PEMS(Portable Emissions Measurement System)를 이용한 배기가스 시험절차는 소형 디젤자동차의 실제도로 배출가스를 효과적으로 제어하기 위한 수단으로 최근에 많은 주목을 받고 있으며, 현재의 배기가스 인증규제 시험절차의 제도적 보완장치로 2017년에 한국과 유럽에서 시행될 예정이다. 본 연구에서는 국내에 운행 중인 유로 5 소형 디젤자동차 4대에 대한 실제도로 NOx 배출량을 도심, 교외 및 자동차 전용도로에서 측정하였으며, 측정 결과를 이동평균구간 및 가중평균 배출량 방법으로 분석하였다. 시험 차량 및 주행경로에 대한 두 방법의 실제도로 NOx 배출량 분석결과는 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났으며, 이동평균구간 분석방법의 경우 배출 허용기준을 1.8 ~ 8.5배, 가중평균 배출량은 허용기준을 2.0 ~ 10.6배 초과하는 것으로 분석되었다. 본 결과를 바탕으로 실도로 주행 조건에서 NOx 배출량 분석에 대한 기술적 토대를 확보하였고, 향후 배출가스 관리를 위한 정책적 기반 데이터로 활용가능하다.
PEMS(Portable Emissions Measurement System)를 이용한 배기가스 시험절차는 소형 디젤자동차의 실제도로 배출가스를 효과적으로 제어하기 위한 수단으로 최근에 많은 주목을 받고 있으며, 현재의 배기가스 인증규제 시험절차의 제도적 보완장치로 2017년에 한국과 유럽에서 시행될 예정이다. 본 연구에서는 국내에 운행 중인 유로 5 소형 디젤자동차 4대에 대한 실제도로 NOx 배출량을 도심, 교외 및 자동차 전용도로에서 측정하였으며, 측정 결과를 이동평균구간 및 가중평균 배출량 방법으로 분석하였다. 시험 차량 및 주행경로에 대한 두 방법의 실제도로 NOx 배출량 분석결과는 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났으며, 이동평균구간 분석방법의 경우 배출 허용기준을 1.8 ~ 8.5배, 가중평균 배출량은 허용기준을 2.0 ~ 10.6배 초과하는 것으로 분석되었다. 본 결과를 바탕으로 실도로 주행 조건에서 NOx 배출량 분석에 대한 기술적 토대를 확보하였고, 향후 배출가스 관리를 위한 정책적 기반 데이터로 활용가능하다.
Recently, an emission test procedure using a portable emissions measurement system(PEMS) has received much attention as an effective means of controlling real driving emissions from light-duty diesel vehicles. The PEMS-based test procedure will be implemented from 2017 in Europe and Korea as a compl...
Recently, an emission test procedure using a portable emissions measurement system(PEMS) has received much attention as an effective means of controlling real driving emissions from light-duty diesel vehicles. The PEMS-based test procedure will be implemented from 2017 in Europe and Korea as a complementary test procedure for certification and regulation. In the present study, on-road NOx emissions were measured for four kinds of Euro 5 Korean light-duty diesel vehicles under real driving conditions, including urban, rural, and motorway test routes. The real driving emission characteristics were evaluated using both a moving averaging window(MAW) and the weighted emission method(WEM). The evaluated NOx emission results (under real driving conditions) from the MAW and WEM showed similar tendencies for the test vehicles and routes, while exceeding the certification emission limit by 1.8~8.5 and 2.0~10.6 times, respectively.
Recently, an emission test procedure using a portable emissions measurement system(PEMS) has received much attention as an effective means of controlling real driving emissions from light-duty diesel vehicles. The PEMS-based test procedure will be implemented from 2017 in Europe and Korea as a complementary test procedure for certification and regulation. In the present study, on-road NOx emissions were measured for four kinds of Euro 5 Korean light-duty diesel vehicles under real driving conditions, including urban, rural, and motorway test routes. The real driving emission characteristics were evaluated using both a moving averaging window(MAW) and the weighted emission method(WEM). The evaluated NOx emission results (under real driving conditions) from the MAW and WEM showed similar tendencies for the test vehicles and routes, while exceeding the certification emission limit by 1.8~8.5 and 2.0~10.6 times, respectively.
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문제 정의
가스양을 정상주행(normal driving) 조건으로 환산하여 평가해야 한다는 안을 제안하였다.
본 연구에서는 PEMS 기반 RDE-LDV 시험방법의 국내 적용가능성을 살펴보기 위하여 국내 소형 Euro 5 경유자동차 4대에 대한 실제도로 배출가스 특성을 시험하였으며, 측정결과를 이동평균구간 방법과 가중평균 배출량 방법으로 시험차량의 배출가스 데이터를 분석하여 하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
(13,14) 각 주행경로의 주요특성을 Table 2에 정리하였으며, Fig. 1에 시험경로의 주행부하를 확인하기 위하여 각 주행경로에서 ‘정지-가속-주행-감속-정지’를 단위 운행 구간(short trip)으로 설정하고 평균차속에 대한 상대가속도(RPA, Relative Positive Acceleration) 분포를 NEDC 및 WLTC(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle) 인증시험 모드와 비교하였다.
PEMS를 이용한 RDE-LDV 측정시험을 위해 본 연구에서는 Table 1 에 나타낸 Euro 5 배출 허용기준이 적용된 경유자동차를 대상으로 NOx 배출량 측정시험을 수행하였다. PEMS 시험을 위한 주행경로는 EC-JRC에서 수행한 시험경로를 고려하여 국립환경과학원에서 개발한 도심, 교외 및 자동차 전용도로가 포함된 City 1, City 2, Combined 1, Combined 2 등의 경로에서 PEMS 시험을 수행하였다.(13,14) 각 주행경로의 주요특성을 Table 2에 정리하였으며, Fig.
PEMS를 이용한 RDE-LDV 측정시험을 위해 본 연구에서는 Table 1 에 나타낸 Euro 5 배출 허용기준이 적용된 경유자동차를 대상으로 NOx 배출량 측정시험을 수행하였다. PEMS 시험을 위한 주행경로는 EC-JRC에서 수행한 시험경로를 고려하여 국립환경과학원에서 개발한 도심, 교외 및 자동차 전용도로가 포함된 City 1, City 2, Combined 1, Combined 2 등의 경로에서 PEMS 시험을 수행하였다.
배출량을 기준으로 연속적인 평균구간을 생성하여 각 평균구간 내의 배출가스양을 계산하였다. 각 평균구간 내의 주행거리 당 배출가스양은 식 (1)에 나타낸 NEDC 인증모드시 시험 차량이 배출한 주행거리 당 배출가스양(g/km)으로 나눈 DR(deviation ratio)의 누적비율로 분석하였고, DR은 실제도로에서 배출가스 인증기준 대비 몇 배나 증가했는지를 의미하고 있다.
실시간으로 측정되는 배기가스 데이터에 대한 시간 평균구간은 차량 주행 시의 일(kWh), 주행거리 또는 CO2 배출량 등으로 구분하여 정의할 수 있으나 실제도로 운행조건에서는 정차구간 및 경사로 운행조건 등을 효과적으로 반영할 수 있는 CO2 배출량으로 정의하는 것이 일반적이다. 따라서 본 연구에서는 WLTC 인증시험 모드에서 시험차량의 CO2 배출량을 측정한 후, 기준 CO2 배출량을 정의하였으며, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 차량 출발 시점에서 기준 CO2 배출량이 도달하는 구간인 첫 번째 평균구간 내의 주행거리에 대한 배출가스양(g/km)을 계산하였다.
본 연구에서는 국내에 운행되는 소형 경유자동차 4대를 대상으로 RDE-LDV 시험을 수행하였으며, 그 결과를 배출허용 기준과 비교 평가하였다. 또한 현재 EC에서 고려하고 있는 이동평균구간 및 가중평균 배출량 방법으로 배출가스 데이터를 분석하여 PEMS 기반 RDE-LDV 시험방법의 적용 가능성을 평가하였다.
따라서 소형 경유자동차의 대해 유럽의 NEDC(New European Driving Cycle) 인증시험 제도를 도입하고 있는 국내 현실을 고려할 때 RDE-LDV 시험데이터 분석방법에 대한 논의가 시급히 이루어져야 할 시점이다. 본 연구에서는 국내에 운행되는 소형 경유자동차 4대를 대상으로 RDE-LDV 시험을 수행하였으며, 그 결과를 배출허용 기준과 비교 평가하였다. 또한 현재 EC에서 고려하고 있는 이동평균구간 및 가중평균 배출량 방법으로 배출가스 데이터를 분석하여 PEMS 기반 RDE-LDV 시험방법의 적용 가능성을 평가하였다.
실제도로 주행 배출가스 시험 이전에 시험차량의 배출가스 수준을 판단하기 위하여 차대동력계에서 인증시험 모드인 NEDC 및 WLTC, CVS-75 주행모드에서 NOx 배출량을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 측정 결과, NEDC 주행모드에서는 Euro 5 배출 허용기준인 0.
이동평균구간 분석은 1초 단위로 이동하면서 기준 CO2 배출량을 기준으로 연속적인 평균구간을 생성하여 각 평균구간 내의 배출가스양을 계산하였다. 각 평균구간 내의 주행거리 당 배출가스양은 식 (1)에 나타낸 NEDC 인증모드시 시험 차량이 배출한 주행거리 당 배출가스양(g/km)으로 나눈 DR(deviation ratio)의 누적비율로 분석하였고, DR은 실제도로에서 배출가스 인증기준 대비 몇 배나 증가했는지를 의미하고 있다.
한편, 각 시험경로의 배출가스양은 주행조건과 운전자의 운전습성에 따라 다르게 나타날 수 있으며, Fig. 5는 각 평균구간의 CO2 배출량을 WLTC 인증모드시의 CO2 배출량과 비교한 CO2 배출량 특성곡선을 이용하여 시험차량의 주행조건을 분석하였다. EC-JRC는 WLTC 인증모드시의 CO2 배출량을 기준으로 -25% ~ 25%의 영역을 정상주행(normal driving) 조건, -25% ~ -50%의 영역을 유연주행(soft driving) 조건, +25% ~ +50% 영역을 가혹주행(severe driving condition) 조건으로 구분하여 유연주행과 가혹주행에서 배출되는 배기
데이터처리
한편, 각 평균구간 중 정상주행(normal driving) 조건 영역에 나타나는 평균구간의 배출가스양에 대한 DR을 계산하여 누적 분포를 구하였으며, DR 누적분포에 대한 평균값과 최대값으로 정의한 50% CP와 90% CP 분석결과를 Fig. 12에 나타내었다. 선도에 그려진 막대그래프 및 오차 간격은 각각 50% CP와 90% CP를 나타낸다.
성능/효과
(1) 이동평균구간 분석결과, 실제도로 NOx 배출량은 인증시험 모드와는 달리 NEDC 허용기준을 차속이 45km/h 미만인 도심주행 구간에서는 2.2 ~ 8.7배, 교외주행 구간에서는 1.8 ~ 8.7배, 차속이 45km/h 이상인 고속주행 구간에서는 1.6 ~ 9.9배 초과하여 배출하는 것으로 나타났다.
(3) 가중평균 배출량 분석결과, Combined 1, 2 경로의 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 Veh.1이 배출 허용기준의 2.0 ~ 2.8배로 가장 낮은 수준이었으며, Veh. 2와 Veh.
(4) 실제도로 NOx 배출량에 대한 이동평균구간 분석방법과 가중평균 배출량 방법은 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났으나, 출력 빈도수가 높은 차량출력 bin의 NOx를 배출량 차이로 가중평균 NOx 배출량은 다르게 나타난다.
차량별로는 Veh. 1이 시험차량 중 가장 낮은 수준으로 Combined 1 및 Combined 2 경로에서 각각 배출 허용기준의 2.8배 및 2.0배 수준인 0.502g/km, 0.351g/km로 배출 인증기준을 초과하는 것으로 분석되었다.
2와 Veh. 3 차량에 대한 실제도로 NOx 배출량은 Combined 1 경로에서는 가중평균 배출량 방법이, Combined 2 경로에서는 이동평균구간 분석결과가 높은 것으로 분석되었다.
2 및 Veh. 3 차량은 Combined 1 경로에서는 가중평균 배출량 분석방법 중 가장 높은 수준인 허용기준을 10.6배, 9.3배 초과한 1.904g/km, 1.665g/km를 배출하였으며, Combined 2 경로에서는 허용기준을 각각 6.5배, 5.3배 초과한 1.173g/km, 0.949g/km를 배출하는 것으로 나타났다. Veh.
2 및 Veh. 3 차량의 실제도로 NOx 배출량이 상대적으로 높은 수준인 것으로 분석되어 실제도로 NOx 배출량에 대한 이동평균 구간 분석방법과 가중평균 배출량 방법으로 분석한 결과 대체적으로 유사한 경향을 갖고 있는 것으로 나타났다.
5kW 이하의 출력을 갖는 정지 또는 정속주행을 의미한다. 가중평균 배출량 분석결과는 MAW 결과와 유사한 경향을 나타내고 있으나 Combined 1 경로가 Combined 2 경로보다 NOx를 많이 배출하는 것으로 나타났다.
선도에 그려진 막대그래프 및 오차 간격은 각각 50% CP와 90% CP를 나타낸다. 각 주행루트에 대한 NOx 배출량 차이를 분석하기 위하여, 4대 시험차량의 50% CP 평균값은 0.93 ~1.07g/km로, 주행루트별 평균 배출 허용기준은 5.2 ~ 5.9배 유사하게 초과하는 것으로 분석되었다. 하지만 주행경로에 대한 차량별 실제도로 NOx 배출량은 많은 차이를 보이고 있으며, Veh.
모든 시험차량에 대한 주행경로 평균 90% CP값은 1.29 ~ 1.35g/km로 배출 허용기준을 6.5 ~ 7.5배 초과하는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 수행한 시험결과의 평균구간은 대부분 정상주행 영역에 위치하는 것으로 나타나 유연주행과 가혹주행 영역으로 나타나는 평균구간은 제외한 평균구간의 배출가스양에 대한 DR을 계산하여 누적분포를 구하였다. Fig.
11에는 각각 도심, 교외, 자동차 전용도로가 모두 포함된 Combined 1 및 Combined 2 경로에서 시험차량의 WLTC 인증모드 주행기준 CO2 배출량으로 정의된 이동평균구간의 평균차속에 대한 실제도로 NOx 배출량을 NEDC 배출 허용기준과 비교하여 나타내었다. 실제도로 NOx 배출량은 인증시험 모드와는 달리 거의 모든 평균구간에서 NEDC 배출 허용기준을 초과하고 있는 것으로 나타났다. 각 평균구간의 차속에 따른 실제도로 NOx 배출량은 차속이 45km/h 미만인 도심주행 구간의 경우, Combined 1 경로에서는 배출 허용기준을 2.
차량출력 bin의 경우, 감속, 정지 및 정속 주행을 나타내는 첫 번째 bin 및 두 번째 bin에서는 Combined 1 경로가 Combined 2 경로에 비해 다소 낮은 수준의 실제도로 NOx를 배출하고 있는 것으로 나타났으나, 출력 빈도수가 높은 약 1.9 ~25.2kW의 출력범위인 세 번째 bin에서 Combined 1 경로의 실제도로 평균 NOx 배출량이 Combined 2 경로에 비해 상대적으로 높은 수준인 것으로 분석되었다. 이 출력 bin에서 Combined 1 경로 및 Combined 2 경로의 시험차량 평균차속은 각각 69.
9에 나타내었다. 측정 결과, NEDC 주행모드에서는 Euro 5 배출 허용기준인 0.18g/km를 만족하는 것으로 나타났으나 WLTC 및 CVS-75 주행모드에서는 NEDC 배출 허용기준 대비 각각 약 4.0배, 약 3.0배 초과하여 배출하는 것으로 측정되었다. 이는 NEDC 주행모드가 WLTC 및 CVS-75 주행모드보다 상대적으로 짧은 고속구간과 단순한 가감속의 속도패턴으로 구성되어 있기 때문에 나타나는 현상이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PEMS를 이용한 배출가스 측정방법을 통해 얻을 수 있는 것은 무엇인가?
PEMS를 이용한 배출가스 측정방법은 실제도로 주행조건에서 시험차량의 배출가스양 이외에도 GPS, ECU, 배기가스 유량과 함께 외기 온도 및 습도 등 많은 양의 데이터를 취득할 수 있다. 따라서 시험차량의 차속, 주행고도, 엔진 출력 및 기상상황 등을 동시에 고려할 수 있어 도로여건, 교통상황, 운전패턴 등 실제도로의 다양한 주행 조건과 환경조건을 고려할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
본 논문에서 수행한, 국내 소형 Euro 5 경유자동차 4대에 대한 실제도로 배출가스 특성을 시험하여 내린 결론은 무엇인가?
(1) 이동평균구간 분석결과, 실제도로 NOx 배출량은 인증시험 모드와는 달리 NEDC 허용기준을 차속이 45km/h 미만인 도심주행 구간에서는 2.2 ~ 8.7배, 교외주행 구간에서는 1.8 ~ 8.7배, 차속이 45km/h 이상인 고속주행 구간에서는 1.6 ~ 9.9배 초과하여 배출하는 것으로 나타났다.
(2) Combined 1 및 Combined 2 경로의 시험차량 이동평균구간 평균 NOx 배출량인 50% CP 차이는 크지 않았으나, 차량별로는 Veh. 1이 가장 낮은 수준인 허용기준을 1.8 ~ 1.9배, Veh. 2 및 Veh. 3 차량이 가장 높은 수준인 8.4 ~ 8.5배, 6.4~ 8.4배 초과하여 배출하는 것으로 분석되었다.
(3) 가중평균 배출량 분석결과, Combined 1, 2 경로의 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 Veh.1이 배출 허용기준의 2.0 ~ 2.8배로 가장 낮은 수준이었으며, Veh. 2와 Veh. 3 차량이 6.5 ~ 10.6배와 5.3 ~ 9.3배로 가장 높은 수준인 것으로 분석되었다.
(4) 실제도로 NOx 배출량에 대한 이동평균구간분석방법과 가중평균 배출량 방법은 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났으나, 출력 빈도수가 높은 차량출력 bin의 NOx를 배출량 차이로 가중평균 NOx 배출량은 다르게 나타난다.
EU에서 워킹그룹을 조직하고 PEMS 측정 데이터를 합리적으로 분석하기 위해 논의하고 있는 다양한 방법은 무엇인가?
이러한 관점에서 EU는 워킹그룹을 조직하고PEMS 측정 데이터를 합리적으로 분석하기 위해 다양한 연구를 시도하고 있으며, 이동평균구간(MAW, Moving Averaging Window) 원리를 적용하여 분석하는 방법, 정규화(normalization)된 표준화 차량출력 빈도수로 가중하여 분석하는 가중평균 배출량(weighted emissions) 방법, 데이터 분석 방법으로 차량속도 빈도수로 가중하여 주행경로 평균 배출가스양을 분석하는 차량속도 비닝법(vehicle speed binning method) 등이 논의되고 있다.(9~11)
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