[첨단 헬로티]

자동차 배출 입자는 디젤 트럭을 중심으로, 자동차로 인한 대기 오염의 대표로 여겨져 왔다. 그러나 2000년경에 등장한 Diesel Particulate Filter(DPF)의 등장으로 상황은 크게 변화했다.

DPF는 다공질 필터로 이루어져 있으며, 그 포집 효율은 일반적으로 90%를 넘고 포집된 입자는 재생 제어라고 불리는 고온 운전으로 연소 제거되기 때문에 지속적으로 사용하는 것이 가능하다. 이 DPF의 보급으로 디젤차의 입자 배출은 격감했다. 일반적으로 자동차 배출 입자의 평가에는 필터를 이용해 입자를 포집해 그 무게를 측정하는데, DPF 장착 엔진 배출 입자는 이 필터법으로 측정이 곤란할 정도까지 급감했다.

그림 1에는 DPF 장착 차량(왼쪽)과 장착하지 않은 차량(오른쪽)에서 입자를 포집한 필터의 사진을 나타냈다. DPF를 장착하지 않은 차량에 이용한 필터는 검게 되어 있으며 입자를 육안으로 볼 수 있지만, DPF 장착 차량에서는 육안으로도 시험 전의 필터와 차이를 확인할 수 없다. 시험에 이용하는 필터의 무게는 100mg 정도가 일반적인데, DPF 장착 차량 입자는 경우에 따라 10μg 이하이다. 따라서 100mg 필터의 10μg 중량 변화를 시험 전후에 확인해야 한다. 

▲ 그림 1 디젤 입자를 포집 후의 필터 (오른쪽 : DPF 없음, 왼쪽 : DPF 있음)

이러한 배경에 의해, DPF 장착 차량의 입자 배출을 측정할 수 있는 감도를 가진 새로운 계측법 개발이 기대됐다. 이러한 기대를 받고 발전한 것이 입자 개수 계측이다. 생활환경 등 일반 대기에서도 부유하고 있는 입자는 수천 개/cc 정도 존재하고, 이들 입자를 안정적으로 계측하는 기술이 이미 확립되어 있다.

계측 방법으로서는 하전입자의 전류 측정과 산란광 계측이다. 전류 측정에서는 입자를 하전장치에 의해 하전시키고, 그 입자가 전극에 충돌할 때에 발생하는 전류를 계측하는 것이다. 또한, 산란광 계측에서는 레이저 등의 광원에서 나온 광로를 입자가 횡단할 때에 발생하는 산란광을 측정한다. 일반적으로 농도로 보면, 입자는 100nm 이하 지름의 입자가 지배적이며, 일반 광원으로는 이러한 초미세 입자의 산란광을 측정하는 것은 어렵다. 그래서 입자를 부탄올 등의 포화 증기에 접촉시킴으로써 입자를 핵으로 한 포화 증기의 응집에 의해 입자지름을 증대시키고, 그 후에 산란광을 측정하는 응집 입자 카운터(Condensation Particle Counter; CPC)를 이용하는 것이 일반적이다. 전류 측정, 산란광 계측 모두에서 원리적으로 입자를 1개씩 계측 가능하며, 중량법과 비교하면 매우 고감도의 계측이 가능하다. 또한 이들 계측은 중량법과 달리 수량 계측이 가능하다는 장점이 있다.

문제점으로서는 전류 측정에서는 입자의 하전 효율 및 다하전 입자의 발생률이 입자지름에 의존하는 점, CPC의 경우는 샘플 가스 온도 등의 주변 환경 영향을 받기 쉬운 점 등이 있다.

또한, 장치에 의존하지 않고 입자수 계측을 할 때의 문제점으로서는 휘발성 입자의 취급이다. 그림 2에는 일반적인 디젤 엔진에서 배출되는 입자의 입자지름 분포를 나타냈다. 배출 입자는 거의 100nm 이하의 입자인 동시에 10nm와 70nm 부근에 피크를 갖는 바이모달(Bimodal)의 형상을 나타낸다. 10nm 부근에 피크를 갖는 입자를 nucleation mode, 70nm 부근의 입자를 accumulation mode라고 부른다. 이 중에서 accumulation mode 입자는 이른바 고체의 그을음이 대부분을 차지하는데, nucleation mode 입자는 대부분이 액체 방울 모양의 입자로 계측 조건에 따라 응집하거나 휘발하거나 하기 때문에 계측재현성을 현저하게 저하시킨다. 또한, 그림 2에 나타냈듯이 보통 조건에서는 이 불안정한 nucleation mode 입자 쪽이 accumulation mode 입자보다 압도적으로 많은 것이 일반적이다.

▲ 그림 2 디젤 엔진 배출 입자의 농도 유형 분포

인증시험의 개수 계측(PN)법의 도입

 

위에서와 같은 상황 하에서 유럽에서는 중량법을 보완 대체하는 새로운 인증 시의 입자 계측법 도입 검토가 2000년대에 이루어졌다. 그 결과 새로운 입자수 계측(PN)법이 책정되어 자동차의 형식 인증 프로세스에 도입됐다. 이 PN법의 개요를 그림 3에 나타냈다.

▲ 그림 3 PN법의 장치 개요

이 계측법은 Volatile Particle Remover(VPR)와 Particle Number Counter(PNC)의 두 단계로 나누어진다. 전량 희석장치에 의해 희석된 배출가스는 50% 컷오프 입자지름(D50)이 2.5μm의 분급장치를 거쳐 VPR부에 도입된다. 여기에서는 2단계의 희석, 가열에 의해 불안정한 휘발성 입자가 제거되고, PNC부에서 입자 개수 계측이 이루어진다．PNC로서는 CPC를 이용하는 것을 상정하고 있으며, CPC에서는 포화 증기의 온도, 접촉 시간을 변화시킴으로써 검출 하한 입자지름을 설정하는 것이 가능하다. 그래서 검출 하한 측 D50이 23nm으로 함으로써 VPR에 의해 nucleation mode 입자 제거를 완벽하게 할 수 없었던 경우에도 PNC가 nucleation mode 입자가 존재하는 입자지름 범위의 입자를 측정하지 않기 때문에 nucleation mode 입자의 영향을 제거할 수 있게 된다. 따라서 PN법의 측정 대상은 23nm 이상의 고체 입자수라는 것이다. 또한, 이 글에서는 기존의 중량법에 의한 결과를 PM, PN법에 의한 결과를 PN라고 칭한다.

이 PN법을 형식 인증 프로세스에 도입하는데 있어서는 세계 각국의 평가시험(Inter-Laboratory Correlation Exercise; ILCE)이 이루어지고, PN법과 PM법의 비교가 이루어졌다. 그 결과, 계측 안정성에 대해서는 PN법과 PM법에서 거의 동등했다. 단, ILCE의 결과 중에서 계측 안정성 비교 이상으로 중시된 것이 그림 4에 나타낸 여러 가지 엔진의 PM 및 PN의 배출 실태이다. 이에 따르면, PN 배출량은 PM에 비해 엔진의 차이에 의한 배출량의 차이가 크다. 이것으로부터 PN법은 기존의 중량법에 비해 자동차 배기 배출 측정에서 감도가 높다고 결론지어졌다. 이 결과를 받아들여 유럽에서는 2011년에 디젤 소형차에 PN법에 의한 PN 규제가 도입됐다. 그 때의 규제값은 6×1011/km이며, 이는 그림 4에 나타낸 시험 결과에서 1대를 제외한 DPF 장착 차량이 달성하고 있는 배출 수준으로, 실질적으로는 디젤 경량차에 DPF의 장착을 의무화하는 것이 됐다.

▲ 그림 4 여러 가지 엔진의 PM 및 PN 배출량 비교

또한, PN법이 PM법보다 감도가 좋다고 하는 것은 그림 5에 나타낸 결과로부터도 알 수 있다. 이것은 DPF 장착 중량차용 엔진을 이용한 냉태 시동에서부터 4회의 Worldwide Heavy duty Transient Cycle(WHTC) 시험을 연속으로 실시, 순서대로 COLD 시험, HOT_1 시험, HOT_2 시험, HOT_3 시험이라고 칭한다. 그 결과로부터 3회의 HOT 시험 결과를 COLD 시험의 결과로 나눈 것을, PM (a)와 PN (b)에 대해 나타내고 있다.

▲ 그림 5 연속하는 3회의 HOT 시험에서 PM (a) 및 PN (b)

(결과는 직전에 실시한 COLD 시험 결과로 나눈 값)

PM에서는 3회의 HOT 시험 결과에 차이는 거의 보이지 않지만, PN에서는 HOT 시험을 진행함에 따라 배출량이 감소해 가는 것을 재현성 좋게 확인할 수 있다. 이것은 시험을 반복함으로써 엔진이 난기되어 배출 입자가 저감되어 있는 것에 의하지만, PN법에서는 이 현상을 확인할 만큼의 충분한 감도를 가지고 있는 것에 대해, 중량법에서는 감도가 낮기 때문에 확인할 수 없다는 것을 시사하고 있다.

PN법에 관한 연구 등

1. PN 규제값의 PM 환산

원래 PMP-PN법 개발의 목적은 PM 중량 계측법을 보완 대체하는 계측법을 개발하는 것이었다. 또한, 설정되어 있는 대기 환경 기준에서는 입자상 물질은 중량에 의해 정의되어 있기 때문에 PN법을 자동차 배출 입자의 규제에 이용한 경우에는 배출원과 대기 환경의 평가 방법이 다르게 되어 일관성이 없다. 이 상태를 타개하기 위해서는 PM과 PN의 상관성을 예측할 필요가 있다. 그래서 상관성을 다양한 차량을 이용해 조사한 결과를 그림 6에 나타냈다. 이에 따르면, 1012/km 오더의 PN과 1mg/km 오더의 PM에는 명확한 상관이 있다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 6 여러 가지 차량, 모드의 PN와 PM의 상관

2. DPF 재생 주기와 PN 배출 특성

DPF는 포집된 입자상 물질을 주기적으로 연소 제거하는 이른바 DPF 재생을 할 필요가 있다. 이 DPF 재생이 PM 및 PN에 미치는 영향을 조사한 결과를 그림 7에 나타냈다. 이것은 DPF가 있는 대형차를 이용해 섀시 다이너모 상에서 JE05 사이클을 반복했을 때의 PM 및 PN의 값을 재생이 발생한 테스트 사이클의 시험 횟수로 나타낸 것이다. 이 중에서 검은 점이 재생 시의 배출을 나타내고 있다. 이에 따르면 PM은 재생 시에 보통의 3배 정도의 배출을 나타내고, 그 이외의 조건에서는 거의 일정한 값을 나타내고 있다.

▲ 그림 7 재생 후 사이클 수에 대한 PM 및 PN 결과의 추이

한편 PN은 재생 시에 높은 값을 나타내고, 그 후 지수함수적으로 감소해 가는 것을 알 수 있다. PN의 배출이 안정되는 것은 DPF 재생의 발생에서 10회 정도 시험을 반복한 이후였다.

이러한 DPF의 상태에 따른 배기 배출의 변화에 ??대해서는 인증시험에서도 고려되고 있으며, 인증값은 재생 시와 통상 시의 배출량을 재생 빈도를 고려한 가중치 평균에 의해 산출한다. 단, PN이 나타낸 재생 종료 후 배출이 안정될 때까지의 변화는 고려되어 있지 않다.

또한, 그림 8에는 DPF 재생 주기 전체의 평균값에 대한 각 테스트 사이클의 기여를 나타냈다. 이에 따르면 평균값인 81%는 재생이 발생한 테스트가 기여, 그 후의 2사이클과 합치면 전체의 99%를 차지한다. 그리고 보통 인증 시에 이루어지는 DPF가 안정된 상태의 시험 결과 평균값에 기여하는 것은 거의 없다는 결과가 됐다.

▲ 그림 8 평균 PN에 대한 재생을 포함하는 각 사이클의 기여

3. 검출 하한 D50의 미세 입자지름 측으로 확대

현재 PN법에서는 앞에서와 같이 D50은 23nm로 되어 있다. PN법 개발의 하나의 요인이 된 더욱 미세한 입자일수록 인체에 대해 높은 독성을 가질 가능성을 생각하면, D50은 가능한 한 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 가솔린 직분차 PN은 디젤차 PN에 비해 입자지름의 피크가 미세 입자지름 측으로 이동하고 있을 가능성이 시사되고 있다. 이상의 것으로부터 D50을 23nm보다 미세 입자지름 측으로 변경해야 한다는 논의가 있다.

그러나 D50을 낮추는 것은 장치의 교정 등을 어렵게 해, 인증용 장치로서 가장 중요한 장치의 동등성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 그래서 D50을 내린 경우의 영향에 대해 검증을 했다. 우선 D50이 2.5nm인 CPC를 이용해 PMP- PN법의 교정 순서에 따른 검출 효율 평가를 10nm 이하의 입자를 이용해 실시했다. 그때의 CPC 입구의 교정 입자의 개수와 검출 효율의 변동계수(표준편차/평균값)를 그림 9에 나타냈다. 미세한 입자일수록 확산에 의한 손실이 크기 때문에 입자발생장치에서 CPC 입구까지의 거리는 최대한 짧게 했는데, 5nm보다 미세한 입자를 이용한 교정에서는 CPC 입구의 입자 농도는 1000개/cc를 하회하는 값이 됐다. 또한, 변동계수는 10nm에서는 충분히 낮은 값이었지만, 입자 농도가 낮아지는 5nm보다 미세한 입자지름에서는 10%를 넘는 결과가 됐다.

▲ 그림 9 교정에 이용한 입자수 및 검출 효율 교정 결과의 변동계수

다음으로 미세한 입자를 이용해 입자 손실 보정계수를 산출했다. VPR에서 입자 손실은 보정하기 때문에 다음에서 요구되는 PCRF라는 값이 이용된다.

PCRF(n) = VPR 입구의 입자 농도/VPR 출구의 입자 농도

n : 입자지름

이것은 입자 손실을 포함하는 희석 배율이라고 생각할 수 있으며, PMP-PN법에서는 30, 50 및 100nm에서 이 PCRF를 구해 두고, 이 3가지 입자지름 값의 평균값을 이용해 입자 손실을 보정하고 있다. 또한, 이 값을 가스를 이용해 산출한 희석 배율로 나누는 것으로 입자 손실만의 보정계수가 된다. 이 손실 보정계수를 PMP-PN법으로 구해진 30, 50 및 100nm에 더해 15nm에서 측정한 결과를 그림 10에 나타냈다.

▲ 그림 10 15, 30, 50 및 100nm에서 PCRF/희석률의 실험값

이 결과에 따르면 입자지름이 작아질수록 입자 손실이 증가하는 경향을 확인할 수 있고, 15nm에서는 손실이 30% 이상이 되는 결과였다. 이 결과 문제가 되는 것은 입자지름 분포를 고려하지 않고 보정을 하고 있는 현재의 PMP-PN법의 손실 보정을 어떻게 변경해야 할까? 하는 점이다. 우선 기존대로 3점의 보정인 경우에는 미세 입자지름 측에서 많은 손실이 발생하기 때문에 과소평가가 되어 버리는 점이다. 반대로 15nm의 값을 사용하면, 전체 보정계수가 큰 값이 되어 버리기 때문에 과대평가가 될 가능성이 있다.

맺음말

현재 유럽의 자동차 배출 입자 규제에 이용되고 있는 PN법은 23nm 이상 고체 입자의 배출 입자수를 평가하는 방법이다. 이 방법은 기존의 중량법에 비해 감도가 높다. 또한 그 계측 결과는 배출 PM과 일정한 상관을 나타낸다. 또한, DPF의 상태에 강하게 영향을 받기 때문에 배출 PN은 재생 주기에 맞춘 변동을 나타낸다. 이 방법의 검출 하한을 낮출 경우에는 10nm까지이면, 특별히 교정 상의 문제는 생기지 않는다고 생각된다. 그러나 15nm 입자의 투과 효율은 30nm 이상의 입자에 비해 현저히 낮기 때문에 그 보정 방법에 대해서는 논의가 필요하다. 

山田 裕之

도쿄전기대학 공학부 기계공학과 

本 記事는 日本 「計測自動制御學會」가 發行하는 「計測と制御」誌와의  著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.