HVO 및 HVO 혼합경유 사용에 따른 Euro 6d 규제 만족 국내 경유 차량의 배출가스 및 연비 특성 연구

2.1 시험 연료 및 차량

시험용 연료는 총 4종으로 바이오디젤이 첨가되지 않은 경유(HBD 0)와 이 경유에 HVO를 3%, 28% 혼합한 혼합연료(HBD 3, HBD 28) 그리고 HVO 100%이다. 경유는 국내 품질기준을 만족하는 국내 생산 경유이며 바이오디젤의 간섭효과를 제외하기 위하여 바이오디젤을 혼합하지 않았다. HVO는 국내에서 이성화 공정을 포함하여 생산된 연료이며, 열악한 윤활성을 개선하기 위하여 윤활성 향상제가 첨가되어 있다. HBD 3은 국내 신재생연료 의무 혼합 기준(RFS) 확대 방안에 따라 적용되는 HVO 혼합량을 평가하기 위한 목적이며, HBD 28은 HVO 혼합에 따른 국내 경유 품질기준을 만족하는 혼합률로써 평가대상에 포함하였다. 또한 국내 최신 차량에 HVO 적용성을 평가하기 위하여 100% HVO를 평가대상으로 선정하였다. 각 시험용 연료의 상세 물성 시험 결과는 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Properties of test fuels

시험용 차량은 2025년 국내 제작사 제작 차량으로 2.2L급 경유 엔진을 장착하고 있다. 이 차량은 2017년 10월 1일부터 적용되는 경유 자동차의 국내 배출가스 허용기준 및 RDE-LDV 기준을 만족하며, 이 기준은 유럽 배출가스 규제 중 Euro 6d 기준에 상응하는 기준이다. 이 기준 만족을 위하여 차량은 urea-SCR, SDPF가 장착되어 있다. 그러나 이 시험 차량의 제작사는 HVO 연료 사용에 대한 보증 승인을 하지 않았다. Table 2에 차량의 상세 제원을 표시하였다.

Table 2.

Specifications of test vehicle

2.2 시험장치

시험용 연료와 차량을 시험하기 위하여 사용된 장치는 차대동력계(M4500, Burke E. Poter, USA)와 배출가스 분석기(MEXA-7400H, Horiba, Japan) 및 입자개수측정기(APC, AVL, Austria)로 구성되어 있다. 각 장치의 상세 제원은 Table 3~5에 나타내었고, 장치 구성 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

Table 3.

Specifications of chassis dynamometer

Table 4.

Specifications of emission analyzer

Table 5.

Specifications of chassis particle number counter

Fig. 1.

Schematic the experimental system

2.3 시험 방법

시험용 연료는 총 4종으로 바이오디젤이 첨가되지 않은 경유(HBD 0)와 이 경유 배출가스 및 연비 측정을 위하여 사용된 시험방법은 국내 경유차 및 유럽 배출가스 인증 시험 방법 중 하나인 WLTC 시험방법이다. 시험온도는 23°C ± 5°C 이며, 배출가스 측정 시험 전 WLTC 추종속도계획에 따라 예비 주행 후 동일 시험온도에서 6~36시간 주차(Soaking)뒤 냉간시동 조건에서 WLTC 추종속도계획에 따라 운전을 시작하여 배출가스 측정을 실시하였다. 시험 중 DPF 재생에 따른 이상결과 취득을 방지하기 위하여 연료 교체 후 DPF 강제 재생을 실시하였다.

연비는 카본발란스법으로 계산되었으며, HVO와 HVO의 변화하는 밀도를 반영하기 위하여 아래 식 (1)을 이용하였다.

각 연료를 주유한 차량은 위 방법에 따라 3회 반복 시험하여 취득한 결과의 평균을 최종 결과로 사용하였으며, 오차는 3회 시험데이터의 표준편차를 구하여 오차막대로 표기하였다.

3.1 가스상 물질

Fig. 2는 HVO 혼합량에 따른 총탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 및 탄화수소+질소산화물(NMHC+NOx) 배출량을 나타내고 있다. Fig. 2 (a)에 나타낸 THC는 HBD 0, HBD 3, HBD 28은 0.050 g/km, HBD 100 연료는 0.048 g/km 배출되었다. 경유 대비 HVO가 3%, 28% 혼합된 연료는 배출량의 차이가 나타나지 않았고, HVO는 3.3%의 배출량 저감이 나타났다. HBD 0과 HBD 100의 시험 결과의 오차와 절대 변화량을 고려할 때 HVO 혼합에 따른 THC의 유의미한 변화는 나타나지 않은 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Gaseous emission factors

Fig. 2 (b)에 나타낸 HVO 혼합량별 CO 배출량은 HVO 함량 증가에 따라 각 0.051 g/km, 0.049 g/km, 0.047 g/km, 0.048 g/km로 나타났으며 HBD 0 대비 HBD 3, HBD 28, HBD 100 연료는 각 3.9%, 7.8%, 5.9% 감소하였다. HVO 혼합 연료 중 HBD 28의 CO 저감율이 가장 크게 나타나 HVO 혼합량에 증가에 따른 선형적인 CO 배출량 감소는 나타나지 않았으나 HVO의 혼합은 경유 대비 CO 배출량을 저감되는 것은 명확한 것으로 판단된다.

Fig. 2 (c)에 나타낸 NOx는 HBD 0, HBD 3, HBD 28, HBD 100 연료에서 각각 0.032 g/km, 0.031 g/km, 0.032 g/km, 0.033 g/km 배출되었으며, 경유 대비 HBD 3은 3.1% 감소, HBD 28은 변화없음, HBD 100은 3.1% 증가한 수치이다. NOx 배출량의 변화가 있었으나 혼합량에 따른 경향은 나타나지 않았으며 각 조건의 오차범위를 고려할 때 유의미한 변화는 나타나지 않은 것으로 판단된다.

Fig. 2 (d)에 나타낸 NMHC+NOx 배출량 역시 HVO 혼합량 증가에 따른 유의미한 변화는 나타나지 않았다. 특히 Fig. 2 (b)~(d)에 나타낸 배출가스 항목별 허용 기준은 각 시험 연료의 시험 결과보다 매우 높은 수준임을 고려할 때, 최신 규제 만족 차량의 경우 단기적인 HVO 또는 혼합연료의 사용이 배기가스 배출량 변화에 미치는 영향은 매우 적은 것으로 판단된다.

이러한 결과는 시험 차량이 최신 배출가스 규제를 만족하는 차량이라는 점이 가장 큰 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 과거 배출가스 규제를 만족하는 차량으로 연구한 선행 문헌들을 살펴보면 HC와 CO의 경우 주로 감소하고 질소산화물은 차량에 따라 감소하거나 증가하는 것으로 보고한다.

본 연구와 동일한 WLTC 모드에서 경유(또는 B7)와 HVO의 배출가스 변화를 비교한 Jaworski 등은 Euro 3 규제 만족 경유 자동차를 대상으로 B7 대비 HVO는 CO 68%, HC 53%, NOx 8% 감소하였다고 보고하고 있으며,^[5] Suarez-Bertoa 등은 Euro 6b 만족 두 대의 차량(SCR 장착 차량 1대(D1), LNT 장착 차량 1대(D2))을 대상으로 한 연구에서 경유 대비 HVO는 D1, D2에서 각각 CO 4%, -19%, THC -50%, -15%, NOx 139%, -11%의 변화율을 나타내었음을 언급하고 있다.^[6] 그리고 NEDC 모드로 유럽 배출가스 규제 기준(Euro 3 ~ 6) 만족 차량별 배출가스 특성을 연구한 Signer 등의 연구에서는 대부분의 차량이 HVO 사용 시 HC와 CO는 감소하였으나 NOx는 증가한 결과를 제시하였다.^[7]

HVO는 일반 경유가 포함하고 있는 CO 및 HC 배출량 증가의 원인으로 알려진 (다고리)방향족을 함유하지 않기 때문에 일반적인 관점에서 CO와 THC 감소가 나타나는 것은 합리적인 결과인 것으로 판단된다. 그러나 HVO의 높은 세탄가 및 낮은 CH ratio의 영향으로 NOx 증가의 잠재성을 가지고 있으나, 차량에 따라 HVO 사용에 따른 NOx 배출량의 증감과 그 정도는 다른 것으로 판단된다.

그러나 위 연구에 사용된 차량들은 최근 적용된 실도로주행 NOx 규제(RDE-LDV)를 만족하지 않는 차량이기 때문에 HVO 사용에 따른 NOx 변화율이 크게 나타나고 있으나, 본 연구에 사용된 RDE-LDV NOx 규제 만족 차량은 굳건한 NOx 배출량 저감 제어로 인하여 엔진 배출 NOx 배출 증감에 상관없이 HVO 사용에 따른 변화가 나타나지 않은 것으로 판단된다.

Demuynck 등의 연구에서 Euro 6b 대응 차량에 LNT와 두 개의 SCR을 부착하여 B7과 HVO 사용 시 배출가스를 비교한 결과 두 연료의 NOx 배출량은 측정오차 수준 이내의 차이를 보인 것^[8]은 NOx 저감 장치로 인하여 HVO의 영향이 나타나지 않은 추정을 뒷받침해 준다.

3.2 입자상 물질

Fig. 3은 HVO 혼합량에 따른 시험 차량의 입자상 물질 배출량을 나타내고 있다. Fig. 3 (a)에 나타낸 입자상 물질(PM)의 배출량은 모든 연료에서 0.0001 g/km의 배출량을 나타내어 HVO 혼합에 따른 변화는 나타나지 않았다.

Fig. 3.

Particulate emission factors

또한 Fig. 3 (b)에 나타낸 입자 개수(Particle number: PN)는 HBD 0, HBD 3, HBD 28, HBD 100 연료에서 각 2.77E9 #/km, 2.81E9 #/km, 2.90E9 #/km, 2.87E9 #/km 배출되어, HBD 0 대비 각 1.4%, 4.7%, 3.6% 증가한 수치지만, 입자 개수 측정장치의 오차 수준(정확도 ± 5% reading)을 고려할 때 모든 연료가 동등 수준의 입자 개수를 배출하였다고 보는 것이 합리적이다.

앞서 언급한 것과 같이 HVO는 파라핀계 연료이며, 입자상 물질 생성의 전구체인 다고리방향족을 포함하지 않고 있으므로 엔진에서 배출되는 입자상 물질은 충분히 저감될 것으로 예측할 수 있다. 그러나 본 연구에 사용된 차량은 DPF 장착 차량이기 때문에 HVO 사용에 따른 입자상 배출물의 저감을 나타내지 않았다.

반면 DPF가 장착되지 않은 차량을 대상으로 경유 대비 HVO의 입자상 물질 배출량을 비교한 Singer 등의 연구에서는 HVO의 입자상물질 배출량이 약 20~80% 감소했다고 언급하고 있으며, DPF가 장착된 차량에서는 측정 정확도에 비하여 매우 작은 차이를 나타내었다^[7]고 보고하고 있는 점은 본 연구의 결과와 동일 선상에 있다.

다만, HVO의 사용에 따라 엔진 배출(Engine-out) 입자상물질 배출량이 감소한다면, DPF에 축적되는 양도 적기 때문에 DPF 재생 빈도가 낮아짐에 따른 부가적 효과를 획득할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 온실가스 및 연비

Fig. 4는 온실가스 중 이산화탄소(CO₂) 및 메탄(CH₄) 배출량과 연비(Fuel economy)를 나타내고 있다. Fig. 4 (a)에 나타낸 CO₂는 HBD 0, HBD 3, HBD 28, HBD 100 연료 순으로 각 156.688 g/km, 154.600 g/km, 156.749 g/km, 151.594 g/km 배출되어, HBD 0 대비 HBD 3, HBD 100 연료는 각 1.3%, 3.3% 감소되었으며 HBD 28 연료는 변화가 없었다. HVO는 경유 대비 CH ratio가 작기 때문에 CO₂ 배출량이 경유보다 적은 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Green house gases emission factor, fuel economy and NHV

앞서 언급한 Euro 6b 이전 차량을 대상으로 한 선행 문헌에서도 HVO 함량 증가에 따라 CO₂는 감소(~4%)하거나 동등 수준을 배출하는 것으로 나타났다.^[5~7]

Fig. 4 (b)에 나타낸 CH₄는 HBD 0가 0.011 g/km 배출하였고, 나머지 연료는 0.012 g/km 배출되었다. HVO 및 HVO 혼합연료가 경유 대비 9.1% 많은 CH₄를 배출하였으나 정량적 변화와 시험 오차를 고려하였을 때 배출량의 변화는 없는 것으로 보는 것이 합당하다.

앞서 언급한 Euro 6b 이전 차량을 대상으로 한 선행 문헌에서도 HVO 함량 증가에 따라 CH₄는 감소(0.001 g/km 수준)하거나 동등 수준을 배출하는 것으로 나타났다.^[6]

Fig. 4 (c)는 연비 결과를 도시하고 있다. HVO 함량 증가 순으로 16.595 km/L, 16.789 km/L, 16.324 km/L, 16.180 km/L의 연비를 보였다. 이 결과는 경유 대비 각 연료는 각 1.2%, −1.6%, −2.5%의 변화율을 보여 HBD 3 연료를 제외하고 HVO 함량 증가에 따른 감소 경향을 나타내고 있다. HVO 함량 증가에 따른 연비의 감소는 HVO가 경유 대비 낮은 밀도를 가지고 있기 때문으로 판단된다. 앞서 언급한 CO₂는 HVO의 낮은 C/H ratio로 인하여 감소하였기 때문에 식 (1)의 카본발란스법 적용 시 연비 계산값 상승하는 요소로 작용하였으나, HVO의 밀도는 경유 대비 작은 요소가 더 크게 작용하여 연비 값이 감소한 것이다. 본 연구에 사용된 단위 질량당 참발열량(NHV)은 HVO가 경유보다 크지만, 밀도를 반영한 단위 부피당 참발열량은 작기 때문에 동일 운전조건 및 부하에서 동일 에너지를 분사하기 위하여 다소 많은 부피의 연료 분사기 필요했을 것으로 판단된다. Fig. 4 (d)는 HVO 함량별 단위 부피당 참발열량을 나타내고 있고, 변화의 경향은 연비 경향 변화와 일치하고 있다.

앞서 언급한 Euro 6b 이전 차량을 대상으로 한 선행 문헌에서도 HVO 함량 증가에 따라 연비는 감소(약 4% 내외)하거나^[6] 동등수준^[5]을 배출하는 것으로 나타났다.

다만, 본 연구에서 보인 연비 감소율은 국내 제작자동차 연비 사후관리 기준(＞ -5%)과 공인시험기관 상관성 검토 기준(중위수의 ± 2.5% 이내)에 비하여 작은 수치로, 변화의 수준은 높지 않은 것으로 판단된다.