Characteristics of Real-road Driving NOx Emissions from Korean Light-duty Vehicles regarding Driving Routes

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주행경로에 따른 국내 소형자동차 실제도로 주행 질소산화물 배출량 특성

옥 선 일¹⁾․엄 명 도²⁾․이 종 태²⁾․박 준 홍²⁾․김 지 철¹⁾․전 문 수^*1)

한국교통대학교 에너지시스템공학과¹⁾․국립환경과학원 교통환경연구소²⁾

Characteristics of Real-road Driving NOx Emissions from Korean Light-duty Vehicles regarding Driving Routes

Seonil Oak¹⁾․Myoungdo Eom²⁾․Jongtae Lee²⁾․Junhong Park²⁾․Jichul Kim¹⁾․Mun Soo Chon^*1)

1)Department of Energy System Engineering, Korea Natrional University of Transportation, Chungbuk 380-702, Korea

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

(Received 26 September 2014 / Revised 14 October 2014 / Accepted 15 October 2014)

Abstract : Despite of recently strengthened vehicle emission regulations, NOx emissions are not decreased in urban areas because of discrepancies between certification emission test modes and real driving conditions. Thus, researches on RDE-LDV (Real-driving Emission-Light-duty Vehicle) have been conducted actively using PEMS (Portable Emissions Measurement Systems). In the present study, NOx emissions were measured for 5 Korean light duty vehicles for real driving conditions including city, combined, highway, and up-downhill test route. Emission characteristics were analyzed for averaged NOx emissions per unit driving distance of each driving test routes. Furthermore, MAW (Moving Average Window) method based on CO

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emissions from WLTC, which will be supported for EU regulations, was utilized. It was revealed that DRs (deviation ratios) for diesel vehicles (i.e., 5.1 ~ 8.4) were greater than gasoline vehicles (less than 0.15). Especially DR of diesel vehicle for up-downhill test route was 8.4, which indicates severe NOx emissions.

Key words : Emission regulations(배기가스 규제), RDE-LDV(소형자동차 실제도로 배기가스), PEMS(이동식 배 기가스 측정장치), Deviation ratios(편차비율)

1. 서 론¹⁾

질소산화물(NOx), 휘발성 유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds), 일산화탄소(CO) 등과 같은 대 기오염물질로 인한 환경문제는 현재 중요한 사회적 이슈로 부각되고 있다. 2010년 국내 대기오염물질 배출량 중 NOx와 CO는 각각 전체 배출량의 29.8%, 21.5%로 여전히 높은 비중을 차지하고 있으며, 이 중 자동차에 의한 도로이동 오염원이 각각 총 배출 량의 36.0%와 67.9%로 가장 높은 비율을 나타내고

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

있다.¹⁾ 또한, 서울시 기후대기 환경정보에 의하면, 2002년 이후 PM10 농도는 지속적으로 감소되어 2010년 이후 기준치 이하로 측정되고 있으나, NO2

의 경우 2006년 이후 미미한 감소 경향을 나타내고 있지만 여전히 기준치를 상회하고 있어 특히 대도 시 지역에서 자동차에 의한 대기오염물질 중 질소 산화물 농도는 더욱 중요하게 다루어야 할 환경 이 슈임을 알 수 있다.²⁾

유럽의 경우에도 우리나라와 비슷한 상황으로 2008년 현재 NOx와 CO 배출량 중 자동차에 의한 도 로이동 오염원이 각각 전체 배출량의 41%, 34.5%로

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가장 높은 비중을 차지하고 있으며, 도심 지역의 NO2와 PM10의 농도가 각각 16.2%, 25.7%로 기준치 를 상회하고 있는 것으로 보고하고 있다.^3,4) 영국의 경우에도 1990년대 이후 10년간 휘발유자동차에서 배출되는 NOx는 약 96% 가까이 저감되었으나, 경 유자동차의 경우에는 오히려 증가하거나 최소한 일 정한 값을 유지하고 있는 것으로 측정되어 최근의 저공해 기술이 적용된 경유자동차가 많이 보급되었 음에도 불구하고 도심지역의 NOx 농도는 감소되지 않는다는 것을 확인하였다.⁵⁾ EC는 이와 같은 현상 이 EURO-6 등과 같이 단계적으로 강화되는 배출가 스 허용기준 관리제도의 인증시험 모드가 실제도로 의 다양한 주행패턴을 충분히 반영하지 못하기 때 문인 것으로 인식하고 이를 보완하기 위한 정책적 인 대안이 필요함을 제시하였다.⁶⁾

이러한 문제를 제도적으로 보완하기 위하여 실제 도로 주행조건에 기반한 배출가스 평가방법이 인증 시험에 도입되었거나 현재 개발 중에 있다. US EPA 는 1996년 기존의 인증시험 방법으로 활용하던 FTP-75모드가 현재의 도로주행 패턴을 충분히 반영 할 수 없다는 판단에 고속 및 급가속 등과 같은 가혹 한 운전 특성을 반영한 US06와 에어컨 가동조건을 반영한 SC03 모드를 포함한 SFTP 시험방법을 도입 하였다.⁷⁾ EU 또한 인증시험 모드의 개발에 한계가 있음을 인식하고 PEMS (Portable Emissions Measure- ment Systems)를 이용한 소형자동차 실제도로 배기 가스 (RDE -LDV, Real-driving Emission - Light-duty Vehicle) 주행시험 방법을 인증시험에 적용하기 위 해 현재 다양한 연구를 수행하고 있다.^8,9)

EC-JRC는 EURO-3~5 인증을 받은 소형차 12대를 대상으로 PEMS를 장착하고 도심, 교외, 고속도로, 경사로 등으로 구성된 주행로에서 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하였다. 시험 결과, 낮은 가속 도 구간만을 반영하는 NEDC(New European Driving Cycle) 주행 모드의 평균차속에 대한 상대 가속도 (RPA, Relative Positive Acceleration) 분포가 실제도 로 주행패턴과는 많이 차이가 있음을 확인하였으며, 배출가스 측정결과를 이동평균구간(MAW, Moving Average Window) 방법으로 분석하였을 때 경유자 동차에 대한 각 평균구간들의 NOx 배출량은 NEDC

허용기준의 약 4 ~ 7배 수준인 것으로 나타났다.^9,10) 이러한 결과를 바탕으로 현재 유럽에서는 소형차 를 대상으로 PEMS를 이용한 실제도로 주행 배출가 스 시험방법을 NEDC 주행모드 기반 인증시험의 제 도적 보완 장치로 활용하기 위하여 시험절차 및 규 제기준을 개발하고 있다. 유럽은 PEMS를 이용한 배 출가스 시험방법을 질소산화물에 우선 적용할 예정 이며, 향후 순차적으로 PM 등 다른 배기가스에도 적용할 계획을 갖고 있다.¹¹⁾

국내의 경우에도 유럽과 동일한 판단에 국립환경 과학원 주관으로 PEMS를 이용한 소형차의 실제도 로 주행 배출가스 특성에 관한 연구가 현재 진행되 고 있으며, 도심, 교외, 자동차전용도로, 고속도로 등으로 구성된 주행경로를 설정하여 시험을 수행하 였다. 그 결과 실제도로 주행조건에서 경유자동차 의 NOx 평균 배출량은 NEDC 허용기준보다 상당히 높은 수준인 것으로 측정되었다. 또한, MAW 분석 방법을 적용하였을 때 각 평균구간들의 배출량은 NEDC 기준의 약 2.8배 높은 수준인 것으로 나타났 으며, 특히 고속도로 주행조건에서 과다하게 배출 되고 있음을 확인하였다.^12,13)

따라서 미국의 FTP-75와 유럽의 NEDC 인증시험 모드를 도입하고 있는 국내 현실을 고려할 때, 실제 도로 주행 배출가스 시험방법에 대한 검토가 시급 히 고려해야 할 시점이다. 이러한 배경 하에 본 연구 에서는 유럽, 미국 등과 같은 주요 경쟁국들과 동등 한 수준의 배출가스 관리제도의 적용 가능성을 검 토하기 위하여 현재 EC-JRC에서 개발되고 있는 PEMS 기반 RDE-LDV 시험방법을 기준으로 국내 소형자동차 5대에 대해 주행경로에 따른 질소산화 물 배출특성을 평가하였다.

2. 연구 내용 및 방법 2.1 시험 자동차

PEMS를 이용한 RDE-LDV 측정 시험을 위해 본 연구에서는 2012년식 및 2013년식 경유자동차 3대 와 가솔린자동차 2대를 대상으로 질소산화물 측정 시험을 수행하였으며, 시험 자동차의 주요 제원을 Table 1에 나타내었다. 시험 자동차의 주행거리는 5 대 차량 모두 7만km 이내인 차량으로, 경유자동차

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Seonil Oak․Myoungdo Eom․Jongtae Lee․Junhong Park․Jichul Kim․Mun Soo Chon

Table 1 Specifications of test vehicles Vehicle Model

year

Fuel type

Rated power

Emission level

2.2 VAN 2013 diesel 145 kW Euro-5

2.0 SUV 2013 diesel 129 kW Euro-5

3.0 SUV 2013 diesel 190 kW Euro-5

2.0 Sedan 2012 gasoline 128 kW ULEV 1.6 Sedan 2012 gasoline 103 kW ULEV

는 Euro-5 배출 허용기준이 적용된 배기량이 2.2L인 VAN과 배기량이 각각 2.0L 및 3.0L인 SUV 차량을 선정하였다. 가솔린자동차는 ULEV 배출 허용기준 이 적용된 배기량이 각각 2.0L와 1.6L인 세단형 차 량을 선정하였다.

2.2 주행 경로

PEMS를 이용한 실제도로 배출가스 측정시험을 적용하기 위한 주행경로는 EC-JRC의 PEMS 시험 주행경로를 고려하여 city 및 combined 2구간, highway 경로로 설정하여 시험을 수행하였다.^10,13) city 경로는 차량 지체가 심한 도심운행을 반영한 구간 으로 city 1이 city 2 보다 상대적으로 많은 도심운행 이 포함되어 있다. 이 구간은 교외 및 자동차전용도 로 경로가 포함되며, 평균 주행속도는 약 30 km/h이 다. combined 경로는 city 경로에 고속도로 주행경로 가 포함된 구간이며, 평균 주행속도는 약 51 km/이 다. highway 경로는 차량의 정체가 전혀 없는 고속 운행을 반영한 구간으로 평균차속이 약 84 km/h이 다. 한편, 본 연구에서는 주행경로의 고도차이, 오르

Fig. 1 Typical speed distributions of PEMS test routes

Fig. 2 Altitude profiles of PEMS test route

Table 2 Descriptions of real-road driving test routes Test

route

Road type*

Distance (km)

Ave. vehicle speed (km/h)

City 1 I, II, III 45.0 32.8

City 2 I, II, III 52.7 29.3

Combined 1 I, II, III, IV 118.8 47.1 Combined 2 I, II, III, IV 91.7 54.7

Highway IV 135.6 83.5

Up-downhill II 34.5 43.9

* : I(urban), II(rural), III(motorway), IV(highway)

막 및 내리막 등 경사로 주행조건에서 배출가스 특 성을 분석하기 위하여 up-downhill 경로를 설정하여 시험을 수행하였다. 이 경로의 최고 해발고도는 약 450 m이고 평균 주행속도는 약 44 km/h이다.

각 주행경로의 차량속도 누적분포 및 고도변화를 NEDC 인증시험 모드와 비교하여 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었으며, 주요 특성을 Table 2에 요약하여 정 리하였다.

2.3 이동식 배출가스 측정장비

Fig. 3과 Fig. 4에는 각각 본 연구에서 사용한 PEMS(Horiba, OBS-2000) 구성에 대한 개략도와 시 험차량에 설치된 PEMS의 사진을 나타내었다.

PEMS는 배기가스 분석기, 배기가스 유량계, 배기 가스 샘플링 장치, 측정용 가스, 전원 공급 장치, 제 어 및 데이터 분석 장치 등으로 구성된다. 실시간 (1Hz)으로 측정된 배기가스 농도 데이터는 유량계 의 유량 데이터와 동기화되어 g/s 단위로 저장되며, GPS 또는 ECU 데이터를 통해 측정된 차속 데이터

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Characteristics of Real-road Driving NOx Emissions from Korean Light-duty Vehicles regarding Driving Routes

Fig. 3 Schematics of PEMS for real-driving emission measurement

Fig. 4 Photographs of PEMS installation to test vehicle

를 이용하여 g/km 단위의 배출가스 데이터로 환산 된다.^13,14)

PEMS 장착시 시험차량의 중량 증가를 최소화하 였으나 인증시험에서 규정하는 시험 중량 보다 약 100 kg 정도 증가하였다. 증가된 중량은 시험차량의 배출가스 특성에 어느 정도 영향을 줄 수 있는 조건 이지만 유럽과 국내에서 수행한 기존의PEMS 연구 와 유사한 값으로 본 연구의 목적에 부합하는 수준 인 것으로 판단된다. 또한, 향후 PEMS 기반 소형차 인증시험시 일정 수준의 시험차량 중량 증가는 허 용될 것으로 예상된다.^10,13)

2.4 배출가스 측정결과 분석방법

RDE-LDV 시험의 경우 NEDC, CVS-75 등 규정된 주행모드에서 수행하는 인증시험과는 달리 주행경 로, 교통상황에 따라 차량의 속도 및 가속도 등 주행

특성이 다르게 나타나기 때문에 실제도로 주행특성 을 고려하여 배출가스 특성을 분석한다.^9,13) 따라서 본 연구에서는 시험차량의 주행경로, 구간 평균차 속 등을 변수로 단위 주행거리 당 배출가스 평균값 을 산출하여 분석하였으며, 향후 국내와 EC에서 PEMS 기반 RDE-LDV 인증시험에 적용이 예상되는 WLTC(Worldwide harmonized Light-duty driving Test Cycle) 주행모드 CO2 배출량을 평균구간 기준으로 정한 MAW 분석방법을 적용하였다.^15,16)

CO2 배출량 기준 평균구간을 정의하기 위해 먼저 WLTC 주행모드에서 CO2 배출량을 측정한 후 가중 계수 0.5를 곱하여 기준 CO2 배출량을 계산하였으 며,¹⁵⁾ 차량 출발 시점에서 기준 CO2 배출량이 도달 하는 구간까지를 첫 번째 평균구간으로 정의하고 구간 내의 배출가스양(g/km)을 계산한다. 이후 기준 CO2 배출량 기준으로 평균구간을 1초 단위로 이동 하면서 연속적인 평균구간을 생성하여 배출가스양 을 산출하였으며, 산출된 각 평균구간 내의 배출가 스양은 시험차량의 인증모드 배출 허용기준(g/km) 으로 나눈 DR(deviation ratio)의 누적비율을 사용하 여 분석하였다.^10,13)

3. 연구 결과 및 고찰 3.1 PEMS 측정데이터 신뢰성

RDE-LDV 시험을 수행하기 전에 PEMS의 배기가 스 데이터 신뢰성 평가를 위해 차대동력계에서 CVS와 동시에 배출가스를 측정시험을 수행하였다.

차대동력계 시험모드는 NEDC, CVS-75 및 NIER 03, NIER 05, NIER 07, NIER 09, NIER 12, NIER 14모드 등 다양한 운전조건에서 진행하였으며, NOx와 CO2

배출량에 대한 시험 결과를 Fig. 5에 정리하였다. 선 도에 나타낸 NOx와 CO2 배출량에 대한 결정 계수가 0.98 이상으로 나타나 PEMS와 CVS 장비의 배출량 측정결과는 매우 높은 상관관계를 갖고 있으며, 이 러한 경향은 CO 및 HC의 경우에도 동일하게 나타 났다.¹⁵⁾ 한편, Fig. 6에는 CVS-75 모드에서 동시에 측정한 PEMS와 CVS의 NOx 배출량을 실시간으로 나타내었으며, 두 장비에서 측정한 NOx 배출량이 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 본 연구에서 사용한 PEMS의

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옥선일․엄명도․이종태․박준홍․김지철․전문수

(a) NOx (b) CO2

Fig. 5 Correlation of emission results between PEMS and CVS equipment in laboratory tests

Fig. 6 Comparison of real time NOx emission rate between PEMS and CVS equipment in CVS-75 mode

배기가스 데이터의 신뢰도를 확인할 수 있으며, 특 히 관심 대상인 NOx 배출량은 CVS 장비와 매우 높 은 상관관계를 갖고 있다는 것을 정량적으로 확인 할 수 있다.

3.2 주행경로 운행특성

Table 2에 나타낸 본 연구의 PEMS 시험 주행경로 의 특성을 분석하기 위해 특정 주행구간의 부하를 나타내는 변수로 폭넓게 사용되는 차속과 RPA를 주요변수로 선정하였으며,¹⁷⁾ 주행경로의 단위주기 인 short trip의 평균차속에 대한 RPA 분포를 NEDC 및 CVS-75 인증시험 모드와 비교하여 Fig. 7에 나타 내었다.

RDE-LDV 시험 주행경로 short trip의 평균차속 및 RPA는 인증시험 모드보다 넓게 분포되어 인증 시험에서 나타나지 않은 실제도로의 다양한 운전패 턴이 반영되었음을 확인할 수 있다. 도심운행을 대 표하는 city 및 고속도로 구간을 제외한 combined 경 로는 정지구간이 많이 포함되어 많은 수의 short trip 이 나타나며, 평균차속 60 km/h 이하의 중저속 영역 에서 RPA가 0.1 ~ 0.5 m/s²의 비교적 넓은 범위에 분 포하고 있다. highway 구간은 인증시험 모드에서 나 타나지 않는 평균속도 80 km/h 이상의 고속운행이 일정하게 지속되는 short trip으로 구성되어 RPA가

Fig. 7 Relative positive acceleration of short strip in real-road PEMS test routes, NEDC and CVS-75

주행경로 중 가장 낮은 수준인 0.07 ~ 0.11 m/s²의 좁 은 범위에 분포하였다. up-downhill의 경우, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 경사로를 반복해서 올라가는 구 간으로 short trip의 평균속도는 중속영역인 40 ~ 50 km/h 사이에 나타나며, RPA 분포는 상대적으로 낮 은 수준인 0.15 ~ 0.19 m/s²의 좁은 범위에 분포하는 것으로 나타났다.

3.3 주행경로 평균 NOx 배출특성

각 주행경로에 대한 배출가스 시험은 총 3회 수행 하여 측정값을 평균하였으며, Fig. 8에 각 주행경로 에서 시험차량의 평균 NOx 배출량을 NEDC 및 CVS-75 배출 허용기준과 비교하여 나타내었다. 가 솔린 자동차의 경우, 모든 시험경로에 대한 실제도 로 평균 NOx 배출량은 0.017 g/km로 측정되었으며, 이는 CVS-75 배출 허용기준인 0.044 g/km의 약 40%

로 매우 낮은 수준이다. 주행 경로별로는 city 1 구간 에서 최대 배출량인 평균 0.023 g/km, up-downhill에 서 최소 배출량인 평균 0.009 g/km을 배출하였으며, 이는 각각 배출 허용기준의 약 53% 및 약 21% 수준 이다. 경유자동차에 대한 모든 시험경로의 평균 NOx 배출량은 NEDC 허용기준인 0.28 g/km을 약 4.3배나 초과한 1.19 g/km로 측정되었다. 경로별로 는 highway에서 NEDC 허용기준의 약 3.8배인 평균 1.06 g/km로 나타나 시험경로 중 가장 작은 양의 NOx를 배출하였으며, up-downhill에서 NEDC 허용 기준의 약 5.3배인 평균 1.47 g/km로 가장 많은 NOx

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Fig. 8 Average NOx emissions on real-driving PEMS test routes and certification emission limits

를 배출하였다. 특히 3.0 SUV 차량의 경우, up-downhill 에서 허용기준의 약 7.3배인 2.04 g/km로 시험차량 중 가장 많은 NOx를 배출하는 것으로 나타났다. 한 편, 2.2 VAN 차량의 경우, NOx 배출량은 허용기준 의 약 1.3배 수준인 평균 0.35 g/km로 측정되어 경유 자동차 중 가장 낮은 수준을 나타내었으며, highway 경로에서는 허용기준보다 낮은 수준인 평균 0.25 g/km을 배출하였다.

3.4 시험자동차 평균 NOx 배출특성

Fig. 9에는 모든 주행경로에서 각 시험자동차의 평균속도 분포에 따른 평균 NOx 배출량을 나타내 었다. 모든 주행경로에 대한 평균차속은 80 km/h 이 상인 highway 구간을 제외하며 중속영역인 30 ~ 60km/h 사이에 분포한다. 휘발유 자동차는 주행경 로 및 주행경로 전체 평균차속에 관계없이 CVS-75 허용기준 보다 낮은 것으로 나타났다. 그러나 경유 자동차의 경우, 2.2 VAN 차량의 highway를 제외하 면, 모든 차량이 주행경로 및 전체 평균차속에 관계 없이 NEDC 허용기준을 모두 초과하는 것으로 나타 났다. 2.2 VAN 차량은 highway를 제외하면 30 ~ 55 km/h 평균속도 범위에서 허용기준 대비 약 1.1 ~ 1.7 배 높은 수준의 주행경로 평균 NOx 배출량을 나타 냈으며, 2.0 SUV 및 3.0 SUV 차량은 모든 주행경로 에서 평균 NOx 배출량이 허용기준 대비 약 4.3 ~ 7.3 배 높은 것으로 측정되었다. 특히, 이 두 차량은 각 각 up-downhill에서 가장 높은 수준인 NEDC 기준 대

Fig. 9 Average NOx emissions as function of average vehicle and certification emission limits

비 약 6.8배 및 7.3배 높은 평균 NOx 배출량을 나타 내었다.

3.5 이동평균 배출가스 특성

본 연구에서는 2.4절에서 설명한 바와 같이 향후 국내와 EC에서 PEMS 기반 RDE-LDV 인증시험 적 용이 예상되는 WLTC 주행모드 CO2 배출량 기준 MAW 분석방법을 적용하였으며, 시험차량 중 가솔 린 및 경유자동차인 2.0 Sedan, 3.0 SUV 차량을 대상 으로 차속에 따른 이동평균구간 NOx 배출량 분석 결과를 NEDC 및 CVS-75 인증모드 시험결과 및 배 출 허용기준과 비교하여 Fig. 10에 나타내었다.

2.0 Sedan 가솔린 자동차에 대한 실제도로 주행 NOx 배출량에 대한 MAW 분석결과, 평균차속이 80 km/h 이상의 highway 및 combined 경로의 일부 구간 과 구간 평균차속이 40 ~ 60 km/h인 city 경로의 일부 구간에서 배출가스 허용기준을 초과하여 분포하였 다. 그러나 대부분의 평균구간에서 NOx 배출량은 주행경로에 관계없이 CVS-75 허용기준 이내에서 차대동력계에서 수행한 인증모드 시험결과 보다 낮 은 수준으로 분포하고 있는 것으로 측정되었다.

3.0 SUV 경유자동차의 경우, NEDC 인증모드 시 험결과는 허용기준을 만족하였으나, 실제도로 주행 경로에서 각 평균구간들의 NOx 배출량은 NEDC 허 용기준을 상당히 초과하는 것으로 측정되었다. 각 평균구간들의 NOx 배출량은 city 경로에서 NEDC 허용기준 대비 약 2.6 ~ 10.2배, combined에서 약 2.6 ~

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Seonil Oak․Myoungdo Eom․Jongtae Lee․Junhong Park․Jichul Kim․Mun Soo Chon

(a) 2.0 Sedan (gasoline)

(b) 3.0 SUV vehicle (diesel)

Fig. 10 Real-driving NOx emissions averaged by moving average window method as function of vehicle speed

9.7배, highway에서는 약 2.3 ~ 9.0배 높게 분포하는 것으로 나타났으며, up-downhill에서는 본 연구에서 수행한 시험경로 중 가장 높은 수준인 약 35 ~ 55 km/h의 평균구간 속도 범위에서 NEDC 허용기준 대 비 약 4.5 ~ 13.5배 높은 수준의 NOx를 배출하고 있 는 것으로 측정되었다.

이러한 MAW 방법에 의한 NOx 배출량 분석결과 를 기준으로 시험차량이 배출가스 허용기준에 부적 합하다고 판단하기에는 다소 무리가 있지만, CO2

배출량을 기준으로 설정된 실제도로 주행구간에서 시험차량의 배출가스 수준을 허용기준 관점에서 판 단한다는 측면에서 매우 의미 있는 분석결과라고 할 수 있다.

한편, 1초 단위로 생성된 각 이동평균구간 내의

Fig. 11 Average deviation ratio for real-driving NOx emissions with moving average window analysis

NOx 배출량과 시험차량에 적용되는 CVS-75 및 NEDC 인증 시험모드의 배출허용 기준과의 비율인 DR(deviation ratio)를 분석하였으며, 각 주행경로에 대한 시험자동차의 평균 DR를 Fig. 11에 나타내었 다. 가솔린 자동차인 2.0 Seden 및 3.0 Sedan의 각 주 행경로별 평균 DR은 최대 0.15 미만으로 CVS-75 허 용기준 대비 상당히 낮은 수준임을 확인할 수 있다.

그러나 경유자동차의 주행경로별 평균 DR는 시 험차량 모두 NEDC 허용기준을 초과하는 것으로 측 정되었다. 본 연구에서 시험한 경유자동차의 주행 경로별 평균 DR는 5.1 ~ 8.4 사이에 분포하는 것으 로 나타났으며, up-downhill 경로에서 최대값인 8.4 로 분석되어 이 구간에서 허용기준 대비 가장 높은 수준의 NOx를 배출하고 있음을 DR 분석에서 다시 한 번 확인할 수 있다. 각 시험차량의 모든 주행경로 에 대한 평균 DR는 2.1 ~ 9.7 사이에 분포하는 것으 로 분석되었으며, 2.0 SUV 차량의 up-downhill 경로 평균 DR가 측정값 중 가장 높은 수준인 약 12.0으로 평가되었다.

Fig. 12에는 Fig. 10에 나타낸 2.0 Sedan 가솔린 자 동차 및 3.0 SUV 경유자동차에 DR 누적분포에 대한 분석결과를 나타내었다. 2.0 Sedan의 DR 누적분포 최대값은 고속 주행구간이 포함된 combined 경로와 highway 경로에서 상대적으로 높게 나타나고 있으 나 주행경로에 관계없이 대체적으로 1.0 이하인 것 으로 나타나 CVS-75 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다. 주행경로별 최대 DR값은 city 1과 city 2

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Characteristics of Real-road Driving NOx Emissions from Korean Light-duty Vehicles regarding Driving Routes

(a) 2.0 Sedan (gasoline)

(b) 3.0 SUV vehicle (diesel)

Fig. 12 Cumulative frequency of real-driving NOx emissions expressed as deviation ratios with moving average window analysis

경로에서 각각 0.38과 0.29, combined 1과 combined 2에서는 각각 0.60과 0.72, highway에서 2.0 Sedan 차 량의 가장 높은 값인 1.04로 나타났으며, up-downhill 경로에서는 최대 DR값 0.01 미만인 것으로 분석되 었다.

그러나 3.0 SUV 경우에는 모든 주행경로에서 NEDC 배출 허용기준을 상당히 초과하는 것으로 분 석되었으며, 특히 up-downhill 경로의 DR 누적분포 가 다른 주행경로 대비 상당히 높게 분포하는 것으 로 나타났다. 3.0 SUV 차량의 주행경로별 최대 DR 값은 city 1과 city 2 경로에서 각각 8.8과 12.8, combined 1과 combined 2 경로에서 각각 12.1과 9.6, highway 경로에서 11.0으로 나났으며, up-downhill 경로에서는 3.0 SUV 차량의 최대 DR값인 14.8로 나

타나 DR 누적분포 분석에서도 이 주행경로의 NOx 배출량이 가장 높은 수준인 것으로 평가되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 유럽, 미국 등과 같은 주요 경쟁국 들과 동등한 수준의 배출가스 관리제도의 적용 가능 성을 검토하기 위하여 현재 EC-JRC 등에서 개발되 고 있는 PEMS 기반 RDE-LDV 시험방법을 고려하여 시험경로를 선정하고 국내 소형자동차 5대에 대해 각 주행경로에 따른 질소산화물 배출특성을 평가하 였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 본 연구에서 사용한 PEMS 장비의 측정 데이터 의 신뢰성을 확인하기 위하여 차대동력계에서 CVS 분석장비와 비교하였으며, 특히 NOx 배출 량에 대한 매우 높은 상관관계를 정량적으로 확 인하였다.

2) PEMS 시험을 수행하기 위한 주행경로 특성을 short trip의 평균차속과 RPA를 주요변수로 분석 한 결과, 각 주행경로의 평균차속에 대한 RPA는 인증시험 모드보다 넓게 분포되어 인증시험에 서 나타나지 않은 실제도로의 다양한 운전패턴 이 반영되었음을 확인하였다.

3) 가솔린자동차의 모든 주행경로에 대한 평균 NOx 배출량은 CVS-75 허용기준의 약 40% 수준인 0.017g/km로 측정되었다. 경유자동차의 경우에는 NEDC 허용기준을 약 4.3배나 초과한 1.19g/km 로 측정되었으며, up-downhill 경로에서 허용기 준의 약 5.3배 수준인 1.47g/km로 가장 많은 NOx 를 배출하였다.

4) WLTP 주행모드의 CO2 배출량을 기준으로 이동 평균구간을 선정하여 인증 시험모드의 배출허 용 기준과의 비율인 DR를 분석한 결과, 가솔린 자동차의 경우 NOx 배출량에 대한 평균 DR값이 최대 0.15 미만인 것으로 분석되었으나, 경유자 동차는 주행경로별 평균 DR는 5.1 ~ 8.4 사이에 분포하였다. 특히, up-downhill 경로에서 시험경 로 최대값인 8.4로 나타나 이 구간에서 가장 높은 수준으로 NOx를 배출하고 있음을 다시 한 번 확 인할 수 있으며, 이러한 경향은 DR 누적분포 분 석에서도 동일하게 나타났다.

(9)

옥선일․엄명도․이종태․박준홍․김지철․전문수

후 기

본 연구는 한국형 오토오일 사업과 국립환경과학 원의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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