수있다. 이것은 CNG 연료의주성분이 CH 4 인것과삼원 Fig. 3 Experimental driving conditions 진각량이많아도드웰시간이항상일정하여점화에너지가안정적이어서시스템이매우안정적이다. 따라서이를기준으로정확한점화진각을구현하였다. 분사시간은 LPLI 인젝터의신호차단시발생하는역기전력을계측하여차단시간을판단하여정확한분사기간계측이가능하며, 이를통해점화진각에따른정확한연료분사량을제어하였다. Fig. 5 CH 4 Emission on each driving mode 3. 시험결과및고찰 3.1 CO 배출특성 Figure 4는각주행시험모드와점화진각에따른 CO 배출량을나타낸그래프이다. LPG 연료대비 CNG Base, CNG S/A10, S/A15에서평균 -21%, -35%, -29% 각각저감되었음을알수있다. 이는 CNG 연료사용시공연비가보다희박한조건에서운전되고있기때문인것으로판단된다. 한편점화진각에따른영향은거의미미한것을볼수있다. 따라서향후 CO 배출량저감을위해서는점화시기제어보다는운전영역별정밀공연비제어가보다효과적일것이다. Fig. 6 CH 4 Emission ratio of THC Emission
44 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) 촉매의 CH 4 에대한낮은정화율에기인한것으로판단된다. 전자의경우 Fig. 6의결과에서보듯이 CNG 연료사용시 THC 중 CH 4 가차지하는비율이평균 86% 인것을알수있다. Fig. 6은 THC 중 CH 4 성분을분석한결과로 CH 4/THC 100으로메탄의비율을구하였다. 후자의경우일반적으로불포화탄화수소와고가탄화수소는촉매에의해쉽게흡착되고제어되나, CH 4 와그밖의포화저가탄화수소는매우안정된분자구조로이루어져있어촉매에쉽게흡착되지않고, 따라서촉매시스템으로제어하기가아주어렵기때문이다 (4). 한편 CNG Base에비해 CNG S/A10, CNG S/A15의경우 CH 4 의배출량이각각 75%, 50% 증가한것을볼수있다. 이는과도한진각으로인한불완전연소에기인한것으로판단된다. 3.3 THC 배출특성 Figure 7은 THC 배출결과이다. Fig. 6의결과에서알수있듯이 CH 4 의배출량에비례해서 THC 의배출량이증가된것을확인할수있다. 하지만 THC 중 CH 4 가차지비율을제외하고도 LPG에비해배출량이높은것을알수있다. 따라서근본적인 THC의저감을위해서는보다정밀한공연비제어와점화시기선정이필요할것으로판단된다. 3.4 NOx 배출특성 Figure 8은 NOx 배출결과이다. NOx Emission 또한 LPG 연료에비해배출량이증가한것을볼수있다. 이것은다음과같은 2가지이유때문인것으로판단된다. 첫번째이유는앞선 CO Emission 결과에서언급한바 Fig. 8 NOx Emission on each driving mode 와같이 CNG 연료사용시상대적으로희박조건에서의운전으로인한연소온도상승에기인한것으로판단된다. 두번째이유로일반적으로삼원촉매에서 NOx를환원시키는데사용되는환원제로는 HC, H 2, CO를들수있다. 이중 HC의대부분이 CH 4 이기때문에환원제로써기여도가크지못하며 (8), CO의배출량은상대적으로적게배출되기때문에환원기여도가낮아 NOx 배출량저감기여도가낮아지게될것이다. 따라서 NOx 배출량저감을위해서는이론공연비보다약간농후한영역에서의운전을통한 CO Emission을보다적극적으로이용할필요가있을것으로판단된다. 3.5 Emission 누적량비율특성 Figure 9는 FTP-75 Mode 주행시구간별 Emission 배출특성분석을통한배출가스저감방안마련을위해나타낸그래프로, 배출가스총배출량에대한각측정점까지의경과시간에대한배출가스의누적량의비율을나타내고있다. 누적량비율계산식은아래와같다. Q i Q t Cumulative ratio = ---- 100 Fig. 7 THC Emission on each driving mode 여기서, Q i 는각측정점까지의경과시간에대한배출가스의누적량이며, Q t 는배출가스의배출총량이다. CO Emission의경우 LPG, CNG Base, CNG S/A10, CNG S/A15에서시동후 300 sec 동안에총배출량의 71%, 87%, 85%, 99%, NOx Emission의경우 19%, 65%, 40%, 52%, THC Emission의경우 61%, 61%, 66%, 60%, CH 4 Emission의경우 56%, 65%, 71%, 69% 에각각도달하였음을볼수있다. 상기결과를통해보
한국액체미립화학회지제 19 권제 1 호 (2014)/ 45 Fig. 9 Cumulative ratio of emissions on FTP-75 driving mode 다능동적인 Emission 저감을위해시동초기에는점화시기의진각보다는점화시기지각을통해촉매예열성상승및연소안정성개선을도모하는것이배출가스저감에유리할것으로판단된다. 4. 결론본연구는 CNG/LPLI Bi-Fuel 자동차에서주행시험모드와점화진각에따른 CO, NOx, THC, CH 4 배출특성에대하여수행하였으며, 그결과는다음과같다. 1) CO Emission의경우 LPG 연료대비 CNG Base, CNG S/A10, S/A15에서평균 -21%, -35%, -29% 각각저감되었다. 2) CH 4 Emission은모든조건에서 CNG 연료사용시 CH 4 배출량의증가가뚜렷한것을볼수있다. 이것은 CNG 연료의주성분이 CH 4 인것과삼원촉매의 CH 4 에대한낮은정화율에기인한것으로판단된다. 3) THC Emission의경우 CH 4 의배출량에비례해서배출량이증가된것을확인할수있다. 하지만 THC 중 CH 4 가차지비율을제외하고도 LPG 연료에비해배출 량이높았다. 따라서근본적인 THC의저감을위해서는보다정밀한공연비제어와점화시기선정이필요할것으로판단된다. 4) NOx Emission 또한 LPG 연료에비해배출량증가가뚜렷하게나타났다. 따라서 NOx 배출량저감을위해서는이론공연비보다약간농후한영역에서의운전을통한 CO Emission을보다적극적으로이용할필요가있을것으로판단된다. 5) FTP-75 Mode 주행시구간별 Emission 배출특성분석을통한배출가스저감방안마련을위해배출가스총배출량에대한각측정점까지의경과시간에대한배출가스의누적량의비율을조사한결과보다능동적인 Emission 저감을위해시동초기에는점화시기의진각보다는점화시기지각을통해촉매예열성상승및연소안정성개선을도모하는것이배출가스저감에유리할것으로판단된다. 6) CNG 연료사용과점화진각시 LPG 연료대비 CO Emission을제외한나머지배출가스 (CH 4, THC, NOx) 의배출량은오히려증가하였다. 따라서이연구결과를바탕으로향후연구에서는엔진회전수와부하에따른각운전구간별점화시기제어및공연비정밀제어를통
46 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 19 NO. 1 (2014) 해보다높은배출가스저감을실현하고자한다. 후기본논문은중소기업청의기술혁신개발사업에서지원되는 점화진각제어기능이내장된 2L급 CNG-LPLI Bi- Fuel 시스템용고성능엔진제어장치 (ECU) 개발 과제의연구비로수행되었으며, 관계기관에감사드립니다. 참고문헌 (1) Chongpyo cho, Youngjae Lee, Gangchul Kim, Ohseuk Kwon, Exhaust emission characteristics of Bi-Fuel CNG/LPG passenger cars, KSAE Vol. 19, No. 2, 2011, pp.142-147. (2) W. M. Cha, S. Park, H. S. Cheon, A feasibility study on the development of CNG Engine, Research report, 1998. (3) S. J. Heo, Y. H. Roh, S. S. Yoon, B. C. Choi, CNG/ GSL Bi-Fuel System, KSAE 2004 Spring conference proceeding, KSAE04-S0094, 2004, pp. 592-597. (4) H. S. Bang, Establishment of D/B of combustion characteristics with varied natural gas compositions for NGV, Research report, 1998. (5) S. Maji, Rakesh Ranjan, P. B. Sharma, Comparison of emissions and fuel consumption from CNG and Gasoline Fueled vehicles effect of ignition timing, SAE 2000-01-1432, 2000. (6) How Heoy Geok, Taib Iskandar Mohamad, Shahrir Abdullah, Yusoff Ali and Azhari Shamsudeen, Experimental investigation of performance and emissions of a sequential port injection compressed natural gas converted engine, SAE 20097026, 2009. (7) 환경부고시제 2012-122호 제작자동차시험검사및절차에관한규정, 2012. (8) B. C, Choi, G. Y Lee, G. S. Son, K. Y. Lee, Emission characteristics of Natural gas fueled vehicle and its purification technologies, Vol. 5, No. 2, 1997, pp.127-135.