가솔린 차량의 누적주행거리에 따른 온실가스 배출특성 연구
박진성
†
ㆍ임재혁ㆍ김기호ㆍ이정민A Study on the Emission Characteristics of Greenhouse Gas by Cumulative Mileage of Gasoline Vehicle
Jin-sung Park, Jae-Hyuk Lim, Ki-Ho Kim and Jung-Min Lee
Key Words: CO
2emission( 이산화탄소 배출가스), CH
4emission( 메탄 배출가스), Greenhouse gas(온실 가스), FTP-75 mode ( 도심모드), HWFET mode(고속도로모드), Mileage(누적주행거리)
Abstract
An automobile is composed of a combination of a lot of parts, and it is difficult to maintain the same performance from a new car until it's scrapped. Greenhouse gases included in automobile emissions are typically carbon dioxide and methane. It is expected that this greenhouse gas will change depending on the aging (cumulative mileage) of the automobile However, the greenhouse gas characteristics by cumulative mileage lack of actual data due to time and economic difficulties. Therefore, in this paper, we selected automobile with high sales by displacement in korea and carbon dioxide and methane were measured by using method of the related law. The cumulative mileage is as follows; within 160 km (Statutory mileage by 2010), 6500 km (current statutory mileage), 15000 km (approximately 1-year average mileage of Non-business passenger vehicle). As a result of the test, the emis- sion of carbon dioxide and methane was the smallest at 6,500 km, and increased in order of 15000 km, within 160 km. Also, it was confirmed that the CO
2emission change of a large displacement automobile is more smaller at each mileage. Although the greenhouse gas tends to increase as the mileage of the vehicle, it is thought that additional confirmation is required of since 15,000 km as well, because it can occur deviations due to taming process or mechanical friction of the automobile.
1. 서 론
자동차 배출가스에 포함되어 있는 온실가스는 대표적 으로 이산화탄소(CO
2) 와 메탄(CH
4), 아산화질소(N
20) 가 있고, 이 중 배출량이 가장 많은 것은 이산화탄소이다.
이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 많은 온실가스 중 80% 이상을 차지하여 온난화의 주범으로 꼽히고 있고, 2017 년 전 세계 이산화탄소 배출량은 전년 대비 1.4%
증가한 325억톤으로 사상 최고의 배출량을 기록하여 이
산화탄소 배출량 저감에 노력이 필요함을 보여주고 있 다
(1). 기상청 국가기후데이터센터의 통계자료에 의하면 우리나라의 경우도 서울을 기준으로 2017년 평균기온 이 13.1
oC 로써 평년기온인 12.5
oC 보다 0.6
oC 가 높아지 는 등 온난화 문제가 심각하여 온실가스 저감에 대한 노력이 필요한 실정이다.
온실가스의 저감을 위해 세계 각국은 산업 다방면에 서 발생되는 온실가스 배출량을 제한하는 규제를 통해 국가적인 차원에서 노력하고 있으며, 특히, 2015년 12월 에 파리협정을 통해 전 세계 온실가스 배출량의 95%를 차지하는 국가들이 온실가스 감축 목표를 제출하였고, 국내에서도 2030년 온실가스 배출전망치인 8억 5060만 톤 대비하여 34.3% 감축률을 목표로 하고 있다
(2).
국내 온실가스 배출은 에너지(연료연소) 부문이 87%
(Recieved: 21 Nov 2018, Recieved in revised form: 14 Dec 2018, Accepted: 16 Dec 2018)
†
책임저자, 회원, 한국석유관리원 석유기술연구소 E-mail : [email protected]
TEL : (043)240-7958 FAX : (043)240-7969
수준으로 대부분을 차지하고 있고, 에너지 부문 중 도로 이동오염원이 전체 배출량 대비 20%에 달한다. 도로이 동오염원이란 도로에서 주행하는 자동차로 인한 대기오 염물질 배출량을 산정하는 부문으로 국내 자동차 관리 법에 포함되는 승용차, 승합차, 화물차, 특수자동차, 이 륜차 등이 포함된다. 국내에서는 2020년까지 수송부문 온실가스 주요 감축을 위해 자동차 연비개선 등 녹색기 술 도입을 통해 2천만 톤 감축을 계획하고 있다. 이에 대한 세부사항으로 저탄소차 생산·소비 선순환 구조 형 성 및 추가적인 온실가스 배출기준 강화를 추진하고 있 으나 원활한 목표달성을 위해서는 온실가스 배출에 대 한 다방면에서의 검토가 필요하고 이에 대한 실증자료 가 요구되는 상황이다.
자동차는 수많은 부품의 조합으로 되어 있고, 출시부 터 폐차까지 동일 성능을 유지하기 힘들다. 온실가스 또 한 차량의 노후화에 따라 배출량이 변화할 것으로 예상 이 되지만 장기간 이루어져야 하는 내구 주행과 온실가 스의 측정은 시간적, 경제적 어려움으로 인해 관련한 실 증자료가 아직 많이 부족한 실정이다.
선행 연구에 의하면 약 4만 km에서 8만 km의 누적주 행거리를 가지는 가솔린 차량의 경우 주행거리가 증가 할수록 배출가스가 증가하는 것으로 알려져 있다
(3). 하 지만 운행차가 아닌 신차기준으로 하였을 때 신차상태 에서부터 주행거리가 증가하면서 온실가스가 지속적으 로 증가하는지 에 대해서 확인이 추가적으로 필요하며, 국내에서 온실가스 배출량을 측정·관리하는 누적주행거 리 6,500±1,000 km를 기준으로 하여 그보다 적은 주행 거리 혹은 더 많은 주행거리에서의 온실가스 변화량도 확인할 필요성이 있다.
따라서 본 논문에서는 국내에서 판매량이 높은 가솔 린 차량을 배기량별로 선정하여 비사업용 승용차량의 대략적인 1년 평균 주행거리인 15,000 km 구간까지 내 구주행을 실시하였고, 차량의 대표적인 온실가스인 이 산화탄소와 메탄의 배출량이 어떻게 변화하는지에 대해 연구하여 온실가스 저감을 위한 차량 성능 개선의 기초 자료로 사용하고자 하였다.
2. 시험장치 및 방법
2.1 시험용차량
본 연구에서는 2016년도를 기준으로 1600 cc, 2000 cc, 2400 cc 각 배기량별로 국내에서 판매량이 가장 많은
휘발유 차량을 각 1대씩 선정하였다.
각 차량에 대해서는 여러 운전자가 번갈아가면서 목 표한 내구 주행거리에 도달하기까지 실제 도로 조건에 서 주행하였다. Table 1은 선정된 차량의 세부적인 제원 을 나타낸 것이다.
2.2 시험장치 및 방법
선정된 차량에 대해 2010년까지 사용되었던 온실가 스 측정을 위한 법정 누적 주행거리인 160 km 이내의 신 차 상태일 때와 현행 온실가스 측정 법정 길들이기 누적 주행거리인 6,500±1,000 km, 그리고 비사업용 승용차량의 대략적인 1년 평균 누적 주행거리 15,000±1,000 km를 측 정구간으로 선정하여 각 주행거리에 도달하였을 때 배 출특성을 확인하였다.
자동차에서 배출되는 온실가스를 측정하기 위해 Sin- gle roll(48 inch) 방식의 차대동력계(AVL Zoller)와 배출 가스 분석기(Horiba MEXA-7200)를 사용하였다. 장비 전체에 대한 개략도는 Fig. 1과 같고, 배출가스 분석기 에 대한 상세 제원은 Table 2에 나타내었다.
시험모드는 온실가스의 정확한 측정을 위해 <산업통 Table 1 Specifications of test vehicles
Vehicle
Spec. A B C
Injection type GDI GDI GDI Displacement (cc) 1,591 1,999 2,359 weight (kg) 1,220 1,460 1,640 Max. power (ps) 132 168 190 Max torque (kg·m) 16.4 20.5 24.6
Tire 205/55R16 215/55R17 225/55R17 Model year 2016 2016 2016
Fig. 1 Schematic diagram of chassis dynamometer
상자원부 고시 제 2016-209호>「자동차의 에너지 소비 효율, 온실가스 배출량 및 연료 소비율 시험방법 등에 관한 고시」에 의거하여 우리나라와 미국 등에서 사용 중인 대표적인 시험모드인 FTP-75(Federal Test Proce- dure-75, 도심주행)모드와 HWFET(Highway Fuel Econ- omy Test, 고속주행)모드를 사용하였고, 실시간 주행 패 턴은 Fig. 2와 같으며 각 시험모드별 특성에 대해서는 Table 3 에 나타내었다. 목표 누적 주행거리에 대한 내구 가 완료된 차량을 해당 시험모드로 주행하여 자동차에 서 실시간으로 배출되는 가스 및 차량 데이터를 수집하 였고, 배출가스가 담긴 시료 채취백의 분석을 통해 배출 가스 물질에 대한 최종 결과를 확인하였다.
시험 차량에 대해서는 엔진오일 및 연료의 변화에 따 른 시험 변수를 최소화하기 위해 누적 주행거리가 완료 된 차량에 대해서 엔진오일 및 오일필터, 에어필터를 교 체하였다. 또한 동일한 물성을 가진 연료로 시험하기 위 해 시험에 필요한 연료를 일괄 구매하였고, 물성 변화를 최소화하기 위해 질소를 충전한 다음 밀봉하여 보관하 였다. 내구가 완료된 차량에 대해서는 기존의 연료를 제 거한 이후 시험용 연료를 주입하여 100 km 이상 주행하 며 이전 연료의 영향성을 배제하고자 하였다
(4). 시험에 사용된 엔진오일과 소모품은 차량 제작사의 순정품을 사 용하였고, 시험용 연료의 물성 값은 Table 4과 같다.
자동차의 온실가스 측정은 실제도로가 아닌 차대동력 계 시스템에서 이루어지게 되로 실제도로에서 차량 주 행시 발생하는 저항값을 차대동력계에서 재현해주는 코 스트다운(Coastdown)시험을 통해 저항계수를 산출하게 된다
(5). 이 저항은 타이어와 노면의 마찰에 의한 구름저
항과 엔진 및 트랜스미션과 같은 동력계통에서 발생하 는 내부저항, 주행 중에 받는 바람저항 등에 의해 종합 적으로 결정이 된다. 차량의 주행거리 누적에 따라 구동
Fig. 2 Test modes: (a) FTP-75, (b) HWFET
Table 2 Specification of the emission analyzer
Emis-sion Method Range Linearity and
repeatability
Min. Max.
HC HFID 0~10 ppmC 0~500 ppmC
Withing ±2%
of full scale
CO NDIR 0~10 ppm 0~2500 ppm
CO
2NDIR 0~1 % 0~16%
NOx CLD 0~10 ppm 0~500 ppm
CH
4GC-FID 0~10 ppm 0~50 ppm
Table 3 Key features of the fuel economy test mode
Test mode Average speed Max speed Max accelera-tion Ambient condition
FTP-75 City 34 km/h 93 km/h 5.3 kmh/s 24
oC
HWFET Highway 77 km/h 96 km/h 5.3 kmh/s 24
oC
계통의 변화와 타이어 마모 등으로 인해 주행저항의 변화가 발생할 수 있어, 변화한 주행저항 조건을 반영 하기 위해 차대동력계에서 80 km/h의 속도로 30분 가 량 차량을 예열한 다음 주행저항 재현을 실시하였다.
실제도로의 주행저항 값은 제작사를 통해 제공받아 진 행되었고, 주행저항의 재현은 고시의 절차에 따라 진 행하여 각 속도 구간에서 ±10 N 이내의 오차범위로 설정하였다.
FTP-75 모드의 경우 차대동력계를 통해 재현된 주행 저항 값을 사용하여 시험 전 FTP-75 모드 운전 조건으 로 1회 운전하는 예비주행을 진행하였고, 주행이 완료 된 이후 25±5℃ 유지되는 시험실에서 12~36시간 동안 Soaking 시킨 후 시험을 진행하였다
(6).
시험 순서는 시험법의 순서에 따라 Soaking 후 시험 을 진행하는 FTP-75 모드를 먼저 실시하고, 곧이어 HWFET 모드를 시험하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 누적주행거리에 따른 주행저항 변화 특성 Figure 3 은 도로주행저항 재현을 통해 차대동력계에 서 산출된 주행저항 계수에 대해 FTP-75 모드의 평균 속도인 34 km/h에서 차량에 걸리는 부하를 나타낸 것이 다. 평균속도가 낮고 가감속이 많은 FTP-75 모드 특성 상 속도의 증감과는 관계없이 일정한 부하를 주는 베어 링, 실링, 타이어 등에 의한 저항값이 영향을 많이 주게 되는데
(5), 시험차량 모두 160 km이내의 주행거리에서 주행저항계수가 가장 높았으며, 6,500 km에서 주행저항 계수가 낮게 나타났다.
Figure 4 은 차대동력계에서 산출된 주행저항 계수에 대해 HWFET 모드의 평균 속도인 77 km/h에서 차량에 걸리는 부하를 나타낸 것이다. FTP-75모드에서와는 달
리 누적주행거리에 따라 유사한 주행저항 계수를 보였 는데 이는 고속구간이 대부분인 시험모드의 특성상 속 도에 비례하여 증가하는 동력계통의 저항과 바람저항의 영향이 상대적으로 커졌기 때문이다.
3.2 온실가스 배출특성
3.2.1 누적 주행거리별 FTP-75 모드 온실가스 배출특성 Figure 5 는 160 km 이내의 신차 상태일 때와 누적 주 행거리 6,500±1,000 km, 15,000±1,000 km 상태의 내구 차량에 대해 FTP-75 모드를 주행했을 때의 온실가스 (CO
2, CH
4) 의 배출량을 나타낸 것이다.
CO
2배출의 경우 온실가스 배출측정을 위한 법정 길 들이기 주행거리인 6,500±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 5.0% 가량 배출량이 감소하는 결과를 보였다. 누적주행거리 15,000±1,000 km에서는 Table 4 Specifications of test fuel
Item Value
Density (15
oC) (kg/m
3) 0.7270
R-Factor 0.6
Elemetary analysis_C (m/m)% 0.1410 Elemetary analysis_H (m/m)% 0.8378 Net heat (J/g) 42430
Fig. 3 Dyno load (Coastdown result) at 34 km/h
Fig. 4 Dyno load (Coastdown result) at 77 km/h
160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 2.0% 정도 감소 하는 결과를 보였지만, 6,500±1,000 km 대비하여서는 증가하는 결과를 보였다.
일반적으로 자동차를 길들이는 방법이나 누적 주행거 리에 따라 타이어 마모량이 달라지고 브레이크, 허브 베 어링, 샤프트, 변속기 등의 내부 저항에도 차이가 발생 하는 것으로 알려져 있다
(7-9).
차량이 신차 상태에서보다 6,500±1,000 km 정도 주행 을 했을 때, 타이어 마모에 의한 구름저항과 베어링, 실 링 등의 내부 저항의 감소가 발생하였고, Fig. 3에서 나 타난 저항 변화와 같이 차대동력계를 통해 재현된 주행 저항 계수가 낮아졌기 때문에 이와 같은 결과를 보인 것으로 사료된다.
자동차에서 배출되는 또 다른 온실가스인 CH
4의 경 우에는 배출량이 많지가 않아 CO
2대비하여 환경에 미 치는 영향이 적은 것을 확인할 수 있었고, 누적 주행거 리별 배출량은 CO
2와 비슷한 경향성을 보이는 것을 알 수 있었다.
3.2.2 누적 주행거리별 HWFET 모드 온실가스 배출특성 Figure 6 는 160 km 이내의 신차 상태일 때와 누적 주 행거리 6,500±1,000 km, 15,000±1,000 km 상태의 내구 차량에 대해 HWFET 모드를 주행했을 때의 온실가스 (CO
2, CH
4) 의 배출량을 나타낸 것이다.
누적 주행거리 6,500±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 3.8% 가량 배출량이 감소하는 결과를 보였다. 누적주행거리 15,000±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 2% 정도 감소하 는 결과를 보였지만, 6,500±1,000 km 대비하여서는 1.9% 가량 증가하는 결과를 보였다.
FTP-75 모드와 마찬가지로 HWFET 모드일 때도 동일 한 이유로 인해 차량이 신차 상태에서보다 6,500±1,000 km 정도 주행을 했을 때 온실가스가 저감된 것으로 보 인다. 다만 FTP-75 모드에서보다는 HWFET 모드에서 그 변화량이 적은 것을 확인 할 수 있었는데 이는 HWFET 모드가 FTP-75 모드 대비하여 상대적으로 CO
2배출량이 적고, Fig. 4에서와 같이 고속구간에서는 차대 Fig. 5 Emission Result at FTP-75 mode
Fig. 6 Emission Result at HWFET mode
동력계에서 구현되는 주행패턴의 차이로 인해 FTP-75 모드보다 가속과 감속하는 구간이 적어 차량이 받는 저 항이 비교적 일정하였기 때문으로 사료된다
(10).
FTP-75 모드에 비해 HWFET 모드에서는 고속주행이 대부분을 이루는 만큼 Fig. 4에서 나타낸 것과 같이 누 적주행거리 별로 주행저항이 유사한 수준을 가지고 있 어 변화량이 FTP-75 모드에 비해 상대적으로 적은 것으 로 판단할 수 있었다.
CH
4배출량의 경우에는 CO
2대비하여 배출량이 매 우 적었고 FTP-75 모드에 비해서도 1/100 수준이었으 나, 6,500±1,000 km 까지는 배출량이 감소하였다가 15,000±1,000 km 부터는 증가하는 경향은 유사함을 확 인 할 수 있었다.
3.3 배기량별 온실가스 변화량 비교
Figure 7 는 160 km 이내 주행거리 대비하여 주행거리 6,500±1,000 km 에서 CO
2배출 변화량을 나타낸 것인데, 1,600 cc 차량은 5.5% , 2000 cc 차량은 4.6%, 2,400 cc 차량은 4.0% 수준으로 감소한 결과를 보였다. Fig. 8는 6,500±1,000 km 주행거리 대비하여 1,5000±1,000 km 주행거리에서 CO
2배출 변화량을 나타낸 것인데, 1,600 cc 차량은 3.2%, 2,000 cc 차량은 3.0%, 2,400 cc 차량은 1.5% 증가한 결과를 보였다. 160 km 이내의 누적 주행 거리와 대비하여 주행거리 15,000±1,000 km에서의 CO
2배출량 변화를 비교해보면 2,000 cc 차량이 가장 적었다.
하지만 각 구간별로 보면 2,000 cc 차량의 경우 증가와 감소하는 폭이 컸고, 배기량이 커질수록 CO
2의 증가와 감소하는 양이 적은 경향을 보였다.
CH
4의 경우 배출량이 적어 배기량 별 배출량 변화차 이에 대해 특별한 경향성을 보이지 않았다.
Figure 9 은 배기량별로 차량에 있어 FTP-75 모드와 HWFET 모드의 평균속도에서 실제도로에서 주행할 때 차량에 걸리는 부하를 표로 나타낸 것이다. 이처럼 배기 량이 큰 차량일수록 타이어 구름저항과 동력계통의 저 항이 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이러한 부하의 증가로 인해 동일한 시험모드에서도 배기량이 커질수록 늘어난 부하에 대응하기 위해 더 많은 연료를 사용하게 되고 온실가스 배출량 증가함을 확인 할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 차량의 누적 주행거리가 온실가스 배출 량에 어느 정도의 영향을 미치는지 알아보기 위해 160 km Fig. 7 Difference (%) of CO
2emission at 6500 km com-
pared to 0 km
Fig. 8 Difference (%) of CO
2emission at 15000 km com- pared to 6500 km
Fig. 9 Load value at actual road condition accoding to
vehicle speed
이내의 주행거리와 6,500±1,000 km, 15,000±1,000 km에 서 대표적인 온실가스인 이산화탄소와 메탄의 배출량을 확인하였다.
(1) 누적주행거리에 따라 차대동력계에서 재현되는 주 행저항 값은 6,500±1,000 km에서 가장 적었고, 160 km 이내에서 가장 높은 결과를 보였다. 또한 FTP-75모드에 서는 누적주행거리 별로 주행저항 계수의 변화량이 컸 지만 HWFET모드에서는 상대적으로 적었다.
(2) FTP-75 모드에서는 6,500±1,000 km 누적 주행 거리에서 CO
2배출량이 가장 적은 것을 확인할 수 있 었고, 15,000±1,000 km, 160 km 이내 순서로 배출량 이 많음을 확인할 수 있었다. 160 km 이내와 비교해 보면 6,500±1,000 km 누적 주행거리일 때 평균 5.0%
감소하였고, 15,000±1,000 km일 때 평균 2.0% 감소하 는 결과를 보였다.
(2) HWFET 모드에서도 FTP-75 모드와 마찬가지로 누적 주행거리 6,500±1,000 km 일 때 CO
2배출량이 가 장 적었고, 15,000±1,000 km, 160 km 이내 순서로 배출량 이 많았다. 160 km 이내와 비교해보면 6,500±1,000 km 누 적 주행거리일 때 평균 3.8% 감소하였고, 15,000±1,000 km 일 때 평균 1.9% 감소하는 결과를 보였다.
(3) CH
4의 경우 CO
2대비하여 상대적으로 소량만 배 출되어 크게 유의미한 값을 가지지는 못하였으나, FTP- 75 모드와 고속모드에서 주행거리별 배출량의 변화는 CO
2와 유사한 형태를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 배기량이 작은 차량일수록 주행거리에 따른 CO
2의 배출량 변화폭은 컸으나 배출량은 상대적으로 적었 으며, 배기량이 큰 차량일수록 변화폭이 적었으나 배출 량은 상대적으로 많았다. CH
4의 경우는 배출량이 적어 특별한 경향성을 보이지는 않았다.
후 기
본 연구는 2017년 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원 주관 “산업기술혁신산업(에너지 기술개발사업, No. 20152010103660)”으로 수행되었으
며, 관계 기관의 지원 및 협조에 감사드립니다.
참고문헌
