[논문]가솔린 차량의 누적주행거리에 따른 온실가스 배출특성 연구

박진성; 임재혁; 김기호; 이정민

doi:10.15435/jilasskr.2018.23.4.227

가솔린 차량의 누적주행거리에 따른 온실가스 배출특성 연구
A Study on the Emission Characteristics of Greenhouse Gas by Cumulative Mileage of Gasoline Vehicle 원문보기

한국액체미립화학회지 = Journal of ilass-korea, v.23 no.4, 2018년, pp.227 - 233

박진성 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 임재혁 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 김기호 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 이정민 (한국석유관리원 석유기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

An automobile is composed of a combination of a lot of parts, and it is difficult to maintain the same performance from a new car until it's scrapped. Greenhouse gases included in automobile emissions are typically carbon dioxide and methane. It is expected that this greenhouse gas will change depending on the aging (cumulative mileage) of the automobile However, the greenhouse gas characteristics by cumulative mileage lack of actual data due to time and economic difficulties. Therefore, in this paper, we selected automobile with high sales by displacement in korea and carbon dioxide and methane were measured by using method of the related law. The cumulative mileage is as follows; within 160 km (Statutory mileage by 2010), 6500 km (current statutory mileage), 15000 km (approximately 1-year average mileage of Non-business passenger vehicle). As a result of the test, the emission of carbon dioxide and methane was the smallest at 6,500 km, and increased in order of 15000 km, within 160 km. Also, it was confirmed that the $CO_2$ emission change of a large displacement automobile is more smaller at each mileage. Although the greenhouse gas tends to increase as the mileage of the vehicle, it is thought that additional confirmation is required of since 15,000 km as well, because it can occur deviations due to taming process or mechanical friction of the automobile.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of chassis dynamometer
표 Table 1 Specifications of test vehicles
그림 Fig. 2 Test modes: (a) FTP-75, (b) HWFET
표 Table 2 Specification of the emission analyzer
표 Table 3 Key features of the fuel economy test mode
그림 Fig. 3 Dyno load (Coastdown result) at 34 km/h
그림 Fig. 4 Dyno load (Coastdown result) at 77 km/h
표 Table 4 Specifications of test fuel
그림 Fig. 5 Emission Result at FTP-75 mode
그림 Fig. 6 Emission Result at HWFET mode
그림 Fig. 8 Difference (%) of CO₂ emission at 15000 km compared to 6500 km
그림 Fig. 7 Difference (%) of CO₂ emission at 6500 km compared to 0 km
그림 Fig. 9 Load value at actual road condition accoding to vehicle speed

AI 본문요약
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문제 정의

각 차량에 대해서는 여러 운전자가 번갈아가면서 목표한 내구 주행거리에 도달하기까지 실제 도로 조건에서 주행하였다. Table 1은 선정된 차량의 세부적인 제원을 나타낸 것이다.
또한 동일한 물성을 가진 연료로 시험하기 위해 시험에 필요한 연료를 일괄 구매하였고, 물성 변화를 최소화하기 위해 질소를 충전한 다음 밀봉하여 보관하였다. 내구가 완료된 차량에 대해서는 기존의 연료를 제거한 이후 시험용 연료를 주입하여 100 km 이상 주행하며 이전 연료의 영향성을 배제하고자 하였다⁽⁴⁾. 시험에 사용된 엔진오일과 소모품은 차량 제작사의 순정품을 사용하였고, 시험용 연료의 물성 값은 Table 4과 같다.
따라서 본 논문에서는 국내에서 판매량이 높은 가솔린 차량을 배기량별로 선정하여 비사업용 승용차량의 대략적인 1년 평균 주행거리인 15,000 km 구간까지 내구주행을 실시하였고, 차량의 대표적인 온실가스인 이산화탄소와 메탄의 배출량이 어떻게 변화하는지에 대해 연구하여 온실가스 저감을 위한 차량 성능 개선의 기초자료로 사용하고자 하였다.
본 연구에서는 차량의 누적 주행거리가 온실가스 배출량에 어느 정도의 영향을 미치는지 알아보기 위해 160 km 이내의 주행거리와 6,500±1,000 km, 15,000±1,000 km에서 대표적인 온실가스인 이산화탄소와 메탄의 배출량을 확인하였다.

제안 방법

FTP-75모드의 경우 차대동력계를 통해 재현된 주행저항 값을 사용하여 시험 전 FTP-75 모드 운전 조건으로 1회 운전하는 예비주행을 진행하였고, 주행이 완료된 이후 25±5℃ 유지되는 시험실에서 12~36시간 동안 Soaking 시킨 후 시험을 진행하였다(6).
시험 차량에 대해서는 엔진오일 및 연료의 변화에 따른 시험 변수를 최소화하기 위해 누적 주행거리가 완료된 차량에 대해서 엔진오일 및 오일필터, 에어필터를 교체하였다. 또한 동일한 물성을 가진 연료로 시험하기 위해 시험에 필요한 연료를 일괄 구매하였고, 물성 변화를 최소화하기 위해 질소를 충전한 다음 밀봉하여 보관하였다. 내구가 완료된 차량에 대해서는 기존의 연료를 제거한 이후 시험용 연료를 주입하여 100 km 이상 주행하며 이전 연료의 영향성을 배제하고자 하였다⁽⁴⁾.
2와 같으며 각 시험모드별 특성에 대해서는 Table 3에 나타내었다. 목표 누적 주행거리에 대한 내구가 완료된 차량을 해당 시험모드로 주행하여 자동차에서 실시간으로 배출되는 가스 및 차량 데이터를 수집하였고, 배출가스가 담긴 시료 채취백의 분석을 통해 배출가스 물질에 대한 최종 결과를 확인하였다.
선정된 차량에 대해 2010년까지 사용되었던 온실가스 측정을 위한 법정 누적 주행거리인 160 km 이내의 신차 상태일 때와 현행 온실가스 측정 법정 길들이기 누적 주행거리인 6,500±1,000 km, 그리고 비사업용 승용차량의 대략적인 1년 평균 누적 주행거리 15,000±1,000 km를 측정구간으로 선정하여 각 주행거리에 도달하였을 때 배출특성을 확인하였다.
시험 순서는 시험법의 순서에 따라 Soaking 후 시험을 진행하는 FTP-75 모드를 먼저 실시하고, 곧이어 HWFET 모드를 시험하였다.
시험 차량에 대해서는 엔진오일 및 연료의 변화에 따른 시험 변수를 최소화하기 위해 누적 주행거리가 완료된 차량에 대해서 엔진오일 및 오일필터, 에어필터를 교체하였다. 또한 동일한 물성을 가진 연료로 시험하기 위해 시험에 필요한 연료를 일괄 구매하였고, 물성 변화를 최소화하기 위해 질소를 충전한 다음 밀봉하여 보관하였다.
실제도로의 주행저항 값은 제작사를 통해 제공받아 진행되었고, 주행저항의 재현은 고시의 절차에 따라 진행하여 각 속도 구간에서 ±10 N 이내의 오차범위로 설정하였다.
자동차에서 배출되는 온실가스를 측정하기 위해 Single roll(48 inch) 방식의 차대동력계(AVL Zoller)와 배출가스 분석기(Horiba MEXA-7200)를 사용하였다. 장비 전체에 대한 개략도는 Fig.
이 저항은 타이어와 노면의 마찰에 의한 구름저항과 엔진 및 트랜스미션과 같은 동력계통에서 발생하는 내부저항, 주행 중에 받는 바람저항 등에 의해 종합적으로 결정이 된다. 차량의 주행거리 누적에 따라 구동계통의 변화와 타이어 마모 등으로 인해 주행저항의 변화가 발생할 수 있어, 변화한 주행저항 조건을 반영하기 위해 차대동력계에서 80 km/h의 속도로 30분 가량 차량을 예열한 다음 주행저항 재현을 실시하였다. 실제도로의 주행저항 값은 제작사를 통해 제공받아 진행되었고, 주행저항의 재현은 고시의 절차에 따라 진행하여 각 속도 구간에서 ±10 N 이내의 오차범위로 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 2016년도를 기준으로 1600 cc, 2000 cc,2400 cc 각 배기량별로 국내에서 판매량이 가장 많은 휘발유 차량을 각 1대씩 선정하였다.
시험모드는 온실가스의 정확한 측정을 위해 「자동차의 에너지 소비효율, 온실가스 배출량 및 연료 소비율 시험방법 등에 관한 고시」에 의거하여 우리나라와 미국 등에서 사용 중인 대표적인 시험모드인 FTP-75(Federal Test Procedure-75, 도심주행)모드와 HWFET(Highway Fuel Economy Test, 고속주행)모드를 사용하였고, 실시간 주행 패턴은 Fig. 2와 같으며 각 시험모드별 특성에 대해서는 Table 3에 나타내었다.
내구가 완료된 차량에 대해서는 기존의 연료를 제거한 이후 시험용 연료를 주입하여 100 km 이상 주행하며 이전 연료의 영향성을 배제하고자 하였다⁽⁴⁾. 시험에 사용된 엔진오일과 소모품은 차량 제작사의 순정품을 사용하였고, 시험용 연료의 물성 값은 Table 4과 같다.

성능/효과

(1) 누적주행거리에 따라 차대동력계에서 재현되는 주행저항 값은 6,500±1,000 km에서 가장 적었고, 160 km 이내에서 가장 높은 결과를 보였다.
(2) FTP-75 모드에서는 6,500±1,000 km 누적 주행거리에서 CO2 배출량이 가장 적은 것을 확인할 수 있었고, 15,000±1,000 km, 160 km 이내 순서로 배출량이 많음을 확인할 수 있었다.
(2) HWFET 모드에서도 FTP-75 모드와 마찬가지로 누적 주행거리 6,500±1,000 km 일 때 CO2 배출량이 가장 적었고, 15,000±1,000 km, 160 km 이내 순서로 배출량이 많았다.
(3) CH₄의 경우 CO₂ 대비하여 상대적으로 소량만 배출되어 크게 유의미한 값을 가지지는 못하였으나, FTP75 모드와 고속모드에서 주행거리별 배출량의 변화는 CO₂ 와 유사한 형태를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 배기량이 작은 차량일수록 주행거리에 따른 CO₂의 배출량 변화폭은 컸으나 배출량은 상대적으로 적었으며, 배기량이 큰 차량일수록 변화폭이 적었으나 배출량은 상대적으로 많았다. CH₄의 경우는 배출량이 적어 특별한 경향성을 보이지는 않았다.
160 km 이내와 비교해보면 6,500±1,000 km 누적 주행거리일 때 평균 3.8% 감소하였고, 15,000±1,000km일 때 평균 1.9% 감소하는 결과를 보였다.
160 km 이내와 비교해보면 6,500±1,000 km 누적 주행거리일 때 평균 5.0% 감소하였고, 15,000±1,000 km일 때 평균 2.0% 감소하는 결과를 보였다.
CH4 배출량의 경우에는 CO2 대비하여 배출량이 매우 적었고 FTP-75 모드에 비해서도 1/100 수준이었으나, 6,500±1,000 km 까지는 배출량이 감소하였다가 15,000±1,000 km 부터는 증가하는 경향은 유사함을 확인 할 수 있었다.
CO2 배출의 경우 온실가스 배출측정을 위한 법정 길들이기 주행거리인 6,500±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 5.0% 가량 배출량이 감소하는 결과를 보였다.
FTP-75 모드에 비해 HWFET 모드에서는 고속주행이 대부분을 이루는 만큼 Fig. 4에서 나타낸 것과 같이 누적주행거리 별로 주행저항이 유사한 수준을 가지고 있어 변화량이 FTP-75 모드에 비해 상대적으로 적은 것으로 판단할 수 있었다.
누적 주행거리 6,500±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 3.8% 가량 배출량이 감소하는 결과를 보였다.
누적주행거리 15,000±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 2% 정도 감소하는 결과를 보였지만, 6,500±1,000 km 대비하여서는 1.9% 가량 증가하는 결과를 보였다.
누적주행거리 15,000±1,000 km에서는 160 km 이내 주행거리 대비하여 평균 2.0% 정도 감소하는 결과를 보였지만, 6,500±1,000 km 대비하여서는 증가하는 결과를 보였다.
Figure 9은 배기량별로 차량에 있어 FTP-75 모드와HWFET 모드의 평균속도에서 실제도로에서 주행할 때 차량에 걸리는 부하를 표로 나타낸 것이다. 이처럼 배기량이 큰 차량일수록 타이어 구름저항과 동력계통의 저항이 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이러한 부하의 증가로 인해 동일한 시험모드에서도 배기량이 커질수록 늘어난 부하에 대응하기 위해 더 많은 연료를 사용하게 되고 온실가스 배출량 증가함을 확인 할 수 있었다.
자동차에서 배출되는 또 다른 온실가스인 CH₄의 경우에는 배출량이 많지가 않아 CO₂ 대비하여 환경에 미치는 영향이 적은 것을 확인할 수 있었고, 누적 주행거리별 배출량은 CO₂와 비슷한 경향성을 보이는 것을 알 수 있었다.
Figure 3은 도로주행저항 재현을 통해 차대동력계에서 산출된 주행저항 계수에 대해 FTP-75 모드의 평균속도인 34 km/h에서 차량에 걸리는 부하를 나타낸 것이다. 평균속도가 낮고 가감속이 많은 FTP-75 모드 특성상 속도의 증감과는 관계없이 일정한 부하를 주는 베어링, 실링, 타이어 등에 의한 저항값이 영향을 많이 주게 되는데⁽⁵⁾, 시험차량 모두 160 km이내의 주행거리에서 주행저항계수가 가장 높았으며, 6,500 km에서 주행저항계수가 낮게 나타났다.
160 km 이내의 누적 주행거리와 대비하여 주행거리 15,000±1,000 km에서의 CO₂ 배출량 변화를 비교해보면 2,000 cc 차량이 가장 적었다. 하지만 각 구간별로 보면 2,000 cc 차량의 경우 증가와 감소하는 폭이 컸고, 배기량이 커질수록 CO₂의 증가와 감소하는 양이 적은 경향을 보였다.

후속연구

하지만 운행차가 아닌 신차기준으로 하였을 때 신차상태에서부터 주행거리가 증가하면서 온실가스가 지속적으로 증가하는지 에 대해서 확인이 추가적으로 필요하며,국내에서 온실가스 배출량을 측정·관리하는 누적주행거리 6,500±1,000 km를 기준으로 하여 그보다 적은 주행거리 혹은 더 많은 주행거리에서의 온실가스 변화량도 확인할 필요성이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 도로이동오염원을 줄이기 위해 어떠한 계획을 가지고 있는가?	도로이동오염원이란 도로에서 주행하는 자동차로 인한 대기오염물질 배출량을 산정하는 부문으로 국내 자동차 관리법에 포함되는 승용차, 승합차, 화물차, 특수자동차, 이륜차 등이 포함된다. 국내에서는 2020년까지 수송부문 온실가스 주요 감축을 위해 자동차 연비개선 등 녹색기술 도입을 통해 2천만 톤 감축을 계획하고 있다. 이에 대한 세부사항으로 저탄소차 생산·소비 선순환 구조 형성 및 추가적인 온실가스 배출기준 강화를 추진하고 있으나 원활한 목표달성을 위해서는 온실가스 배출에 대한 다방면에서의 검토가 필요하고 이에 대한 실증자료가 요구되는 상황이다.
	이산화탄소의 단점은 무엇인가?	자동차 배출가스에 포함되어 있는 온실가스는 대표적으로 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4), 아산화질소(N20)가 있고, 이 중 배출량이 가장 많은 것은 이산화탄소이다. 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 많은 온실가스 중 80% 이상을 차지하여 온난화의 주범으로 꼽히고 있고,2017년 전 세계 이산화탄소 배출량은 전년 대비 1.4% 증가한 325억톤으로 사상 최고의 배출량을 기록하여 이산화탄소 배출량 저감에 노력이 필요함을 보여주고 있다(1).
	자동차 배출가스에 포함되었는 온실가스에는 무엇이 있는가?	자동차 배출가스에 포함되어 있는 온실가스는 대표적으로 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4), 아산화질소(N20)가 있고, 이 중 배출량이 가장 많은 것은 이산화탄소이다. 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 많은 온실가스 중 80% 이상을 차지하여 온난화의 주범으로 꼽히고 있고,2017년 전 세계 이산화탄소 배출량은 전년 대비 1.

참고문헌 (10)

International Energy Agency, "World Energy Outlook 2018", pp. 432-435, 2018.
Kim Seung-do, "Paris Agreement in UNFCCC", Journa of KASE, No. 2, pp. 20-22, 2018.
Hyung Jun Kim, "Investigation on the Exhaust Emission Characteristics of GDI Vehicles According to Various Mileage" Transaction of ILASS-Korea, Vol. 22, pp. 8-12, 2014.
Lee Min-ho, "Analysis of fuel economy characteristics depending on the fuel quality and calculation method changed", Journal of KSPSE, Vol. 20, No. 4, pp. 52-62, 2016.
Jong-min Koh, "An investigation on the emission and fuel consumption efficiency characteristics of passenger vehicles according to the driving cycles and various running resistances", Journal of ILASS-Korea, Vol. 2014, pp. 93-95, 2014.
Jun Hong Park, "Assessment of emission characteristics in cold and hot driving conditions", Transaction of ILASS-Korea, Vol. 2014, pp. 43-43.
Yeo Jun-chul, "Relative damage evaluation of automotive wheel bearing under durability test modes", Conference of KSAE, pp. 539, 2015.
Lee Seok-hwan, "A study on the influence of tire rolling resistance coefficient on vehicle fuel consumption and CO2 emissions", Transaction of KSAE, Vol. 26, No. 3, 2018, pp. 402-406.

상세보기
Kim Sung-su, "The effects of fuel injection skips on the reduction of harmful exhaust gases during an si engine starting", Journal of KSPSE, Vol. 10, No. 1, pp. 5-11, 2016.
Eom Myung-do, "Emission characteristics of vehicles in CVS-75 mode under various conditions of driving distance, driving pattern and engine Pre-Heating", Transaction of KSME, Vol. 36, No. 5, 2012, pp. 503-508.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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