RDE Characteristics of Euro 6 Light Duty Diesel Vehicles Regarding to Driving Conditions

주행조건에 따른 유로6 경유자동차의 RDE 특성

차준표

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RDE Characteristics of Euro 6 Light Duty Diesel Vehicles Regarding to Driving Conditions

Junepyo Cha, Young Soo Yu, Dongin Lee and Mun Soo Chon

Key Words: Emission regulations(배기규제), PEMS(이동식 배출가스 측정장치), MAW(이동평균 구간), RDE(실제도 로 주행 배출가스), RPA(양의 상대가속도)

Abstract

In order to improve the quality of air in urban areas, the emission regulations are being strengthened by the government.

The on-road test of light-duty vehicles was started with PEMS because certification test mode does not sufficiently reflect on-road conditions. Therefore, The PEMS-based test was implemented from Sep. 2017 in Europe and Korea. However, this is lack of data on various on-road patterns in Korea. The purpose of the present study has analyzed the effect of speed per acceleration and acceleration on NOx emission on-road driving. The test route consisted of urban, rural, and motorway in Seoul. This study has been conducted by Euro-6 vehicles using on SCR system with PEMS. The on-road emission charac- teristics were evaluated by moving averaging windows (MAW) method. In results, RDE-NOx by severe driving pattern has been 1.4 times higher than soft driving pattern NIER Route 1.

1. 서 론

환경부는 2017년 9월부터 기존의 유로6 경유자동차 배출가스 인증모드인 NEDC(New European Driving Cycle)를 실제도로 주행데이터를 반영한 WLTC(World- wide harmonized Light vehicles Test Cycle)로 대체하였 으며, 실험실에서 차대동력계를 이용하여 일정한 경계 조건으로 측정하는 현재의 배출가스 인증방식을 제도적 으로 보완하기 위하여 이동식 배출가스 측정장치(PEMS, Portable Emission Measurement Systems)를 이용한 소형 차 실제도로 주행 배출가스(RDE-LDV, Real Driving

Emissions-Light Duty Vehicles) 인증제도를 도입하였다.

2011년 이후, EC-JRC(European Commission-Joint Research Center)와 국립환경과학원은 PEMS 장비를 이 용한 소형 경유자동차에 대한 실제도로 주행 배출가스 에 관한 연구를 꾸준히 진행하여 차대동력계를 이용한 주행모드에서 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동 차가 실제도로 주행 조건에서는 배출 허용기준을 상당 히 초과하는 것을 보고하였다. 이는 PEMS를 이용한 실 제도로 주행 배출가스 검사제도의 도입에 대한 실효성을 확인하였다. 이러한 연구결과를 바탕으로 환경부는 2014 년 및 2015년에 각각 RDE-LDV 관리제도 초안 및 검사 방식을 공개하였으며, 2017년 9월부터는 실제도로 주행 조건에서 실내 인증기준을 2.1배, 2020년 1월부터는 1.5 배를 만족해야한다는 최종안인 ‘경유승용차 실제도로 조 건 배출가스 관리제도’를 2016년 입법 예고하였다^(1-9).

RDE-LDV 관리제도의 세부규정에는 주행도로의 구 성, 주행거리, 주행시간, 주행속도 등 경로요건 및 외기

(Recieved: 20 Dec 2017, Recieved in revised form: 23 Dec

2017, Accepted: 24 Dec 2017)

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한국교통대학교 자동차공학과

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책임저자, 회원, 한국교통대학교 자동차공학과 E-mail : [email protected]

TEL : (043)841-5292 FAX : (043)841-5280

온도, 주행고도 등과 같은 환경조건을 비교적 상세하게 제시하고 있으며, 실제도로 주행조건에서 배출가스에 영향을 미치는 주요변수인 도로 경사도, 가속 및 감속과 같은 주행 동특성에 대한 시험조건을 기술하고 있다⁽¹⁰⁾. 그러나 이와 같은 경로요건, 환경조건 및 주행 동특성 에 대한 RDE 시험조건에도 불구하고 실제도로 주행조 건에서 DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생과 함께 급 경사로 주행 및 운전자의 과도한 가속운전 조건에서 유 해 배출가스의 증가에 대한 문제가 지속적으로 제기되 고 있으며, 이와 같은 운전조건에서 NOx 배출량이 어 느 정도 증가한다는 연구결과도 제시되고 있다⁽¹¹⁾.

따라서 효율적인 RDE-LDV 제도운영을 위해서는 급 경사로 및 과도한 가속운전 조건 등과 같은 한계조건에 서 RDE 특성을 규명하는 등 다양한 주행조건에 대한 기술적 경험이 축적되어져야 한다. 이러한 배경아래 본 연구에서는 급경사로 및 과도한 가속운전 조건이 실제 도로 주행 배출가스에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과를 평지주행 및 정숙운행 조건의 배출량과 비교함 으로써 합리적인 RDE-LDV 제도 운영방안을 제시하고 자 한다.

2. 연구내용 및 방법

2.1 시험차량 및 주행도로

급경사로 및 과도한 가속운전 조건에서 실제도로 주 행 배출특성을 규명하기 위하여 본 연구에서는 NEDC 유로6 인증기준이 적용된 2대의 SUV 디젤승용차로 시험 을 수행하였다. Veh. 1은 배기후처리 장치로 LNT(Lean NOx Trap)와 DPF가 장착된 차량이며, Veh. 2는 DPF, SCR(Selective Catalytic Reduction)이 장착된 차량으로 자세한 제원은 Table 1에 나타내었다.

Table 1에 나타낸 시험차량을 이용하여 급경사로 주 행이 RDE 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 최대 고도차이가 약 340 m, 총 주행거리가 약 45 km인 오르 막 경사로와 내리막 경사로가 반복되는 시험경로(Up- down hill)를 선정하였으며, 급경사로의 RDE 시험결과

를 비교하기 위하여 최대 고도차이 및 총 주행거리가 각각 약 38 m, 약 44 km의 주행거리를 갖는 평지주행 시험경로(Local road)에서 비교시험을 수행하였다.

Table 2에 두 시험경로의 특성을 비교하여 나타내었다.

한편, 운전자의 과도한 가속운전이 RDE 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 시험은 국립환경과학원에서 RDE-LDV 제도를 시행하기 위해 개발한 NIER RDE Route 1에서 수행하였다. 이 경로는 교외구간에서 높은 주행부하를 갖도록 개발한 주행경로이며, 행신역을 출 발하여 연세대, 독립문, 구파발까지의 도심구간과 송추 역, 의정부 외곽도로로 이어지는 교외구간, 호원 IC에서 김포 IC까지 주행되는 서울외곽순환고속도로의 전용도 로 구간으로 구성된다. Table 3과 Fig. A에 NIER RDE Route 1의 주행특성을 요약하여 나타내었다⁽⁹⁾.

실제도로 주행 배출가스 데이터는 급경사로 주행 및 평지주행 시험의 경우에는 거리기준 배출량(g/km)으로 환산하여 나타내었으며, 과도한 가속주행 및 정숙주행 시험의 경우에는 RDE-LDV 관리제도의 세부규정에서 제시하고 있는 이동평균구간(MAW, Moving Averaging Window) 방법을 이용하여 계산하였다^(10-11).

2.2 이동식 배출가스 측정장비 (PEMS)

실제도로 주행 배출가스를 측정하기 위하여 본 연구 에서는 Sensors사의 소형자동차용 PEMS를 사용하였으 며, 배기가스 분석기(CO, CO2, NO, NOx), 배기가스 유 량계, 가스 샘플링 장치 및 데이터 취득장치 등으로 구 성된다. 또한 측정된 배출가스는 GPS로 측정된 차속 데 이터를 이용하여 거리기준 배출가스양(g/km)으로 환산 하였다⁽¹¹⁾.

Table 1 Specifications of test vehicles

Vehicle Model

year Disp. Max.

Power

After treatment

Table 2 Route summaries for up-down hill test Test Route Max.

altitude

Min.

altitude

Avg..

altitude

Trip distance Up-down hill 464 m 130 m 310 m 33.1 km Local road 107 m 67 m 79 m 33.8 km

Table 3 Trip summaries of NIER RDE Route 1 Urban Rural M.way Total Trip distance (km) 27.9 21.9 26.0 75.8 Trip share (%) 36.9 28.9 34.2 100.0 Trip duration (min.) 73.0 18.1 14.7 106.1

Avg. speed (km/h) 23.0 72.5 106.2 -

3. 연구결과 및 고찰

3.1 PEMS 상관성 및 급경사로 RDE 시험 RDE 시험을 수행하기 전에 PEMS로 측정한 데이터 의 신뢰성을 확인하기 위하여 시험자동차의 배출가스양 을 차대동력계를 이용하여 표준 측정장비인 CVS(Con- stant Volume Sampler)와 동시에 측정하는 상관성 시험 을 수행하였으며, CO2및 NOx 배출량을 기존의 상관성

시험결과와 비교하여 Fig. 1에 나타내었다.

선도에 나타낸 CO2와 NOx와 배출량은 기존의 상관 성 시험결과에서 보여주는 선형성을 잘 유지하고 있으 며, 결정계수 또한 모두 0.98 이상으로 나타나 본 연구 에서 사용한 PEMS 측정결과는 매우 높은 신뢰도를 갖 는다는 것을 정량적으로 확인하였다. 이상의 상관성 시 험결과를 바탕으로 Table 2에 나타낸 급경사로 및 평지 주행경로에서 RDE 시험을 수행하였으며, Veh. 1 차량 의 주행시간 경과에 따른 고도변화 및 실시간 NOx 배 출량을 Fig. 2에 나타내었다.

Figure 2에 나타낸 바와 같이 오르막 주행의 NOx 배 출량이 내리막 주행의 NOx 배출량과 뚜렷하게 차이를 보이고 있으며, 4번의 오르막 주행에서 배출된 NOx 배 출량은 55.4 g/s으로 내리막 주행에서 배출된 NOx 배출 량(4.2 g/s) 대비 약 13.3배 많은 것으로 분석되었다. 이 는 오르막 주행이 내리막 주행 대비 약 4.1배 많이 배출 한 CO2배출량 보다 상당히 높은 수준으로 오르막 경사 로 주행에서 상당한 양의 NOx가 배출되고 있다는 것을 정량적으로 확인할 수 있는 결과이다. 한편, Veh. 1 차 량이 Up-down hill 시험경로에서 배출한 NOx 및 CO2

배출량을 평지에서 주행한 결과와 비교하기 위하여 유 사한 주행거리, 주행시간 및 평균차속을 갖는 Local road에서 RDE 시험을 수행하였으며, 그 실시간 NOx 배 출량 측정결과를 Fig. 2(b)에 나타내었다. 시험결과, Up- down hill 시험경로의 실제도로 NOx 및 CO2 배출량은 각각 1.80 g/km, 265.8 g/km로 Local road에서 주행한 경우 보다 각각 3.8배, 1.2배 높은 것으로 나타나 급경 사로 주행조건의 높은 NOx 배출량을 다시 한 번 확인 할 수 있다. 이상의 결과를 Table 5에 정리하여 나타내 Table 4 Specifications of PEMS

Item Principle Range

CO Heated NDIR 0~8 vol%

CO2 Heated NDIR 0~18 vol%

NO, NOx NDUV 0~3,000 ppm Exhaust flow Pitot flow meter 0~670 kg/h Standard signal

measurements

Amb. pr., temp. and humidity, Exh. temp. & pr., GPS speed

Fig. 1 Correlation of emissions between PEMS and CVS equipment in laboratory tests

Fig. 2 Real time NOx emissions and altitude profile at up-down hill and local road

었다.

3.2 급가속 및 정숙주행 RDE 시험

급가속 조건이 포함된 과도운전(severe driving)이 실 제도로 주행 배출가스 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 RDE 관리제도의 세부규정을 만족하는 NIER Route 1에서 Veh. 2 차량을 이용하여 RDE 시험을 수행 하였으며, 그 결과를 정숙주행(soft driving) 조건과 비교 하였다. RDE 관리제도의 세부규정에는 주행 동특성을 검증하기 위한 변수로 양의 상대가속도(RPA, Relative Positive Acceleration)와 비출력(v × apos, vehicle speed per positive acceleration)을 정의하고 있며, 여기서 v × apos

는 차량 속도에 양의 가속도를 곱한 값으로 단위가 m²/s³ 또는 W/kg으로 표시되어 본 연구에서는 이 변수를 비 출력(mass specific power)로 표현하였다⁽⁹⁾. Table 6과 7 에 두 운전조건의 동특성 변수인 RPA 와 비출력을 비 교하여 나타내었다.

Table 6과 7에 비교하여 나타낸 바와 같이 도심, 교외 및 전용도로 구간에서 모두 과도운전 조건이 정속운전 조건보다 큰 양의 상대가속도로 주행되었으며, 상대적 으로 높은 출력으로 시험차량이 주행되었음을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서 의도한 과도운전(severe

driving) 및 정숙주행(soft driving) 조건을 만족하는 동특 성을 동일 시험경로에서 구현하였으며, 두 주행조건의 CO₂특성곡선을 Fig. 3에 나타내었다.

이 Fig. 3의 검은색 실선은 WLTC 모드에서 시험차량 의 각 구간별 CO2배출 값 (심볼)을 이은 선이며, 이 선 을 기준으로 ± 25%는 파란 점선과 ± 50%는 빨간 점선 으로 표시하였다. Fig. 3에 나타낸 두 운전조건의 윈도 우 CO2배출량을 살펴보면 과도 운전조건이 정숙 운전 조건 보다 높은 CO2배출량으로 주행되어 상대적으로 높은 출력으로 주행되었음을 다사 한 번 확인할 수 있 으며, 이러한 경향은 특히 중속 및 고속에서 더욱 뚜렷 하게 나타났다. 또한 Fig. 4에 나타낸 MAW 방법으로 분석한 윈도우 NOx 배출량 결과에서 알 수 있듯이 CO2

배출량이 높은 윈도우 구간에서 NOx 배출량 또한 높게 배출되고 있는 것으로 분석되어 과도 운전조건이 실제 도로 NOx 배출량에 큰 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 실제도로 주행 NOx 배출량 결과를 Table 5 On-road NOx and CO2 emissions at up-down hill

and local road Test Route NOx

(g/km) CO₂ (g/km)

Trip duration

Avg.

speed Up-down hill 1.80 265.8 40.3 min. 46.4 km/h

Local road 0.48 224.8 45.1 min. 44.7 km/h

Table 6 Comparisons of driving dynamics (RPA) Driving pattern RPA (m/s²)

Urban Rural M.Way Soft driving 0.228 0.158 0.068 Severe driving 0.250 0.169 0.097 Table 7 Comparisons of driving dynamics (v × apos) Driving pattern 95th percentile of v × apos (W/kg)

Urban Rural M.Way Soft driving 12.2 16.8 16.3 Severe driving 16.1 19.5 19.3

Fig. 3 Window CO2 characteristic curves for soft and severe driving conditions

Fig. 4 Window NOx emissions under soft and severe driving conditions

MAW 방법으로 분석하여 Table 8에 정리하였다. 실제도 로 주행 NOx 배출량은 도심 및 전용도로 주행구간에서 과도 운전조건의 경우가 정숙 운전조건의 경우보다 높 은 것으로 나타났으며, 특히 전용도로 구간으로 분류된 윈도우에서 NOx 배출량 차이가 가장 큰 것으로 분석되 었다.

총 주행경로 NOx 배출량은 과도 운전조건에서 0.383 g/km, 정숙 운전조건에서 0.281 g/km인 것으로 분석되었으며, 이는 유로6 배출 허용기준을 각각 4.8배, 3.5배 초과하는 값으로 본 시험의 경우에는 과도 운전조 건의 경우가 정숙 운전조건 대비 약 1.36배 높게 NOx 를 배출하는 것으로 측정되었다.

한편, 주행 동특성에 따른 실제도로 NOx 배출량을 분석하기 위하여 차량 주행속도와 RPA에 따른 NOx 배 출량을 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 동 일 주행속도 범위에서 과도 운전조건의 경우가 정숙 운 전조건의 경우에 비해 상대적으로 넓은 범위의 상대가 속도로 주행되었음을 확인할 수 있으며, 과도 운전조건 의 경우 중속 및 고속구간에서 많은 양의 NOx가 배출 되고 있는 것으로 나타났다. 따라서 양의 상대가속도의 크기가 실제도로 주행 NOx 배출량에 어느 정도 영향을 미치고 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig. 6에 비 교한 차량 주행속도와 비출력에 따른 NOx 배출량을 살 펴보면 과도 운전조건의 경우가 정숙 운전조건에 비해 상대적으로 넓은 범위의 출력영역에서 주행되었음을 확 인할 수 있으며, 중속 및 고속구간에서 출력이 높게 주 행되는 영역에서 실제도로 NOx 배출량이 많게 배출되 는 것으로 분석되었다. 이상의 결과로부터 차량의 주행 동특성을 나타내는 변수인 상대가속도와 비출력은 실제 도로 NOx 배출량에 영향을 미치는 주요 변수인 것을 Table 8 Comparisons of RDE NOx emissions

Driving pattern NOx (MAW, g/km) Urban Rural M.Way Total Soft driving 0.276 0.403 0.163 0.281 Severe driving 0.325 0.346 0.479 0.383

Fig. 5 Effects of vehicle acceleration on RDE NOx emis- sions under soft and severe driving conditions

Fig. 6 Effects of vehicle speed per acceleration on RDE NOx emissions under soft and severe driving con- ditions

확인할 수 있으며, 높은 상대가속도 및 비출력 조건에서 NOx가 많이 배출되는 것으로 나타나 운전자의 가속패 턴이 실제도로 주행 NOx 배출량에 어느 정도 영향을 미치고 있는 것으로 판단할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 합리적인 RDE-LDV 제도 운영을 위해 급경사로 및 과도한 가속운전 조건이 실제도로 주행 배 출가스에 미치는 영향을 분석하기 위하여 PEMS를 이용 하여 유로6 경유자동차의 RDE 특성시험을 수행하였다.

(1) 오르막 경사로 주행의 NOx 배출량은 내리막 주행 의 경우보다 상당히 높은 수준인 것을 확인하였으며, 그 결과는 CO2배출량 증가율 보다 훨씬 큰 것으로 나타남.

(2) 본 연구에서 적용한 시험차량의 경우 Up-down hill 시험경로에서 배출한 NOx 및 CO2배출량이 평지에 서 주행한 결과 보다 3.8배, 1.2배 높은 것으로 나타나 급경사로 주행조건에서 실제도로 NOx 배출량이 매우 크다는 것을 확인하였음.

(3) RDE 관리제도의 세부규정을 만족하는 인증기관 시험경로에서 주행 동특성을 나타내는 주요변수인 상대 가속도와 비출력을 이용하여 과도운전(severe driving) 및 정숙주행(soft driving) 조건을 만족하는 실제도로 주 행시험을 구현함.

(4) 상대가속도 및 비출력이 크게 나타나는 주행조건 에서 실제도로 주행 NOx 배출량이 크게 나타난다는 것 을 정량적으로 확인함.

(5) 본 연구 결과로 부터 급경사 주행 및 운전자의 과 도한 가속패턴이 실제도로 주행 NOx 배출량에 일정한 수준 이상의 영향을 미친다는 것을 실험적으로 확인함.

후 기

본 연구는 (사)한국자동차산업협회의 지원으로 수행 되었습니다.

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부 록

Fig. A Map and altitude profile of NIER Route 1