Influence of Driving Routes and Seasonal Conditions to Real-driving NOx Emissions from Light Diesel Vehicles

(1)

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 1, pp.148-156 (2014)

주행 경로 및 계절의 변화가 소형 경유차의 실제 주행 시 질소산화물 배출량에 미치는 영향

이 태 우^*․김 지 영․박 준 홍․전 상 진․이 종 태․김 정 수

국립환경과학원 교통환경연구소

Influence of Driving Routes and Seasonal Conditions to Real-driving NOx Emissions from Light Diesel Vehicles

Taewoo Lee^*․Jiyoung Kim․Junhong Park․Sangzin Jeon․Jongtae Lee․Jeongsoo Kim

Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, Hwangyeong-ro 42, Seo-gu, Incheon 404-708, Korea

(Received 14 May 2013 / Revised 12 June 2013 / Accepted 14 June 2013)

Abstract : The objective of this study is to compare NOx emissions from light duty diesel vehicles measured from on-road tests that conducted under various driving routes and seasonal conditions. We measured real-driving NOx emissions using PEMS, portable emissions measurement system, under the urban, rural and motorway road traffic conditions. On-road tests were repeated at summer, fall and winter season. The accumulated driving distance is more than 1,200 km per each vehicle. Route average NOx emission factors were compared among nine route-season combinations. The emission characteristics of each combinations were investigated using time series mass emission rates and vehicle operation-based emission rates and activities, which is based on U.S. EPA's MOVES model. Most concerned route-season combination is “urban road condition at summer”, which shows two to eleven times higher NOx emissions than other combinations. The emission rates and activities under low speed operating conditions should be managed in order to reduce urban-summer NOx. From a NOx control strategy perspective, the exhaust gas recirculation, EGR, is observed to be properly operated under wide range of vehicle driving conditions in Euro-5 vehicles, even if the air conditioner turns on. In high power demanding conditions, the effect of overspeeding could be more critical than that of air conditioner activation.

Key words : Real-driving emissions(실도로 오염물질 배출량), Driving route(주행경로), Nitric oxides(NOx, 질소산 화물), Exhaust gas recirculation(EGR, 배출가스 재순환), MOVES model(MOVES 모델)

1. 서 론¹⁾

대도시 지역의 이산화질소(NO2) 농도는 현 시점 의 중요한 환경 이슈의 하나이다. 2011년 서울특별 시, 인천광역시 및 경기도의 대기환경측정소 중 각 각 64 % (25개소 중 16개소), 64 % (14개소 중 9개소) 및 57 % (69개소 중 39개소)에서 NO2 24시간 환경기 준을 초과하는 것으로 나타났다.¹⁾ 국립환경과학원

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

의 주요 도시별 도시대기측정망 NO2 오염도 분석결 과에 따르면, NO2 농도는 1990년 이후로 농도 값의 증가 또는 감소 경향이 뚜렷하게 나타나지 않는 안 정화 경향을 보이며, 서울특별시와 인천광역시의 경우는 오히려 1990년 이후 다소간의 증가 추세를 보이고 있다. 2011년에는 7대 주요 도시 중 서울특 별시의 연평균 농도가 0.033 ppm으로 가장 높은 수 준이었으며, 인천이 0.030 ppm으로 두 번째로 높은 수준을 보였다. 도로변 대기 측정망의 NO2 농도는

(2)

주행 경로 및 계절의 변화가 소형 경유차의 실제 주행 시 질소산화물 배출량에 미치는 영향

도시대기측정망 결과와 차이를 보이는데, 대부분의 도로변 측정소에서 도시대기측정망의 연평균 농도 보다 적게는 1.5배에서 많게는 2배에 이를 만큼 높 은 농도를 기록하였다. 특히 교통량이 많은 서울의 농도 수준이 가장 높은 것으로 조사되었다.¹⁾

자동차의 오염물질 배출량 수준을 관리하는 ｢제 작차 배출허용기준｣은 연차적으로 꾸준히 강화되 어 현재 세계 최고 수준으로 관리되고 있지만, 자동 차는 여전히 가장 큰 기여율을 갖는 도심 지역의 배 출원이다. 2009년 수도권 지역 질소산화물(NOx) 배 출량의 67%가 이동오염원에 의한 것으로 분석되었 다.²⁾ 이와 같은 자동차 배출량 관리 수준과 현 시점 의 도심 지역 NO2 고농도 현상 사이의 괴리를 검증 하기 위해서는 제작자동차의 배출허용기준 강화가 실제 운행조건에서 과연 충분한 효과를 거두고 있 는 지에 대한 과학적 평가가 필요하다고 할 수 있다.

이같은 환경 정책 수요에 대응하기 위해 이동식 배출가스 측정장비(Portable Emissions Measurement System, PEMS)를 활용하여 실제 운전조건에서의 국내 소형 경유차 오염물질 배출량을 조사하는 연 구가 다수 진행되었다.^3-6) 최근의 연구를 통해 실제 주행조건에서 소형 경유차의 NOx 배출량이 배출허 용기준 대비 약 2.8배 과다 배출되고 있음이 확인되 었으며, 특히 고속 고부하 주행조건에서는 배출가 스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 작동 저 하로 인해 기준 대비 약 3.6배까지 많은 NOx가 배출 되는 사례도 보고되었다.⁶⁾ EGR은 경유 엔진의 배기 가스 중 일부를 엔진 연소실로 유입하여 NOx 배출 량을 저감시키는 기능으로서, EGR 기능이 저하될 경우, NOx 배출량이 크게 증가하게 된다.^7-9) 또한 환 경부의 제작자동차 결함확인검사를 통해 일부 소형 경유 차량의 EGR 기능이 고속 또는 에어컨 작동 조 건에서 상당 부분 정지되면서 NOx 배출량이 급격 히 증가하는 현상이 확인되어 자동차 제작사의 자 발적인 결함시정이 시행된 사례도 있다.^10,11) 이와 같은 일련의 연구 결과는 환경부, 자동차 제작사 및 관련 학계에 “실제 운전조건에서의 배출량”에 대한 관심을 불러일으키는 계기가 되었으며, 향후 추가 적인 연구가 필요함을 인식하게 해 주었다.

소형 경유차의 실제 운전조건에서의 과다 배출은

해외에서도 많이 보고되고 있다.^12-14) 이와 같은 연 구결과에 근거하여 유럽 집행위원회(European Com- mission, EC)는 소형 경유차의 실제 운전조건에서의 오염물질 과다 배출을 도심지역 대기질 관리의 중 요한 과제로 삼고 있다.^15,16) 실제 운전조건에서의 오염물질 배출량은 도로 종류별 주행 특성 및 주행 당시의 계절적 요인에 영향을 받게 된다.^17-21) 이는 실제 운전조건에서 얻어진 측정결과의 대표성 및 비교 타당성에 중요한 영향을 미치게 되는 요인이 기 때문에, 이에 대한 정량적인 효과 분석이 필요하 다고 할 수 있다.

이와 같은 연구 배경 하에, 본 연구는 경로 및 계 절적 요인의 변화에 따라 소형 경유 차량의 NOx 배 출량이 어떻게 변화하는 지를 정량적으로 비교하였 다. 3대의 소형 경유 차량의 NOx 배출량을 주행 경 로 및 계절별로 측정하였으며, 모든 측정은 실제 운 전조건에서 PEMS를 이용하여 실시하였다.

2. 실험내용 및 방법 2.1 실험 차량 및 연료

실험 차량은 Van형 소형 경유차량 1대와 SUV형 차량 2대를 선정하였다. 차량은 렌트카 업체에서 임 차하였으며, 주요 사양은 Table 1과 같다. 연료는 시 중 판매 경유를 사용하였다.

Table 1 Selected specification of test vehicles

Vehicle ID E4-1 E5-1 E5-2

Type VAN SUV SUV

Emission Standard Euro-4 Euro-5 Euro-5

Model Year 2010 2012 2012

GVW [kg] 2,990 1,950 2,345

Test Weight [kg] 2,590 1,870 2,140

Disp. [cc] 2,497 1,995 2,199

After Treatment DOC DOC/DPF DOC/DPF

2.2 실험 장비

PEMS(Horiba OBS-2200)는 농도 분석기, 배출가 스 부피 유량 측정기, 전원 공급기 등으로 구성된다.

농도 분석부는 이산화탄소(CO2) 및 일산화탄소 (CO) 농도 분석에 NDIR(Non-Dispersive Infrared), 탄 화수소(THC) 농도 분석에 FID(Flame Ionization De-

(3)

Taewoo Lee․Jiyoung Kim․Junhong Park․Sangzin Jeon․Jongtae Lee․Jeongsoo Kim

tection), NOx 농도 분석에 CLD(Chemiluminicnab Detection) 분석법을 사용하며, 배출가스 중의 각 농 도를 1 Hz 주기로 측정한다. 고순도 공기 및 교정용 혼합 표준 가스로 분석기의 영점 및 스팬을 교정하 였다. FID 분석기의 화염 점화를 위해 수소-헬륨 혼 합 연료 가스를 사용하였다. 측정된 농도를 질량으 로 환산하기 위한 배출가스 부피 유량은 피토 튜브 식 유량계로 측정하였다. 측정된 유량은 배출가스 의 온도와 압력을 이용하여 표준 상태의 값으로 환 산하였다. 12 VDC 배터리를 차량에 탑재하여 전원 을 공급하였다. 미국 연방 시험기준인 CFR 1065 기 준에 의거, PEMS 오염물질 배출량 측정 결과는 인 증용 차대동력계 장비 측정 결과와 비교하여 통계 적으로 유의한 차이가 없음을 확인하였다.^4,22)

E4-1 차량의 soot 배출량을 photo-acoustic 원리로 측정하였다(AVL Micro Soot Sensor).²³⁾ DPF(Diesel Particulate Filter)가 장착된 Euro-5 차량의 soot는 그 배출량이 극히 낮은 수준일 것으로 판단되어 측정 하지 않았다.⁶⁾ 차량의 위치 및 고도는 대기압계 장 착식 GPS(Garmin)를 사용하여 측정하였다.¹⁹⁾ OBD (On-Board Diagnostic) 연결을 통해 차량의 순간 차 속과 EGR 밸브 duty 값을 저장하였다. 차량 주변 대 기온도는 차량 외부에 온도계를 설치하여 측정하였 다. 측정기, 표준가스 및 배터리로 인한 차량 중량 증가분과 탑재공간 확보를 위해 탈거한 후열 시트 중량 감소분이 모두 반영된 차량 중량(Test Weight) 을 Table 1에 표시하였다. SUV 2대는 총중량에 근접 한 결과를 보이고 있으며, 이는 실제 도로상의 오염 물질 배출량에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 실험 차량의 중량 증가 문제는 이전의 연구^6,13,14)에서도 보고된 바 있으며, PEMS를 사용할 경우 겪게 되는 불가피한 현상으로서 현재 뚜렷한 극복 방안이 마련 되어 있지 않기 때문에 그대로 실험을 진행하였다.

2.3 실도로 주행 실험

다양한 주행 경로(Table 2)에서 주행 실험을 실시 하였다.⁶⁾ R1은 국립환경과학원에서 시작하는 경인 아라뱃길 구간으로, 통행량이 적고 교통 흐름이 원 활하여 왕복 2차선 도로임에도 40 km/h 이상의 평균 차속을 보였다. R2는 올림픽대로 김포 기점에서 양

Table 2 Descriptions of on-road test routes Route

ID

Types of routes

Distance [km]

Total test distance [km]

Average vehicle speed

[km/h]

R1 Rural 15.3 551 41.1

R2 Motorway 15.7 565 61.0

R3 Urban 16.2 567 20.0

R4 Motorway 50.9 1,629 84.7

R5 Urban 10.5 357 14.9

Total distance [km] 108.6 3,669

화대교 북단까지의 자동차 전용도로 구간이다. 교 통 흐름이 원활할 때는 제한속도(80 km/h)를 넘나드 는 차속으로 주행이 가능하나, 교통량 증가 및 진출 입 차량으로 인한 지정체 때문에 평균 차속은 61.0 km/h로 측정되었다. R3는 양화대교 북단에서부터 합정역, 광화문, 마포대교를 경유하여 국회의사당 에 도달하는 도심도로로서, 20.0 km/h의 평균 차속 을 보였다. R4는 국회의사당부터 올림픽대로, 신공 항고속도로를 경유하여 북인천 IC까지 도달하는 자 동차 전용도로이다. 올림픽대로 구간은 약 70~80 km/h, 신공항고속도로 구간은 약 80~130 km/h로 주 행하였다. R5는 삼성역 - 강남역 - 신사역 - 영동대교 남단을 거쳐 삼성역으로 귀환하는 도심 구간으로 서, 평균 차속은 15 km/h 미만으로 측정되었다.

실도로 주행 실험은 각 실험 차량 별로 여름, 가을 및 겨울 등 3개 계절별로 각각 3~4회 실시하였다 (Table 3). R1~R4는 연속으로, R5는 별도로 실험하 였으며, 주로 오후 1시 경부터 오후 5시 경까지 주행 하였다. 여름에는 냉방기(에어컨)을 가동한 상태로, 겨울에는 히터를 가동한 상태로 주행하였다. 에어 컨 및 히터 설정은 “2단”으로 고정하였다. 탑승자는 운전자 및 보조자 등 총 2인으로 제한하였다. 차량 은 실내에 주차된 상태에서 시동되어 주행하였으 며, 배출되는 대기 오염물질은 시동 직전부터 측정 하였다. 실험 전에 PEMS를 충분히 예열하였고, 실 험 전후에 고순도 공기 및 교정용 혼합 표준가스를 이용하여 교정하였다.

2.4 측정결과 분석 및 처리

주행 중 측정된 초당 오염물질 배출율[g/s] 결과 를 모두 더하여 각 경로별 오염물질 배출 총량[g]을

(4)

Influence of Driving Routes and Seasonal Conditions to Real-driving NOx Emissions from Light Diesel Vehicles

Table 3 Test date and temperature conditions of on-road tests Vehicle

ID

Test date Ambient temperature [Deg.C]

Summer Fall Winter Summer Fall Winter

E4-1 6/26/2012 ~ 7/4/2012 9/7/2012 ~ 9/14/2012 12/10/2012 ~ 12/17/2012 26 ~ 32 25 ~ 30 3 ~ 8 E5-1 7/26/2012 ~ 7/31/2012 10/23/2012 ~ 11/1/2012 1/8/2013 ~ 1/14/2013 31 ~ 37 10 ~ 21 0 ~ 5 E5-2 8/16/2012 ~ 8/27/2012 11/14/2012 ~ 11/27/2012 1/22/2013 ~ 1/30/2013 27 ~ 36 6 ~ 12 1 ~ 9

구하고, 이를 주행거리로 나누어 경로별로 단위 거 리 주행당 배출량[g/km]을 구하였다. 차량 시동 직 후부터 오염물질 배출량을 측정하였기 때문에 최초 경로인 R1 결과에는 냉시동(Cold start)의 영향이 포 함되어 있게 된다. 하지만 차량이 상온 조건을 갖춘 실내에 주차되어 있었기 때문에 전체 NOx 배출량 에 미치는 냉시동의 영향은 크지 않을 것으로 판단 된다.^14,21)

차량의 운전조건 또는 운전영역별 오염물질 배출 특성 분석을 위해 미국 EPA(Environmental Protection Agency)의 이동오염원 배출량 산정 모델인 MOVES 모델의 오염물질 배출율 데이터베이스 체계를 이용 하였다.²⁴⁾ 이 방법은 매 순간 측정되는 순시 오염물 질 배출율[g/s]을 해당 시점의 순간 차속[km/h]과 순 간 차량비출력(Vehicle specific power, VSP)[kW/ton]

에 따라 23개의 운전영역(Operating Mode, OpMode) 으로 구분하여 각 운전영역에 해당되는 모든 측정 결과의 평균 배출율을 그 운전영역의 배출율로 모 델링하는 방법이다. 운전영역은 Table 4와 같이 정

Table 4 Definition of MOVES operating modes for running- exhaust operation

의된다. 차량비출력은 차량의 도로 부하를 나타내 는 지표로서, 차량의 속도 및 가속도를 포함하는 동 시에 차량 중량에 대한 비출력이라는 점에서 차량 실험 결과 분석에 활용도가 높은 변수라 할 수 있다.

엄밀히 말해 차량비출력은 차량마다 모두 다르지 만, 본 연구에서는 중소형 차량에 대해 일반적으로 적용 가능하다고 알려진 식 (1)를 이용하였다.¹⁹⁾ 차 량비출력 계산에 필요한 도로 구배 정보는 GPS의 대기압 정보를 고도로 환산하여 이용하였다.¹⁹⁾

( )

000302 3

. 0

132 . 0 )) ( sin(arctan 81

. 9 1 . 1

v

r a

v VSP

⋅ +

+

⋅ +

⋅

=

(1)

where,

VSP : Vehicle specific power [kW/ton]

v : Vehicle speed [m/s]

a : Vehicle acceleration [m/s

²]

r : road grade [-]

3. 시험결과 및 검토

본 연구의 핵심 추진 배경은 소형 경유차의 NOx 과다 배출이다. 국내외 연구 결과들은 소형 경유차 의 CO 및 THC 배출량이 표준 인증조건 및 실제 운 전조건 모두에서 배출허용기준을 대체로 만족함을 보고하고 있다.^5,10) 따라서 결과의 서술은 NOx 위주 로 진행하되, 필요에 따라 기타 물질을 언급하였다.

3.1 경로별-계절별 NOx 배출량

Fig. 1은 실제 도로의 실제 운전조건하에서 측정 된 경유 소형차 3대의 경로별, 계절별 NOx 및 CO2의 단위 주행 거리당 배출량을 나타낸 것이다. Euro-4 (0.39 g/km) 및 Euro-5(0.18 g/km) NOx 배출허용기준 과 비교할 때, 실제 운전조건하에서의 NOx 배출량 은 기준을 2~9배까지 상회하고 있다. 경로별 결과에

(5)

이태우․김지영․박준홍․전상진․이종태․김정수

(a) E4-1 (b) E5-1 (c) E5-2

Fig. 2 Route average NOx emissions in nine route-season combinations (a) Driving routes

(b) Seasons

Fig. 1 Route average NOx emissions in various driving routes and seasons

서는 도심 경로에서의 높은 배출량이 두드러진다.

교외 및 자동차 전용도로와의 비교 결과는 물론, 유 럽 JRC에서 측정한 유럽지역 소형 경유차의 배출량 수준⁴⁾과 비교해서도 2~3배 높은 수준임을 알 수 있 다. 계절별 결과에서는 여름에 주행할 때의 배출량 이 높게 나타났다.

Fig. 2에 표시된 경로-계절별 조합 중에서는 여름 철 도심 지역의 NOx 배출량이 가장 높으며, 9개 조 합의 평균 수준 대비 2~3배 높은 수준을 보인다. 이

는 도심 지역의 낮은 주행 차속, 여름철의 자동차 에 어컨 가동, 그리고 높은 흡기온도 등과 같은 여건들 이 종합적으로 작용한 것으로 판단된다. “도심 지역 의 여름”이라는 환경은 오염원 (자동차)과 수용체 (시민) 간의 거리가 매우 가깝고, 그 수용체의 활동 도 또한 높을 것으로 예상되는 환경이므로 노출 및 건강 측면에서 중요한 의미를 갖는다. 또한 여름철 도심 지역의 NOx는 광화학반응의 전구물질로 작용 하여 오존 등과 같은 광화학 스모그를 일으키게 되

(6)

주행 경로 및 계절의 변화가 소형 경유차의 실제 주행 시 질소산화물 배출량에 미치는 영향

는 바,²⁵⁾ 이에 대한 대책 수립이 필요할 것으로 판단 된다. CO2는 대체로 NOx와 유사한 경향을 나타내 고 있다.

3.2 Euro-4 대응 차량의 오염물질 배출 특성 여름철 도심 지역의 NOx 배출량이 가장 높게 나 타나는 것은 실험차량 3대 모두 일관된 경향을 나타 내고 있으나, 그 외의 경로 및 계절에서는 나름의 경 향을 보이고 있다. 이와 같은 결과에는 차량에 적용 된 오염물질 제어 기술이 중요한 영향을 미치고 있 음이 분석되었다. 즉, Euro-4 배출허용기준에 대응 한 E4-1 차량은 계절별로는 가을, 겨울, 여름 순으로 오염물질이 증가하는 경향을 보인다. 여름철에는 에어컨 가동에 따른 연료 사용량 증가와 배출가스 재순환율 저하 등이 오염물질을 증가시키는 방향으 로 작용하며, 겨울철 역시 표준 대기조건이라고 볼 수 있는 가을철 보다는 많은 배출량을 보이는 것으 로 알려져 있기 때문에 이는 자연스러운 배출량 경 향이라고 말할 수 있다. 경로별 경향에 있어서도, 주 행 차속이 가장 느린 도심에서 가장 많은 오염물질 배출량을 나타내고 있다.

운전영역별 배출율 경향을 계절 변화와 연계하여 분석해 보면, E4-1은 계절 변화에 따른 뚜렷한 경향

Fig. 3 NOx-soot tradeoff characteristics in Euro-4 vehicle

을 보이며, 이는 전술한 평균 배출량 경향과 유사하 다. Fig. 3은 E4-1의 중속 구간 운전영역, 즉 순간차 속이 40 km/h 이상 80 km/h 미만인 측정결과의 NOx 배출율과 soot 배출율을 차량비출력에 따라 구분하 여 계절별 평균 EGR 밸브 duty와 함께 도시한 것이 다. NOx와 soot는 서로 tradeoff 관계를 잘 나타내고 있으며, 이 경향은 계절별 평균 EGR 밸브 duty에 의 해서도 뒷받침 되고 있다. 즉, 평균 EGR 밸브 duty가 8% 정도로 낮은 여름에는 엔진 연소실로 유입되는 배기가스의 양이 적어 NOx 배출량이 상대적으로 증가하고, soot는 감소한다. 반면 겨울, 가을에는 EGR 밸브 duty 증가에 따라 EGR에 의한 NOx 저감 능력이 강해지고, 대신 soot가 증가하는 경향을 보 이는 것으로 판단된다. 동일한 계절 내에서는 차량 비출력 증가에 따라 NOx와 soot가 모두 증가하는 경 향을 보이고 있다.

3.3 Euro-5 대응 차량의 오염물질 배출 특성 Euro-4 차량에서 관찰된 것과 같은 뚜렷하고 명쾌 한 경향은 Euro-5 차량 2대에서는 관찰되지 않고 있 다. Fig. 2의 도심에서의 결과는 가을, 겨울, 여름 순 으로 오염물질이 증가하는 경향을 보이고 있으나, 전용도로 결과는 여름보다 가을의 배출량이 많은 것을 알 수 있다. 배출특성 변화의 주요 요인의 하나 인 주행패턴 측면에서 본다면, 도심의 주행패턴은 저속 영역에 집중된 비교적 일관된 거동을 보인다 고 생각할 수 있다. 하지만 전용도로에서는 가감속 패턴 및 주행 차속 등이 큰 폭으로 변화할 것으로 예 상되므로, 에어컨 가동 여부와 함께 주행패턴 및 운 전영역 등과 같은 변수가 복잡한 양상으로 배출량 에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

이에 대해 좀 더 자세히 살펴보기 위해, MOVES OpMode에 기반한 운전영역별 분석을 통해 각 운전 영역별로 어떤 배출특성을 보이는 지 파악하였다.

OpMode 기준에 의해 정리한 E5-1 차량의 계절별 활 동도 및 NOx 배출율은 Fig. 4와 같다. 먼저 활동도 결과를 살펴보면, 감속, 공회전 및 저속 구간인 Brake~Op16까지의 활동도가 가장 많은 비중을 차 지하고 있으며, 그 다음으로는 중속 영역, 고속 영역 순으로 활동도가 감소함을 알 수 있다. 배출량 결과

(7)

Taewoo Lee․Jiyoung Kim․Junhong Park․Sangzin Jeon․Jongtae Lee․Jeongsoo Kim

Fig. 4 On-road vehicle activities and NOx emission rates in fall, summer and winter expressed MOVES OpModes definitions (Vehicle: E5-1)

를 보면, 저속 운전영역(Op11~16)에서는 여름철 배 출량이 뚜렷이 높은 반면, 고속 영역(Op33~40)에서 는 가을철 배출량이 높고, 중속 영역(Op21~30)에서 는 혼재된 경향을 보이고 있다. 동일한 차속 구간에 서의 배출율은 차량비출력 증가에 따라 증가하는 경향을 보이고 있다. 여름철 저속 영역의 높은 NOx 배출율은 전술한 “도심 지역 여름”의 NOx 배출량 과다 현상과 연계되는 바, 공회전 및 저속 지체･정 체 운전영역의 개선이 효과적인 대응 방안이 될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 차량 개선을 통해 배출율을 감소시키거나, 교통흐름 개선을 통해 활동도를 줄 이는 등의 노력이 필요할 것으로 사료된다.

이전의 연구 결과에서 고속 고부하 영역의 NOx 증가 경향과, 에어컨 가동 시의 NOx 증가 경향을 보 고한 바 있음을 감안할 때, Fig. 4의 고속 영역 배출 량과 계절 요인의 관계는 무척 흥미로운 결과라 할 수 있다. 시간에 따른 측정 결과의 분석을 통해 , 계 절의 변화 및 이에 따른 에어컨 가동에 따라 다소 획 일적인 경향을 보였던 Euro-4 차량의 EGR 거동과는 달리, Euro-5 차량은 상대적으로 넓은 운전조건에서 도 EGR 밸브를 지속적으로 제어하는 등, 그 작동 영 역이 확대되어 있음을 확인하였다. 이는 고속 또는 에어컨 작동 조건에서의 EGR 기능에 대한 자동차 제작사의 개선 조치가 실제 운전조건에서 효과적인

Fig. 5 Time series data of vehicle speed and EGR valve duty associated with the operations of air conditioner (Vehicle: E5-1)

오염물질 저감을 이끌어내고 있음을 나타내는 결과 로 생각할 수 있다.

그 하나의 예로서, Fig. 5는 E5-1 차량의 전용도로 주행 시의 시간 경과에 따른 차속 및 EGR 밸브 duty 결과이다. 에어컨을 가동한 상태의 주행패턴은 가 감속을 최소화한 상태로 100 km/h 근방에서 주행한 것으로서 이 때의 NOx 배출량은 0.60 g/km이다. 이 경우는 에어컨을 가동했음에도 EGR 밸브가 꾸준히 열림 상태를 유지하는 것을 볼 수 있다. 반면 에어컨 을 가동하지 않은 경우는 최고 차속이 132 km/h에 이르는 고속 주행 결과로서, 이 때의 NOx 배출량은 1.55 g/km이다. 이 경우에는 EGR 밸브의 닫힘 비율

(8)

Influence of Driving Routes and Seasonal Conditions to Real-driving NOx Emissions from Light Diesel Vehicles

이 이전 경우 대비 많으며, 따라서 NOx 배출량도 증 가하였음을 알 수 있다. 이는 에어컨을 가동하지 않 은 경우라도 운전 패턴에 따라 2배 이상 높은 NOx 배출량을 보일 수 있음을 나타내는 사례라 할 수 있 으며, 적정 차속을 초과하는 고속 주행은 에어컨 가 동 여부보다 더욱 큰 NOx 증가 요인이 될 수 있음을 의미하는 결과라 할 수 있다.

4. 결 론

1) 실제 운전조건에서의 소형 경유 차량 3대의 NOx 배출량을 경로(도심, 교외, 전용도로) 및 계절(여 름, 가을, 겨울) 구분에 따른 9개 조합별로 측정 한 결과, 도심지역 도로에서 여름철에 배출되는 NOx 배출량이 평균 대비 2~3배 많음을 확인하였 다. “도심 지역의 여름”이라는 환경은 보행자의 오염물질 노출 측면 및 광화학 스모그 생성 측면 에서 매우 중요한 의미를 갖는 바, 이에 대한 대 응이 필요하다.

2) 차량 운전영역을 차속과 차량비출력에 의해 구 분하고 각 영역의 배출율과 활동도를 비교한 결 과, 도심지역에서 빈번히 사용되는 저속 운전영 역의 배출량이 여름철에 급격히 증가하였다. 이 에 대응하기 위해 차량 개선을 통해 공회전 및 저 속 지체･정체 운전영역의 배출율을 감소시키거 나, 교통흐름 개선을 통해 저속 영역의 활동도를 줄여나가는 접근방법을 우선적으로 고려하여야 할 것으로 사료된다.

3) Euro-4 배출허용기준 대응차량의 NOx 및 soot 배 출량은 상호간에 뚜렷한 tradeoff 관계를 보이며, 이 경향은 계절별 EGR 동작 수준과 연계되어 있 음을 확인하였다. 여름철 주행 시에는 EGR 밸브 duty 수준이 낮아 엔진 연소실로 유입되는 배출 가스의 양이 적어지게 되어 NOx 배출량이 상대 적으로 증가하고, soot는 감소한다. 반면 겨울, 가 을에는 EGR 밸브 duty 증가에 따라 EGR에 의한 NOx 저감 능력이 강해지고, 대신 soot가 증가한 것으로 판단된다.

4) 계절의 변화 및 이에 따른 에어컨 가동에 따라 다 소 획일적인 경향을 보였던 Euro-4 차량의 EGR 거동과는 달리, Euro-5 차량은 상대적으로 넓은

운전조건에서 EGR 밸브를 지속적으로 제어하 는 등, 이전 소형 경유차에서 관찰되던 에어컨 가 동시의 EGR 기능 저하 현상이 현저히 개선되었 음을 확인하였다. 결과적으로 운전영역, 계절변 화, 에어컨 가동 여부 등과 같은 변수가 훨씬 복 잡한 양상으로 배출량에 영향을 미치게 되었으 며, 특히 적정 차속을 초과하는 고속 주행은 에어 컨 가동 여부보다 더욱 큰 NOx 증가 요인이 될 수 있음을 파악하였다.

후 기

본 연구는 한국형 오토-오일 사업의 일환으로 국 립환경과학원 연구 과제로서 수행되었습니다.

References

1) National Institute of Environmental Research, Annual Report of Air Quality in Korea 2011, Administrative Publication No.11-1480523- 000198-10, 2012.

2) National Institute of Environmental Research, National Air Pollutants Emission 2009, NIER- GP-2011-1310, Administrative Publication No.

11-1480523-000883-10, 2011.

3) T. Lee, B. Lee, S. Cho, J. Park, M. Eom, J. Kim and D. Lee, “On-road Testing and Calculation of Emission Factor and Fuel Economy,” Trans- actions of KSAE, Vol.17, No.3, pp.90-101, 2009.

4) T. Lee, J. Keel, J. Park, Y. Park, J. Hong and D.

Lee, “Speed-based Emission Factor regarding Vehicle Specific Power and Acceleration during On-road Driving,” Transactions of KSAE, Vol.19, No.1, pp.73-81, 2011.

5) T. Lee, J. Lee and J. Kim, “Evaluation of On-road NOx Emission from a Light Duty Diesel Vehicle using a Portable Emissions Mea- surement System,” Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol.28, No.1, pp.94-104, 2012.

6) National Institute of Environmental Research, An Evaluation of Real-driving Emissions for Light Duty Vehicles Using PEMS, Report for

(9)

이태우․김지영․박준홍․전상진․이종태․김정수

Korean Auto-oil Program, Administrative Pub- lication, No.11-1480554-000004-01, 2012.

7) V. Bermudez, J. M. Lujan, B. Pla and W. G.

Linares, “Effects of Low Pressure Exhaust Gas Recirculation on Regulated and Unregulated Gaseous Emissions during NEDC in a Light- duty Diesel Engine,” Energy, Vol.36, Issue 9, pp.5655-5665, 2011.

8) Y. Takada, N. Takada and N. Iida, “Transient NOx Characteristics of Freight Vehicles with EGR System in Real Traffic Conditions,” SAE 2005-01-1619, 2005.

9) F. Millo, P. F. Giacominetto and M. G. Bernardi,

“Analysis of Different Exhaust Gas Recircu- lation Architectures for Passenger Car Diesel Engines,” Applied Energy, Vol.98, pp.79-91, 2012.

10) Korean Ministry of Environment, Press Release:

2011 Vehicle In-use Compliance Test Results, 2011.

11) Korean Ministry of Environment, Press Release:

Recalls for NOx Emission of Two Light Diesel Vehicles, 2012.

12) D. C. Carslaw, S. D. Beevrs, J. E. Tate, E. J.

Westmorel and M. L. Williams, “Recent Evidence Concerning Higher NOx Emissions from Passenger Cars and Light Duty Vehicles,” Atmos.

Environ., Vol.45, Issue 39, pp.7053- 7063, 2011.

13) L. Rubino, P. Bonnel, R. Hummel, A. Krasen- brink, U. Manfredi and G. De Santi, “On-road Emissions and Fuel Economy of Light Duty Vehicles using PEMS: Chase-testing Experi- ment,” SAE 2008-01-1824, 2008.

14) European Joint Research Centre (JRC), Analy- zing On-road Emissions of Light-duty Vehicles with Portable Emission Measurement Systems (PEMS), Joint Research Centre Scientific and Policy Report EUR 24697, 2011.

15) N. Steininger, “Towards Completing Euro 6/VI in the Lab and for the Real World: Selected Topics,” TAP 2012, 19th International Transport and Air Pollution Conference, Thessaloniki/

Greece, 2012.

16) European Commissions, CARS 21 High Level Group on the Competitiveness and Sustainable Growth of the Automotive Industry in the Euro-

pean Union, Final Report, 2012. (http://ec.europa.eu/

enterprise/sectors/automotive/files/cars-21-final -report-2012_en.pdf)

17) E. Ericsson, “Independent Driving Pattern Factors and Their Influence on Fuel Use and Exhaust Emission Factors,” Transportation Research Part D, Vol.6, Issue 5, pp.325-345, 2001.

18) H. Liu, K. He, J. M. Lents, Q. Wang and S.

Tolvett, “Characteristics of Diesel Truck Emi- ssion in China Based on Portable Emissions Measurement Systems,” Environ. Sci. Technol., Vol.43, pp.9507-9511, 2009.

19) H. C. Frey, K. Zhang and N. Rouphail, “Fuel Use and Emissions Comparisons for Alternative Routes, Time of Day, Road Grade, and Vehicles Based on In-use Measurements,” Environ. Sci.

Technol., Vol.42, pp.2483-2489, 2008.

20) T. Lee and H. C. Frey, “Evaluation of Represen- tativeness of Site-specific Fuel-based Vehicle Emission Factors for Route Average Emissions,”

Environ. Sci. Technol., Vol.46, pp.6867-6873, 2012.

21) European Joint Research Centre (JRC), A Complementary Emissions Test for Light-duty Vehicles: Assessing the Technical Feasibility of Candidate Procedures. Joint Research Centre Scientific and Policy Report EUR 25572, 2013.

22) H. Nakamura, M. Akard, S. Porter and I.

Khalek, “Performance Test Results of a New on Board Gaseous Emission Measurement System Conformed with CFR Part 1065,” SAE 2007-01-1326, 2007.

23) W. Schindler, C. Haisch, H. A. Beck, R.

Niessener, E. Jacob and D. Rothe, “A Photo- acoustic Sensor System for Time Resolved Quantification of Diesel Soot Emissions,” SAE 2004-01-0968, 2004.

24) U.S. Environmental Protection Agency (EPA), Development of Emission Rates for Light-duty Vehicles in the Motor Vehicle Emissions Simu- lator (MOVES2010), EPA-420-R-11-011, 2011.

25) J. H. Seinfeld and S. N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics, John Wiley & Sons, New York, pp.140-152, 1998.