The Korean Society Of Automotive Engineers

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

[ 응 용 논 문 ]
Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 4, pp.551-558
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jun 2018
Received 04 Jan 2018 Revised 15 Mar 2018 Accepted 19 Apr 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.4.551

운행 경유차용 NDUV 방식 NOx분석기 개발 및 신뢰성 확보 연구
김승열1, 2) ; 최동환1) ; 김보영1) ; 이진욱*, 2)
1)한국산업기술시험원 환경기술본부
2)숭실대학교 기계공학과

A Study on the Reliability of NDUV Type NOx Analyzer Development for In-use Diesel Vehicle
Sunglyul Kim1, 2) ; Donghwan Choi1) ; Boyoung Kim1) ; Jinwook Lee*, 2)
1)Department of Environment Technology, Korea Testing Laboratory, 87 Digital-ro 26-gil, Guro-gu, Seoul 08389, Korea
2)The Graduate School, Department of Mechanical, Soongsil University, Seoul 06978, Korea
Correspondence to : *E-mail: immanuel@ssu.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

The objective of this study is to develop an NDUV type nitrogen oxide analyzer, which has a low interference to carbon dioxide and moisture, and to regulate the in-use diesel vehicle emission. The NDUV analyzer consists of a measuring cell, a light emitting part(ultraviolet lamp), a light receiving part, and a pre-treatment system. We have concluded that the developed analyzer can be used to measure the nitrogen oxide of the in-use diesel vehicle through a performance test and an on-road vehicle test. The development of measuring instruments through research has laid the foundation for the regulation of nitrogen oxide emission from the in-use diesel vehicle that was prepared by the Ministry of Environment.


Keywords: Nitrogen dioxide, In-use diesel vehicle, Non-dispersive ultra-violet, Repeatability, Response time
키워드: 질소산화물, 운행경유차, 비분산 자외선, 반복성, 응답시간

1. 서 론

2005년 대기환경 보전법이 개정됨에 따라 운행차 배출가스 정밀검사 의무 시행지역이 인구 50만 이상의 도시지역으로 확대되어 시행되고 있다. 이에 최근까지 휘발유 및 가스 운행 차량의 경우에는 차대동력계에서 측정 대상 자동차의 도로부하마력의 25 %에 해당하는 부하마력을 설정하고 시속 40 km/h로 정속주행하면서 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)등을 측정하는 ASM 2525모드를,1) 운행 경유차의 경우 총 중량 5.5톤 이상은 차대동력계에서 측정 대상 자동차의 엔진 정격 회전수에서 1모드, 엔진정격회전수의 90 %에서 2모드, 엔진정격회전수의 80 %에서 3모드로 정의하여 각 모드에서 검사하는 Lug down 3모드를, 총 중량 5.5톤 이하의 운행 경유차는 차대동력계에서 자동차 기준중량에 따라 도로부하마력을 설정한 다음 주행주기에 따라 147초 동안 최고 83.5 km/h까지 가속, 정속, 감속하는 KD147모드를 사용하여 매연을 검사하고 있다. 그러나 질소산화물에 대해서는 운행차용으로 사용할 수 있는 분석기가 없는 이유로 검사가 이루어지지 않고 있다. 최근 폭스바겐 배출가스 조작 사건으로 운행 경유차에서 질소산화물이 배기 규제치에 비해 많이 배출되고 있다는 것이 확인되었다.6) 또한 일반적으로 질소산화물 중 NO2 비율이 5 % 이하인 휘발유 및 가스 자동차와는 달리 산화촉매와 CDPF (Ca -talyzed diesel particulate filter)가 장착된 경유차는 최대 50 % 이상 배출된다는 것을 확인할 수 있었다.2)

현재 전 세계적으로 운행 경유차에 대한 질소산화물(NO 및 NO2)검사를 시행하는 곳은 없으며, 유럽은 연구단계이고, 중국은 제도 시행(안)을 검토하는 과정에 있다. 또한 운행 경유차의 질소산화물 배출량을 측정 할 수 있는 분석기가 개발되어있지 않아 각 나라마다 해당 분석기를 개발하고 있다. 따라서 향후 국내의 경우에도 운행 경유차에 대한 질소산화물 규제가 시행될 것이며 해당 검사를 위해서는 매연과 아울러 질소산화물을 동시에 측정 할 수 있는 분석기 개발이 필수적이며 이를 통하여 운행경유차에 대한 정확한 배출가스 관리가 가능하다고 할 수 있다. 이에 본 연구는 운행 경유차에서 배출되는 질소산화물 분석기를 개발하여 운행차 검사장에서 사용 가능한 수준의 제품으로 신뢰도를 확보하는 것을 주요 목적으로 하고 있으며, 이를 향후 정부 정책에 활용하고자 한다.


2. 장비 개발 및 제작
2.1 측정원리

특정 파장을 가지는 자외선이 측정 하고자 하는 샘플가스를 통과할 때 샘플가스에 존재하는 가스 성분은 특정파장 대역의 자외선을 선택적으로 흡수 한다. 이를 이용하여 측정하고자 하는 가스농도를 측정하는 것을 비분산 자외선법(이하 NDUV: Non-dispersive ultraviolet)이라고 한다. 본 연구에서는 경유 자동차에서 배출되는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 동시에 측정 가능하고 배출가스에 상당량 포함되어있는 이산화탄소 및 수분에 간섭 영향이 적은 NDUV 방식을 기반으로 측정기를 개발하였다. NO 및 NO2 농도를 측정하기 위해서는 각각의 기체에 해당하는 파장 대역의 빛을 선택적으로 투과시키는 광학필터(Bandpass filter)가 필요하며 각 기체의 투과 파장대역을 다음과 같이 선정하였다.

- 선택 파장 : NO 흡수파장 (220 nm 대역)
- 선택 파장 : NO2 흡수파장 (405 nm 대역)

Fig. 12를 통해 각 기체의 선택 파장대역 특징을 볼 수 있다. NO의 경우 자외선 파장 대역에서 흡수율이 가장 좋으며, NO2의 경우 자외선과 가시광선의 경계 파장 대역에서 가장 좋은 흡수율을 보여주는 것을 확인할 수 있다.


Fig. 1 
Wavelength band filter (NO)


Fig. 2 
Wavelength band filter (NO2)

광원에서 방사된 자외선은 샘플가스와 광학필터를 통과하여 특정파장이 검출기에 도달할 때 가스농도에 따라 변화하는 광량의 차이로 측정하고자 하는 가스농도를 측정할 수 있다. 자외선 광원에서 검출기까지의 거리를 광 경로하고 하며, 광 경로가 길수록 측정하고자 하는 샘플가스 층이 두꺼워지므로 낮은 가스농도도 비교적 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.

측정 가스농도가 증가 할 경우 해당 가스가 흡수하는 파장 대역의 광량이 감소하고 그로 인해 출력 전압이 감소하게 된다. 그러므로 두 파장의 광원에 대한 출력 전압을 비교함으로서 광원과 검출기에 흐르는 가스의 농도를 측정 할 수 있다. 이를 이용하여 상기 두 개 파장대역에 대한 NO 및 NO2 샘플가스 통과 광량을 비교 측정값(측정 파장)으로 사용하고 샘플가스를 통과하지 않은 광량을 기준 측정값(기준 파장)으로 사용하여 비교함으로써 가스 농도를 측정한다. 광원과 검출기 사이에 자외선을 약 95 % 정도 통과시킬 수 있는 석영 원도우(Window)를 설치하여 샘플가스와 광학센서가 직접 접촉하는 것을 막고 있다.

2.2 측정기의 구성

Fig. 3을 통해 NDUV측정기의 개략도를 나타내었다. 측정하고자 하는 샘플가스는 PM필터, 솔레노이드 밸브를 지나 측정셀로 유입되어 질소산화물(NOx) 농도가 측정된다. 또한, 운행 경유 차에서 배출되는 질소산화물 농도 측정값에 대한 매연 및 수분 간섭을 최소화하기 위해 Fig. 4와 같이 측정기 전 단계에 전처리 시스템을 하나의 시스템으로 개발하여 추가하였다.


Fig. 3 
Schematic of the NOx analyzer


Fig. 4 
Schematic of the pre-treatment system

2.2.1 자외선 광원 선정

자외선 광원은 운행차 검사장의 환경에 맞게 측정신호의 안정성이 높고 안정화 시간이 15분 이내로 빠른 무전극 방전등(이하 EDL: Electrodeless discharge lamp)3)와 1초 이내의 안정성을 갖는 발광다이오드(이하 LED: Light emitting diode)로 선정하였다.

EDL 램프는 NO가스를 측정하는 파장대역인 220 nm에서 높은 안정성을 나타내고 있으며 400대의 파장에서는 불완전 관계로 LED 램프를 사용하였고 NO2가스 측정 파장 대역인 405 nm에서 안정적인 특징이 있다.

∙ EDL램프
  - 램프 구동 방법 : 무전극 방전 방식
  - 구동전압 : 12 V 단일 전원
  - 구동 주파수 : 20 Mhz 고주파 발진
  - 최초 가동 시간 : 2분 이내
  - 안정시간 : 15분 이내
  - 파장대역 : 200 nm ~ 600 nm
  - 선택파장 : 220 nm
∙ LED 램프
  - 원리 : 전계 발광 효과
  - 수명 : 5 ~ 10만 시간(반영구)
  - 안정 시간 : 3초 이내
  - 파장대역 : Violet 405 nm

2.2.2 센서 선정

검출센서는 자외선 영역에서 사용할 수 있는 센서를 선정하였으며, 포토 다이오드(Photo diode)로 선정하였다.

- 모델명 : S1227 (Hammatsu, Japan)
- 측정 파장대역 : 190 ~ 1,000 nm
- Photo sensitivity : 0.12 A/W(@200 nm), 0.36 A/W(@720 nm)
- Dark current : 20 pA
- Photosensitive area size : 2.4 × 2.4 mm

2.2.3 Bandpass filter 선정

NO 및 NO2를 측정하기 위해서는 선택한 가스에 해당하는 파장의 빛만을 투과시키는 광학필터가 필요하다. 이러한 광학필터를 Bandpass filter라 명칭하며 본 연구에서는 해당 파장의 빛만을 투과시키는 광학필터를 선정하였다. 흡수 파장대역은 앞에서 제시한 NO 220 nm, NO2 405 nm의 선택할 수 있다. Fig. 5는 Bandpass filter 설치 위치를 보여주고 있다.


Fig. 5 
Bandpass filter position

2.2.4 Beam splitter 선정

Beam splitter는 광원에서 발생된 빛을 기준광으로 사용하는 부분을 50 %, 측정광으로 사용하는 것을 50 %로 배분할 때 사용하는 필터로서 본 연구에서는 광원의 안정성을 확보하기 위하여 Plate beam splitter를 선정하고 검출기의 위치에 따라 조정이 가능하게 설계하였다. Beam splitter로 인해 분광된 광원의 양을 각 센서로 전달하여 가스 별 신호 계측에 활용되었다. Fig. 6은 Beam splitter의 일반적인 특성지표로서 UV 전체 대역에서 광량의 흡수정도를 나타내고 있는데, Fig. 7과 같이 45°로 디자인하여 설치할 경우 해당 광량이 5:5로 분리되는 기반을 이용하여 개발에 적당한 투과율에 맞는 광량을 얻을 수 있었다. Beam splitter는 단일 광원을 사용하는 시스템 설계에 적용하였으며, 시스템의 구성에 따라 사용여부가 결정된다.


Fig. 6 
Characteristic of Beam splitter


Fig. 7 
Plate beam splitter

2.2.5 전처리 시스템의 밴드히터 개발

운행 경유차의 배출가스 검사 시 채취된 샘플가스에는 간섭을 유발할 수 있는 수분이 포함되어 있어 측정 장비와 센서를 보호하고 NOx 측정값의 정도를 높이기 위해서는 수분의 제거가 필요하다.

수분을 제거하기 위하여 1차적으로 필터 하우징에 밴드히터를 추가하여 수분을 제거할 수 있도록 설계하였다. Fig. 8의 Band heater는 필터하우징에 장착되어 열을 발생시켜 필터하우징 내부의 온도를 100 °C까지 상승시킴으로써 가스 내 수분이 증발할 수 있도록 하였다.


Fig. 8 
Band heater

2.2.6 전처리 시스템의 매연 필터

채취된 차량의 샘플 가스에 포함된 매연 또한 NO, NO2 측정에 간섭 영향이 있으므로 매연 전처리 과정이 필요하다. 이를 위해 매연에 포함된 수분을 고려하여 부식이 발생하지 않는 서스(SUS) 재질의 필터를 제작 및 적용하였다. 메쉬(Mesh)는 두 겹으로 제작하여 10 μm의 매연입자까지 제거되도록 하였다.


3. 기본 성능 시험
3.1 반복성 시험

반복성이란 일정한 농도의 NO, NO2 가스를 측정기에 흘려주었을 때, 동일한 측정값을 반복적으로 측정할 수 있는 정도를 나타내는 지표이다. 반복성 시험은 약 150초 간격으로 5회 반복하여 NO 표준가스 1,798 ppm와 NO2 표준가스 955 ppm을 주입하면서 시행하였다. 측정범위는 NO의 경우 2,000 ppm, NO2의 경우 1,000 ppm으로 선정하였다. 측정결과는 Fig. 9,10과 같이 NO 1.46 %, NO2 1.10 %로 일반적인 반복성 시험기준인 2.00 %를 만족하는 것으로 확인되었다.


Fig. 9 
Repeatability of the NO analyzer


Fig. 10 
Repeatability of the NO2 analyzer

3.2 직선성 시험

직선성 시험은 측정범위를 기준으로 10단계 이내로 나눈 후, NO, NO2 표준가스를 가스디바이더를 사용하여 해당 구간 가스 농도를 측정기에 공급함으로써 수행할 수 있다. Fig. 11의 결과와 같이 NO는 최대 1.90 %, NO2는 최대 -1.00 %의 오차를 가지는 것을 확인 할 수 있었으며, 일반적인 시험기준인 각 구간의 오차 2.00 % 이내 기준을 감안할 때 직성선 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.


Fig. 11 
Linearity of the NOx(NO, NO2) analyzer

3.3 응답시간 측정

응답시간이란 측정범위의 해당하는 85~95 %의 NO, NO2 표준가스를 사용하여 표준가스의 90 %까지 도달하는 시간으로 정의할 수 있다. 응답시간 측정에 사용한 표준가스는 재현성 시험에 사용한 표준가스와 동일한 것을 사용하였으며, Fig. 12와 같이 NO는 4초, NO2 3초의 응답시간을 확인할 수 있어 기준을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.


Fig. 12 
Response time of the NOx(NO, NO2) analyzer

3.4 전처리 시스템의 성능

운행 경유차의 질소산화물을 측정하기 위해서는 배출가스 측정장치 전단에 먼지 및 수분을 제거하기 위한 별도의 시스템이 필요하다. 전처리 장치는 측정기 전단에 위치하여 경유차에서 배출되는 배출가스를 펌프로 흡입하되 펌프의 손상을 방지하기 위해 매연 및 수분을 제거하며 아울러 수분에 용해성이 있는 NO2의 손실을 최소화하여야 한다. 이를 위해 전처리에 히터를 설치하고 배출가스를 연속적으로 측정할 수 있는 시스템으로 구성되어 있으며, 성능 확인은 총 84대의 경유 차량에 대하여 시험을 진행하였다. 시험은 모두 KD147모드4)에 의해 시행되었으며 매연 농도를 비교 측정하였다. KD147모드에서는 초당 4회 매연측정이 진행되지만 본 연구 시험 데이터의 취득은 1회만 진행되었다. 전체 시험 데이터(N)는 18,777건이며, Fig. 13의 시험 데이터를 통하여 확인된 전처리 시스템 통과 후 매연 농도는 1 % 미만으로 측정되어 전처리 장치 통과 후 평균 매연 감소율은 100 %에 가깝게 나타나고 있음을 알 수 있다.


Fig. 13 
Soot reduction test for vehicles

3.5 요약

반복성 및 직선성은 NDUV을 사용하는 일반적인 배기가스 측정기의 기준인 2 %를 만족하는 수준임을 확인 할 수 있었으며, 응답시간의 경우 NO는 4 초, NO2 는 3초로 운행 경유자동차 정밀검사 시험방법인 KD 147모드를 수행하는 데는 충분하다고 할 수 있다. 또한 기본 성능시험 결과 운행 경유 자동차에서 배출되는 질소산화물을 측정하여 신뢰성을 확보하는데 큰 무리가 없다고 판단된다.


4. 실차에 의한 신뢰성 확인
4.1 NEDC 모드를 활용한 NDUV 측정기와 전기화학센서 비교 분석5)

NDUV 방식이 적용 개발된 NOx 측정기와 현재 운행차 배출가스 정밀검사에서 사용하는 전기화학센서(Electro-chemical sensor: EC sensor) 방식의 NOx 측정기와 성능 비교를 목적으로 배출가스 시험실에서 NEDC(New european driving cycle)모드를 주행하면서 발생하는 NOx 배출가스를 NDUV 측정기와 EC sensor로 동시에 측정하여 분석기의 상관성 및 반복성 성능을 확인하였다. Fig. 14은 시험장면으로 시험에 사용하는 차량 사양은 Table 1과 같다.


Fig. 14 
Test set-up

Table 1 
Specification of the vehicle (Hyundai Verna)
Items Specifications
Displacement volume (cc) 1,500 cc
Engine type 4 valve, DOHC, CRDI
Transmission type MT5
Exhaust gas treatment equipment Linear EGR, DOC
Vehicle-kilometer 3,000 km
Emission standard EURO IV

상관성 분석은 EUDC(고속도로 주행모드) 주행의 시가지 주행모드를 통해 차량이 예열되어 냉간 시동(Cold start) 및 온간시동(Hot start) 상태 구분 없이 배출 특성이 유사하다는 가정 하에 시험하였다. 상관성 시험결과는 Table 2, Fig. 15Fig. 16을 통해 확인할 수 있다. 결정계수값(R2)으로 미루어 보아 두 사례에서 모두 0.8 이상의 높은 양의 상관성을 확인할 수 있었으며, 냉간시동 보다 온간시동의 경우 0.896 이상의 높은 상관성을 보이고 있다.

Table 2 
Correlation test of gas analyzers (NDUV and EC)
NDUV NOX = a × (EC NOX) + b R2
a b
#1_Cold start 3.789 -18.475 0.855
#2_Hot start 1.808 -8.903 0.896


Fig. 15 
Correlation test of gas analyzers (NDUV and EC #1)


Fig. 16 
Correlation test of gas analyzers (NDUV and EC #2)

NDUV와 EC의 반복성에 의한 비교 분석 시험결과를 Fig. 17에 나타내었다. 시험결과 냉간시동 보다 온간시동 시 분석값이 높게 측정되고 있어 전기화학센서의 반복 측정값이 일정하지 못하다는 것을 알 수 있어 NDUV방식이 전기화학센서 보다 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.


Fig. 17 
Repeatability test of gas analyzers (NDUV and EC)

4.2 운행차 검사모드(KD147)의 적용성 평가

국내에서 현재 사용 중인 운행 경유차 매연측정 시험방법(KD147 모드)을 활용하여 NDUV측정기와 EC 센서의 비교시험을 실시하였으며 실제 운행 경유차 배출가스 검사에서 NOx 배출가스 측정결과의 변동을 확인함으로써 실제 검사에 적용 가능 여부를 평가하였다. Fig. 18은 NDUV측정기와 EC 센서를 이용하여 KD147모드 시험을 수행한 결과이다. 전체적인 경향을 살펴보았을 때 4.1절의 EUDC모드 온간시동 시험의 분석결과와 비슷한 추이를 확인할 수 있었다.


Fig. 18 
The test result of gas analyzers (NDUV, EC)

운행 경유차 배출가스 검사가 실온에서 수행되는 것을 감안하면 개발 제품을 검사장에서 사용하여도 무방하다는 것을 확인할 수 있었다.

4.3 결과 및 검토

실차 시험을 통한 개발 제품의 성능을 확인한 결과 상관성과 반복성이 과도모드(Transient mode)의 특성인 배출가스 변화에 있어서도 민감하게 반응하고 있고 측정결과가 우수함을 확인할 수 있었다. KD147모드에 의한 실차 적합성 시험의 경우에도 개발된 NDUV측정기와 EC 센서의 측정값이 서로 비슷한 추이를 보이고 있어 운행 경유차 배출가스 검사장에서도 사용가능하다는 것을 알 수 있다. 다만 측정 정확도, 배출가스 처리 방식의 차이, 측정시료의 반응 응답속도의 차이로 인해 측정 농도의 차이가 발생할 수 있다.


5. 결 론

본 연구는 운행 경유차 질소산화물(NOx) 규제를 대비하여 선제적으로 수행한 과제로, 일반적으로 NDUV 측정방법이 수분 및 CO2에 대한 간섭이 적어 운행 경유차의 질소산화물(NOx)을 측정하는데 유리한 NDUV 방식의 측정기 제품을 개발하였다. 제품 개발, 성능 및 실차 시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

  • 1) 광학부의 주요 구성은 NDUV측정기를 구성하기 위해 UV 광원, 측정셀, 밴드패스 필터 및 검출기로 구성된다. 개발제품은 EDL 및 LED 광원을 적용하였으며, EDL의 경우 광원의 짧은 안정화 시간과 장기간 사용이 가능한 장점이 있고, LED광원의 추가로 NO, NO2를 동시에 측정할 수 있어 다른 광원을 사용하는 것보다 우수하다고 판단된다.
  • 2) 운행 경유차에서 배출되는 매연을 효과적으로 제거하며 장기간 사용에도 매연 저감률이 떨어지지 않는 전처리 시스템을 개발하고 필터의 연속적인 사용이 가능하고 교체가 용이한 구조로 설계하였다. 상시 100 °C 이상의 온도에서 동작할 수 있는 필터 박스를 적용한 전처리 시스템을 개발하였다.
  • 3) 개발제품에 대한 자체 성능시험을 실시하여 가스별 시험을 실시하여 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
  •  ∙ 반복성 : NO 1.46 %, NO2 1.10 %
  •  ∙ 직선성 : Max(NO 1.90 %, NO2 -1.00 %)
  •  ∙ 응답시간 : NO 4.00초, NO2 3.00초
  •  ∙ 매연 차단율 : 100 %
  • 4) 실차 시험을 통한 성능평가에서도 운행 경유차 질소산화물(NOx) 배출량 측정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다. 향후 운행 경유차 질소산화물 규제 시행을 위한 기반 마련에 많은 도움이 될 수 있을 것이라 판단된다.
  • 5) 금년도에 마련하고자 하는 운행 경유차 질소산화물 측정기 기술규격 작성에 활용할 수 있는 기초데이터를 확보 할 수 있었다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기술개발사업단의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.


References
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