A Study on the Characteristics of Simulated Real Driving Emissions by Using Random Driving Cycle

CopyrightⒸ2016 KSAE / 143-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.4.454 Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 4, pp.454-462 (2016)

임의주행 사이클을 이용한

실제도로 주행 배출가스 특성 모사에 관한 연구

권 석 주¹⁾․권 상 일²⁾․김 형 준²⁾․서 영 호¹⁾․박 성 욱³⁾․전 문 수^*4)

자동차부품연구원 배기연비성능연구센터¹⁾․국립환경과학원 교통환경연구소²⁾․한양대학교 기계공학부³⁾․

한국교통대학교 에너지시스템공학과⁴⁾

A Study on the Characteristics of Simulated Real Driving Emissions by Using Random Driving Cycle

Seokjoo Kwon¹⁾․Sangil Kwon²⁾․Hyung-Jun Kim²⁾․Youngho Seo¹⁾․ Sungwook Park³⁾․Mun Soo Chon^*4)

1)Emission & F.E. R&D Center, Korea Automotive Technology Institute, 303 Pungse-ro, Pungse-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungnam 31214, Korea

2)Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, 42 Hwangyeong-ro, Seo-gu, Incheon 22689, Korea

3)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Korea

4)Department of Energy System Engineering, Korea National University of Transportation, Chungbuk 27469, Korea (Received 4 February 2016 / Revised 26 April 2016 / Accepted 2 May 2016)

Abstract : This study was conducted in order to estimate the exhaust emissions analysis method of the real driving emission(RDE). The Association for Emissions Control by Catalyst(AECC) has developed a test procedure by using a random cycle method based on the chassis dynamometer. In order to confirm this approach in Korea, Euro 5(DPF), Euro 6(DPF + LNT), and Euro 6(DPF + SCR) were performed on three different vehicles to determine the exhaust gas characteristics of the random cycle, real-road driving test(PEMS), and emission certification driving mode(NEDC). Six different random cycle driving modes were generated by the vehicle specifications(e.g. curb weight, engine power, gear ratio, and maximum acceleration). The NOx emissions were increased in the NEDC, random cycle, and PEMS order in this study regardless of the test vehicles. The random cycle method has the advantage because it utilizes a chassis dynamometer in the laboratories for a repeatable data collection, and it allows any eminent emission improvement checked prior to a real-road driving test with PEMS.

Key words : Emission regulations(배기가스 규제), RDE(실제도로 주행 배출가스 특성), Random cycle(임의주행 사이클), PEMS(이동식 배기가스 측정장치), After-treatment system(후처리장치)

1. 서 론¹⁾

최근 저공해 기술이 적용된 친환경 자동차가 많 이 보급되었음에도 불구하고 자동차에 의한 도로이 동 오염원의 비중은 여전히 높은 상태로 유지되고

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

있으며, 각국 정부는 자국의 대기환경 보전을 위하 여 자동차 배출가스에 관한 규제를 강화하고 있다.

국내의 배기규제는 1987년 7월 휘발유 승용차를 대 상으로 배출가스 규제 및 시험방법을 처음 도입하 였다. 환경부의 “대기환경보전법”에 따른 국내의 배출가스 인증제도는 휘발유 및 가스 차량에 대하

임의주행 사이클을 이용한 실제도로 주행 배출가스 특성 모사에 관한 연구

여 미국 캘리포니아의 제도를 적용하였으며, 경유 차량은 유럽의 제도를 도입하였다.^1-3)

국내의 소형차 배출허용 기준을 살펴보면 지난 십여 년 동안에 NMHC(Non-Methane Hydrocarbon) 와 NOx의 배출가스 허용기준은 약 5.3 ~ 8.4배 강화 되었으며, PM(Particulate Matter)은 약 22배나 강화 되었다.⁴⁾ 특히, 경유 승용차의 경우에는 유럽의 배 기가스 배출 허용기준 및 시험방법(NEDC)을 도입 하여 관리하고 있으며, 2009년부터 유로 5 기준을 적용하여 NOx와 PM의 배출 허용기준을 크게 강화 되었다. 또한, 2014년 이후로는 유로 6 기준을 적용 하여 입자상 물질의 나노입자 개수(PN, #/km) 허용 기준을 새롭게 채택하였다.

서울시 기후대기 환경정보에 의하면 이와 같은 엄격한 배출가스 허용기준 강화정책에 덕분에 지난 10년간 PM10 농도는 꾸준히 감소되어 기준치 이하 (50 μg/m³)로 나타나고 있지만, NO2 농도의 경우 여 전히 기준치(0.03 ppm)를 상회하는 것으로 보고되 고 있다.⁵⁾ 이는 교통량의 증가 및 경유 자동차 비율 의 증가와 함께 현행 배출가스 허용기준 관리제도 의 인증시험 모드가 실제도로의 다양한 주행패턴을 충분히 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단하고 이를 보완하기 위한 정책적인 대안이 필요함을 제 시하였다.⁶⁾

소형차 실제도로의 배출가스 저감을 위하여 EU 는 EC-JRC(European Commission-Joint Research Cen- ter) 및 AECC(Association for Emission Control by Catalyst)를 중심으로 RDE-LDV(Real Drive Emis- sion-Light Duty Vehicles) 관련 연구를 진행하고 있 다. JRC는 임의주행 사이클(random cycle) 측정방법 과 PEMS(Portable Emissions Measurement System)를 이용한 실제도로 배출가스 측정방법을 유력한 RDE 시험방법으로 제안하고 있다. 임의주행 사이클 측 정방법은 기존의 시험실내에서 차대동력계를 이용 하여 측정이 가능하기 때문에 축적된 기술적 지식 을 바탕으로 차량의 배출가스 시험 중 연료차단(fuel cut), EGR off, DPF 재생 등 일반적인 차량의 제어전 략 파악이 가능한 장점이 있다. PEMS는 넓은 범위 의 주행 조건을 커버할 수 있어서 배출가스 규제에 효율적 장점이 있지만 안전상의 문제, 기후조건, 지

리적, 계절적 조건의 한계를 가진다.⁷⁾

AECC는 유로 5b 기준이 적용된 휘발유 차량과 유로 6b 기준이 적용된 경유 차량을 이용하여 차대 동력계에서 NEDC(New European Driving Cycles), CADC(Common Artemis Driving Cycles), WLTP (Worldwide harmonized Light duty vehicles Test Procedure), 임의주행 사이클 및 PEMS를 이용한 실 제도로 주행 등 다양한 주행조건에 따른 배출가스 특성을 보고하였다. 그 결과 휘발유 차량은 주행모 드에 따라서 모든 배출가스가 인증기준과 유사한 특성을 보이지만, 경유 차량은 높은 속도와 부하조 건의 변경에 대하여 배출가스 중 NOx 배출량이 인 증기준치의 3 ~ 5배 이상 높게 나타나고 있어서 향후 유럽연합이 해결해야 할 부분으로 명시하고 있다.⁸⁾

본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상 으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적 용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성도 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용 하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 해당차량 을 대상으로 차대동력계상에서 임의주행 사이클 주 행 배출가스 특성을 파악하였다. 또한, 시험결과를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실제 도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.

2. 시험내용 및 방법 2.1 시험용 차량 및 주행모드 선정

차대동력계에서 임의주행 사이클을 이용한 실제 도로 주행 배출가스 특성 모사 시험을 위해 본 연구 는 Table 1에 나타낸 총 3대의 차량으로 시험을 수행 하였다. Veh. 1은 유로 5 배출가스 기준이 적용된 차 량으로 DPF 후처리장치가 장착되었으며, Veh. 2 및 Veh. 3은 유로 6 배출가스 기준이 적용된 차량으로 DPF(Diesel Particulate Filter) 외에도 각각 LNT(Lean NOx Trap) 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 후 처리장치가 별도로 적용된 차량이다. 따라서 서로 다른 배출가스 기준과 후처리장치가 적용된 시험차 량을 임의주행 사이클에 적용할 경우, 배출가스 특 성이 비교 가능하도록 하였다.

주행모드는 Table 2에 나타낸 바와 같이 총 6개의

Seokjoo Kwon․Sangil Kwon․Hyung-Jun Kim․Youngho Seo․Sungwook Park․Mun Soo Chon

Table 1 Specifications of test vehicles

Vehicle Category Model

year (yr)

Dis- placement

(cc)

Emission regulation

After treat- ment Veh. 1 SUV

/RV 2013 3,000 Euro 5 DPF

Veh. 2 Small

passenger 2014 1,700 Euro 6 DPF + LNT Veh. 3 Small

passenger 2014 2,200 Euro 6 DPF + SCR

Table 2 Descriptions of random driving cycles

Test cycle Time (s)

Distance (km)

Ave.

speed (km/h)

Max.

speed (km/h)

RPA (m/s²) Random 1 1,101 10.1 33.0 100.8 0.23

Random 2 957 8.7 32.6 107.5 0.22

Random 3 809 7.4 33.0 101.4 0.22

Random 4 997 9.1 32.8 108.4 0.18

Random 5 934 9.0 34.7 111.5 0.22

Random 6 885 8.0 32.5 107.5 0.21

Table 3 Euro 5 and Euro 6 emission standards

Stage Date CO HC+NOx NOx PM PN

(g/km) (#/km)

Euro 5a 2009.09 0.50 0.23 0.18 0.005 - Euro 5b 2011.09 0.50 0.23 0.18 0.005 6.0 × 10¹¹

Euro 6 2014.09 0.50 0.23 0.18 0.005 6.0 × 10¹¹

임의주행 사이클로 구성하였다. 각 임의주행 사이 클은 주행시간, 주행거리, 평균속도, 최고속도, 가속 도 등이 서로 상이하기 때문에 다양한 운전영역을 반영하여 배출가스 특성의 확인이 가능하다. Table 3 에는 소형 경유자동차의 Euro 5, 6 배출 허용기준을 의미하며, 본 연구에서 수행한 차량의 배출가스 기 준을 나타낸다.



_{ }





 ^

× 

×  

(1)

where ai : acceleration at time step i, (m/s²) (only if ai > 0)

v

s

Fig. 1 Acceleration-speed points of the NEDC, on random cycle, and on-road driving on combined route 1

여기서 RPA(Relative Positive Acceleration)는 각 주행 사이클의 정지구간 사이에 나타나는 하위 주 행구간(short trip)의 상대 가속도에 대한 평균값으로 각 임의주행 사이클의 주행부하 정도를 나타내며, 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 따라서 각 임의주행 사이클의 평균속도와 함께 상대 가속도를 동시에 비교함으로써 차대동력계 및 실제 주행모드에서 시 험차량의 주행특성을 파악할 수 있다.

Fig. 1에는 본 연구에서 생성한 임의주행 사이클 의 하위 주행구간(short trip)의 평균 차량속도에 대 한 상대 가속도를 인증시험 모드인 NEDC 및 PEMS 를 이용한 실제도로 주행시험에서 나타나는 하위 주행구간의 상대 가속도와 비교하여 나타낸 것이 다. 실제도로 주행조건에서는 모든 속도영역에서 다양한 가속도가 분포하는 것으로 나타난다. 그러나 NEDC 배출가스인증 주행모드의 경우, 120 km/h의 높은 속도 구간이 존재하지만 상대 가속도가 2 m/s² 이하로 낮게 분포하여 NEDC 인증시험 모드가 실제 도로에서 나타나는 가속조건을 충분히 반영하지 못 하고 있음을 알 수 있다. 임의주행 사이클의 경우에 는 실제도로 주행조건과 동일한 속도영역에서 상대 가속도가 실제도로 주행의 경우와 거의 유사하게 분포하는 것으로 나타나 실제도로 주행조건의 다양 한 가속조건을 어느 정도 반영할 수 있음을 확인할 수 있다.

A Study on the Characteristics of Simulated Real Driving Emissions by Using Random Driving Cycle

2.2 임의주행모드 측정방법

EC-JRC는 소형자동차의 실제도로 주행 배출가 스 특성을 평가하기 위하여 PEMS를 이용한 배출가 스 측정방법 이외에도 차대동력계에서 임의주행 사 이클을 이용한 측정방법을 제안하고 있다. Fig. 2는 임의주행 사이클을 생성하는 프로그램의 개요도를 나타낸다. 본 연구에서는 시험차량의 제원과 WLTP 주행모드에서 사용된 하위 주행구간(short trip)을 사 용하여 임의주행 사이클을 생성하고 차대동력계에 적용하였다.⁹⁾

임의주행 사이클을 생성을 위해 시험차량의 중 량, 엔진출력, 기어비, 최대 가속도, 주행저항, 타이 어 제원 등이 필요하며, Fig. 3에 본 연구에서 생성한 임의주행 사이클의 주행모드를 나타내었다. 차량의 최대가속도(amax, m/s²)를 산출하기 위하여 식 (2)를 이용하였으며, 목표 속도(v, km/h)에 도달하기 위하여 필요한 차량저항(N = kg × m/s²)을 차량중량(mvehicle, kg)으로 나누어 계산하였다.

임의주행 사이클 시험은 6시간 이상 25 ± 5°C의 온도조건을 적용하는 냉간(cold)상태의 NEDC 배출 가스 인증모드 시험과는 다르게 열간(hot)상태로 진 행되기 때문에 냉각수, 엔진오일, 후처리장치 등이 워밍업 되어 있는 상태로 시험이 진행된다.



  

_

 



×  

× 



(2)

where amax : vehicle acceleration, (m/s²)

F

F

F

coefficient, (N/(km/h))

F

v

m

2.3 PEMS를 이용한 실제도로 배출가스 측정 실제도로 배출가스 측정을 위해서 HORIBA사의 OBS-2000 장비를 이용하였으며, 주행경로는 EC-JRC 에서 수행한 시험경로를 고려하여 국립환경과학원 에서 개발한 Combined 1 주행경로에서 시험하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of random cycle generator

Fig. 3 Vehicle speed and time profile of random cycle driving mode

Combined 1 주행경로는 약 47 km/h의 평균속도와 약 119 km의 총 주행거리를 가지며, 주행거리 기준 으로 도심구간 25 %, 교외구간 23 %, 자동차 전용도 로 52 %로 구성되어 다양한 실제도로 주행조건을 포함하고 있다.¹⁰⁾

실제도로 주행 배출가스 분석을 위하여 이동평균 구간(MAW, Moving Averaging Window) 방법을 사 용하였고, WLTP 주행모드에서 시험차량의 기준 CO2 배출량을 측정하였다. Fig. 4는 출발 시점부터 기준 CO2 배출량을 기준으로 생성되는 이동평균구 간의 원리를 나타낸 그림이며, 각 평균구간에서 주 행거리에 대한 배출가스양(g/km)을 계산하였다. 총 주행경로에 대한 평균 배출가스양은 각 평균구간으 로 계산된 배출가스양의 누적 빈도수(cumulative frequency)로 분석하였으며, 50 % 누적 빈도수(50 % CP, 50 % Cumulative Percentile)를 평균값으로, 90 % 누적 빈도수(90 % CP)를 최대값으로 분류하여 정의 하였다.¹¹⁾

권석주․권상일․김형준․서영호․박성욱․전문수

Fig. 4 Concept of moving averaging window method

3. 연구 결과 및 고찰 3.1 임의주행 사이클 시험결과

Fig. 5에는 유로 5 배출허용 기준을 만족하며 DPF 후처리장치가 장착된 Veh. 1 차량의 임의주행 사이 클 시험결과를 나타내었다. 시험결과는 Table 2에 나타낸 총 6개의 임의주행 사이클의 결과와 평균값 으로 나타내었으며, 이를 각 NEDC 배출가스 인증 모드 시험결과와 비교하였다.

측정결과 6개의 각 임의주행 사이클의 CO 배출 량은 대체적으로 유사한 수준인 것으로 나타났으 며, 임의주행 사이클의 평균값은 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과인 0.500 g/km의 약 1/50배 수준 인 0.010 g/km로 나타났다. CO2 배출량의 경우에는 6개의 임의주행 사이클에서 거의 유사한 수준으로 배출하는 것으로 나타났으며, 평균값 또한 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과와 거의 동일한 수준인 193.4 g/km인 것으로 측정되었다. NOx 배출량의 경 우, 1번 임의주행 사이클을 제외하면, 각 사이클의 NOx 배출량은 거의 동일한 수준인 것으로 측정되 었으나, 임의주행 사이클 평균값은 NEDC 배출 허 용기준인 0.180 g/km의 약 8.8배 수준인 1.587 g/km 인 것으로 나타났다.

이러한 결과는 시험방법에서 설명한 바와 같이 임의주행 사이클 시험이 NEDC 배출가스 인증모드 시험과는 달리 열간(hot)상태로 수행되었으며, Fig. 1 과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 본 연구를 위하여 생성 된 6개의 임의주행 사이클이 상대적으로 단순한 속

Fig. 5 Vehicle 1 (Euro 5, DPF) emission results of random cycle driving mode in chassis dynamometer

도구간으로 구성된 NEDC 인증시험 주행모드와는 달리 상대가속도가 여러 속도구간에서 폭넓게 분포 하고 차속이 급격하게 변하는 주행패턴으로 구성되 었기 때문에 CO는 적게 배출되고 NOx는 높은 수준 으로 배출되는 것으로 판단된다.

Fig. 6에는 유로 6 배출가스 허용기준을 만족하며, DPF 외에 LNT 후처리장치가 추가로 적용된 Veh. 2 차량의 임의주행 사이클 시험 결과를 나타내었다.

임의주행 사이클의 CO 배출량은 4번 임의주행 사 이클을 제외하면 거의 zero 수준으로 나타났으며, 임의주행 사이클의 평균값은 NEDC 배출가스 인증 모드 시험결과인 0.500 g/km보다 매우 낮은 수준인 0.007 g/km로 나타나 CO 배출량은 Veh. 1 차량과 유 사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. CO2 배출량 의 경우 6개의 임의주행 사이클 모두 거의 유사한 수준으로 배출되고 있으며, 평균값 또한 거의 동등 한 수준인 149.7 g/km로 측정되었다.

유로 6 차량의 NOx 배출량 허용기준은 0.080 g/km으로 0.180 g/km인 유로 5 기준대비 약 44 % 수

임의주행 사이클을 이용한 실제도로 주행 배출가스 특성 모사에 관한 연구

Fig. 6 Vehicle 2 (Euro 6, DPF + LNT) emission results of random cycle driving mode in chassis dynamometer

준으로 배출가스 기준이 매우 강화되었다. 따라서 유로 6 배출 허용기준이 적용된 Veh. 2 차량의 임의 주행 사이클 평균 NOx 배출량은 유로 5 기준이 적 용된 Veh. 1 차량의 임의주행 사이클 평균 NOx 배출 량보다 훨씬 낮은 수준인 0.121 g/km로 측정되어 배 출가스 허용기준 강화정책이 어느 정도 반영되었음 을 알 수 있다. 그러나 이러한 결과는 유로 6 배출 허 용기준인 0.080 g/km보다 약 1.5배 이상 높은 수준으 로 분석되어, Veh. 2는 유로 6 후처리장치 기술이 적 용되었음에도 임의주행 사이클에서 NOx 배출량은 NEDC 배출 허용기준을 초과하고 있음을 알 수 있 었다.

Fig. 7에는 DPF 및 SCR 후처리장치 적용된 유로 6 배출 허용기준을 만족하는 Veh. 3 차량의 임의주행 사이클 시험결과를 나타내었다. 측정결과, 임의주 행 사이클 평균 CO 배출량은 거의 zero 수준인 측정 되어 Veh. 1 및 Veh. 2와 동일한 CO 배출특성을 갖 는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 Fig. 5의 Veh. 1 차량시험 결과에서 설명한 바와 같이 임의주행 사

Fig. 7 Vehicle 3 (Euro 6, DPF + SCR) emission results of random cycle driving mode in chassis dynamometer

이클 시험이 열간(hot)상태로 진행되기 때문에 나타 나는 현상으로 판단된다. 차량의 후처리장치가 이 미 활성화된 상태로 시험이 진행되는 임의주행 사 이클의 CO 배출량은 냉간(cold)상태의 NEDC 배출 가스 인증모드 주행결과보다 매우 낮은 수준으로 배출되고 있는 것으로 판단할 수 있다.

CO2 배출량의 경우에도 Veh. 1 및 Veh. 2의 경우 와 동일하게 6개의 임의주행 사이클 모두 거의 유사 한 수준인 144.1 g/km으로 배출된다. NOx 배출량의 경우 1번 임의주행 사이클을 제외하면, 모든 사이클 에서 0.080 g/km인 유로 6 NEDC 배출가스 인증 수 준보다 높게 나타났으며, 6 개의 임의주행 사이클 평균값은 0.096 g/km으로 나타났다. SCR이 장착된 유로 6 차량 또한 차대동력계에서 임의주행 사이클 을 수행하였더니 NOx 배출량에서 NEDC 배출 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다.

이상의 결과로 부터 본 연구에 적용한 시험차량 의 경우, 배출 허용기준이 강화된 유로 6 차량의 임 의주행 사이클 NOx 배출량은 유로 5 차량 대비 매

Seokjoo Kwon․Sangil Kwon․Hyung-Jun Kim․Youngho Seo․Sungwook Park․Mun Soo Chon

우 낮은 수준인 10 % 이내인 것으로 측정되었으며, NEDC 배출 허용기준 대비 유로 5 차량은 약 8.8배, 유로 6 LNT 장착차량은 약 1.5배, 유로 6 SCR 장착 차량은 약 1.2배 초과하는 것으로 분석되었다.

3.2 NEDC, 임의주행 사이클, PEMS 측정방법의 NOx 배출가스특성 분석 Fig. 8은 Veh. 1이 NEDC 배출가스 인증모드, 임의 주행 사이클 및 실제도로를 주행하였을 때 나타나 는 NOx 배출량 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 임 의주행 사이클 주행결과는 6회 평균값을 막대그래 프의 대표 값으로 나타냈으며, error bar를 사용하여 임의주행 사이클의 최대값(max.) 및 최소값(min.)값 으로 표시하였다. 또한, PEMS를 이용한 실제도로 주행결과는 평균값과 최대값으로 정의한 50 % CP 와 90 % CP 값을 나타내었다.

Veh. 1은 유로 5 배출 허용기준을 만족하는 차량 이지만 주행거리가 약 64,000 km 주행한 상태여서 NEDC 인증모드의 NOx 배출량은 허용기준 보다 약 1.3배 초과한 0.227 g/km 으로 측정되었으며, 임의주 행 사이클과 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 유 사한 수준인 1.587 g/km과 1.397 g/km인 것으로 나 타났다. 이는 NEDC 인증모드의 주행시험의 NOx 배출량을 각각 약 7.0배, 6.2배 초과하는 결과로 Fig. 1 에서 설명한 바와 같이 본 연구에서 생성한 임의주 행 사이클이 실제도로 주행조건의 다양한 가속조건 을 반영하기 때문인 것으로 판단된다. 참고를 위한 실제도로 주행 최대 NOx 배출량은 1.732 g/km로 높

Fig. 8 Vehicle 1 NOx emission characteristics of NEDC, Random cycle, PEMS driving test

Fig. 9 Vehicle 2 NOx emission characteristics of NEDC, Random cycle, PEMS driving test

은 수준을 보인다.

Fig. 9는 DPF 및 LNT 후처리장치가 장착된 유로 6 배출 허용기준이 적용된 Veh. 2 차량의 NEDC 배출 가스 인증모드, 임의주행 사이클, 실제도로 주행 NOx 배출량을 비교하여 나타낸 것이다. Veh. 2의 NEDC 배출가스 인증모드 주행결과, 유로 6 배출 허 용기준을 만족하는 0.029 g/km인 측정되었다. 이는 유로 5 인증기준이 적용된 Veh. 1 차량의 약 1/10 수 준으로 Veh. 2 차량에 DPF 외에 추가적으로 LNT 후 처리장치가 장착되었기 때문에 나타나는 결과로 판 단된다. 그러나 임의주행 사이클의 평균 NOx 배출 량은 0.121 g/km로 NEDC 주행시험 결과보다 약 4.2 배 높게 배출하는 것으로 타나났으며, PEMS를 이용 하여 측정한 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 0.237 g/km로 NEDC 주행시험 결과보다 약 8.2배 높 게 배출하는 것으로 분석되었다. 또한 이러한 결과 는 각각 NEDC 배출 허용기준을 약 1.5배, 3.0배 초 과하는 결과이다. 참고를 위한 실제도로 주행 최대 NOx 배출량은 0.278 g/km로 배출 허용기준을 약 3.5 배 초과하는 수준을 나타내었다.

따라서 Veh. 2의 경우에도 Veh. 1의 NOx 배출량 측정결과와 유사하게 임의주행 사이클 평균 NOx 배출량이 NEDC 배출가스 인증모드의 주행시험 결 과보다 훨씬 높게 측정되어 본 연구에서 적용한 임 의주행 사이클이 실제도로 주행 배출가스 특성을 어느 정도 모사할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

Fig. 10에는 DPF 및 SCR 후처리장치가 장착된 유 로 6 배출 허용기준이 적용된 Veh. 3의 NOx 배출량

A Study on the Characteristics of Simulated Real Driving Emissions by Using Random Driving Cycle

Fig. 10 Vehicle 3 NOx emission characteristics of NEDC, Random cycle, PEMS driving test

측정결과를 비교한 것이다. Veh. 3의 경우에도 NEDC 배출가스 인증모드 NOx 배출량이 0.053 g/km인 것 으로 측정되어 배출 허용기준을 만족하였다. 그러 나 임의주행 사이클 평균 NOx 배출량은 NEDC 주 행 시험 결과보다 약 1.8배 높은 0.096 g/km인 것으 로 측정되어 Veh. 1 및 Veh. 2의 경우와 동일하게 임 의주행 사이클 NOx 배출량이 NEDC 배출가스 인증 모드보다 NOx 배출량 보다 높은 수준인 것으로 분 석되었다. 또한 이러한 임의주행 사이클 분석 결과 는 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과보다 약 2.2 배 높은 실제도로 주행 NOx 배출량인 0.118 g/km과 유사한 수준이며, 각각 NEDC 배출 허용기준을 약 1.2배, 1.5배 초과하고 있음을 알 수 있다. Veh. 3의 실제도로 주행 최대 NOx 배출량은 0.266 g/km으로 나타났고 이는 세 차량 중에서 가장 낮은 수치이다.

SCR 후처리장치는 LNT와 비교하여서 실제도로 최 대 NOx 배출량은 서로 유사한 수준이지만 평균 NOx 배출량이 LNT 보다 1/2 수준으로 실제도로에 서 SCR의 효과가 매우 높다고 판단된다.

이상의 결과로부터 본 연구에서 적용한 임의주행 사이클은 NEDC 인증시험 모드에서 나타나지 않는 실제도로 주행조건을 반영하고 있으며, 따라서 임 의주행 사이클이 실제도로 주행 배출가스 특성을 어느 정도 모사할 수 있다고 판단된다.

또한, 차대동력계에서 일정한 시험조건으로 수 행되기 때문에 주행고도, 경사도, 기상조건, 교통상 황 등 다양한 주행조건과 환경조건에 따라 다르게

나타나는 실제도로 주행 조건의 단점을 보완할 수 있는 장점을 고려할 때, 차량 개발단계에서 임의주 행 사이클의 적용은 시험 비용 및 개발 시간 절약 측 면에서 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상 으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적 용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성을 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용 하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 시험결과 를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실 제도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.

1) 임의주행 사이클은 시험차량의 특성을 반영하 여 주행모드를 생성하기에 실제도로 주행조건 과 동일한 속도영역과 상대 가속도가 분포되기 때문에, NEDC 배출가스 인증모드에서 나타나 지 않는 실제도로 주행조건의 다양한 가속조건 을 충분히 반영하고 있음을 확인하였다.

2) 6개의 임의주행 사이클에서 CO 배출량은 대체 적으로 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과는 매 우 낮거나 zero 수준으로 나타났다. 이는 임의주 행 사이클 시험이 열간(hot)상태로 진행되기 때 문에 차량의 후처리장치가 이미 활성화된 상태 로 시험이 진행되었기 때문으로 판단된다. CO2

배출량의 경우 6개의 임의주행 사이클 모두 거의 유사한 수준으로 배출되었다.

3) 본 연구에 적용한 시험차량의 임의 주행 사이클 의 NOx 배출가스 결과 유로 6 차량의 임의주행 사이클 NOx 배출량은 유로 5 차량 대비 매우 낮 은 수준인 10 % 이내인 것으로 측정되었으며, NEDC 배출 허용기준 대비 유로 5 차량은 약 8.8 배 증가, 유로 6 LNT 장착차량은 약 1.5배 증가, 유로 6 SCR 장착차량은 약 1.2배 증가하는 것으 로 분석되었다.

4) 본 연구에 적용한 시험차량으로 NEDC 배출가스 인증모드, 임의주행 사이클, PEMS 측정방법의 NOx 배출가스 특성을 분석하였을 때 상기의 순 서에 따라 순차적으로 NOx 배출가스는 증가하

권석주․권상일․김형준․서영호․박성욱․전문수

였고, 후처리장치 기술의 성능개선으로 인하여 유로 6 차량보다는 유로 5 차량의 임의주행 배출 가스 증가율이 높게 측정되었다.

5) 본 연구에서 적용한 임의주행 사이클은 기존의 차대동력계에서 RDE 연구가 가능하기 때문에, 실제도로 주행 조건에서 나타나는 다양한 변수 중 주행고도, 경사도, 기상조건, 교통상황 등을 보완할 수 있는 장점을 고려할 때, 차량 개발단계 에서 임의주행 사이클을 적용하여 시험 비용 및 개발 시간 절약 측면에 충분히 활용 가능함을 확 인하였다.

후 기

본 연구는 한국형 오토오일 사업과 국립환경과학 원의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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