The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26 , No. 4

[ Article ]
Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 4, pp.496-503
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jun 2018
Received 05 Apr 2018 Revised 19 Apr 2018 Accepted 19 Apr 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.4.496

SCR 장착 굴삭기의 운전모드에 따른 배기가스 배출특성
김성우1) ; 김기호1) ; 박수한*, 2) ; 김태섭3) ; 황진우4)
1)한국석유관리원 석유기술연구소
2)전남대학교 기계공학과
3)두산인프라코어 기술본부
4)자동차안전환경컨설팅연구소

Emission Characteristics of a Excavator Equipped with SCR according to Operation Modes
Sungwoo Kim1) ; Kiho Kim1) ; Suhan Park*, 2) ; Taesub Kim3) ; Jinwoo Hwang4)
1)Research Institute of Petroleum Technology, Korea Petroleum Quality & Distribution Authority, 33 Yangcheong 3-gil, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheongju-si, Chungbuk 28115, Korea
2)School of Mechanical Engineering, Chonnam National University, Gwangju 61186, Korea
3)Corporate R&D Division, Doosan Infracore Co., Ltd., 489 Injung-ro, Dong-gu, Incheon 22502, Korea
4)Automobile Safety & Environment Consultancy Agency, 77 Jeongneung-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02707, Korea
Correspondence to : *E-mail: suhanpark@jnu.ac.kr


*This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
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Abstract

Major countries have tightened their emission standards of the Non-Road Mobile Machinery(NRMM) engines that contribute significantly to air pollution and are accountable for roughly 15 % of NOx and 5 % of PM. Recently, the EU introduced a regulation that monitors the gaseous pollutant emission of in-service internal combustion engines installed on NRMM by using the Portable Emissions Measurement System(PEMS). Although a modern excavator has several operation modes(e.g., eco, standard, and power modes) for the convenience of the operators, the regulation has no terms about setting the mode during the monitoring test. In this paper, a 22-ton crawler excavator equipped urea-SCR was tested by applying the four operation modes using PEMS. The test result showed no significant difference in emission as setting the operation modes after being warmed with an exhaust gas temperature above 250 °C. However, while moving, the NOx emission of the power mode is different from the NOx of the other modes. In addition, the average engine load of the power mode was significantly higher than the others.


Keywords: Excavator, Operation mode, PEMS, Emission, NRMM, SCR
키워드: 굴삭기, 운전모드, 이동식배출가스측정장치, 배출가스, 비도로용이동식기계, 선택적환원촉매

1. 서 론

국내를 포함한 세계 주요국은 비도로용이동식 기계(Non-road mobile machinery(NRMM); 건설기계 및 농기계)에 장착되는 원동기에 대한 배출가스 규제를 마련하고 있으며 단계적으로 강화하고 있다. 그럼에도 불구하고, 국내 비도로용이동오염원(철도, 선박, 항공, 농기계, 건설기계)의 대기오염물질 배출 기여도는 매년 증가하고 있으며, 전체 배출량에서 차지하는 비율은 2014년 기준 15.1 %로 전년 대비 2.9 % 포인트 증가하였다. 대기오염물질배출량 중 비도로용이동오염원의 NOx 배출 비중은 25.6 %이며, 이 중 건설기계가 차지하는 비중이 약 40 % 이상으로 매우 높은 수준을 보이고 있다.1) 미국과 유럽연합 역시 2015년 기준 비도로용이동오염원에 대한 건설 및 산업분야의 NOx 기여도는 각 46 %, 25 %로 매우 높은 수준을 보이고 있다.2) 도로용이동오염원인 자동차의 등록대수 대비 건설기계 등록대수가 약 2.15 %에 불과함에도 불구하고 건설기계의 대기오염물질 배출량이 증가하며 큰 비중을 차지하고 있는 이유는 도로용이동오염원에 대한 규제 대비 비도로용오염원의 배기가스 배출허용기준이 높고 단계별 적용시기가 느린 것과 함께 적절한 사후검사가 이루어지지 않고 있기 때문으로 지적되고 있다.3)

이를 개선하기 위하여 유럽연합은 비도로용이동식기계(NRMM)의 배출가스 허용기준을 Stage IV에서 Stage V로 강화하고 PEMS(Portable emission measurement system)를 이용한 운행차 배출가스 모니터링 제도를 도입하였다.4,5) PEMS를 이용한 운행차 모니터링 제도는 건설기계의 원동기제작사가 56 kW 이상 원동기가 장착된 운행 중인 건설기계에 PEMS를 장착하여 실제 작업 중 배출되는 배기가스를 측정하고 승인당국에 주기적으로 보고하는 제도이다. 운행차에서 탈거한 엔진(원동기)을 엔진동력계에 설치하여 배기가스를 측정해야 했던 과거의 비현실성이 크게 개선된 사후검사(결함확인검사)를 실시하는 방법이다. 또한 모니터링을 위한 NRMM 배기가스 시험은 현장에서 사용 중인 건설기계가 실제 작업 시 배출하는 배기가스를 측정하도록 되어있으나 세부적인 작업방법 및 운전모드 설정방법에 대해서는 규정하고 있지 않다.

한편, 굴삭기의 경우 운전자의 편의를 위하여 다양한 운전모드를 제공하고 있다. 예를 들어, 운전자는 연료소모를 최소화하고 싶을 경우 Eco mode로 설정하거나 빠른 작업이 필요한 경우 Power mode로 설정할 수 있다. 모니터링 배출가스 시험의 주체는 NRMM에 장착되는 원동기 제작사이므로 만약 운전모드 설정에 따라 배출가스의 차이가 있다면 제작사는 배기가스 배출량이 적은 모드로 시험을 수행하는 유혹에 빠질 수 있다.

따라서 본 연구에서는 NRMM 운행차 배출가스 모니터링 시험 시 운전모드 설정에 따라 배출가스가 유의미한 차이를 나타내는지 확인하고자 하였다. 이를 위하여 Stage Ⅳ/Tier Ⅳ final 배출가스 기준을 만족하고 Urea - SCR을 장착한 22톤 굴삭기 1대에 PEMS를 설치하여 운전모드 선택에 따라 실제작업(굴삭 및 평탄, 이동, 공회전)시 배출되는 가스상 배기가스(CO2, CO, HC, NOx)를 측정하였다.


2. 시험장치 및 방법
2.1 시험장치

굴삭기를 포함한 NRMM 원동기 배출가스 기준 만족여부 확인을 위한 시험은 시험실에 설치된 엔진동력계와 배출가스 분석기를 이용한다. 그러나 실제 작업 현장에서 시험실에 설치된 장치를 이용한 배출가스 측정이 불가능하기 때문에 동등성능을 지니면서 소형화된 PEMS를 사용한다.

본 연구에서 사용된 PEMS는 Sensors社SEMTECH ECOSTAR 모델로 가스상 배출가스 측정을 위하여 총 4개의 모듈과 기타 악세서리로 구성되어 있다. FEM(Fuel economy meter) 모듈은 CO2와 CO, O2를 측정하고, NOx 모듈은 NO 및 NO2를 측정하며, FID(Flame ionization detector) 모듈은 THC를 측정한다. EFM(Emission flow meter)은 배기가스 유량을 측정하여 각 배출가스 분석기 모듈에서 측정된 배기가스의 농도를 질량단위로 환산할 수 있도록 한다. 기타 악세서리로 전원분배장치 및 대기 온・습도 센서, GPS 등이 있다. PEMS 상세제원은 Table 1에 나타내었으며 굴삭기에 설치한 사진은 Photo. 1에 나타내었다.

Table 1 
Specifications of the PEMS
Unit Emission Method Range Accuracy Resolution
FEM CO2 NDIR 0 to 20 % ±2% reading 0.01 %
CO NDIR 0 to 8 % 10 ppm
O2 Paramagnetic 0 to 25 % 0.1 %
NOx NO NDUV 0 to 3,000 ppm 0.3 ppm
NO2 NDUV 0 to 500 ppm 0.3 ppm
EFM - DP 30.7 to 2137.8 kg/hr 0.1 SCFM
FID THC FID 0 to 90 -30,000 ppmC ±1 % reading -


Photo. 1 
Excavator equipped with the PEMS

2.2 시험대상

본 연구를 위하여 사용된 굴삭기는 D社의 굴삭기이다. 이 굴삭기는 장비중량이 22.6톤이고 크롤러 타입으로 최대 5.5 km/h의 이동속도를 가지고 있으며 단기간의 휴지기간을 위한 자동 공회전(Auto idle) 기능을 제공한다. 굴삭기의 엔진은 직렬 6기통 디젤엔진을 사용하고 있으며 국내 Tire 4 final 배출가스 허용기준 만족을 위하여 EGR 및 DOC, Urea - SCR을 장착하고 있다. 굴삭기 제원과 장착엔진의 제원은 Table 2Table 3에 각각 나타내었다.

Table 2 
Specifications of the excavator
Operating weight (ton) 22.6
Bucket capacity (m3) 0.92
Max. digging force burcket (ton) 14.3
Max. digging force arm (ton) 10.2
Max. traction force (ton) 27.54
Fast/slow travel speed (km/h) 5.5/3.0
Auto idle speed (rpm) 1,100

Table 3 
Specifications of the engine
Engine type / fuel In-lined 4 stroke 6 cylinder / Diesel
Intake charging type Waste gate turbo charger + Intercooler
Fuel supply type Common rail direct injection (1,800 bar)
Displacement (ℓ) 5.890
Bore × Stoke (mm) 100 ×125
Compression ratio 17.4:1
Max. power (kW/rpm) 124 / 1,800
Max. torque (Nm/rpm) 755 / 1,400
Idle speed (rpm) 800
After-treatment system EGR+DOC+Urea-SCR
Emission standard Tier 4 Final

시험에 사용된 굴삭기는 운전자의 작업편의를 위하여 운전모드(E, S, P, P+ mode) 및 엔진속도 조절(1,100~1,800 rpm) 기능을 제공하고 있다. 운전자는 작업의 종류 및 소요시간 등을 고려하여 적정한 운전모드와 엔진속도를 선택하여 작업을 실시할 수 있다. Photo. 2에 시험대상 굴삭기의 운전모드 선택기능과 엔진속도 조절을 위한 조그 셔틀 사진을 나타내었다.


Photo. 2 
Operation modes and the jog & shuttle

2.3 시험방법

실제 작업 중 배출가스 측정을 위하여 굴삭기의 작업 종류는 건설기계 제작사의 성능시험 조건을 참고하여 굴삭 및 평탄화, 이동, 공회전으로 구성하였다. 각 작업기간은 위 순서대로 50:35:10:5이 되도록 노력하였다. 운전자는 굴삭기 운전을 주업(Main job)으로 하는 자격증 소지자이며, 작업은 건설기계부품연구원 종합시험장에서 진행하였다. 운전모드와 엔진속도는 Table 4와 같이 4가지 방법으로 구성하였으며, 각 작업에서의 순서는 원문자로 표시하였다. 일반적인 작업조건이 아닌 운전에서 배출되는 배기가스 특성을 확인하기 위하여 운전자가 불편함을 느낄 정도의 굴삭기 작업력을 구현하는 1250 rpm - E(eco) mode 설정을 포함하였으며, 1350 rpm - S(standard) mode는 정교한 작업을 요하는 경우 상대적으로 느린 작동을 구현하기 위한 설정이고, 1600 rpm - E(eco) mode는 운전자가 일반적으로 사용하는 설정을 구현한 것이며, 1800 rpm - P(power) mode는 정교한 작업을 요하지 않고 빠른 작업이 필요한 경우를 구현한 운전모드 설정이다.

Table 4 
Operating conditions and time duration of each test
Work Digging Smoothing Traveling Idling
Operation mode
1,250 rpm-E mode ① 1085 s ② 600 s ③ 300 s ④ 119 s
(1,100 rpm)
1,350 rpm-S mode ② 610 s ③ 624 s ④ 245 s ① 75 s
(800 rpm)
1,600 rpm-E mode ① 1190 s ② 405 s ③ 277 s ④ 120 s
(800 rpm)
1,800 rpm-P mode ① 635 s ② 586 s ③ 186 s ④ 80 s
(1,100 rpm)

각 운전모드 설정에서 공회전 구간은 실제 공회전 시 엔진속도(800 rpm)와 자동 공회전 작동에 따른 엔진속도(1,100 rpm)를 비교하기 위하여 두 모드에서 실제 공회전을 적용하고 나머지 두 모드에서 자동 공회전을 적용하였다. 또한 작업 순서 중 1350 rpm - S (standard)mode는 SCR이 냉각된 조건에서 공회전 시 NOx 배출량을 비교하기 위하여 공회전 구간을 첫 작업으로 배치하고 나머지 모드는 마지막에 배치하였다.


3. 시험결과 및 고찰
3.1 운전모드 설정에 따른 엔진속도 및 부하

Fig. 1은 2장의 시험방법을 적용하여 작업할 때 엔진속도에 따른 부하 특성 분포를, Table 5는 평균 및 5 %, 95 % 백분위 부하를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 전체 엔진속도 설정별 엔진부하 - 속도 분포를 살펴보면 엔진속도 설정 값의 일정범위에 실제 엔진속도가 분포하고 있으며, 부하가 높아질수록 엔진속도가 다소 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 운전모드 설정에 따른 운전부하를 살펴보면 E mode를 설정한 작업(1250 rpm 및 1600 rpm)에서 최대・최소 부하의 범위가 가장 작고 S mode, P mode 순으로 부하사용 범위가 넓은 것을 확인할 수 있다. 또한, 1230 rpm - E mode와 1350 rpm - S mode의 굴삭 및 평탄작업에서 배출가스 규제모드(Non-road transient cycle, NRTC)의 엔진부하 - 속도 범위를 일부 초과하는 것을 알 수 있다.


Fig. 1 
Engine speed-load distribution in each operation mode

Table 5 
Engine speed and load of each test
Work Digging Smoothing Traveling Idling
Operation mode
1,250 rpm - E mode Speed (rpm) 1,233 / 1,217 / 1,250 1,233 / 1,213 / 1,255 1,235 / 1,214 / 1,256 1,138 / 1,097 / 1,103
Torque (%) 46.8 / 20.7 / 62.1 45.9 / 14.6 / 65.3 39.6 / 19.0 / 60.9 11.8 / 6.0 / 10.0
1,350 rpm - S mode Speed (rpm) 1,372 / 1,353 / 1,394 1,371 / 1,351 / 1,396 1,368 / 1,351 / 1,384 800 / 799 / 802
Torque (%) 53.0 / 21.0 / 68.0 52.9 / 25.8 / 70.8 39.3 / 19.3 / 68.3 10.6 / 7.5 / 12.8
1,600 rpm - E mode Speed (rpm) 1,600 / 1,584 / 1,619 1,600 / 1,580 / 1,621 1,579 / 1,568 / 1,610 801 / 799 / 801
Torque (%) 52.2 / 26.2 / 63.6 56.3 / 30.3 / 71.7 39.8 / 8.0 / 63.1 10.8 / 9.0 / 12.0
1,800 rpm - P mode Speed (rpm) 1,800 / 1,782 / 1,823 1,800 / 1,781 / 1,824 1,798 / 1,784 / 1,816 1,100 / 1,098 / 1,102
Torque (%) 59.2 / 22.3 / 77.1 56.9 / 20.0 / 79.0 52.3 / 11.3 / 77.0 10.1 / 9.0 / 11.0
* Average / 5 % percentile / 95 % percentile

작업 종류별로 비교하였을 때는 Fig. 1(a)~(c)와 표에서 나타나듯이 굴삭작업과 평탄작업 시 사용부하 범위는 큰 차이가 나타나지 않았으나 이동작업 구간은 굴삭작업과 평탄작업에 비하여 낮은 엔진속도와 부하 범위를 사용하고 있는 것을 확인할 수 있었다(1600 rpm - E mode 기준 굴삭 26.2~63.6 %, 평탄 30.3~71.7 %, 이동 8.0~63.1 %). 또한 Fig. 1(d)와 같이 비작업구간(공회전)에서는 엔진속도 설정에서 크게 벗어나지 않은 엔진속도 분포를 나타내고 있으며 일반 공회전(800 rpm)이 자동 공회전(1,100 rpm) 보다 다소 높은 부하범위를 가지고 있다(일반 공회전: 6.0~11.0 %, 자동 공회전: 7.5~12.8 %).

3.2 운전모드 설정에 따른 배기가스 배출특성

Fig. 2는 운전모드 설정에 따른 작업별 비출력당 배기가스 배출량(g/kWh)을 나타내고 있다. CO는 운전모드 설정에 관계없이 굴삭≦평탄≤이동≪공회전 작업 순으로 배출량이 증가하였고, 엔진속도 설정이 높아짐에 따라 다소 감소하는 경향을 나타내었으며(공회전 제외), 전체 운전모드 설정 및 종류별 작업에서 배출가스 규제값(3.5 g/kWh)보다 낮은 배출량을 보였다.


Fig. 2 
Emissions characteristics of each operation modes

NOx는 평탄≤굴삭≤이동≪공회전 작업 순으로 배출량이 증가하는 경향을 보였으나 1250 rpm - E mode 에서는 굴삭작업보다 평탄작업에서 배출량이 많았으며(굴삭≤평탄), 1800 rpm - P mode에서는 평탄작업과 이동작업 시 배출된 양이 비슷하였다(평탄≒이동). NOx는 운전모드 및 엔진속도 설정에 따라 특정 증감 경향이 나타나지 않았으나, 1800 rpm-P mode를 제외한 운전모드에서 이동작업 시 배출가스 규제값(0.40 g/kWh)보다 높게 배출되어 운전모드 설정에 따른 엔진부하 조건에 영향을 받는 것으로 나타났고, 공회전에서는 모든 운전모드 설정에서 배출가스 규제를 초과하였으며 냉간 공회전이 예열 후 공회전의 배출량보다 낮았으나 유의미한 차이를 나타내지 않았다.

NMHC는 각 운전모드에서 굴삭 및 평탄, 이동 간 특별한 배출경향을 보이지 않았으나, 각 운전모드 설정에서 공회전(비작업) 시 배출량이 작업 모드보다 높게 나타났다. 그러나 전체 운전모드 설정 및 종류별 작업에서 배출가스 규제값(0.19 g/kWh)을 초과하지 않았다.

전반적으로 굴삭 및 평탄작업에서 운전모드 설정에 관계없이 모든 배출가스가 규제값 이하로 나타나고 있고, 이동작업에서는 1800 rpm - P mode를 제외한 운전모드 설정에서 NOx 배출량이 규제값을 초과하였으나 크롤러 타입의 굴삭기 실제작업에서 이동작업의 비중은 약 10 % 미만6)임을 고려할 때 서론에서 설명한 모니터링 배출가스 시험 시 굴삭기 운전모드 설정에 대하여 특별한 지시사항을 명기하지 않아도 될 것으로 판단된다.

Fig. 3은 각 운전모드에서 실제작업 시 굴삭기가 배출한 실시간 배기가스 배출량(g/s)을 나타내고 있다. CO는 운전모드 설정 및 작업에 관계없이 0.010 g/s 수준에서 증감을 보이고 있고 NMHC는 0.001 g/s 수준에서 증감을 보이고 있다. 그러나 NOx 배출량은 특별한 변화 경향을 나타내고 있다. Fig. 3(b)의 1350 rpm - S mode 설정 시 작업 초반(0~400 s) NOx 배출량이 매우 높은 것을 알 수 있는데 이는 Urea - SCR이 활성화되는 적정온도에 도달하지 못함에 따른 것으로 판단된다. 실제 이 구간에서의 배기가스 온도는 250 °C 미만으로 측정되어(측정위치는 EFM) 3.2절의 비출력당 배기가스 배출량 계산에서 제외한 구간이다. 유럽연합의 NRMM 운행차 모니터링 배출가스 시험법5)에서도 휴지기간 후 재작업 시 배기가스가 250 °C 이하인 경우는 최종 결과값 계산에서 제외한다. 1800 rpm - P mode의 이동작업을 제외한 나머지 운전모드 설정 시 이동작업에서 NOx의 배출량은 시간이 지남에 따라 상승하는 것을 확인하였다. Table 5에 나타낸 것과 같이 E 및 S mode 설정에서 이동작업 시 평균 부하는 40 % 미만이나 P mode 설정에서는 평균부하가 52.3 %로 나타나 운전모드 설정에 따른 운전부하가 NOx 배출량 변화에 영향을 준 것으로 판단된다. SCR은 촉매의 재료에 따라 최적의 NOx 저감효율을 보이는 온도범위는 다르나 일반적으로 낮은 온도에서 저감효율이 낮고, 부하가 낮을수록 촉매온도는 낮기 때문에7,8) 상대적으로 엔진부하가 높은 P mode 이동작업에서는 NOx 배출량이 증가하지 않으나 E 및 S mode에서는 배출량이 증가한 것으로 판단된다.


Fig. 3 
Instantaneous operating and emissions characteristics in each operation mode

따라서 이동작업이 많은 경우나 부하가 낮은 조건의 작업(유압브레이커 작업 등)이 지속적으로 이루어지는 특별한 경우에는 운전모드 설정이 전체 NOx 배출량에 영향을 미칠 것으로 판단되며 이에 따라 건설기계 원동기 제작사는 저부하 구간의 NOx 배출량을 저감시키기 위한 노력이 요구될 것으로 판단된다. 또한 굴삭기 외 주로 저부하 영역에서 운행되는 건설기계(지게차, 로더 등)에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.


4. 결 론

본 연구는 유럽연합의 「NRMM 운행차 배출가스 모니터링 제도」시험법에서 규정하지 않은 실제 작업 시 운전모드 설정이 배기가스 배출특성에 미치는 영향을 확인하고자 SCR을 장착한 22톤 굴삭기를 대상으로 운전모드 - 속도 설정별 실제 작업 시 배기가스 배출량을 측정한 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.

  • 1) 작업 종류별 엔진부하는 이동(주행)작업 시 굴삭작업과 평탄작업보다 낮은 수준을 나타내었고 굴삭작업과 평탄작업은 비슷한 수준을 나타내었다.
  • 2) 운전모드 설정(E(eco)→S(standard)→P(power))이 출력중심으로 증가할수록 부하 사용 범위가 높게 나타났다.
  • 3) CO와 NMHC는 전체 운전모드 - 속도 설정 및 종류별 작업에서 배출가스 규제값(3.5 g/kWh)보다 낮은 배출량을 보였다.
  • 4) NOx는 이동(주행)작업에서 부하가 높은 P mode 설정 시 배출가스 규제값(0.40 g/kWh)을 초과하지 않았으나 낮은 부하영역을 갖는 E 및 S mode 설정 시 배출량이 규제값을 초과하였으며 작업시간 증가에 따라 배출량이 증가하였고 비작업(공회전) 시 규제값을 초과하였다.

위 결과로 미루어볼 때 모니터링을 위한 배출가스 시험 시 굴삭기 운전모드 설정에 대하여 특별한 지시사항을 명기하지 않아도 될 것으로 판단되나, 건설기계의 원동기 제작사는 저부하 구간의 NOx 배출량을 저감시키기 위한 노력이 필요하며 저부하 영역에서 주로 운행되는 건설기계(로우더, 지게차 등)에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.


Acknowledgments

본 연구는 환경부의 연구비 지원으로 수행되었으며 이에 감사의 뜻을 표합니다.


Subscripts
DP : differential pressure
EFM : emission flow meter
FEM : fuel economy meter
FID : flame ionization detector
NDIR : non-dispersive infrared absorption
NDUV : non-dispersive ultraviolet
NRMM : non-road mobile machinery
PEMS : portable emission measurement system
SCFM : standard cubic feet per minute

References
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