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문제 정의
- 실도로 조건에서 재현성 및 반복성을 갖는 자동차의 온실가스 배출 성능 측정방법 토대를 마련하고, 온실가스 배출량 및 연비 수준 검증 시험을 통해 실내(차대) 조건의 온실가스 배출계수에 대한 실도로 보정계수 개발 토대를 마련하고자 한다.
제안 방법
- NIER #09 모드의 고속주회로 시험은 15℃에서 장비만 싣고 진행한 시험을 기준점으로 하여 다른 시험 결과들과의 편차를 Fig. 14와 같이 비교하였다. 기준 시험에서 CO2는 290.
- KU Route의 경우 냉간 시동과 온간 시동 시험 결과를 비교한 데이터가 존재한다(5℃ Cold & 4℃). RDE 시험 규정에 냉간 시동이 포함될 것으로 예상되기 때문에 냉간시동 시험을 진행하였다.
- 고속주회로에서의 시험 조건에 대한 온실가스 배출 편차를 확인하기 위해 이동형온실가스측정장비(PEMS)를 차량에 설치하여 차대동력계와 동일한 모드 조건에 대해 시험을 진행하였다. NIER #03, #13 모드에 대해서는 공조장치 작동에 대한 영향도를 평가하였으며 타이어 공기압, Worst 조건의 경우 NIER #09 모드에 대해서만 진행하였다.
- 과업 수행 기간 내에 진행한 고속주회로 및 실도로 시험의 유효성을 판단하기 위해 국토교통부의 온실가스 배출계수 식과 비교 및 분석을 진행하였다. 가솔린 중형 승용차량에 해당되는 배출계수 산출식을 Fig.
- 시험의 재현성을 확인하기 위하여 각 모드에 대하여 2회 이상 시험을 진행하였다. 또한 타이어 압력, 차량 중량 등 차량의 연비에 영향을 미칠 수 있는 인자들을 변수로 두어, 각각의 변수에 따른 영향도를 평가하기 위한 시험을 진행하였다.
- 편차를 나타냈다. 실도로 시험은 교통량의 편차를 줄이기 위해 새벽과 주간 두개 시간대로 나누어서 시험을 진행하였다. KU Worst 조건의 경우 모든 시험 조건을 반영함과 동시에 주간에 시험을 진행하여 교통량의 영향도 같이 받은 시험으로, 4℃ 온간시동, 새벽 시험과 비교하였을 때 CO2 배출량이 100g/km 까지 증가하였으며 이는 약 35%의 편차이다.
- 10, 11에 나타내었다. 차대동력계 시험은 모든 NIER 시험에 대해서 타이어 공기압, 차량 중량 증가, 공조장치 작동, 주행저항값 변화의 변수를 주어 시험을 진행하였다. 타이어 공기압은 차량에 명시된 적정공기압에서 0.
- 차량에는 OBD Logger를 설치하여 차대동력계 시험과 동시에 OBD data를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 시험 결과는 KU 경로에서 진행한 실도로 시험 결과로 기준이 되는 데이터는 온간시동 및 외기온도 4℃ 조건에서 진행한 Hot 4℃ 시험이다. 고속도로 구간의 경우 시험에 큰 변수가 존재하지 않기 때문에 Worst 조건을 제외한 모든 시험에서 약 30% 정도의 편차가 발생하였다.
- 본 연구에서는 차대동력계 시험을 진행함에 있어 3가지 주행저항값을 사용하였고 이를 각각 Base CD, KCD, 200CD로 나타내었다. Base CD는 제작사에서 신고한 주행저항값이며, KCD는 자동차안전연구원 내의 고속주회로에서 직접 측정한 주행저항값, 200CD는 차량의 중량을 200 kg 증가시킨 뒤 고속주회로에서 측정한 주행저항값이다.
- 시험모드는 NIER #03, #09, #13, FTP-75, HWFET, WLTC를 사용하였다. 시험의 재현성을 확인하기 위하여 각 모드에 대하여 2회 이상 시험을 진행하였다.
- 실도로 시험에는 2가지 경로가 사용되었으며 이를 각각 환경부(NIER) 경로, 고려대학교(KU) 경로라고 명명하고 그 경로는 Fig. 17과 같으며, 각 시험 경로별 특징을 Table 2에 정리하였다.
- 5bar를 낮추어 진행한 시험이다. 차량 무게 증가의 경우 기존 차량 무게에서 200kg 증량한 것을 기준으로 시험을 진행하였다. 공조장치 작동의 경우 공조장치를 작동시킨 뒤 온도를 20℃, 세기를 3단계에 맞추는 것을 기준으로 하였다.
데이터처리
- 에 의한 온실가스 배출 증가량을 나타내었다. 고속주회로 시험 결과와 비교, 분석을 하기 위해 NIER#09 모드의 시험 결과를 분석하였다. Base CD와 비교하였을 때, KCD는 약 4%, 200CD는 약 8.
이론/모형
- 연비 측정시험은 국토부에서 제시한 자동차의 에너지 소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 고시(고시 제2014–700호)에 따라 진행하였다.
성능/효과
- 1) 주행저항 분석 : 차대동력계 시험 시 주행저항 값이 온실가스에 미치는 영향도를 분석하기 위해 3가지 주행저항 값을 이용하여 시험을 진행한 결과 KCD와 200CD를 Base CD와 비교하였을 때 전체적으로 10∼20%의 편차를 보였다.
- 2) 차대동력계 시험 : NIER 모드 중 #03, #09, #13, 미국의 연비/배출가스 인증모드인 FTP-75 + HWFET, 유럽의 연비/배출가스 인증모드로 개발 중인 WTLC모드에 따른 연비 결과를 비교한 결과는 타이어공기압의 경우, NIER 모드와 같이 짧고 평균 차속이 낮은 모드에서는 그 영향도가 경향성 있게 나타나지 않았다. 그리고 공조장치를 작동시켰을 경우 최소 6%에서 최대 15%까지 온실가스의 배출량이 증가하는 것을 확인하였다.
- 3) 고속주회로 시험 : 차대동력계와 동일한 모드로 시험한 결과 공조장치의 경우 7% 정도의 편차를 보여주었으며 이는 차대동력계 시험과 비슷한 수준의 영향도이다. Worst 조건의 경우 차대동력계 시험과 비교하였을 때 편차가 약 3%p 증가하였으며 최대 13%의 편차를 보였다.
- 4) 실도로 시험 : 2가지 경로를 사용하여 진행한 실도로 시험 결과를 도심/교외/고속도로 3가지 구간으로 나누어 비교, 분석을 진행하였을 때 교외와 고속도로 구간은 상대적으로 교통량에 의한 영향도가 도심구간에 비해 적고 엔진이 충분히 예열된 상태에서 차량 조건 등이 온실가스에 미치는 영향도가 적어지기 때문에 온실가스 배출량이 각 시험에 대해서 비슷한 수준으로 나타났다. 도심구간 시험의 경우 매 시험마다 주행 조건이 차량에 미치는 영향도가 크고 변수가 다양하기 때문에 편차가 교외/고속도로 구간에 비해 상대적으로 크게 나타난다.
- NIER #09 모드의 차대동력계 시험에 대해서 모든 시험 조건을 비교해보았을 때 200CD Worst → 200CDA/C ON → KCD Worst → KCD A/C ON → Worst 순으로 CO2 배출량이 증가하였다.
- Table 3은 모든 고속주회로 및 실도로 시험을 자동차 온실가스 배출계수와 비교하여 편차를 나타낸 표이다. Worst 조건과 도심 조건 새벽시험(교통량이 상대적으로 적은 시험)을 제외하고 모든 시험 결과를 평균 내었을 때, 33%의 편차를 보였다. 시험을 고속주회로 시험과 실도로 시험으로 분리하여 평균을 내었을 때, 고속주회로의 경우 약 34%, 실도로 시험은 약 32%로 편차가 나타났다.
- 18에 정리하였다. 각 조건 별로 교외, 고속도로 구간에 비해 도심구간의 편차가 큰 것을 확인하였다. 모든 주행 조건을 반영한 Worst 조건을 제외하고 교외 및 고속도로 구간에서 편차는 최대 10%로 나타났지만 도심구간의 경우 Worst 조건을 제외하고 최대 21% 의 편차를 나타내었다.
- 그리고 NIER #09 모드에 대해서 차대동력계와 고속주회로 시험의 편차를 비교하여 분석한 결과 Base 시험의 경우 편차는 약 40%로 나타났으며 이는 실도로 시험이라는 조건 외에 고속주회로 시험 시 필요한 장비 무게로 인한 영향도도 반영된 것으로 판단된다. 각 조건 별로 차대동력계와 고속주회로 시험을 비교하였을 때 평균적으로 44%의 편차를 보였으며 온실가스에 미치는 영향도 또한 유사하게 나타났다. 이를 통해 각 시험 조건 별로 온실가스에 미치는 영향도는 차대동력계와 고속주회로에서 서로 상관성이 있다고 판단된다.
- 이는 도로 조건과 실도로 시험시 장비 및 동승자로 인한 총 시험 중량 증가 등의 영향도가 반영된 것으로 판단된다. 고속주회로에서 시험 조건을 변화하였을 때 온실가스 배출량이 증가하는 경향과 차대동력계에서 시험 조건을 변화하였을 때 온실가스 배출량이 증가하는 경향을 비교하였을 때 유사성을 확인할 수 있었다. 각각의 시험에 대해서 차대동력계와 고속주회로 간의 편차는 평균적으로 44%로 각 시험 조건이 온실가스 배출량에 미치는 영향도는 차대동력계와 고속주회로에서 유사하다고 판단된다.
- 15는 NIER#03, #13 모드에 대한 고속주회로 시험 결과이다. 공조장치를 작동했을 경우 차대동력계 시험과 유사한 수준의 영향도를 미쳤으며 NIER #03 모드의 경우 평균속도가 다른 모드에 비해 낮고 주행거리 역시 짧기 때문에 영향도를 백분율로 나타내었을 때 그 값이 다른 모드에 비해 크게 나타났다(약 15%).
- 시험 결과, 대기온도에 의한 영향은 다른 조건에 비해 상대적으로 낮게 나타났다(약–2%∼2%). 공조장치의 경우 차대동력계 시험과 비슷한 수준의 영향도를 미치는 것으로 확인되었으며 Worst 조건의 경우 온실가스에 미치는 영향도가 차대동력계 시험과 비교하였을 때 약 3%p 증가하였다. Fig.
- Worst 조건의 경우 차대동력계 시험과 비교하였을 때 편차가 약 3%p 증가하였으며 최대 13%의 편차를 보였다. 그리고 NIER #09 모드에 대해서 차대동력계와 고속주회로 시험의 편차를 비교하여 분석한 결과 Base 시험의 경우 편차는 약 40%로 나타났으며 이는 실도로 시험이라는 조건 외에 고속주회로 시험 시 필요한 장비 무게로 인한 영향도도 반영된 것으로 판단된다. 각 조건 별로 차대동력계와 고속주회로 시험을 비교하였을 때 평균적으로 44%의 편차를 보였으며 온실가스에 미치는 영향도 또한 유사하게 나타났다.
- 2) 차대동력계 시험 : NIER 모드 중 #03, #09, #13, 미국의 연비/배출가스 인증모드인 FTP-75 + HWFET, 유럽의 연비/배출가스 인증모드로 개발 중인 WTLC모드에 따른 연비 결과를 비교한 결과는 타이어공기압의 경우, NIER 모드와 같이 짧고 평균 차속이 낮은 모드에서는 그 영향도가 경향성 있게 나타나지 않았다. 그리고 공조장치를 작동시켰을 경우 최소 6%에서 최대 15%까지 온실가스의 배출량이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 NIER #03 모드에서 공조장치를 작동하였을 때 온실가스가 15%가량 증가하는 모습을 보였다.
- 14와 같이 비교하였다. 기준 시험에서 CO2는 290.33g/km 배출되었으며 차대동력계와는 약 40% 정도 차이가 나타났다. 시험 결과, 대기온도에 의한 영향은 다른 조건에 비해 상대적으로 낮게 나타났다(약–2%∼2%).
- 그리고 공조장치를 작동시켰을 경우 최소 6%에서 최대 15%까지 온실가스의 배출량이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 NIER #03 모드에서 공조장치를 작동하였을 때 온실가스가 15%가량 증가하는 모습을 보였다. 모든 시험 결과를 비교하였을 때 CO2에 가장 영향을 많이 미치는 인자는 주행저항 값의 변화로 판단되며 그 뒤를 이어 공조장치 작동이 영향을 많이 미치는 것으로 확인되었다.
- 또한 NIER #03 모드에서 공조장치를 작동하였을 때 온실가스가 15%가량 증가하는 모습을 보였다. 모든 시험 결과를 비교하였을 때 CO2에 가장 영향을 많이 미치는 인자는 주행저항 값의 변화로 판단되며 그 뒤를 이어 공조장치 작동이 영향을 많이 미치는 것으로 확인되었다.
- 각 조건 별로 교외, 고속도로 구간에 비해 도심구간의 편차가 큰 것을 확인하였다. 모든 주행 조건을 반영한 Worst 조건을 제외하고 교외 및 고속도로 구간에서 편차는 최대 10%로 나타났지만 도심구간의 경우 Worst 조건을 제외하고 최대 21% 의 편차를 나타내었다. KU Route의 경우 냉간 시동과 온간 시동 시험 결과를 비교한 데이터가 존재한다(5℃ Cold & 4℃).
- NIER 경로에서는 교통량의 차이를 비교하기 위해 동일 조건에서 시험 시작 시간대를 다르게 한 시험 결과가 존재한다(2℃+200kg & 7℃+200kg). 본 시험 결과 도심구간에서 약 21%의 CO2 편차가 나타났다. KU 경로와 마찬가지로 NIER 경로에서도 Worst조건 시험을 진행하였는데, 이 경우 CO2 가 가장 적게 배출된 시험결과와 비교하였을 때 약 40% 편차를 나타냈다.
- 시험 결과, 대기온도에 의한 영향은 다른 조건에 비해 상대적으로 낮게 나타났다(약–2%∼2%).
- Worst 조건과 도심 조건 새벽시험(교통량이 상대적으로 적은 시험)을 제외하고 모든 시험 결과를 평균 내었을 때, 33%의 편차를 보였다. 시험을 고속주회로 시험과 실도로 시험으로 분리하여 평균을 내었을 때, 고속주회로의 경우 약 34%, 실도로 시험은 약 32%로 편차가 나타났다.
- 온실가스에 가장 영향을 많이 미치는 조건은 공조장치와 주행저항의 변화로 공조장치 작동의 경우 차대동력계에서 최대 15%까지 증가하였다(NIER #03). NIER#03 모드의 경우 평균 차속이 매우 낮고(10.
- 전체적으로 Base CD에 비해 KCD와 200CD의 주행저항값은 10∼20%의 편차를 보이며 대부분의 영역에서 200CD의 주행저항값이 KCD에 비해 더 높은 것을 확인할 수 있다.
- 이는 주행에너지에서도 차이가 나며 FTP-75 모드와 HWFET 모드에서의 주행에너지를 Table 1에 나타내었다. 주행에너지의 경우 KCD와 200CD는 Base CD를 기준으로 FTP-75 모드에서 약 23% 정도 높은 값을 나타냈으며 HWFET 모드에서는 12% 정도 높은 값을 나타내었다.
- 주행저항값을 KCD로 변화시켰을 경우 NIER #03 모드와 #09 모드는 4% 정도 온실가스 배출량이 증가하였다. 각 모드별 평균속도 구간에서 Base CD값과의 편차가 시험 결과에 반영된 것으로 판단된다.
- 13에 KCD와 200CD에 대한 NIER #09 모드 결과를 나타내었다. 주행저항값이 변화함에 따라 Base가 되는 CO2 배출량은 증가하였지만 각 조건이 온실가스에 미치는 영향도는 Base CD와 유사한 것으로 나타났다.KCD 조건에 대해서는 각 조건 별 온실가스에 미치는 영향도의 합이 Worst 조건보다 더 높게 나타났다.
- 5% 악화되었으며, 이는 앞서 분석한 바와 같이 주행저항 편차에 의한 영향으로 판단된다. 중량 증가와 타이어 공기압이 온실가스에 미치는 영향도는 약 1% 정도로 타 조건에 비해 상대적으로 낮으며 공조장치의 작동은 가장 큰 영향도를 보였다. Worst 조건은 차량 중량 증가, 공조장치 작동, 타이어 공기압 3가지 조건을 모두 적용한 조건으로 온실가스가약 10% 정도 증가하였다.
- 차대동력계 시험의 경우 시험 모드 별로 비교하였을 때, NIER 모드와 FTP-75, HWFET 모드의 경우는 34%의 평균값과 유사한 편차를 보였지만 WLTC 모드의 경우에는 평균 38%의 편차로 기존의 시험 모드와는 상대적으로 높은 편차를 보였다.
- 타이어 공기압은 NIER 모드와 같이 시험 시간이 짧고 공회전 비율이 높은 시험에서는 타이어 공기압에 의한 영향도가 경향성 있게 나타나지 않았으며 그 편차는 –2∼+4% 로 나타났다.
후속연구
- 실도로와 인증시의 연비와 CO2 편차에 영향을 주는 여러 항목 중 주요 인자는 중량, 공기역학, 구름저항, 온도 조건, 부가적 전기장치, 도로경사도, 에어콘 및 교통조건이 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있으며, 본 항목에 대한 집중적인 연구를 통해 인증 및 실도로 상의 CO2 차이를 정량화할 필요가 있다.
- 따라서 소비자가 체감하는 실도로 CO2 저감을 위해서는 다양한 운전 조건에서의 연구가 필요함을 시사하고 있다. 특히 실도로 CO2와 연비 특성은 주행루트, 운전자, 전기부하, 에어컨 및 대기온도 등에 영향을 받으므로 정확한 배출계수 산정을 위한 표준 실험 절차 확립이 필요하다고 판단된다.(9)
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