[논문]주행패턴의 상대 가속도에 따른 중소형 자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성

이태우; 길지훈; 박경균; 박준홍; 박용희; 홍지형; 이대엽

주행패턴의 상대 가속도에 따른 중소형 자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성
Greenhouse Gas and Pollutant Emission from Light-Duty Vehicles Regarding the Relative Positive Acceleration 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.4, 2010년, pp.31 - 39

이태우 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 길지훈 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 박경균 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 박준홍 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 박용희 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 홍지형 (국립환경과학원 교통환경연구소) , 이대엽 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Although driving patterns strongly influence greenhouse gas and air pollutant emission rate from light duty vehicles, emission measurements have been mainly based on chassis dynamometer testing with one standard driving pattern. And there has been limited work on quantifying the independent effect of driving parameters on emission rate because of multidimensional nature of real-world driving pattern. The objective of this study is to obtain the quantitative effect of relative positive acceleration (RPA) on vehicle emission rate. RPA has been used to define the occurrence of acceleration demanding large amounts of power in certain driving distance and shown to be a significant affecting parameter for real-world emission rate. 40 driving patterns have been developed with fixed driving parameters to investigate independent effect of RPA. For the same values of average vehicle speed and power, the trend in carbon dioxide emission rate and fuel consumption with respect to RPA is very clear. Emission rate of nitrogen oxide and particulate matter also increase with respect to RPA, but the trend is less clear. Carbon dioxide emission from diesel vehicle appear to be more affected by high accelerations compared to that from gasoline vehicle because of high intake air restriction during acceleration caused by turbocharger and intercooler. The results have implications for the possible reduction of environmental effects through better traffic planning and management, driver education and car design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결론적으로 이상에서 확인된 여러 주행패턴간의 이산화탄소 배출량의 차이는 차속의 변화 유무 및 변화 정도에 기인한 것으로 판단된다. 이하에서는 차속의 변화, 좀 더 구체적으로는 상대가속도의 영향을 정량적으로 규명하기 위한 고찰 내용을 서술하였다.
본 연구에서는 40개의 서로 다른 주행패턴에 대해 평균 차속, 평균 차량비출력 등 주요 주행변수를 고정한 상태로 차대동력계를 이용한 배출가스시험을 실시하였다. 주행패턴의변화, 특히 단위주행거리 당 가속 정도를 나타내는 상대 가속도(Relative Positive Acceleration, RPA)에 따른 자동차 온실가스 및 대기오염물질의 배출특성을 분석하여 정량적인 상관관계를 도출하고자 하였다.

가설 설정

^10-12) 엄밀히 말해 차량비출력은 차량마다 모두 다르지만, 본 연구에서는 중소형차량에 대해서는 일반적으로 적용 가능하다고 알려진 식 (1)을 이용하였다.³⁾ 과도 주행패턴의 도로 구배는 0으로 설정하였다.

제안 방법

3) 주행패턴의 차속 변화 정도를 상대 가속도로 정량화하였다. 이산화탄소 배출량 및 연료소비량은 상대 가속도 증가에 따라 선형적으로 증가한다.
주행 소구간 결과 중 발진에서 시작하여 정지로 종료되는 60개의 주행 요소를 추출한 후 이들을 조합하여평균차속20, 30, 40, 50 km/h을갖는과도주행패턴을 각각 5개씩 구성하였다. 각 주행패턴의 평균 차량비출력은 Fig. 1에 표시된 평균 차속과 평균 차량비 출력의 상관관계를 이용하여 결정하였다. 정차시간의 비율은 이전의 연구결과¹³⁾를 참고하여 평균 차속별로 지정하였다.
정속주행패턴은 차속을 일정하게 유지한 상태로 도로구배를 0~4%까지 1% 단위로 변경하여 구성하였다. 과도 주행패턴을 구성하기 위해 서울특별시내에서 활동하는 영업용 택시 6대에 주행기록계를 부착하여 대당 12시간씩 총 72시간 동안의 주행 기록을 획득하였다. 주행 기록은 매 초당 순간 차속의 형태로 저장하였다.
배출가스 분석기(Horiba)는 탄화수소는 화염이온화법, 질소산화물은 화학발광법, 그리고 이산화탄소와 일산화탄소는 비분산 적외선법을 이용하여 배출가스의 농도를 측정하였다. 농도 결과는 정용량 시료 채취 장비에서 측정된 배출가스 부피 유량을 이용하여 질량 결과로 최종 환산하였다. 입자상물질은 희석 터널에서 채취한 후 여지에 축적 하여 측정하였다.
다음으로 과도 주행패턴 결과를 검토하였다. 먼저 과도 결과와 정속 결과를 비교하였고, 그 다음으로 과도 결과를 서로비교하였다.
3 L 증가한다. 동일한 도로 구배에서도 차속이 다르면 차량이 받는 도로 부하는 달라지기 때문에, 오른쪽 그림에 차량비 출력을 이용하여 정속주행 패턴의 차속 조건별, 구배 조건별 이산화탄소 경향을 종합하여 나타내었다. 차량비출력 증가에 따라 이산화탄소 배출량은 증가하며, 이 경향은 낮은 차속에서 더급하게나타난다.
다음으로 과도 주행패턴 결과를 검토하였다. 먼저 과도 결과와 정속 결과를 비교하였고, 그 다음으로 과도 결과를 서로비교하였다.
먼저 정속 주행패턴 결과를 검토하였다. 좌측 그림에서 이산화탄소 배출량은 차속 증가에 따라 감소하는데, 이 경향은 휘발유 승용차에서 더 뚜렷하게 나타난다.
정차시간의 비율은 이전의 연구결과¹³⁾를 참고하여 평균 차속별로 지정하였다. 모든 주행패턴의 정차 횟수는 4회로 고정하였다. Fig.
본 연구에서는 40개의 서로 다른 주행패턴에 대해 평균 차속, 평균 차량비출력 등 주요 주행변수를 고정한 상태로 차대동력계를 이용한 배출가스시험을 실시하였다. 주행패턴의변화, 특히 단위주행거리 당 가속 정도를 나타내는 상대 가속도(Relative Positive Acceleration, RPA)에 따른 자동차 온실가스 및 대기오염물질의 배출특성을 분석하여 정량적인 상관관계를 도출하고자 하였다.
과도 결과와 정속 결과의 차이에는 두 가지 요인이 함께 기여한다고 볼 수 있는데, 첫 번째는 차량비출력, 두 번째는 차속 변화를 들 수 있다. 본 연구에서는 차량비출력의 영향을 고정시킨 상태로 차속 변화의 독립적인 영향을 분석하기 위해, 도로 구배를 이용한 정속 가속 모사 (Acceleration Simulation) 조건을 이용하였다. 식 (1)의 차량비출력은 가속도 또는 도로 구배의 증가에 의해 변화된다.
2.3 차대동력계 배출가스 시험

시험차량이차대동력계상에서시험용주행패턴을 주행할 때 배출하는 배출가스를 희석용 공기로 희석한 후 정용량 시료 채취 장치(Constant Volume Sampler, CVS)를 통해 채취하여 배출가스 분석기로 분석하였다. 차대동력계(AVL)는 지름 1.
온실가스중에는 이산화탄소만을 분석하였다. 연료소비량은 배출가스 중 탄소 성분의 물질수지를 이용하여 계산하였다. Fig.
농도 결과는 정용량 시료 채취 장비에서 측정된 배출가스 부피 유량을 이용하여 질량 결과로 최종 환산하였다. 입자상물질은 희석 터널에서 채취한 후 여지에 축적 하여 측정하였다. 온실가스중에는 이산화탄소만을 분석하였다.
주행 기록은 매 초당 순간 차속의 형태로 저장하였다. 전체주행기록을 900초내외의 일정 시간을 갖는 주행 소구간(short trip)으로 나누어총276개의소구간에대한 평균차속과 평균차량비출력(Vehicle Specific Power, VSP)을구하였다. 차량비출력은 차량의 도로 부하를 나타내는 지표³⁾로서, 차량의 속도 및 가속도를 포함하는 동시에 차량 중량에 대한 비출력이라는 점에서 차량 시험 결과 분석에 활용도가 높은 변수라 할 수 있다.
주행 소구간 결과 중 발진에서 시작하여 정지로 종료되는 60개의 주행 요소를 추출한 후 이들을 조합하여평균차속20, 30, 40, 50 km/h을갖는과도주행패턴을 각각 5개씩 구성하였다. 각 주행패턴의 평균 차량비출력은 Fig.
시험차량이차대동력계상에서시험용주행패턴을 주행할 때 배출하는 배출가스를 희석용 공기로 희석한 후 정용량 시료 채취 장치(Constant Volume Sampler, CVS)를 통해 채취하여 배출가스 분석기로 분석하였다. 차대동력계(AVL)는 지름 1.22 m의 롤러1개와롤러의관성을기계적, 전기적으로제어하는 제어장비를 이용하여 시험 차량의 부하를 설정하였다. 배출가스 분석기(Horiba)는 탄화수소는 화염이온화법, 질소산화물은 화학발광법, 그리고 이산화탄소와 일산화탄소는 비분산 적외선법을 이용하여 배출가스의 농도를 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 시험용 주행패턴은 총 40개로서, 평균 차속 20, 30, 40 및 50 km/h를 갖는 5개의 정속 주행패턴과 5개의 과도(transient) 주행패턴으로 구성된다.
시험 차량은 휘발유 승용차 및 경유 승합차 각각 1대로서, 주요 제원은 Table 2와 같다. 시험용 연료는 시중에서판매되는 연료를 사용하였다.
시험 차량은 휘발유 승용차 및 경유 승합차 각각 1대로서, 주요 제원은 Table 2와 같다. 시험용 연료는 시중에서판매되는 연료를 사용하였다.

이론/모형

22 m의 롤러1개와롤러의관성을기계적, 전기적으로제어하는 제어장비를 이용하여 시험 차량의 부하를 설정하였다. 배출가스 분석기(Horiba)는 탄화수소는 화염이온화법, 질소산화물은 화학발광법, 그리고 이산화탄소와 일산화탄소는 비분산 적외선법을 이용하여 배출가스의 농도를 측정하였다. 농도 결과는 정용량 시료 채취 장비에서 측정된 배출가스 부피 유량을 이용하여 질량 결과로 최종 환산하였다.

성능/효과

1) 평균 차속과 평균 차량비출력이 같은 정속 주행 패턴과 과도 주행패턴의 이산화탄소 배출량을 비교한 결과, 과도 주행패턴은 정속 주행패턴보다19~56% 많은 이산화탄소를 배출하였다.
2) 평균 차속과 평균 차량비출력이 같고 주행패턴이 다른 5개의 과도주행패턴의 이산화탄소 배출량을 비교한결과, 휘발유승용차는 6~11%, 경유 승합차는3~16%의 편차를 보였다.
4) 평균 차속과 평균 차량비출력이 같은 조건 하에서도 주행패턴이 다를 경우 질소산화물과 입자상물질 배출량은 2~4배까지 차이를 보였다.
이는 차속이 계속 변하는 과도 모드끼리의 결과이기 때문에, 차속의 변화 정도에 의한 영향이라 할 수 있다. 결론적으로 이상에서 확인된 여러 주행패턴간의 이산화탄소 배출량의 차이는 차속의 변화 유무 및 변화 정도에 기인한 것으로 판단된다. 이하에서는 차속의 변화, 좀 더 구체적으로는 상대가속도의 영향을 정량적으로 규명하기 위한 고찰 내용을 서술하였다.
과도 주행패턴의 차량비출력은 도로 구배가 0%인 조건에서 가속도의 변화에 의해 얻어진 값이기 때문에, 정속 주행패턴에서 도로 구배를 변화시켜 과도 주행패턴과 같은 차량비 출력조건을 얻을 수있게된다. 본시험조건에서는 도로 구배 1% 조건에서의 정속 주행패턴이 평균 차 속이 같은 과도 주행패턴과 동일한 평균 차량비출력을나타내었다. 이두 조건에서, 과도결과는 정속 결과 대비 19~56% 높은 이산화탄소 배출 결과를 보이고 있다.
가능한 원인 중의 하나로는 경유 승합차의 중간 냉각식 과급기를 들 수 있는데, 이는 정속운전 시에는 원활한 급기를 가능케 하여 이산화탄소 배출량 저감에 도움을 주지만, 가속 시에는 오히려 흡기계통의 장애물로 작용하여 엔진 효율을 악화시키기 때문이다. 이 결과는 엔진의 적용 기술에 따라 상대 가속도의 영향이 달라질수 있음을 의미하는 결과로서, 신기술 개발이나 기존 기술의 최적화를 통해 상대 가속도의 영향력을 능동적으로 제어할 수 있는 가능성을 시사하는 결과라할 수 있다.
본시험조건에서는 도로 구배 1% 조건에서의 정속 주행패턴이 평균 차 속이 같은 과도 주행패턴과 동일한 평균 차량비출력을나타내었다. 이두 조건에서, 과도결과는 정속 결과 대비 19~56% 높은 이산화탄소 배출 결과를 보이고 있다. 이는 앞에서 언급한 두 가지 요인 중 차 속의변화 유무에 의한 영향으로 볼수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성을 평가하는 방법 중 널리 사용되고 있는 방법으로 언급된 것은 무엇인가	기후변화와 대기환경에 많은 영향을 미치는 자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성은 여러 가지 방법으로 평가되고 있다. 그 중 널리 사용되고 있는 방법 중 하나는 표준 주행패턴을 이용한 차대 동력계 시험이다. 이는 여러 종류의 차량에 대한 배출량의 정량 비교가 가능하다는 큰 장점 때문에 차량 간의 배출량 비교나 배출허용기준의 만족 여부 등을판정하는 데 많이 활용되고 있다.
	자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성은 어디에 많은 영향을 미치는가	기후변화와 대기환경에 많은 영향을 미치는 자동차의 온실가스 및 대기오염물질 배출 특성은 여러 가지 방법으로 평가되고 있다. 그 중 널리 사용되고 있는 방법 중 하나는 표준 주행패턴을 이용한 차대 동력계 시험이다.
	표준 주행패턴을 이용한 차대 동력계 시험의 장점은 무엇인가.	그 중 널리 사용되고 있는 방법 중 하나는 표준 주행패턴을 이용한 차대 동력계 시험이다. 이는 여러 종류의 차량에 대한 배출량의 정량 비교가 가능하다는 큰 장점 때문에 차량 간의 배출량 비교나 배출허용기준의 만족 여부 등을판정하는 데 많이 활용되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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