실도로 주행에서 PEMS를 이용한 소형 경유 상용차의 가스 상 유해대기오염물질 배출계수 연구

1. 서 론

대기오염물질로 인한 환경문제는 현재 중요한 사회적 이슈로 부각되어지고 있다. 이 중 자동차 배기가스로 인한 대기오염의 심각성은 날로 증가하고 있으나 (Oak et al., 2015), 인위적으로 차량의 수를 줄이기는 쉽지 않은 실정이다. 자동차 배기가스의 피해를 줄이기 위해 저공해 기술이 적용된 경유자동차를 지속적으로 보급함에도 불구하고 서울 도심지역에서 유해대기오염물질 (Hazardous Air Pollutants, HAPs) 배출은 점점 증가 추세를 보인다 (Lee et al., 2015; An et al., 2014). 현재 자동차에서 배출되는 유해대기오염물질에 대한 관심은 높아지고 있으며, 이와 관련하여 미국 EPA 국가위해성 평가연구인 NATA (1999)에 의하면 유해대기오염물질 (HAP)에 의한 발암성의 경우 수송부문의 발암 위해도가 전체 발암 위해도의 약 29%, 비 발암성 경우 수송부문의 비발암 위해도가 전체 비발암 위해도의 약 72%를 차지하는 것으로 보고하고 있다 (US EPA, 1999). 또한 미국 캘리포니아 남부 연안 대기관리국 (South Coast Air Quality Management District, SCAQMD)에서 1987년부터 종합적인 유해대기오염물질 노출 (Multiple Air Toxics Exposure Study, MATES)에 대한 연구를 수행하고 있으며, 최근 조사된 MATES IV (2015) 연구에서 디젤 PM의 발암 위해 기여도는 가장 높은 약 68%로 평가되었고, 배출원별 위해 기여도는 도로이동오염원이 50.7%, 비도로 이동오염원에서 41.2%를 차지하는 것으로 보고하고 있다 (US CARB, 2015). 국내에서도 자동차 배출가스에 대한 중요성을 인지하고, 국립환경과학원의 주관으로 이동식 배출가스 측정 장치 PEMS (Portable Emissions Measurement Systems)와 CVS (Constant Volume Sampler)를 사용하여 배출가스의 특성에 관한 연구가 진행된 바 있다. 자동차 배출가스 특성에 대한 연구는 대부분 NO_x, CO, HC 등에 관한 연구로 진행되었으며, 일부 유해대기오염물질 배출에 대한 연구는 실도로의 특성을 반영하기보다, 차대동력기를 이용한 연구가 진행되었다 (Kwon et al., 2015; Oak et al., 2015; Park et al., 2015; Kim et al., 2012).

미국의 경우는 FTP-75 (Federal Test Procedure-75) 주행 모드의 한계를 파악하고, 가혹한 운전특성, 에어컨 가동조건을 적용한 US 06, SC 03 모드를 포함하고 있는 SFTP (Supplemental Federal Test Procedure) 시험방법을 도입한 바 있으나 (US EPA, 1996), EU에서는 PEMS를 이용한 소형자동차 실도로 배기가스 (Real Driving Emission-Light Duty Vehicle, RDE-LDV) 시험절차를 제도적 보완장치로 적용하기 위해 현재 다양한 연구를 수행하고 있다 (Weiss et al., 2013, 2011). PEMS를 이용한 배출가스 측정방법은 실도로 주행조건에서 시험차량의 배출가스 양 이외에도 GPS (Global Positioning System), ECU (Electronic Control Unit), 배기가스 유량과 함께 외기 온도 및 습도 등 많은 양의 데이터를 취득할 수 있다. 따라서 실도로의 다양한 주행조건과 환경조건을 고려할 수 있다는 장점을 가지고 있다 (Kwon et al., 2015). 현재 국내의 경우 EU와 동일한 판단에 PEMS를 이용한 디젤 차량의 실도로 주행 배출가스 특성에 관한 연구가 진행되고 있으며, 데이터 분석방법으로 이동평균구간 (Moving Averaging Window, MAW) 방법과 가중평균 배출량 방법 등을 이용한 배출가스 데이터 분석결과가 보고 된 바 있다 (NIER, 2014; Park et al., 2013). 또한 디젤 화물차에 대하여 실도로 주행에 따른 HAPs 배출 특성 및 배출량 산정을 위해서 기존에 기준성 배기가스 물질 측정에 이용된 PEMS를 이용하여 실도로에서 주행평가가 진행되었다 (Kim et al., 2016). 실도로의 주행조건에서 자동차에 의한 유해대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위해서 PEMS를 이용한 실도로 배출조사가 더욱 필요한 상황이다.

앞서 언급한 바와 같이 국내의 HAPs 배출량은 점점 증가하고 있는 추세이다. 이와 같은 현상이 나타나는 주요 원인을 교통량의 증가 및 경유 상용차량의 비율의 확대로 보고 있다 (NIER). 따라서 본 연구에서는 소형 디젤 상용차량을 대상으로 기존 차대동력계와 PEMS 장비를 이용하여 실험한 결과로 특성을 비교하였고, PEMS 장치를 장착하여 실도로에서 다양한 주행조건에 따른 가스 상 유해대기오염물질 (HAPs)의 배출계수를 산정하여 파악하였다.

2. 연구 방법

2. 1 시험 대상 차량

본 연구에서는 가스상 및 입자상 배기가스 내의 HAPs를 측정하기 위해서 배기가스 후처리장치 (Diesel Particulate Filter, DPF)가 장착되지 않은 Euro-4의 배출허용기준이 적용되는 그랜드카니발과 스타렉스의 디젤 차량을 선택하였다. 대상 차량에 대한 무게 및 제조일자, 주행거리, 차종 등의 제원을 표 1에 나타냈다.

Table 1.

Specification characteristics of diesel vehicles.

2. 2 이동식 배출가스 측정장치 (PEMS)

그림 1과 2는 각각 본 연구에서 사용한 이동식 배출가스 측정장치인 PEMS (Sensors, Model-EcoStar) 구성에 대한 개략도와 시험 차량에 설치된 PEMS 사진을 나타낸 것이다. PEMS는 배기가스 분석기 (FEM: CO, CO₂, O₂ 측정; FID: THC, 메탄 측정, NO_x: NO, NO₂ 측정), 배기가스 유량계, 배기가스 샘플링 장치, 측정용 가스, 전원 공급 장치, 제어 및 데이터 분석 장치 등으로 구성된다. 실시간 (1 Hz)으로 측정된 배기가스 농도 자료는 유량계의 유량 자료와 동기화되어 g/s 단위로 저장되며, GPS 또는 ECU 데이터를 통해 측정된 차속 데이터를 이용하여 g/km 단위의 배출가스 자료로 환산된다 (Oak et al., 2015; Lee et al., 2014; Park et al., 2013).

Fig. 1.

Schematics of PEMS for real-driving emission measurement.

Fig. 2.

Photograph of PEMS installation to test vehicle.

2. 4 주행모드별 실도로에서의 PEMS의 측정방법

차량 시험주행 모드로써 유럽에서 사용하는 연비측정 방식으로 ECE15 (시가지 주행)과 EUDC (고속주행)로 구성된 NEDC 모드와 2017년 도입될 예정인 저속 (Low 구간 평균 속도 19 km/h), 중속 (Medium, 39.5 km/h), 고속 (High, 56.7 km/h), 초고속 (92.3 km/h)이라고 하는 네 가지 패턴이 있는 WLTC 모드를 적용하였다. 표 2는 주행모드별 조건을 나타낸다.

Table 2.

Condition for each driving mode.

2. 5 실도로에서 정속주행모드의 PEMS의 측정방법

정속주행모드 (30, 60, 90 km/h)의 시험은 실제 도로 주행에서 PEMS를 이용하여 측정하였다. 실도로 PEMS의 측정시기는 12월 중순경 겨울에 실시하였다. 각 주행모드별 설정 값과 PEMS로 유입되는 배기가스의 특성을 표 3에 나타냈다. 속도는 동일한 운전자가 운전을 하며, 패트롤 차량을 동행하여 속도에 제한을 두고 실험을 진행하였다.

Table 3.

Parameters in constant speed test on PEMS.

2. 6 실도로에서 가속주행모드의 PEMS의 측정방법

교통 및 도로 상황에 따른 가속과 감속이 이루어지는 주행 조건을 가정하여 실도로에서 시험하였다. 주행조건으로서 Urban (45 km/h 미만), Rural (45 km/h 이상, 80 km/h 미만), Motorway (80 km/h 이상)의 3가지 형태의 속도 제한에서 도로 주행을 하였다. 각 주행모드별 설정 값과 PEMS로 유입되는 배기가스의 특성을 표 4에 나타냈다.

Table 4.

Parameters in real-road driving test using PEMS.

주행구간은 그림 3에 나타내었다. 주행구간의 경우 EC (European commission)에서 규정한 RDE-LDV (Light Duty Vehicle)시험의 주행경로는 기본적으로 도심 (Urban), 교외 (Rural), 전용도로 (Motorway) 순서로 구성되어야 하며, 주행시험은 연속적으로 이루어져야 한다. 여기서 도심주행을 60 km/h 이하의 차속, 교외주행은 60 km/h 초과 90 km/h 이하의 차속, 전용도로 주행은 90 km/h 초과 차속으로 정의한다. 총 주행거리에 대한 백분율로 나타내는 주행 점유율은 각각 34%의 도심주행, 33%의 교외 및 전용도로 주행 점유율로 구성하며, ±10% 범위 내에서 조정이 가능하나 도심주행 점유율은 최소 29% 이상이어야 한다. 수도권 내에서 검토한 결과 KOR-NIER Route 1과 KOR-NIER Route 2가 개발하였다 (Kang et al., 2017). 그림 3은 그 중 KOR-NIER Route 2를 나타낸다.

Fig. 3.

Route of real road driving test using Starex, Grand carnival with PEMS.

2. 7 시료채취 및 분석방법

그림 4는 PEMS를 장착한 차량으로 실제 도로 주행을 하고 있는 모습이다. PEMS에 의한 시료의 채취는 희석되지 않은 원 배기가스가 유입되어 먼지 필터를 거쳐 배출이 된다. 채취된 먼지 필터로 중금속과 입자상 PAH 물질을 분석했으며, VOCs와 카르보닐화합물은 가스배출을 위한 배관라인에 Teflon tube를 연결하여 소용량 펌프로 채취하였다. 본 연구에서는 자동차 배기가스 중 HAPs 조사항목으로서 VOCs (96종), 카르보닐화합물 (14종)을 국내 대기오염공정시험법에 준하여 측정 및 분석을 진행하였다. 측정 방법 및 분석기기를 표 5에 나타냈다.

Fig. 4.

Real road driving with PEMS.

Table 5.

Summary of sampling methods and analysis instruments.

3. 결과 및 고찰

3. 1 PEMS의 신뢰성 확보를 위한 상관성 시험결과

그림 5와 같이 PEMS 장비가 설치된 시험차량을 차대동력계에서 다양한 시험모드를 실행하여 CVS와 PEMS에서 동시에 측정되는 NO_x 및 CO₂ 결과를 비교하는 상관성 실험을 수행하였다.

Fig. 5.

Photographs of correlation test for PEMS vs CVS.

그림 6은 본 연구에서 진행된 상관성 시험 결과이며, 특히 NO_x의 경우에 결정계수가 0.99이고, CO₂의 경우에는 결정계수가 0.98 이상으로 나타나 두 그래프 모두 선형적인 결과를 나타냈다.

Fig. 6.

Correlation of emission results between PEMS and CVS equipment.

또한, 그림 7, 8은 위의 상관성 시험에서 실시간으로 측정되는 NO_x 및 CO₂의 유량을 비교한 그래프이며, Veh. 1은 스타렉스, Veh. 2는 그랜드카니발을 나타낸다. 실시간으로 배출되는 양도 일치하는 결과를 확인하였다. 아래의 결과를 토대로 본 연구에서 사용된 PEMS 장비는 높은 상관성을 갖고 있다고 판단된다.

Fig. 7.

Comparison of real-time NOx and CO2 emission rate (PEMS and CVS) - Veh. 1.

Fig. 8.

Comparison of real-time NOx and CO2 emission rate (PEMS and CVS) - Veh. 2.

3. 2 실도로 조건 사전 주행 평가 (RDE) 주행경로 시험결과

그림 9는 실도로 주행 배출계수를 평가하기 위한 기본적 결과인 CO₂ 특성 곡선이며 Veh. 1과 Veh. 2가 위에서 언급한 실도로 주행 경로에서 시험을 실행한 결과이다. 주황색은 Veh. 1 (Starex)의 결과이며, 파란색은 Veh. 2 (Carnival)의 결과를 나타냈다.

Fig. 9.

CO2 characteristics curve with veh. 1 and veh. 2 by MAW (Moving Averaging Window).

실시간으로 취득되는 차량 속도 (km/h)와 NO_x 배출량 (g/s) 데이터를 비교하여 그림 10에 나타냈다. 각 시험마다 도로상황 및 운전 패턴이 다른 실도로에서 주행하는 시험이지만 두 시험차량의 속도 그래프를 비교하여 볼 때, 전체적인 차량속도 패턴은 매우 유사한 특성을 보였다. 하지만, 실시간 NO_x 배출량은 대부분의 구간에서 Veh. 2이 더 많은 NO_x 배출 특성을 보였고 이는 이동평균구간 (Moving Averaging Window, MAW) 평가방법으로 분석한 결과와도 일치함을 보였다.

Fig. 10.

Real-time results of veh. 1 and veh. 2.

3. 3 실도로 정속주행 시 조건별 배출계수

PEMS를 이용하여 승합차 2종을 대상으로 실도로 주행 시 VOCs 및 카르보닐화합물의 배출 수준을 파악하고자 정속주행 (30, 60, 90 km/h) 조건에서 시험을 진행하였다. 표 6~8은 주행조건에서 VOCs의 배출계수를 나타낸다. 30 km/h 조건에서 스타렉스와 그랜드카니발의 배출계수를 보면 각각 Benzene 평균 0.2357, 0.8127 mg/km, Toluene 평균 0.2409, 0.3707 mg/km, m,p-Xylene의 경우 스타렉스에서 불검출되었고, o-Xylene의 경우도 스타렉스에서 불검출되었다. 60 km/h 조건에서는 각각 Benzene 평균 0.3335, 0.3121 mg/km, Toluene 평균 0.2333, 0.1683 mg/km, m,p-Xylene의 경우 스타렉스에서 불검출되었고, o-Xylene의 경우도 스타렉스에서 불검출되었다. 90 km/h 조건에서 각각 Benzene 평균 0.3718, 0.13 mg/km, Toluene 평균 0.2684, 0.0985 mg/km, m,p-Xylene의 경우 다른 조건과는 반대로 그랜드카니발에서 불검출되었고, o-Xylene의 경우도 그랜드카니발에서 불검출되었다. 1,3-Butadiene은 2종 차량에서 불검출되었고, 승합차에서는 Styrene 성분이 불검출 빈도가 높았다. 그림 11은 VOC의 주행조건에 따른 배출경향을 나타낸다. 배출계수별 수준을 보면, 승합차는 Toluene에 비해 Benzene의 배출계수가 높게 나타나는 경향을 보였다. 정속주행의 전반적인 배출경향성은 저속일 때 배출계수가 높게 평가되는 경향을 보였으나, 배출 편차가 크게 나타나지는 않았다. 이러한 배출경향성은 실도로 상의 운전환경이 영향을 끼친 것으로 판단된다.

Table 6.

Emission factor of VOCs from 30 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Table 7.

Emission factor of VOCs from 60 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Table 8.

Emission factor of VOCs from 90 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Fig. 11.

Emission factor of VOCs in real road constant speed.

표 9~11은 주행조건에서 카르보닐화합물의 배출계수를 나타낸다. 카르보닐화합물의 경우 30 km/h 조건에서 각각 Formaldehyde 평균 1.0037, 1.2698 mg/km, Acetaldehyde 평균 0.8459, 0.5107 mg/km, Acrolein은 각각 불검출되어 일부만 검출되었다. 60 km/h 조건에서는 Formaldehyde 평균 0.5156, 0.5664 mg/km, Acet-aldehyde 평균 0.556, 0.3004 mg/km, Acrolein은 검출되지 않았다. 90 km/h의 조건에서 각각 Formaldehyde 평균 0.496, 0.3485 mg/km, Acetaldehyde 평균 0.3231, 0.2021 mg/km, Acrolein은 60 km/h 조건과 마찬가지로 검출되지 않았다. Acrolein은 승합차 30 km/h 주행에서만 일부 검출되었다. Formaldehyde의 배출계수가 가장 높고 Acetaldehyde 순으로 나타났으나 2성분의 배출계수 값의 차이가 더 작게 나타났다. 그림 12는 주행조건에서의 카르보닐화합물의 배출경향을 나타낸다. 정속주행의 전반적인 배출경향성은 저속일 때 배출계수가 높게 평가되는 경향을 보였으나, 앞서 언급한 VOCs와 동일하게 배출 편차가 크게 나타나지는 않았다. 이러한 배출경향성은 실도로 상의 운전환경이 영향을 끼친 것으로 판단된다.

Table 9.

Emission factor of Carbonyl from 30 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Table 10.

Emission factor of Carbonyl from 60 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Table 11.

Emission factor of Carbonyl from 90 km/h constant speed in real road.(Unit: mg/km)

Fig. 12.

Emission factor of Carbonyl in real road constant speed.

3. 4 실도로 가속주행 시 조건별 배출계수

PEMS를 이용하여 실도로 상황을 반영한 주행을 고려했을 시 VOCs 및 카르보닐화합물의 배출 수준을 파악하고자 승합차 2종을 대상으로 감속 및 가속주행조건 (Urban (45 km/h 미만), Rural (45 km/h 이상, 80 km/h 미만), Motorway (80 km/h 이상))에서 시험을 진행하 였다.

그림 13은 가속주행 시의 VOCs의 배출경향을 나타낸다. 가속주행 시의 결과는 정속주행 결과와 비교했을 시 동일한 결과를 보였다. 표 12~14는 주행조건에서 VOCs의 배출계수를 나타낸다. VOCs의 경우 스타렉스와 그랜드카니발의 경우 Urban 조건에서 각각 Benzene 평균 0.2772, 0.5608 mg/km, Toluene 평균 0.2495, 0.9299 mg/km, Ethylbenzene은 스타랙스는 평균 0.0488 mg/km, 그랜드카니발에서는 불검출되었다. m,p-Xylene은 각각 평균 0.0753, 0.3548 mg/km, o-Xylene 평균 0.0632 mg/km, 그랜드카니발에서는 불검출되었다. Rural 조건에서는 각각 Benzene 평균 0.1242, 0.7071 mg/km, Toluene 평균 0.0779, 0.5521 mg/km, Ethylbenzene은 스타렉스는 불검출되었고, 그랜드카니발에서는 평균 0.1264 mg/km으로 나타났다. m,p-Xylene은 불검출되었고 그랜드카니발에서는 평균 0.2193 mg/km으로 나타났으며, o-Xylene 평균 0.0237, 0.2149 mg/km로 나타났다. Motorway 조건에서는 Benzene 평균 0.0509, 0.5029 mg/km, Toluene 평균 0.0377, 0.2098 mg/km, Ethylbenzene은 스타렉스는 평균 0.0056 mg/km, 그랜드카니발에서는 불검출되었다. o-Xylene은 스타렉스는 평균 0.016 mg/km, 그랜드카니발에서는 불검출되었다. 1,3-butadiene과 Styrene는 2종 차량에서 불검출되었다. 2종 차량의 전반적인 실도로 배출경향은 Urban>Rural>Motorway 순으로 나타났다.

Fig. 13.

VOCs emission factor of acceleration speed on real-road driving using PEMS.

Table 12.

Emission factor of VOCs from Urban driving mode in real road.(Unit: mg/km)

Table 13.

Emission factor of VOCs from Rural driving mode in real road.(Unit: mg/km)

Table 14.

Emission factor of VOCs from Motorway driving mode in real road.(Unit: mg/km)

표 15~17은 주행조건에서 카르보닐화합물의 배출계수를 나타낸다. Urban 주행모드에서 Formaldehyde는 각각 평균 0.2040, 4.2994 mg/km, Acetaldehyde 평균 0.2080, 3.7601 mg/km, Acrolein은 스타렉스에서는 불검출되었고, 카니발에서는 평균 0.1685 mg/km, Ace-tone은 평균 0.0281, 1.6911 mg/km 발생하였다. Rural 주행모드에서는 스타렉스에서는 Formaldehyde 평균 0.3436 mg/km로 나타났으며 다른 물질들은 불검출되었다. 카니발은 Formaldehyde 평균 2.2326 mg/km, Acetaldehyde 1.6384 mg/km, Acrolein 0.0705 mg/km, Acetone 1.9408 mg/km로 나타났다. Motorway 주행모드에서 스타렉스에서는 Formaldehyde 평균 0.3039 mg/km, Acetone 0.0957 mg/km로 나타났으며, 다른 물질들은 불검출되었다. 카니발은 Formaldehyde 평균 0.9504 mg/km, Acetaldehyde 1.2295 mg/km, Acrolein 0.1391 mg/km, Acetone 0.9958 mg/km로 나타났다. 그림 14는 가속주행 시의 카르보닐의 배출경향을 나타낸다. VOCs 결과와 동일하게 그랜드카니발 승합차에서 배출계수가 높게 평가되었고, 차종별 가속주행에 따른 배출 경향성은 상이하였으나, 가장 배출계수가 높은 그랜드카니발의 경우 Urban>Rural>Motorway 순으로 배출 경향성이 뚜렷하게 나타났다. 이러한 경향성은 실도로 상의 상황과 운전자의 과도한 운전패턴이 적지 않은 영향을 미친 것으로 판단된다.

Table 15.

Emission factor of Carbonyl from Urban driving mode in real road.(Unit: mg/km)

Table 16.

Emission factor of Carbonyl from Rural driving mode in real road.(Unit: mg/km)

Table 17.

Emission factor of Carbonyl from Motorway driving mode in real road.(Unit: mg/km)

Fig. 14.

Carbonyl emission factor of acceleration speed on real-road driving using PEMS.

4. 결 론

본 연구에서는 실제 도로 주행 시 PEMS를 이용한 측정방법을 통하여 디젤 승합차인 스타렉스와 그랜드카니발의 배기가스 시험 중 유해대기오염물질 (HAPs)인 VOCs, 카르보닐화합물의 배출계수를 파악하였다. PEMS 장비가 설치된 시험차량을 차대동력계에서 다양한 시험모드를 실행하여 CVS와 PEMS의 가스상 NO_x 및 CO₂ 상관성 실험 결과, NO_x의 배출계수에 대한 매우 높은 상관관계를 정량적으로 확인하였다. 실도로 주행조건의 배기가스를 이동평균구간 (MAW) 방법으로 평가한 결과, CO₂는 도심구간 (≤45 km/h, MAW)에서 승합 2종의 시험차량의 결과 값이 유사한 수치를 보였으나, 도심구간에서의 NO_x 배출량은 카니발이 스타렉스보다 더 높은 NO_x 배출 특성을 보였다. 실시간 NO_x 배출량 평가에서도 카니발이 더 많은 NO_x 배출 특성을 보여 MAW 평가방법으로 분석한 결과와도 일치함을 보였다. 실도로 주행 중 정속주행 (30, 60, 90 km/h)을 실시하여 배출계수를 평가하였다. 가스상 (VOCs, 카르보닐화합물) 물질의 정속주행 시 전반적인 배출 경향성은 저속일 때 배출계수가 높게 평가되는 경향을 보였다. 실도로 상황을 반영한 주행을 고려하고자 감속 및 가속이 이루어지는 주행조건 (Urban (45 km/h 미만), Rural (45 km/h 이상~80 km/h 미만), Motorway (80 km/h 이상))에서 시험을 진행하였다. VOCs와 카르보닐화합물의 경우 2종 차량의 전반적인 배출경향은 Urban>Rural>Motorway 순으로 나타났다. 본 연구의 결과로부터 실도로 상의 운전상황과 운전자의 가속패턴, 또한 운전 여건 등이 시험대상 차량의 유해대기오염물질 배출계수에 적지 않은 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 국립환경과학원 교통환경연구소의 2017년 오토오일 연구사업인 “자동차 유해대기오염물질 배출량 산정 개선 연구”의 지원으로 수행되었습니다.

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