승용 경유 차량의 실제도로 주행 배출가스 시험에서 주행 경로와 운전 성향이 질소산화물에 미치는 영향
유영수
*
ㆍ정준우*
ㆍ전문수*
ㆍ차준표*,†
Impact of Test routes and Driving style on NOx emissions of Light-Duty Diesel Vehicle over Real Driving Emissions test
Young Soo Yu, Jun Woo Jeong, Mun Soo Chon and Junepyo Cha
Key Words: RDE(실도로 주행 배출가스), PEMS(이동식 배기가스 측정 장치), MAW(이동평균구간 분석 방법), NOx(질소산화물)
Abstract
It is expected that the introduction of real-driving emission will strengthen the exhaust emission. However, various researches have been reported that real-driving emission has been influenced by factors such as characteristics of the test routes and driving characteristics for drivers. In order to reflect this effect, European Commission applied the concept of driv- ing dynamics to prevent deliberately driving of excessive and acceleration over RDE test. The purpose of this study is to analyze the characteristics of exhaust emissions according to real-driving test in three test routes and driving style. As a result of the test, it was confirmed that when the same driver tested real-driving test under three test routes, it depends on the driv- ing characteristics of the route. Also, RDE-NOx for driving style was that severe driving has been about 16 times higher than normal driving in KNUT route.
1. 서 론
최근 자동차의 실내 차대동력계 시험조건과 실도로 주행 배출가스 시험조건에서 배출되는 대기오염물질이 매우 상이한 문제가 지속적으로 발표되고 있다(1). 이러 한 발표들은 실내 차대동력계 시험조건 외에도 실도로 주행 배출가스 시험이 필요하다는 계기가 되었다. 그리 하여 국내는 유럽과 동일한 시기인 2017년 9월에 실도 로 주행 시험방법(RDE-LDV, Real Driving Emissions-
Light Duty Vehicles)을 도입하였다(2).
실내 인증시험과 달리 실도로 주행 배출가스 시험은 EC-JRC(European Commission-Joint Research Centre)에 서 제안한 RDE-LDV의 시험절차, 요구조건, 주행경로 요건 등을 만족해야 하며, 차량에 이동식 배기가스 측정 장치(PEMS, Portable Emission Measurement System)를 장착하여 실도로에서 배출되는 대기오염물질을 측정하 며, 별도의 실도로 배출허용기준을 적용하여 적합여부 를 판정하는 시험이다(3).
이러한 실도로 배출가스 평가방법(RDE-LDV)의 도입 은 배출가스 규제를 보다 강화하여 질소산화물 배출량 을 감소시킬 것으로 예상 된다(4). 하지만 실도로 배출가 스 평가방법(RDE-LDV)은 주행경로가 가지는 경로 특 성 및 주변 환경 등 외부 요인에 의해 영향을 받는다는 연구가 지속적으로 발표되고 있다.
(Recieved: 13 May 2019, Recieved in revised form: 9 Jun 2019, Accepted: 17 Jun 2019)
*
한국교통대학교 자동차공학과
†
책임저자, 회원, 한국교통대학교 자동차공학과 E-mail : [email protected]
TEL : (043)841-5283 FAX : (043)841-5280
(driving style)에 따른 배출가스 특성을 분석하기 위해, Driver 3명을 대상으로 일반주행(Normal), 가혹주행 (Severe) 조건으로 시험하였고, 일반주행(Normal)보다 가혹주행(Severe)조건에서 높은 상대가속도와 비출력으 로 인해 배출가스가 많이 측정된 결과를 발표하였다.
이처럼 RDE-NOx 규제 만족을 위해서는 운전자의 운 전특성 및 주행경로의 특성 등에 대한 영향을 고려해야 한다. EC(European Commission)에서는 이러한 영향을 반영하기 위하여 RDE 시험 시 과도한 출력 및 가속도 를 고의적으로 주행하는 것을 방지하기 위해 주행동특 성의 변수로 양의 상대가속도(RPA, Relative Positive Acceleration)와 비출력(u × a, Vehicle speed per positive acceleration)을 정의하였다(7).
하지만 이러한 보완에도 불구하고 실도로 주행 시험 에서의 다양한 조건을 반영한 연구 결과는 아직 부족한 현황이며, 국내 RDE-LDV의 조기정착을 위하여 다양한 주행경로 및 운전성향에 따른 대기오염물질의 배출특성 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 RDE-LDV 관리제도의 세부규 정을 만족하는 다양한 주행경로에서 동일한 시험차종으 로 실도로 주행 배출가스 시험을 수행하였고, 차량 운전 성향에 따른 NOx 배출량을 분석하기 위해 동일한 운전 자가 임의적으로 가ㆍ감속을 반영하는 시험을 수행하여, 주행경로와 차량 운전 성향에 따른 NOx 배출량에 미치 는 영향을 검토하고자 하였다.
2. 시험내용 및 방법
2.1 시험 차량 및 장비
시험차량은 Euro 6b 규제를 준수하는 SUV(Sport Utility Vehicle)형으로 배기량 3,000cc, V형 6기통 엔진 을 탑재한 2017년 모델이며, Table 1에 시험차량의 제원 을 정리하였다. Euro 6의 질소산화물(NOx) 배출가스 규 제(0.08 g/km)를 만족하기 위하여 후처리 장치로 선택적
환원촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 장착하 였다. 실도로 주행 배출가스 시험에 활용된 PEMS 장비 의 제원 및 원리는 Table 2에 정리하였다. PEMS는 배 기가스 측정장치, 배기가스 유량계, 배기가스 샘플링 장 치 외 GPS(Global Positioning System), 대기온도 및 압 력센서, OBD(On-Board Diagnostics) 진단장치 등으로 구성된다.
2.2 다양한 RDE 주행경로
자동차의 배출가스에 영향을 주는 주행경로의 경사도, 차속 및 가속도 등을 반영한 3개의 주행경로에서 연구 를 수행하였으며, 주행경로에 관한 개략도를 Fig. 1에 정리하여 나타내었다.
각 주행경로에 대한 차속 데이터 및 주행거리 등과 같은 정량적인 정보는 3.2절에 자세히 언급하고자 한다.
KU(고려대학교) 주행경로는 고려대학교에서 출발하 여 고도가 높은 북악산을 지나 행주대교 방면까지의 교 외구간 및 영종대교를 이용하는 전용도로구간으로 구성 되어있다. 또 다른 KNUT(한국교통대학교) 주행경로는 한국교통대학교를 출발점으로 충주시청을 지나는 도심 구간과 음성 방면의 교외구간 및 평택-제천 고속도로를 이용하는 전용도로구간으로 구성되어 있다.
After Treatment DOC + DPF + SCR
Table 2 Specifications of PEMS Item Principle Range
CO
Heated NDIR 0~8 vol%
CO2 0~18 vol%
NO, NOx NDUV 0~3,000 ppm Exhaust flow Pitot flow 0~670 kg/h Standard signal
measurements
GPS Speed, Exh.temp & pr.
Atmtemp, pr.and humidity
Kpetro(한국석유관리원)의 주행경로는 충청북도 도청 을 지나는 도심구간과 남청주IC 방면의 교외 구간, 남청 주IC-보은IC까지의 전용도로 구간으로 구성되어 있다.
2.3 RDE 주행시험의 시험 조건
앞서 기술한 3개의 주행경로 시험은 평소에 운전하는 성향으로 1명의 동일한 운전자가 RDE 시험을 수행하였 다. Normal 조건에서는 고의적으로 과도한 출력 및 심 한 가ㆍ감속을 주지 않았으나, Severe 조건에서는 차량 의 운전 성향에 따른 질소산화물(NOx) 배출특성을 분 석하기 위하여 도심, 교외, 전용도로 구간에서 임의적인 가ㆍ감속을 반영하여 시험을 수행하였다.
3개의 주행경로의 도심구간 주행특성을 분석하기 위 하여 교통량이 비교적 적은 오후 11시 이후 RDE 시험 을 수행하여 차량 지체 및 교통량의 영향을 배제하고자 하였다.
2.4 데이터 분석 방법
EC에서 제안한 RDE-LDV 시험방법에서 적용된 데이 터 분석방법은 이동평균구간 분석 방법이다. 이 방법은 Shade et al.,(8)에 의해 제안되었으며, 유럽의 대형차 배 출가스 결함확인 검사 방법의 데이터 분석방법으로 적 용하였다. EC는 일부 변형하여 소형자동차 배출가스 연 구에 데이터 분석 방법으로 적용하였다.
이동평균구간 분석 방법은 실도로 주행 배출가스 시 험에서 출발점부터 기준 CO2 배출량까지 배출된 거리 까지의 구간을 하나의 평균구간으로 정의하고, 기준 CO2배출량까지 배출하여 생성된 평균구간에서 주행거 리에 대한 배출가스양(g/km)을 계산하는 방법이다. 앞 서 기술한 기준 CO2배출량은 소형 경유차의 실내 인증 시험 모드인 WLTC(Worldwide Harmonized Light Vehi- cles Test Cycle)에서 시험차량의 CO2배출량을 측정한
후, 측정된 CO2배출량의 절반을 의미한다.
3. 시험 결과 및 고찰
3.1 시험장비(PEMS)의 배출가스 신뢰성 검증 실도로 주행 배출가스 시험을 수행하기 전에 PEMS 장비에서 측정되는 시험 데이터의 신뢰성을 평가하기 위해 차대동력계 시험에서 CVS(Constant Volume Sam- Fig. 1 Map for RDE routes
Fig. 2 Correlation of emissions between CVS and PEMS equipment
pling)와 PEMS로 동일한 실내 차대시험 모드에서 동시 에 배출가스를 측정하였다. 상관성 시험을 위해 수행한 차대동력계 시험 모드는 국립환경과학원에서 국내 서울 시내 주행 특성을 반영하여 개발한 NIER 07 모드에서 시험을 수행하였다. Fig. 2는 본 연구에서 사용한 시험 차량의 상관성 시험의 결과를 나타낸 그래프이며, NOx 와 CO2의 결정계수는 모두 0.97 이상으로서 PEMS에서 측정한 배기가스는 CVS 장비와 상당히 높은 상관성을 보였다. 또한 Fig. 3은 상관성 시험에서 취득한 CVS 장 비와 PEMS 장비의 실시간 NOx 및 CO2유량을 비교한 것이며, 그 결과 PEMS에서 측정되는 배기가스 데이터 는 CVS 측정되는 데이터와 비교하였을 때 실시간으로 배출된 양과 총 배출량이 모두 유사한 것을 확인할 수 있다.
3.2 다양한 주행경로의 주행 특성 분석
본 연구는 소형경유차 1대를 대상으로 실도로 주행 배출가스 시험을 다양한 주행경로에서 수행했으며, 각 주행경로 별 주행 시험한 결과를 도심, 교외 및 전용도 로구간을 구분한 후 이동평균구간 방법을 통해 계산하 였고, Fig. 4에 각 주행경로의 구간별 주행속도에 대해 평균값과 표준편차를 나타내었다.
차량 통행량의 영향을 배제하기 위해 오후 11시 이후
시험을 시작하여 모든 도심 주행경로에서 주행한 차량 의 주행속도가 국립환경과학원이 개발한 RDE route 1 과 2에서 주행한 도심 속도(7)보다 대략 30 km/h로 비교 적 높은 주행속도를 가지는 특징이 있었다. 하지만 KU (고려대학교) 주행경로는 도심구간에 북악산을 지나 많 은 곡선구간을 가지는 특성이 있어 다른 기관의 주행경 로보다 낮은 주행속도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한 각 주행경로의 구간별 주행거리를 Fig. 5에 나타 내었다. KU(고려대학교) 주행경로에서 도심, 교외 및 전 용도로구간에서 가장 낮은 주행거리 특성을 보였으며, 이 는 북악산을 지나는 경로임에도 불구하고 차량 통행량 이 많아 정체가 발생하는 서울의 주행경로이므로 EU에 서 제안한 RDE-LDV 주행시간을 만족하기 위해 다른 주행경로보다 거리가 짧은 것으로 판단된다.
이외 다른 주행경로에서는 구간별로 비슷한 주행거리 를 가지고 있음을 확인할 수 있으며, Fig. 6을 통해 주 행경로의 구간별 점유율이 30% 이상씩 분포함을 확인 할 수 있다.
여기서 주행경로의 구간별 점유율은 주행경로 전체 주행 거리(km) 대비 도심, 교외, 전용도로 구간에서의 Fig. 3 Comparison of real-time NOx and CO2 emission
between CVS and PEMS equipment
Fig. 4 Vehicle speed for each RDE routes
Fig. 5 Trip distance for each RDE routes
주행 거리(km) 비로 계산하여 백분율로 표시하게 된다.
Figure 7은 주행경로 별 주행시간을 나타낸 그래프이다.
이는 주행거리가 길어짐에 따라 소요되는 주행시간도 길어지게 되며, 주행거리가 가장 길게 측정되었던 KNUT(한국교통대학교)경로가 주행시간이 가장 오래 소요되었음을 확인할 수 있다. 또한 비슷한 주행거리 및 주행 점유율을 가지고 있음에도 불구하고 도심구간에서 가장 오랜 시간이 소요되었으며, 이는 오후 11시 이후 시험하였지만 자정이 지나지 않아 도심구간의 신호체계 및 낮은 주행속도에 의한 영향으로 판단된다.
3.3 동일 운전자의 주행경로별 배출가스 특성 본 연구는 소형경유차 1대를 대상으로 동일한 운전자 가 3개의 주행경로에서 실도로 주행 배출가스 시험을 수행하였다.
Figure 8에는 동일한 운전자가 3개의 주행경로에서 실도로 주행 배출가스 시험한 결과를 주행구간별(도심, 교외, 전용도로)로 구분하여 나타내었다. 시험 결과, KU(고려대학교) 주행경로는 전용도로, 도심, 교외 구간 순으로 많이 배출되는 특성을 보였고 KNUT(한국교통 대학교) 주행경로는 교외, 도심, 전용도로 구간 순으로
많이 배출되었고 Kpetro(한국석유관리원) 주행경로는 전용도로, 교외, 도심 구간 순으로 많이 배출되었다. 도 심 및 교외구간에서는 대체로 KNUT 경로에서 많이 배 출되었고 전용도로 구간에서는 KU 및 Kpetro의 주행경 로에서 많이 배출되었다. 이러한 배출특성을 분석하기 위해 Fig. 9에 실도로 주행 배출가스 시험 수행 시 측정 하여 취득한 배출가스 데이터와 시험차량의 OBD에서 제공받은 EGR 밸브 등을 실시간 그래프로 나타내었다.
도심구간에서 Kpetro의 주행경로가 가장 적은 질소산 화물(NOx)를 배출하였다. Kpetro의 주행경로는 다른 주 행경로들과 달리 한국석유관리원에서 대략 30분 정도 떨어진 지점까지 주행한 후 시험을 시작한다. 따라서 Kpetro 주행경로는 엔진의 warm up이 충분히 이루어지 고, 후처리장치의 촉매들의 활성화 온도가 높아진 상태 이므로 배출가스가 적게 배출된 것으로 판단된다.
또한, KU 주행경로는 도심구간에 고도가 존재하는 북악산을 지나므로 오르막길을 주행할 때 연료분사량이 증가하고 엔진의 출력 보상을 위해 EGR 밸브를 닫아서 질소산화물(NOx)이 많이 배출되는 특성을 보인다.
KNUT 주행경로는 다른 주행경로에 비해 연료 분사량 이 많았으며, 이는 경로의 도심 및 교외구간의 구성 상 원형교차로, 방향 전환하는 구간이 많아 가속 주행된 것 으로 판단된다.
교외구간에서는 Kpetro 주행경로가 도심구간에 비해 많이 배출되었으며, 이는 차량 주행속도가 높아짐에 따 라 EGR 밸브를 닫고 연료 분사량을 증가시켜 연소실 내 연소효율을 높여 차량의 출력을 높이고자한 것으로 판단된다. KU 주행경로의 교외구간은 서울 중심지에서 인근 위성도시로 이어주는 외곽도로의 특성과 비슷한 순환도로를 적용하여 차량 정체 및 원형 교차로, 방향 전환하는 구간이 비교적 적어 배출가스가 적게 배출된 Fig. 6 Driving share for each RDE routes
Fig. 7 Trip duration for each RDE tests
Fig. 8 NOx emissions in each driving part for driver A
Fig. 9 Real-time of GPS. altitude and speed, Exhaust temperature, EGR opening rate, NOx emissions and Fuel rate on Kpetro test route under driver A
것으로 판단된다.
전용도로 구간에서는 기본적으로 차량의 속도가 도심 및 교외구간보다 상승하는 구간이므로 연료 분사량이 증가하고 그에 따라 배기가스 온도도 상승하는 것을 확 인할 수 있다.
KNUT 주행경로에서의 전용도로 구간에서는 다른 주 행경로보다 EGR 밸브의 opening rate가 높아 질소산화 물이 적게 배출되는 특성이 보였다. EGR 밸브의 open- ing rate가 높을수록 배기가스의 일부가 흡기 다기관으 로 혼입되어 연소실 내 산소가 감소하게 된다. 연소실 내 산소농도가 감소하면 연소 온도가 낮아지게 되므로 질소산화물이 적게 배출된다. 전용도로 구간에서 비교 적 많이 배출된 Kpetro 주행경로는 이루어진 도로가 산 으로 구성되어 있어 오르막길을 주행하므로 KU 주행경 로의 도심구간과 비슷한 배출특성을 보인다.
3.4 운전 성향에 따른 배출가스 특성
본 연구진이 위치한 KNUT 주행경로에서 열간 시동 조건으로 운전 성향에 따라 질소산화물 및 CO2배출특 성을 비교하기 위해 실도로 주행 배출가스 시험을 수행 하였다. 시험 조건은 앞서 기술한 동일한 조건으로 수행
하였다. Fig. 10는 임의 주행이 없이 평범하게 운전한 조 건(Normal)과 임의적으로 반복하여 가ㆍ감속을 반영한 가혹한 조건(Severe)의 실도로 주행 배출가스 결과를 나 타낸 그래프이다. 고의적으로 가ㆍ감속을 부여한 시험은 평범한 운전조건보다 많이 배출되는 경향이 나타났다.
이러한 이유는 Fig. 11에 나타낸 비출력 및 상대가속 도를 통해 확인할 수 있다. 붉은색의 원형이 가혹 주행, 노란색의 원형이 평범한 주행이며, 검은색 점선으로 표 Fig. 9 Continued
Fig. 10 NOx emissions for driving style under KNUT route
시한 실선은 유럽연합(EC)에서 제안한 주행동특성의 변 수인 상대가속도 및 비출력의 기준선을 나타내었다. 가 혹하게 운전한 시험의 경우는 신호정지 및 차량 지체 현상으로 인한 가ㆍ감속 외에도 일시적으로 속도를 급 가속 후 급감속 하여 높은 상대가속도 및 비출력의 특 성이 나타나는 것으로 판단된다.
Figure 12은 시험 차량의 동적조건 기준은 실내 인증 시험에서 측정된 평균 차속 대비 CO2 배출량 곡선인
“차량 CO2특성 곡선”을 그래프를 통해 나타내었다. 평 범한 운전조건의 CO2 배출특선 곡선을 (a)에 나타내었 고, 가혹한 운전조건의 CO2배출특성 곡선을 (b)에 나타 내었다. 평범한 운전은 검정색 굵은 선으로 나타낸 실내 인증시험(WLTC)에서 배출된 CO2곡선과 비슷하게 배 출되었다. 하지만 가혹한 주행은 도심, 교외 및 전용도 로 구간에서 실내 인증시험에서 측정한 CO2보다 과다 배출하였고, 전용도로 구간에서는 곡선의 일부가 상한 선(+50%)를 넘어서 나타낸 것을 확인할 수 있다. 이는 전용도로가 가지는 주행특성으로 인한 것으로 판단되며, 평범한 운전에 비해 가혹한 운전에서 차량의 주행속도
가 대략 20 km/h 더 빠르게 주행됨을 통해 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내 EURO 6의 배출가스 규제를 만 족하는 소형 경유 차량 1대를 대상으로 다양한 주행경 로 및 차량 운전 성향에 따른 질소산화물의 배출가스 특성을 분석하였으며, 본 연구의 결론을 다음과 같이 요 약하였다.
(1) 3개의 주행경로는 EC에서 제안한 RDE-LDV의 주 행 경로요건을 모두 만족하는 경로이며, 주행 경로가 가 지는 신호 체계, 차량 통행량 및 고도 특성에 의해 주행 특성이 다르게 나타났다.
(2) 엔진의 충분한 warm up 및 후처리장치의 촉매 활 성화 온도가 높아짐으로 인해 Kpetro 주행경로의 도심 구간이 다른 주행경로에 비해 적게 배출되었다.
(3) KNUT 주행경로의 도심 및 교외구간은 다른 주행 경로의 도심 및 교외구간에 비해 많은 질소산화물을 배 Fig. 11 Test results of trip dynamics under KNUT route
Fig. 12 Impact CO2 emissions for driving style
출하였다. 이는 주행경로가 가지는 원형 교차로, 방향 전환하는 구간으로 인해 가속주행이 이루어져 많이 배 출되었다.
(4) 평범한 운전(Normal) 성향과 가혹한 운전(Severe) 성향에 따른 배출가스를 비교한 결과, 임의적으로 가ㆍ 감속을 반영한 가혹한 운전이 높은 상대가속도 및 비출 력으로 인하여 평범한 운전에 비해 많이 배출되는 경향 이 나타났다.
후 기
본 논문은 한국산업기술평가관리원(20002762)과 한 국연구재단(NRF-2016R1C1B11015927)의 연구비 지원 으로 수행되었습니다.
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