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문제 정의
- 본 연구에서 시험한 차량 14 대는 가솔린 6 대, 경유 5 대, LPG 1 대, 하이브리드 2 대로서 전체적인 차량분포를 이전 보정식 개발당시의 가솔린 16대, 경유 8대, LPG 3대, 하이브리드 3대 총 30대의 시험차량과 최대한 동일하게 유지되도록 노력하였으며 새로운 기술에 따른 운전 및 환경조건에 따른 연비영향을 비교 분석하기 위하여 2011년 보정식 개발당시 시험 대상 차량 중 후속모델이 새로운 기술을 적용한 모델 5종(MP I→ GDI 1종, 다운사이징 2종, EGR → SCR 1종, EGR → LNT 1종)을 포함하였다. 또한 가장 많이 선호하는 중ㆍ소형 승용차와 함께 대형차에서부터 승합차량에 이르기까지 다양한 차종으로 선정하였으며, 운행차를 대표하기 위하여 3,000 km 이상 3 만km이하의 차량을 선정하여 시험결과의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 선정된 시험 차량은 1,300 cc에서 3,600 cc 사이로 배기량이 다양하였으며, 기존 시험차량은 2006년부터 2010 년에 출시된 차량이었고, 이번에 시험된 차량은 2012 년부터 2014 년 출시된 차량들 이었다.
- 현행 보정식의 개선여부 검토를 위하여 본 연구에서는 시험한 14대의 차량을 대상으로 보정식을 도출 하여 기존 보정식과 비교하여 보았다. 식 (1)과 (3)은 기존에 사용하여왔던 보정식을 나타낸 것이며, 식 (2)과 (4)는 이번 시험차량의 결과로 산출된 보정식이다.
제안 방법
- FTP-75 모드와 Cold FTP-75 모드는 관련 고시에 의해 시험차량을 시험온도 조건에서 12시간 이상 soaking시킨 후 시험하였고, HWFET, US06, SC03 모드는 hot 상태의 시험으로 차량을 일정한 온도로 유지하기 위해 시험 전에 preconditioning 모드로 주행하고 본 시험을 시행하였다.
- FTP-75 모드와 HWFET, US06 모드는 기존의 시험 조건과 동일한 조건에서 진행되는데, 전체적인 시험은 항온ㆍ항습이 유지된 시험실내(항온 25 ± 1 ℃, 항습 상대습도50 ± 5 %)에서 실시하였다.
- US06 모드는 급가·감속 및 높은 속도의 공격적인 운전 습관을 표현하기 위하여 설계되었으며, US06 모드는 낮은 속도에서 공격적인 도시 운행과 높은 속도의 고속도로 운행 모드를 포함하고 있다. US06 모드가 가지고 있는 서로 다른 두 모드 때문에, 고속과 공격적 운행의 영향을 평가할 목적으로 US06 모드의 일부와 개략적으로 비교 가능한 도시(FTP-75 모드) 와 고속도로(HWFET 모드) 시험이 조합된 결과를 가지고 비교․평가하였다. Fig.
- 그러므로 본 연구에서는 5-cycle 시험방법(FTP-75, HWFET, US06, SC03, Cold FTP-75)을 통해 각각의 모드 특성에 따른 국내 신형식 자동차의 연비 특성을 확인하고, 기존에 개발된 자동차 연비 보정식과의 차이를 분석하였다.
- 본 연구에서는 차량의 배기가스 측정은 CVS 터널 및 배출가스분석기(MEXA-7 series)로 수행하였고. 차대동력계에서 해당 주행모드로 운전하고 주행속도별 실시간 배기가스 및 차량의 데이터를 획득하였으며, 또한 배출가스가 담긴 포집백 분석을 통하여 배기가스 물질에 대한 최종 결과를 분석하였다.
- 연비 측정 결과에 영향을 줄 수 있는 다양한 환경 조건과 운전특성이 고려된 시험방법(5-cycle 시험법)을 신형식 자동차에 적용하기 위하여 각각의 모드 특성에 따른 신형식 자동차의 연비 특성을 확인하고, 기존에 개발된 자동차 연비 보정식과의 차이를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 차량의 배기가스 측정은 CVS 터널 및 배출가스분석기(MEXA-7 series)로 수행하였고. 차대동력계에서 해당 주행모드로 운전하고 주행속도별 실시간 배기가스 및 차량의 데이터를 획득하였으며, 또한 배출가스가 담긴 포집백 분석을 통하여 배기가스 물질에 대한 최종 결과를 분석하였다. 차량의 배기가스 및 연비를 측정할 수 있는 차대동력계 및 배기가스 분석 장치의 전체적인 개략도를 Fig.
- )를 유지하면서 운영된다. 하지만, 본 시험에서는 태양의 열 부하에 의한 온도설정/ 유지를 하지 못하고, 공조시스템에 의하여 온도를 설정/ 유지 하였다.
대상 데이터
- 2에 나타내었다. 그리고 사용된 시험모드는 신연비 시험 모드인 5-cycle 모드이다. Table 1은 5-cycle 시험모드의 특성을 나타내었다.
- 본 연구에서 시험한 차량 14 대는 가솔린 6 대, 경유 5 대, LPG 1 대, 하이브리드 2 대로서 전체적인 차량분포를 이전 보정식 개발당시의 가솔린 16대, 경유 8대, LPG 3대, 하이브리드 3대 총 30대의 시험차량과 최대한 동일하게 유지되도록 노력하였으며 새로운 기술에 따른 운전 및 환경조건에 따른 연비영향을 비교 분석하기 위하여 2011년 보정식 개발당시 시험 대상 차량 중 후속모델이 새로운 기술을 적용한 모델 5종(MP I→ GDI 1종, 다운사이징 2종, EGR → SCR 1종, EGR → LNT 1종)을 포함하였다.
- 새로운 기술이 적용된 신형식 차량으로 시험대상 군을 선정하였다. 여기서 새로운 기술은 가솔린 직접분사(GDI) 및 터보 등의 장치를 사용한 다운사이징, 가변 흡ㆍ배기 밸브 개도 기술(CVVL), 질소산화물 저감장치(LNT, SCR), 전자제어식 가변터보(e-VGT) 등을 말하며, 부가적으로 새롭게 출시된 1.
- 또한 가장 많이 선호하는 중ㆍ소형 승용차와 함께 대형차에서부터 승합차량에 이르기까지 다양한 차종으로 선정하였으며, 운행차를 대표하기 위하여 3,000 km 이상 3 만km이하의 차량을 선정하여 시험결과의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 선정된 시험 차량은 1,300 cc에서 3,600 cc 사이로 배기량이 다양하였으며, 기존 시험차량은 2006년부터 2010 년에 출시된 차량이었고, 이번에 시험된 차량은 2012 년부터 2014 년 출시된 차량들 이었다.
- 새로운 기술이 적용된 신형식 차량으로 시험대상 군을 선정하였다. 여기서 새로운 기술은 가솔린 직접분사(GDI) 및 터보 등의 장치를 사용한 다운사이징, 가변 흡ㆍ배기 밸브 개도 기술(CVVL), 질소산화물 저감장치(LNT, SCR), 전자제어식 가변터보(e-VGT) 등을 말하며, 부가적으로 새롭게 출시된 1.6급 LPG 차량도 시험대상으로 선정하였다. 이번 시험차량분석에 사용된 차량은 14 대의 차량으로 시험차량 분포는 Fig.
- 6급 LPG 차량도 시험대상으로 선정하였다. 이번 시험차량분석에 사용된 차량은 14 대의 차량으로 시험차량 분포는 Fig.1과 같다.
이론/모형
- , 배출가스 시험방법을 개선하고자 하는 노력들이 전 세계적으로 활발히 연구되고 있음에도 불구하고, 항상 문제가 되고 있는 것이 정부의 표시연비가 체감연비와 상이하다는 소비자 불만이 지속되어 정부는 보다 정확한 표시연비 측정을 위해 미국의 5-cycle 시험방법을 국내 차량 기준에 맞게 재설정하여 도입하였다. 본래는 다양한 환경조건 및 주행패턴이 반영된 5개의 시험모드를 모두 주행함으로써 측정된 결과 값을 표시연비로 계산하는 방법이지만 소요되는 자원의 급격한 증가에 따른 충격을 완화하기 위하여 2개의 시험모드(도심(FTP-75 mode), 고속도로(HWFET mode))의 결과 값을 5-cycle 시험법으로 계산된 연비 값과 동등한 수준으로 산출하는 5-cycle 보정식을 사용하고 있다. 이 보정식은 2011년에 30대 차량의 5-cycle 시험방법으로 산출되었으나 최근 신형식 자동차가 꾸준히 개발·출시되고 있어, 신형식 자동차에 대한 기존 연비 보정식 적용에 따른 연비 차이 분석이 필요한 실정이다.
성능/효과
- 1) 신형식 자동차 14대를 대상으로 기존 연비 측정 모드인 FTP-75와 다양한 환경조건 및 운전자 특성이 반영된 5-cycle 시험모드를 비교해본 결과 저온환경조건은 20.7 %(기존 18.8 %), 에어컨 사용은 24.3 %(기존 24.6 %), 급가·감속에 따른 연비감소가 34.5 %(기존 33.5 %)로 가장 크게 나타났다.
- 2) 연비 감소에 영향을 미치는 시험모드 결과를 유종별로 구분하여 보면 저온환경조건 모드에서는 하이브리드>디젤>LPG>가솔린, 에어컨 사용 모드에서는 하이브리드>가솔린>디젤>LPG, 급가․감속 모드에서는 가솔린> 디젤> LPG>하이브리드 순으로 연비에 영향을 미쳤다.
- 3) 본 연구에서 신형식 자동차 14대를 대상으로 산출된 신규 연비 도심 보정식은 1/(0.009171+(1.1635/FTP FE)), 고속도로 보정식은 1/(0.008276+(1.2756/HWFET FE))로써 기존 보정식과의 편차가 도심 조건에서는 0.51 %, 고속도로 조건에서는 1.39 %로 나타났다.
- 4) 신형식 자동차 14대의 시험결과를 기반으로 산출된 보정식와 기존 보정식의 편차는 미국 5-cycle 표시연비 기준(도심 4 %, 고속도로 5 %)이내로서 기존보정식은 현재의 자동차 기술발전에 따른 개선도에 크게 영향을 받고 있지 않으므로 정책의 연속성을 위하여 기존에 사용하여 왔던 보정식을 유지하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
- 6 %)와 비슷하게 나타났다. 가솔린 차량은 23.7 % (기존 22.2 %), LPG 차량은 20.3 % (기존 23.2 %), 경유차량은 23.2 % (기존 25.5 %)이고, 하이브리드 차량은 30.8 % (기존 36.0%)로 기존 결과는 경유 차량이 가솔린 차량보다 에어컨 사용에 따른 영향이 컸으나 이번 결과는 동등수준으로 나타났다. 기존 내연기관 차량의 에어컨 사용에 따른 연비감소 폭은 17.
- 가솔린 차량은 36.1 % (기존 32.9 %), LPG 차량은 33.5 % (기존 33.1 %), 경유 차량은 34.8 % (기존 35.5 %)이고, 하이브리드 차량은 32.5 % (기존 33.1 %)로 기존 결과는 경유 차량이 가솔린 차량보다 급가·감속주행에 따른 영향이 컸으나 이번 결과는 가솔린 차량이 경유 차량보다 감소폭이 크게 나타났다.
- 9, 10은 이번 보정식과 기존 보정식을 나타내고 있다. 그림에서 보이는 바와 같이 추세선은 동등 수준을 보이고 있음을 확인할 수 있고, 기존 시험 대상차량과 이번 시험 대상차량 총 44 대를 두 보정식으로 계산하여 오차를 확인한 결과, Table 2와 같이 도심 평균 0.51 %, 고속도로 평균 1.39 %의 오차로 확인되었다. 최대 차이(절대값 비교)는 도심 1.
- 기존 30대의 결과와 모두 동일하게 하이브리드> 디젤> 가솔린 순으로 저온에 영향을 받았으며, LPG 차량의 경우 기존에는 가솔린과 동등 수준이었으나 이번 결과는 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.
- 기존 내연기관 차량의 에어컨 사용에 따른 연비감소 폭은 17.3 % ∼ 35.1 % 차이를 보이고 있는데 반해, 하이브리드 차량은 연비감소 폭은 26.4% ∼ 40.7 %로 일반차량보다 에어컨 사용에 대하여 더 큰 반응을 보였다.
- 기존 시험결과와 이번 시험결과를 비교하여 보면, 급가·감속 및 고속운전에 따른 평균 연비 특성(34.5%)이 기존 결과(33.5 %)보다 감소폭이 약간 높아졌다.
- 미국에서 정하는 5-cycle 시험대상 차종 규정의 도심 4 %, 고속도로 5 % 기준 이내로 큰 차이가 없음을 보여주고 있다. 따라서 기존 보정식은 현재의 자동차 기술발전에 따른 개선도에 크게 영향을 받고 있지 않다고 판단되어 정책의 연속성을 위하여 기존에 사용하여 왔던 보정식을 유지하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 하지만 급속도로 성장하는 자동차 기술발전에 따른 현행 연비 보정식에 대한 수시적인 모니터링이 필요할 것으로 생각된다.
- 먼저, Fig.3의 기존 30대의 시험 결과를 보면 저온 환경조건에 의해 연비가 최소 11.0 %에서 최대 32.6%로 평균 18.8 % 차이를 보였다. 연료에 따른 결과를 보면 가솔린은 14.
- 먼저, 기존 30대의 결과와 이번 신형식 자동차 14대의 결과를 비교하면 에어컨 사용에 따른 평균 연비 특성(24.3 %)이 기존 결과(24.6 %)와 비슷하게 나타났다. 가솔린 차량은 23.
- 먼저, 기존 시험결과는 급가·감속 및 고속운전에 따른 연비감소는 평균적으로 33.5 % 정도로 낮게 나타났다.
- 부분적으로 위 결과만으로 볼 때 신형식 차량들이 급가·감속 주행에 따른 연비 특성이 과거 차량보다 다소 약화되었다고 볼 수 있으나 평균값 대비 차량별 편차가 크고, 기존 시험 대비 이번 시험의 모집단이 1/2 수준이기 때문에 일반화하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다.
- 8 % 차이를 보였다. 연료에 따른 결과를 보면 가솔린은 14.3 %, LPG는 14.7 %, 경유는 18.1%, 하이브리드는 28.1 %의 감소를 보였다.
- 이번 14대의 신형식 자동차의 시험결과를 분석해 보면, 저온 환경조건에 따른 평균 연비 특성(20.7%)이 기존 결과(18.8 %)보다 감소가 커졌으며, 연료별로 연비감소 차이를 비교하여 보면, 평균적으로 가솔린은 15.8 % (기존 14.3 %) LPG는 19.6 % (기존 14.7 %), 경유는 23.9 % (기존 18.1 %), 하이브리드는 28 % (기존 28.1 %)의 연비감소 차이를 가진다. 기존 30대의 결과와 모두 동일하게 하이브리드> 디젤> 가솔린 순으로 저온에 영향을 받았으며, LPG 차량의 경우 기존에는 가솔린과 동등 수준이었으나 이번 결과는 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.
- 7 %로 일반차량보다 에어컨 사용에 대하여 더 큰 반응을 보였다. 저온의 영향과 같이 기존 내연기관 차량의 연료인 가솔린, 경유, LPG 연료의 차이에 의한 연비감소 차이보다 하이브리드 차량의 에어컨 특성 차이가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 전반적으로 신형식 차량들이 에어컨 사용에 따른 연비 특성(에어컨 성능 향상)이 과거 차량보다 개선되었다고 볼 수 있다.
- 이는 신형식 차량들이 다양한 제어장치나 배출가스 저감장치 등 부가장치가 더 많이 장착되면서 나타나는 특징이라고 판단된다. 전체적인 결과를 살펴보면 연료의 특성에 따라 저감되는 절대 값의 차이는 보이지만, 저온 환경조건에 의해 연비가 많이 감소되어 나타나고 있는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 기존 보정식은 현재의 자동차 기술발전에 따른 개선도에 크게 영향을 받고 있지 않다고 판단되어 정책의 연속성을 위하여 기존에 사용하여 왔던 보정식을 유지하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 하지만 급속도로 성장하는 자동차 기술발전에 따른 현행 연비 보정식에 대한 수시적인 모니터링이 필요할 것으로 생각된다.
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