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문제 정의
- 본 연구는 실제 도로를 주행하는 소형 경유 자동차의 질소산화물(NOx) 배출량의 대기환경보전법 상에 규정된 제작자동차 배출허용기준 준수 여부를 파악하고, 배출허용기준 초과 사례에 대한 원인 분석을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 소형 경유 운행차의 실제 도로상에서의 오염물질 배출 특성을 분석하였다. 총 연장 220 km의 실제 도로를 주행하면서 PEMS를 이용하여 배출량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 에어컨과 히터 가동 없이 열간 상태로 실제 도로를 주행하는 소형 경유 자동차의 대기오염물질 배출량이 대기환경보전법 상에 규정된 제작자동차 배출허용기준에 얼마나 잘 부합하고 있는지를 분석하고, 허용기준을 초과하는 사례에 대한 원인을 파악하였다. 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- 반면 배출허용기준을 초과하는 경우는 표준 주행 패턴 대비 저속 주행의 비중이 2배 이상까지 높아지는 경향을 보이고 있다. 예를 들어 CVS-75 주행 패턴의 차속 20 km/h 이하 비중이 32%인데 반해, 그림 3(b)의 주행 패턴에서의 비중은 48~66%에 이른다. 저속 주행의 비중이 높다는 것은 주행 중 정차를 반복하게 되는 경우가 많으며, 공회전의 비율도 높아짐을 의미하는 것이므로 NOx 배출 측면에서 바람직하지 않은 조건으로 사료된다.
제안 방법
- 10회의 도로 주행 실험의 22개 소구간 별로 오염 물질 배출량을 각각 구함으로써 오염물질 별로 총 220개의 소구간 배출량을 산정하였다. 산정된 배출량은 식(1)과 같은 허용기준 대비 비율의 형태로 무 차원화하여 허용기준 대응 여부 및 초과 비율을 용이하게 확인할 수 있도록 하였다.
- 배출량 분포 특성이다. CO와 THC는 대부분의 소구간에서 배출허용기준을 만족하였으므로 NOx 결과만을 검토하였다. 각 소구간이 1 km의 간격으로 정의된 것을 감안하면 그림 5는 1 km의 공간 해상도를 갖는 실험 차량의 NOx 배출량 정보라 할 수 있다.
- 차량은 에어컨과 히터 가동 없이 열간 상태로 주행되었다. PEMS는 시험 전에 충분히 예열되었고, 시험 전에 질소 가스 및 혼합 가스(CO2 19%, CO 0.48%, THC 980 ppmC, NOx 485 ppm)를 사용하여 분석기의 영점 및 스팬 교정을 실시하였다.
- 차량 전방 영상을 이용하여 화면상에 촬영된 차량 대수, 차량 간의 간격 등을 조사하여 정성적인 교통량 수준을 분석하였다. 교통량을 정량화하기 위한 지표로서 차량이 소구간에 진입하여 진출할 때까지 머무는 시간인 체류 시간(Travel time)을 선정하고, 두 변수 간의 상관성 여부를 조사하였다. 조사 결과 교통량과 체류 시간 사이의 상관성이 확인되어 정량적인 교통량을 측정하는 대신 체류 시간을 교통량의 지표로 활용하였다.
- 12 VDC 차량용 배터리 4개를 2개씩 직렬 연결하여 두 세트의 24 VDC 전원을 구성하였다. 두 전원을 자동 절환기로 연결하여 첫 번째 전원의 전력이 일정 수준 이하로 떨어지면 자동으로 두 번째 전원을 이용할 수 있도록 구성하였다. 주행변수 측정기를 이용하여 차량 주행 속도를 측정하고 차량 전방의 도로 영상을 촬영하였다.
- 소구간별 체류 시간과 배출량 간의 사례별 특징을 두 가지 측면에서 분석하였다. 첫 번째는 체류 시간의 변동이 작은 소구간에서 관측되는 배출량 변동 특성이며, 두 번째는 체류 시간의 변동이 큰 소구간에서의 배출량 변동 특성이다.
-
2. 2 실도로 주행 실험
실도로 주행 실험은 출퇴근 첨두(Peak) 시간대에 4회, 비첨두 (Off-peak) 시간대에 6회를 실시하였다. 10회 모두 동일한 운전자가 교통 흐름에 맞춰 교통법규를 준수하며 운전하였고, 보조 인원 1인이 탑승하였다.
- 측정 결과를 제작차 배출허용기준과 비교하여 전체 주행 구간 중 허용기준을 초과하는 소구간의 비율을 오염물질 별로 정량화하였다. 오염물질 중 특히 문제가 되는 NOx에 대해서는 기준을 초과하는 소구간의 NOx 배출 특징을 소구간 내의 체류시간, 주행패턴 및 도로의 입지 조건 측면에서 분석하였다.
- 전체 주행 경로를 약 1 km 거리를 갖는 22개의 도로 소구간(Link)으로 분할함으로써 실험 경로 주변 입지 여건을 반영한 배출량 분석을 실시하였다. Link 1~11은 출발지(Origin, “O”로 표기)인 국립환경과 학원에서부터 목적지 (Destination, “D”로 표기)이자 회차 지점인 임학사거리 방면으로 주행하는 경로(O → D)이며, Link 12~22는 목적지로 복귀하는 경로 (D → O)이다.
- 교통량을 정량화하기 위한 지표로서 차량이 소구간에 진입하여 진출할 때까지 머무는 시간인 체류 시간(Travel time)을 선정하고, 두 변수 간의 상관성 여부를 조사하였다. 조사 결과 교통량과 체류 시간 사이의 상관성이 확인되어 정량적인 교통량을 측정하는 대신 체류 시간을 교통량의 지표로 활용하였다.
- 두 전원을 자동 절환기로 연결하여 첫 번째 전원의 전력이 일정 수준 이하로 떨어지면 자동으로 두 번째 전원을 이용할 수 있도록 구성하였다. 주행변수 측정기를 이용하여 차량 주행 속도를 측정하고 차량 전방의 도로 영상을 촬영하였다. 미국 연방 시험기준인 CFR 1065기준에 의거하여 PEMS의 성능을 검증하였고, PEMS 오염물질 배출량 측정 결과는 인증용 차대동력계 장비 측정 결과와 비교하여 통계적으로 유의한 차이가 없음을 확인하였다(Lee et al.
- 차량 전방 영상을 이용하여 화면상에 촬영된 차량 대수, 차량 간의 간격 등을 조사하여 정성적인 교통량 수준을 분석하였다. 교통량을 정량화하기 위한 지표로서 차량이 소구간에 진입하여 진출할 때까지 머무는 시간인 체류 시간(Travel time)을 선정하고, 두 변수 간의 상관성 여부를 조사하였다.
- 본 연구에서는 소형 경유 운행차의 실제 도로상에서의 오염물질 배출 특성을 분석하였다. 총 연장 220 km의 실제 도로를 주행하면서 PEMS를 이용하여 배출량을 측정하였다. 측정 결과를 제작차 배출허용기준과 비교하여 전체 주행 구간 중 허용기준을 초과하는 소구간의 비율을 오염물질 별로 정량화하였다.
- 측정된 농도를 질량으로 환산하기 위해서는 배출 가스 부피 유량이 필요하므로 피토 튜브식 유량계를 사용하여 배출가스 부피 유량을 측정하였다(Akard et al., 2004). 측정된 유량은 배출가스의 온도와 압력을 이용하여 표준 상태의 값으로 환산하였다.
- , 2004). 측정된 유량은 배출가스의 온도와 압력을 이용하여 표준 상태의 값으로 환산하였다. 12 VDC 차량용 배터리 4개를 2개씩 직렬 연결하여 두 세트의 24 VDC 전원을 구성하였다.
대상 데이터
- 측정된 유량은 배출가스의 온도와 압력을 이용하여 표준 상태의 값으로 환산하였다. 12 VDC 차량용 배터리 4개를 2개씩 직렬 연결하여 두 세트의 24 VDC 전원을 구성하였다. 두 전원을 자동 절환기로 연결하여 첫 번째 전원의 전력이 일정 수준 이하로 떨어지면 자동으로 두 번째 전원을 이용할 수 있도록 구성하였다.
- 농도 분석부의 주요 제원을 표 1에 요약하였다. FID 분석기의 화염 점화를 위해 수소-헬륨 혼합 연료 가스를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 PEMS (Horiba OBS-2200)는 농도 분석기, 배출가스 부피 유량 측정기, 전원 공급기 및 주행변수 측정기로 구성된다. 그림 1은 PEMS의 전체 구성도이다.
- 10회 모두 동일한 운전자가 교통 흐름에 맞춰 교통법규를 준수하며 운전하였고, 보조 인원 1인이 탑승하였다. 시험 차량은 2001년 1월 1일 이후 다목적 자동차 배출허용기준, 즉, CO 1.1 g/km 이하, THC 0.22 g/km 이하, NOx 0.95 g/km 이하 및 PM 0.11 g/km 이하의 배출허용기준 대응 차량이다. 시험 차량의 주요 제원을 표 2에 요약하였다.
- 주행 경로는 인천광역시 서구 국립환경과학원과 인천광역시 계양구 임학사거리 사이의 왕복 약 22 km의 경로이다. 주행 경로 상에 존재하는 교차로 및 교통 신호는 각각 13개 및 51개이다. 허용 최고 속도는 80 km/h이다.
데이터처리
- 주행변수 측정기를 이용하여 차량 주행 속도를 측정하고 차량 전방의 도로 영상을 촬영하였다. 미국 연방 시험기준인 CFR 1065기준에 의거하여 PEMS의 성능을 검증하였고, PEMS 오염물질 배출량 측정 결과는 인증용 차대동력계 장비 측정 결과와 비교하여 통계적으로 유의한 차이가 없음을 확인하였다(Lee et al., 2011; Nakamura et al., 2007).
성능/효과
- 1) 차량이 제작 당시의 대기오염물질 저감 성능을 잘 유지하는 경우라 할지라도, 실도로 주행 패턴이 표준 주행 패턴과 상이한 경우 또는 개별 주행 소구간에서는 배출허용기준을 초과할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 소구간별 배출량 변화에는 도로의 주변 여건이나 교통량 분포가 중요한 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 체류 시간이 긴 경우, 시험 차량은 빈정내 사거리 전방부터 정차를 반복하며 주행하였다. 1분 이상 정차하는 경우는 총 4회 발생하였고, 정차 시간은 총 543초, 평균 약 136초로 나타났다. 반면 체류 시간이 짧은 경우에는 빈정내 사거리 전방에서 약 30초 간 정차한 것을 제외하면 전 구간을 원활히 주행하였다.
- 2) 교통량 증가에 따라 초래되는 배출량 증가에 영향을 미치는 대표적인 요소는 ‘장기간의 정차 기간’및 ‘가감속을 반복해야 하는 열악한 주행 상황’으로 파악되었다.
- 3) 실제 도로상에서는 평균 차속이 유사한 경우라도 다른 배출량을 보이는 경우가 있음을 관찰하였고, 이를 평균 차속에 대한 함수 형태로 주어지는 현행 차속별 배출계수만으로는 설명하기는 어려움을 확인하였다. 향후 차속별 배출계수가 좀 더 다양한 주행 조건을 반영할 수 있도록 하기 위해서는 단기적으로는 도로 경사도 및 주행 패턴 변화 등을 감안 할 수 있는 보정계수의 활용이 요구되며, 장기적으로는 미시적인 배출량 산정 모델의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
- 3배 많은 배출량을 보인 소구간도 확인되었다. CO는 거의 전 구간에서 배출허용기준을 만족하였으며, 단 1개의 소구간에서만 허용기준을 40% 초과하는 배출량을 보였다. THC는 90%의 주행 구간에서 배출허용기준을 만족하였고, 나머지 10%에서만 배출허용기준을 초과하였다.
- CO는 거의 전 구간에서 배출허용기준을 만족하였으며, 단 1개의 소구간에서만 허용기준을 40% 초과하는 배출량을 보였다. THC는 90%의 주행 구간에서 배출허용기준을 만족하였고, 나머지 10%에서만 배출허용기준을 초과하였다.
- 각 주행 실험별 CO와 THC는 10회의 주행 결과가 모두 배출허용기준을 만족하였다. NOx 배출량은 10회의 주행 중 7회의 주행에서는 배출허용기준을 만족하였으나, 3회(첨두시간 2회, 비첨두 시간 1회)의 주행에서 배출허용기준을 5~14% 초과하였다.
- 그림 2와 3의 결과를 통해 시험 차량이 제작 당시의 배출허용기준 대응 성능을 비교적 잘 유지하고 있음을 확인하였다. 동시에, 평균 배출량 결과가 배출허용기준을 만족하는 경우라 할지라도 주행 패턴의 특징이 상이한 개별 주행에서는 만족 여부가 달라질 수 있음을 파악하였다.
- NOx는 전체의 58%인 128개 소구간, 거리 기준으로는 전체 주행거리 220 km 중 128 km의 주행 구간에서 배출허용기준을 만족하였다. 나머지 42%인 92개 소구간의 평균 배출량은 배출허용기준보다 평균 40% 높았고, 최대 4.3배 많은 배출량을 보인 소구간도 확인되었다. CO는 거의 전 구간에서 배출허용기준을 만족하였으며, 단 1개의 소구간에서만 허용기준을 40% 초과하는 배출량을 보였다.
- 그림 2와 3의 결과를 통해 시험 차량이 제작 당시의 배출허용기준 대응 성능을 비교적 잘 유지하고 있음을 확인하였다. 동시에, 평균 배출량 결과가 배출허용기준을 만족하는 경우라 할지라도 주행 패턴의 특징이 상이한 개별 주행에서는 만족 여부가 달라질 수 있음을 파악하였다.
- 체류 시간이 길 때는 정차 시간도 길어지므로, 소구간 배출량에 기여하는 정차 시간의 비중이 커진다. 본 사례에서는 전체 배출량의 44%인 1.81 g이 정차 시간 중에 배출되는 것으로 확인되었다. 반면 체류 시간이 짧은 경우는 정차 시간의 기여율이 6% 정도로 낮다.
- 이와 같은 소구간별 배출량 변화에는 도로의 주변 여건이나 교통량 분포가 중요한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 시험 차량의 평균 NOx 배출량은 제작 당시의 배출허용기준을 만족하였으나, 공간 해상도를 높여 분석한 소구간별 NOx 배출량은 전체 구간 중 42%에서 배출허용기준을 초과하였다. 실험 주행 구간에서 교통량 변화가 가장 심한 공촌 사거리 부근에서는 교통량 증가에 따라 NOx 배출량이 최대 4.
- 시험 차량의 평균 NOx 배출량은 제작 당시의 배출허용기준을 만족하였으나, 공간 해상도를 높여 분석한 소구간별 NOx 배출량은 전체 구간 중 42%에서 배출허용기준을 초과하였다. 실험 주행 구간에서 교통량 변화가 가장 심한 공촌 사거리 부근에서는 교통량 증가에 따라 NOx 배출량이 최대 4.6배까지 증가하는 사례가 관찰되었다. 이 결과는 총체적인 대기질 관리를 위해서는 자동차의 오염물질 배출 특성 관리와 함께 교통 시스템 상의 교통흐름 개선이 동반되어야 함을 보여주는 사례라 할 수 있다.
- 총 연장 220 km의 실제 도로를 주행하면서 PEMS를 이용하여 배출량을 측정하였다. 측정 결과를 제작차 배출허용기준과 비교하여 전체 주행 구간 중 허용기준을 초과하는 소구간의 비율을 오염물질 별로 정량화하였다. 오염물질 중 특히 문제가 되는 NOx에 대해서는 기준을 초과하는 소구간의 NOx 배출 특징을 소구간 내의 체류시간, 주행패턴 및 도로의 입지 조건 측면에서 분석하였다.
후속연구
- 이는 Link 15는 대부분이 내리막길 구간이므로 차량이 엔진에 부하를 거의 주지 않는 상태로 주행할 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 이처럼 실제 도로상에서의 배출량 차이에는 도로의 특성, 주행 패턴의 변화 등이 복합적으로 영향을 미칠 수 있으므로, 이 영향을 현재의 차속별 배출계수에 반영하기 위해서는 적절한 보정계수의 개발과 활용 등이 필요할 것으로 사료된다.
- 3) 실제 도로상에서는 평균 차속이 유사한 경우라도 다른 배출량을 보이는 경우가 있음을 관찰하였고, 이를 평균 차속에 대한 함수 형태로 주어지는 현행 차속별 배출계수만으로는 설명하기는 어려움을 확인하였다. 향후 차속별 배출계수가 좀 더 다양한 주행 조건을 반영할 수 있도록 하기 위해서는 단기적으로는 도로 경사도 및 주행 패턴 변화 등을 감안 할 수 있는 보정계수의 활용이 요구되며, 장기적으로는 미시적인 배출량 산정 모델의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
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