A Study on the Impact of Fuel Economy as Tactive Resistance Calculation Methods on HD Chassis Dynamometer for Medium-heavy Duty Vehicle

Copyright

2015 KSAE / 136-09 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.3.307 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 3, pp.307-314 (2015)

주행저항 산출방법이 차대동력계를 이용한 중대형 차량의 연비평가 결과에 미치는 영향에 관한 연구

이 익 성¹⁾․서 동 춘¹⁾․김 수 형¹⁾․고 상 철¹⁾․전 영 운²⁾․조 상 현^*1)

전북자동차기술원 동력시스템연구팀¹⁾․전북자동차기술원 FGCV개발센터²⁾

A Study on the Impact of Fuel Economy as Tactive Resistance Calculation Methods on HD Chassis Dynamometer for Medium-heavy Duty Vehicle

Iksung Lee¹⁾․Dongchoon Seo¹⁾․Soohyung Kim¹⁾․Sangchul Ko¹⁾․Youngwoon Chun²⁾․ Sanghyun Cho^*1)

1)

Power Train Research Team, Jeonbuk Institute of Automotive Technology, 6 Dongjangsan 2-gil, Gunsan-si, Jeonbuk 573-879, Korea

2)

FGCV Development Center, Jeonbuk Institute of Automotive Technology, 6 Dongjangsan 2-gil, Gunsan-si, Jeonbuk 573-879, Korea

(Received 4 November 2014 / Revised 29 December 2014 / Accepted 5 February 2015)

Abstract : The purpose of this study is know the fuel economy of difference tractive resistance calculation methods on light duty low-floor bus. Two tractive resistance calculation methods(coastdown test and JFCM conversion formula) are tested to understand the difference of fuel economy. JFCM was developed for fuel economy regulations of heavy duty vehicle. That show a big difference as a result of the calculation using coastdown test and JFCM conversion formula. The difference of the tractive resistance affects the fuel economy.

Key words : Heavy duty vehicle(대형상용차), Chassis dynamometer(차대동력계), Coastdown(타행주행), GVW (차량총중량), Fuel economy(연료소비율), WHVC(World Harmonized Vehicle Cycle)

Nomenclature ¹⁾ CVW : curb vehicle weight HVW : half vehicle weight GVW : gross vehicle weight

AMT : automated manual transmission

Subscripts WHVC : world harmonized vehicle cycle JFCM : japanese fuel consumption model

*

A part of this paper was presented at the KSAE 2014 Annual Conference and Exhibition

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

전 세계적인 CO

저감 요구에 따라 중대형 차량 의 연비규제 도입이 논의 되고 있으며, 관련 선행 연 구가 진행되고 있다. 하지만 총중량 3.5톤 미만 차량 과 달리 중대형 차량의 경우 시험방법 및 절차가 규 정 되어 있지 않아 차대동력계상에서 연비평가 시 많은 어려움이 있다.

특히 주행저항은 연비측정결과에 매우 큰 영향을

주는 인자임에도 불구하고 명확한 관련 규정이 없

어, 시험자에 따라 실 도로 타행주행(Coastdown)값

을 이용하거나, 2005년 일본에서 중대형 차량의 연

비를 규제하기 위해 개발한 시뮬레이션 프로그램인

이익성․서동춘․김수형․고상철․전영운․조상현

JFCM(ver. 3.0.5) 시뮬레이션 프로그램 환산 식을 사 용하여 차량제원에 따라 적용하고 있는 실정이다.

이와 같이 각기 다른 방법으로 산출된 주행저항 값 을 바탕으로 차대동력계상에서 중대형 차량의 연비 평가 시 결과 차이가 발생하여 신뢰성 있는 결과를 도출하기 어렵다.

따라서 본 연구에서 주행저항 산출방법에 따른 주행저항 값의 차이를 비교하고, 주행저항 별 연비 평가를 통해 주행저항 산출방법이 연비측정 결과에 미치는 영향을 분석 하였다.

분석된 결과를 바탕으로 향후 중대형 차량의 차 대동력계기반 연비평가 방법 및 절차 마련에 도움 이 될 수 있는 결과를 도출하고자 한다.

2. 시험장치 및 사이클

본 연구에 사용된 시험차량은 Table 1의 제원을 갖는 중형 저상버스를 사용하였다. 시험 장치는 대 형 차대동력계 및 전유량희석터널 방식의 배기분석 계를 사용하였다. 상세한 사양은 Table 2 ~ 3과 같다.

Table 1 Specifications of test vehicle

Item Specifications

Company Merkavim

Model M20E

Type 24인승 중형저상버스

Regulation EURO-5

Engine FPT-F1C (3L)

Power 160PS/2,000 rpm

Transmission AMT/6단

CVW 3,020 kg

Payload 1,980 kg

GVW 5,000 kg

Table 2 Specifications of emission measurement system

Item Specifications

Company HORIBA

Type Bag measurement system Model CVS7400NT,VETS-7000NT,

MEXA-7100D Measuring gases CO, CO2, THC, NOx, CH4

PM filter size 47 mm (CFR1065) CVS max flow rate 90 m³/min

Tunnel diameter 18 inch

Table 3 Specifications of chassis dynamometer

Item Specifications

Company AVL

Roll diameter 72 inch

Max permissible axle load 25,000 kg Motor type AC IGBT vector Max continuous power 540 kW

Max tractive force 136,985N to 25 km/h Vehicle cooling fan 144,000 m³/h

HD Chassis Dynamometer CVS-7400NT

Test Vehicle MEXA-7100D, VETS-7000NT

Photo. 1 Image of test equipments and test vehicle

2.2 시험사이클

본 연구에서는 미국, 유럽, 일본 및 호주의 도로패 턴을 복합한 WHVC 사이클과 국립환경과학원에서 국내 도심주행 주행패턴을 분석하여 만든 NIER-06 사이클을 사용하였다. 시험 사이클의 특징은 Table 4 ~ 5와 같다.

WHVC 사이클의 경우 Fig. 1과 같이 Urban, Rural, Motorway 구간으로 3phase로 구성되어 있다. NIER- 06사이클은 Fig. 2와 같이 도심주행 패턴위주의 1phase로 구성되어 있다.

3. 시험조건 및 방법

3.1.1 Calculations of JFCM Simulation Methods 일본의 JFCM을 이용한 주행저항 환산 식은 식 (2) 와 같다. 식 (1)에서 μ

은 회전저항,

는 차량의 설 정중량, μ

는 공지저항계수, ^ 는 차속,

는 차량의 전면투영면적을 나타내며, 공기저항계수 μ

와 투영 면적 A에 버스의 공기저항 보정계수 0.68을 곱한다. 이 환산 식을 이용하여 산출된 주행저항은 Fig. 3과 같다.

일본의 JFCM 환산 식을 이용하여 주행저항을 산

주행저항 산출방법이 차대동력계를 이용한 중대형 차량의 연비평가 결과에 미치는 영향에 관한 연구

Table 4 Information of WHVC cycle

Section Urban Rural Motorway Total Distance 5.3 km 5.8 km 8.9 km 20 km Duration 900 sec 481 sec 419 sec 1800 sec Average speed 21.3 km/h 43.6 km/h 76.6 km/h 40.1 km/h Maximum speed 66.2 km/h 75.9 km/h 87.8 km/h 87.8 km/h

Fig. 1 Shape of WHVC cycle

Table 5 Information of NIER-06 cycle

Distance 4.8 km

Duration 873 sec

Average speed 20 km/h

Maximum speed 68 km/h

Fig. 2 Shape of NIER-06 cycle

출하게 되면, 공기저항계수와 회전저항이 고정계수 로 적용되어 계산되기 때문에 오직 차량중량에 따 른 주행저항이 계산된다. 따라서 설정중량에 따른 주행저항은 등 간격의 차이를 보인다.

Fig. 3 Comparison of simulation tractive resistance

주행저항  

 

×

(1)

주행저항

  주행저항 ×중력가속도 (2)

3.1.2 실 도로 타행주행 시험

실 도로 타행주행을 통하여 취득한 속도-시간 감 속 데이터를 바탕으로 주행저항을 계산하기 위해 GPS 차속측정 장비를 이용해 실 도로 시험을 실시 하였다. 타행시험방법은 KS R ISO 10521-1에 규정 에 준하여 주행로 위의 평균풍속이 10m/s이하 조건 에서 시험을 진행하였다. 하지만 일부 조건에서 규 정에 부합한 시험이 어려워 주행방향(남북방향, 북 남방향) 별로 3회씩 반복측정을 통하여 오차를 최소 화 하였다.

시험차량에 모래주머니와 Water Dummy를 이용 하여 Photo. 2와 같이 시험 중량을 적재하였으며, 중 량조건 별 시간-속도 감속 데이터를 Fig. 4와 같이 취 득하였다.

HVW 조건에서 타행주행 시험 시 주행방향 따라

V-BOX(GPS) Weight and Water Dummy

Coastdown test road

Photo. 2 Image of coastdown test equipments and test road

Iksung Lee․Dongchoon Seo․Soohyung Kim․Sangchul Ko․Youngwoon Chun․Sanghyun Cho

Fig. 4 Shape of Coastdown test on real road

Fig. 5 Comparison of real road tractive resistance

풍속 편차가 발생하여 주행저항 산출결과가 방향에 따라 25%의 차이를 보인다.

각 주행방향 별로 취득한 속도-시간 감속 데이터 의 평균값을 이용하여 주행저항을 산출하였으며, 결과는 Fig. 5와 같다.

3.2 연비 비교평가

각기 다른 방법으로 산출한 주행저항을 이용하여 차대동력계상에서 동일한 연비평가모드를 수행하 였다. 연비는 전유량희석터널 배기분석계를 사용하 여 탄소평형법(Carbon balance)으로 측정 하였으며, 환경조건 및 절차는 승용차량의 연비평가 절차에 준하여 수행하였다.

시내, 국도, 고속으로 구분되어 있는 WHVC 사이 클을 통하여 각 구간 별 주행저항에 따른 연비의 차이 를 비교 하고자 하였다. 시험은 각 조건별로 2회씩 수행 하였으며, 자세한 시험 조건은 Table 6에 정리하였다.

Table 6 Test conditions

Test cycle Tractive resistance Test weight (RW)

WHVC NIER-06

Real coastdown

CVW HVW GVW

Simulation

CVW HVW GVW

4. 시험결과

실 도로 타행주행 시험을 통하여 측정한 주행저 항과 일본 JFCM 환산 식을 이용하여 계산한 주행저 항은 Fig. 6 ~ 8과 같이 차속 별로 차이를 보인다.

Fig. 6 Comparison simulation with real road coastdown of tractive resistance on CVW

Fig. 7 Comparison simulation with real road coastdown of tractive resistance on HVW

A Study on the Impact of Fuel Economy as Tactive Resistance Calculation Methods on HD Chassis Dynamometer for Medium-heavy Duty Vehicle

Fig. 8 Comparison simulation with real road coastdown of tractive resistance on GVW

모든 중량 조건의 일정차속에서 주행저항이 같은 교차구간이 존재 하지만 대부분의 구간에서 주행저 항은 차이를 보인다. 저속영역인 20km/h이하 구간 에서 JFCM 환산 식을 통해 산출한 주행저항이 실제 타행주행을 통해 측정한 주행저항 보다 평균 21.7%

높게 나타난다. 하지만 고속영역인 60km/h 이상 구 간에서 JFCM 환산 식을 통해 계산한 주행저항이 실 도로 타행주행 보다 평균 12.9% 낮게 나타난다. 위 와 같이 주행저항 이 차속 조건에 따라 역전되는 이 유는 JFCM 환산 식의 2차항 변수가 차속에 따라 커 지는 공기저항을 고려하지 못하고 고정된 보정계수 로 계산되어지기 때문이다.

주행저항의 차이에 따라 각 구간별 연비의 차이 를 예상 할 수 있다. 평균차속이 21.3km/h인 Urban 구간에서는 JFCM 환산 식을 통해 계산한 주행저항 이 타행주행을 이용해 산출한 주행저항 보다 높기 때문에 연비가 낮게 나올 것으로 예상 된다. 하지만 평균차속이 76.6km/h인 Motorway 구간에서는 JFCM 환산식을 통해 계산한 주행저항이 타행주행을 이용 해 산출한 주행저항 보다 낮기 때문에 높은 연비를 보일 것으로 예상된다.

GVW 조건의 경우 30mk/h 이하 구간에서 주행저 항의 편차가 평균 8.3%로 상대적으로 적게 분석되 어 WHVC의 Urban 구간에서의 연비는 큰 차이를 보 이지 않을 것으로 보인다.

WHVC 사이클의 경우 전체 사이클 구성 중 85.2%

가 가･감속 구간으로 이루어져 주행저항의 차이는 전체 연비에 영향을 미칠 것으로 예상하였다.

4.2 WHVC 사이클 주행 결과

4.2.1 주행 사이클 추종성

Fig. 9 ~ 11은 WHVC 사이클의 추종성 분석 결과 이며, 각 시험 중량조건 및 주행저항 별로 비교하였 다. 실 도로 타행주행을 통해 산출한 주행저항을 사 용 하였을 때 Motorway 구간에서 정속으로 추종이 불가능한 원인은 60km/h이상 구간의 주행저항이 JFCM 환산 식을 이용하여 계산한 주행저항보다 높 아 차량이 Kick down 변속을 반복하기 때문이다.

Fig. 11은 GVW조건에서의 추종성 분석으로 Urban 구간에서 일부 추종이 불가능한 이유는 GVW조건 이 상대적으로 주행저항은 높기 때문이다.

타행주행의 주행저항을 사용한 경우 기준 사이클 대비 주행거리 오차는 0.3%, JFCM 환산 식을 통해 계산한 주행저항을 사용한 경우 0.8%이다.

Fig. 9 Shape of WHVC cycle traceability on CVW

Fig. 10 Shape of WHVC cycle traceability on HVW

이익성․서동춘․김수형․고상철․전영운․조상현

Fig. 11 Shape of WHVC cycle traceability on GVW

4.2.2 연비평가 결과 비교

주행저항에 따른 각 중량조건별 연비 비교결과는 Fig. 12 ~ 14와 같다. 주행저항 비교 분석을 통하여 예상한 결과와 같이 Urban구간의 연비는 타행주행

Fig. 12 Comparison simulation with real road coastdown of fuel economy on CVW

Fig. 13 Comparison simulation with real road coastdown of fuel economy on HVW

Fig. 14 Comparison simulation with real road coastdown of fuel economy on GVW

주행저항 값을 사용한 경우 보다 JFCM 환산 식을 이용해 계산한 주행저항 값을 사용했을 경우가 낮 게 나타난다.

Motorway 구간에서 상대적으로 주행저항이 큰 실 도로 주행저항 사용조건의 연비가 낮게 나타난 다. Motorway 구간은 주행거리가 길어 주행저항의 차이보다 연비의 차이는 크게 나타낸다.

실 도로 주행저항을 사용한 조건에서 연비가 높 게 나타난 Urban 구간은 정지, 가･감속 구간이 많아 서 주행거리가 짧지만, Motorway 구간의 경우 전체 사이클 주행거리의 59.7%를 차지하여 사이클 전체 평균 연비 계산에 큰 영향을 준다. 따라서 주행저항 산출방법에 따른 전체 평균 연비의 차이는 JFCM 환 산 식을 통해 계산한 주행저항 사용 시 평균 3.4% 높 게 나타난다.

4.3 NIER-06 사이클 주행 결과

4.3.1 주행 사이클 추종성

Fig. 15 ~ 17은 NIER-06 사이클을 주행하면서 각 시험 중량조건 및 주행저항 별로 사이클의 추종성 을 나타낸 것이다. NIER-06 사이클의 구성은 정차 및 가·감속 구간으로 이루어져 있으므로 변속구간 이 많아지며 가속도가 크다. 따라서 허용오차를 벗 어나는 구간은 없지만 주행거리 계산을 통한 추종 오차는 평균 2.1%로 WHVC 사이클 평균 추종 오차 0.5%보다 상대적으로 크게 나타난다.

4.3.2 연비평가 결과 비교

주행저항에 따른 각 중량조건별 연비 비교평가

주행저항 산출방법이 차대동력계를 이용한 중대형 차량의 연비평가 결과에 미치는 영향에 관한 연구

Fig. 15 Shape of NIER-06 cycle traceability on CVW

Fig. 16 Shape of NIER-06 cycle traceability on HVW

Fig. 17 Shape of NIER-06 cycle traceability on GVW

결과는 Fig. 18과 같이 나타난다. NIER-06 사이클의 경우 평균차속은 20km/h이지만 정지구간을 제외한 주행구간의 평균차속은 30km/h가 된다. 주행저항 비교에서 30km/h 구간의 주행저항 평균편차는 4%로 다른 구간 비하여 편차가 매우 적기 때문에 30km/h

Fig. 18 Comparison simulation with real road coastdown of NIER-06 fuel economy

구간에서 주로 주행이 이루어지는 NIER-06 사이클 의 경우 주행저항에 따른 연비의 편차가 평균 1.4%

로 나타난다.

5. 결 론

각기 다른 주행저항 산출방법을 이용한 대형 차 대동력계 기반 WHVC 및 NIER-06 모드 수행 시 연 료소비율에 대한 영향성 비교 평가 결과는 다음과 같다.

1) 실 도로 타행주행 시험을 통하여 산출한 주행저 항과 일본 JFCM 환산 식을 이용해 계산한 주행 저항의 차이는 CVW 조건에서 12.1%, HVW조건 에서 8.2%, GVW조건에서 12.1% 차이를 보인다.

2) 산출방법에 따른 주행저항의 차이는 저속영역 20km/h 구간에서 21.7%로 JFCM 환산식이 높게 나타나지만 고속영역 60km/h 구간에서는 12.9%

낮게 나타내었다.

3) WHVC 수행 시 주행저항 산출방법에 따라 평균 3.4%, NIER-06 사이클은 평균 1.4%의 연비 차이 를 보인다.

4) 대형 차대동력계를 이용하여 연비평가 시 주행저 항 산출하는 방법은 연비결과에 영향을 주는 중 요한 변수로 총중량 3.5톤 이상 차량의 시험방법 및 절차 확립이 요구된다.

후 기

본 연구는 국토교통부 교통물류연구사업의 “중

Iksung Lee․Dongchoon Seo․Soohyung Kim․Sangchul Ko․Youngwoon Chun․Sanghyun Cho

형저상버스 안전인증을 위한 성능평가 기술개발 (과제번호:13TLRP-B068837-01)” 연구과제로 수행 되었습니다. 이에 감사드립니다.

References

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