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문제 정의
- 본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성도 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 해당차량을 대상으로 차대동력계상에서 임의주행 사이클 주행 배출가스 특성을 파악하였다.
- 본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성을 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용 하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 시험결과를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실제도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.
제안 방법
- 8은 Veh. 1이 NEDC 배출가스 인증모드, 임의 주행 사이클 및 실제도로를 주행하였을 때 나타나는 NOx 배출량 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 임의주행 사이클 주행결과는 6회 평균값을 막대그래프의 대표 값으로 나타냈으며, error bar를 사용하여 임의주행 사이클의 최대값(max.
- 3은 유로 6 배출가스 기준이 적용된 차량으로 DPF(Diesel Particulate Filter) 외에도 각각 LNT(Lean NOx Trap) 및 SCR(Selective Catalytic Reduction) 후처리장치가 별도로 적용된 차량이다. 따라서 서로 다른 배출가스 기준과 후처리장치가 적용된 시험차량을 임의주행 사이클에 적용할 경우, 배출가스 특성이 비교 가능하도록 하였다.
- 2는 임의주행 사이클을 생성하는 프로그램의 개요도를 나타낸다. 본 연구에서는 시험차량의 제원과 WLTP 주행모드에서 사용된 하위 주행구간(short trip)을 사용하여 임의주행 사이클을 생성하고 차대동력계에 적용하였다.9)
- 실제도로 배출가스 측정을 위해서 HORIBA사의 OBS-2000 장비를 이용하였으며, 주행경로는 EC-JRC에서 수행한 시험경로를 고려하여 국립환경과학원에서 개발한 Combined 1 주행경로에서 시험하였다. Combined 1 주행경로는 약 47 km/h의 평균속도와 약 119 km의 총 주행거리를 가지며, 주행거리 기준으로 도심구간 25 %, 교외구간 23 %, 자동차 전용도로 52 %로 구성되어 다양한 실제도로 주행조건을 포함하고 있다.
- 실제도로 주행 배출가스 분석을 위하여 이동평균 구간(MAW, Moving Averaging Window) 방법을 사용하였고, WLTP 주행모드에서 시험차량의 기준 CO2 배출량을 측정하였다. Fig.
- 임의주행 사이클 시험은 6시간 이상 25 ± 5°C의 온도조건을 적용하는 냉간(cold)상태의 NEDC 배출가스 인증모드 시험과는 다르게 열간(hot)상태로 진행되기 때문에 냉각수, 엔진오일, 후처리장치 등이 워밍업 되어 있는 상태로 시험이 진행된다.
- 본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성을 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용 하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 시험결과를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실제도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 임의주행 사이클에서 서로 다른 배출 허용기준을 만족하는 소형 경유자동차를 대상으로 배출가스 특성을 측정하였으며, 각 차량에 적용된 후처리 장치의 종류에 따른 배출가스 특성도 분석하였다. 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 해당차량을 대상으로 차대동력계상에서 임의주행 사이클 주행 배출가스 특성을 파악하였다. 또한, 시험결과를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실제 도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.
- 4는 출발 시점부터 기준 CO2 배출량을 기준으로 생성되는 이동평균구간의 원리를 나타낸 그림이며, 각 평균구간에서 주행거리에 대한 배출가스양(g/km)을 계산하였다. 총 주행경로에 대한 평균 배출가스양은 각 평균구간으로 계산된 배출가스양의 누적 빈도수(cumulative frequency)로 분석하였으며, 50 % 누적 빈도수(50 % CP, 50 % Cumulative Percentile)를 평균값으로, 90 %누적 빈도수(90 % CP)를 최대값으로 분류하여 정의하였다.11)
대상 데이터
- 차대동력계에서 임의주행 사이클을 이용한 실제 도로 주행 배출가스 특성 모사 시험을 위해 본 연구는 Table 1에 나타낸 총 3대의 차량으로 시험을 수행하였다. Veh.
데이터처리
- 임의주행 사이클은 차량 특성을 적용하여 총 6개의 주행모드로 구성하였으며, 해당차량을 대상으로 차대동력계상에서 임의주행 사이클 주행 배출가스 특성을 파악하였다. 또한, 시험결과를 NEDC 배출가스 인증모드 및 PEMS를 이용한 실제 도로 배출가스 특성과 비교분석하였다.
- 1 차량의 임의주행 사이클 시험결과를 나타내었다. 시험결과는 Table 2에 나타낸 총 6개의 임의주행 사이클의 결과와 평균값으로 나타내었으며, 이를 각 NEDC 배출가스 인증 모드 시험결과와 비교하였다.
- 1이 NEDC 배출가스 인증모드, 임의 주행 사이클 및 실제도로를 주행하였을 때 나타나는 NOx 배출량 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 임의주행 사이클 주행결과는 6회 평균값을 막대그래프의 대표 값으로 나타냈으며, error bar를 사용하여 임의주행 사이클의 최대값(max.) 및 최소값(min.)값으로 표시하였다. 또한, PEMS를 이용한 실제도로주행결과는 평균값과 최대값으로 정의한 50 % CP와 90 % CP 값을 나타내었다.
성능/효과
- 2 차량의 임의 주행 사이클 평균 NOx 배출량은 유로 5 기준이 적용된 Veh. 1 차량의 임의주행 사이클 평균 NOx 배출량보다 훨씬 낮은 수준인 0.121 g/km로 측정되어 배출가스 허용기준 강화정책이 어느 정도 반영되었음을 알 수 있다. 그러나 이러한 결과는 유로 6 배출 허용기준인 0.
- 1) 임의주행 사이클은 시험차량의 특성을 반영하여 주행모드를 생성하기에 실제도로 주행조건과 동일한 속도영역과 상대 가속도가 분포되기 때문에, NEDC 배출가스 인증모드에서 나타나지 않는 실제도로 주행조건의 다양한 가속조건을 충분히 반영하고 있음을 확인하였다.
- Veh. 1은 유로 5 배출 허용기준을 만족하는 차량이지만 주행거리가 약 64,000 km 주행한 상태여서 NEDC 인증모드의 NOx 배출량은 허용기준 보다 약 1.3배 초과한 0.227 g/km 으로 측정되었으며, 임의주행 사이클과 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 유사한 수준인 1.587 g/km과 1.397 g/km인 것으로 나타났다. 이는 NEDC 인증모드의 주행시험의 NOx 배출량을 각각 약 7.
- 2의 경우에도 Veh. 1의 NOx 배출량 측정결과와 유사하게 임의주행 사이클 평균 NOx 배출량이 NEDC 배출가스 인증모드의 주행시험 결과보다 훨씬 높게 측정되어 본 연구에서 적용한 임의주행 사이클이 실제도로 주행 배출가스 특성을 어느 정도 모사할 수 있다는 가능성을 확인하였다.
- 2) 6개의 임의주행 사이클에서 CO 배출량은 대체 적으로 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과는 매우 낮거나 zero 수준으로 나타났다. 이는 임의주행 사이클 시험이 열간(hot)상태로 진행되기 때문에 차량의 후처리장치가 이미 활성화된 상태로 시험이 진행되었기 때문으로 판단된다.
- 5배 이상 높은 수준으로 분석되어, Veh. 2는 유로 6 후처리장치 기술이 적용되었음에도 임의주행 사이클에서 NOx 배출량은 NEDC 배출 허용기준을 초과하고 있음을 알 수 있었다.
- Veh. 2의 NEDC 배출가스 인증모드 주행결과, 유로 6 배출 허용기준을 만족하는 0.029 g/km인 측정되었다. 이는 유로 5 인증기준이 적용된 Veh.
- 1 및 Veh. 2의 경우와 동일하게 임의주행 사이클 NOx 배출량이 NEDC 배출가스 인증모드보다 NOx 배출량 보다 높은 수준인 것으로 분석되었다. 또한 이러한 임의주행 사이클 분석 결과는 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과보다 약 2.
- 3) 본 연구에 적용한 시험차량의 임의 주행 사이클의 NOx 배출가스 결과 유로 6 차량의 임의주행사이클 NOx 배출량은 유로 5 차량 대비 매우 낮은 수준인 10 % 이내인 것으로 측정되었으며, NEDC 배출 허용기준 대비 유로 5 차량은 약 8.8배 증가, 유로 6 LNT 장착차량은 약 1.5배 증가, 유로 6 SCR 장착차량은 약 1.2배 증가하는 것으로 분석되었다.
- 4) 본 연구에 적용한 시험차량으로 NEDC 배출가스 인증모드, 임의주행 사이클, PEMS 측정방법의 NOx 배출가스 특성을 분석하였을 때 상기의 순서에 따라 순차적으로 NOx 배출가스는 증가하였고, 후처리장치 기술의 성능개선으로 인하여 유로 6 차량보다는 유로 5 차량의 임의주행 배출가스 증가율이 높게 측정되었다.
- 5) 본 연구에서 적용한 임의주행 사이클은 기존의 차대동력계에서 RDE 연구가 가능하기 때문에, 실제도로 주행 조건에서 나타나는 다양한 변수 중 주행고도, 경사도, 기상조건, 교통상황 등을 보완할 수 있는 장점을 고려할 때, 차량 개발단계에서 임의주행 사이클을 적용하여 시험 비용 및 개발 시간 절약 측면에 충분히 활용 가능함을 확인하였다.
- 1 차량과 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. CO2 배출량의 경우 6개의 임의주행 사이클 모두 거의 유사한 수준으로 배출되고 있으며, 평균값 또한 거의 동등한 수준인 149.7 g/km로 측정되었다.
- 010 g/km로 나타났다. CO2 배출량의 경우에는 6개의 임의주행 사이클에서 거의 유사한 수준으로 배출하는 것으로 나타났으며, 평균값 또한 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과와 거의 동일한 수준인 193.4 g/km인 것으로 측정되었다. NOx 배출량의 경우, 1번 임의주행 사이클을 제외하면, 각 사이클의 NOx 배출량은 거의 동일한 수준인 것으로 측정되었으나, 임의주행 사이클 평균값은 NEDC 배출 허용기준인 0.
- 1 g/km으로 배출된다. NOx 배출량의 경우 1번 임의주행 사이클을 제외하면, 모든 사이클에서 0.080 g/km인 유로 6 NEDC 배출가스 인증 수준보다 높게 나타났으며, 6 개의 임의주행 사이클 평균값은 0.096 g/km으로 나타났다. SCR이 장착된 유로 6 차량 또한 차대동력계에서 임의주행 사이클을 수행하였더니 NOx 배출량에서 NEDC 배출 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다.
- 4 g/km인 것으로 측정되었다. NOx 배출량의 경우, 1번 임의주행 사이클을 제외하면, 각 사이클의 NOx 배출량은 거의 동일한 수준인 것으로 측정되었으나, 임의주행 사이클 평균값은 NEDC 배출 허용기준인 0.180 g/km의 약 8.8배 수준인 1.587 g/km인 것으로 나타났다.
- 266 g/km으로 나타났고 이는 세 차량 중에서 가장 낮은 수치이다. SCR 후처리장치는 LNT와 비교하여서 실제도로 최대 NOx 배출량은 서로 유사한 수준이지만 평균 NOx 배출량이 LNT 보다 1/2 수준으로 실제도로에서 SCR의 효과가 매우 높다고 판단된다.
- 096 g/km으로 나타났다. SCR이 장착된 유로 6 차량 또한 차대동력계에서 임의주행 사이클을 수행하였더니 NOx 배출량에서 NEDC 배출 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다.
- 2 차량에 DPF 외에 추가적으로 LNT 후처리장치가 장착되었기 때문에 나타나는 결과로 판단된다. 그러나 임의주행 사이클의 평균 NOx 배출량은 0.121 g/km로 NEDC 주행시험 결과보다 약 4.2배 높게 배출하는 것으로 타나났으며, PEMS를 이용하여 측정한 실제도로 주행 평균 NOx 배출량은 0.237 g/km로 NEDC 주행시험 결과보다 약 8.2배 높게 배출하는 것으로 분석되었다. 또한 이러한 결과는 각각 NEDC 배출 허용기준을 약 1.
- 2의 경우와 동일하게 임의주행 사이클 NOx 배출량이 NEDC 배출가스 인증모드보다 NOx 배출량 보다 높은 수준인 것으로 분석되었다. 또한 이러한 임의주행 사이클 분석 결과는 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과보다 약 2.2배 높은 실제도로 주행 NOx 배출량인 0.118 g/km과 유사한 수준이며, 각각 NEDC 배출 허용기준을 약 1.2배, 1.5배 초과하고 있음을 알 수 있다. Veh.
- )값으로 표시하였다. 또한, PEMS를 이용한 실제도로주행결과는 평균값과 최대값으로 정의한 50 % CP와 90 % CP 값을 나타내었다.
- 또한, 차대동력계에서 일정한 시험조건으로 수행되기 때문에 주행고도, 경사도, 기상조건, 교통상황 등 다양한 주행조건과 환경조건에 따라 다르게 나타나는 실제도로 주행 조건의 단점을 보완할 수 있는 장점을 고려할 때, 차량 개발단계에서 임의주행 사이클의 적용은 시험 비용 및 개발 시간 절약 측면에서 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있다.
- 이러한 결과는 시험방법에서 설명한 바와 같이 임의주행 사이클 시험이 NEDC 배출가스 인증모드 시험과는 달리 열간(hot)상태로 수행되었으며, Fig. 1과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 본 연구를 위하여 생성된 6개의 임의주행 사이클이 상대적으로 단순한 속도구간으로 구성된 NEDC 인증시험 주행모드와는 달리 상대가속도가 여러 속도구간에서 폭넓게 분포하고 차속이 급격하게 변하는 주행패턴으로 구성되었기 때문에 CO는 적게 배출되고 NOx는 높은 수준으로 배출되는 것으로 판단된다.
- 이상의 결과로 부터 본 연구에 적용한 시험차량의 경우, 배출 허용기준이 강화된 유로 6 차량의 임의주행 사이클 NOx 배출량은 유로 5 차량 대비 매우 낮은 수준인 10 % 이내인 것으로 측정되었으며, NEDC 배출 허용기준 대비 유로 5 차량은 약 8.8배, 유로 6 LNT 장착차량은 약 1.5배, 유로 6 SCR 장착 차량은 약 1.2배 초과하는 것으로 분석되었다.
- 이상의 결과로부터 본 연구에서 적용한 임의주행 사이클은 NEDC 인증시험 모드에서 나타나지 않는 실제도로 주행조건을 반영하고 있으며, 따라서 임의주행 사이클이 실제도로 주행 배출가스 특성을 어느 정도 모사할 수 있다고 판단된다.
- 2차량의 임의주행 사이클 시험 결과를 나타내었다. 임의주행 사이클의 CO 배출량은 4번 임의주행 사이클을 제외하면 거의 zero 수준으로 나타났으며, 임의주행 사이클의 평균값은 NEDC 배출가스 인증 모드 시험결과인 0.500 g/km보다 매우 낮은 수준인 0.007 g/km로 나타나 CO 배출량은 Veh. 1 차량과 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 그러나 NEDC 배출가스인증 주행모드의 경우, 120 km/h의 높은 속도 구간이 존재하지만 상대 가속도가 2 m/s2 이하로 낮게 분포하여 NEDC 인증시험 모드가 실제 도로에서 나타나는 가속조건을 충분히 반영하지 못하고 있음을 알 수 있다. 임의주행 사이클의 경우에는 실제도로 주행조건과 동일한 속도영역에서 상대가속도가 실제도로 주행의 경우와 거의 유사하게 분포하는 것으로 나타나 실제도로 주행조건의 다양한 가속조건을 어느 정도 반영할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 측정결과 6개의 각 임의주행 사이클의 CO 배출량은 대체적으로 유사한 수준인 것으로 나타났으며, 임의주행 사이클의 평균값은 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과인 0.500 g/km의 약 1/50배 수준인 0.010 g/km로 나타났다. CO2 배출량의 경우에는 6개의 임의주행 사이클에서 거의 유사한 수준으로 배출하는 것으로 나타났으며, 평균값 또한 NEDC 배출가스 인증모드 시험결과와 거의 동일한 수준인 193.
후속연구
- 03 ppm)를 상회하는 것으로 보고되고 있다.5) 이는 교통량의 증가 및 경유 자동차 비율의 증가와 함께 현행 배출가스 허용기준 관리제도의 인증시험 모드가 실제도로의 다양한 주행패턴을 충분히 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단하고 이를 보완하기 위한 정책적인 대안이 필요함을 제시하였다.6)
- AECC는 유로 5b 기준이 적용된 휘발유 차량과 유로 6b 기준이 적용된 경유 차량을 이용하여 차대동력계에서 NEDC(New European Driving Cycles), CADC(Common Artemis Driving Cycles), WLTP (Worldwide harmonized Light duty vehicles Test Procedure), 임의주행 사이클 및 PEMS를 이용한 실제도로 주행 등 다양한 주행조건에 따른 배출가스 특성을 보고하였다. 그 결과 휘발유 차량은 주행모드에 따라서 모든 배출가스가 인증기준과 유사한 특성을 보이지만, 경유 차량은 높은 속도와 부하조건의 변경에 대하여 배출가스 중 NOx 배출량이 인증기준치의 3 ~ 5배 이상 높게 나타나고 있어서 향후 유럽연합이 해결해야 할 부분으로 명시하고 있다.8)
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