저농도 바이오알코올 혼합 연료가 스파크 점화 엔진 차량의 연비 및 배출가스에 미치는 영향

1. 서 론

지구 온난화 등 대기 환경오염에 대한 우려로 인해 전 세계적으로 온실가스 저감 및 대기질 개선에 대한 관심이 높아지고는 있으나 오염 원인으로 주목받고 있는 화석연료의 사용도 지속적으로 증가¹⁾하고 있어 문제 해결을 위한 다양한 기술과 정책들이 쏟아져 나오고 있다.

미국과 유럽(EU)의 경우, 온실가스 저감 등 대기 환경 개선을 위해 수송부문에서 바이오연료 사용 의무화를 포함해 다양한 신재생 에너지 도입에 적극적이다²⁾. 우리나라의 경우 온실가스뿐만 아니라 미세먼지로 인한 대기 환경 문제가 나날이 심각해져 정부 차원에서 다양한 정책을 추진하고 있으나, 실질적인 효과는 아직 미미한 상황이다.

온실가스 저감에 효과적이면서 기존 인프라의 큰 변경이나 추가 없이 신속히 도입이 가능하여 전 세계적으로 널리 사용 중인 바이오디젤과 바이오에탄올 등 바이오알코올 혼합 연료의 경우 함산소 연료로서 미세먼지(particulate matters [PM] 및 particulate number [PN])의 직접적인 저감에도 기여가 가능한 것으로 알려져 있다^3-6).

현재 우리나라에서는 ｢신에너지 및 재생에 너지 개발･이용･보급 촉진법｣에 따라 수송부문에서는 바이오디젤과 바이오가스를 상용화하고 있다^7,8).

국내 주요 수송용 연료 중 하나인 자동차용 경유에 2018년부터 바이오디젤 3.0%를 의무혼합하여 사용하고 있으나, 휘발유는 아직 바이오연료 혼합 제품이 사용되고 있지 않은 실정이다. 반면 해외(미국/브라질 등)에서는 대표적인 바이오알코올 연료인 바이오에탄올을 스파크 점화 차량에 휘발유 대체 연료 또는 첨가제로서 많이 사용하고 있다^9,10).

바이오에탄올은 바이오매스 생산 시 저감되는 CO₂ 이외에 높은 산소함량으로 인해 휘발유의 연소성을 개선하지만 에너지 밀도가 상대적으로 낮아 연비가 떨어지고 친수성에 의한 상분리 문제, 금속 및 고무 같은 재질에 대한 높은 부식성에 의해 저유소 및 주유 공급시설의 일부 개조가 필요하다는 단점도 있다¹¹⁾.

반면에 바이오부탄올은 바이오에탄올 대비 에너지 밀도가 높고 물에 대한 용해도와 부식성이 낮아 유통 인프라의 변경 없이 사용할 수 있다는 장점¹²⁾이 있어 근래에는 바이오부탄올 생산 기술 및 연료 물성, 연소 특성 등에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다^13-19).

하지만 대부분의 선행 연구들은 혼합량 10% 이상의 고농도 알코올 연료의 엔진 성능 및 연소 특성 분석에 초점을 맞추고 있으며, 현재 운행 중인 차량의 개조 없이 바로 적용 가능한 수준의 저농도 바이오알코올의 함산소 연료로서 효과 분석을 위한 실차 성능 및 배출가스 관련 연구는 많지 않다.

따라서 본 연구에서는 대표적인 바이오알코올 연료인 바이오에탄올과 바이오부탄올 그리고 두 가지 알코올이 가지고 있는 장점을 최대화하기 위해 최적 비율로 혼합한 알코올 연료²⁰⁾를 저농도(6%)로 휘발유에 혼합하여 시험차량의 개조 없이 함산소 연료 측면에서 입자상 물질의 개수(particle number, PN) 변화 차이를 확인하였다. 이와 함께 차량의 연비, 규제 배출가스(NMHC, CO, NOx) 및 미규제 배출가스인 알데하이드류도 측정하여 바이오알코올의 종류별 저농도 혼합에 의한 효과를 종합적으로 비교 검증하고자 하였다.

2. 실 험

2.1 평가시료

시험연료는 함산소제(methyl tert-butyl ether, MTBE 등)가 혼합되지 않아 옥탄가(research octane number, RON)가 상대적으로 낮은 산소 미함유 sub octane gasoline을 기본 연료로 하고 바이오에탄올과 바이오부탄올, MTBE를 저농도로 혼합하여 석유 및 석유대체연료 사업법상 자동차용 품질기준²¹⁾을 만족하는 시료 4종을 제조하였다.

제조된 시료는 국내 휘발유 산소함량 규격 2.3무게%에 해당하는 바이오에탄올 6%를 혼합한 연료 (E6, bio-ethanol 6% + sub octane gasoline 94%)와 알코올 연료 간 성능 상대 비교를 위한 바이오부탄올 6% (B6, bio-butanol 6% + sub octane gasoline 94%), 바이오에탄올과 바이오부탄올을 7:3의 비율로 혼합한 알코올 연료 6% (EB6, Bio-ethanol [7] : bio-butanol [3] 6% + sub octane gasoline 94%)를 주입한 연료이다. 대조군으로는 현재 국내 휘발유 생산 시 함산소제로 사용 중인 MTBE를 E6 연료와 동등 수준의 옥탄가를 가질 수 있도록 8% 혼합한 시료를 준비하였다.

시험에 사용된 총 5종의 연료에 대한 주요 물성은 Table 1과 같으며, Table 2에는 휘발유에 사용되는 주요 함산소제의 물성을 나타내었다.

Table 1.

The physical properties of evaluation samples29)

Table 2.

Properties of oxygenated compounds

2.2 평가차량 및 시험모드

본 연구에서는 연료 분사 방식이 달라 배출 특성이 상이할 수 있는 점을 고려하여 gasoline direct injection (GDI) 엔진 탑재 차량 1종과 port fuel injection (PFI) 엔진 탑재 차량 1종을 시험차량으로 선정하였으며, 차량과 엔진은 어떠한 개조도 가하지 않았다. 시험차량에 대한 세부적인 제원은 Table 3에 나타내었다.

Table 3.

Test vehicle specification

시험모드는 국내에서 휘발유 차량의 공인연비 및 배출가스 측정 시에 사용되는 CVS-75 모드(시내 주행 모사) 및 HWFET 모드(고속도 주행 모사)를 사용하였다.

2.3 측정장치

차량 성능 및 환경성 평가는 차대동력계를 이용하여 진행하였으며, 측정 시스템의 개념도와 차대동력계 시스템은 Figs. 1, 2에 각각 나타내었다. 시험에 사용된 차대동력계는 2륜 roller-type dynamometer (single roll 48 inch, BEP, MI, USA)로서 국내 3.5톤 이하 소형 자동차의 배출가스 및 연료소비율을 측정할 수 있도록 형식 승인된 시험 장비이다.

Fig. 1.

Schematic diagram of experimental setup

Fig. 2.

2WD Chassis dynamometer systems

배출가스 측정은 시험차량이 차대동력계에서 정해진 모드 주행을 할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치(constant volume sampler, CVS)에서 일정량의 공기로 희석 후, 시료 채취백으로 보내고 모인 배출가스 시료를 정량분석하게 된다.

CO, NMHC, NOx 등의 규제 물질 분석에는 일본 Horiba사(Kyoto)의 MEXA 7400 분석기를 사용하여 분석하였으며, 입자상 물질의 개수는 laser based particle counting system (SPCS 2000, Horiba, Kyoto, Japan)을 사용하여 입자상 물질의 개수를 측정하였다. 알코올 연료 연소 시 배출량이 증가한다고 알려진 미규제 물질인 알데하이드의 측정은 국내에서 제작된 C2K CREATIVE사(Bucheon, Korea)의 C2030 자동차배기가스 aldehyde sampling system을 이용하여 운전 모드 동안 카트리지에 포집한 후 solvent로 추출하여 high performance liquid chromatography로 분석하였다.

시험차량의 평가 시료 교체는 기존 연료를 연료탱크에서 모두 제거 후 새로운 평가용 시료로 2회 세척하고 최소 100 km 이상 주행하여 연료계통에 남아있을 수 있는 이전 시료를 완전히 제거함으로써 시험차량의 상태가 교체된 연료에 일치되도록 조치하였다. 시험차량은 시험 전 25±5, 습도 50±10% 상태로 유지된 soaking room에서 12시간 이상 soaking하여 온도 및 기타 외부 환경 요인에 의한 변인을 제거하였다. 시험 데이터는 각 시험 조건별로 최소 3회 이상 반복 시험을 진행하여 그 평균값을 취하였다.

3. 결과 및 고찰

3.2 바이오알코올 혼합에 따른 배출가스 특성

3.2.1 입자상 물질 개수(PN) 배출 특성

CVS-75 모드에서의 바이오알코올 종류 및 함산소제에 따른 입자상 물질의 개수 변화를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3.

Particle number by evaluation samples and vehicle type in CVS-75 mode

일반적으로 산소함량이 증가함에 따라 입자상 물질이 감소하는 것으로 알려져 있다²⁶⁾. 하지만 이번 연구에서는 산소함량 차이에 따른 입자상 물질 개수의 변화는 확연히 나타나지 않았다. 전체적으로 모든 평가 시료에서 산소가 미포함된 sub octane gasoline 대비 입자상 물질의 개수가 적게 나타났으나, EB6나 B6 대비 산소함량이 상대적으로 낮은 MTBE 시료의 경우 산소함량이 가장 높은 E6 시료와 유사한 수준으로 입자상 물질의 개수가 적게 나타났다. 이는 시료별 산소함량 차이에 의한 영향이 성분이 적을수록 입자상 물질을 적게 배출한다고 알려진 밀도나 올레핀, 방향족 성분과 같은 입자상 물질에 영향^25,27,28)을 미치는 타 물성과의 복합적인 작용에 기인한 것으로 판단된다. 시험 차종별로는 GDI 차량인 Vehicle #1이 PFI 차량인 Vehicle #2 대비 모든 시료에서 입자상 물질이 적게 나타났다. 일반적으로 연소실 내에서 혼합기가 충분히 혼합될 시간이 없는 GDI 차량에서 입자상 물질이 PFI 차량 대비 많이 발생하는 것으로 알려져 있으나 시험용 GDI 차량은 EURO 6 대응 차량으로서 강화된 PN 규제에 대응해 연소 성능을 개선한 결과에 기인한 것으로 보인다.

3.2.2 연비 및 규제 배출가스 특성

바이오알코올 종류 및 함산소제 혼합에 따른 비메탄탄화수소(NMHC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 배출량 변화를 Figs. 4, 5에 나타내었다.

Fig. 4.

Result of exhaust emission in CVS-75 mode

Fig. 5.

Result of exhaust emission in HWFET mode

바이오알코올과 함산소제가 포함된 연료의 사용은 일산화탄소와 탄화수소는 감소시키고 NOx 배출은 증가시키는 것으로 알려져 있다^22,23). 그러나 본 연구에서는 평가 시료의 산소함량에 따른 배출가스의 유의미한 변화는 관찰되지 않았다.

CVS-75 모드 Vehicle #1과 Vehicle #2에서 불완전 연소에 의해 발생되는 CO는 함산소제가 미포함된 sub octane gasoline 대비 모든 시료에서 낮게 배출되었으나, 각 시료의 산소함량 차이에 의한 상관관계는 나타나지 않았다. NMHC와 NOx는 CO 대비 배출량이 매우 적고 결과도 각 평가 시료 간 시험 편차 수준의 결과를 나타내었다. 전체적으로 평가 시료와 규제 배출가스 간 유의한 상관관계는 보이지 않았다.

HWFET 모드에서도 산소함량, 옥탄가 등 주요 물성과 모든 규제 배출가스 간의 유의한 경향성을 확인할 수 없었으며, NMHC의 경우 배출량이 너무 적어 배기분석기에 유의미한 값이 측정되지 않았다.

결과적으로 규제 배출가스는 바이오알코올 혼합비율이 낮아 연료의 특성 변화가 크지 않고 차량에 설치된 삼원촉매에서 대부분 제거됨으로써 나타난 효과에 기인한 것으로 사료된다.

Fig. 6은 각 시료에 따른 연비 차이를 보여준다. 본 연구에 사용된 바이오알코올과 함산소제의 발열량은 휘발유보다 낮아 sub octane gasoline 대비 연비가 감소하는 것이 일반적이나²³⁾, 두 시험차량 모두 CVS-75 및 HWFET 모드에서 시험 편차 수준 내의 연비 변화를 나타내었다. 이는 함산소 연료 혼합에 따른 발열량 감소와 RON 상승에 따른 점화시기 최적화에 의한 연소효율 상승효과가 서로 상쇄되어 나타난 현상으로 추정된다.

Fig. 6.

Result of fuel economy in CVS-75 and HWFET mode

3.2.2 미규제 배출가스 특성

Fig. 7에는 유해 발암물질인 아세트알데하이드와 포름알데하이드의 배출 특성을 나타내었다. 다수의 연구에서 에탄올을 비롯한 알코올 연료는 연소 시 알데하이드 발생량을 증가시킨다는 연구²⁵⁾ 결과가 있다. 본 연구에서도 바이오알코올 등 함산소제가 포함된 시료는 sub octane gasoline 대비 절대적인 배출량의 차이는 있으나 배출가스 내 알데하이드가 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만 바이오알코올 종류 및 함산소제에 따른 알데하이드 배출량 차이는 유의한 결과를 나타내지 않았다.

Fig. 7.

Result of aldehyde emission in CVS-75 mode

4. 결 론

본 연구는 바이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오에탄올과 부탄올 혼합 알코올을 저농도로 혼합한 휘발유(sub octane gasoline)의 평가를 통해 저농도 바이오알코올이 스파크 점화 차량의 배출가스와 연비에 미치는 영향을 분석하였다.

1) 함산소 기제인 바이오알코올과 MTBE 혼합 효과로 옥탄가와 산소함량, 밀도 등은 상승하였으며, 올레핀과 방향족 성분은 혼합에 의한 희석 효과로 인해 sub octane gasoline 대비 상대적으로 낮은 값을 나타내었다.

2) 바이오알코올 및 함산소기재가 혼합된 평가 시료는 산소가 미포함된 sub octane gasoline 대비 입자상 물질의 개수가 감소하는 결과를 보임으로써 함산소 물질에 의한 입자상 물질 저감 효과는 확인할 수 있었다. 반면, 산소함량 증가에 따른 입자상 물질 개수의 차이는 명확히 나타나지 않았다.

3) 불완전 연소에 의해 발생되는 CO는 냉간 운전기간이 포함된 CVS-75 모드에서는 sub octane gasoline 대비 모든 시료에서 낮게 배출되었으나, 산소 함량 차이에 의한 상관관계는 나타나지 않았다. NMHC와 NOx는 CO 대비 배출량이 매우 적고 결과도 각 평가 시료 간 시험 편차 수준의 결과를 나타내어 평가 시료와 규제 배출가스 간 유의한 상관관계를 보이지 않았다. 연비의 경우도 시험 편차 수준의 결과를 나타냈다.

4) 유해 발암물질인 알데하이드의 경우 바이오알코올 등 함산소제가 포함된 시료에서 배출량이 증가하는 경향을 보였으나, 바이오알코올 종류에 따른 알데하이드 배출량은 유의미한 결과가 나타나지는 않았다.

5) 저농도 알코올 혼합에 의한 평가 결과 기존 시판 휘발유(MTBE 혼합) 대비 바이오알코올 혼합 시료들에서 연비나 배출가스 등의 유의미한 성능 차이는 확인할 수 없었으나, 휘발유 차량의 개조 없이 저농도 바이오알코올 혼합하여 사용할 수 있으며, 국내 도입 시 입자상 물질 감소에 따른 대기 환경개선과 국가적 차원의 수송부문에서 온실가스 감축에 일정 기여할 것으로 보인다.

Acknowledgments

본 연구는 2016년 산업통상자원부 에너지기술 개발사업의 재원으로 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다(‘E3 급 수송용 바이오연료의 국내 적용성 향상을 위한 최적화 기술개발’, NO. 20163010092160).

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