이동식 배출가스 측정장비를 이용한 건설기계의 실제 작업조건 배출가스 특성에 관한 연구 = A study on the characteristic of real operating emissions from construction equipment with portable emissions measurement system (PEMS)

국문 초록 (Abstract)

건설기계를 비롯한 비도로 이동오염원은 전체 대기오염물질 배출량 중 질소산화물(NOx)은 25.9%, 초미세먼지(PM2.5)는 16.4%를 차지하여 주요 배출원으로 떠오르고 있다. 이러한 수치는 비도로 이동오염원 중에서 건설기계가 선박 다음으로 높은 배출량을 보이는 결과이며, 자동차의 배출가스 관리가 점차 강화되고 있어 상대적으로 건설기계의 배출량 비율이 높아질 것으로 예상되므로 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
유럽은 건설기계에 대한 배출가스 관리를 강화하기 위하여 2019년부터 Stage V 기준을 적용하였으며 우리나라도 이와 동일한 기준을 적용하여 건설기계 차기 배출허용기준을 2020년 12월부터 시행하였다. 유럽 Stage V에는 건설기계의 실제 작업조건에서 배출가스를 측정하여 그 결과를 인증기관에 제출하는 In Service Monitoring 제도가 포함되어 있으며, 향후 데이터가 충분히 확보된 이후에는 실제 규제로 이어질 전망이다. 이에 우리나라도 국내 실정에 적합한 건설기계 실작업 조건 배출가스 평가방법이 필요한 시점이다.
본 연구에서는 국내 주요 건설기계인 굴착기와 로더 및 지게차에 이동식 배출가스 측정장비(PEMS)를 탑재하여 실작업 조건 시험을 수행하였고, ECU로부터 엔진 출력정보를 취득하여 오염물질 배출특성을 분석하였다.
실작업 시의 엔진 운전영역을 분석한 결과 건설기계의 종류에 따라 인증모드와 차이가 있는 것을 확인하였으며, 이는 일량 발생에 따른 시험시간 및 연소에 의한 배출가스 특성에도 영향을 주므로 시험방법 수립 시 고려해야 할 주요한 인자라는 결론을 얻었다.
실작업 배출가스 분석 결과 일부 건설기계에서 cold조건 작업 시 NOx가 과다 발생하였고, 엔진이 공회전하는 무부하 정지상태에서 CO가 과다발생 하였다. 특히 지게차는 작업 중 배기가스 온도가 낮아 저감장치의 효율이 떨어지는 특성을 확인하였다.
실작업 시 부하에 따른 배출특성을 분석한 결과, 굴착기와 로더는 전반적으로 부하가 상승할 때 CO, NOx 및 입자개수 모두 비례하여 증가하는데 반해, 지게차에서는 NOx의 경우 배기가스 온도가 급격히 떨어지는 저부하 조건에서 반대로 높아지는 결과를 확인하였다. 특히 지게차는 적재중량에 따라 엔진 부하특성과 배출특성이 달라졌으므로 실작업 규제 도입 시에는 이를 고려한 표준 하중조건 설정이 필요함을 확인하였다.
이동평균구간 분석방법(MAW)을 적용하여 배출가스를 분석한 결과 굴착기와 로더는 모든 구간에서 배출허용기준을 만족하였으나 지게차는 모든 구간에서 NOx와 입자개수가 매우 높은 배출량을 보임을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로 각 건설기계에 실작업 조건 배출가스 평가방안 설정 시 고려되어야 할 주요 인자와 저감기술의 개선 방향을 제시하였다. 이는 향후 국내 건설기계 실제 작업조건 규제를 수립하는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Non-road mobile pollutants, including construction equipments, are emerging as major sources of emissions, accounting for 25.9% in NOx, 16.4% in PM2.5 of the total air pollutant emissions. Among non-road mobile pollutants, construction equipments produce the second largest amount of emissions after ships. Due to improvement of emission management system for automobiles, the ratio of emission of construction equipments is expected to increase.
In order to improve emission management for construction equipments, Europe applied Stage V standard from 2019, and Korea also implemented the same emission standard for construction equipments from Dec. 2020. European Stage V includes the In Service Monitoring System, which measures emissions of real working conditions from construction equipments and submits the results to certification authorities. It is expected to lead to real working regulations after sufficient data is obtained from the system. Therefore, it is necessary to establish test methods for emissions of real working conditions from construction equipments suitable for domestic situations.
In this study, a PEMS(Portable Emission Measurement System) used for measure emissions of excavator, loader, and forklift, which are major construction equipments in Korea. Engine output information was obtained from the ECU.
As a result of engine operation area during real working, there was a difference from the certification mode depending on the type of construction equipment, and it was concluded that engine operation area is a major factor to consider in establishing the test method since it affects the test time and the emission characteristics by combustion.
In some construction equipments, NOx in cold conditions and CO in idle conditions were excessive. In particular, forklift had a low exhaust gas temperature during whole working, which caused the low efficiency of the reduction system.
As a result of emission characteristics according to engine load, CO, NOx and PN increased proportionally in excavator and loader as the load increases. However, in forklift where SCR was not working properly, CO, PN and NOx were trade-off relationships each other. Especially, forklift had different engine load characteristics and emission characteristics depending on the workload. It was confirmed that standard workload condition for forklifts is necessary to the introduction of work regulations.
The analysis of emissions by applying MAW(Moving Averaging Window) method confirmed that excavator and loader met emission standards in all sections, but NOx and PN in forklift exceeded emission standards in all sections.
Based on these results, major factors to be considered was presented when establishing the real working emission evaluation plan for construction equipments. These can be used as basic data for establishing regulations on real working conditions of domestic construction equipments in the future.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구 목적 4
• 제2장 배출가스 규제 현황 및 시험 모드 5
• 2.1 건설기계 배출가스 규제 동향 5
• 2.1.1 유럽의 건설기계 배출가스 규제 동향 5
• 2.1.2 미국의 건설기계 배출가스 규제 동향 9
• 2.1.3 중국의 건설기계 배출가스 규제 동향 10
• 2.1.4 국내의 건설기계 배출가스 규제 동향 11
• 2.2 NRTC(Non-Road Transient Cycle) 모드 13
• 제3장 실험 장치 및 실험 방법 16
• 3.1 실험 대상 건설기계 16
• 3.2 이동식 배출가스 측정장비(PEMS) 20
• 3.3 건설기계 실작업 배출가스 분석 방법 23
• 3.3.1 이동평균구간방법(MAW) 23
• 3.3.2 NTE(Not To Exceed) 방법 26
• 3.4 실험 방법 27
• 3.4.1 굴착기 실험 방법 27
• 3.4.2 로더 실험 방법 28
• 3.4.3 지게차 실험 방법 29
• 제4장 연구 결과 및 고찰 31
• 4.1 건설기계의 작업 모드에 따른 운전특성 31
• 4.2 실작업시의 배출가스 특성 36
• 4.2.1 엔진 일량 당 배출가스 36
• 가. 굴착기의 배출 특성 36
• 나. 로더의 배출 특성 38
• 다. 지게차의 배출 특성 40
• 4.2.2 건설기계의 거동에 따른 배출가스 시변화 43
• 가. 굴착기의 시변화 특성 43
• 나. 로더의 시변화 특성 46
• 다. 지게차의 시변화 특성 49
• 4.2.3 이동평균구간 분석방법에 따른 건설기계 실작업 배출특성 52
• 제5장 결론 56
• Reference 60
• Abstract 63