경유 및 cng 버스 노후화(연식)가 대기오염에 미치는 영향...

최종보고서

경유 및 CNG 버스 노후화(연식)가 대기오염에

미치는 영향 연구

2013. 12.

연구수행기관 : 한국환경정책·평가연구원

환경부

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 「경유 및 CNG 버스 노후화(연식)가 대기오염에 미치는

영향 연구」의 최종보고서로 제출합니다.

2013년 12월

한국환경정책․평가연구원장

연구책임자: 추장민(KEI 연구위원)

연구참여자: 강광규(KEI 선임연구위원)

정성운(KEI 연구원)

이수연(KEI 연구원)

김종원(KEI 연구원)

- I -

요 약

1. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 적용기술

가. 연식별 경유 및 CNG 버스 배출가스 규제 현황

1) 경유자동차 배출가스 규제 현황

우리나라는 1984년 7월부터 경유자동차의 배출가스에 대한 규제를 시행하

기 시작했으며 배출기준을 단계적으로 강화해 왔다. 구체적으로 1996년 우리

나라 중량 경유자동차에 대한 대기오염물질 배출허용기준을 살펴보면, NOx

의 경우 미국 1990년 수준의 약 40%, 유럽연합(EU) 1993년 수준의 약 22%

정도 완화된 수준에 머물렀다. 하지만 2002년 이후에는 미국, EU와 같은 선

진국 수준으로 규제가 강화되었고, 시내버스의 경우 2014년부터는 EURO-6가

적용될 예정이다.

적용연도 CO HC NOx PM 입자개수#/kWh 매연

비고(측정방법/EURO기준)

96.1.1 4.9 1.2 11.0 0.9 35%이하

98.1.1 4.9 1.2 6.0(9.0) 0.25(0.5) 25%이하

2000.1.1 3.0 1.0 6.0 0.2 20%이하

2002.1.1 2.1 0.66 5.0 0.15(1.0) 15%이하 EURO-2

2003.1.1 2.1 0.66 5.0 0.1 15%이하K=0.8m-1

EURO-3

2006.10.1/2008.1.1 1.5/4.0 0.46/0.55 3.5/3.5 0.02/0.03

10%이하K=0.5m-1 EURO-4

2009.9.1/2010.10.1 1.5/4.0 0.46/0.55 2.0/2.0 0.02/0.03 K=0.5m-1 EURO-5

2014.1.1/2015.1.1

1.5/4.0 0.13/0.16 0.40/0.40 0.01/0.018x1011이하/6x10

11이하

WHSC/WHTC

EURO-6

<표 1> 경유자동차(버스) 배기가스 배출허용기준

(단위: g/kWh)

주: ( )는 시내버스에 적용; 매연은 D-3모드로 측정, 2003년부터 ELR 모드; 신차/기존차 적용시기; 운전모드:

D-13모드(경유자동차는 2003년부터 ESC, 2007년부터 ETC)

자료: 국가법령정보센터(http://www.law.go.kr/). 「대기환경보전법 시행규칙」중 [별표17 제작차배출허용기준]

- II -

적용연도 CO HC NOx 측정방법

91.2.2 33.5 1.3 11.4 D-13

2000.1.1 33.5 1.3 5.5 D-13

2002.7.1 4.0 0.9 3.5 D-13

2006.1.11.5(0.4) 0.46(0.2) 3.5 ETC

4.0 0.55 3.5 ND-13

2009.1.1/ 2010.7.1 4.0 0.55 2.0 ETC

2013.1.1/ 2014.1.1 4.0 0.14 0.40 WHTC

<표 2> 중량 휘발유 및 가스자동차(버스) 배기가스 배출허용기준

(단위: g/kWh)

2) CNG 자동차 배출가스 규제현황

CNG 버스는 2013년부터 EURO-6 기준보다 약 13% 강화된 기준이 적용되

었다. 신 모델은 2013년 1월부터, 기존 모델은 2014년 1월부터 적용되며 CH4

및 암모니아 기준이 새롭게 도입된다.

주: ( )는 시내버스에 적용; 신차/기존차 적용시기

자료: 국가법령정보센터(http://www.law.go.kr/) . 「대기환경보전법 시행규칙」중 [별표17 제작차배출허용기준]

나. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 배출가스저감 적용기술

1) 연식에 따른 경유버스 배출가스저감 적용기술

경유엔진의 주요 배출가스 저감기술은 1) 엔진 설계기술, 2) 연료개선 및

첨가제 기술, 3)배기가스 후처리장치 기술로 구성된다. EURO-1에서 EURO-6

까지 배출허용기준이 강화됨에 따라 엔진의 Turbo-intercooler화, 연료 분사

계의 전자화·고압화, 실린더 헤드의 2-밸브에서 4밸브 전환 등 기술이 적용

되었다. 또한 EURO-4부터는 SCR과 POC(Partial Oxidation Catalyst) 등의

후처리장치가 적용되기 시작하였다. 기술개발에 있어서도 EURO-4 배출허용

기준 적용 전까지는 배기규제 대응을 위하여 고압분사 및 터보차저를 비롯

한 흡기 시스템 개선 및 이를 통한 엔진의 연소개선에 의한 배출가스를 제

어하는 기술개발에 집중하였다. 반면에 EURO-4 배출허용기준 적용 이후에는

배출가스 후처리장치에 대한 기술개발에 집중하고 있다.

- III -

항목K1998

(~Euro1)

K2000

(~Euro2)

K2003

(Euro3)

K2006

(Euro4)

K2009

(Euro5)

K2014

(Euro6)

배기

가스

NOx / PM

(g/kWh)9 / 0.5 6 / 0.2 5 / 0.1 3.5 / 0.02 2.0 / 0.02 0.4 / 0.01

연료

분사계

제어 방식 기계식 ←

전자식(Com

mon rail

system)

← ← ←

분사 압력(bar) 600~800 900~1000 1400~1600 1600~1800 1600~1800 1800~2400

노즐 분공수 4~5공 5~7공 7~9공 ← ← ←

흡배

기계

밸브 갯수/Cyl. 2-밸브 ← 4-밸브 ← ← ←

공기 흡입방식 NA, TC, TI TI(WGT) ← ← ← TI(VGT)

Cyl.Head

Swirl ratio2.0~3.0 2.0~2.5 1.0~1.5 ← ← ←

후처

리계후처리 장치 - - -

- SCR

-EGR+POC

- SCR

-EGR+POC

(EGR)+DPF

+SCR

<표 3> 배출허용기준 강화에 따른 경유자동차 배출가스 저감기술 변화

자료: D사 내부자료(2013)

이 중에서도 가장 큰 변화 및 발전은 첫째, EURO-3 규제대응을 위해 연료

분사계에서 기존의 기계식 제어방식 대신 전자식 제어방식(Common Rail

System)으로 발전하였다. 전자식 제어방식(Common Rail System)이란, 고압화

한 연료를 축적하여 각 인젝터로 균일하게 공급하는 시스템으로 전자제어방식

을 채용하여 연료의 분사압력, 분사타이밍, 횟수, 분사량 등 각 요소를 컨트롤

함으로써 NOx, PM 저감과 함께 연비를 향상시킨다. 전자식제어방식을 통해

기존의 기계식 제어방식에서 나타난 연소분사계의 연료량 제어 어려움을 해소

하였으며, 엔진회전수와 관계없이 고압분사가 가능하고 연료분무입자를 미립

화할 수 있어 연료와 공기의 혼합이 촉진되어 보다 완전한 연소가 가능하게

되었다. 또한 기존의 분사시스템에서는 실현할 수 없었던 1연소 사이클 당 다

단의 연료분사를 가능하게 하여 배기가스 및 소음의 저감을 달성하였다.

둘째, 후처리장치의 발전이다. 일반적으로 고온(약 2000이상)에서 NOx가

급격히 발생하는데, NOx 발생량을 감소시키기 위해서는 연소온도를 낮춰야

하지만 연소온도를 낮출 경우 연소악화와 연비악화를 유발하게 된다. 이에

연소악화를 방지하기 위하여 EURO-4 부터 SCR, EGR, POC, DPF 등 후처리

장치가 발전하였다. SCR과 EGR은 NOx를 저감하는 후처리장치이고, POC,

- IV -

DPF는 PM을 저감시키는 장치이다.

마지막으로 전자식 연료분사계(Electronic Unit Injector) 기술이 지속적으로

발전하여 1100bar에서 EURO-6 규제대응을 위해 2400bar까지 압력 증가가

가능하게 되었다.

2) 연식에 따른 CNG 버스 배출가스저감 적용기술

CNG 엔진은 EURO-3부터 차량에 적용되었으며, 희박연소(Lean-burn)와 이

론공연비 연소(stoichiometric)방식으로 구분된다. CNG 상용초기에는 희박연

소엔진(Lean-burn)이 적용되다가 EURO-4/5 부터는 OC 등 후처리장치가 추

가되었으며, EURO-6에서는 희박연소/OC+SCR 또는 이론공연비/TWC(삼원

촉매)의 두 가지 방향으로 기술이 발전하고 있다.

배출가스 기준제1단계 제2단계 제3단계 4단계 5단계

2000.1.1 2002.7.1 2004.1.1 2006.1.1 2009.1.1

점화시스템

연 소 불꽃 점화 ← ← ← ←

플러그 백금 ← 이리듐 ← ←

코 일 Coil on plug ← ← ← ←

1차 전류 6.5A ← ← ← 10A

연료시스템

공연비 린번 ← ← ← ←

인젝터 보쉬EV1.3 ← ← ← 보쉬NGI2

공연비 제어광대역

산소센서

←← ← ←

부스트시스템

터 보 WGT ← ← ← ←

부스트제어 배기 웨이스트 ←

흡기 재순환

or

배기 웨이스트

흡기

재순환

흡기 재순환

or

배기 웨이스트

공기량 측정압력/온도

센서← ← ← ←

제어시스템협력사 Woodward ← ← ← ←

제어시스템 OH1.2 ← ← OH2.0 ←

기타타이밍 제어 캠신호 ← ← 캠&크랭크 ←

후처리 없음 ← 산화촉매 ← ←

<표 4> H사 CNG 엔진 기술 동향

자료: H사 내부자료(2013)

- V -

이 중에서도 가장 큰 변화 및 발전은 엔진적용방식과 후처리장치의 적용이

다. 먼저 엔진적용방식에 있어서 CNG 차량의 사용초기에는 엔진의 실린더로

들어가는 혼합기에서 공기가 차지하는 비율을 높이고, 연료의 비율을 낮게 하

여 연비성능을 향상시키는 엔진인 희박연소엔진이 적용되었다. 희박연소엔진

은 공기주입량이 많고 연소시간이 길며 연소온도는 낮다. 또한 시스템 구조가

상대적으로 간단하고 냉각성능의 증대가 불필요한 반면 출력증대에 어려움이

있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 엔진적용방식이 이론공연비 연소

방식이다. 이는 EURO-6 대응기술로 적용될 예정이다. 다음으로 후처리장치의

적용은 2006년 1월 이후 NMHC 저감을 위해 후처리장치인 OC 산화촉매 장

치가 추가되었으며, 이후 HC, CO 배출량의 추가저감을 위해 OC 후처리장치

증대기술을 적용하였다. 희박연소엔진과 OC 후처리장치를 동시에 적용하는

것이 일반적이다.

2. 경유 및 CNG 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감수준 전망

가. 국내외 경유버스 기술개발 동향

1) EURO-6 대응기술 개발동향

향후 디젤엔진 기술발전방향을 대별하면 기술 요소별로 신 연소기술과 현

행 디젤엔진개선기술로 분류된다.

신 연소기술에는 NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수 있는 것으로 알려진 예

혼합 압축착화, 저온연소 등이 있다. 현행 디젤엔진 개선 기술로는 초고압시

스템과 다단분사가 가능하게 해주는 고압연료분사시스템, 소형화 및 경량화,

냉각 및 윤활 최적화, 흡기유동 및 피스톤 보울 최적화, 가변밸브기술과 가변

연소실기술, Atkinson cycle 엔진, 과급과 배기가스 재순환기술 등이 있다.

후처리장치 부분에서는 NOx, PM 배출을 억제하기 위해 DPF와 요소 SCR

촉매 등의 기술이 널리 사용되고 있는데 더욱 강화될 배출허용기준에 대응

- VI -

하기 위해 각 제조사에서는 다양한 방법으로 배출가스 저감을 실현하기 위

한 기술개발을 추진 중에 있다. 또한 요소수의 보급을 필요로 하지 않는

NOx 저감장치인 LNC 시스템과 배출규제물질인 HC를 NOx 정화에 이용하

는 HCㆍNOx 트랩촉매와 같은 새로운 기술이 개발 중에 있다.

2) 국내 경유 버스 기술 연구개발 동향

국내에서는 친환경자동차기술개발사업단, 고려대학교, 한양대학교, 현대자

동차, 오-덱(주) 등이 EURO-6 대응기술과 관련된 연구를 수행하고 있다. 그

중 현대자동차, 오-덱(주)가 수행한「EURO-6 규제 대응 대형 경유차 후처리장

치 개발(환경부, 2011)」이라는 연구사업을 통해 향후 지속적으로 강화될 예정

인 상용디젤엔진의 배출규제에 대한 대응, 특히 2014년 EURO-6 규제기준 대

응을 위한 신규 제작차용 디젤 후처리시스템 개발을 목표로 연구 사업을 추

진한 바 있다. 이러한 연구를 통해 EURO-6 규제기준에 대응하기 위한 촉매

및 캐닝 설계기술을 확보하였으며, EURO-6 규제대응을 위한 De-NOx,

De-PM 시스템으로 DPF/SCR 시스템의 통합제어 기술을 구축하여 적용가능

성을 확인하였다. 또한 향후 적용이 예상되는 입자상 물질과 NH3 배출량에

대한 영향을 확인함으로써 규제 대응이 가능할 것으로 판단하고 있다.

3) 국외 경유 버스 기술 연구개발 동향

국외업체 및 전문연구기관 연구내용에 따르면, 해외업체들은 EURO-4/5 에

대응하기 위해 EGR를 적용한 후 DPF를 장착하는 방식, SCR에 의한 탈질법,

NOx흡장형 촉매를 사용한 3가지 방법을 주로 연구하였으며 유럽에서는

SCR 기술을 선호하고 북미에서는 EGR+DPF 기술을 선호하는 것으로 나타

났다. 하지만 EURO-6 기준을 부합하기 위해서는 DPF나 SCR 기술 한 가지

만으로는 배기규제 만족이 불가능하다고 보고 있으며, 이에 따라 EURO-6 대

응을 위한 기술개발이 추진되고 있다.

- VII -

나. 국내외 CNG 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감효과 전망

1) EURO-6 대응기술 개발동향

EURO-6 대응기술로 Lean burn/OC+SCR 또는 Stoichiometric/TWC(이론

공연비+삼원촉매)의 2가지 방향으로 기술개발이 진행 중에 있다. 먼저 유럽

에서는 Stoichiometric/TWC 기술을 선호하고 있다. 이론공연비는 과잉공기

를 없애 연료량과 공기량의 공급 비율을 이론적으로 필요한 비율로 공급하

여 연소시키는 방식이다. 이론공연비는 CH4저감기술로서 CH4는 저감할 수

있으나 NOx가 증가하는 역효과가 발생한다. 이에 NOx를 저감하기 위하여 삼

원촉매(TWC) 기술을 도입하였다. EGR을 적용한 이론공연비 엔진은 EGR을

적용하지 않은 이론공연비 엔진에 비해 NOx 배출량과 연료소비량을 각각

80%, 19~27%까지 낮출 수 있다. 한편 이론공연비 엔진은 EGR 추가로 시스템

이 복잡하고 내구성 보강이 필요하다는 단점이 있지만 출력 잠재력(potential)

이 유리하며 규제강화에도 쉽게 맞출 수 있어 장기적으로 규제가 강화될 때를

대비하여 희박연소엔진(린번엔진)보다 수요가 클 것으로 전망되고 있다.

Lean Burn Stoichiometric

시스템 희박연소 / SCR+OC 촉매 이론공연비 연소 / EGR+삼원촉매

구조 시스템이 상대적으로 간단EGR 추가로 시스템이 복잡하여 내구성

보강 필요

냉각성능 냉각성능 증대 불필요 20~30% 냉각 성능 증대 필요

출력성능 출력 증대 어려움 출력 잠재력 유리

적용업체 D사 H사 및 유럽 회사

<표 5> Lean burn과 Stoichiometric의 장단점


2) 국내외 CNG 버스 기술 연구개발 동향

국내 자동차 엔진제작사 가운데 H사는 이론공연비+삼원촉매의 방향으로,

D사는 희박연소/OC+SC을 적용한 기술을 각각 채택하여 개발하고 있으며,

해외 CNG 제조업체들도 EURO4/5 부터 희박연소엔진에서 삼원촉매를 적용

한 이론공연비 엔진으로 전환하기 시작하였다.

- VIII -

3. 노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG 버스의 대기오염 배출특성 시험 평가

가. 시험 개요

노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG 버스의 대기오염물질 배출특성 평가를

위해 2003년 및 2006년식 CNG 및 경유버스 각 2대, 2009년식(또는 2010년

식) CNG 및 경유버스 각 3대(대우, 현대), 경유 및 CNG 하이브리드 버스

각 1대씩 총 16대를 선정하였다. 시험모드는 2010년 서울시 버스 평균주행속

도와 가장 유사한 NIER 06모드와 향후 배출규제와의 비교를 위하여

EURO-6 배출규제에서 적용될 WHVC 모드를 선정하였다.

연료 차명 연식주행거리

(km)

엔진

형식

공차중량

(kg)

출력

(ps/rpm)

배기량

(cc)

CNG

현대

슈퍼에어로시티(2대)2003

770,075 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

803,305 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

현대

뉴슈퍼에어로시티(4대)

2006653,148 C6AC 10,600 290/2,000 11,149

874,543 C6AC 10,830 290/2,000 11,149

2009376,077 C6AC 11,020 290/2,000 11,149

428,318 C6AC 11,020 290/2,000 11,149

대우 BS106 2009 353,253 GE12TI 10,705 290/2,200 11,051

현대 뉴슈퍼에어로시티(2대) 2011 - C6AE 11,025 290/2,000 11,149

대우 BS106(2대) 2011 - GL11K 10,875 290/2,200 11,051

경유

현대


392,202 D6AB 10,030 280/2,000 11,149

298,848 D6AB 10,125 280/2,000 11,149

현대 뉴슈퍼에어로시티(3대)2006

703,713 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

594,588 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

2010 344,508 D6HA 10,390 300/1,900 9,960

대우 BS106 2009 456,976 DL08 9,780 300/2,200 7,640

대우 BS090 2009 312,270 DL06 8,440 250/2,500 5,890

현대 뉴슈퍼에어로시티(2대) 2011 - D6HA 10,390 300/1,900 9,960

대우 BS106(2대)2012 - DL08K 10,380 300/2,200 7,640

2011 - DL08K 9,760 300/2,200 7,640

CNG

하이브리드현대 블루시티 초저상 2012 63,169 C6GA 11,730 240/2,500 6,366

경유

하이브리드BC211M 2011 31,784 DL06K 11,320 270/2,500 5,980

<표 6> 시험차량 정보

주) 2011년식 차량은 환경부(2012) 연구에 따른 내용임

분석항목은 규제물질인 CO, HC, NOx, PM, 입자개수와 온실가스인 CO2,

CH4 및 미규제물질인 VOC를 선정하였다. 연비의 경우는 측정된 배출가스

- IX -

(CO, HC, CO2)를 이용한 탄소밸런스 법을 이용하여 계산하였다. 다만, CNG

버스의 경우 국내에 아직 연비계산법이 없어 유럽에서 사용되는 연비계산식

을 사용하였다.

나. 노후화(연식)에 따른 오염물질 배출량 시험결과

1) 시험결과 분석차량 선정

시험 대상차량의 기술적 조건 및 시험결과 등을 분석한 결과, 16대 차량 중 5

대 차량에서 시험결과에 심각한 왜곡을 가져올 가능성이 있는 기술적 문제가 발

견되었다. 즉, 5대의 차량에서 본 연구의 목적인 노후화에 따른 오염물질 배

출량 분석에 적합하지 않는 기술적 문제점을 갖고 있는 사실이 아래와 같이

발견되었다.

첫째, 2003년식 경유버스 시험결과에서 발견된 기술적 문제는 아래와 같다.

2003년식 경유버스는 다른 연식의 경유버스와는 다르게 PM저감장치인 DPF

가 부착된 영향으로 PM 배출량이 상대적으로 낮게 배출되는 것으로 측정되

었다. 이로 인하여 상대적으로 낮게 측정된 시험결과는 연식별 PM 배출량을

왜곡시킬 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 <표 7>에서 확인되듯

이 2003년식 경유버스의 주행거리는 298,848km에 불과하여 2006년식의 1/3

수준이고 2009년식과 거의 유사한 수준을 보여주고 있다. 일반적으로 차량의

운행거리는 노후화의 주요한 지표로 간주되고 있다는 점을 감안할 때, 노후

화가 진행되지 않은 2003년식 경유버스를 노후화에 따른 배출특성을 평가하

기 적합하지 않은 것으로 판단된다.

둘째, 2006년식 경유버스 차량 1대의 시험결과에서도 기술적 문제로 의심되는

문제가 발견되었다. 즉, 2006년식 경유버스 2대의 시험결과를 비교한 결과, 두 차

량간 PM 배출량은 10배, THC는 50배 정도 차이가 나타났다. 이는 차량 한 대에

부착된 저감장치가 파손에 가깝게 고장 난 것에 기하는 것으로 추정된다.

이러한 이유로 2003년식 경유버스를 노후화에 따른 대기오염 영향 및 환경

- X -


(km)

엔진

형식

공차중량

(kg)

출력

(ps/rpm)

배기량

(cc)

CNG 현대 슈퍼에어로시티 2003770,075 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

803,305 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

경유현대 슈퍼에어로시티 2003

392,202 D6AB 10,030 280/2,000 11,149

298,848 D6AB 10,125 280/2,000 11,149

현대 뉴슈퍼에어로시티 2006 703,713 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

<표 7> 시험대상차량 중 제외차량 정보

성·경제성을 분석하는 본 연구의 분석대상에서 제외하였다. 이에 따라 2003년

식 CNG 버스도 경유버스가 제외되어 비교할 대상차량이 존재하지 않은 관

계로 분석대상에서 제외하였다. 또한 2006년식 경유버스 가운데 배출량이 상

대적으로 많은 차량의 시험결과의 대표성에 문제가 있는 것으로 판단되어

분석대상 차량에서 제외하였다. 분석대상에서 제외된 차량은 <표 7>과 같다.

위와 같은 시험차량의 기술적 문제를 고려하여 16대의 시험차량 가운데 5

대의 차량을 제외하고 11대 차량을 선정하여 연식별 오염물질 배출량 특성

분석 및 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 환경성·경제성을 평가하기로 한다.

2) NIER 06 모드의 연식별 오염물질 배출량 시험결과

경유 및 CNG버스 노후화(연식)에 따른 대기오염물질 배출특성을 시험하여

비교평가하기 위해 한국의 시험주행패턴을 가장 잘 반영한 NIER 06 모드를

주행하면서 측정한 오염물질 배출량 시험결과는 <표 8>과 같다.

- XI -

구 분CO

(g/km)

THC(g/km)　NOx

(g/km)PM

(g/km)입자개수(개/km)

CO2

(g/km)

연비(km/l , km/m3)NMHC CH4

2006

년식

CNG

CNG1 0.5279 0.4897 4.4075 7.0295 　0 4.29E+10 764 2.31

CNG2 0.0246 0.0743 0.6686 4.5277 　0 5.24E+10 748 2.39

평균 0.2762 0.2820 2.5381 5.7786 　0 4.77E+10 756 2.35

경유 경유 2 4.3058 0.0361 　0 6.0035 0.0984 1.19E+14 739 3.16

　저감율(%) 93.6 -681.2 　0 3.7 100.0 100.0 -2.3 25.6

2009

년식

CNG

현대 1 0.4715 0.6902 6.2119 10.6215 　0 2.38E+10 686 2.54

현대 2 0.1933 0.0727 0.6540 5.7633 　0 5.72E+10 719 2.49

대우 0.0767 0.4038 3.6343 3.2091 　0 3.37E+11 723 2.56

평균 0.2472 0.3889 3.5001 6.5313 　0　 1.39E+11 709 2.53

경유

현대 0.9485 0.3113 　0 12.7551 0.0319 1.80E+13 721 3.72

경유1 12.3712 0.0638 　0 8.9496 0.0526 1.11E+14 694 3.77

대우 2 8.7061 0.0054 　0 7.5808 0.0380 6.86E+13 738 3.37

평균 7.3419 0.1268 　0 9.7618 0.0408 6.59E+13 718 3.62

　저감율(%) 96.6 -206.6 　0 33.1 100.0 99.8 1.2 30.1

2011

년식

CNG

현대 0.0510 0.9347 8.4122 3.3845 　- 1.06E+11 723 2.40

대우 0.0665 0.7099 6.3887 3.8647 -　 3.66E+11 720 2.43

평균 0.0587 0.8223 7.4005 3.6246 　- 2.36E+11 721 2.42

　

경유

현대 0.8659 0.4779 　0 10.8450 0.0610 2.66E+13 717 3.53

대우 2.7730 0.0237 　0 9.7100 0.0198 3.52E+13 730 3.46

평균 1.8195 0.2508 　0 10.2775 0.0404 3.09E+13 723 3.49

　저감율(%) 96.8 -227.9 　0 64.7 100.0 99.2 0.3 30.8

<표 8> CNG-경유버스 오염물질 배출량 시험 결과(NIER 06 모드)

주) 2011년식 시험결과는 환경부(2012) 연구를 인용한 내용임

3) WHVC 모드의 연식별 오염물질 배출량 시험결과

향후 EURO-6 규제 적용시의 환경성평가 비교를 위하여 EURO-6 규제에

적용될 주행모드인 WHVC 모드를 주행하면서 측정한 오염물질 배출결과는

다음 <표 9>와 같다.

- XII -

구 분CO

(g/km)

THC(g/km)　NOx

(g/km)

PM

(g/km)

입자개수

(개/km)

CO2

(g/km)

연비

(km/l ,

km/m3)NMHC CH4

2006

년식

CNG

CNG1 0.0956 0.2253 2.0277 2.6899 0.00 1.20E+10 498 3.55

CNG2 0.0354 0.0338 0.3038 2.8326 0.00　 6.76E+10 512 3.50

평균 0.0655 0.1295 1.1658 2.7613 0.00 3.98E+10 505 3.53

경유 경유 2 1.4723 0.0216 0 2.7301 0.0428 8.34E+13 462 5.47

　저감율(%) 95.6 -499.5 0 -1.1 100.0 100.0 -9.3 35.5

2009

년식

CNG

현대 1 0.1906 0.2862 2.5755 4.2800 　0.00 8.89E+09 434 4.05

현대 2 0.1203 0.0324 0.2913 1.8306 0.0024 2.00E+10 495 3.62

대우 0.0570 0.2637 2.3735 1.8286 0.00 1.64E+11 563 3.15

평균 0.1226 0.1941 1.7468 2.6464 0.0024 6.43E+10 497 3.61

경유

현대 0.4761 0.2935 0 9.5445 0.0587 9.51E+12 523 5.13

대우 1 2.2655 0.0510 0 6.5100 0.0182 1.95E+13 456 5.85

대우 2 1.8550 0.0056 0 5.1035 0.0134 3.25E+13 488 5.17

평균 1.5322 0.1167 0 7.0527 0.0301 2.05E+13 489 5.38

　저감율(%) 92.0 -66.3 0　 62.5 92.0 99.7 -1.7 33.0

2011

년식

CNG

현대 0.0382 0.3848 3.4629 1.2946 0.00 3.76E+10 555 3.17

대우 0.0607 0.4088 3.6796 1.3545 0.00　 1.73E+11 537 3.27

평균 0.0495 0.3968 3.5713 1.3245 0.00 1.05E+11 546 3.22

경유

현대 0.5889 0.3998 0 7.6300 0.0673 1.29E+13 500 5.06

대우 0.5084 0.0245 0 7.7436 0.0099 1.07E+13 540 4.70

평균 0.5486 0.2122 0 7.6868 0.0386 1.18E+13 520 4.88

저감율(%) 91.0 -87.0 0 82.8 100.0 99.1 -5.1 34.0

<표 9> CNG-경유버스 오염물질 배출량 시험 결과 (WHVC 모드)


다. 배출특성 시험결과 총괄 평가

오염물질별 경유 및 CNG 버스 배출특성은 다음과 같다.

첫째, CO는 CNG버스가 노후화 차량일수록 배출량이 증가하는 경향을 보

이지만 연식별로 큰 차이가 없이 CNG버스가 경유버스보다 93.6%~96.8% 정

도 적게 배출하는 특성을 보이고 있다. 둘째, NMHC는 CNG버스가 경유버

스 보다 배출량이 많고, 연식이 최근일수록 CNG버스의 배출량이 경유버스

보다 상대적으로 많아지는 경향을 보이고 있다. 하지만 NOx 배출허용기준

강화에 따른 기술적 요인으로 인하여 경유버스와 CNG버스 모두 최근 연식

에서 배출량이 증가하는 특성을 보였다. CH4의 경우에도 CNG버스가 경유버

스보다 많이 배출되고 있으며, 연식이 최근일수록 CNG버스의 배출량이 상

- XIII -

대적으로 많아지는 특성을 보이고 있다. 셋째, NOx는 CNG버스보다 경유버

스가 상대적으로 많이 배출하고 있으며, 저감장치 미작동 등 기술적 요인에

의하여 연식이 최근일수록 경유버스의 배출량이 상대적으로 증가하는 특성

을 보이고 있다. 넷째, PM은 CNG버스는 거의 배출하지 않은 것에 비교하여

경유버스는 상대적으로 많이 배출하고 있으며, 연식이 최근일수록 경유버스

의 배출량이 감소하는 특성을 보이고 있다. 이는 경유버스의 경우 노후화 과

정에서 저감장치의 기능저하 등의 요인으로 말미암아 배출량이 크게 증가하

는 것으로 평가된다. 다섯째, 입자개수는 CNG 버스보다 경유버스가 많이 배

출하고 있다. 특히 경유버스의 경우 차량 노후화에 따라 배출량이 증가하는

경향이 뚜렷한 특성을 보이고 있다. 여섯째, CO2는 경유버스와 CNG버스 사

이에 뚜렷한 배출특성을 보이지 않고 있다.

전체적으로 CNG버스 대비 경유버스가 적게 배출되는 오염물질은 THC이

다. 반면에 경유버스는 PM, NOx 및 입자개수에서 CNG버스와 비교하여 상

대적으로 많이 배출하고 있다. 특히 PM의 경우 차량이 노후화 될수록 경유

버스의 배출량이 급격히 증가하는 경향을 보였으며, NOx의 경우 저감장치의

미작동 등의 요인으로 배출허용기준의 강화에도 불구하고 최근 연식에서 배

출량이 증가하는 특성을 보였다. 즉, 노후화와 차량운행조건이 경유버스의

오염물질 배출량에 적지 않은 영향을 미치고 있는 것이다.

이러한 시험결과로 볼 때, 경유버스에 대체하여 추진해 온 CNG버스 보급

정책은 호흡기질환, 심혈관계질환 등 인체건강 직접적인 영향을 미치는 PM

및 오존전구물질인 NOx 등 오염물질배출량을 저감하는데 실질적인 효과를

발휘하고 있는 것으로 평가된다. 더 나아가 대기오염개선을 통해 국민들이

건강을 보호하는데 긍정적인 영향을 미치고 있는 것으로 평가된다.

4. 경유 및 CNG버스 노후화(연식)에 따른 환경성·경제성 평가

가. 경유버스 대비 CNG 버스의 환경성 평가

이상의 연식별 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량을 토대로 연식별 경

- XIV -

유버스 대비 CNG 버스 보급에 대한 환경개선편익을 산출하였다. 본 연구에

서는 환경성 평가방법으로 오염물질 배출량 증감에 따른 환경개선편익의 추

정을 통해 평가하는 방법을 적용하였다. 또한 환경측면의 유익을 비용으로

환산하는 기준으로는 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용을 활용하였다.

1) 노후화(연식)에 따른 경유버스 대비 CNG 버스 오염물질 배출증감 분석

연식에 따른 오염물질 배출량 증감량은 NIER 06모드의 시험결과를 적용하

여 경유버스와 CNG 버스 한 대가 일 년 동안 운행했을 때 발생할 오염물질

배출량을 구한 후, 경유버스를 CNG 버스로 대체했을 때의 오염물질 배출증감

량을 계산하였다. 오염물질 배출증감량 산출을 위해 2007년도 서울시내 일일버

스주행거리 235.46km/day를 적용하였으며, 그 결과는 아래 <표 10>과 같다.

COTHC

NOx PM CO2NMHC CH4

2006년식 경유-CNG

배출증감량346.3 -21.1 -218.1 19.3 8.5 -1461.0


배출증감량609.7 -22.5 -300.8 277.6 3.5 773.5


배출증감량151.3 -49.1 -636.0 571.8 3.5 171

<표 10> 연식별 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량

(단위: kg/대·년)

주1) ‘-’ 는 경유버스 대비 CNG 버스의 배출량 증가를 의미함

주2) 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용이 적용 가능한 CO, NHHC, CH4, NOx, PM 및 CO2의 배출증감량

을 표시함

주3) 2011년식 경유-CNG 배출증감량은 환경부(2012) 연구결과를 활용하였으며, CO2를 제외하고 소수점 이하

한 자리로 적용하여 기재함

2) 노후화(연식)에 따른 경유버스 대비 CNG 버스 환경성 평가결과

경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량과 오염물질별 대기오염의 사회적 한

계비용을 고려하여 각 연식별 환경개선편익을 산출한 결과는 아래와 같다.

2006년식의 연간 환경개선편익은 8,846,369원으로 NMHC와 CH4, CO2를

제외한 다른 오염물질에서 경유버스보다 CNG 버스의 환경개선편익이 더 높

- XV -

은 것으로 확인되었다. 2009년식의 연간 환경개선편익은 9,678,365원이며,

NMHC와 CH4를 제외한 모든 오염물질에서 경유버스보다 CNG버스의 환경

개선편익이 더 높다. 2011년식의 연간 환경개선편익은 환경부(2012) 연구에서

산출된 결과로, 연간 11,632,642원의 환경개선편익이 나타났으며 2009년식과

마찬가지로 NMHC와 CH4를 제외한 모든 오염물질에서 경유버스보다 CNG

버스의 환경개선편익이 더 높은 것으로 확인되었다.

CO NMHC CH4 NOx PM CO2 합

2006년식 1,953,219 -138,466 -94,617 253,359 6,903,051 -30,178 8,846,369

2009년식 3,438,928 -147,588 -130,479 3,639,286 2,862,241 15,976 9,678,365

2011년식 658,387 -248,261 -275,863 5,781,421 2,184,953 3,532,005 11,632,642

<표 11> 경유 버스 대비 CNG 버스 1대당 오염물질별 연간 환경개선편익

주) 2011년식의 환경개선편익은 환경부(2012)의 자료를 그대로 활용하였으나, 환경개선편익의 산출과정에서 적

용한 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용이 2006년식, 2009년식과 차이가 있음. 2011년식의 대기오염

의 사회적 한계비용은 서울(경기)지역에 보급된 차량에 대해서는 EC수백만 기준을, 기타지역에 보급된 차량

에 대해서는 EC백만 기준을 활용하여 추정한 비용임

나. 경유버스 대비 CNG 버스의 경제성 평가

본 연구에서는 CNG 보급의 사회적 편익과 사회적 비용을 비교하여 CNG

보급정책의 경제성을 분석하였다. 사회적 편익에는 환경편익, 경제적 편익(연

료비절감금액)을 고려하고 사회적 비용에는 CNG버스 보급을 위한 정부지출

비용을 고려하였다. 사회적 편익이 사회적 비용보다 클 경우 경제성이 있는

것으로 판단한다.

1) 사회적 편익

가) 환경편익

각 연식별 연간 환경개선편익에 내구연한동안의 현재가치를 산출한 결과,

2006년식의 경유버스 대비 CNG 버스는 내구연한 10년 동안 대당 현재가치

기준 76,866,023원의 환경편익이 있으며, 2009년식은 84,095,227원, 2011년식은

101,072,381원의 환경편익이 있는 것으로 확인되었다.

- XVI -

이러한 추정결과를 바탕으로 현재시점(2011년 기준)에서 1년간 환경편익으

로서 내구연한 동안의 환경편익을 10년으로 균등 분할한 값을 적용한다. 이

에 따라 연식별 1년간 환경편익은 각각 2006년식 7,686,602원 2009년식

8,409,523원, 2011년식 10,107,238원이다.

연간환경편익 할인율내구연한 동안 연도별

현재할인 가치의 합 1년간 환경편익 값

2006년식 8,846,369

3.27%

76,866,023 7,686,602

2009년식 9,678,365 84,095,227 8,409,523

2011년식 11,632,642 101,072,381 10,107,238

<표 12> 각 연식별 내구연한 10년간 오염물질 별 환경편익의 현재가치의 합

(단위: 원/대)

주) 2011년식의 환경개선편익은 환경부(2012)의 연구내용을 인용함

나) 경제적 편익

본 연구에서는 경유버스 대비 CNG 버스 세전가격 기준 연료비 절감금액

을 경제적 편익으로 하였다. 연간 주행거리를 기준으로 경유버스 대비 CNG

버스의 연간 연료비 절감액을 구하고 이를 내구연한 동한 할인하여 합산한

현재가치를 산출하였다. 본 연구에서는 현재 시점에서 각 연식별 경제적 편

익을 산출하기 위하여, 2011년도를 기준으로 연료비 절감액을 산출하였으며

이를 각 연식에 동일하게 적용하였다.

산출 결과, 경유버스 대비 CNG 버스는 연간 2,019,661원이 절감되는 것으로

나타났으며 내구연한 동안 17,548,834원의 연료비 절감이 발생하였다. 환경편익

과 마찬가지로 현재시점(2011년 기준)에서 1년간 연료비 절감액으로서 내구연한

동안의 연료비 절감액을 10년으로 균등 분할한 값인 1,754,883원을 적용한다.

2) 사회적 비용

사회적 비용으로는 CNG 보급을 위한 직·간접적인 정부 보조금 혹은 정부

지출을 합산한 값을 적용하였다. 본 연구에서는 CNG 차량구입보조금, 취득

세와 등록세 면제액, 부가가치세 면제액, 충전소융자금보조금, 연료비 보조

- XVII -

금, 환경개선부담금 면제액 등의 정부지출을 분석에 이용하였다.

그 결과 경유버스 대비 CNG 버스 보급의 사회적 비용은 대당 45,034,669

원이며, 환경편익 및 연료편익과 마찬가지로 현재시점(2011년 기준)에서 사회

적 비용을 산출하여 10년으로 균등 분할한 값인 대당 4,503,467원을 모든 연

식에 동일하게 적용한다.

3) 연식별 경제성 분석결과

이와 같은 환경편익, 경제적 편익(연료비 절감액) 그리고 사회적 비용(CNG

버스 보급 정부지출비용)을 고려하여 현재시점에서 1년간 각 연식별 경제성

을 분석한 결과는 아래 <표 13>과 같다. 즉, 2006년식은 경유버스 대비

CNG 버스의 보급으로 현재시점에서 1년간 대당 4,938,019원의 경제성을 가

진다. 다음으로 2009년식과 2011년식은 각각 5,660,939원과 7,358,654원의 경

제성을 가지는 것으로 나타났다.

경제성 2006 2009 2011

환경편익(A) 7,686,602 8,409,523 10,107,238

연료편익(B) 1,754,883

정부지출비용(C) 4.503,467

경제성(A+B-C) 4,938,019 5,660,939 7,358,655

<표 13> 경유버스 대비 CNG 버스 보급의 경제성 분석

(단위 : 원/대)

5. CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정

앞에서 살펴본 바와 같이 경유버스는 노후화와 차량운행조건이 경유버스의 오

염물질 배출량 증감에 적지 않은 영향을 미치고 있다. 이러한 시험결과로부터

경유버스의 배출특성을 다음과 같이 추정할 수 있다. 첫째, 경유버스는 CNG버

스와는 다르게 차량 노후화에 따라 PM 배출량이 증가할 가능성이 있다. 둘째,

차량운전조건 등 외부여건으로 인하여 경유버스에 부착된 저감장치가 제대로

작동하지 않을 가능성이 있다. 이는 대기오염 악화와 그로 인한 인체건강에 부

- XVIII -

정적인 영향을 미치는 요인으로 작용할 가능성이 있는 것으로 추정된다.

이러한 시험결과는 경유버스에 대체하여 추진해 온 CNG버스 보급정책은

호흡기질환, 심혈관계질환 등 인체건강 직접적인 영향을 미치는 PM 및 오존

전구물질인 NOx 등 오염물질배출량을 저감하는데 실질적인 효과를 발휘하

고 있는 것으로 평가된다. 더 나아가 대기오염개선을 통해 국민들이 건강을

보호하는데 긍정적인 영향을 미치고 있는 것으로 평가된다.

또한 시험차량의 조건 등 기술적 요인의 영향으로 연식별 상이성은 존재하

지만 모든 연식에서 CNG버스 보급정책은 환경편익과 경제성이 있는 것으로

추정되었다. 즉, CNG버스 보급정책은 여전히 타당성이 있는 것으로 평가된다.

이상의 분석으로부터 CNG 버스 보급정책의 향후 추진방향에 대해 간략히

제언하고자 한다.

첫째, CNG버스 보급정책은 계속 추진될 필요가 있다. 왜냐하면 보급정책

의 환경편익 및 경제성이 있는 것으로 평가되었다. 특히 현재와 같은 노후화

와 운전여건 따른 경유버스의 기술적 문제를 고려했을 때 PM, NOx 등 인체

건강에 영향을 미치는 대기오염물질 저감효과를 발휘하고 있는 CNG버스 보

급정책은 지속되어야 할 것이다. 특히, 최근 국내에서 배출되는 오염물질에

더하여 중국발 스모그 유입에 따른 PM2.5 오염악화가 국민건강에 미치는 영

향이 우려되는 시점에서 CNG버스의 보급은 국내 배출 오염물질을 저감하는

효과적인 정책수단으로 작용할 수 있을 것이다.

둘째, EURO-6 도입이후 경유버스의 기술적 조건을 평가하여 현재와 같은

CNG버스 보급정책의 방향을 새롭게 결정할 필요가 있다. 주지하다시피

2015년 EURO-6 기준의 도입으로 국내 시내버스 배출기준 및 차량의 배출저

감장치 기술여건도 크게 변화할 것으로 예견된다. 특히 경유버스의 NOx 기

준도 크게 강화된다. 이러한 점을 감안하여 EURO-6 기준을 만족하는 경유버

스 출시 이후에 경유버스와 CNG버스의 환경성 및 경제성을 종합평가할 필

요가 있다. 그리고 평가결과를 토대로 CNG버스 보급정책의 방향을 새롭게

결정해야 할 것이다.

목 차

제1장 서론 ·······························································································1

1. 과업 추진배경 및 목적 ··························································································· 1

2. 과업의 세부내용 ······································································································ 2

3. 과업추진체계 ··········································································································· 3

제2장 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 적용기술 ·································4

1. 연식별 경유 및 CNG 버스 배출가스 규제 현황 ··················································· 4

2. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 배기가스저감 적용기술 ····································· 9

제3장 경유및 CNG 버스기술개발동향및배출가스저감수준전망·········23

1. 국내외 경유 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감효과 전망 ························ 23

2. 국내외 CNG 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감효과 전망 ·························· 28

제4장 노후화(연식)에따른경유및CNG 버스의대기오염배출특성시험평가 33

1. 시내버스 시험모드 ······························································································· 33

2. 시험내용 및 방법 ·································································································· 36

3. 노후화(연식)에 따른 오염물질 배출량 시험결과 분석 ······································ 39

4. 노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG 버스 배출특성 시험결과 평가(NIER 06모드

시험결과 평가) ···································································································55

제5장 경유 및 CNG버스 노후화(연식)에 따른 환경성·경제성 평가 ······58

1. 경유버스 대비 CNG 버스의 환경성 평가 ···························································· 58

2. 경유버스 대비 CNG 버스의 경제성 평가 ·························································· 65

제6장 CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정 ······ 73

1. 연식에 따른 CNG 버스 보급의 경제성 평가결과 요약 ····································· 73

2. CNG 버스 보급의 환경성·경제성 평가결과 ······················································· 73

3. CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정 ······························ 74

참고문헌 ···································································································76

부록 ········································································································78

<표 차례>

<표 2-1> 경유및 CNG 중량자동차 EURO 배출허용기준비교(운전모드: ECE-R49, ETC) ·· 5

<표 2-2> 경유자동차(버스) 배기가스배출허용기준·························································· 7

<표 2-3> 중량휘발유및가스자동차(버스) 배기가스배출허용기준·································· 7

<표 2-4> EU의시기별신규자동차규제적용계획··························································· 8

<표 2-5> 켈리포니아주의연도별 CO2 배출허용기준······················································· 9

<표 2-6> 배출허용기준강화에따른경유자동차배출가스저감기술변화······················· 10

<표 2-7> 디젤엔진후처리장치주요기술소개······························································· 17

<표 2-8> H사 CNG 엔진기술동향············································································· 19

<표 2-9> CNG 부스트시스템 ····················································································· 21

<표 2-10> CNG 엔진용인젝터비교············································································· 22

<표 3-1> 해외업체별 EURO-4 대응후처리기술····························································· 26

<표 3-2> Lean burn과 Stoichiometric의장단점····························································· 29

<표 3-3> 해외 EURO 규제강화에따른 CNG 기술동향·················································· 30

<표 3-4> 독일 MAN EURO-6 대응엔진 ······································································· 31

<표 3-5> MAN CNG 버스배출가스인증결과(ETC/WHTC ) ········································ 31

<표 4-1> 서울시시내버스주행속도·············································································· 33

<표 4-2> 구간별주행속도···························································································· 33

<표 4-3> 시험모드특성································································································ 34

<표 4-4> CNG 및경유버스환경성평가용시험모드(NIER06) ········································ 35

<표 4-5> CNG 및경유버스환경성평가용시험모드(WHVC) ········································ 35

<표 4-6> 시험차량정보 ······························································································ 36

<표 4-7> 시험차량중분석제외차량정보······································································ 40

<표 4-8> CNG-경유버스오염물질배출량시험결과(NIER 06 모드) ······························· 41

<표 4-9> CNG-경유버스오염물질배출량시험결과 (WHVC 모드) ······························· 52

<표 5-1> 오염물질별대기위해지수(SO2=1, KAIST) ························································ 59

<표 5-2> 오염물질별대기오염의사회적한계비용(2011년도기준) ·································· 59

22 경유 및 CNG 버스 노후화(연식)가 대기오염에 미치는 영향 연구

- XXII -

<표 5-3> 연식별경유및 CNG 버스오염물질배출량추정치 ······································ 61

<표 5-4> 연식별경유버스대비 CNG 버스배출증감량·················································· 61

<표 5-5> 경유버스대비 CNG 버스 1대당오염물질별연간환경개선편익····················· 65

<표 5-6> 각연식별내구연한 10년간오염물질별환경편익및 1년간환경편익값········· 67

<표 5-7> 버스별연비, 주행거리, 연료가격···································································· 67

<표 5-8> 연료별가격및연간연료비금액··································································· 67

<표 5-9> 경유버스대비 CNG 버스단위거리당연료비절감액····································· 68

<표 5-10> 환경개선부담금산출요소············································································ 69

<표 5-11> CNG 버스충전소융자금, 충전소설치현황, 연도별 CNG 차량보급현황········· 70

<표 5-12> 연도별 CNG 버스대당연료비지원금액(실집행비용) ······························· 71

<표 5-13> 경유및 CNG 버스차량가격········································································ 71

<표 5-14> CNG 버스보급을위한정부지출비용··························································· 72

<표 5-15> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성분석·············································· 72

<표 6-1> 각연식별내구연한 10년간오염물질별환경편익및 1년간환경편익값·········· 74

<표 6-2> 경유버스대비 CNG 버스보급의경제성분석················································ 74

<그림 차례>

<그림 1-1> 연구추진체계································································································ 3

<그림 2-1> EURO-1~EURO-6 배기가스규제동향··························································· 5

<그림 2-2> 대형경유자동차입자상물질(PM) 배출허용기준비교······································· 8

<그림 2-3> 대형경유자동차질소산화물(NOx) 배출허용기준비교····································· 8

<그림 2-4> 엔진내공기량증가기술의변화 ································································· 11

<그림 2-5> 커먼레일시스템··························································································· 13

<그림 2-6> Cooled EGR 시스템···················································································· 14

<그림 2-7> EURO-3 VS EURO-4/5 기술비교································································ 15

<그림 2-8> 후처리장치 EGR+DPF 시스템 ···································································· 16

<그림 2-9> 후처리장치기술소개및장단점······························································· 16

<그림 2-10> EURO 3/4 CNG 엔진적용기술(Lean burn) ············································· 20

<그림 2-11> OC 후처리장치를통한 HC와 CO 저감효과··············································· 22

<그림 3-1> HC·NOx 트랩촉매······················································································ 24

<그림 3-2> Lean burn과 Stoichiometric/TWC 비교······················································· 28

<그림 3-3> EURO 6 대응기술: H사및유럽회사의이론공연비+삼원촉매······················· 29

<그림 3-4> EURO 6 대응기술: D사의 Lean Burn+SCR ·················································· 29

<그림 3-5> IVECO CNG stoichiometric 엔진오염물질배출수준··································· 30

<그림 3-6> MAN CNG 버스(E2876) WHTC 시험결과··················································· 32

<그림 4-1> NIER 06 모드주행패턴·············································································· 35

<그림 4-2> WHVC 모드주행패턴················································································ 35

<그림 4-3> 배출가스시험모습······················································································ 38

<그림 4-4> 배출가스시험장치계통도············································································ 38

<그림 4-5> CNG버스연식별 CO 배출경향··································································· 42

<그림 4-6> CNG버스연식별 THC 배출경향 ································································ 42

<그림 4-7> CNG버스연식별 NOx 배출경향 ······························································ 43

<그림 4-8> CNG버스연식별입자개수배출경향 ·························································· 43


<그림 4-9> CNG버스연식별 CO2 배출경향 ································································ 44

<그림 4-10> 경유버스연식별 CO 배출경향 ································································· 45

<그림 4-11> 경유버스연식별 NMHC 배출경향 ··························································· 45

<그림 4-12> 경유버스연식별 NOx 배출경향 ····························································· 46

<그림 4-13> 경유버스연식별 PM 배출경향 ································································· 47

<그림 4-14> 경유버스연식별입자개수배출경향 ························································· 47

<그림 4-15> 경유버스연식별 CO2 배출경향 ······························································· 47

<그림 4-16> 경유및 CNG 버스연식별 CO 배출경향비교··········································· 48

<그림 4-17> 경유및 CNG 버스연식별 THC 배출경향비교········································· 49

<그림 4-18> 경유및 CNG 버스연식별 NOx 배출경향비교········································· 49

<그림 4-19> 경유및 CNG 버스연식별 PM 배출경향비교··········································· 50

<그림 4-20> 경유및 CNG 버스연식별 CO2 배출경향비교·········································· 50

<그림 4-21> 경유및 CNG 버스연식별입자개수배출경향비교··································· 51

<그림 4-22> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별 CO 배출경향비교············· 52

<그림 4-23> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별 THC 배출경향비교··········· 53

<그림 4-24> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별 NOx 배출경향비교··········· 53

<그림 4-25> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별 NOx 배출경향비교··········· 54

<그림 4-26> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별입자개수배출경향비교 ···· 54

<그림 4-27> WHVC모드연식별경유및 CNG 버스연식별 CO2 배출경향비교············ 55

<그림 5-1> 2006년식경유버스대비 CNG 버스배출증감량(단위:kg) ····························· 62



<그림 5-4> 연식별 THC 경유버스대비 CNG 버스배출증감량(단위:kg) ······················· 63

<그림 5-5> 연식별 CO, NOx, CO2 경유버스대비 CNG 버스배출증감량(단위:kg) ······ 64

<그림 5-6> 연식별 PM 경유버스대비 CNG 버스배출증감량(단위:kg) ························· 64

제1장 서론 1

제1장 서론

1. 과업 추진배경 및 목적

가. 추진 배경 및 필요성

정부는 2000년부터 대기오염 저감을 위해 대도시지역을 대상으로 CNG 버

스 보급정책을 추진하여 왔다. 또한 운행 중인 경유버스에 대한 DPF 등 후

처리장치 장착을 통해 배출가스 저감정책을 추진해 왔다. 이러한 정책을 통

해 서울 등 도시지역 미세먼지 오염도를 크게 저감하였다.

하지만 버스의 노후화(연식)에 따라 차종별로 엔진과 저감장치의 기능이

저하하면서 일부 대기오염물질의 배출량이 증가하는 등 배출특성이 변화하

고 있다. 따라서 그동안 추진해온 CNG 버스 보급정책의 효과를 정확하게

평가하기 위해서는 차종별(CNG, 경유) 노후화(연식)에 따른 대기오염물질의

배출특성에 대한 분석이 필요하다. 이를 토대로 버스(경유, CNG)의 연식별,

즉 노후화가 대기오염에 미치는 영향을 평가하여 CNG 버스의 대기오염 저

감효과를 산출하고 향후 CNG 버스 보급정책의 방향을 설정할 필요가 있다.

나. 과업수행목적

본 연구를 통해 차종별(CNG, 경유) 노후화(연식)에 따른 대기오염물질 배

출특성에 대한 조사·분석 및 대기오염에 미치는 영향에 대한 평가를 통해

CNG 버스 보급정책의 타당성을 종합 검토하고, CNG 버스 보급정책 추진방

향을 제시하여 향후 정책방향 설정에 기여하고자 한다.


2. 과업의 세부내용

가. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 적용기술 조사

연식별 경유 및 CNG 버스 배출가스 규제 현황 조사

연식에 따른 경유 및 CNG 버스 적용기술 조사

나. 경유 및 CNG 버스 기술 개발 동향 파악 및 배출가스 저감수준 전망

우리나라 및 선진국(미국·유럽 등)의 경유 및 CNG 버스 배출가스 저

감기술 개발 동향 파악 및 향후 배출가스 저감수준 전망

다. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스의 환경·경제성 비교 평가

기존 개발된 주행모드 분석을 통한 합리적인 주행모드 제시

경유 및 CNG 버스의 환경성 시험

경유 및 CNG 버스의 환경·경제성 평가

라. CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정

경유 및 CNG 버스 노후화에 따른 배출가스 특성을 감안한 환경·경

제성 평가를 토대로 CNG 버스 보급정책의 타당성 검토

경유 및 CNG 버스 노후화에 따른 배출가스 특성을 감안한 CNG 버

스 보급정책의 향후 추진방향 제시

제1장 서론 3

3. 과업추진체계

연식에 따른 경유 및 CNG 버스

적용기술 조사

경유 및 CNG 버스 기술 개발

동향 파악 및 배출가스

저감수준 전망

§ 연식별 경유 및 CNG 버스 배

출가스 규제 현황 조사

§ 연식에 따른 경유 및 CNG 버

스 적용기술 조사

§ 우리나라 및 선진국의 경유

및 CNG 버스 배출가스 저감

기술 개발 동향 파악

§ 향후 배출가스 저감수준 전망

§ 국내 버스 주행특성을 반영

할 수 있는 주행모드 제시

※ 기존 개발된 주행모드 분석

연식에 따른 경유 및 CNG 버스의 환경·경제성 비교 평가

§ 경유 및 CNG 버스의 환경성 시험

※ 대형차대동력계와 CVS 시스템 이용

※ 일반 승용차 규제시험방법과 동일한 절차 이용

※ 규제물질(HC, CO, NOx, PM, 입자개수) 및 미량유해물질(VOC),

온실가스 (CO2) 및 연비

§ 경유 및 CNG 버스의 환경·경제성 평가

※ CNG 버스 대기오염 저감효과 분석

※ 비용-편익 분석 등

CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정

<그림 1-1> 연구추진체계


제2장 연식에 따른 경유 및 CNG 버스

적용기술

1. 연식별 경유 및 CNG 버스 배출가스 규제 현황

가. EURO 배출가스 규제 현황

EURO는 유럽연합이 1990년에 도입한 차량에 대한 배출가스 규제 명칭으

로 질소산화물, 일산화탄소, 이산화탄소 등에 대한 배출허용기준을 강화하고

적용대상 차량을 확대하여 대기오염물질 배출량을 단계적으로 줄여나가고

있다. EURO의 단계별 적용시기 및 적용대상 차량은 아래와 같다.

Ÿ EURO-1은 1993년부터 일반 승용차와 경트럭 대상으로 적용

Ÿ EURO-2는 1996년부터 승용차 대상으로 시행

Ÿ EURO-3은 2000년부터 전 자동차로 대상 확대

Ÿ EURO-4는 2005년부터 적용

Ÿ EURO-5는 2009년 9월부터 적용

Ÿ EURO-6은 2014년 9월부터 적용 예정

2009년 9월부터 도입된 EURO-5은 EURO-4보다 각종 배출허용기준을 약

20% 정도 강화하였다. 그리고 승용차의 경우는 배출가스에 대한 자기진단장

치 OBD(On-Board Diagnostic) 탑재를 의무화하였다. 2014년부터 적용할 예정

인 EURO-6는 유럽뿐만 아니라 북미, 일본 등을 포괄하는 전 세계 배출허용

기준의 첫 번째 시행단계로, EURO-5에 비해 NOx는 80%, PM의 경우 50%를

저감해야 한다. 이는 EURO-2에 대비하여 각각 95%를 저감하는 수준이다.

제2장 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 적용기술 5

(단위 : g/kwh)

규제 구분 CO THC NMHC CH4 NOx PMNH3

(ppm)

EURO1 ECE R494.5/4.9 1.1/1.23 - - 8.0/9.0 0.612/0.68 -

4.5/4.9 1.1/1.23 - - 8.0/9.0 0.36/0.40 -

EURO2

ECE R49

(1996.10)4.0 1.10 7.0 0.25

ECE R49

(1998.10)4.0 1.10 7.0 0.15

EURO3

(1999.10

EEVs)

ESC 1.5 0.25 - - 2.0 0.02 0.15

ETC 3.0 - 0.40 0.65 2.0 0.02 -

EURO3

(2000.10)

ECE R49 2.8 0.7 - - 5.0 0.10 -

ESC 2.1 0.66 - - 5.0 0.10 0.8

ETC 5.45 - 0.78 1.6 5.0 0.16/0.21

EURO4

(2005.10)

ESC 1.5 0.46 - - 3.5 0.02 0.5

ETC 4.0 - 0.55 1.1 2.0 0.03 -

EURO5

(2008.10)

ESC 1.5 0.46 - - 2.0 0.02 0.5

ETC 4.0 - 0.55 1.1 2.0 0.03 -

EURO6

(2014.9)

ESC 1.5 0.13 - - 0.4 0.01 0.01

ETC 4 - 0.16 0.5 0.4 0.01 0.0

1) EURO1은 인증차/양산차 (윗칸 P≤85kW. 아래칸 P>85kW 적용)

2) EURO3부터 NH3는 ELR TEST 적용

3) EURO3 ETC의 PM 0.21: swept volume 0.75d이하이며, rated power speed가 3,000rpm이상

4) CH4는 천연가스 엔진만 적용

5) PM은 2000~2005년까지 가스연료엔진에는 미적용

6) ESC : European Static Cycle는 정속모드, ETC : European Transient Cycle는 과도운전모드

7) OBD 적용: 2005년 10월 1일

8) 배출가스제어부품의 내구성 규정: 2005년 10월 1일 시행

9) In-service 차량의 유지관리에 대한 확인시행

10) EURO-6 NMHC는 디젤엔진에서의 THC

자료: 국제환경규제 기업지원센터. 2010. 「EU EURO」.

http://www.compass.or.kr/know/eu_01_view.asp?idx=62&page=1&div1=EU&div2=%C0%DA%B5%BF

%C2%F7 [2013.07.09]

<표 2-1> 경유 및 CNG 중량자동차 EURO 배출허용기준 비교(운전모드: ECE-R49, ETC)

자료: MAN(2013)

<그림 2-1> EURO-1~EURO-6 배기가스 규제 동향


나. 국내 자동차 배출가스 규제 현황

1) 경유자동차 배출가스 규제 현황

우리나라는 1984년 7월부터 경유자동차의 배출가스에 대한 규제를 시행하

기 시작했으며 배출기준을 단계적으로 강화해 왔다.

구체적으로 1996년 우리나라 중량 경유자동차에 대한 대기오염물질 배출허

용기준을 살펴보면, NOx의 경우 미국 1990년 수준의 약 40%, 유럽연합(EU)

1993년 수준의 약 22% 정도 완화된 수준에 머물렀다. 그리고 입자상물질(

Particulate Matter, PM)의 경우에는 미국 1990년 수준의 약 170%, EU 1993

년 수준의 약 80% 정도 완화된 수준을 적용했다(환경부, 2012).

하지만 2002년 이후 미국, EU와 같은 선진국 수준으로 규제가 강화되기

시작했다. 시내버스는 1998년에 EU의 1993년 수준, 2000년에는 EU의 1996년

수준보다 더 엄격한 수준으로 배출규제가 강화되었다(환경부, 2012).

2014년부터는 EURO-5보다 NOx 80%, PM 50%가 강화된 EURO-6가 적용

될 예정이다. 나노입자개수의 EURO-6 기준은 소형 경유자동차의 경우 신 모

델은 2014년 9월부터, 기존 모델은 2015년 9월부터 적용될 예정이다. 버스,

트럭 등 대형경유자동차에 대해서는 신 모델은 2014년 1월부터, 기존 모델은

2015년 1월부터 EURO-6 기준, 나노입자개수 및 암모니아 기준이 각각 적용된다.


적용연도 CO HC NOx 측정방법

91.2.2 33.5 1.3 11.4 D-13

2000.1.1 33.5 1.3 5.5 D-13

2002.7.1 4.0 0.9 3.5 D-13

2006.1.11.5(0.4) 0.46(0.2) 3.5 ETC

4.0 0.55 3.5 ND-13

2009.1.1/ 2010.7.1 4.0 0.55 2.0 ETC

2013.1.1/ 2014.1.1 4.0 0.14 0.40 WHTC

<표 2-3> 중량 휘발유 및 가스자동차(버스) 배기가스 배출허용기준

(단위: g/kWh)

적용연도 CO HC NOx PM 입자개수#/kWh

매연비고

(측정방법/EURO기준)

96.1.1 4.9 1.2 11.0 0.9 35%이하

98.1.1 4.9 1.2 6.0(9.0) 0.25(0.5) 25%이하

2000.1.1 3.0 1.0 6.0 0.2 20%이하

2002.1.1 2.1 0.66 5.0 0.15(1.0) 15%이하 EURO-2

2003.1.1 2.1 0.66 5.0 0.115%이하

K=0.8m-1 EURO-3

2006.10.1/2008.1.1 1.5/4.0 0.46/0.55 3.5/3.5 0.02/0.03

10%이하K=0.5m-1 EURO-4

2009.9.1/2010.10.1

1.5/4.0 0.46/0.55 2.0/2.0 0.02/0.03 K=0.5m-1 EURO-5

2014.1.1/2015.1.1 1.5/4.0 0.13/0.16

0.40/0.40 0.01/0.01

8x1011이하/

6x1011이하

WHSC/WHTC

EURO-6

<표 2-2> 경유자동차(버스) 배기가스 배출허용기준

(단위: g/kWh)

주: ( )는 시내버스에 적용; 매연은 D-3모드로 측정, 2003년부터 ELR 모드; 신차/기존차 적용시기; 운전모드:

D-13모드(경유자동차는 2003년부터 ESC, 2007년부터 ETC)


2) CNG 자동차 배출가스 규제 현황

CNG 버스는 2013년부터 EURO-6 기준보다 약 13% 강화된 기준이 적용되

었다. 신 모델은 2013년 1월부터, 기존 모델은 2014년 1월부터 적용되며 CH4

및 암모니아 기준이 새롭게 도입된다.

주: ( )는 시내버스에 적용; 신차/기존차 적용시기



주) 검은색 점선은 미국, 빨간색 점선은 유럽, 파란색 실선은 한국의 배출허용기준임

자료: 정용일(2012)

<그림 2-2> 대형경유자동차 입자상물질(PM) 배출허용기준 비교

주) 검은색 점선은 미국, 빨간색 점선은 유럽, 파란색 실선은 한국의 배출허용기준임

자료: 정용일(2012)

<그림 2-3> 대형경유자동차 질소산화물(NOx) 배출허용기준 비교

다. 각국 CO2 배출규제 현황

2007년도에 EU는 2012년부터 적용되는 자동차에 대한 CO2 배출규제안을

발표한 바 있다. EU의 CO2 배출규제는 EU 내 자동차를 판매하는 모든 업체

를 대상으로 하고 있으며, 신규자동차는 연도별로 단계적으로 적용하고 있

다. 또한 EU 집행위원회에서는 소규모 판매제작자에 한하여 예외기준을 적

용하고 있다. 즉, 연간 22,000대 이하 판매 또는 제작 업체에게는 세부배출기

준 적용에 대한 제외요청을 통해 별도의 기준을 적용받게 하고 있다.

대상 2012년 2013년 2014년 2015년

신규 판매차량 65% 75% 80% 100%

<표 2-4> EU의 시기별 신규자동차 규제적용 계획

자료: 국제환경규제 기업지원센터. 2010. 「EU 자동차 CO2 규제」.

http://www.compass.or.kr/know/eu_01_view.asp?idx=65&page=1&div1=EU&div2=%C0%DA%B5%BF

%C2%F7 [2013.07.09]


미국 켈리포니아주에서는 자동차 CO2 배출규제에 따라 CO2를 비롯한 6개

의 온실가스 물질을 규제하고 있다. 2009년부터 2016년까지 신규 승용차와

경트럭을 대상으로 CO2 배출기준을 다음 <표 2-5>와 같이 설정하였다.

대상 2009년 2010년 2011년 2012년 2013년 2014년 2015년 2016년

승용차+경트럭

(~1,710kg)323 301 267 233 227 222 213 205

경트럭

(1,710~3,856kg)439 420 361 361 355 350 341 332

<표 2-5> 켈리포니아주의 연도별 CO2 배출허용기준

단위: mpg

자료: 국제환경규제 기업지원센터. 2010. 「자동차 이산화탄소 배출규제」.

http://www.compass.or.kr/know/eu_01_view.asp?idx=71&page=1&div1=%B9%CC%B1%B9&div2=%C0

%DA%B5%BF%C2%F7 [2013.07.09]

2. 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 배출가스저감 적용기술

가. 연식에 따른 경유버스 배출가스저감 적용기술

경유엔진에서 가장 많이 발생하는 대표적인 배출가스는 PM과 NOx이다.

또한 상용 경유자동차의 가장 큰 단점은 급가속 또는 과부하시 발생하는 매

연이다. 이는 주로 연소용 공기와 연료의 불완전한 혼합 및 이로 인한 불완

전 연소에서 기인하는 것으로 NOx의 저감을 위하여 일반적으로 사용되는

배가가스재순환(EGR) 장치에 의해 발생정도가 심해진다. 이러한 매연의 발

생을 줄이기 위해서 고압분사장치가 개발 및 적용되고 있다. 하지만 향후 강

화되는 배출가스의 배출허용기준을 만족하려면 디젤산화촉매, 매연여과장치

및 SCR 촉매시스템과 같은 후처리장치의 기술적용이 필수적이다.

경유엔진의 주요 배출가스 저감기술은 1)엔진설계 기술, 2)연료개선 및 첨

가제 기술, 3)배기가스 후처리장치 기술로 구성된다. EURO-1에서 EURO-6까

지 배출허용기준이 강화됨에 따라 엔진의 Turbo-intercooler화, 연료분사계의

전자화·고압화, 실린더 헤드의 2-밸브에서 4밸브 전환 등 기술이 적용되었다.


또한 EURO-4부터는 SCR과 POC(Partial Oxidation Catalyst)1) 등의 후처리장

치 기술이 적용되기 시작하였다. 이처럼 <표 2-6>에서 확인되듯이 EURO-4

배출허용기준 적용 전까지는 주로 고압분사 및 터보차저를 비롯한 흡기시스

템 개선 및 이를 통한 엔진의 연소개선에 의한 배출가스를 제어하는 기술개

발에 집중하였다. 반면에 EURO-4 배출허용기준 적용 이후에는 배출가스 후

처리장치에 대한 기술개발에 집중하고 있다2).

항목K1998

(~Euro1)

K2000

(~Euro2)

K2003

(Euro3)

K2006

(Euro4)

K2009

(Euro5)

K2014

(Euro6)

배기

가스

NOx / PM

(g/kWh)9 / 0.5 6 / 0.2 5 / 0.1 3.5 / 0.02 2.0 / 0.02 0.4 / 0.01

연료

분사계

제어 방식 기계식 ←

전자식(Com

mon rail

system)

← ← ←

분사 압력(bar) 600~800 900~1000 1400~1600 1600~1800 1600~1800 1800~2400

노즐 분공수 4~5공 5~7공 7~9공 ← ← ←

흡배

기계

밸브 갯수/Cyl. 2-밸브 ← 4-밸브 ← ← ←

공기 흡입방식 NA, TC, TI TI(WGT) ← ← ← TI(VGT)

Cyl.Head

Swirl ratio2.0~3.0 2.0~2.5 1.0~1.5 ← ← ←

후처

리계후처리 장치 - - -

-SCR

-EGR+POC

-SCR

-EGR+POC

(EGR)+DPF

+SCR

<표 2-6> 배출허용기준 강화에 따른 경유자동차 배출가스 저감기술 변화


1) EURO-2 배출허용기준 적용기술

EURO-2 배출허용기준에서는 주로 터보차저에서 공기를 압축할 때 발생하

는 압축열로 높아진 공기의 온도를 냉각하여 온도를 낮추고 공기의 밀도를

증가시키는 엔진에 대한 Turbo-intercooler 기술이 적용되었다. 터보차저란

엔진의 배기가스 에너지를 이용하여 배기터빈을 회전시키고 그 힘으로 흡기

를 압축하여 실린더 내로 고밀도의 공기를 공급하는 기술이다. 이와 같은 기

술적용으로 흡입공기량이 증가하여 연소효율이 향상되었다. 또한 대형엔진에

1) POC(partial oxidation catalyst): PM 성분을 촉매 산화시켜 저감시키는 장치임. PM 저감 효율은 40~50% 수준임

2) 환경부. 2011. 「경유차 후처리기술 EURO-6 규제대응 대형경유차 후처리장치 개발」


서는 반전자식 연료분사장치(TICS: Timing Injection Control System)가 적용

되었으며, 초대형엔진에 대해서는 4밸브(흡기2+배기2)와 전자식 연료분사장

치인 CRDI(Common Rail Direct Injector), EUI(Electronic Unit Injector)가

적용되었다.

흡배기계는 배출허용기준의 강화에 따라 PM과 NOx 개선을 위해 공기량

과 공기냉각을 증가시키는 방향으로 발전하였는데, NA(Naturally Aspirated;

자연흡기엔진)에서 TC(Turbo Charged)와 TI(Turbo Charged & Inter-cooled)

로 각각 발전·적용되었다. NA는 피스톤이 하강할 때 부압에 의하여 혼합 가

스나 공기를 자연적으로 흡입하는 엔진인데, 한 단계 발전한 TC는 엔진의

배기가스 에너지를 이용하여 배기터빈을 회전시키고 그 힘으로 흡기를 압축

하여 실린더 내로 뜨겁지만 밀도가 높은, 그리고 더 많은 공기를 공급하는

엔진기술이다. TI는 터보차저에서 공기를 압축할 때 발생하는 압축열로 높아

진 공기의 온도를 중간 냉각기에서 냉각하여 온도를 낮춤으로써 공기의 밀

도를 증가시켜 더 많은 공기가 연소실로 들어가게 한 엔진기술이다.


<그림 2-4> 엔진내 공기량 증가기술의 변화



EURO-3 배출허용기준에서는 흡배기계의 4밸브(흡기2+배기2)와 전자식 연

료분사장치인 CRDI(Common Rail Direct Injector)와 EUI(Electronic Unit Injector)

가 적용되었다.

흡배기계의 4밸브화는 1실린더 당 흡기 2밸브, 배기 2밸브로 구성되어 실

린더로의 흡배기 효율향상과 흡배기 행정에서의 펌프손실 저감을 도모한 기

술이다. 이는 균질한 연료분무와 혼합기 형성을 진행시키고 PM·흑연의 저감,

고출력화 및 연비향상에 효과적으로 작용한다. 하지만 2밸브에 비해 구조적

으로 복잡하다.

EURO-3 이전에 적용되던 기계식 연료분사계로는 내구성 및 제어 한계로

1100bar까지 연료분사압력의 증가가 가능하였으나, EURO-3에서는 연소분사

계의 연료량 제어의 어려움을 해소하기 위해 기계식 제어방식에서 전자식

제어방식(Common Rail System)으로 발전하였다. 전자식 제어방식이란 고압

화한 연료를 축적하여 각 인젝터로 균일하게 공급하는 시스템으로 전자제어

방식을 채용하여 연료의 분사압력, 분사타이밍, 횟수, 분사량 등 각 요소를

컨트롤함으로써 NOx, PM 저감과 함께 연비를 향상시킨다.

그리고 엔진회전수와 관계없이 고압분사가 가능하고 연료분무입자를 미립

화할 수 있어 연료와 공기의 혼합이 촉진되어 보다 완전한 연소가 가능하다.

또한 기존의 분사시스템에서는 실현할 수 없었던 1연소 사이클 당 다단의

연료분사를 가능하게 하여 배기가스 및 소음의 저감을 달성하였다. 전자식

제어방식은 커먼레일, 인젝터, 고압펌프, ECU로 구성되며 엔진회전수, 액셀

개도, 냉각수온, 대기온도 등을 센서로 감지하여 연료의 분사를 제어한다3).

이러한 전자식 연료분사계(Electronic Unit Injector) 기술이 지속적으로 발전

하여 1100bar에서 2400bar까지 압력 증가가 가능하게 되었다.

3) 국립환경과학원 교통환경연구소. 2009. 「클린디젤자동차 현황과 전망」


자료: 고려대학교 산학협력단(2009)

<그림 2-5> 커먼레일시스템


EURO-4 배출허용기준에서는 연소기술의 발전에 부가하여 연소 후 잔여

배출가스 오염물질을 완전히 저감시키기 위해 본격적으로 후처리장치 기술

이 적용되었으며, CRDI/EUI의 분사압 또한 증가하였다.

일반적으로 고온(약 2000이상)에서 NOx가 급격히 발생하는데, NOx 발

생량을 감소시키기 위해서는 연소온도를 낮춰야 하지만 연소온도를 낮출 경

우 연소악화와 연비악화를 유발하게 된다. 이에 연소악화를 방지하기 위하여

SCR, EGR 등 후처리장치가 발전하였다.

후처리장치는 SCR 적용방식과 EGR과 POC를 동시에 적용하는 방식으로

발전하였다. SCR은 선택적 환원촉매 저감기술(Selective Catalytic Reduction)

로 엔진배기가스와 환원제(Urea-요소)를 촉매에 통과시켜 NOx를 N2와 H2O

로 변환하여 NOx를 저감시킨다. EGR은 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas

Recirculation)로 배기가스 성분 중에서 NOx 발생을 줄이기 위하여 연소 후

배출되는 배기가스를 다시 흡입공기와 혼합하여 Cooler로 냉각시킨 후 연소실

로 재순환시키는 시스템이다(Cooled EGR System). POC는 부분산화촉매

(Partial Oxidation Catalyst)장치로 PM 성분을 촉매에 산화시켜 저감시킨다.


SCR은 연비측면에서 유리하며 배기가스의 냉각장치가 필요하지 않다는 장

점이 있다. 반면 요소수용액 환원제를 공급하는 장치(Infrastructure)를 설치

해야 하고 주기적으로 요소수를 보충해야 한다는 단점이 있다. EGR은 냉각

으로 인해 흡입공기의 밀도가 증가하여 일정한 EGR 공급 범위까지는 매연

도 저감시킬 수 있다는 장점이 있다. 반면, 냉각장치가 필요하고 엔진의 출

력이 감소하며 연료소비율이 높다는 단점이 있다.

자료: 환경부(2008)

<그림 2-6> Cooled EGR 시스템


EURO-5 배출허용기준은 EURO-4 배출허용기준에서 NOx에 대해서만 기준

이 강화되었으며, 기본적인 기술은 EURO-4 적용기술과 동일하다. 보다 발전

된 부분은 후처리장치에서 EGR과 함께 PMC(Particulate Matters Catalyst,

입자상물질 저감장치)가 함께 적용되었다. 그리고 EURO-5 적용기술에서는

EGR 쿨러와 PMC의 용량, 그리고 SCR 환원제인 Urea 분사량이 증대되었다.



<그림 2-7> EURO-3 VS EURO-4/5 기술비교


EURO-6 배출허용기준에 도달하기 위해서는 후처리장치인 SCR, EGR,

DPF(Diesel Particulate Filter)를 모두 적용할 필요가 있다. SCR와 EGR시스

템은 NOx를 저감하는 기술이고, 배기관에 장착하는 DPF는 PM를 저감하는

기술이다.

DPF는 DPF 전방에 배치한 산화촉매로 생성시킨 NO2를 사용하여 필터로

포집한 PM을 비교적 낮은 온도에서 연속적으로 산화제거하여 물리적으로

포집하는 기술로, PM의 90% 이상을 저감시킬 수 있다. 연속재생 DPF는 상

류에 산화촉매가 설치되고 하류에 DPF가 배치되어 있는 구조를 취한다.

DPF는 EURO-4 배출허용기준에 도달하기 위하여 사용되기 시작하였다. 기본

적으로 필터와 촉매로 이루어져 있고 필터 내에 일정한 PM이 포집되었을

때 배출가스 온도를 높임으로써 재생시킨다. 연료 중 유황성분 농도가 높은

경우에는 배기가스 중 SO2가 산화되어 황산염을 생성하고 PM 증가의 원인

이 되기 때문에 DPF 시스템을 사용할 때에는 저유황 경유를 사용해야 한다.

앞에서 기술한 바와 같이 SCR은 연비측면에서 유리하나, 촉매장치와 요소

공급장치가 추가되어야 한다는 단점이 있다. 반면 EGR+DPF는 대부분 엔진



<그림 2-8> 후처리장치 EGR+DPF 시스템

기술로 대응함으로써 장비탑재가 용이하고, 촉매제 보충을 위한 장치나 환경

적 제약이 없다. 단, 배기가스 냉각이 필요하므로 열교환기의 용량이 커져야

하며 연비가 저하되는 단점이 있다.


<그림 2-9> 후처리 장치 기술 소개 및 장단점


[디젤산화촉매(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)]

유황염 입자상 물질(SPM)의 배출과 같은 2차 오염문제 및 자동차 배

출가스 규제가 강화되면서 디젤촉매에 대한 연구가 촉진되었고, 디

젤산화촉매가 개발됨

디젤산화촉매는 획기적인 PM 저감이 가능한 것으로 알려져 있음

디젤산화촉매를 자동차 산업에 처음 적용한 것은 1989년 독일 VW의

Umwelt이며, DOC 기술은 제작사가 자발적으로 환경보호를 목적으

로 CO와 HC의 배출을 저감하기 위해 적용한 것임

1990년대에 EURO-2 배출허용기준이 도입된 이후 디젤차량에서 보편

적으로 DOC 사용됨

이후 전통적인 CO, HC, 그리고 일부 PM저감이라는 전통적인 목적

이외에 DPF 재생을 위한 중요한 수단으로서 개발되기 시작함

DPF에 포집된 매연의 자발화 온도는 550~600에 이르지만 디젤엔

진 배기가스 온도는 200~360로서 매우 낮기 때문에 DOC에서의

산화반응을 통한 배기가스 온도 상승을 통한 DPF 재생을 위하여

DOC와 DPF는 반드시 같이 사용되어야 하는 기술로 인식되고 있음

[매연여과장치 (DPF: Diesel Particulate Filter)]

디젤차량에서 배출되는 매연은 디젤엔진을 깨끗하지 못한 엔진으로

인식하게 하는 주요 원인임

DPF는 디젤엔진에서 배출되는 디젤매연이 대기 중으로 방출되지 않

도록 포집(및 재생)하는 후처리장치로서, 일반적으로 세라믹 벽유동

형 모노리스 또는 세라믹 연속섬유로 이루어진 필터에 확산 또는 관

성퇴적 메커니즘으로 매연이 포집됨

이렇게 포집된 매연은 수동 또는 능동시스템을 적용하여 필터 내에

서 재생시킴

DPF 시스템을 최초로 적용한 차량은 2000년 양산된 PSA Peugeot

6007 디젤승용차로, 커먼레일 엔진 및 IBIDEN의 5.66 “x9", 200 cpsi,

14 mil SiC 필터를 장착하여 EURO-4 PM 배출허용기준을 달성함

<표 2-7> 디젤엔진 후처리장치 주요기술 소개


한편, Johnson Matthey의 연속재생트랩(CRT)은 엔진에서 배출된 PM

을 산화촉매에서 산화된 NO2를 이용하여 산화시키는 원리를 이용한

것으로서 CO와 HC는 약 90~95%, 그리고 매연을 포함한 PM은 90%

정도 정화시킬 수 있는 것으로 알려짐

하지만 CRT는 연료중 유황함유량에 매우 민감하게 반응하여, 50ppm

이상의 연료에서는 유황 피독에 의해 이 시스템을 사용할 수 없다고 함

국내의 경우 상용 대형엔진용 DPF 시스템에 대한 연구개발은 주로 운

행차 보수(Retrofit)를 위한 연구가 대부분이며, 대형자량에 대한 투자

는 이제 시작단계로 정부와 기업의 적극적인 개발과 투자가 필요함

[SCR(Selective Catalytic Reduction)]

향후 강화되는 NOx에 대한 배출허용기준을 만족하기 위해서는 반드

시 NOx 후처리장치를 적용해야 함

고효율의 NOx 저감 후처리장치를 사용하면, 연소실 내의 NOx 제어를 위

해 희생되고 있는 연비를 향상시켜 보다 우수한 디젤엔진의 개발이 가능함

디젤 NOx 후처리장치에는 디젤산화촉매를 이용한 수동형 DeNOx

촉매, 환원제로서 Urea 또는 HC를 이용하는 Urea/HC-SCR 촉매,

흡장형 NOx 촉매(즉, LNT), 그리고 플라즈마를 이용한 NOx 저감

촉매들이 개발되고 있음

이 중 대형 디젤엔진의 NOx 배기허용기준에 상대적으로 적합한 기

술은 Urea/HC-SCR 촉매인 것으로 평가되고 있음

암모니아 또는 Urea를 환원제로 사용하는 Urea-SCR 장치는 NOx 전

환율이 90% 이상으로 매우 높은 것으로 알려짐


<그림1> 요소 SCR 시스템자료: 환경부(2011)


나. 연식에 따른 CNG 버스 배출가스저감 적용기술

CNG 엔진은 EURO-3부터 차량에 적용되었으며, 희박연소(Lean-burn)와 이

론공연비 연소(stoichiometric)방식으로 구분된다. CNG 상용초기에는 희박연

소엔진(Lean-burn)이 적용되다가 EURO-4/5 부터는 OC 등 후처리장치가 추

가되었으며, EURO-6에서는 희박연소/OC+SCR 또는 이론공연비/TWC(삼원

촉매)의 두 가지 방향으로 기술이 발전하고 있다.

엔진시스템은 크게 점화시스템, 연료시스템, 부스트시스템, 제어시스템 등

으로 구성되어 있다.

배출가스 기준제1단계 제2단계 제3단계 4단계 5단계

2000.1.1 2002.7.1 2004.1.1 2006.1.1 2009.1.1

점화시스템

연 소 불꽃 점화 ← ← ← ←

플러그 백금 ← 이리듐 ← ←

코 일 Coil on plug ← ← ← ←

1차 전류 6.5A ← ← ← 10A

연료시스템

공연비 린번 ← ← ← ←

인젝터 보쉬EV1.3 ← ← ← 보쉬NGI2

공연비 제어 광대역산소센서 ← ← ← ←

부스트시스템

터 보 WGT ← ← ← ←

부스트제어 배기 웨이스트 ←

흡기 재순환

or

배기 웨이스트

흡기

재순환

흡기 재순환

or

배기 웨이스트

공기량 측정 압력/온도센서 ← ← ← ←

제어시스템협력사 Woodward ← ← ← ←

제어시스템 OH1.2 ← ← OH2.0 ←

기타타이밍 제어 캠신호 ← ← 캠&크랭크 ←

후처리 없음 ← 산화촉매 ← ←

<표 2-8> H사 CNG 엔진 기술 동향


1) 1단계(2000년 이후) 적용기술

CNG 상용초기에 적용된 희박연소엔진은 엔진의 실린더로 들어가는 혼합

기에서 공기가 차지하는 비율을 높이고, 연료의 비율을 낮게 하여 연비성능

을 향상시키는 엔진으로4) 공기주입량이 많고 연소시간이 길며 연소온도는


낮다. 이론공연비 연소엔진은 과잉공기를 없애 연료량과 공기량의 공급비율

을 이론적으로 필요한 비율로 공급하여 연소시키는 방식의 엔진이다. 공기주

입량이 많고 연소시간이 길며 연소온도는 낮다. 또한 시스템 구조가 상대적

으로 간단하고 냉각성능의 증대가 불필요한 반면 출력증대에 어려움이 있다.

연료시스템에는 TBI(Trottle Body Injection) 방식이 이용되었다. 점점 더 강

화되는 배출허용기준을 만족하기 위해서는 공기량 측정과 연료압력 및 온도

보정을 가미한 전자제어식 인젝션 시스템이 이용되었다. 현재 우리나라에 보

급되어 있는 시스템은 모두 Woodward 사의 시스템으로 비교적 우수한 제

어성능을 가진 TBI 방식이다(환경부, 2010).

2) 2단계(2002.7.1이후) 적용기술

1단계와 비교했을 때 큰 변화 없이 동일한 기술이 적용되었다.

3) 3단계(2004.1.1이후) 적용기술(EURO-3)

Euro-3 배기규제 대응을 위해 적용된 기술은 ECU(Engine Control Unit)로,

공기 및 연료의 비율을 피드백 제어를 통하여 출력 및 배기성능을 제어하는

시스템을 적용하였다.


<그림 2-10> EURO 3/4 CNG 엔진 적용 기술(Lean burn)

4) 네이버지식백과(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=932902&cid=368&categoryId=368) [2013. 7.15]


부스트시스템에서 배기웨이스트 방식만 적용되었던 지난 단계에 비해 흡기

재순환 방식이 개발되어 두 가지 방식이 선택적으로 적용되었다. 배기웨이스

트 방식은 배기가스를 바이패스시켜 터보과급을 조절하는 방식으로 터보회

전수 제어가 필요하다. 흡기재순환 방식은 과급공기를 터보입구단으로 재순

환하여 과급을 조절하는 방식으로 흡기공기량의 제어가 필요하다.

구분 배기 웨이스트 흡기 재순환

개략도

특징

배기가스를 바이패스 시켜 터보과급

을 조절

터보회전수 제어

과급 공기를 터보입구단으로 재순환하여 과

급 조절

흡입 공기량 제어

<표 2-9> CNG 부스트 시스템


4) 4단계(2006.1.1이후) 적용기술:EURO-4

3단계와 비교했을 때 적용기술의 변화가 크지 않으나, NMHC 저감을 위해

산화촉매(Oxidation Catalyst, OC) 후처리 장치가 추가되었다.

5) 5단계(2009.1.1이후) 적용기술: EURO-5

Low Swirl Ratio을 통한 연소실 NOx 저감기술이 적용되었다. Low swirl

은 Swirl(스월)5)의 크기를 낮게 만들어 와류 및 난류를 감소시켜 연소 속도

가 느려지게 만들어서 연소실 온도를 낮게 만들고 이로 인해 NOx가 저감되

도록 하는 기술이다. 실린더 헤드 냉각 최적화를 통한 열부하를 감소시켜 내

5) Swirl (스월): 연소실 속에서 흡입 때 생기는 소용돌이 현상. 스월이 적당한 크기로 되면 착화상태가 좋아지고

연소효율이 향상됨 (네이버 지식백과;

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1655695&cid=368&categoryId=368 [2013.8.13])


구성능을 강화하였다.

이와 함께 인젝터가 보쉬 EV1.3에서 보쉬NGI2로 변경되었다. 보쉬NGI2는

기존의 EV1.3보다 소형화되었으며, CNG와 LNG 공용이 가능하며 별도의 윤

활이 필요하지 않다.

항목 기 존 변 경 비 고

외형 소형화

제원

제조사 Bosch ← -

모델명 EV1.3 NGI2 -

공급전압 12V ← -

코일저항 4.6Ω 8.5Ω -

성능

연 료 CNG CNG/LNG CNG, LNG 공용화

윤 활 7.5ppm 이상 0 ppm 별도 윤활 필요 없음

유 량 6.7 kg/h@8bar 7.5 kg/h@6bar 12% 향상

기 밀 Metal to Metal Soft seat 기밀 개선

누 기 1000 /min@3bar 6 /min@6bar 누기 개선

<표 2-10> CNG 엔진용 인젝터 비교


또한 HC, CO 배출량의 추가저감을 위해 OC 후처리장치 증대기술을 적용하였다.

0

1

2

3

4

5

6

7

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Equivalence Ratio, phi

HC, C

O [g/

kWh]

0

4

8

12

16

20

24

28

NOx [

g/kWh

]

phi for NOx=1.0g/kWh

NOx

HC

CO

3-Way CatalystOxidation Catalyst


<그림 2-11> OC 후처리장치를 통한 HC와 CO 저감효과

제3장 경유 및 CNG 버스 기술 개발 동향 파악 및 배출가스 저감수준 전망 23

제3장 경유 및 CNG 버스 기술개발 동향

및 배출가스 저감수준 전망

1. 국내외 경유 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감효과 전망

가. EURO-6 대응기술 개발동향

디젤엔진은 전체 배출가스 배출량이 상대적으로 적은 대신에 PM과 NOx

가 다량으로 배출되는 문제점이 있다. PM과 NOx를 동시에 저감하기 위해

신연소개념의 도입과 엔진 시스템의 향상 및 조화가 중요하다.

2003년 이후 EURO-3 규제기준에 대응하기 위해 기존의 기계식 펌프 대신

초고압분사 커먼레일 시스템이 활용되어왔고, 배기가스재순환(EGR), 가변형

상터빈(VGT), 전자제어 기술 등이 도입되었다.

향후 디젤엔진 기술발전방향을 대별하면 기술 요소별로 신 연소기술과 현

행 디젤엔진개선기술로 분류된다.

신 연소기술에는 NOx와 PM을 동시에 저감시킬 수 있는 것으로 알려진

예혼합 압축착화(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition), 저온

연소 (LTC, Low Temperature Combustion) 등이 있다. 현행 디젤엔진 개선

기술로는 초고압시스템과 다단분사가 가능하게 해주는 고압연료분사시스템,

소형화 및 경량화, 냉각 (Cooling) 및 윤활 (Tribology) 최적화, 흡기유동 및

피스톤 보울 최적화, 가변밸브기술 (VVA, Variable Valve Actuation)과 가변

연소실기술, Atkinson cycle 엔진, 과급 (Turbocharging)과 배기가스 재순환

(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 기술 등이 있다. 그 중에서도 커먼레일 시

스템, VGT, 4 밸브화는 고출력화 대책으로서, 커먼레일 시스템, VGT, 4밸브

화, 가변 스월 컨트롤은 연비향상 대책으로서, 커먼레일 시스템, EGR은 소음

대책으로서 효과적이다.

후처리장치 부분에서는 NOx, PM 배출을 억제하기 위해 DPF와 요소 SCR


촉매 등의 기술이 널리 사용되고 있는데 더욱 강화될 배출허용기준에 대응

하기 위해 각 제조사에서는 다양한 방법으로 배출가스 저감을 실현하기 위

한 기술개발을 추진 중에 있다. 또한 요소수의 보급을 필요로 하지 않는

NOx 저감장치인 LNC 시스템과 배출규제물질인 HC를 NOx 정화에 이용하

는 HCㆍNOx 트랩촉매와 같은 새로운 기술이 개발 중에 있다.


<그림 3-1> HC·NOx 트랩촉매

나. 국내 경유버스 기술 연구개발 동향

국내에서는 지난 2011년 친환경자동차기술개발사업단의 연구개발을 통해

EURO-6 규제기준을 만족하는 후처리기술(CDPF+ursa SCR)을 개발 완료하여

대응하고 있다6). 이와 함께 경유차 NOx 저감을 위한 Urea SCR 시스템의

환원제 분사장치의 국산화 기술도 개발하였다7).

또한 현대자동차, 오-덱(주) 등이 2011년 정부 수탁 「EURO-6 규제 대응 대

형 경유차 후처리장치 개발(환경부, 2011)」이라는 연구 사업을 추진한 바 있

다. 향후 지속적으로 강화될 예정인 상용디젤엔진의 배출규제에 대한 대응,

특히 2014년 EURO-6 규제기준 대응을 위한 신규 제작차용 디젤 후처리시스

템 개발을 목표로 연구 사업을 추진하였다. 이러한 연구를 통해 EURO-6 규

제기준에 대응하기 위한 촉매 및 캐닝 설계기술을 확보하였다. EURO-6 규제

기준 대응하기 위한 De-NOx, De-PM 시스템으로 DPF/SCR 시스템의 통합

6) 정용일. 2012. 「국내 친환경자동차 기술개발 동향과 전망」

7) 정용일. 2012. 「국내 친환경자동차 기술개발 동향과 전망」


제어 기술을 구축하여 적용가능성을 확인하였다. 또한 향후 적용이 예상되는

입자상 물질과 NH3 배출량에 대한 영향을 확인함으로써 규제 대응이 가능

할 것으로 판단하고 있다.

이밖에 현재 한양대학교와 현대자동차가 공동으로「Post EURO 6 규제 대

응을 위한 엔진제어 핵심 알고리즘 개발과 엔진제어시스템 플랫폼(하드웨어

와 소프트웨어」개발 사업을 수행하고 있다. 주요 연구방향은 디젤차량의 후

처리장치 SCR+DPF+LNT 기술 상용화에 있다. LNT는 흡장형 질소산화물 저

감촉매 방법이다. SCR과 달리 환원제로 경유만을 사용하기 때문에 별도의

환원제 분사장치가 필요 없고, 시스템이 단순하여 설치비용이 저렴한 수준으

로 평가되고 있다. NOx 흡장물질의 종류에 따라 넓은 작동 온도구간을 가지

는 장점이 있으며 소형디젤차량에서 보다 적합한 것으로 평가되고 있다8).

다. 국외 경유버스 기술 연구개발 동향

국외업체 및 전문연구기관 연구내용에 따르면, 해외업체들은 EURO-4/5 에

대응하기 위해 EGR를 적용한 후 DPF를 장착하는 방식, SCR에 의한 탈질법,

NOx 흡장형 촉매를 사용한 3가지 방법을 주로 연구하였으며 유럽에서는

SCR 기술을 선호하고 북미에서는 EGR+DPF 기술을 선호하는 것으로 나타

났다. 이는 유럽과 북미의 배출가스 규제정책의 차이에서 비롯된 것으로, 유

럽은 EURO4/5, 북미는 US-2007/2010의 규제를 적용하고 있다9).

8) 황승권 외. 2012. 「승용디젤엔진의 연료분사 제어를 위한 LNT 촉매의 NOx 저감 특성에 관한 연구」. 한국

자동차공학회 vol. 20, No.4, pp.150-155

9) 북미의 US-2007와 2010은 PM규제기준이 유럽보다 높음. 유럽의 BENZ, IVECO, 미국 Cummins (미국 이외

의 시장차량) SCR을 선호하며, CAT, Cummins 등 미국업체는 EGR+DPF을 선호하고 Scania, MAN은 두 가

지를 상용하고 있음


제조사 국가 후처리시스템

DAF 네덜란드 SCR+AOC

IVECO 이탈리아 CRT / DOC+SCR+AOC

VOLVO 스웨덴 SCR

SCANIA 스웨덴 SCR(엔진배기량 16L이상)

DCX 독일 SCR

MAN 독일 Cooled EGR + metal Filter

NISSAN DIESEL 일본 SCR

Cummins 미국 Cooled EGR + DOC + DPF

Mack 미국 Cooled EGR + DOC + DPF

DDC 미국 Cooled EGR + DOC + DPF

Caterpollar 미국 Cooled EGR + DOC + DPF/ NOx Trap

International 미국 Cooled EGR + DOC + DPF

<표 3-1> 해외업체별 EURO-4 대응 후처리기술

자료: 환경부(2011)

하지만 EURO-6 기준을 부합하기 위해서는 DPF나 SCR 기술 한 가지만으

로는 배기규제 만족이 불가능하다고 보고 있으며, 이에 따라 EURO-6 대응을

위한 기술개발이 추진되고 있다.

독일 Daimler 그룹(Mercedes Benz)은 Blue Efficiency Power라는 프로젝트

명으로 약 5년간 슈투트가르트 본부에서 친환경 엔진을 개발해 왔으며, 2011

년 3월 개발내용을 발표하였다. 6실린더 직렬모터로 OM 471은 310~375

(421~510마력), 최대토크 2100~2500Nm를 가지며, 동급에서는 Euro-6 기준

승인을 최초로 획득하였다. SCR, EGR을 갖추고, 연료효율을 높이기 위한

Common-Rail-System을 이용하였고 여기에는 X-Pulse라는 연료분사기술이

적용됐는데, 차량 부하가 걸리지 않는 경우 연료소모를 줄여주는 기능을 적

용하였다.

Scania 그룹도 2011년 3월 말 Euro-6 기준을 달성한 상용차 엔진을 공개하

였다. 지난 5년 동안 약 15억 달러 이상 투자해 개발된 440~480마력의 13ℓ

짜리 Euro-6 엔진은 EGR, 가변식 터보구조(Turbo Geometry), common rail,

SCR, 입자필터기술 등 핵심 기술을 모두 자체(in house) 개발하였다. Scania

는 이미 2007년 Euro-5 엔진을 선보였으며 Daimler 그룹과 Euro-6 기술개발

을 두고 선두경쟁을 벌이고 있다.


Daimler, Scania 외에도 MAN Truck, Volvo, Iveco 등이 배기가스 재순환

(EGR), 선택적 촉매저감기술(SCR) 등 상용차용 엔진 핵심기술을 개발 중에 있다.

EURO-6 대응을 위해 독일의 MAN 역시 SCR, EGR, DPF 기술과 연료효율

을 높이기 위한 Common-Rail-System을 이용하고 있다10). MAN에 따르면

‘AdBlue'를 이용한 SCR 기술로 NOx배출량을 약 90%까지 저감할 수 있다고

한다. ‘AdBlue'는 SCR 시스템을 탑재한 디젤자동차의 배기가스 환원제로

이용되는 고품질 요소수로, 배기가스 규제 강화에 따라 수요확대가 예상된

다11). 이와 함께 CRT 필터(DPF) 또한 EURO-6 기준에 부합하기 위해 사용

하고 있으며, PM을 99%까지 필터할 수 있다고 한다.

이탈리아의 IVECO에서도 EURO-6 엔진으로 디젤버스 “URBAMWAY"를

출시하였다. EURO-6 엔진에 FTP가 개발한 HI-eSCR 기술이 적용되었으며,

이 기술을 이용하여 EGR 없이 NOx를 저감할 수 있다고 한다12). FTP에 따

르면 SCR장착 시 NOx 변환효율이 95%에 달한다고 예상된다. 이는 경쟁사

의 80~85%보다 높은 것으로 보다 친환경적이라고 할 수 있다13).

VOLVO는 Euro-6 대응엔진으로 VOLVO D11과 D8, D5를 출시하였다.

D8는 EURO-5 엔진인 D7과 D9를 대체한 것으로, 연비측면에서 보다 우수하

다고 한다. Euro-6대응엔진의 후처리장치에는 SCR과 DPF가 적용되었으며,

D8과 D5에는 EGR이 추가로 장착되었다14).

10) MAN 홈페이지(http://www.man.eu/en/index.html)

11) 화학뉴스. 2008.1.31. “AdBlue, 배기가스 규제강화로 신장”. http://www.chemlocus.co.kr/news/view/50244

[2013.7.23]

12) IVECO 2013.5. Press Release13) 클린디젤 공식블로그. 2011.6.7. “유로6 엔진을 위한 이베코와 FPT가 개발한 SCR"

http://blog.daum.net/primaire1/316 [2013.7.23]

14) Automotive World, 2013.4.23. “Fuel saving in focus when Volvo Buses meets Euro 6 norms”

http://www.automotiveworld.com/news-releases/fuel-saving-in-focus-when-volvo-buses-meets-euro-

6-norms/ [2013.7.23]


2. 국내외 CNG 버스 기술개발 동향 및 배출가스 저감효과 전망

가. EURO-6 대응기술 개발동향

EURO-6 대응기술로 Lean burn/OC+SCR 또는 Stoichiometric/TWC(이론

공연비+삼원촉매)의 2가지 방향으로 기술개발이 진행 중에 있다. 먼저 유럽

에서는 Stoichiometric/TWC 기술을 선호하고 있다. 이론공연비는 앞서 말한

바와 같이, 과잉공기를 없애 연료량과 공기량의 공급비율을 이론적으로 필요

한 비율로 공급하여 연소시키는 방식이다. 이론공연비는 CH4 저감기술로서

CH4 는 저감할 수 있으나 NOx가 증가하는 역효과가 발생한다. 이에 NOx를

저감하기 위하여 삼원촉매(TWC) 기술을 도입하였다.

또한 경유 엔진에서 적용되었던 EGR을 이용하여 삼원촉매로 NOx를 저감하

는 과정에서 발생하는 연료 온도를 제어하는 기술을 적용하였다. EGR을 적용한

이론공연비 엔진은 EGR을 적용하지 않은 이론공연비 엔진에 비해 NOx 배출량

과 연료소비량을 각각 80%, 19~27%까지 낮출 수 있다고 한다15). 이론공연비엔

진은 EGR 추가로 시스템이 복잡하고 내구성 보강이 필요하다는 단점이 있지만

출력 잠재력(potential)이 유리하며 규제강화에도 쉽게 맞출 수 있어 장기적으로

규제가 강화될 때를 대비하여 Lean burn보다 수요가 클 것으로 전망되고 있다.


<그림 3-2> Lean burn과 Stoichiometric/TWC 비교

15)ICCT. 2009. CNG Bus Emissions Roadmap:from Euro III to Euro VI


Lean Burn Stoichiometric

시스템 희박연소 / SCR+OC 촉매 이론공연비 연소 / EGR+삼원촉매

구조 시스템이 상대적으로 간단EGR 추가로 시스템이 복잡하여 내구성

보강 필요

냉각성능 냉각성능 증대 불필요 20~30% 냉각 성능 증대 필요

출력성능 출력 증대 어려움 출력 잠재력 유리

업체 D사 H사 및 유럽 회사

<표 3-2> Lean burn과 Stoichiometric의 장단점


나. 국내 CNG 버스 기술 연구개발 동향

국내 자동차 엔진제작사 가운데 H사는 이론공연비+삼원촉매를 적용한 기

술, D사는 희박연소/OC+SC을 적용한 기술을 각각 채택하여 개발하고 있다.

앞서 말한 바와 같이 장기적으로 이론공연비+삼원촉매 적용기술이 배출가

스 규제에 상대적으로 용이하게 대응할 수 있다는 측면에서 향후 규제강화

에 대응한 기술 잠재력은 H사의 기술이 D사보다 크다고 할 수 있다.


<그림 3-3> EURO 6 대응기술: H사 및 유럽회사의 이론공연비+삼원촉매


<그림 3-4> EURO 6 대응기술: D사의 Lean Burn+SCR


다. 국외 CNG 버스 기술 연구개발 동향

해외 CNG 제조업체를 통해 볼 때도, EURO4/5 부터 희박연소엔진에서 삼

원촉매를 적용한 이론공연비 엔진으로 전환하기 시작하였다.

배출기준

NOx/PM(g/kWh)CNG 엔진 Air/Fuel 시스템 후처리

EURO3 (2000)

5.0/0.016Lean-burn TBI 방식 -

EURO4(2005)

3.5/0.030Lean-burn Closed loop OC

EURO5(2008)

2.0/0.030

Lean-burn+stoichiometric /

stoichiometric + EGR and

turbocharging

Closed loop TWC

EURO6(2013)

0.4/0.010

Stoichiometric + Cooled

EGR and turbochargingClosed loop TWC

<표 3-3> 해외 EURO 규제강화에 따른 CNG 기술동향

자료: 환경부(2011)

Cummins는 EURO-3까지 희박연소 엔진을 적용하다 EURO-4에서 US2010

기준에 부합하기 위해 EGR과 터보차저, TWC를 적용한 이론공연비 엔진을

적용하였다.

IVECO 역시 EURO-5 대응을 위해 TWC를 적용한 이론공연비 엔진을 적용하였다.


<그림 3-5> IVECO CNG stoichiometric 엔진 오염물질 배출수준

독일의 MAN 또한 EURO-6에 대응엔진인 E0836과 E2876모델에 이론공연

비와 삼원촉매의 기술을 적용하고 있다. 최근 발표자료에 따르면, EURO-6


대응을 위해 E2876 LUH07 모델이 출시되었으며 배출가스 인증결과(WHTC)

EURO-6 규제기준에 모두 부합한 것으로 나타났다16).

Ÿ E2876LUH

Ÿ 실린더 개수: 6

Ÿ Power output: 228kW/2000rpm

Ÿ E0836LOH

Ÿ 실린더 개수: 6

Ÿ Power output: 206kW/2000rpm

<표 3-4> 독일 MAN EURO-6 대응엔진

자료: MAN(2013)

인증결과 E2876 LUH07의 오염물질별 배출가스는 다음 <표 3-5>와 같으며,

EURO-6 기준을 모두 부합하는 것으로 나타났다.

CO

(g/kWh)

NMHC

(g/kWh)

NOx

(g/kWh)

CH4

(g/kWh)

PM

(g/kWh)

입자개수

(1011/kWh)

NH3

(ppm)

EURO3 5,45 0,78 5 - 0,16 - -

EURO4 4 0,55 3,5 - 0,03 - -

EURO5 4 0,55 2 - 0,03 - -

EEV 3 0,4 2 - 0,02 - -

EURO6 4 0,16 0,46 0,5 0,01 6 10

MAN

E2876-EEV0,72 0,04 0,02 0,02 0,003 - -

MAN

E2876-EURO60,3 0,02 0,14 0,14 0,001 2,59 8,86

<표 3-5> MAN CNG 버스 배출가스 인증결과(ETC/WHTC )

주) ESC: European Static Cycle / WHTC: Worldwide Harmonization Transient Cycle

자료: MAN(2013)

16) MAN. 2013. Clean Air Bus Transport-Future proof and sustainable technology


주) WHTC: Worldwide Harmonization Transient Cycle

Wichtung:14% kalt +86% warm

자료: MAN(2013)

<그림 3-6> MAN CNG 버스(E2876) WHTC 시험결과

제4장 노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG 버스의 대기오염 배출특성 시험 평가 33

제4장 노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG

버스의 대기오염 배출특성 시험 평가

1. 시내버스 시험모드17)

가. 서울시 시내버스 주행속도

2010년에 서울시 도시교통본부에서 총 380개 노선(간선, 지선, 순환노선)에

대하여 조사한 시내버스의 평균주행속도는 평균 19.8 km/h이다.

연도별 ‘99 ‘00 ‘01 ‘02 ‘03 ‘04 ‘05 ‘06 ‘07 ‘08 ‘09 ‘10

속도 19.2 19.0 19.1 18.9 17.2 18.1 17.6 17.9 19.6 19.7 19.6 19.8

<표 4-1> 서울시 시내버스 주행속도

(단위 : km/h)

구간별 주행속도에서는 가로변 버스전용차로가 18.2km/h, 일반차로구간이

19.0km/h, 중앙 버스전용차로가 21.8km/h로 중앙 버스전용차로의 주행속도

가 가장 높다.

구 분 ‘01 ‘02 ‘03 ‘04 ‘05 ‘06 ‘07 ‘08 ‘09 ‘10

버스

차로

유형

일반차로 17.8 18.9 16.7 17.7 17.0 17.3 18.4 18.3 18.9 19.0

가로변

버스전용차로21.6 19.0 18.1 18.9 18.4 18.7 18.4 18.5 18.1 18.2

중앙

버스전용차로- - - 22.0 21.3 21.1 22.3 22.2 21.2 21.8

<표 4-2> 구간별 주행속도

(단위 : km/h)

17) 차량에 대한 시험 및 결과분석은 국립환경과학원의 교통환경연구소에서 수행한 결과임


나. 차대동력계용 버스 주행모드

국내의 대형 차대동력계용 차속별 시험모드는 2000년에 대형차 배출계수 산

출용 모드로 개발되었다. 서울시 및 대전시의 시내버스 주행패턴을 조사하여

각 구간별 평균 주행특성을 반영하여 시간-차속의 형태로 구성되어 있고, 또한

해마다 평균 주행속도가 다른 점을 고려하여 대표 차속별로 12개의 모드가 있다.

각 주행모드의 주요특성 및 주행패턴은 다음 <표4-3>과 같다.

시험모드

주요 특성

주행시간

(s)

정차시간

비율(%)

정속주행

시간비율

(%)

주행거리

(km)

평균속도

(km/h)

최고속도

(km/h)

NIER 01 891 55.9 11.7 1.13 4.56 32.4

NIER 02 910 47.6 12.3 1.94 7.68 46.3

NIER 03 900 41.2 11.6 2.64 10.56 46.9

NIER 04 880 35.5 13.1 3.44 14.08 57.8

NIER 05 899 29.9 10.8 4.07 16.31 50.4

NIER 06 919 24.8 14.4 5.08 19.88 68.1

NIER 07 892 20.0 14.5 5.99 24.19 65.9

NIER 08 887 15.3 16.1 6.85 27.80 64.1

NIER 09 925 10.8 16.9 8.31 32.33 78.1

NIER 10 890 7.4 21.5 9.33 37.75 70.0

NIER 11 865 3.8 24.5 10.26 42.72 79.5

NIER 12 898 1.1 24.3 11.80 47.30 85.4

<표 4-3> 시험모드 특성

다. CNG 및 경유버스 시험모드

본 연구에서는 차대동력계용 시험모드 중 2010년에 조사된 서울시 평균주행속

도(19.8 km/h)와 가장 유사한 NIER 06모드(평균속도 19.88km/h)를 선택하였다.


시험모드

주요 특성

주행시간

(s)

정차시간

비율(%)

정속주행

시간비율

(%)

주행거리

(km)

평균속도

(km/h)

최고속도

(km/h)

NIER 06 919 24.8 14.4 5.08 19.88 68.1

<표 4-4> CNG 및 경유버스 환경성 평가용 시험모드(NIER06)

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900Time (s)

Vehic

le Sp

eed (k

m/h)

평균 속도 : 19.88 km/h주행 시간 : 919s주행 거리 : 5.08 km

<그림 4-1> NIER 06 모드 주행패턴

또한 향후 배출가스 규제기준 값과의 비교를 위하여 EURO-6('14년 적용)

배출허용기준에서 적용될 WHVC 모드를 추가로 측정하였다.

시험모드

주요 특성

주행시간

(s)

정차시간

비율(%)

정속주행

시간비율

(%)

주행거리

(km)

평균속도

(km/h)

최고속도

(km/h)

WHVC 1800 13.6 15.6 20.074 40.14 87.8

<표 4-5> CNG 및 경유버스 환경성 평가용 시험모드(WHVC)

<그림 4-2> WHVC 모드 주행패턴


2. 시험내용 및 방법

가. 시험차량

시험차량은 노후화(연식)에 따라 2003년 및 2006년식 CNG 및 경유버스 각

2대, 2009년식(또는 2010년식) CNG 및 경유버스 각 3대(대우, 현대), 경유 및

CNG 하이브리드 버스 각 1대씩 총 16대를 선정하였다(<표 4-6> 참조).

CNG 버스의 경우 대우, 현대 모두 동일한 기술이 적용되었으나, 2009년식

및 하이브리드 경유버스의 경우는 현대는 EGR 및 p-DPF를, 대우는 SCR을

각각 적용하여 기술적으로 다른 특성을 가지고 있다.

2003년식 경유버스에는 CNG 버스(산화촉매 미부착)와 달리 DOC와 DPF

가 각각 부착된 차량을 시험하였다.


(km)

엔진

형식

공차중량

(kg)

출력

(ps/rpm)

배기량

(cc)

CNG

현대


770,075 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

803,305 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

현대

뉴슈퍼에어로시티(4대)

2006653,148 C6AC 10,600 290/2,000 11,149

874,543 C6AC 10,830 290/2,000 11,149

2009376,077 C6AC 11,020 290/2,000 11,149

428,318 C6AC 11,020 290/2,000 11,149

대우 BS106 2009 353,253 GE12TI 10,705 290/2,200 11,051

현대 뉴슈퍼에어로시티(2대) 2011 - C6AE 11,025 290/2,000 11,149

대우 BS106(2대) 2011 - GL11K 10,875 290/2,200 11,051

경유

현대 슈퍼에어로시티(2대)

2003392,202 D6AB 10,030 280/2,000 11,149

298,848 D6AB 10,125 280/2,000 11,149

현대 뉴슈퍼에어로시티(3대)2006

703,713 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

594,588 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

2010 344,508 D6HA 10,390 300/1,900 9,960

대우 BS106 2009 456,976 DL08 9,780 300/2,200 7,640

대우 BS090 2009 312,270 DL06 8,440 250/2,500 5,890

현대 뉴슈퍼에어로시티(2대) 2011 - D6HA 10,390 300/1,900 9,960

대우 BS106(2대)2012 - DL08K 10,380 300/2,200 7,640

2011 - DL08K 9,760 300/2,200 7,640

CNG 하이브리드 현대 블루시티 초저상 2012 63,169 C6GA 11,730 240/2,500 6,366

경유 하이브리드

BC211M 2011 31,784 DL06K 11,320 270/2,500 5,980

<표 4-6> 시험차량 정보

주) 2011년식 차량은 환경부(2012) 연구에 따른 내용임


나. 시험모드 선정

시험모드는 앞서 설명한대로 2010년 서울시 버스 평균주행속도와 가장 유

사한 NIER 06모드와 향후 배출규제와의 비교를 위하여 EURO-6 배출규제에

서 적용될 WHVC 모드를 선정하였다.

다. 분석항목

분석항목은 규제물질인 CO, HC, NOx, PM, 입자개수와 온실가스인 CO2,

CH4 및 미규제물질인 VOC를 선정하였다. 연비의 경우는 측정된 배출가스

(CO, HC, CO2)를 이용한 탄소밸런스 법을 이용하여 계산하였다. 다만, CNG

버스의 경우 국내에 아직 연비계산법이 없어 유럽에서 사용되는 연비계산식

을 사용하였다.

연비계산식은 유럽의 CNG 계산식 사용하였으며, 계산식은 다음과 같다.

연비 = (0.654×100(/[0.1336×[(0.749×HC)+(0.429×CO)+(0.273×CO2)]

라. 시험분석장치

차대동력계를 이용한 배출가스 시험장치는 주로 차대동력계, 보조운전장치,

시료채취장치, 희석터널, 입자상물질 측정장치 및 배출가스 분석기 등으로

구성되어 있다.

배출가스 측정은 실제 시험자동차가 차대동력계의 롤러위에서 각 모드별로

주행할 때 배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량시료채취장치(CVS :

Constant volume sampler)에서 일정량의 공기로 희석한 후, 시료채취백에

채취하여 배출가스 분석기로 분석한다. 운전보조장치(Driver aid)는 운전자가

자동차를 도로에서 주행하는 상태로 운전 할 수 있도록 화면에 운행상태를

표시해 주는 장치이며, 또한 시료채취장치(Constant volume sampler)는 자동


차 배출가스를 공기와 희석하여 채취할 수 있는 장치이며, 희석터널은 고온

에 의한 입자상물질의 변화를 배제시키고 대기조건으로 제어하기 위해 시료

채취온도가 항상 52 이내로 유지되도록 외부공기와 배기가스를 희석시키

는 기능을 한다. 아래 <그림4-3>과 <그림4-4>는 차대동력계를 이용하여 시험

하는 모습과 배출가스 측정시스템의 계통도를 나타내고 있다.

<그림 4-3> 배출가스 시험모습

<그림 4-4> 배출가스시험장치 계통도

마. 도로부하력 설정

실도로에서의 도로부하력 산정을 위해서는 코스트다운 시험을 위한 충분한

직선거리가 확보된 시험도로가 필요하다. 따라서 도로 여건에 의해 산출이


불가능할 시에는 다음의 식에 의해 산출된 지정도로부하력을 사용한다. 본

연구에서는 지정도로부하력으로 일본의 대형차 시험방법에서 사용되는 다음

식을 사용하였으며, 이 방법은 일본 새시험법검토회에서 여러 형태의 시험차

량을 가지고 산출한 경험식으로 A는 차량중량에 의한 지면 마찰력, B는 차

량 형태에 의한 바람저항을 의미한다. 시험중량은 공차중량에 승차인원/2를

더한 무게로 한다.

지정도로부하력 = A + BV2

여기서,

A = 0.00513 × 시험중량(kg) + 17.6

B = 0.00299 × (전고×전폭)(m2) + 0.000832

3. 노후화(연식)에 따른 오염물질 배출량 시험결과 분석

가. 분석 대상 차량 선정

앞에서 언급했듯이 NIER 06모드와 WHVC 모드를 적용하여 16대 차량에

대한 오염물질 배출량을 시험 측정하였다. 차량시험 후 분석대상 차량을 선

정하기 위하여 시험차량의 기술조건 및 시험결과 등을 분석하였다. 그 결과,

5대 차량에서 시험결과에 심각한 왜곡을 가져올 가능성이 있는 기술적 문제

가 발견되었다. 즉, 5대의 차량에서 본 연구의 목적인 노후화에 따른 오염물

질 배출량 분석에 적합하지 않는 기술적 문제점을 갖고 있는 사실이 아래와

같이 발견되었다.

첫째, 2003년식 경유버스 시험결과에서 발견된 기술적 문제는 아래와 같다.

2003년식 경유버스는 다른 연식의 경유버스와는 다르게 PM저감장치인 DPF

가 부착된 영향으로 PM 배출량이 상대적으로 낮게 배출되는 것으로 측정되

었다. 이로 인하여 상대적으로 낮게 측정된 시험결과는 연식별 PM 배출량을

왜곡시킬 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 <표 4-7>에서 확인되듯



(km)

엔진

형식

공차중량

(kg)

출력

(ps/rpm)

배기량

(cc)

CNG 현대 슈퍼에어로시티 2003770,075 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

803,305 C6AB 10,595 290/2,000 11,149

경유

현대 슈퍼에어로시티 2003392,202 D6AB 10,030 280/2,000 11,149

298,848 D6AB 10,125 280/2,000 11,149

현대

뉴슈퍼에어로시티2006 703,713 D6AB 10,525 280/2,000 11,149

<표 4-7> 시험차량 중 분석제외차량 정보

이 2003년식 경유버스의 주행거리는 298,848km에 불과하여 2006년식의 1/3

수준이고 2009년식과 거의 유사한 수준을 보여주고 있다. 일반적으로 차량의

운행거리는 노후화의 주요한 지표로 간주되고 있다는 점을 감안할 때, 노후

화가 진행되지 않은 2003년식 경유버스를 노후화에 따른 배출특성을 평가하

기 적합하지 않은 것으로 판단된다.

둘째, 2006년식 경유버스 차량 1대의 시험결과에서도 기술적 문제로 의심

되는 문제가 발견되었다. 즉, 2006년식 경유버스 2대의 시험결과를 비교한

결과, 두 차량간 PM 배출량은 10배, THC는 50배 정도 차이가 나타났다. 이

는 차량 한 대에 부착된 저감장치가 파손에 가깝게 고장 난 것에 기하는 것

으로 추정된다.

이러한 이유로 2003년식 경유버스를 노후화에 따른 대기오염 영향 및 환경

성·경제성을 분석하는 본 연구의 분석대상에서 제외하였다. 이에 따라 2003년

식 CNG 버스도 경유버스가 제외되어 비교할 대상차량이 존재하지 않은 관

계로 분석대상에서 제외하였다. 또한 2006년식 경유버스 가운데 배출량이 상

대적으로 많은 차량의 시험결과의 대표성에 문제가 있는 것으로 판단되어 분

석대상 차량에서 제외하였다. 분석대상에서 제외된 차량은 <표 4-7>과 같다.

위와 같은 시험차량의 기술적 문제를 고려하여 16대의 시험차량 가운데 5

대의 차량을 제외하고 11대 차량을 선정하여 연식별 오염물질 배출량 특성

분석 및 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 환경성·경제성을 평가하기로 한다.


나. NIER 06 모드의 오염물질별·연식별 오염물질 배출량 시험결과

경유 및 CNG버스 노후화(연식)에 따른 대기오염물질 배출특성을 시험하여

비교평가하기 위해 한국의 시험주행패턴을 가장 잘 반영한 NIER 06 모드를

주행하면서 측정한 오염물질 배출량 시험결과는 아래 <표 4-8>과 같다.

구 분CO

(g/km)

THC(g/km)　NOx

(g/km)

PM

(g/km)

입자개수

(개/km)

CO2

(g/km)

연비

(km/l ,

km/m3)NMHC CH4

2006

년식

CNG

CNG1 0.5279 0.4897 4.4075 7.0295 　0 4.29E+10 764 2.31

CNG2 0.0246 0.0743 0.6686 4.5277 　0 5.24E+10 748 2.39

평균 0.2762 0.2820 2.5381 5.7786 　0 4.77E+10 756 2.35

경유 경유 4.3058 0.0361 0 6.0035 0.0984 1.19E+14 739 3.16

　저감율(%) 93.6 -681.2 0 3.7 100.0 100.0 -2.3 25.6

2009

년식

CNG

현대 1 0.4715 0.6902 6.2119 10.6215 　0 2.38E+10 686 2.54

현대 2 0.1933 0.0727 0.6540 5.7633 　0 5.72E+10 719 2.49

대우 0.0767 0.4038 3.6343 3.2091 　0 3.37E+11 723 2.56

평균 0.2472 0.3889 3.5001 6.5313 　0　 1.39E+11 709 2.53

경유

현대 0.9485 0.3113 0 12.7551 0.0319 1.80E+13 721 3.72

대우 1 12.3712 0.0638 0 8.9496 0.0526 1.11E+14 694 3.77

대우 2 8.7061 0.0054 0　 7.5808 0.0380 6.86E+13 738 3.37

평균 7.3419 0.1268 0 9.7618 0.0408 6.59E+13 718 3.62

　저감율(%) 96.6 -206.6 0 33.1 100.0 99.8 1.2 30.1

2011

년식

CNG

현대 0.0510 0.9347 8.4122 3.3845 0 1.06E+11 723 2.40

대우 0.0665 0.7099 6.3887 3.8647 0 3.66E+11 720 2.43

평균 0.0587 0.8223 7.4005 3.6246 0 2.36E+11 721 2.42

경유

현대 0.8659 0.4779 0 10.8450 0.0610 2.66E+13 717 3.53

대우 2.7730 0.0237 0 9.7100 0.0198 3.52E+13 730 3.46

평균 1.8195 0.2508 0 10.2775 0.0404 3.09E+13 723 3.49

　저감율(%) 96.8 -227.9 0 64.7 100.0 99.2 0.3 30.8

<표 4-8> CNG-경유버스 오염물질 배출량 시험 결과(NIER 06 모드)


1) CNG 버스 오염물질별·연식별 대기오염물질 배출 경향

[CO]

CO는 <그림 4-5>와 같이, 최근 연식일수록 배출량이 감소하고 있으며 노

후화된 차량, 즉 차량이 노후화 될수록 배출량이 증가하는 경향을 보이고 있

다. 모든 연식의 CO 배출허용기준이 동일하기 때문에 기준의 변화, 즉 규제강

화에 따른 배출량 감소로 판단할 근거가 없다는 점을 고려할 때, 차량의 노후

화가 배출량 증가의 주요한 요인으로 작용하는 것으로 평가할 수 있다.


0.2762 0.2472

0.0587

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

2006년식 2009년식 2011년식

[CO(g/km)]

<그림 4-5> CNG버스 연식별 CO 배출경향

[THC: NMHC, CH4]

NMHC와 CH4는 연식이 최근일수록 배출량이 오히려 증가하는 경향을 보

인다. 이러한 배출량이 증가하는 경향이 나타난 이유는 최근 강화되어 온

NOx 배출허용기준을 만족하기 위한 엔진설계와 관련된 기술적 요인에서 비

롯된 것으로 판단된다. 즉, 차량 제작사는 강화되는 NOx 규제기준을 맞추기

위하여 연료 분사시기 등 엔진제어를 통해 상대적으로 규제기준에 여유가

있는 HC 배출량 수준을 높게 설계하여 대응해 온 것으로 풀이된다.

이 때문에 최근 연식일수록 NMHC와 CH4 배출량은 유사하게 증가하는

경향을 나타낸 것으로 보인다. 특히 <그림 4-6>에서 확인되듯이 2011년식의

THC 배출량이 2009년식에 비해 약 2배 이상 증가하는 경향을 나타냈는데,

이는 2011년도에 NOx 배출허용기준의 강화와 관련이 있는 것으로 판단된다.

0.282

0.3889

0.8223

00.10.20.30.4

0.50.60.70.80.9

2006년식 2009년식 2011년식

[NMHC(g/km)]

2.5381

3.5001

7.4005

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2006년식 2009년식 2011년식

[CH4(g/km)]

<그림 4-6> CNG버스 연식별 THC 배출경향


[NOx]

NOx의 경우는 2009년식과 2006년식 버스에서는 유사하게 배출되는 것으

로 나타났으나, 2011년식은 배출량이 급감하는 경향을 보이고 있는데 이는

2011년에 강화된 배출허용기준의 영향을 받은 것으로 판단된다.

5.7786

6.5313

3.6246

0

1

2

3

4

5

6

7

2006년식 2009년식 2011년식

[NOX(g/km)]

<그림 4-7> CNG버스 연식별 NOx 배출경향

[PM]

CNG버스에서 PM은 거의 배출되지 않은 것으로 나타났다. 이는 연소방식

에서 비롯된 것으로 CNG 버스에서는 연료와 공기가 충분히 혼합되어 연소

되는 불꽃점화 방식이기 때문에 PM이 배출되지 않는 것으로 판단된다.

[입자개수]

입자개수 측정결과, 최근 연식일수록 배출량이 증가하는 경향을 보인다. 하

지만 2006년식, 2009년식, 2011년식 배출량이 오차범위 내에 있다. 따라서 배

출량 변화가 유의미한 경향성을 갖는다고 평가하기에는 무리가 있다.

4.77E+10

1.39E+11

2.36E+11

0.00E+00

5.00E+10

1.00E+11

1.50E+11

2.00E+11

2.50E+11

2006년식 2009년식 2011년식

[입자개수(개/km)]

<그림 4-8> CNG버스 연식별 입자개수 배출경향


[CO2]

CO2 배출량은 2006년에 비해 2009년식에서 배출량이 감소했으나 2011년식

에서 다시 증가하는 경향을 보여 노후화에 따른 배출량 증감에서 일정한 경

향성이 나타나지 않았다.

이러한 시험결과는 기술적 요인에서 비롯된 것으로 판단되는데 엔진기술설

계와 NOx의 배출허용기준 강화에 따른 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 CO2

배출은 기술설계와 NOx의 배출허용기준 강화와 밀접한 관계가 있다. 즉, 기

술적으로 NOx를 줄이기 위해서는 공기의 비율이 14.7보다 낮은 농후 공연비

가 조성되어야 하기 때문에 CO2 배출량이 증가하게 된다. 이 때문에

EURO-4 기준이 적용된 2009년식은 2006년식에 비해 CO2 배출이 다소 감소

하였으나 2011년식은 NOx 기준의 강화에 따라 기술적 요소가 변화함에 따

라 2009년식에 비해 CO2 배출량이 다소 증가한 것으로 판단된다.

그런데 CO2 배출량은 차량의 외관 등 기술적 조건이나 타이어 설계 등에

서도 영향을 받기 때문에 차량 노후화(연식)에 따른 배출경향이 나타내기 어

려운 측면도 존재한다.

756

709 721

680

690

700

710

720

730

740

750

760

2006년식 2009년식 2011년식

[CO2(g/km)]

<그림 4-9> CNG버스 연식별 CO2 배출경향

2) 경유버스 오염물질별·연식별 배출 경향

[CO]

차량 노후화(연식)에 따라 배출량이 증가하는 경향을 나타낸 CNG 버스와

달리 경유버스에서는 CO 배출량은 노후화에 따라 증가하거나 또는 감소하


는 일정한 경향성이 나타나지 않았다. 기술적 측면에서 2009년식 차량의 배

출량이 높게 측정된 이유는 시험차량 중 SCR이 부착된 대우 차량(경유 2대)

때문으로 판단된다. 그 이유는 일반적으로 SCR 부착차량은 산화촉매에 비해

귀금속량이 적어 차량의 노후화가 상대적으로 빠르게 진행되는데, 이러한 노

후화 결과가 2009년식 차량의 CO 배출량에도 일정정도 영향을 미친 것으로

추정되기 때문이다.

4.3058

7.3419

1.8195

012345678

2006년식 2009년식 2011년식

[CO(g/km)]

<그림 4-10> 경유버스 연식별 CO 배출경향

[THC: NMHC, CH4]

NMHC는 최근 연식일수록 배출량이 증가하는 경향을 보인다. 이는 CNG

버스와 마찬가지로 차량의 기술적인 요인에 따른 것으로, NOx 배출허용기준

이 강화됨에 따라 NOx 배출량을 줄이기 위하여 HC 배출수준을 높게 설정

한데서 기인한 것으로 판단된다. CH4는 배출되지 않은 것으로 나타났다.

0.0361

0.1268

0.2508

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

2006년식 2009년식 2011년식

[NMHC(g/km)]

<그림 4-11> 경유버스 연식별 NMHC 배출경향


[NOx]

경유버스에서 NOx는 오래된 연식일수록, 즉 노후화가 진행될수록 배출량

이 감소하는 경향을 나타냈다. 경유버스에 대한 NOx 배출허용기준이 2009년

강화된 바 있다. 따라서 이론적으로는 NOx의 경우는 배출허용기준이 강화된

2009년식은 2006년식보다 적게 배출되어야 한다.

하지만 시험결과는 상반되게 나타났다. 이러한 결과는 제품인증모드와 상

이한 실제 시내운전조건(저속운행)에서 NOx 저감장치인 SCR, EGR이 작동

하지 않아 2006년식에 비해 2009년식 배출량이 오히려 증가한 것으로 판단

된다. 특히 이러한 현상은 NOx 저감장치 작동이 가져오는 출력, 연비 및 부

품의 내구성 손상을 최소화하기 위해 자동차 제작사가 저감장치의 작동을

최소화 하도록 설계하는 행위와 관련이 있는 것으로 추정된다.

6.0035

9.7618

10.2775

0

2

4

6

8

10

12

2006년식 2009년식 2011년식

[NOX(g/km)]

<그림 4-12> 경유버스 연식별 NOx 배출경향

[PM]

PM은 배출허용기준이 동일한 2009년식과 2011년식 버스에서 유사한 수준

(2009년식이 2011년식에 비해 배출량이 다소 많음)으로 배출한 것으로 측정

되었다. 하지만 2006년식에서는 상대적으로 배출량이 증가했는데 이는 당시

의 낮은 배출허용기준과 차량의 노후화 등에서 기인하는 것으로 판단된다.

특히 차량의 노후화 과정에서 부착된 저감장치의 기능저하 등의 요인으로

말미암아 2006년식의 배출량이 크게 증가하는 것으로 판단된다.


0.0984

0.0408

0.0404

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

2006년식 2009년식 2011년식

PM(g/km)

<그림 4-13> 경유버스 연식별 PM 배출경향

[입자개수]

입자개수는 노후화에 따라 배출량이 증가하는 경향을 뚜렷하게 보이고 있다.

입자개수는 전 연식에서 PM과 유사하게 배출량 증감이 나타나는 경향이 있다.

1.19E+14

6.59E+13

3.09E+13

0.00E+00

2.00E+13

4.00E+13

6.00E+13

8.00E+13

1.00E+14

1.20E+14

1.40E+14

2006년식 2009년식 2011년식


<그림 4-14> 경유버스 연식별 입자개수 배출경향

[CO2]

CO2 배출량은 CNG 버스와 동일하게 2009년식에서 배출량이 2006년식에

비해 감소하였다가 2011년식에서 다시 증가하는 경향을 보이는 등 노후화에

따른 경향성이 나타나지 않는다. 이러한 결과는 CNG 버스와 유사한 기술적

요인에 의한 것으로 추정된다.

739

718

723

705

710

715

720

725

730

735

740

745

2006년식 2009년식 2011년식

[CO2(g/km)]

<그림 4-15> 경유버스 연식별 CO2 배출경향


3) 경유 및 CNG 버스 연식별 오염물질 배출경향 비교

[CO]

CO는 CNG 버스가 경유버스에 비해 2006년식, 2009년식 및 2011년식 연식

별로 각각 93.6%, 96.6%, 96.8% 적게 배출한 것으로 나타났다.

0.2762 0.2472 0.0587

4.3058

7.3419

1.8195

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CO(g/km)]

<그림 4-16> 경유 및 CNG 버스 연식별 CO 배출경향 비교

[THC: NMHC, CH4]

THC는 CNG 차량에 대비하여 경유버스가 적게 배출되는 오염물질로, 전

체적으로 CNG버스가 경유버스에 비해 많게 배출되었다. NMHC 배출량은

CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 약 7배, 2배, 3배 정도 많게 배

출되었고, CH4 배출량도 메탄이 주성분인 연료로 인하여 CNG 버스가 전체

적으로 경유버스에 비해 많이 배출되었다.

이러한 배출량 차이는 또한 경유버스와 CNG 버스 연소방식의 차이에서

기인하다. CNG버스의 연소방식은 불꽃점화 방식인 반면, 경유는 압축착화

방식으로 고압으로 압축했을 때 자발적으로 점화되는 방식을 적용하기 때문

에 경유는 NOx와 PM이 많이 배출되고 CNG 버스는 HC가 많이 배출된다.


0.282

0.3889

0.8223

0.0361

0.1268

0.2508

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[NMHC(g/km)]

2.5381

3.5001

7.4005

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CH4(g/km)]

<그림 4-17> 경유 및 CNG 버스 연식별 THC 배출경향 비교

[NOx]

NOx는 CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 3.7%, 33.1%, 64.7%

적게 배출되었다. 2011년식에서 경유버스의 NOx 배출량이 CNG버스의 약 3

배에 달했다. 이는 앞서 말한바와 같이 시내운전조건에서 NOx 저감장치(EGR,

SCR)의 기능을 제대로 작동하지 않은 것에서 기인하는 것으로 추정된다.

5.7786

6.5313

3.6246

6.0035

9.7618 10.2775

0

2

4

6

8

10

12

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[NOX(g/km)]

<그림 4-18> 경유 및 CNG 버스 연식별 NOx 배출경향 비교

[PM]

PM은 CNG 버스가 경유버스에 비해 100% 적게 배출되었다. CNG 버스는

연료와 공기가 충분히 혼합되어 연소되는 불꽃점화방식을 적용하고 있기 때

문에 PM이 거의 배출되지 않는다.


0 0 0

0.0984

0.0408 0.0404

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[PM(g/km)]

<그림 4-19> 경유 및 CNG 버스 연식별 PM 배출경향 비교

[CO2]

CO2는 전체적으로 CNG 버스와 경유버스가 배출수준이 유사하다. CNG

버스의 배출량이 경유버스보다 2006년식은 2.3% 많게 배출되었으며 2009년

식과 2011년식은 경유버스가 CNG버스보다 각각 1.2%, 0.3%정도 각각 많게

배출되었다. 2011년식의 경우, 경유버스가 CNG버스에 비해 배기량이 낮아

유사한 수준으로 배출되었다.

756

709

721

739

718

723

680

690

700

710

720

730

740

750

760

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CO2(g/km)]

<그림 4-20> 경유 및 CNG 버스 연식별 CO2 배출경향 비교

[입자개수]

입자개수는 CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 99.9%, 99.5%,

99.2% 적게 배출되었다. 특히 인체위해성을 고려한 나노입자개수에 있어서도

CNG 버스가 경유버스에 비해 모든 연식에서 1/100 수준으로 적게 배출되었다.


4.77E+10 1.39E+11 2.36E+11

1.19E+14

6.59E+13

3.09E+13

0.00E+00

2.00E+13

4.00E+13

6.00E+13

8.00E+13

1.00E+14

1.20E+14

1.40E+14

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유


<그림 4-21> 경유 및 CNG 버스 연식별 입자개수 배출경향 비교

전체적으로 CNG 차량대비 경유버스가 적게 배출되는 오염물질은 THC이

다. 이는 연소방식의 차이에서 기인하는데, CNG 버스의 연소방식은 불꽃점

화 방식인 반면 경유는 압축착화 방식으로, 경유버스는 NOx와 PM이 많이

배출되는 반면, CNG 버스는 HC가 많이 배출된다. 특히 CNG 버스는 메탄

이 주성분인 연료로 인하여 경유버스에 비해 CH4가 과다 배출되었다. 그 밖

의 오염물질에서는 CNG 차량이 경유버스보다 적게 배출되거나 유사하게 배

출하는 것으로 나타났다.

다. WHVC 모드의 오염물질별·연식별 오염물질 배출량 시험결과

향후 EURO-6 규제 적용시의 환경성평가 비교를 위하여 EURO-6 규제에

적용될 주행모드인 WHVC 모드를 주행하면서 측정한 오염물질 배출결과는

다음 <표 4-9>와 같다. 고속주행조건인 WHVC 모드(평균차속 40.14 km/h)

에 있어서도 NIER 06 모드와 유사한 배출경향을 보인다. 따라서 본 연구에

서는 WHVC 모드의 시험결과에 대해서는 오염물질별로 경유버스와 CNG

버스 배출경향을 비교분석한 결과를 수록하였다.


구 분CO

(g/km)

THC(g/km)　NOx

(g/km)

PM

(g/km)

입자개수

(개/km)

CO2

(g/km)

연비

(km/l ,

km/m3)NMHC CH4

2006

년식

CNG

CNG1 0.0956 0.2253 2.0277 2.6899 0 1.20E+10 498 3.55

CNG2 0.0354 0.0338 0.3038 2.8326 0 6.76E+10 512 3.50

평균 0.0655 0.1295 1.1658 2.7613 0 3.98E+10 505 3.53

경유 경유 2 1.4723 0.0216 0 2.7301 0.0428 8.34E+13 462 5.47

　저감율(%) 95.6 -499.5 0 -1.1 100.0 100.0 -9.3 35.5

2009

년식

CNG

현대 1 0.1906 0.2862 2.5755 4.2800 0 8.89E+09 434 4.05

현대 2 0.1203 0.0324 0.2913 1.8306 0.0024 2.00E+10 495 3.62

대우 0.0570 0.2637 2.3735 1.8286 0 1.64E+11 563 3.15

평균 0.1226 0.1941 1.7468 2.6464 0.0024 6.43E+10 497 3.61

경유

현대 0.4761 0.2935 0 9.5445 0.0587 9.51E+12 523 5.13

대우 1 2.2655 0.0510 0 6.5100 0.0182 1.95E+13 456 5.85

대우 2 1.8550 0.0056 0 5.1035 0.0134 3.25E+13 488 5.17

평균 1.5322 0.1167 0 7.0527 0.0301 2.05E+13 489 5.38

　저감율(%) 92.0 -66.3 0 62.5 92.0 99.7 -1.7 33.0

2011

년식

CNG

현대 0.0382 0.3848 3.4629 1.2946 0 3.76E+10 555 3.17

대우 0.0607 0.4088 3.6796 1.3545 0 1.73E+11 537 3.27

평균 0.0495 0.3968 3.5713 1.3245 0 1.05E+11 546 3.22

경유

현대 0.5889 0.3998 0 7.6300 0.0673 1.29E+13 500 5.06

대우 0.5084 0.0245 0 7.7436 0.0099 1.07E+13 540 4.70

평균 0.5486 0.2122 0 7.6868 0.0386 1.18E+13 520 4.88

저감율(%) 91.0 -87.0 0 82.8 100.0 99.1 -5.1 34.0

<표 4-9> CNG-경유버스 오염물질 배출량 시험 결과 (WHVC 모드)


[CO]

CO의 경우, CNG 버스가 경유버스에 비해 2006년식, 2009년식 및 2011년

식 연식별로 각각 95.6%, 92.0%, 91% 적게 배출한 것으로 나타났다.

0.0655 0.12260.0495

1.4723 1.5322

0.5486

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CO(g/km)]

<그림 4-22> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스 연식별 CO

배출경향 비교


[THC: NMHC, CH4]

NMHC는 CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 약 6배, 1.5배, 2배

정도 많이 배출되었고, 특히 CH4의 경우 CNG버스가 전체적으로 많이 배출

되었다. 이는 앞의 NIER 06모드에서도 언급했듯이 연료특성 및 연소방식의

차이와 관련이 있는 것으로 판단된다.

0.1295

0.1941

0.3968

0.0216

0.1167

0.2122

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[NMHC(g/km)]

1.1658

1.7468

3.5713

0 0 00

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CH4(g/km)]

<그림 4-23> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스 연식별 THC 배출경향 비교

[NOx]

NOx의 배출량은 2006년식에서는 CNG 버스와 경유버스가 유사한 수준으

로 나타났다. 2009년식과 2011년식은 CNG 버스가 경유버스에 비해 각각

62.5%, 82.8% 적게 배출하였다. 특히 2011년식의 경우를 살펴보면 경유버스

가 CNG 버스에 비해 약 6배정도 많이 배출한 것으로 나타났는데, 이는 고

속운전조건에서 NOx 저감장치(EGR, SCR)의 기능이 저하된 것으로 판단된다.

2.7613

2.6464

1.3245

2.7301

7.05277.6868

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2006년형 2009년형 2011년형

CNG 경유

[NOX(g/km)]

<그림 4-24> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스

연식별 NOx 배출경향 비교


[PM]

PM은 CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 100%, 92.0%, 100% 적

게 배출한 것으로 나타났다.

00.0024

0

0.0428

0.0301

0.0386

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[PM(g/km)]

<그림 4-25> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스 연식별 NOx

배출경향 비교

[입자개수]

입자개수는 CNG 버스가 경유버스에 비해 연식별로 각각 100%, 99.7%,

99.1% 적게 배출되었으며, 인체위해성을 고려한 나노입자개수에 있어서도

CNG 버스가 경유버스에 비해 전체적으로 1/100 수준으로 적게 배출되었다.

3.98E+10 6.43E+10 1.05E+11

8.34E+13

2.05E+13

1.18E+13

0.00E+00

1.00E+13

2.00E+13

3.00E+13

4.00E+13

5.00E+13

6.00E+13

7.00E+13

8.00E+13

9.00E+13

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유


<그림 4-26> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스 연식별

입자개수 배출경향 비교

[CO2]

CO2는 CNG 버스와 경유버스가 유사한 수준으로 나타났는데, 2006년식은

CNG 버스가 경유버스에 비해 2006년식은 9.3%, 2009년식은 1.7% 각각 많이


배출되었다. 2011년식은 경유버스가 CNG버스에 비해 배기량이 낮아 5.1%

적게 배출되었다.

505497

546

462

489

520

420

440

460

480

500

520

540

560

2006년식 2009년식 2011년식

CNG 경유

[CO2(g/km)]

<그림 4-27> WHVC모드 연식별 경유 및 CNG 버스 연식별 CO2

배출경향 비교

전체적으로 WHVC모드에서도 CNG 버스는 경유버스에 비해 CH4가 과다

배출되었고, NOx는 경유버스가 NOx 저감장치가 부착된 2009년식에서 시내

조건에서 기능이 저하됨에 따라 높게 배출되었다. PM, CO2 등 일부 오염물

질에서 NIER 06모드와 배출경향에서 차이가 나는 부분은 WHVC모드는 고

속모드인 반면 시험차량은 설계상에서 시내버스용으로 설계되어 고속을 고

려하지 않았기 때문에 발생한 편차에서 비롯된 것으로 추정할 수 있다.

4. 노후화(연식)에 따른 경유 및 CNG 버스 배출특성 시험결과 평가

(NIER 06모드 시험결과 평가)

이상의 시험결과에 대한 분석으로부터 경유버스를 대체하여 CNG버스 보

급정책의 대기오염에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

가. 연식별 오염물질 배출특성

먼저 2006년식 차량에서 경유버스 대비 CNG버스의 배출특성을 살펴보면,


CO, NOx, PM의 배출량은 적은 반면에 NMHC, CH4, CO2는 CNG 버스의

배출량 더 많은 특성을 보이고 있다.

다음으로 2009년식 차량에서 경유버스 대비 CNG버스의 배출특성을 살펴

보면, NMHC와 CH4의 배출량은 많은 반면에 CO, NOX, PM, CO2의 경우에

는 CNG버스보다 경유버스의 배출량이 많은 특성을 나타냈다.

마지막으로 2011년식 차량에서도 2009년 차량과 유사하게 경유 대비 CNG

버스의 배출특성을 살펴보면 NMHC와 CH4의 배출량은 경유버스보다 많은

반면에 CO, NOX, PM. CO2의 배출량은 경유버스의 배출량이 많은 것으로

나타났다.

나. 오염물질별 경유 및 CNG 버스 배출특성

첫째, CO는 CNG버스가 노후화 차량일수록 배출량이 증가하는 경향을 보

이지만 연식별로 큰 차이가 없이 CNG버스가 경유버스보다 93.6%~96.8% 정

도 적게 배출하는 특성을 보이고 있다.

둘째, NMHC는 CNG버스가 경유버스 보다 배출량이 많고, 연식이 최근일

수록 CNG버스의 배출량이 경유버스보다 상대적으로 많아지는 경향을 보이

고 있다. 하지만 NOx 배출허용기준 강화에 따른 기술적 요인으로 인하여 경

유버스와 CNG버스 모두 최근 연식에서 배출량이 증가하는 특성을 보였다.

CH4의 경우에도 CNG버스가 경유버스보다 많이 배출되고 있으며, 연식이 최

근일수록 CNG버스의 배출량이 상대적으로 많아지는 특성을 보이고 있다.

셋째, NOx는 CNG버스보다 경유버스가 상대적으로 많이 배출하고 있으며,

저감장치 미작동 등 기술적 요인에 의하여 연식이 최근일수록 경유버스의

배출량이 상대적으로 증가하는 특성을 보이고 있다.

넷째, PM은 CNG버스는 거의 배출하지 않은 것에 비교하여 경유버스는

상대적으로 많이 배출하고 있으며, 연식이 최근일수록 경유버스의 배출량이

감소하는 특성을 보이고 있다. 이는 경유버스의 경우 노후화 과정에서 저감

장치의 기능저하 등의 요인으로 말미암아 배출량이 크게 증가하는 것으로


평가된다.

다섯째, 입자개수는 CNG 버스보다 경유버스가 많이 배출하고 있다. 특히

경유버스의 경우 차량 노후화에 따라 배출량이 증가하는 경향이 뚜렷한 특

성을 보이고 있다.

여섯째, CO2는 경유버스와 CNG버스 사이에 뚜렷한 배출특성을 보이지

않고 있다.

다. 배출특성 시험결과 총괄 평가

앞에서 언급했듯이 전체적으로 CNG버스 대비 경유버스가 적게 배출되는

오염물질은 THC이다. 반면에 경유버스는 PM, NOx 및 입자개수에서 CNG버

스와 비교하여 상대적으로 많이 배출하고 있다. 특히 PM의 경우 차량이 노후

화 될수록 경유버스의 배출량이 급격히 증가하는 경향을 보였으며, NOx의

경우 저감장치의 미작동 등의 요인으로 배출허용기준의 강화에도 불구하고

최근 연식에서 배출량이 증가하는 특성을 보였다. 즉, 노후화와 차량운행조건

이 경유버스의 오염물질 배출량에 적지 않은 영향을 미치고 있는 것이다.

이러한 시험결과를 볼 때, 경유버스에 대체하여 추진해 온 CNG버스 보급

정책은 호흡기질환, 심혈관계질환 등 인체건강 직접적인 영향을 미치는 PM

및 오존전구물질인 NOx 등 오염물질배출량을 저감하는데 실질적인 효과를

발휘하고 있는 것으로 평가된다. 더 나아가 대기오염개선을 통해 국민들이

건강을 보호하는데 긍정적인 영향을 미치고 있는 것으로 평가된다.


제5장 경유 및 CNG버스 노후화(연식)에

따른 환경성·경제성 평가

1. 경유버스 대비 CNG 버스의 환경성 평가

가. 환경성 평가방법

본 연구에서는 환경성 평가방법으로 대기오염 배출량 증감에 따른 환경개

선편익 추정을 통해 평가하는 방법을 적용하였다. 환경개선편익은 CNG 버

스 보급 사업을 추진함에 있어 CNG 버스가 경유 버스를 대체함으로써 얻을

수 있는 환경에 미치는 긍정적 영향을 비용으로 환산하여 계산한 것을 말한

다. 환경개선편익을 산출하기 위해서는 환경측면의 유익을 비용으로 환산할

수 있는 일정한 기준이 필요한데, 이 기준을 곧 오염물질별 대기오염의 사회

적 한계비용이라 할 수 있다. 환경개선편익의 산출방법은 아래 계산식과 같다.

경유버스 대비 CNG 버스 1대당 연간 환경개선편익

= 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량 × 대기오염의 단위당 사회적 한계비용

오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용은 EC 보고서 자료의 기준을 이용

하였다18). EC 보고서는 도시인구수 30만, 50만, 100만, 수백만에 따라 사회적

한계비용이 다르다는 것을 제시하고 있는데, 우리나라의 경우 특정 도시에

많은 인구가 밀집되어 있으므로 EC자료를 적용하는 것이 적절하다. 다만,

EC자료에 사회적 한계비용이 제시되지 않은 오염물질에 대해서는 다른 방식

을 적용하여 사회적 한계비용을 산출할 필요가 있으므로 EC자료에 제시되어

있지 않은 CO, CH4, CO2는 각각 아래와 같은 방법으로 대기오염의 사회적

18) 대기오염의 사회적 한계비용을 제시한 자료로 가장 많이 이용되는 자료는 UNEP과 EC 자료로, 도시의 인구

수를 기준으로 사회적 한계비용을 제시한 EC자료가 본 연구에 적합하다고 볼 수 있음

제5장 경유 및 CNG버스 노후화(연식)에 따른 환경성·경제성 평가 59

한계비용을 산출하였다.

CO의 사회적 한계비용은 KAIST가 국내 전문가 설문조사를 통해 발표한 5

대 오염물질에 대한 상대적 위해도 지수를 바탕으로 CO의 사회적 한계비용

을 추정하여 적용하였다. 즉, KAIST 보고서의 HC에 대한 CO의 상대적 위

해지수를 이용하여 CO에 대한 사회적 한계비용 추정치를 계산하였다.

SO2 NOx PM CO HC

1.0 0.97 1.21 0.74 0.86

<표 5-1> 오염물질별 대기위해지수(SO2=1, KAIST)

주) SO2를 기준으로 분류

자료: KAIST, 청정연료 사용 지역 내에서 지역난방 사용연료의 합목적 선정에 관한 연구

CO2의 대기오염 사회적 한계비용은 탄소배출권 거래가격을 통하여 추정하

였다. 탄소배출권 거래가격은 국제적으로 이루어지고 있는 탄소배출권거래

중 2011년 전 세계 거래량의 70%를 차지하는 EU 지역의 탄소배출권거래가

격을 고려하는 것이 타당하다. 따라서 유럽지역의 2011년 탄소배출권 톤당

평균가격 13.4 유로에 2011년 평균 유로환율 1,541.42원을 적용하여 EU 지역

의 2011년 탄소배출권 톤당 평균가격을 산출한 결과, EU지역 2011년 탄소배

출권거래가격은 약 20,655원/톤이며 이를 원/kg으로 환산한 20.655원/kg을

CO2의 대기오염 사회적 한계비용으로 적용하였다.

CH4는 CO2의 지구온난화지수를 고려하여 CO2의 21배를 산정하여 이용하였다.

이상의 산출방식을 적용한 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용은 다음

<표 5-2>와 같다.

오염물질 CO NMHC CH4 NOx PM CO2

사회적한계비용

(수백만)5640 6552 433.76 13108 816274 20.655

<표 5-2> 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용(2011년도 기준)

단위: 원/kg

주) $1=1,291원, €=1,155원(2001년), 2002년∼2011년 물가상승률(통계청)

자료: 환경부(2012). 원자료: A. Markandya, Economics of Greenhouse Gas limitation : The Indirect

Costsand Benifits of Greenhouse Gas Limitations, UNEP, 1998 / KAIST, 청정연료 사용 지역 내에서

지역난방 사용연료의 합목적 선정에 관한 연구, 1998.4 / Mike Holland, Paul Watkiss, 2002, "BeTa

Version El.02a“ Benefits Table database : Estimates of the marginal external costs of air

pollution in Europe", netcen


나. 경유버스 대비 CNG버스 오염물질 배출량 증감 추정

경유버스 대비 CNG 버스 1대당 연간 환경개선편익을 산출하기 위해 적용

할 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량은 교통환경연구소에서 실시한 시험

결과 가운데 현재의 우리나라 주행패턴을 가장 잘 반영한 NIER 06 모드로

측정한 시험결과를 이용하여 추정하고자 한다.

1) 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 배출량 증감추정

연식에 따른 오염물질 배출량 증감량은 NIER 06모드의 시험결과를 적용하

여 경유버스와 CNG 버스 한 대가 일 년 동안 운행했을 때 발생할 오염물질

배출량을 구한 후, 경유버스를 CNG 버스로 대체 했을 때의 오염물질 배출

증감량을 계산하였다.

오염물질 배출량을 구하는 공식은 다음과 같다.

배출량(kg/대·년) = 오염물질별 배출량 시험결과(g/km)×일일주행거리(km/일·

대)×365일/년×0.001(kg/g)

위의 산출식에 의하면 각 오염물질의 배출량을 구하기 위하여 서울시내버

스의 일일주행거리가 필요하다. 본 연구에서는 TS교통안전공단의「2007년도

자동차 주행거리 실태조사」보고서에 근거하여 서울시내 일일버스주행거리

235.46km/day를 적용하였다.

국립환경과학원 교통환경연구소에서 실험한 결과를 위의 산출식에 대입하

여 각 연식별로 경유버스와 CNG버스 1대가 1년간 운행했을 때의 오염물질

별 배출량을 추정한 결과는 아래 <표5-3>과 같다.


COTHC

NOX PM CO2NMHC CH4

2006년식　CNG 23.7 24.2 218.1 496.6 0.0 64973

경유 370.1 3.1 0.0 516.0 8.5 63512

2009년식　CNG 21.2 33.4 300.8 561.3 0.0 60934

경유 631.0 10.9 0.0 839.0 3.5 61707

2011년식　CNG 5.0 70.7 636.0 311.5 0.0 61965

경유 156.4 21.6 0.0 883.3 3.5 62136

<표 5-3> 연식별 경유 및 CNG 버스 오염물질 배출량 추정치


주1) 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용이 적용 가능한 CO, NHHC, CH4, NOx, PM 및 CO2의 배출량 추정

치를 표시함

주2) 2011년식 경유-CNG 배출량 추정치는 환경부(2012) 연구결과를 활용하였으며, CO2를 제외하고 소수점 이

하 한 자리로 적용하여 기재함

연식별로 경유버스를 CNG 버스로 대체했을 때의 오염물질 배출증감량을

파악하기 위해 경유버스 오염물질 배출량 추정치에서 CNG 버스의 오염물질

배출량 추정치를 차감하여 각 오염물질에 대한 배출증감량을 산출하였다. 그

결과는 아래 <표5-4>와 같다.

COTHC

NOX PM CO2NMHC CH4


배출증감량346.3 -21.1 -218.1 19.3 8.5 -1461.0


배출증감량609.7 -22.5 -300.8 277.6 3.5 773.5


배출증감량151.3 -49.1 -636.0 571.8 3.5 171

<표 5-4> 연식별 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량


주1) ‘-’ 는 경유버스 대비 CNG 버스의 배출량 증가를 의미함

주2) 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용이 적용 가능한 CO, NHHC, CH4, NOx, PM 및 CO2의 배출증감량

을 표시함

주3) 2011년식 경유-CNG 배출증감량은 환경부(2012) 연구결과를 활용하였으며, CO2를 제외하고 소수점 이하

한 자리로 적용하여 기재함

2) 연식에 따른 경유 및 CNG 버스 오염물질별 배출량 증감 특징

위와 같이 각 연식별로 경유버스 대신 CNG 버스를 1년간 운행할 경우 대

기오염물질 배출 증감량을 추정한 결과는 아래와 같다.

2006년식의 경유버스 대비 CNG 버스의 대기오염물질 배출량은 1년 동안


CO는 346.3kg NOX는 19.3kg, PM은 8.5kg이 각각 저감되는 것으로 추정되

었으며, NMHC는 21.1kg, CH4는 218.1kg, CO2는 1,461kg이 각각 증가하는

것으로 나타났다.

346.3

-21.1 -218.1

19.3 8.5

-1461 -1600.0

-1400.0

-1200.0

-1000.0

-800.0

-600.0

-400.0

-200.0

0.0

200.0

400.0

600.0

CO NMHC CH4 NOX PM CO2

2006년식

<그림 5-1> 2006년식 경유버스 대비 CNG 버스 배출

증감량(단위:kg)

2009년식의 경유버스 대비 CNG 버스의 대기오염물질 배출량은 1년 동안

CO는 609.7kg, NOX는 277.6kg, PM은 3.5kg, CO2는 773.5kg이 각각 저감되

는 것으로 추정되었으며, NMHC는 22.5kg, CH4는 300.8kg이 각각 증가하는

것으로 나타났다.

609.7

-22.5

-300.8

277.6

3.5

773

-400.0

-200.0

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0


2009년식



2011년식의 경유버스 대비 CNG 버스 대기오염물질 배출량은 1년 동안

CO는 151.3kg, NOX는 571.8kg, PM은 3.5kg, CO2는 172kg가 각각 저감되는

것으로 추정되었으며, NMHC는 49.1kg, CH4는 636.0kg이 각각 증가하는 것

으로 나타났다.


151.3

-49.1

-636.0

571.8

3.5

171

-800.0

-600.0

-400.0

-200.0

0.0

200.0

400.0

600.0

800.0


2011년식



오염물질별로 연식에 따른 경유버스 대비 CNG 버스 배출증감량을 추정하

면 아래 <그림 5-4>와 <그림 5-5>와 같다.

THC 중 NMHC는 경유버스 대비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년

동안 21.1kg, 22.5kg, 49.1kg이 각각 증가하는 것으로 추정되었고, CH4는 경

유버스 대비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년 동안 218.1kg, 300.8kg,

636.0kg이 각각 증가하는 것으로 추정되었다.

-21.1 -22.5 -49.1

-218.1

-300.8

-636.0 -700.0

-600.0

-500.0

-400.0

-300.0

-200.0

-100.0

0.0

2006년식 2009년식 2011년식

NMHC

CH4

<그림 5-4> 연식별 THC 경유버스 대비 CNG 버스 배출


CO는 경유버스 대비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년 동안 346.3kg,

609.7kg, 151.3kg이 각각 저감되는 것으로 추정되었고, NOX는 경유버스 대

비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년 동안 19.3kg, 277.6kg, 571.8kg이 각


각 저감되는 것으로 추정되었다.

CO2는 경유버스 대비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년 동안 2003년식

은 1461kg이 증가하고, 2009년식과 2011년식은 각각 773kg, 172kg이 저감되

는 것으로 추정되었다.

346.3

609.7

151.3 19.3

277.6

571.8

-1461

773

171

-2000.0

-1500.0

-1000.0

-500.0

0.0

500.0

1000.0

2006년식 2009년식 2011년식

CO

NOX

CO2

<그림 5-5> 연식별 CO, NOx, CO2 경유버스 대비 CNG 버스

배출 증감량(단위:kg)

PM은 경유버스 대비 CNG 버스 배출량이 각 연식별로 1년 동안 8.5kg,

3.5kg, 3.5kg이 각각 저감되는 것으로 추정되었다.

8.5

3.5 3.5

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

2006년식 2009년식 2011년식

PM

<그림 5-6> 연식별 PM 경유버스 대비 CNG 버스 배출


다. 환경성 평가결과

환경개선편익 계산식을 이용하여 각 연식별 환경개선편익을 산출한 결과는

<표 5-5>와 같다.


CO NMHC CH4 NOx PM CO2 합

2006년식 1,953,219 -138,466 -94,617 253,359 6,903,051 -30,178 8,846,369

2009년식 3,438,928 -147,588 -130,479 3,639,286 2,862,241 15,976 9,678,365

2011년식 658,387 -248,261 -275,863 5,781,421 2,184,953 3,532,005 11,632,642

<표 5-5> 경유 버스 대비 CNG 버스 1대당 오염물질별 연간 환경개선편익

주) 2011년식의 환경개선편익은 환경부(2012)의 자료를 그대로 활용하였으나, 환경개선편익의 산출과정에서 적

용한 오염물질별 대기오염의 사회적 한계비용이 2006년식, 2009년식과 차이가 있음. 2011년식의 대기오염

의 사회적 한계비용은 서울(경기)지역에 보급된 차량에 대해서는 EC수백만 기준을, 기타지역에 보급된 차량

에 대해서는 EC백만 기준을 활용하여 추정한 비용임

2006년식의 연간 환경개선편익은 8,846,369원으로 NMHC와 CH4, CO2를 제

외한 다른 오염물질에서 경유버스보다 CNG 버스의 환경개선편익이 더 높은

것으로 확인되었다. 2009년식의 연간 환경개선편익은 9,678,365원이며,

NMHC와 CH4를 제외한 모든 오염물질에서 경유버스보다 CNG버스의 환경

개선편익이 더 높다. 2011년식의 연간 환경개선편익은 환경부(2012) 연구에서

산출된 결과로, 연간 11,632,642원의 환경개선편익이 나타났으며 2009년식과

마찬가지로 NMHC와 CH4를 제외한 모든 오염물질에서 경유버스보다 CNG

버스의 환경개선편익이 더 높은 것으로 확인된 바 있다.

2. 경유버스 대비 CNG 버스의 경제성 평가

경유버스 대비 CNG 버스의 경제성 평가는 사회적 편익과 사회적 비용을

고려하여 사회적 편익이 사회적 비용보다 클 경우 경제성이 있는 것으로 판

단한다. 본 연구에서는 사회적 편익을 경유버스 대비 CNG 버스의 환경개선

편익과 경제적 편익을 합산하여 산출하였으며, 사회적 비용은 CNG 보급을

위한 정부지출비용을 합산하여 산출하였다.

경유버스 대비 CNG 버스의경제성 = 환경편익+경제적 편익-CNG 보급 정부지출비용


t : 현금흐름의 기간

N : 사업 전체 기간

r : 할인율

Ct : 시간 t에서의 순현금흐름

C0 : 투자액(투하자본)

가. 연식별 사회적 편익

본 연구에서는 사회적 편익으로 환경편익과 경제적 편익을 각각 산출하였

으며 이를 합하여 사회적 편익으로 하였다.

1) 환경편익

환경편익은 비규제물질인 VOC, 입자개수를 제외한 6가지 오염물질의 경유

버스 대비 CNG 버스 배출저감량을 이용하여 산출하였다.

즉, 앞서 산출한 연간 환경개선편익 값에 내구연한 10년 동안의 환경편익

을 5년 기준 국고채 금리 3.27%(한국은행)로 할인하여 합산한 현재가치를 산

출하였다19). 내구연한동안의 현재가치 산출은 순현재가치(Net Present Value

: NPV)법을 이용하였다.

각 연식별 연간 환경개선편익에 내구연한동안의 현재가치를 산출한 결과,

다음 <표 5-6>과 같은 오염물질별 환경편익의 연도별 현재가치의 합, 즉 환

경편익이 산출되었다. 2006년식의 경유버스 대비 CNG 버스는 내구연한 10

년 동안 대당 현재가치 기준 76,866,023원의 환경편익이 있으며, 2009년식은

84,095,227원, 2011년식은 101,072,381원의 환경편익이 있다.

19) 시내버스 법정 내구연한은 9년이고, 6개월에 한번씩 4번 연장이 가능하므로, 9~11년이 내구연한이므로 본

연구에서는 10년을 내구연한으로 함



로서 내구연한 동안의 환경편익을 10년으로 균등 분할한 값을 동일하게 적

용한다. 연식별 1년간 환경편익은 각각 2006년식 7,686,602원 2009년식

8,409,523원, 2011년식 10,107,238원이다



2006년식 8,846,369

3.27%

76,866,023 7,686,602

2009년식 9,678,365 84,095,227 8,409,523

2011년식 11,632,642 101,072,381 10,107,238

<표 5-6> 각 연식별 내구연한 10년간 오염물질 별 환경편익 및 1년간 환경편익 값

(단위: 원/대)


2) 경제적 편익

본 연구에서는 경유버스 대비 CNG 버스 세전가격 기준 버스 연료비 절감

액을 경제적 편익으로 분석하였다. 연간 주행거리를 기준으로 경유버스 대비

CNG 버스의 연간 연료비 저감 금액을 구하고, 이를 내구연한 동안 할인하

여 합산한 현재가치를 산출하여 비교하였다. 본 연구에서는 현재 시점에서

각 연식별 경제적 편익을 산출하기 위하여, 2011년도를 기준으로 연료비 절

감액을 산출하였으며 이를 각 연식에 동일하게 적용하였다.

구분연간주행거리

(km)

연비 연간 연료사용량

경유(km/ℓ) CNG(km/) 경유(ℓ) CNG()

평균 85,943 3.49 2.42 24,626 35,514

<표 5-7> 버스별 연비, 주행거리, 연료가격

자료: 환경부(2012)

구분 회사 연료가격 연간사용량 연간사용금액(원)

경유현대

998.03(원/ℓ)24,346ℓ 24,298,038

대우 24,839ℓ 24,790,067

CNG현대

635.19(원/)35,809 22,745,519

대우 35,367 22,464,765

감소금액현대

·· 1,552,519

대우 · 2,325,302

<표 5-8> 연료별 가격 및 연간 연료비 금액

자료: 환경부(2012)


CNG 보급 정부지출비용= 차량구입보조금 + 취득세 면제액 + 부가가치세 면제액

+ 환경개선부담금 감면비용 + 충전소융자금 + CNG연료보조금

구분 세전 가격 단위거리 당 환산가격

CNG (1) 635.19(원/) 262.47(원/km)

경유 (2) 998.03(원/ℓ) 285.97(원/km)

절감액 (1)-(2) - -23.5(원/km)

<표 5-9> 경유버스 대비 CNG 버스 단위거리 당 연료비 절감액

주) CNG 버스 세전가격 : 2011년 하반기 ∼ 2012년 상반기 CNG 세전가격 평균(한국가스공사, 한국천연가스

차량 협회), 경유 세전가격 : 2011년 하반기 ∼ 2012년 상반기 경유 세전가격 평균(오피넷, 석유정보망)

자료: 환경부(2012)

단위거리당 연료비 절감액을 구하기 위하여 경유버스 ℓ당 가격과 CNG

버스 당 가격을 당 가격으로 환산하여 이용하였다. 연간주행거리는

85,943(교통안전공단, 2008)이고 연간주행거리와 경유 및 CNG 버스의 단위

거리당 환산가격을 이용하여 경유버스 대비 CNG 버스의 연간 연료비 절감

액을 산출한 결과, 연간 2,019,661원이 절감되는 것으로 나타났다.

연료비는 내구연한의 영향을 받는 요소이므로, 내구연한 동안 연료비 절감

액의 현재가치를 구하여 합산한 결과, 경유버스 대비 CNG 버스는 대당 내

구연한 동안 17,548,834원의 연료비 절감이 발생하였다.

환경편익과 마찬가지로 2011년(현재시점)을 기준으로 1년간 연료비 절감액

으로서 내구연한 동안의 연료비 절감액을 10년으로 균등 분할한 값인

1,754,883원을 적용하기로 한다.

나. 연식별 사회적 비용20)

사회적 비용으로는 CNG 보급을 위한 직·간접적인 정부 보조금 혹은 정부

지출을 합산한 값을 적용하였다. 본 연구에서는 CNG 차량구입보조금, 취득

세와 등록세 면제액, 부가가치세 면제액, 충전소융자금보조금, 연료비 보조

금, 환경개선부담금 면제액 등의 정부지출을 분석에 이용하였다.

20) 본 연구에서는 2012년도와 2013년도의 사회적 비용이 큰 차이가 없다는 점을 고려하여 연구의 동일성 유지

측면에서 환경부에서 수행한 2012년 연구보고서에서 적용한 사회적 비용을 적용하여 경제성을 평가하였음


환경개선부담금 감면비용= CNG 환경개선부담금-경유 환경개선부담금

환경개선부담금 = 대당기본부과금액(기준부과금액×부과금산정지수) ×

오염유발개수(배기량기준)×차령계수(차량노후정도)×지역계수(행정구역별)

차량구입보조금, 취득세 면제액, 부가가치세 면제액은 일회성 지원에 해당

하는 지출이며 환경개선부담금 감면비용, 충전소 융자금 보조금, 연료보조금

은 내구연한 동안 이루어지는 연도별 지출이다.

1) 환경개선부담금 감면비용

환경개선부담금은 환경보전을 위해 특정대상에 부과되는 부과금으로 저공

해차량기준에 부합하는 CNG 버스는 환경개선부담금이 면제된다. 반면 경유

버스는 환경개선부담금 부과대상이다. 이에 CNG 버스의 환경개선부담금 감

면비용을 정부지출비용의 하나로 적용하며, CNG 버스 환경개선부담금 감면

비용은 CNG버스와 경유버스에 대한 환경개선부담금을 각각 산출하고 CNG

버스 환경개선부담금에서 경유환경개선부담금을 제한 값을 적용하였다.

환경개선부담금을 구하기 위해 적용될 수치들은 다음과 같다.

기준부과금액 부과금산정지수 오염유발계수 차령계수 지역계수

20,250원 1.854 5.00 0.50 1.53

<표 5-10> 환경개선부담금 산출 요소

주) 부과금산정지수(2011년 기준), 오염유발계수(10,000cc초과), 차령계수(3년미만), 지역계수(특별시)

자료 : 환경부(2012), 원자료: 환경부 홈페이지

위의 산출요소로 도출한 1년간 환경개선부담금은 버스 대당 143,604원이고,

CNG 버스의 경우 내구연한 동안 할인한 현재가치의 합이 CNG 버스 대당

1,247,775원이다. 경유 버스의 경우 면제 받는 4년 동안 할인한 현재가치의

합은 경유 버스 대당 547,690원이다.


2) 충전소융자보조금

충전소융자 보조금 = 연도별 CNG 충전소 융자금/(연도별CNG충전소*연도별 CNG

차량 보급현황)

2000년부터 2011년 말까지 충전소 융자금 보조 액은 총 2,276억 원이고, 연

평균 융자금 보조금액은 190억 원이다. 2011년 말까지 충전소 설치 현황은

420기이고, 연평균 32기가 신규로 설치되었다. 2011년 말까지 CNG 차량 보

급대수는 버스 28,827대, 청소차 1,019대로 총 29,846대이고, 연평균 2,296대가

신규 보급되었다.

구분 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11

충전소융자금(억원) 786 360 244 175 100 61 100 150 150 150

충전소설치현황(기) 6 60 104 31 32 25 26 14 24 34 30 34

CNG버스보급대수(대) 58 686 2002 1566 1809 2544 3323 3109 3981 3792 3126 2831

<표 5-11> CNG 버스 충전소 융자금, 충전소 설치현황, 연도별 CNG 차량보급현황

자료: 환경부(2012)

CNG 충전소 보조금 현황과 CNG 충전소 보급 현황, 그리고 CNG 차량

보급 현황을 이용하여 대당 융자금 보조금액을 산출한 결과, CNG 버스 대

당 238,186원의 융자금 보조가 발생한 것으로 나타났다. 그리고 이것을 내구

연한 동안 할인하여 현재가치를 구한 후, 합산한 결과 대당 2,069,598원의 정

부 지출이 발생하는 것으로 나타났다.

3) CNG연료비 보조금

CNG 버스 연료비 지원은 2002년∼2011년 말까지 총 772억 원이고, 연평균

86억 원의 연료비를 지원하는 것으로 나타났다. CNG 버스 보급 대수는

28,827대이고, 2002년∼2011년 연평균 CNG 버스 당 연료비 지원 금액의 평

균은 1,251,880원이다. 이를 내구연한 동안 할인하여 현재가치화 하여 합산한

금액은 10,877,586원이다.


<표 5-12> 연도별 CNG 버스 대당 연료비 지원 금액(실 집행 비용)구분 연료비 지원 금액 CNG 버스 대수 대당 연료비 지원 금액

2002년84억원

2,746대1,190,138원

2003년 4,312대2004년 114억원 6,121대 1,862,440원2005년 156억원 8,665대 1,800,346원2006년 194억원 11,988대 1,618,286원2007년 218억원 15,097대 1,443,996원2008년 224억원 19,078대 1,174,128원2009년 212억원 22,870대 926,978원2010년 170억원 25,996대 653,946원2011년 172억원 28,827대 596,662원

자료 : 환경부, 2011

4) 차량구입보조금

CNG 차량구입보조금은 경유버스 대비 CNG 버스의 가격 차이를 지원하는

것으로, 대당 18,500,000원이다.

5) 취득세&등록세

취득세는 차량판매가에서 부가세를 제외한 금액의 2%로, 본 과제에서는 현

대자동차 뉴슈퍼에어로시티 판매가격 107,395,000원을 차량판매가격으로 이

용하였다. CNG 버스의 취득세 면제 금액은 2,147,900원이다.

<표 5-13> 경유 및 CNG 버스 차량가격구분 가격

현대(뉴슈퍼에어로시티)

경유일반버스 90,160,000원

좌석버스 90,570,000원

CNG일반버스 107,395,000원

좌석버스 108,145,000원

대우(로얄시티(BS106))

경유일반버스 85,660,000원

좌석버스 85,820,000원

CNG일반버스 107,000,000원

좌석버스 107,730,000원

초저상 버스대우(로얄시티(BS106)) 208,500,000원

현대(뉴슈퍼에어로시티) 208,996,000원

자료 : 환경부(2012), 원자료: 현대자동차 홈페이지, 대우버스 홈페이지

6) 부가가치세

부가가치세는 차량판매가격의 10%이므로, CNG 버스가 면제받는 부가가치

세는 10,739,500원이다.


이상의 정부지출비용은 2011년도 기준의 정부지출비용이며, 항목별 및

CNG 보금을 위한 정부지출비용은 다음 <표 5-14>와 같다.

(단위 : 원)

구분차량구입

보조취득세 면제

부가세 면제

융자금 보조

연료비 보조

환경개선부담금 면제

총계

CNG 보조금(1)

18,500,000 2,147,900 10,739,500 2,069,598 10,877,586 1,247,775 45,582,359

경유차 보조금(2)

0 0 0 0 0 547,690 547,690

순 CNG 보조금(1)-(2)

18,500,000 2,147,900 10,739,500 2,069,598 10,877,586 700,085 45,034,669

주) 경유버스 대비 CNG 버스 세금감면액 및 경유 버스 유가보조금 미 고려

<표 5-14> CNG 버스 보급을 위한 정부지출비용

경유버스 대비 CNG 버스 보급의 사회적 비용은 대당 45,034,669원이다. 환

경편익 및 경제적 편익과 마찬가지로 사회적 비용은 현재시점(2011년 기준)

에서 사회적 비용을 산출하여 10년으로 균등 분할한 값인 대당 4,503,467원

을 모든 연식에 동일하게 적용한다.

다. 연식별 경제성 분석 결과



을 분석한 결과는 아래와 같다21).

즉, 2006년식은 경유버스 대비 CNG 버스의 보급으로 현재시점에서 1년간

대당 4,938,019원의 경제성을 가진다. 다음으로 2009년식과 2011년식은 각각

5,660,939원과 7,358,654원의 경제성을 가지는 것으로 나타났다.

경제성 2006 2009 2011

환경편익(A) 7,686,602 8,409,523 10,107,238

연료편익(B) 1,754,883

정부지출비용(C) 4.503,467

경제성(A+B-C) 4,938,019 5,660,939 7,358,655

<표 5-15> 경유버스 대비 CNG 버스 보급의 경제성 분석(단위 : 원/대)

21) 환경편익은 연식별 대상차량의 시험결과에 근거하여 산출한 값을 활용하였으며, 현재시점에서 각 연식별 차

량의 경제성을 평가하기 위해 연료편익과 정부지출비용은 2011년도 기준 자료를 활용함

제6장 CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정 73

제6장 CNG 버스 보급정책의 타당성 검토

및 향후 추진방향 설정

1. 연식에 따른 CNG 버스 보급의 경제성 평가결과 요약

전체적으로 CNG버스 대비 경유버스가 적게 배출되는 오염물질은 THC이

다. 반면에 경유버스는 인체건강에 직접적인 영향을 미치는 PM와 오존전구

물질인 NOx, 그리고 나노입자개수에서 CNG버스 보다 더 많이 배출하고 있

다. 특히 PM의 경우 차량이 노후화 될수록 경유버스의 배출량이 급격히 증

가하는 경향을 보였으며, NOx의 경우 저감장치의 미작동 등의 요인으로 배출허

용기준의 강화에도 불구하고 최근 연식에서 배출량이 증가하는 특성을 보였다.

2. CNG 버스 보급의 환경성·경제성 평가결과

연식별 경유 및 CNG 버스의 오염물질 배출시험결과를 토대로 CNG 버스

보급의 환경성 및 경제성을 평가하였다.

경유 대비 CNG 버스 배출증감량을 이용하여 CNG 버스 보급의 환경개선편

익을 산출한 결과, 2006년식의 경유버스 대비 CNG 버스는 내구연한 10년 동

안 대당 현재가치 기준 76,866,023원의 환경편익이 있으며, 2009년식은

84,095,227원, 2011년식은 101,072,381원의 환경편익이 있는 것으로 확인되었다.


로서 내구연한 동안의 환경편익을 10년으로 균등 분할한 값을 동일하게 적

용한다. 연식별 1년간 환경편익은 각각 2006년식 7,686,602원 2009년식

8,409,523원, 2011년 10,107,238원이다




2006년식 8,846,369

3.27%

76,866,023 7,686,602

2009년식 9,678,365 84,095,227 8,409,523

2011년식 11,632,642 101,072,381 10,107,238

<표 6-1> 각 연식별 내구연한 10년간 오염물질별 환경편익 및 1년간 환경편익 값

(단위: 원/대)




을 분석한 결과는 아래와 같다. 즉, 2006년식은 경유버스 대비 CNG 버스의

보급으로 현재시점에서 1년간 대당 4,938,019원의 경제성을 가진다. 다음으로

2009년식과 2011년식은 각각 5,660,939원과 7,358,654원의 경제성을 가지는 것

으로 나타났다.

경제성 2006 2009 2011

환경편익(A) 7,686,602 8,409,523 10,107,238

연료편익(B) 1,754,883

정부지출비용(C) 4.503,467

경제성(A+B-C) 4,938,019 5,660,939 7,358,655

<표 6-2> 경유버스 대비 CNG 버스 보급의 경제성 분석

(단위 : 원/대)

3. CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정

앞에서 살펴본 바와 같이 경유버스는 노후화와 차량운행조건이 경유버스의 오

염물질 배출량 증감에 적지 않은 영향을 미치고 있다. 이러한 시험결과로부터

경유버스의 배출특성을 다음과 같이 추정할 수 있다. 첫째, 경유버스는 CNG버

스와는 다르게 차량 노후화에 따라 PM 배출량이 증가할 가능성이 있다. 둘째,

차량운전조건 등 외부여건으로 인하여 경유버스에 부착된 저감장치가 제대로

작동하지 않을 가능성이 있다. 이는 대기오염 악화와 그로 인한 인체건강에 부

제6장 CNG 버스 보급정책의 타당성 검토 및 향후 추진방향 설정 75

정적인 영향을 미치는 요인으로 작용할 가능성이 있는 것으로 추정된다.

이러한 시험결과는 경유버스에 대체하여 추진해 온 CNG버스 보급정책은

호흡기질환, 심혈관계질환 등 인체건강 직접적인 영향을 미치는 PM 및 오존

전구물질인 NOx 등 오염물질배출량을 저감하는데 실질적인 효과를 발휘하

고 있는 것으로 평가된다. 더 나아가 대기오염개선을 통해 국민들이 건강을

보호하는데 긍정적인 영향을 미치고 있는 것으로 평가된다.

또한 시험차량의 조건 등 기술적 요인의 영향으로 연식별 상이성은 존재하

지만 모든 연식에서 CNG버스 보급정책은 환경편익과 경제성이 있는 것으로

추정되었다. 즉, CNG버스 보급정책은 여전히 타당성이 있는 것으로 평가된다.

이상의 분석으로부터 CNG 버스 보급정책의 향후 추진방향에 대해 간략히

제언하고자 한다.

첫째, CNG버스 보급정책은 계속 추진될 필요가 있다. 왜냐하면 보급정책

의 환경편익 및 경제성이 있는 것으로 평가되었다. 특히 현재와 같은 노후화

와 운전여건 따른 경유버스의 기술적 문제를 고려했을 때 PM, NOx 등 인체

건강에 영향을 미치는 대기오염물질 저감효과를 발휘하고 있는 CNG버스 보

급정책은 지속되어야 할 것이다. 특히, 최근 국내에서 배출되는 오염물질에

더하여 중국발 스모그 유입에 따른 PM2.5 오염악화가 국민건강에 미치는 영

향이 우려되는 시점에서 CNG버스의 보급은 국내 배출 오염물질을 저감하는

효과적인 정책수단으로 작용할 수 있을 것이다.

둘째, EURO-6 도입이후 경유버스의 기술적 조건을 평가하여 현재와 같은

CNG버스 보급정책의 방향을 새롭게 결정할 필요가 있다. 주지하다시피

2015년 EURO-6 기준의 도입으로 국내 시내버스 배출기준 및 차량의 배출저

감장치 기술여건도 크게 변화할 것으로 예견된다. 특히 경유버스의 NOx 기

준도 크게 강화된다. 이러한 점을 감안하여 EURO-6 기준을 만족하는 경유버

스 출시 이후에 경유버스와 CNG버스의 환경성 및 경제성을 종합평가할 필

요가 있다. 그리고 평가결과를 토대로 CNG버스 보급정책의 방향을 새롭게

결정해야 할 것이다.


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when-volvo-buses-meets-euro-6-norms/ [2013.7.23]


부록. 경유하이브리드 버스 및 CNG하이브리드버스의 환경성 및 경제성

1. 하이브리드 경유 및 CNG 버스의 배출량 시험결과

1) NIER 06 모드의 오염물질 배출량 시험결과

하이브리드 버스는 일반 경유 및 CNG 버스(EURO-5)에 비해 모든 오염물

질이 적게 배출되며, 연비도 CNG 하이브리드 버스는 37.4%, 경유 하이브리

드 버스는 27.7% 좋다.

구 분CO

(g/km)

THC(g/km) NOx

(g/km)

PM

(g/km)

입자개수

(개/km)

CO2

(g/km)

연비

(km/ℓ)NMHC CH4

CNG

CNG 0.0587 0.8223 7.4005 3.6246 　 2.36E+11 721 2.42

하이브리드 0.0410 0.1422 1.2802 3.5864 　 3.97E+10 536 3.32

저감율(%) 30.2 82.7 82.7 1.1 　 83.2 25.6 37.4

경유

경유 1.8195 0.2508 　 10.2775 0.0404 3.09E+13 723 3.49

하이브리드 4.9731 0.0064 　 5.5998 0.0312 3.92E+13 595 4.46

저감율(%) -173.3 97.5 　 45.5 22.8 -26.9 17.7 27.7

<표 Ⅰ-1> CNG-경유하이브리드버스 오염물질 배출량 시험 결과(NIER 06 모드)

2) WHVC 모드의 연식별 오염물질 배출량 시험결과

하이브리드 버스는 일반 경유 및 CNG 버스(EURO-5)에 비해 모든 오염물

질이 적게 배출되며, 연비도 CNG 하이브리드 버스는 39.5%, 경유 하이브리

드 버스는 25.0% 좋다.

구 분CO

(g/km)

THC(g/km) NOx

(g/km)

PM

(g/km)

입자개수

(개/km)

CO2

(g/km)

연비

(km/ℓ)NMHC CH4

CNG

CNG 0.0495 0.3968 3.5713 1.3245 　 1.05E+11 546 3.22

하이브리드 0.0176 0.0833 0.7495 1.1695 　 2.24E+10 397 4.49

저감율(%) 64.4 79.0 79.0 11.7 　 78.7 27.3 39.5

경유

경유 0.5486 0.2122 　 7.6868 0.0386 1.18E+13 520 4.88

하이브리드 1.6402 0.0087 　 3.5136 0.0147 1.33E+13 438 6.10

저감율(%) -199.0 95.9 　 54.3 　 -12.5 15.7 25.0

<표 Ⅰ-2> CNG-경유 하이브리드버스 오염물질 배출량 시험 결과(WHVC 모드)

부록 79

　 CO NMHC CH4 NOx PM 입자개수 CO2

CNG

하이브리드3.52 12.22 110.02 308.23 0.00 3.41E+12 46,065

경유

하이브리드427.40 0.55 0.00 481.26 2.68 3.37E+15 51136.03

<표 Ⅰ-3> 경유 하이브리드 버스- CNG 하이브리드 버스 배출 추정치


2. 경유 하이브리드 및 CNG 하이브리드 환경성 평가

가. 경유 하이브리드 및 CNG 하이브리드 버스 배출증감 추정

연식별 경유 및 CNG 버스 배출량 증감분석과 같은 방법으로 경유 하이브

리드 버스와 CNG 하이브리드 버스가 1년 동안 운행될 경우 각 오염물질 배

출량을 추정해 본 결과 다음 <표Ⅰ-3>와 같이 나타났다.

경유 하이브리드 버스를 CNG 하이브리드 버스로 대체했을 때의 오염물질

배출증감량을 파악하기 위해 경유 하이브리드 버스 오염물질 배출량 추정치

에서 CNG 하이브리드 버스의 오염물질 배출량 추정치를 차감하여 각 오염

물질에 대한 배출증감량을 산출하였다. 그 결과는 아래 <표Ⅰ-4>와와 같다.

COTHC

NOX PM 입자개수(개) CO2NMHC CH4

경유하이브리드-CNG

하이브리드 배출증감량423.88 -11.67 -110.02 173.04 2.68 3.37E+15 5070.63

<표 Ⅰ-4> 경유하이브리드 버스 대비 CNG 하이브리드 버스 배출증감량


주1) ‘-’ 는 경유하이브리드 버스 대비 CNG 하이브리드 버스의 배출량 증가를 의미함

오염물질별로 1년간 경유하이브리드 버스 대신 CNG 하이브리드 버스를

운행할 경우 배출증감량을 다시 한 번 살펴보자면, CO와 NOx, PM, CO2는

각각 423.88kg, 173.04kg, 2.68kg, 5070.63kg이 저감되며, NMHC와 CH4는 각

각 11.67kg, 110.02kg이 증가하는 것으로 나타났다.


　 CO NMHC CH4 Nox PM CO2

연간

환경편익2,390,677 -76,469 -47,724 2,268,175 2,188,772 104,734

<표 Ⅰ-5> CNG하이브리드 버스 보급에 대한 환경개선편익

423.88

-11.67 -110.02

173.04 2.68

5070.63

-1000.00

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

CO NMHC CH4 NOx PM CO2

<그림 Ⅰ-1> 경유하이브리드 버스 대비 CNG 하이브리드 버스

배출증감량

나. 경유 하이브리드 및 CNG 하이브리드 버스 환경개선편익

연식별 경유 및 CNG 버스 환경개선편익에 적용한 사회적 비용을 동일하

게 적용하여 CNG 하이브리드 버스 보급에 대한 환경개선편익을 산출한 결

과, 다음 <표Ⅰ-5>와 같은 결과가 도출되었다.

CNG 하이브리드 버스 보급에 따른 연간 환경개선편익은 총 6,828,165원이

며, NMHC와 CH4를 제외한 모든 오염물질에서 CNG 하이브리드 버스의 편

익이 경유 하이브리드 버스 편익보다 높다.

경유 및 cng 버스 노후화(연식)가 대기오염에 미치는 영향...

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