The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 28 , No. 10

[ < 응 용 논 문 > ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 28, No. 7, pp.445-452
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jul 2020
Received 30 Mar 2020 Revised 21 Apr 2020 Accepted 12 May 2020
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2020.28.7.445

자동차용 디스크 브레이크 시스템의 제동조건별 미세먼지(PM10) 함유 비율 분석
정성필* ; 이필구
한국자동차연구원 프리미엄자동차연구센터

Analysis of PM10 Level Fine Dust Content Rate According to Braking Conditions of an Automotive Disc Brake System
Sung Pil Jung* ; Pil Gu Lee
Premium Vehicle R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, 46 F1-ro, Samho-eup, Yeongam-gun, Jeonnam 58463, Korea
Correspondence to : *E-mail: spjung@katech.re.kr


Copyright Ⓒ 2020 KSAE / 176-01
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.
Funding Information ▼

Abstract

This paper presents how to collect fine dust from the disc brake system using a dynamometer, and how to analyze the collected fine dust by size. After fine dust was collected by mounting a chamber equipped with a filter in the brake dynamometer, the collected dust was analyzed by size according to ISO 13320. Through repeated tests, the reliability of the fine dust analysis results was verified based on KS I ISO 12219. Based on the developed process, the PM10 level fine dust content rates according to the braking conditions, test modes, and environment conditions were compared. The results of this paper will be used to develop the a new and customized test mode for brake fine dust.


Keywords: Disc brake, Braking condition, Test mode, Find dust, Brake dynamometer
키워드: 디스크 브레이크, 제동 조건, 시험조건, 미세먼지, 브레이크 다이나모미터

1. 서 론

내연기관 자동차가 주행할 때 발생하는 미세먼지는 크게 엔진의 불완전 연소 및 윤활제의 휘발에서 기인하는 배기계 유래 미세먼지와 타이어와 브레이크 마모 및 기존 도로상 존재했던 입자들의 난류로 인한 재비산(Resuspension)에서 기인하는 비배기계 유래 미세먼지로 구분된다.1) 이 중 배기계 유래 미세먼지는 포트분사 휘발유차, LPG차, 매연저감장치(DPF) 장착 경유차 모두 비슷한 수준의 배출량을 나타내고 있고, 직접분사 휘발유차와 DPF 미장착 경유차(노후 경유차)는 다소 높은 미세먼지 배출량을 보이고 있으나 기술의 발전과 환경 규제, 노후 경유차 운행제한 및 친환경차 보급 확대 등의 정책으로 점차 배출량이 줄어들고 있는 추세이다.2-5) 그러나 비배기계 유래 미세먼지의 경우 측정하기가 쉽지 않고, 독일 환경청에서는 2020년 도로교통으로부터 발생하는 PM10 미세먼지 중 비배기계 유래 미세먼지가 차지하는 비율이 80 % 이상일 것으로 전망6)하는 등 점차 줄어들고 있는 배기계 유래 미세먼지에 반해 아직 명확한 해결책이 제시되지 않는 상황이어서 그 중요성이 높아지고 있다.

브레이크 마모에 의한 미세먼지의 경우 타이어에 비해 발생 메커니즘이 명확하고, 유럽경제위원회 산하 자동차 배출가스 및 에너지 분과인 GRPE(Working Party on Pollution and Energy)의 PMP(Particle Measurement Program) 그룹에서 브레이크 다이나모미터(Brake Dynamometer)를 브레이크 유래 미세먼지 측정을 위한 기준장비로 지정7)하면서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. Hagino8)는 브레이크 다이나모에 미세먼지 측정 챔버를 설치하여 주행조건별 브레이크 미세먼지 발생 정도를 측정하였는데, 일부 차종에 대해서는 제동시보다 가속시 더 많은 미세먼지가 발생하는 등 결과의 신뢰성에 한계를 보이고 있으며, 손병래9)는 휠 가이드(Wheel guide)와 캘리퍼(Caliper)에 영구자석과 필터를 부착하여 분진을 포집한 사례가 있다. 브레이크 다이나모미터 제조사인 Horiba와 Link에서는 각자의 미세먼지 측정 및 분석 솔루션을 제시하고 있지만,10,11) 아직 재현성 및 결과의 신뢰성에 대한 검증이 부족한 상황이고, 시스템 구현에 시간과 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

미세먼지 발생을 위한 시험모드로는 브레이크 다이나모미터 전용 브레이크 시험모드인 SAE J 2522(AK-master), SAE J 2707, LACT(Los Angeles City Traffic cycle)등과 실차단위 시험 모드인 WLTP(Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicle Test Procedure)가 연구에 주로 활용되고 있지만,12-14) 아직 PMP그룹에서 기준 시험 모드를 확정하지 못하고 있는 상황이다.

이에 본 연구에서는 브레이크 다이나모미터를 활용하여 초속도, 감속도등 제동조건과 LACT 등 이미 알려져 있는 시험모드별 PM10 수준 미세먼지 함유 비율을 비교하고 향후 전용 시험법 개발을 위한 기초 자료로 활용하고자 한다. 브레이크다이나모미터 내부에 필터가 장착된 챔버를 장착하여 분진을 포집한 후, 포집된 분진을 ISO 13320(Particle size analysis - Laser diffraction methods)15)에 따라 크기별로 분석하는 프로세스를 제안하고, 반복시험을 통해 미세먼지 분석결과의 신뢰성을 검증 한다.


2. 브레이크 분진 포집 및 분석 방법
2.1 분진 포집 장치

Fig. 1은 한국자동차연구원에서 개발하여 국내특허 출원을 마친 브레이크 유래 미세먼지 포집 장치 개념도를 보여준다.16) 브레이크 다이나모미터 내부의 공기 유동 덕트(Duct) 중 공기가 빠져나가는 출구쪽 덕트의 일부를 잘라내고 사각형태의 챔버(Chamber)를 설치하였고, 챔버 내부에는 공기 침투율(Air permeability)이 14.2 cc/m2/sec이고 2μm 크기의 미세먼지를 98 % 포집할 수 있는 필터를 장착하였다. 크기가 10 μm보다 큰 분진은 코나 입속의 섬모 및 분비물에 의해 걸러져서 크게 문제되진 않지만, 크기가 2.5μm ~ 10μm사이의 분진(미세먼지)은 기관지나 폐에 쌓이게 되며, 크기가 0.1μm~2.5μm 의 분진(초미세먼지)는 오히려 숨을 쉬는 동안 몸밖으로 배출되다가 크기가 0.1μm이하의 분진(극초미세먼지)는 몸속에 직접 침투하는 것으로 알려져 있다.17) 본 연구에서 개발한 필터방식의 분진 포집장치의 경우 2μm 이하의 초미세먼지를 100 % 포집하기 위해 촘촘한 간극의 필터를 사용할 경우 공기 유동에 문제가 생겨 시험 중 브레이크 냉각에 문제가 생길 우려가 있다. 일반적으로 2 μm이하의 초미세먼지를 포집하여 크기별 질량밀도 또는 개수를 산출하여 발생량을 측정하기 위해서는 필터방식보다는 OPC(Optical Particle Counter), CPC(Condensation Particle Counter) 등 고가의 장비를 활용하는 것이 일반적이다.10-12) 그러나 PMP에서 아직 표준화된 미세먼지 포집 및 분석 방법을 결정하지 않은 상황에서 고가의 장비를 투자하기에는 현실적으로 어려움이 있고, 이러한 장비들의 재현성과 신뢰성이 아직 검증단계에 있기 때문에,1,7) 본 연구에서는 상대적으로 저렴한 필터 방식의 장치를 활용하여 크기 10 μm 이하의 PM10 미세먼지를 포집 대상으로 설정하였다.


Fig. 1 
Brake dust collecting system

2.2 분진 포집 및 분석 절차

Fig. 2는 본 연구에서 수행한 브레이크 분진 포집 및 분석 절차를 보여준다. 먼저 브레이크 다이나모미터 내부에 디스크 브레이크 어셈블리를 실차 장착상태와 동일하게 장착한 후 분진 포집 장치를 설치한다. 시험 진행 후 필터를 탈착하여 분진이 포집된 부분을 채취하여 증류수에 초음파 분산기를 이용하여 녹여 액상시료를 만든 후 ISO 13320 규격에 따라 PIDS(Polarizating Intensity Differential Scattering)이론을 적용한 Beckman Coupler사의 LS 13 320 장비를 이용하여 포집된 분진의 입경별 분포를 산출한다. ISO 13320(레이저 산란법)의 경우 측정하고자 하는 입자의 입경크기 및 형상정보에 큰 영향을 받게 되며 측정된 결과는 광학입경(Optical diameter) 기준으로 표시된다. 이를 통해 분진의 크기별 부피 비율(Volume percenile), 즉 전체 분진을 크기별로 나열했을 때 해당 크기의 분진이 전체에서 차지하는 부피의 비율 얻을 수 있다.


Fig. 2 
Collecting and analysis process of brake particles

2.3 분석 결과의 정확성 및 정밀성(재현성) 검증

실험데이터의 경우 정확성(Accuracy) 및 정밀성(Precision) 분석을 통해 결과 값의 신뢰성을 검증한다. 브레이크 미세먼지의 경우 표준화된 측정방법이 없기 때문에, 본 연구에서 제안한 측정방법의 정확성을 검증할 수 있는 비교 시험 방법이 사실상 존재하지 않는다. 따라서 검/교정된 입도분석기를 사용함으로써 측정 결과의 정확성을 담보하였다. 한편, 측정 결과의 정밀성은 자동차 실내의 휘발성 유기화합물 측정 방법 및 규정인 KS I ISO 12219-1:201118)에 따라 검증 할 수 있다. KS I ISO 12219-1에서는 중복하여 시료를 채취하여 측정한 결과의 상대표준 편차가 15 % 이하일 경우 측정결과의 정밀성이 보장된다고 명시하고 있으며, 이에 2.2절의 브레이크 분진 포집 및 분석 절차에 따라 LACT 모드 기준 반복 시험을 수행하여 포집된 분진의 입도를 분석한 결과의 상대표준편차를 계산함으로써 정밀성을 검증하였다.

2.3.1 Test Set-up

HMC SONATA 2.0(DN8) 차량용 전륜 브레이크 시스템에 대해 2.2절의 절차에 따라 시험을 진행하였다. Fig. 3은 시험에 사용된 LINK 브레이크 다이나모미터 제원을 보여주고 풍속은 11 m/s, 공기 환경은 20 °C, 습도 50 %로 설정하였다. Table 1은 시험에 사용한 LACT 모드를 보여주고, OE 브레이크 패드에 대해 총 3회 시험을 실시하였다.


Fig. 3 
Specification of brake dynamometer

Table 1 
Test mode (LACT)
Condition Initial speed
(km/h)
Braking Temp.
(°C)
Deceleration
(g)
# of braking
(counts)
Burnish 75 80 0.4 300
Full stop 50 230 0.25 4000
Snub stop 50 → 10 220 0.2 1600

2.3.2 시험 결과 분석

총 3번 반복 시험하여 얻은 브레이크 분진에 대한 액상시료를 ISO 13320에 따라 각 시료별로 총 3회 입도 분석한 결과의 평균값을 대푯값으로 사용하였고, 결과가 Fig. 4와 같다. 3가지 시료 모두 분진 크기 4μm ~ 6μm영역에서 피크가 나타나고 있고 피크지점에서 분진의 부피 비율(Volume percentile)이 약 3.5 % ~ 4 %로 전체적으로 매우 유사한 형태를 보이고 있음을 알 수 있다. 부피 비율 3.5 %는 전체 분진을 크기별로 나열했을 때 중 해당 크기의 분진이 차지하는 부피 비율일 전체의 3.5 %라는 것을 의미한다. 크기가 100 μm를 넘는 분진은 거의 포집되지 않았고, 분진 크기 0.2μm~0.4 μm영역에서도 작은 피크가 관찰되긴 하지만 포집에 사용된 필터가 2 μm이하 크기의 분진을 100 % 포집할 수 없기 때문에 2 μm이하 영역은 정확한 분석에 한계가 있다. Table 2Fig. 4의 결과를 바탕으로 피크 및 PM10 관련 지표를 산출한 값을 보여주고, 이를 통해 3개 시료별 측정 결과의 유사성이 보다 명확하게 드러난다. 먼저 피크가 3개 시료 모두 5.87μm에서 발생하고 있고, 부피 비율 또한 3.66 % ~ 3.96 %로 매우 유사함을 알 수 있다. 전제 미세먼지 중 크기가 0 μm ~ 10 μm의 미세먼지의 누적 부피 비율을 뜻하는 PM10 미세먼지의 경우 3가지 시료에서 각각 73.39 %, 73.34 %, 69.87 %로 나타나고, 이에 대해 식 (1)에 따라 상대표준편차(Relative Standard Deviation)을 구하면 2.96 %로 계산되어 KS I ISO 12219-1:2011에서 제시한 정밀성 검증 기준인 15 % 이내를 만족하므로, 본 연구에서 제시한 브레이크 분진 포집 및 분석 절차에 따른 결과가 충분히 정밀함을 확인하였다. 또한, Table 2에서 표준편차 2.14 %는 본 연구에서 제안한 방식으로 미세먼지를 포집하여 분석할 경우 측정값 기준 약 ±2 %의 측정 오차가 있음을 의미하고, 이를 기반으로 앞으로 전개될 제동 조건별 미세먼지 발생 경향을 분석하였다.

RSD%=STDVM×100(1) 
where RSD : relative standard deviation
STDV : standard deviation
M : average value


Fig. 4 
Brake particle distribution according to LACT

Table 2 
PM10 results according to LACT
Information Repetitive specimen
#1 #2 #3
Peak Particle diameter (μm ) 5.87 5.87 5.87
Volume percentile (%) 3.66 3.96 3.72
PM10 Accumulated volume percentile (%) 73.39 73.34 69.87
Mean (%) 72.33
Standard deviation (%) 2.14
Relative standard deviation 2.96


3. 제동 조건별 미세먼지(PM10) 함유 비율 분석

HMC SONATA 2.0(DN8) 차량용 전륜 브레이크 시스템에 대해 2.2절의 절차에 따라 제동 조건, 시험 모드, 환경 조건별 PM10 미세먼지 함유 비율을 측정하고, 이에 대한 상관성을 분석한다.

3.1 제동조건별 미세먼지(PM10) 함유 비율

정성필과 박형배19)는 제동가혹도를 대변할 수 있는 요소로 제동 에너지(Braking energy), 제동 일률(Braking power)를 제시하였고, 상기 두가지외에 본 연구에서는 제동 초기 온도(Initial braking temperature)도 미세먼지 발생에 영향을 줄 수 있는 요소로 선정하였다. Table 3은 제동 조건을 다르게 설정하기 위한 세부적인 시험조건을 보여준다. 제동 에너지는 초기 제동 속도(Initial braking speed), 제동 일률은 감속도(Deceleration)을 다르게 설정함으로써 조절이 가능하다. 차량 질량(Vehicle mass) 1,450 kg을 기준으로 식 (2), 식 (3)을 이용하여 계산한 시험조건별 제동 에너지와 제동일률이 Table 3과 같다. 모든 시험구간에서 풍속은 11 m/s, 냉각 공기 환경은 온도 20 °C, 습도 50 %로 설정한 상태에서 각 제동 조건별로 총 2,000번 반복 제동을 실시하였다.

EB=12mυυi2-υf2(2) 
where EB : braking energy (J)
mv : vehicle mass (kg)
vi : initial speed (m/s)
vf : final speed (m/s)

PB=EBt(3) 
where PB : braking power (J/s)
t : braking time (s)

Table 3 
PM10 results according to braking conditions
Category Test configuration
No. Initial braking speed
[km/h]
Initial braking temperature
[°C]
Deceleration
[g]
Braking energy
[kJ]
Braking power
[kW]
Braking energy #1 40 100 0.3 89.5 23.7
#2 100 100 0.3 559.4 59.3
#3 160 100 0.3 1432.1 94.8
Braking temperature #4 100 100 0.3 559.4 59.3
#5 100 200 0.3 559.4 59.3
#6 100 300 0.3 559.4 59.3
Braking power #7 100 100 0.3 559.4 59.3
#8 100 100 0.5 559.4 98.8
#9 100 100 0.7 559.4 138.3

Fig. 5 ~ Fig. 7Table 3의 제동 조건별 측정한 분진의 입도 분포를 보여준다. Fig. 4의 LACT 모드에 대한 입도 분포에서는 3회 반복시험결과의 피크가 모두 동일한 분진 크기에서 나타났는데 반해, Fig. 5 ~ Fig. 6에서의 피크는 모두 다른 분진 크기에서 발생하고 있음을 알 수 있다. 보다 자세한 분석을 위해 Table 4와 같이 제동 조건별 PM10 미세먼지 분석 결과를 정리하였다. 증분(Increment)은 현재 시험 측정 결과와 직전 시험 측정 결과의 차이로, 예를 들어 2번째 시험의 증분 +17.1 %는 2번째 시험 측정 결과인 79.63 %에서 1번째 시험 측정 결과인 62.55 %를 뺀 값이다. 증분이 3.2.2절에서 도출한 LACT 모드로 반복 시험에 의한 측정 오차인 ±2 %와 유사하거나 작은 수준일 경우 시험 조건의 변화가 측정 결과의 변화에 미미한 영향을 끼친다고 판단할 수 있다. 이 경우는 Table 3에서 No.2에서 No.3으로 넘어가는 과정(제동 초속도가 100 km/h에서 160 km/h로 증가하는 과정)과 No.5에서 No.6으로 넘어가는 과정(브레이크 초기 온도가 100 °C에서 200 °C로 증가하는 과정)이 해당된다. 각 제동 조건별 PM10 미세먼지 함유 비율의 상관성을 보다 명확하게 분석하기 위하여 Table 4의 결과데이터를 추정하는 2차 다항 회귀곡선을 Fig. 8과 같이 생성하였고, 이에 대한 분석 결과가 아래와 같다.


Fig. 5 
Braking energy effect on brake particle distribution


Fig. 6 
Braking temperature effect on brake particle distribution


Fig. 7 
Braking power effect on brake particle distribution

Table 4 
PM10 results according to braking conditions
Category No. PM10 [%] Increment [%]
Braking energy #1 62.55 -
#2 79.63 +17.1
#3 77.32 -2.3
Braking temperature #4 79.63 -
#5 78.33 -1.3
#6 84.30 +6.0
Braking power #7 79.63 -
#8 76.07 -3.6
#9 70.61 -5.5


Fig. 8 
PM10 tendency result of braking conditions

① 제동 에너지 (Braking energy)

Fig. 8(a)에서 제동 초속도가 40 km/h에서 120 km/h까지는 PM10 미세먼지 함유 비율이 큰 폭으로 증가하고, 이후부터는 PM10 미세먼지 함유 비율이 오히려 감소하는 것으로 나타나고 있다. 약 ±2 %의 측정 오차를 감안할 때 제동 초속도 120 km/h 이상의 조건에서는 속도 증가가 PM10 미세먼지 함유의 미약한 감소로 이어진다고 판단된다.

② 초기 제동 온도 (Initial braking temperature)

Fig. 8(b)에서 제동 초기 온도가 100 °C에서 200 °C로 증가할 때 PM10 미세먼지 함유 비율은 거의 동일하지만, 이후 미세먼지 함유 비율은 증가하여 250 °C에서 80.41 %를 기록하고, 이는 200 °C에서 함유 비율인 78.33 % 대비 2.08 % 증가하여 측정 오차 범위인 ±2 % 수준에 이르게 된다. 제동 초기 온도가 300 °C로 증가하면 PM10 미세먼지 함유 비율이 200 °C 대비 약 8 % 증가하는 것으로 나타났다. 전용 시험법 개발 위해 여름철 다양한 노면에서 실차 실험 진행시 제동 온도가 250 °C 이상인 구간이 존재한다면 제동 온도는 반드시 고려해야할 대상이다.

③ 제동 일률 (Braking power)

Fig. 8(c)에서 전 구간에 걸쳐서 감속도가 증가할수록 PM10 미세먼지 함유 비율이 적어지는 것으로 나타났다. 이는 급제동이 아닌 일반 제동 과정(0.3 g 이하)에서 발생하는 분진에 보다 많은 미세먼지가 함유되어 있음을 의미한다. 따라서 자동차 레이싱 등 한계 제동이 많은 상황보다는 시내주행 등 일반 주행 상황에서 미세먼지가 많이 함유되므로 전용 시험법 개발 시 도심 및 일반도로 주행 상황을 좀 더 비중 있게 고려해야한다.

3가지 조건별 결과를 종합적으로 분석해볼 때, 제동 초속도가 약 120 km/h까지 클수록, 초기 제동온도가 약 250 °C 이상이 되어 높을수록, 감속도가 작을수록 PM10 미세먼지 함유 비율이 증가하는 경향이 있다.

3.2 시험 모드별 미세먼지(PM10) 함유 비율

앞서 분석결과의 정밀성 검증을 위해 사용한 LACT 모드외에 일반적인 브레이크 성능시험에 폭넓게 활용되는 JASO C 406과 브레이크 패드의 마모시험을 위해 활용되는 KS R 0079 모드 등 총 3가지 시험모드에 대해 PM10 미세먼지 함유 비율을 비교 분석하였고 결과가 Fig. 9와 같다. 여기서 LACT 결과는 2절에서 측정한 LACT 모드 3회 반복 실험 결과의 평균값을 대푯값으로 사용하였다.


Fig. 9 
Brake particle distribution according to test modes

먼저, LACT 모드를 기준으로 JACO C 406 모드의 경우 2μm 이하의 초미세먼지는 LACT 모드에 비해 많이 함유하고 있지만 피크에서의 함유 비율은 작게 나타나고 있다. KS R 0079 모드의 경우 LACT 모드에 비해 왼쪽으로 이동되어 있어서 전체적으로 미세먼지 및 초미세먼지 함유 비율이 높은 것으로 나타났다. 정량적 분석을 위해 각 시험모드에 대한 PM10 결과치가 Table 5와 같다. Table 5에서 증분(Increment)는 LACT 모드를 기준으로 각 모드별 측정결과와의 차이를 의미한다. JASO C 406 모드는 69.16 %의 PM10 미세먼지를 함유하고 있고, LACT 모드에 비해선 3.17 % 적은 수준으로 나타났다. 반면 KS R 0079 모드에선 PM10 미세먼지가 75.65 %로 LACT 모드에 비해 3.32 % 많이 함유하고 있는 것으로 나타났다. 모두 측정 오차범위인 ±2 %보다 크므로 유의한 실험데이터를 얻었다고 판단된다.

Table 5 
PM10 results according to test modes
Test mode PM10 [%] PM2.5 [%]
Result Increment Result Increment
LACT 72.33 - 23.65 -
JASO C 406 69.16 -3.17 27.62 +3.97
KS R 0079 75.65 +3.32 31.51 +7.86

이와 같은 결과가 발생한 원인을 분석하기 위해 Table 6과 같이 시험 모드별 시험 범위를 정리하였고, 결과가 다음과 같다.

Table 6 
Test ranges of test modes
Test mode Test range
Initial braking speed
[km/h]
Initial braking temperature
[°C]
Deceleration
[g]
LACT 50 ~ 75 80 ~ 230 0.2 ~ 0.4
JASO C 406 50 ~ 130 60 ~ 80 0.1 ~ 0.8
KS R 0079 50~100 100 ~ 500 0.3

① JASO C 406 모드의 경우 제동 초속도가 50 km/h ~ 130 km/로 LACT 모드 50 km/h ~ 75 km/h에 비해 제동초속도가 높기 때문에 미세먼지를 많이 함유하고 있을 것으로 예측되지만, 상대적으로 큰 감속도 때문에 미세먼지 발생이 억제되어 LACT 모드 대비 PM10 미세먼지가 3.17 % 적게 함유하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 분석의 범위를 넓혀 PM2.5의 경우 LACT 대비 JASO C 406의 경우 3.97 % 증가한 것으로 나타났다. 이는 제동 초속도 증가는 미세머지 보다 작은 2.5μm 이하의 초미세먼지 발생을 증가시키고, 감속도의 감소는 초미세먼지 보다는 미세먼지 발생의 증가와 관련된다고 판단된다.

② KS R 0079의 경우 제동 초속도 및 초기 제동 온도 모두 LACT 보다 커서 발생하는 분진 중 미세먼지 및 초미세먼지 함유 비율이 높은 것으로 판단된다.

3.3 시험 환경 조건별 미세먼지(PM10) 함유 비율

LACT 모드를 기준으로 냉각공기(Cooling air) 조건에 따른 PM10 미세먼지 함유 비율을 분석하기 위하여 온도 및 습도를 다르게 하여 시험조건을 설정하였고, 결과가 Fig. 10Table 7과 같다. 20 °C, 습도 50 %는 2.3절에서 측정한 LACT 모드 3회 반복 실험 결과의 평균값이다. Fig. 10에서 습도가 50 %에서 80 %로 증가할 경우 전체적인 분진의 입도 분포가 약간 우측으로 이동하며, 온도가 20 °C에서 40 °C로 증가할 경우에는 확연하게 우측으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. Table 7에서 PM10 미세먼지의 경우 습도 80 %일 때 4.49 % 함유 비율이 감소한데반해 온도 40 °C일 때는 34.87 % 감소하여 20 °C일 때의 거의 절반수준만 함유하고 있음을 알 수 있다. PM2.5 미세먼지도 비슷한 경향을 나타내고 있고, 이를 통해 공기온도가 높은 여름철 보다는 봄, 가을에 발생하는 분진에 미세먼지 및 초미세먼지가 2배가량 더 많이 함유되어 있을 것으로 예측된다. 따라서 전용 시험법 개발 시 브레이크 온도뿐만 아니라 외부 공기 온도 또한 매우 중요하게 다루어야 할 변수인 것으로 나타났다.


Fig. 10 
Brake particle distribution according to test environments

Table 7 
PM10 results according to test environment of LACT
Test mode Environment condition of cooling air PM10 [%] PM2.5 [%]
Result Inc. Result Inc.
LACT #1 20 °C, Humidity 50 % 72.33 - 23.65 -
#2 20 °C, Humidity 80 % 67.84 -4.49 19.52 -4.13
#3 40 °C, Humidity 50 % 37.46 -34.87 12.59 -11.06


4. 결 론

본 연구에서는 자동차 비배기계 미세먼지 발생의 주 원인인 브레이크 시스템에 대하여 분진을 포집하여 PM10 미세먼지 함유 비율을 분석할 수 있는 방법을 제안하였고, 이 방법에 따라 제동 조건별, 시험 모드별, 환경 조건별 미세먼지 발생의 상관성을 분석하였다. 브레이크다이나모미터 내부에 필터가 장착된 챔버를 설치하여 분진을 포집하였고, ISO 13320 에 따라 입도 분석을 실시하였다. 3번의 반복실험 결과에 대해 KS I ISO 12219-1에 따른 정밀성 검증을 완료함으로써 제안한 분진 포집 및 분석 절차가 신뢰성 있음을 확인하였다. 제동 조건, 시험 모드 및 환경 조건을 변화시켜가며 발생되는 분진의 입도를 분석하였고, 제동 초속도가 약 120 km/h까지 클수록, 초기 제동온도가 약 250 °C 이상이 되어 높을수록, 감속도가 작을수록 PM10 미세먼지 함유 비율이 증가하는 경향이 있음을 확인하였다. 이는 시험 모드별 다르게 발생되는 분진의 입도와 직접적 연관성이 있으며, 특히 시험환경에서 습도 보다는 온도가 미세먼지 발생에 큰 영향을 끼침을 입증하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 향후 브레이크 분집 포집 및 분석을 위한 전용 시험법 개발을 진행할 계획이다.


Acknowledgments

이 연구는 2019년도 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(20003587, 비배기관 미세먼지 저감을 위한 측정·평가시스템 개발 및 실증).


References
1. T. Grigoratos and G. Martini, “Brake Wear Particle Emissions: Review,” Environmental Science and Pollution Reserch, Vol.22, pp.2491-2504, 2015.
2. C. Bae and H. Park, “Particulate Matter and Automobile,” Auto Journal, KSAE, Vol.41, No.9, pp.38-43, 2019.
3. J. Su, M. Xu, P. Yin, Y. Gao and D. Hung, “Particle Number Emissions Reduction Using Multiple Injection Strategies in a Boosted Spark-Ignition Direct-Injection Gasoline Engine,” SAE International Journal of Engines, Vol.8, No.1, pp.20-29, 2015.
4. J. K. Shin, H. Lee, C. S. Yoon and H. Kim, “Analytical Study on Re-solidification Materials for NOx Reduction of Exhaust Emission in Diesel Engine with Solid SCR,” Transactions of KSAE, Vol.22, No.4, pp.152-159, 2014.
5. S. Hong, D. Jung and M. Sunwoo, “A Control Strategy of Fuel Injection Quantity and Common-rail Pressure to Reduce Particulate Matter Emissions in a Transient State of Diesel Engines,” Transactions of KSAE, Vol.23, No.6, pp.623-632, 2015.
6. M. Mathissen, V. Scheer, U. Kirchner, R. Vogt and T. Benter, “Non-exhaust PM Emission Measurements of a Light Duty Vehicle with a Mobile Trailer,” Atmospheric Environment, Vol.59, pp.232-242, 2012.
7. M. Mathissen, T. Grigoratos, T. Lahde and R. Vogt, “Brake Wear Particle Emissions of a Passenger Car Measured on a Chassis Dynamometer,” Atmosphere, Vol.10, No.9, pp.1-15, 2019.
8. H. Hagino, M. Oyama and S. Sasaki, “Airborne Brake Wear Particle Emission due to Braking and Accelerating,” Wear, Vols.334-335, pp.44-48, 2015.
9. B. Son, “Automobile Brake Pad Dust Hazardous Substance Collection Research,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.395-400, 2019.
10. H. Niemann, H. Winner, C. Asbach, H. Kaminski and M. Zessinger, “System Identification Method for Brake Particle Emission Measurements of Passenger Car Disc Brakes on a Dynamometer,” SAE 2018-01-1884, 2018.
11. S. Gramstat, A. Cserhati, M. Schroeder and D. Lugovyy, “Brake Particle Emission Measurements - Testing Method and Results,” SAE International Journal Engines, Vol.10, No.4, pp.1841-1846, 2017.
12. D. Hesse and K. Augsburg, “Real Driving Emissions Measurement of Brake Dust Particles,” SAE 2019-01-2138, 2019.
13. G. Perricone, M. Alemani, I. Metinöz, V. Matějka, J. Wahlström and U. Olofsson, “Towards the Ranking of Airborne Particle Emissions form Car Brakes - a System Approach,” Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.231, No.6, pp.781-797, 2017.
14. S. Gramstat, D. Lugovvy, R. Wanlnger and M. Schroeder, “Investigations of the Measurement Layout for Brake Particle Emissions,” SAE 2018-01-1885, 2018.
15. ISO 13320:2020, Partice Size Analysis - Laser Diffraction Methods, the International Organization for Standardization, 2020.
16. P. G. Lee and S. P. Jung, Dust Collecting Apparatus, KR Patent No.10-2019-0041049, 2019.
17. Rebrake, http://www.rebrake-project.eu, 2017.
18. KS ISO 12219-1:2011, Interior Air of Road Vehicles - Part 1: Whole Vehicle Test Chamber - Specification and Method for the Determination of Volatile Organic Compounds in Cabin Interiors, the International Organization for Standardization, 2016.
19. S. P. Jung and H. B. Park, “Analysis of Influence Parameters for Brake System’s Performance during High Speed Braking,” Transactions of KSAE, Vol.26, No.2, pp.196-201, 2018.