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문제 정의
- 따라서 RDE-LDV 제도의 실효성을 검증하고 효과적으로 도입하기 위해서는 시험 경로의 구성, 가속조건 및 엔진 부하 등과 같은 주행특성, 주위 온도 및 고도와 같은 환경조건, 데이터 분석방법 등과 관련된 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 EU에서 적용 예정인 RDE-LDV 시험방법을 기준으로 국내 주행도로에서 Euro6 경유자동차들의 실제 도로 주행 배출가스 특성을 평가하고, EU 시험방법의 국내 적용 가능성과 제도 도입에 따른 기대효과를 분석하였다.
제안 방법
- PEMS 장비를 이용하여 실제도로 주행 시험을 수행하기 전에 측정 데이터의 신뢰성을 평가하기 위해 차대 동력계에서 CVS 장비와 동시에 배출가스를 측정하여 측정장비 간 상관성을 검증하였다. 폭 넓은 측정범위에서의 상관성을 평가하기 위하여 NEDC, CVS-75 모드 등 다양한 주행모드에서 수행하였으며, 각 주행모드에서 두 장비로 측정된 NOx와 CO2 배출량 시험 결과를 Fig.
- Table 3에 본 연구의 실제 도로 주행 시험시에 나타난 구간별 주행거리, 주행시간, 평균 차량속도를 요약하여 정리하였으며, 차량속도 누적분포를 NEDC(New European Driving Cycle) 및 WLTC(Worldwide-harmonized Light-duty Test Cycle) 인증시험 모드와 비교하여 Fig. 2에 나타내었다.
- 배출량을 기준으로 평균계산 구간을 설정하고, 이동평균방법을 이용하여 주행거리 당 배출가스 평균값을 산출하는 방법을 적용하였다. 또한, 각 평균계산구간 들의 평균차속에 대한 CO2 배출량 특성곡선을 이용하여 실제도로 주행시험의 유효성(validity)을 검증하였다. 주행시험의 유효성은 도심, 교외, 고속도로의 평균계산구간 점유율이 15% 이상 되어야 하는 완전성(completeness)과 평균계산구간의 CO2 배출량이 WLTC 기준 CO2 특성곡선의 ±25% 내에 분포하는 점유율이 50% 이상 되어야 하는 일반성(normality)을 검증하는 것으로 수행된다.
- 본 연구에서는 EU의 RDE-LDV 시험방법에서 제시된 WLTC 주행모드 CO2 배출량을 기준으로 평균계산 구간을 설정하고, 이동평균방법을 이용하여 주행거리 당 배출가스 평균값을 산출하는 방법을 적용하였다. 또한, 각 평균계산구간 들의 평균차속에 대한 CO2 배출량 특성곡선을 이용하여 실제도로 주행시험의 유효성(validity)을 검증하였다.
- 본 연구에서는 국내의 경유차 실제 도로 주행 배출가스 관리 제도로 도입예정인 EU의 RDE-LDV 시험방법을 적용하여 4대의 Euro6 경유차에 대해 실제 도로 주행 배출가스 시험을 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 운행조건은 차속 기준으로 도심 0~60 km/h, 교외 60~90 km/h, 고속도로 90 km/h 이상의 속도로 구분된다. 본 연구에서는 수차례의 사전 주행을 통하여 EU RDE-LDV 규정에 부합되는 실제 도로주행 시험경로를 구성하였다. 도심구간은 고양시 능곡역에서 출발하여 연세대, 광화문, 서대문역, 서강대교까지이다.
- 본 연구에서는 이와 같이 시험 차량의 WLTC 기준 CO2 특성곡선과 각 주행구간의 평균계산구간 점유율 분포를 이용하여 각 차량의 실제도로 주행시험의 유효성을 검증한 후 평균계산구간의 주행거리 당 NOx 배출량(g/km)을 산정하였다.
- 본 연구의 실제 도로주행 경로는 EU의 RDE-LDV 시험 방법에 적합하도록 구성하였다. EU RDE-LDV의 주행경로 구성요건 따르면 도심, 교외, 고속도로의 주행특성이 나타나는 운행조건을 주행거리 기준으로 각각 1/3로 구성하되, 각 구간은 최소 16 km 이상이 되어야 한다.
- 3에 나타내었다. 시험실의 CVS와 PEMS 장비로 측정된 값을 점으로 나타내었고, 최소자승법으로 회귀직선을 구하여 직선식과 결정계수를 함께 표기하였다. 선도에서 알 수 있듯이 각 주행모드에서 PEMS와 CVS 장비로 동시에 측정한 배출가스 데이터를 비교한 회귀직선의 기울기는 각각 1.
- PEMS 장비를 이용하여 실제도로 주행 시험을 수행하기 전에 측정 데이터의 신뢰성을 평가하기 위해 차대 동력계에서 CVS 장비와 동시에 배출가스를 측정하여 측정장비 간 상관성을 검증하였다. 폭 넓은 측정범위에서의 상관성을 평가하기 위하여 NEDC, CVS-75 모드 등 다양한 주행모드에서 수행하였으며, 각 주행모드에서 두 장비로 측정된 NOx와 CO2 배출량 시험 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 시험실의 CVS와 PEMS 장비로 측정된 값을 점으로 나타내었고, 최소자승법으로 회귀직선을 구하여 직선식과 결정계수를 함께 표기하였다.
대상 데이터
- 배기가스 분석기는 CO2, NOx를 측정하며, 1Hz의 주기로 측정된 배기가스 농도 데이터는 유량계의 유량 데이터와 동기화되어 g/s 단위로 취득된다. GPS와 OBD 단말기를 통해 취득된 차속 데이터를 기준으로 차량의 OBD 데이터와 PEMS의 측정 데이터를 동기시켜 사용하였다(8,9). 시험차량에 장착된 PEMS 장비의 기본 제원을 Table 2, 계통도를 Fig.
- 본 연구에서는 수차례의 사전 주행을 통하여 EU RDE-LDV 규정에 부합되는 실제 도로주행 시험경로를 구성하였다. 도심구간은 고양시 능곡역에서 출발하여 연세대, 광화문, 서대문역, 서강대교까지이다. 교외구간은 서강대교를 지나 강변북로를 통과하여 제2자유로, 강매IC 순으로 구성되며, 고속도로 구간은 강매IC를 지나 인천국제공항고속도로를 진입하여 청라IC, 금산IC로 구성 되는 시험경로이다.
- 실제도로 운행조건에서 배출가스양을 측정하기 위한 PEMS 장비로는 Horiba사의 OBS-2000을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 PEMS 장비는 Pitot-tube 방식의 배기가스 유량계, 배기가스 분석기, 배기가스 샘플링 장치, 전원 공급 장치, 제어 및 데이터 분석 장치 등으로 구성된다. 배기가스 분석기는 CO2, NOx를 측정하며, 1Hz의 주기로 측정된 배기가스 농도 데이터는 유량계의 유량 데이터와 동기화되어 g/s 단위로 취득된다.
- 본 연구에서는 국내에서 운행 중인 2015 및 2016년식 Euro6 배출 허용기준이 적용된 경유자동차 4대를 대상으로 실제 도로 주행 배출가스 시험을 수행하였다. 시험 차량의 배기량은 1,600~2,000 cc이며, 초기 주행거리가 7,000 km 이내인 차량으로서 주요 제원은 Table 1에 요약하여 나타내었다.
- 본 연구에서는 국내에서 운행 중인 2015 및 2016년식 Euro6 배출 허용기준이 적용된 경유자동차 4대를 대상으로 실제 도로 주행 배출가스 시험을 수행하였다. 시험 차량의 배기량은 1,600~2,000 cc이며, 초기 주행거리가 7,000 km 이내인 차량으로서 주요 제원은 Table 1에 요약하여 나타내었다.
- 실제도로 운행조건에서 배출가스양을 측정하기 위한 PEMS 장비로는 Horiba사의 OBS-2000을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 PEMS 장비는 Pitot-tube 방식의 배기가스 유량계, 배기가스 분석기, 배기가스 샘플링 장치, 전원 공급 장치, 제어 및 데이터 분석 장치 등으로 구성된다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 적용한 PEMS 장비의 신뢰성을 확인하기 위하여 차대동력계 배출가스 시험시설에서 CVS 장비와 상관성 시험을 수행하였고, 두 장비의 CO2와 NOx 측정 데이터는 높은 상관성이 있음을 정량적으로 확인하였다.
- (2) 실제도로 주행시험을 수행하기 위해 수도권 지역에서 설정한 도로 주행 경로는 EU의 RDE-LDV 규정에 적합하게 구성될 수 있으며, 실제 도로 주행 시험시의 평균차속과 가속도는 인증시험 모드에서는 포함되지 않는 다양한 운전패턴이 반영되었다. 또한, 이동평균구간 분석방법의 주행경로 완료성과 일반성도 EU RDE-LDV 시험방법 규정에 모두 부합하였다.
- (3) 본 연구에서 수행한 Euro6 경유차의 실제도로 NOx 배출양은 시험차량에 따라 0.202~0.556 g/km로 모든 차량이 실내인증 배출허용기준을 초과하였고, 차량에 따라 상당한 차이가 나타났다.
- (4) 시험차량 4대의 인증기준 대비 비율인 적합계수는 2.5~6.9 수준으로서 모두 2017년 9월부터의 규제 기준인 2.1을 초과하였다. 이는 EU의 RDE-LDV 규제 도입시 소형경유차의 NOx 배출량을 실제 도로주행 조건에서 실효적으로 저감할 수 있음을 보여준다.
- 동일한 Euro6 실내 인증 배출허용기준에 적합한 차량이지만, 실제 도로 주행조건의 배출량은 차량에 따라 상당히 차이가 나타나고 있는 것이다. RDE-LDV 시험 방법과 데이터분석 방법에 따라 산정한 시험차량들의 도심 주행구간 NOx 배출량은 0.214~0.622 g/km이며, 평균 배출량은 실내인증 허용기준의 약 5.4배인 0.428 g/km로 나타났다. 교외 주행구간의 시험차량 별 NOx 배출량 범위는 0.
- 각 평균계산구간의 평균속도를 기준으로 도심, 교외, 고속도로로 분류하였을 때, 각 주행구간의 평균계산구간 점유율은 전체의 15% 이상이고, 시험차량의 WLTC CO2 특성곡선의 ±25% 구간 내에 CO2 배출량이 분포하는 평균계산구간의 점유율은 각 주행구간 전체 평균계산구간의 50% 이상인 것으로 나타나 Veh.
- 이 두 차량은 주행경로별 평균 NOx 배출량에 상당한 차이가 있었다. 두 시험차량의 각 평균계산구간에서 주행거리 당 NOx 배출량은 일부 고속주행 조건을 제외하고는 모두 NEDC 배출 허용기준을 초과하였다. 즉, 다양한 주행조건에서 실제도로 주행 NOx 배출량은 실내 인증 배출기준을 초과한다는 것을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
- 즉, 다양한 주행조건에서 실제도로 주행 NOx 배출량은 실내 인증 배출기준을 초과한다는 것을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 또한 veh.3 차량은 거의 모든 주행조건에서 veh.1 차량보다 상대적으로 많은 양의 NOx를 배출하고 있으며, 특히 평균차속 약 70 km/h 이상의 고속 주행조건에서 NOx가 과다 배출되는 것으로 나타났다.
- 98로 나타나 NOx와 CO2 배출량이 거의 일치하고 있음을 정량적으로 확인할 수 있었다. 또한 두 장비의 측정값에 대한 결정계수는 모두 0.98 이상으로 나타나 PEMS와 CVS 장비의 배출량 측정값은 매우 높은 상관관계를 갖고 있으며, 본 연구에서 사용한 PEMS 장비의 배출가스 데이터의 신뢰도를 확인할 수 있었다.
- (2) 실제도로 주행시험을 수행하기 위해 수도권 지역에서 설정한 도로 주행 경로는 EU의 RDE-LDV 규정에 적합하게 구성될 수 있으며, 실제 도로 주행 시험시의 평균차속과 가속도는 인증시험 모드에서는 포함되지 않는 다양한 운전패턴이 반영되었다. 또한, 이동평균구간 분석방법의 주행경로 완료성과 일반성도 EU RDE-LDV 시험방법 규정에 모두 부합하였다.
- 본 연구에서 시험차량 4대에 대하여 EU의 RDE-LDV 시험방법에 따라 주행경로를 설정하고 평가한 결과, 국내의 도로 주행 조건에서 동 시험방법을 구현할 수 있음을 확인하였다. EU의 RDE-LDV에 따른 실제 도로 NOx 배출량은 0.
- 시험실의 CVS와 PEMS 장비로 측정된 값을 점으로 나타내었고, 최소자승법으로 회귀직선을 구하여 직선식과 결정계수를 함께 표기하였다. 선도에서 알 수 있듯이 각 주행모드에서 PEMS와 CVS 장비로 동시에 측정한 배출가스 데이터를 비교한 회귀직선의 기울기는 각각 1.07과 0.98로 나타나 NOx와 CO2 배출량이 거의 일치하고 있음을 정량적으로 확인할 수 있었다. 또한 두 장비의 측정값에 대한 결정계수는 모두 0.
- 581 g/km로 시험차량에 따라 상당히 큰 차이를 나타내었다. 시험차량들의 평균 배출량은 0.358 g/km로서 실내 인증 배출 허용기준의 약 4.5배 정도를 초과하였다.
- 실제 도로 주행경로의 평균차속과 가속도는 인증시험 모드 보다 폭넓게 분포되어 인증시험에서 나타나지 않은 다양한 주행패턴이 반영되었음을 확인할 수 있다. 특히 중저속인 차속 60 km/h 이하의 주행구간에서는 NEDC 인증모드에는 나타나지 않는 0.
- 주행시험의 유효성은 도심, 교외, 고속도로의 평균계산구간 점유율이 15% 이상 되어야 하는 완전성(completeness)과 평균계산구간의 CO2 배출량이 WLTC 기준 CO2 특성곡선의 ±25% 내에 분포하는 점유율이 50% 이상 되어야 하는 일반성(normality)을 검증하는 것으로 수행된다.
- 두 시험차량의 각 평균계산구간에서 주행거리 당 NOx 배출량은 일부 고속주행 조건을 제외하고는 모두 NEDC 배출 허용기준을 초과하였다. 즉, 다양한 주행조건에서 실제도로 주행 NOx 배출량은 실내 인증 배출기준을 초과한다는 것을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 또한 veh.
- 9 km/h의 범위에서 주행되었으며, 다른 주행구간에 비해 차량별 NOx 배출량의 편차가 크게 나타났다. 평균 NOx 배출량은 실내 인증 허용기준의 약 5.9배인 0.472 g/km인 것으로 측정되었다. 한편, 고속도로 주행구간에서는 93.
- 평균차속이 60 km/h 이상인 교외와 고속도로 주행구간은 도심 주행구간 대비 정지구간이 적고 일정한 속도의 주행이 길게 지속되어 하위 주행구간이 적게 나타난다. 평균 속도 60~90 km/h인 교외 주행구간의 가속도는 0.12~0.18 m/s2의 범위에 분포되고 있으며, 평균속도 90 km/h 이상인 전용도로 주행구간의 가속도는 주행경로 중 가장 낮은 수준인 0.08~0.12 m/s2로 분포되었다.
후속연구
- 따라서 RDE-LDV 제도의 실효성을 검증하고 효과적으로 도입하기 위해서는 시험 경로의 구성, 가속조건 및 엔진 부하 등과 같은 주행특성, 주위 온도 및 고도와 같은 환경조건, 데이터 분석방법 등과 관련된 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 EU에서 적용 예정인 RDE-LDV 시험방법을 기준으로 국내 주행도로에서 Euro6 경유자동차들의 실제 도로 주행 배출가스 특성을 평가하고, EU 시험방법의 국내 적용 가능성과 제도 도입에 따른 기대효과를 분석하였다.
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