A Study on the Emission Characteristics of Korean Light-duty Vehicles in Real-road Driving Conditions

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국내 소형자동차의 실제 도로 주행 배출가스 특성에 관한 연구

박 준 홍^*․이 종 태․김 선 문․김 정 수․안 근 환

국립환경과학원 교통환경연구소

A Study on the Emission Characteristics of Korean Light-duty Vehicles in Real-road Driving Conditions

Junhong Park^*․Jongtae Lee․Sunmoon Kim․Jeongsoo Kim․Keunwhan Ahn

Transportation Pollution Research Center, National Institute of Environmental Research, Gyeongseo-dong, Seo-gu, Incheon 404-708, Korea

(Received 26 March 2013 / Revised 26 April 2013 / Accepted 26 April 2013)

Abstract : Strengthening vehicle emission regulation is one of important policies to improve air quality in urban area.

Due to the limitation of specified driving cycles for certification test to reflect real driving conditions, additional off-cycle emission regulations have been adopted in US and being developed in Europe. The driving cycles of US or Europe have been used in emission certification for Korean light-duty vehicles, but it has not been known how well the driving cycles reflect various real driving patterns in Korea. In that point of view, it is required to estimate vehicle emission based on real road driving conditions to raise the effectiveness of vehicle emission regulation in Korea. In this study, real driving emission measurements have been conducted for three Korean light-duty vehicles with PEMS. The driving routes consisted of urban, rural and motorway in Seoul and Incheon. The data have been analyzed with various averaging methods including moving averaging windows method and compared to emission limits set with emission certification modes applied to tested vehicles. The results have shown that the real driving pollutant emissions of a gasoline and a LPG vehicles have been ranged quite lower than those of emission limits on CVS-75 driving cycle. But real driving NOx of a light duty diesel vehicle has been considerably higher than emission limit of NEDC driving cycle.

The higher than expected NOx emission of a diesel vehicle might be caused by different strategy to control EGR in real driving condition from NEDC driving.

Key words : Real driving emission(실제도로주행 배출가스), Portable emission measurement system(이동식 배출 가스 측정장비), Moving averaging window method(이동평균구간 방법), Deviation ratio(인증기준 대비 비율)

1. 서 론¹⁾

자동차에서 배출되는 대기오염물질을 저감하기 위하여 국내에서는 대기환경보전법에 따라 배출가 스 인증 제도를 시행하고 있다.¹⁾ 배출가스 인증은 개발이 완료된 자동차에 대해서 규정된 인증 시험 방법에 따라 배출가스 시험을 수행하고, 내구성을 포함한 시험결과가 배출허용기준 이내 인지를 확인

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

하는 제도이다. 자동차 대기오염물질의 저감을 위 해 배출허용기준은 지속적으로 강화되어왔다. 국내 의 경우 휘발유 자동차는 미국 캘리포니아²⁾의 제도 를 도입해 왔고, 경유자동차는 유럽의 제도³⁾를 적용 하고 있다. Fig. 1에는 2000년 이후의 주요 대기오염 물질에 대한 국내 소형차 배출허용기준의 변화를 나타내었다. 국내 소형차 배출허용기준은 지난 10 여년 동안 NMHC와 NOx는 약 5.3~8.4배 강화되었 고, 경유차의 PM은 약 22배 강화되었다. 그러나 이

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박준홍․이종태․김선문․김정수․안근환

러한 배출허용기준 강화정책의 효과가 실제 도로 주행조건에서도 그대로 나타나는지에 대해서는 상 당한 의문이 제기되고 있다. 이러한 의문은 인증시 험 만으로는 다양한 실제 도로 주행 조건을 반영하 는데 한계가 있다는 점에서 기인한다고 볼 수 있다.

R.Joumard et al.,⁴⁾ Luc Pelkmans et al.,⁵⁾ Michel Andre et al.⁶⁾의 연구들은 실제 도로 주행시에 나타나는 다 양한 운전조건을 반영한 배출가스 시험 결과는 인 증시험과 상당한 차이가 있음을 보여준다. 이러한 점은 강화된 배출허용기준에도 불구하고, 도심지의 대기오염 감소효과가 뚜렷하게 나타나지 않는 것의 한 원인으로 지적되기도 한다. 유럽의 자동차 규제 설정시 정부기관 및 산업계간의 협의체인 CARS 21⁷⁾은 자동차 배출허용기준 강화 정책에도 불구하 고, 유럽 주요 도시의 NO2 농도가 감소하지 않았음 을 확인하고, 정책적인 대안이 필요함을 제시하였 다. Fig. 2에 나타내었듯이 서울의 대기오염농도 변 화도 유럽과 유사한 경향을 나타내고 있다.⁸⁾

Fig. 1 Strengthened emission limit for light-duty vehicles in Korea since 2000

Fig. 2 Trend of PM10 and NO2 concentration in Seoul since 2000

이러한 문제점을 정책적으로 해결하기 위해 실제 도로 주행 조건을 기반으로 한 배출가스 평가방법 들이 인증시험에 도입되었거나 개발 중에 있다. US EPA⁹⁾는 자동차 배출가스 인증에 활용하고 있는 FTP-75 모드가 70년대의 LA 시내 주행조건으로 개 발되어 대표성이 떨어짐을 인지하고, 1996년에 일 명 SFTP 시험방법을 도입하였다. SFTP는 급가속 및 고속과 같은 가혹운전조건(US06)과 에어컨 가동조 건(SC03) 같이 FTP-75로는 반영할 수 없는 실제 도로 주행조건을 모사한 시험방법이다. EU¹⁰⁾는 NEDC 주행모드가 유럽의 실제 도로 주행 패턴을 반영하 는데 한계가 있음을 확인하고, 인증시험 모드의 변 경과 실제 도로 주행 시험방법을 개발하기로 결정 하였다. US EPA가 인증시험 방법 이외에 실험실용 추가 주행모드를 개발하였다면, EU는 PEMS를 이 용한 실제 도로 주행시험 방법을 고려하고 있다. 국 내의 경우 미국의 FTP-75와 유럽의 NEDC 만을 도 입하여 배출가스 인증시험에 활용하고 있는 만큼, 실제 도로 주행시험 방법에 대한 검토가 필요한 시 점이다.

본 연구에서는 PEMS를 이용하여 국내 자동차의 실제 도로 주행 배출가스 수준에 대하여 조사하였 다. PEMS는 대형차에서 결함확인검사 제도의 수단 으로 먼저 도입되었다. US EPA¹¹⁾는 2000년부터 PEMS를 이용한 NTE 제도 연구를 추진하였고, 2007 년 제작차 부터 규제로 시행하였다. EU¹²⁾는 2013년 EURO-6 대형차 인증부터 PEMS를 이용한 결함확 인검사 제도를 도입하기로 하였다. PEMS는 소형차 연구에도 다양하게 적용되고 있는데, 본 연구와 관 련하여 주목되는 연구는 EC-JRC^13,14)에서 수행한 연 구이다. EC-JRC는 2007~2010년까지 EURO-3~5 소 형차 12대에 대해 PEMS를 이용하여 실제 도로 주행 배출가스를 측정하였다. 그 결과 경유자동차의 NOx는 실제 도로 주행 조건에서 NEDC 배출허용기 준의 4~7배 수준으로 배출됨을 확인하였다. 이 연구 결과는 유럽에서 실제 도로 주행 배출가스 시험방 법으로 PEMS를 추진하게 된 기초 자료가 되었다.

본 연구에서도 EC-JRC에서 제안한 연구 방법을 토 대로 하여 국내 소형차 3대에 대해 실제 도로 주행 배출가스 평가를 수행하였다.

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2. 연구방법 2.1 시험자동차

시험자동차로는 휘발유, 경유, LPG 자동차 각 1 대를 선정하였다. Table 1에 시험자동차의 주요 제 원을 나타내었다. 시험자동차는 모두 2011년식의 신차이며, 2009년부터 시행된 국내 배출허용기준에 따라 생산되었다. 휘발유 및 LPG 자동차는 세단형 이고, 경유차는 SUV이다. 시험자동차간의 배기량, 형상, 중량에 차이가 있어서 시험차량간의 배출가 스를 직접적으로 비교하는 것은 큰 의미가 없을 수 있다. 이점을 고려하여 본 연구에서는 차종별 배출 가스를 직접 비교하기 보다는 각 차종에 설정된 배 출허용기준과 비교하여 분석하는 방법을 주로 적용 하였다.

Table 1 Main specifications of test vehicles

Vehicle 2.4GDI 2.0LPI 2.0SUV Fuel type gasoline LPG Diesel

Model year 2011 2011 2011

Engine

displacement (cc) 2359 1999 1995 Gross vehicle weight (kg) 1850 1940 2510 Rated power (kW) 147.7 115.4 135

Emission level ULEV ULEV EURO-5

2.2 이동식배출가스 측정(PEMS) 장비 Fig. 3에 PEMS의 구성에 대해서 나타내었다.

PEMS는 배기가스 분석기, 배기가스 유량계 및 샘플 링 장치, 측정용 가스, 전원공급장치, 제어 및 데이 터 분석 장치로 구성된다. 배기가스 농도와 유량 데 이터를 통해 질량단위의 실시간 배출율(g/s)을 산출 할 수 있고, 주행거리는 GPS 또는 ECU 데이터를 이 용한 차속으로 산출할 수 있다. 이들을 조합함으로 서 소형차 인증 기준과 동일한 단위인 주행거리 당 배출량(g/km)을 산출할 수 있다.

PEMS의 신뢰도는 미국과 유럽의 대형차 결함확 인검사 제도 도입 과정에서 상당부분 검증되었

다.^15,16) 소형차 부분에서도 다양한 연구가 이루어지

고 있으며, Nam et al.,¹⁷⁾ Martin et al.¹⁴⁾은 PEMS 장비 가 소형차에서도 충분히 적용 가능한 신뢰도를 가 지고 있는 것으로 확인하였다. 국내에서는 Lee et

al.,¹⁸⁾ Park et al.¹⁹⁾이 PEMS를 적용하여 실제 도로 주 행 배출가스 관련 연구를 수행한 바 있다.

본 연구에서는 시험에 사용한 PEMS의 기본적 인 신뢰성을 평가하였다. 차대동력계에서 다양한 주행모드를 이용하여 주행하고, 이때의 배출가스 를 CVS와 PEMS로 동시 분석하여 그 결과를 비교 하였다. 본 연구에서는 호리바사의 OBS-2000 모델 을 활용하였다. 배기가스 분석기의 측정원리는 인 증용 장비와 동일하게 THC는 FID, CO, CO2는 NDIR, NOx는 CLD 방식을 적용한다. 배출가스 인증용 장 비는 CVS 터널의 희석공기 농도를 측정하는 반면 에 PEMS는 배출가스를 직접 측정하는 방식을 적 용하므로, 농도 측정 범위는 상대적으로 상당히 넓 게 설정된다. PEMS 장착시에는 전원공급을 위한 배터리의 설치로 시험 차량 중량 증가는 불가피 하 다. 배출가스 인증시험의 경우 공차상태에서 휘발 유 및 가스차는 2명의 탑승자 중량(136kg), 경유차 는 운전자와 일반 적재물 중량(100kg)이 포함된다.

본 연구에서는 시험차량의 중량 증가를 최소화하 기 위하여 뒷 좌석, 스패어 타이어 등을 탈거하였 다. 그럼에도 PEMS 장착시 인증시험에서 규정하 는 시험중량 보다는 약 100kg 정도 증가하였다. 증 가된 중량은 시험차량의 총중량 이내 이지만, 일정 부분 자동차 배출가스에 영향을 줄 수 있을 것이 다. 그러나 이 정도의 중량 증가는 실제 도로 주행 에서 빈번히 발생할 수 있는 조건이므로, 본 연구 의 목적에서 벗어나지는 않는 것으로 판단되며, 본 연구의 결론을 도출하는 데에도 큰 영향이 없었다.

이는 EC-JRC¹³⁾ 및 Martin et al.¹⁴⁾의 연구와 동일한 관점이며, 향후 유럽의 RDE-LDV 시험 방법에서 도 일정 수준의 시험차량 중량 증가는 허용될 것으 로 예상된다.

Fig. 3 Schematic diagram of PEMS

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2.3 도로 주행 경로의 설정

도로 주행 시험은 서울과 인천의 도로에서 수행 하였다. EC-JRC¹³⁾의 연구에서는 이탈리아의 밀라 노 근교에서 평가를 수행하였는데, 도로 유형을 도 심, 교외, 자동차 전용도로로 구분하고 이들을 조합 한 경로를 설정하였다. 본 연구에서도 이러한 방식 을 적용하여 Table 2와 같이 3개의 주행경로로 구성 하였다. 각 경로는 도로유형에 따라 세부구간을 설 정하였다. 올림픽도로와 강변북로와 같은 도심 내 전용도로는 인천공항고속도로와 주행특성에서 명 백히 차이가 있다. 이들을 각각 “Motorway”와 “High- way”로 구분하였다. 시험차량별로 3개의 경로에 대 해 각 2회씩 도로 주행 시험을 수행하였다.

주행경로의 특성을 분석하기 위해 주행 변수 중 차속과 RPA를 주요인자로 선정하였다. Joachim et al.²⁰⁾에 따르면 RPA는 식 (1)과 같이 정의되는데, 특 정 주행구간의 부하를 나타내는 변수로 폭넓게 사 용된다. 본 연구에서는 국내 인증시험 모드와 도로 주행 경로에서의 차속, RPA 특성을 비교하였다. 이 를 통해 인증시험과 실제 도로 주행 간의 주행패턴 차이를 고찰하였다.

_{ }





_^^{ }^^

(1) where  : Relative Positive Acceleration  : Vehicle speed

^^: Positive acceleration  : Distance travelled in a trip  : Time duration in a trip

2.4 배출가스 측정결과의 분석방법

본 연구 대상인 소형차의 배출가스 규제는 단위 주행거리 당 배출량(g/km)으로 설정되어 있다. 배출 가스 인증 시에는 규정된 모드를 주행하므로, 동일 한 주행조건에서 시험차량 간 또는 배출허용기준과 비교할 수 있다. 도로 주행 시험의 경우에는 동일한 경로를 주행한다 하더라도 교통상황에 따라 속도, 가속도 등의 주행특성은 달라진다. 따라서 실제 도 로 주행 배출가스의 분석에는 특정 값을 산정하기 보다는 다양한 도로 주행 특성에 따라 배출가스가

Table 2 Test routes for real-road driving emission measurement

Route

no. Sub-link Road type

/distance (km)

1

국립환경과학원-공촌사거리- 백석고가

Urban (9)

백석고가-매립지도로-행주대교 Rural

(12)

행주대교-올림픽대로-종합운동장 Motorway

(30)

종합운동장-올림픽대로-행주대교 Motorway

(32)

2

국립환경과학원-아라뱃길 Rural

(15)

행주대교-올림픽대로-종합운동장 Motorway

(30)

종합운동장-테헤란로-반포대교 Urban

(12)

반포대교-강변북로-방화대교 Motorway

(18)

방화대교-인천공항고속도로 Highway

(41)

3

국립환경과학원-아라뱃길 Rural

(15)

행주대교-올림픽대로-양화대교 Motorway

(14)

양화대교-성산로-광화문-여의도 Urban

(17) 여의도-올림픽대로-인천공항

고속도로

Highway (49)

어느 수준으로 분포하는 지의 관점에서 접근할 필 요가 있다. 이런 관점에서 본 연구에서는 주행경로 별, 도로유형별, 구간 평균 차속 등 다양한 인자에 따라 단위 주행거리 당 평균값을 산출하였다. 또한, EU의 RDE-LDV 시험방법에서 적용이 예상되는 이 동평균구간 방법을 적용하였다. 이 방법은 Shade et al.²¹⁾에 의해 제안된 방법으로서 유럽의 대형차 배 출가스 결함확인검사의 데이터 분석 방법으로 적용 되었다.¹²⁾ EC-JRC¹³⁾는 소형차 배출가스 연구에서도 이 분석 방법을 일부 변형하여 적용하였는데, 본 연 구에서도 이를 이용하여 배출가스 평균을 산출하였 다. 이동평균구간 분석 방법은 계산 시작시점부터 누적 CO2 배출량이 기준값에 도달하는 시점까지를 하나의 계산 구간으로 정의하고, 그 계산구간에서 의 단위주행 거리당 오염물질 배출량을 산출하는

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A Study on the Emission Characteristics of Korean Light-duty Vehicles in Real-road Driving Conditions

방법이다. 계산 구간을 정의하는 CO2 기준값은 일 반적으로 시험차량의 인증모드 주행시에 배출되는 값으로 설정한다. 배출가스 평균 계산의 시작점을

_ 이라 했을 때 계산 구간은 식 (2)와 같이 정의된다.

시험기간 및 경로에 따라 차이가 있을 수 있지만, 1 회 약 2시간 정도의 주행시에 수천개의 이동평균값 을 구하여 분석할 수 있는 장점이 있다.

_

_ ∆  _

_  _



≦ _

_  _

_ (2)

where, _

: Reference CO2 mass(g)

determined with certification test mode (CVS-75 or NEDC)

_

__

_: Total CO2(g) mass during time ^, ^

∆: Time increment of sampling period (generally 1s)

다양한 방법으로 산출된 평균값을 해당 시험차량 에 설정된 배출허용기준과 비교하였다. 본 연구에 서 도로 주행 배출가스가 배출허용기준 대비 높다 고 하여 이를 기준에 부적합하다고 볼 수는 없다. 그 러나 도로 주행 배출가스의 수준을 파악하고, 향후 의 정책적 대안을 마련한다는 관점에서 본다면, 이 방법은 유효하다고 할 수 있다. 또한, 시험차량의 형 상과 중량이 서로 다르므로, 차량별 결과값을 상호 비교하기 보다는 각 차종에 설정된 허용기준 대비 어느 수준인지를 살펴보는 것이 더 타당한 것으로 판단된다. EC-JRC¹³⁾의 연구에서는 배출허용기준과 실제 도로 주행 배출가스의 평균값에 대한 비율을 식 (3)의 deviation ratio로 정의하였고, 본 연구에서 도 이 개념을 적용하여 결과를 분석하였다.

_{ }



 (3)

where,  : Deviation ratio

: Total emission(g) in averaging windows  : Distance travelled(km) in averaging

windows

^: Emission limit (g/km)

3. 연구결과 3.1 PEMS의 신뢰성

도로 주행 시험에 적용할 PEMS의 신뢰성을 평가 하기 위해 차대동력계 시험에서 CVS와 PEMS로 동 시에 배출가스를 측정하였다. Fig. 4에는 3대의 시험 차량에 대해 다양한 주행모드로 시험한 결과를 나 타내었다. THC, CO, NOx 모두 결정 계수가 0.95 이 상으로서 PEMS 측정결과는 CVS 장비와 상당히 높 은 상관성을 보여주었다. CO2는 결정계수가 0.814 로 타 항목 대비 다소 낮았는데 휘발유 및 LPG 자동 차의 평균차속 약 10km/h 수준의 저속 운전 모드에 서 PEMS와 CVS 결과 값의 차이가 다소 크게 나타 났다. Fig. 5에 2.4GDI 차량으로 평균차속 10km/h 의 주행모드로 시험하였을 때 PEMS와 CVS 장비의 실 시간 CO2 배출율을 나타내었다. 대체로 PEMS와 CVS 장비 간에 양호한 상관관계를 보이지만, 공회 전 운전조건에서는 PEMS로 측정된 CO2 배출율이 다소 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 휘발유차에 적 용되는 이론공연비 연소의 특성상 2.4GDI의 배기가 스 중 CO2 농도는 차속에 관계없이 약 13% 수준에 서 일정하게 나타났다. CO2 배출율은 농도와 질량 유량을 통해 산출되는 점을 고려한다면, 공회전 조 건에서의 CO2 차이는 PEMS 유량계의 배기유량 검출 성능 한계로 인해 나타난 것으로 판단된다. PEMS

(a) THC (b) CO

(c) NOx (d) CO2

Fig. 4 Comparison of emission results between PEMS and CVS equipment in laboratory tests

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Fig. 5 Comparison of real time CO2 emission rate between PEMS and CVS equipment in low speed driving cycle with 2.4GDI

장비의 이러한 유량검출 성능의 한계는 Nam et al.¹⁷⁾ 의 연구에서도 지적된 바 있다. CO는 배출량이 낮은 운전 조건에서는 PEMS 측정결과가 다소 높게 나타 나는 경향을 보였다. PEMS의 신뢰성은 CVS와 비교 하여 대체로 양호한 상관관계를 나타내지만, 저속 운전 조건과 낮은 CO 배출량에 대해서는 다소 오차 가 있으므로, 실제 도로 주행 배출가스 결과 분석시 이를 고려할 필요가 있다.

3.2 도로 주행 경로의 운행 특성

도로 주행시험의 결과 분석에 활용하기 위하여 주행인자 특성을 인증시험 모드와 비교하였다. Fig. 6 에는 시험차종별 도로 주행 시험의 평균차속, RPA 를 인증 시험 모드와 비교하여 나타내었다. 설정된 주행경로에서의 도로 주행 시험시 평균차속은 약 45km/h 로서 인증시험 모드인 CVS-75와 NEDC 모 드의 평균차속 보다는 약 11km/h 높은 수준이었다.

실제 도로 주행시험의 평균 RPA는 약 0.12 m/s² 으로서 NEDC와 유사하지만, CVS-75의 0.18 m/s² 보 다는 낮은 수준이었다. 자동차 대기오염 물질 또는 CO2의 단위 주행거리당 배출량은 대체로 평균차속 이 증가하면 감소하고, RPA 가 증가하면 높아지는 경향인 것으로 알려져 있다.^19,20,22) 이를 고려하였을 때, 본 연구에서 설정한 도로 주행 경로는 인증 시험 모드 보다 배출가스 측면에서 열악한 조건은 아닌

Fig. 6 Characteristics of averaged vehicle speed and RPA in real road test routes and certification test modes

Fig. 7 Characteristics of averaged vehicle speed and RPA of short trips in real road tests of 2.0SUV and certification test modes

것으로 판단된다.

Fig. 7에는 도로 주행시험과 인증시험 모드에서 short trip의 평균차속과 RPA를 비교하여 나타내었 다. 도로 주행 시험 결과는 2.0SUV 차량의 경로-2, 경로-3 주행시에 나타난 특성이다. 본 연구에서 설 정된 주행경로는 인증시험 모드 보다는 넓은 운전 영역에서 수행되었음을 확인할 수 있다. 도로 주행 시험에서 30km/h 이하의 낮은 평균차속의 short trip 에서는 RPA가 0.2~0.5 m/s²으로 분포되었다. 평균 차속 60km/h 이상의 고속 운전 short trip 에서 RPA는 약 0.08 m/s² 수준으로 저속, 중속 보다는 낮게 나타 났다. CVS-75 주행모드의 short trip은 평균 차속이 20~70km/h 영역에서 분포하고, RPA는 0.2~0.6 m/s² 에서 대체로 폭넓게 분포되었다. 이에 반해 NEDC 주행모드에서 나타나는 short trip의 경우 평균차속 은 10~70km/h에서 분포하지만, RPA는 0.09~0.2 m/s² 으로서 도로 주행 조건의 낮은 가속도 영역에서 주 로 분포되었다. 즉, 경유자동차의 인증 시험모드인

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NEDC는 도로 주행에서 나타날 수 있는 운전 범위 중에서 저속 및 중속 영역은 상당히 낮은 가속도 구 간만을 반영하는 것으로 판단된다.

3.3 도로주행 배출가스 평균 3.3.1 주행경로별 배출가스 평균

도로주행시험 전에 시험차량의 배출가스가 허용 기준에 적합한지를 우선 확인하였다. Table 3에 각 시험차량을 차대동력계에서 인증모드로 주행했을 때의 결과 값을 나타내었다. 3대의 시험자동차는 모 두 배출허용기준에 적합한 수준이었다. 휘발유 및 가스자동차는 탄화수소를 NMOG로 규제하지만, 현 행 PEMS 기술은 THC로만 측정이 가능하여 그 결과 를 나타내었다. 2.4GDI와 2.0LPI의 THC는 NMOG 기준 대비하여 낮은 수준이었다. 경유차는 THC 만 으로 규제하지 않고, THC + NOx의 값으로 규제하 는데 기준은 0.23 g/km 이다. NOx 기준이 0.18 g/km 임을 고려한다면, 20SUV의 THC 배출량은 상당히 낮은 수준으로 판단된다.

Table 2의 3가지 주행경로를 2회씩 주행한 평균값 을 Fig. 8에 나타내었다. THC는 2.0LPI가 0.002±

0.001g/km 로 가장 낮게 나타났다. 휘발유 및 LPG 자동차의 탄화수소는 NMOG로 규제하며 허용기준 은 0.034g/km 이다. NMOG는 THC에서 CH4를 제외 하고 유기성 화합물은 포함하는 값이다. 시험자동 차들의 도로 주행 THC 평균값은 CVS-75 모드로 설 정된 휘발유 및 가스 자동차의 NMOG 배출허용기 준 보다는 낮은 수준이었다. CO의 평균값은 2.0SUV 가 0.003±0.003g/km로 가장 낮았는데 이는 NEDC 주 Table 3 Emission of test vehicles in certification driving

cycles (unit: g/km)

Vehicle THC CO NOx Driving

cycles 2.4GDI 0.026 0.323 0.006 CVS-75

2.0LPI 0.004 0.104 0.004 CVS-75

2.0SUV 0.008 0.075 0.163 NEDC

*E.L. of gasoline and gas vehicles

**0.034 1.31 0.044 CVS-75

*E.L. of diesel

vehicles - 0.5 0.18 NEDC

*E.L. : Emission Limit

** : Emission limit value as NMOG

(a) THC

(b) CO

(c) NOx

Fig. 8 Real driving emissions averaged in total distance of test routes

행모드 허용 기준인 0.5g/km 대비 매우 낮은 수준이 었다. 2.4GDI의 CO 평균값은 0.155 ±0.063g/km로서 시험자동차 중 가장 높았지만, CVS-75 주행모드 허 용기준인 1.31g/km의 약 12% 수준이었다. NOx 평균 값은 2.4GDI와 2.0LPI는 CVS-75 기준인 0.044g/km 대비 상당히 낮은 수준이었지만, 2.0SUV는 0.498

±0.066g/km 로서 NEDC 기준인 0.18g/km 대비 약 2.8 배 수준이었다. EC-JRC¹³⁾의 소형차 실제 도로 주행 배출가스 연구에서 유로-5 경유차의 주행경로 별 NOx 평균값이 0.62±0.19g/km 로 나타났는데, 2.0SUV 차 량도 이와 유사한 수준이었다.

3.3.2 소구간의 배출가스 평균 특성

Table 2의 3가지 주행경로를 구성하는 세부구간 에 대해서 도로 유형별 배출가스 평균값을 Fig. 9에 나타내었다. THC는 2.4GDI와 2.0SUV의 도심 또는 교외 운전 조건에서 상당히 높게 나타났지만, 휘발

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(a) THC

(b) CO

(c) NOx

Fig. 9 Real driving emissions averaged in the distance of sub-links as road types

유차의 CVS-75모드 NMOG 기준인 0.034g/km와 유 사하거나 약간 높은 수준이었다. 2.4GDI의 경우에 는 도심과 교외 구간에서 THC 편차가 상당히 높게 나타났다. Table 3에 나타나있듯이 차량 시험이 시 작되는 구간이 도심과 교외 구간 도로였다. 도로 주 행 시험시 차량은 엔진 냉간 운전 조건에서도 출발 하였는데, 2.4GDI의 높은 THC 편차는 이에 따른 영 향인 것으로 사료된다. CO는 2.4GDI의 도심과 교외 도로 운전조건에서 높게 나타났지만, CVS-75 및 NEDC 허용기준과 비교했을 때 상당히 낮았다.

2.0SUV의 CO 배출량은 전체 도로 운행 조건에서 매 우 낮았다. 2.4GDI와 2.0LPI의 NOx 평균값은 모든 도로유형에서 CVS-75모드 기준인 0.044g/km 보다 낮았다. 반면 2.0SUV는 모든 도로 유형에서 NEDC 기준인 0.18 g/km를 상당히 초과하는 수준이었다.

특히, 고속도로 운행조건에서 0.655±0.11g/km 로서 가장 높게 나타났다.

(a) THC

(b) CO

(c) NOx

Fig. 10 Real driving emissions averaged in the distance of sub-links as averaged vehicle speed

Fig. 10에는 세부구간의 평균차속에 대한 배출가 스 특성을 나타내었다. THC는 2.4GDI의 일부 소구 간들을 제외하면 평균차속에 관계없이 CVS-75 NMOG 기준인 0.034g/km 이하였다. 2.4GDI의 일부 소구간 에서는 평균 THC 배출량이 0.12~0.23g/km 로 매우 높게 나타났는데, 이들은 모두 엔진 냉간 상태에서 시동이 되어 시험이 시작된 구간들이다. CO는 평균 차속에 관계없이 NEDC 허용기준인 0.5g/km 이내 수준이었다. 2.4GDI의 냉간 엔진 운전 구간에서 CO 배출량이 높았지만, CVS-75 기준인 1.31g/km 보다 는 낮게 나타났다. NOx 는 경유차인 2.0SUV의 배출 량이 전체 평균차속 및 운전 조건에서 2.4GDI와 2.0LPI 대비 매우 높게 나타났다. 2.4GDI와 2.0LPI의 NOx 평균값은 냉간 운전 구간에서도 CVS-75 기준 인 0.044g/km 보다 낮게 나타났다. 그러나 2.0SUV의 세부구간 평균 NOx 값은 평균차속에 관계없이 NEDC

(9)

A Study on the Emission Characteristics of Korean Light-duty Vehicles in Real-road Driving Conditions

기준인 0.18g/km의 약 1.9~4.4배 수준으로 높게 나타 났다. 특히 평균차속 40km/h 미만의 저속 구간과 80km/h 이상의 고속 구간에서 평균배출량이 상당히 높게 나타났다. 자동차의 도로 주행 조건은 인증시 험 시의 운전 특성과는 차이가 있으므로, 배출가스 결과에도 다소 차이가 있을 수 있다. 그러나 2.4GDI 와 2.0LPI 차량의 세부구간별 배출가스 평균값 경향 과 비교하였을 때, 2.0SUV의 NOx는 실제 도로 주행 조건에서 NEDC 기준 보다는 상당히 높게 배출되는 것이 명확한 것으로 판단된다.

3.4 이동평균구간 분석 방법 적용결과 이동평균구간의 정의는 각 시험자동차의 인증시 험 모드 주행시의 CO2 배출량으로 설정하였다. CO2

배출량은 연료소모량과 연관성이 있다. 따라서 이 분석 방법은 인증시험 모드 중에 소모되는 연료량 을 배출가스 평균을 산정하는 구간으로 활용한다는 의미도 될 수 있다.

Fig. 11에는 Table 2의 경로-2를 주행한 결과를 이 동평균구간 방법에 따라 분석한 결과를 나타내었 다. 경로-2 주행에는 도로 상황에 따라 약 2시간 35~45분의 시간이 소요되었다. THC는 2.4GDI의 엔 진 냉간 조건의 평균 구간에서 상당히 높게 나타날 뿐, 시험차량들의 대부분의 평균구간에서 CVS-75 NMOG 기준인 0.034 g/km 보다 낮게 나타났다. CO 는 모든 운전 영역에서 2.0SUV의 배출량이 가장 낮 았다. 2.4GDI의 냉간 운전 조건에서 다소 높은 CO 배출량이 나타나지만, 모든 평균구간에서 CVS-75 모드 기준 보다는 낮게 나타났다. 2.4GDI와 2.0LPI 의 NOx는 CVS-75 기준 보다 낮게 나타났다. 그러나 2.0SUV의 평균구간들의 NOx 평균은 NEDC 기준의 2~3.9배 수준으로 높게 나타났다. 특히 평균 차속 100km/h 이상의 고속 운전 영역의 평균구간들에서 NOx 값이 매우 높게 나타났다. 경로-2를 한차례 주 행한 시험 데이터를 이동평균구간 방법에 따라 분 석한 결과는 수차례의 주행시험을 통해 얻은 Fig. 8

~ Fig. 10의 결과와 유사한 경향성을 나타내고 있는 것으로 보인다. 즉, 이동평균구간 분석 방법을 적용 함으로서 적은 시험회수로 다양한 운전 구간의 평 균적인 배출가스 특성을 분석할 수 있음을 시사해

(a) THC

(b) CO

(c) NOx

Fig. 11 Real driving emissions averaged by moving window method as averaged vehicle speed of windows

준다. 이런 점은 PEMS 규제 도입시 결과 분석방법 으로의 적용 가능성을 보여주는 것으로 판단된다.

Fig. 12에는 각 평균구간의 deviation ratio의 수준 을 주행경로별로 나타내었다. 3대 차량 모두 THC와 CO는 거의 모든 평균구간에서 deviation ratio가 1보 다 낮게 분포하였다. 2.4GDI의 THC는 전체 평균구 간 개수 5% 미만에서 deviation ratio가 매우 높게 나 타났고, 주로 냉간상태로 시험을 시작한 경로에서 나타났다. 2.0SUV의 경우 1회의 시험에서 THC의 배출량이 매우 높았는데, DPF 재생이 발생하여 나 타난 것으로 사료된다. NOx는 2.4GDI와 2.0LPI는 모든 주행시험의 모든 평균구간들에서 deviation ratio가 1 보다 낮게 나타났다. 그러나 2.0SUV는 모 든 주행시험에서 정의된 모든 평균구간들에서 deviation ratio가 1보다 높게 나타났다. 2.0SUV의 평 균구간들의 단위 주행 거리당 NOx 값은 NEDC 기

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(a) THC

(b) CO

(c) NOx

Fig. 12 Range of distance specific real driving emissions expressed as deviation ratios with moving averaging window analysis

준의 약 2~5배 수준에서 분포하며, deviation ratio의 평균값은 2.3 ~2.7 수준으로 나타났다.

3.5 실제 도로 주행 배출가스 특성에 관한 고찰 Fig. 8 ~ Fig. 12까지의 결과를 살펴보면, 2.4GDI 는 냉간 운전 조건에서 THC의 배출량이 상당히 높 으며, 2.0SUV의 NOx는 실제 도로 주행 조건에서의 배출량이 전반적으로 NEDC 기준 보다 높았다.

Fig. 13에는 2.4GDI의 냉간 시동 후 엔진 냉각수 온도와 THC 배출율의 변화를 나타내었다. 시험차 량은 냉각수 온도 약 20°C에서 시동되었고, 약 1300 초 동안 약 15km를 주행하였다. 이 기간 동안 배출 된 THC 총량의 90%는 최초 출발 후 35초 이내에서 배출되었다. 이후의 THC 배출율은 주행 속도에 관 계없이 매우 낮은 수준으로 제어되는 것이 뚜렷하

Fig. 13 Real time THC emission of 2.4GDI in a cold start condition

Fig. 14 Real time NOx emission rate and EGR functioning of 2.0SUV in highway driving condition

게 나타났다. 이는 휘발유 자동차의 주요 배출가스 저감장치인 삼원촉매의 활성화 이전 기간 동안 THC 배출량이 높고, 활성화 이후에는 주행패턴에 관계없이 배출가스가 정상적으로 제어되는 것을 보 여준다.

Fig. 14에는 2.0SUV의 고속도로 주행시 차속, NOx 배출율과 ECU의 EGR 듀티 명령값을 나타내었다.

고속 운전조건에서 간헐적으로 EGR의 동작이 중단 되는 구간이 있으며, 그 시점에서 NOx 배출율이 급 증하는 것을 확인할 수 있다. EGR 동작 중단 이유는 제작사의 기술적인 설정으로 추정될 뿐, 정확한 사 유를 확인할 수는 없었다. 고속도로 주행시의 최고 속도는 약 120 km/h 로서 이는 NEDC 주행모드의 최 고속도와 유사하다. 하지만, 고속도로 주행시의

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NOx 배출량은 0.786 g/km로서, NEDC 기준인 0.18g/km 와는 큰 차이를 나타내었다. 2.0SUV의 고 속도로 주행 조건에서 NOx 배출과다는 간헐적으로 동작이 중단되는 EGR 제어와 관계가 있는 것으로 보이는데, 이러한 제어특성은 NEDC 주행시에는 나 타나지 않았다. 이를 고려하였을 때 2.0SUV의 실제 도로 주행시 NOx 배출과다는 NEDC 주행시와 다른 EGR 제어 특성에서 기인한 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 국내 소형차 3대에 PEMS를 탑재 하여 서울, 인천 지역의 실제 도로를 주행하고, 다양 한 평균 산정 방법으로 배출가스 결과를 분석하였 다. 3대의 시험 결과로서 시험차량의 대표성에는 한 계가 있으나, EC-JRC 등의 연구를 함께 고려하였을 때 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

1) 차대동력계를 이용하여 PEMS와 CVS 분석 시스 템으로 다양한 주행모드에서 배출가스를 동시 에 측정하였고, 그 결과를 비교하였다. PEMS와 CVS 분석 시스템간의 결과 상관성은 대체로 양 호한 것으로 나타났다. 그러나 배기가스 유량이 낮은 운전 조건에서는 CO2의 결과 값에 다소 차 이가 있었다. CO의 경우 낮은 측정 범위에서는 PEMS 장비의 성능이 개선되어야 할 것으로 판 단된다.

2) 실제 도로 주행시험과 인증시험 모드간의 주행특 성을 분석한 결과 CVS-75 모드는 상당히 넓은 운 전 영역을 반영하지만, NEDC 모드는 대체로 낮은 가속도 영역만을 반영하는 것으로 나타났다.

3) 경로별 배출가스 평균값을 시험차량에 적용된 인증시험모드의 배출허용기준과 비교하였다.

휘발유 및 LPG 자동차의 THC, CO, NOx는 CVS-75 모드 허용기준 이내에서 분포하였다. 경유차의 THC와 CO는 NEDC 모드 허용기준 보다 상당히 낮은 수준이었지만, NOx 평균값은 0.498 ± 0.066 g/km로서 NEDC 기준인 0.18g/km 대비 약 2.8배 수준이었다.

4) 이동평균구간 방법을 적용하여 분석한 결과 휘 발유 자동차는 냉간 운전 조건에서 THC의 배출 량이 상당히 높게 나타났다. 휘발유 및 LPG 자동

차의 규제물질은 거의 모든 평균구간에서 CVS-75 모드 허용기준 이내에서 분포하였다. 경유차의 THC와 CO는 재생이 발생한 것으로 보이는 운전 조건에서 다소 높게 나타났지만, 거의 모든 운전 조건에서 NEDC 기준 이하로 분포하였다. 그러 나 경유차의 NOx는 모든 평균구간에서 NEDC 기준 보다 약 2~5배 높게 배출되었으며, deviation ratio의 평균값은 2.3~2.7 수준이었다.

5) 휘발유 자동차는 촉매의 활성화 이후에는 주행 패턴에 관계없이 THC 배출율이 낮게 제어되었 다. 경유차의 EGR은 고속운행 조건에서 간헐적 으로 동작이 중단되었고, 이때 NOx 배출율이 급 증하였다. 도로 주행조건에서 경유차의 상당히 높은 NOx 배출율은 EGR의 제어 특성과 관계가 있는 것으로 판단된다.

후 기

본 연구는 2011년도 “한국형 오토오일 연구” 과 제의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

References

1) Korean Ministry of Environment, Regulation of Exhaust Gases from Automobiles, Ships, Etc, Clean Air Conservation Act Chapter 4, 2009.

2) California Air Resource Board, The California Low Emission Vehicle Regulations, 2008.

3) UN ECE Regulation No.83, Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regards to the Emission of Pollutants accor- ding to Engine Fuel Requirements, 2011.

4) R. Joumard, M. Andre, R. Vidon, P. Tassel and C. Pruvost, “Influence of Driving Cycles on Unit Emissions from Passenger Cars,” Atmo- spheric Environment, Vol.34, pp.4621-4628, 2000.

5) L. Pelkmans and P. Debal, “Comparison of On-road Emissions with Emissions Measured on Chassis Dynamometer Test Cycles,” Trans- portation Research Part D, Vol.11, pp.233-241, 2006.

6) M. Andre, R. Joumard, R. Vidon, P. Tassel and

(12)

P. Perret, “Real-world European Driving Cycles, for Measuring Pollutant Emissions from High- and Low-powered Cars,” Atmospheric Environ- ment, Vol.40, pp.5944-5953, 2006.

7) CARS21 High Level Group, On the Competi- tiveness and Sustainable Growth of the Auto- motive Industry in the European Union, Final Report, pp.60-62, 2012.

8) Seoul Metropolitan Government, http://cleanair.

seoul.go.kr, 2013.

9) US EPA, Motor Vehicle Emissions Federal Test Procedure Revisions; Final Regulations, Federal Register, Vol.61, No.205, pp.54851- 54906, 1996.

10) EU, On the Approval of Motor Vehicles with Respect to Emissions from Light Passenger and Commercial Vehicles (Euro5 and Euro 6) and on Access to Vehicle Repair and Maintenance Information, Regulation (EC) No. 715/2007, 2007.

11) US EPA, “Control of Emissions of Air Pollu- tion from New Motor Vehicles; In-use Testing for Heavy-duty Diesel Engines and Vehicles,”

Federal Register, Vol.70, No.113, pp.34594- 34626, 2005.

12) EU, Implementing and Amending Regulation (EC) No. 595/2009 of the European Parliament and of the Council with Respect to Emissions from Heavy Duty Vehicles (EURO VI) and Amending Annexes I and III to Directive 2007/

46/EC of the European Parliament and of the Council, Regulation (EC) No. 582/2011, 2011.

13) M. Weiss, P. Bonnel, R. Hummel, U. Manfredi, R. Colombo, G. Lanappe, P. Le Lijour and M.

Sculati, Analyzing On-road Emisions of Light- duty Vehicles with Portable Emissions Mea- surement Systems (PEMS), JRC Scientific and Technical Reports, EUR 24697 EN, 2011.

14) M. Weiss, P. Bonnel, R. Hummel, A. Provenza and U. Manfredi, “On-road Emissions of Light-

duty Vehicles in Europe,” Environmental Science and Technology, Vol.45, pp.8575-8581, 2011.

15) US EPA, In-use Testing for Heavy-duty Diesel Engines and Vehicles; Emission Measurement Accuracy Margins for Portable Emissions Mea- surement Systems and Program Revisions, Federal Register, Vol.61, No.205, 2008.

16) P. Bonnel, J. Kubelt and A. Provenza, “Heavy- duty Engines Conformity Testing Based on PEMS,” EUR 24921 EN ISBN 978-92-79- 1039-6, 2011.

17) E. K. Nam, A. Mitchea and C. Ensfield, “Dyna- mometer and On-board Emissions Testing of the Honda Insight and Toyota Prius,” SAE 2005-01-0681, 2005.

18) 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.

19) J. Park, J. Lee, T. Lee, J. Kim, J. Kim and J. Kil,

“An Analysis on the Emission Reduction Effect of Diesel Light-duty Truck by Introducing Elec- tronic Toll Collection System on Highways,” J.

KOSAE, Vol.28, No.5, pp.506-517, 2012.

20) J. Demuynck, D. Bosteels, M. De Paepe, C.

Favre, J. May and S. Verhelst, “Recommen- dations for the New WLTP Cycle Based on an Analysis of Vehicle Emission Measurements on NEDC and CADC,” Energy Policy, Vol.49, pp.234-242, 2012.

21) B. C. Shade, D. K. Carder, G. J. Thompson and M. Gautam, “A Work-based Window Method for Calculating In-use Brake-specific NOx Emissions of Heavy-duty Diesel Engines,”

SAE 2208-01-1301, 2008.

22) National Institute of Environmental Research,

“A Study on the National Emission Inventory for Air Pollutant by Transportation Type(II),”

NIER No. 2009-14-1070, 2009.