[논문]승용 및 하이브리드 자동차 온실가스 배출특성 연구

임윤성; 문선희; 정택호; 이종태; 동종인

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.1.34

Abstract ▼ AI-Helper

Automotive manufacturers are applying technologies for greenhouse gas reduction such as vehicle weight reduction, engine downsizing, direct injection technology, variable valves and transmission performance improvement to achieve the targets for enhanced greenhouse gas and fuel consumption efficienc...

Automotive manufacturers are applying technologies for greenhouse gas reduction such as vehicle weight reduction, engine downsizing, direct injection technology, variable valves and transmission performance improvement to achieve the targets for enhanced greenhouse gas and fuel consumption efficiency. In this paper, compared and analyzed greenhouse emissions according to engine capacity, engine displacement, curb weight and sales volume of hybrid and internal combustion engine passenger vehicles. Hybrid emit 32~39% less greenhouse gas than internal combustion engines through the combined mode test method. Hybrid electric vehicle's curb weight was about 7% heavier on average for the same engine displacement, while greenhouse gas was about 36% lower. It was confirmed that in order to reduce the emission of pollutants of greenhouse gases as well as the air pollutants, it is necessary to expand the supply of eco-friendly vehicles.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Vehicle emission test facility
표 Table 1 Test vehicles
그림 Fig. 2 Test driving mode
그림 Fig. 3 Emission characteristics on greenhouse gas of various test vehicles
그림 Fig. 4 Emission characteristics on greenhouse gas of vehicles according to the displacements
표 Table 2 Net change in battery SOC
그림 Fig. 5 Comparison CO₂ emission and curb weight from the test conditions on ICE(a) and Hybrid(b) vehicles
그림 Fig. 6 Emission characteristics on greenhouse gas of vehicles according to displacement and sales volume
표 Table 3 Save cost of Hybrid electric vehicles

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 5인승 승용 내연기관과 하이브리드 차량에 따른 온실가스 배출특성을 분석하였으며 그 결론은다음과 같다.
본 연구에서는 최근 발표된 미국, 유럽의 2030 온실가스 동향 및 내연기관 승용차 및 하이브리드 자동차의 온실가스 배출특성에 대하여 알아보고자 2017년 기준 국내 에서 판매되는 휘발유 차량을 대상으로 CO₂를 차량 중량과 배기량, 판매량으로 구분하여 연구를 수행 하였다.
본 연구에서는 하이브리드 및 휘발유 연료를 사용하는 승용자동차의 온실가스인 CO₂를 측정하기 위하여 Fig. 1과 같은 차대동력계(chassis dynamometer)를 이용 하여 제작사에서 제출된 CO₂ 값을 분석하였다. 차대동 력계는 자동차의 도로에서의 주행을 실험실 내에서 모사하기 위한 실험장치로 자동차를 움직이지 않게 안전 고리로 고정시키고 실외에서 운전을 하는 조건과 유사 하게 속도에 따라 바람의 양이 컨트롤 가능한 가변송풍팬을 자동차 앞부분에 위치·고정 시켜 자동차를 시험모 드에 따라 운전하게 된다.

제안 방법

각 제작사별로 하이브리드와 내연기관의 차량의 판매 대수와 온실가스의 차이에 따라 현재 온실가스 거래제에 따른 시장가격을 적용하여 제작사별로 하이브리드차 량의 판매에 따른 온실가스 효과를 분석하였다. 2018년도의 온실가스 기준은 120 g/km이며, 환경부 온실가스 정보센터에서 발행된 2018년 배출권거래제 운영결과보 고서에 따른 현재 온실가스거래소에서 거래되고 있는 CO₂의 가격은 39,000원/톤(KAU18)이며, 도로교통안전 공단에서 발행된 2018 자동차주행거리통계 보고서에 따르면 휘발유 차량의 전국 일일 평균 주행거리를 30.
각 주행모드(도심모드, 고속모드, 복합모드)에서 각 제작사별로 동일한 엔진배기량을 기준으로 하여 10차종의 온실가스 배출특성을 측정하여 Fig. 3에 나타내었다.
동력계는 자동차가 실제 도로를 주행 할 때 정지, 가속, 정속 등을 반복하게 되는데이 과정을 대표한 실측 주행모드를 사용하여 모사 주행할 수 있도록 자동차에 부하를 걸어주는 장치, 관성중량, 동력흡수계, 제어기로 구성된다. 운전자는 모니터를 통해 시험 조건의 속도에 맞게 운전하게 되고, 시험이 끝난 후에는 자동차의 엔진에서 연소되어 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 포함한 일산화탄소(CO), 질소산화물 (NOx), 탄화수소(THC) 등의 규제물질을 배출가스분석기(Gas analyzer)로 분석하게 된다.
이번 온실가스 시험은 차대동력계와 배출가스 분석기를 활용하여 측정·분석하였다.

대상 데이터

이번 연구의 시험차종은 2017년 국내에서 판매된 국내제작 및 수입자동차 중 연료를 휘발유(내연기관), 휘발유+전기(하이브리드, HEV)를 사용하는 자동차를 대상으로 조사 하였다. 대상 차종의 배기량은 1.8L~2.5L 급이며, 차량공차중량은 1,355~1,775 kg까지의 다양한 배기량과 중량을 갖는 것으로 조사되었다. 시험조건의 차량은 승용차로 2017년 제작사별 동급 배기량 중 하이 브리드와 휘발유 모델 중 총 10차종으로 구성되었다.
5L 급이며, 차량공차중량은 1,355~1,775 kg까지의 다양한 배기량과 중량을 갖는 것으로 조사되었다. 시험조건의 차량은 승용차로 2017년 제작사별 동급 배기량 중 하이 브리드와 휘발유 모델 중 총 10차종으로 구성되었다.2017년 국내 판매 승용차를 대상으로 조사한 결과 국내 제작사는 3곳의 제작사에서 하이브리드를 생산하고 있으며, 수입제작사는 6곳의 수입사에서 하이브리드 및플러그인하이브리드(PHEV) 차량을 판매하고 있었다.
이번 연구의 시험차종은 2017년 국내에서 판매된 국내제작 및 수입자동차 중 연료를 휘발유(내연기관), 휘발유+전기(하이브리드, HEV)를 사용하는 자동차를 대상으로 조사 하였다. 대상 차종의 배기량은 1.
6에서나타냈다. 조사 대상 차량은 1.8L~2.5L 사이에 차량이며 A와 C 제작사의 차량의 경우 전체 판매량의 85%를차지하고 있으며, 나머지 B, D, E의 제작사가 15%정도의 판매량을 나타냈다. D 제작사의 경우 엔진배기량이 가장 큰 엔진이지만, 전체적인 차량의 무게를 작게 하여 내연기관에서 발생되는 온실가스의 경우 E 제작사 보다 낮게 배출되는 것으로 조사 되었다.

성능/효과

(1) 차량의 엔진 배기량이 같은 차량 비교시 하이브리드 차량은 복합모드에서는 약 32~39%, 도심모드에서는 43~51% 온실가스 저감효과를 나타내는 것을 알 수 있었다.
(2) 차량의 공차중량의 경우 하이브리드 차량이 0.2~13% 정도 높았으나, 도심모드에서는 87 g/km, 고속 모드에서는 21 g/km, 복합모드에서는 57 g/km 정도의 온실가스가 평균적으로 감소되었다. 이는 무게가 많이 나가면 에너지 소모량 증가에 따라 온실가스가 더 발생하겠지만, 하이브리드 차량의 전기구동에 따라 상쇄됨 을 확인 할 수 있었다.
(3) 시험대상인 10차종의 내연기관과 하이브리드의 온실가스 배출량의 차이를 자동차 판매량에 따라 온실 가스의 경제효과를 분석한 결과 연간 제작사 별로 판매된 모델에 따라 14백만원~591백만원의 온실가스 저감 효과를 계산 할 수 있었다. 전체 제작사에 대해 하이브 리드, 전기차를 대상으로 계산 할 경우 차량의 판매 대수가 많아 온실가스 저감효과는 더 크게 나타날 것으로 사료된다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이, 복합모드에서 하이브리드차 량의 온실가스가 32∼39% 정도 내연기관의 온실가스보다 낮게 발생하는 것을 알 수 있었다.
그 이외에 시험대상 차량의 경우 두 차량의 무게차이가 115~175 kg까지 나타났으며, 평균 146 kg 정도가 차이가 났다. 온실가스 결과는 도심모드에서는 77~108 g/km(평균 87g/km), 고속모드는 16~25 g/km(평균 21 g/km), 복합모드에서는 51~68 g/km(평균 57 g/km)정도가 차이 나는 것으로 조사되었다. Fig.
5 km 로 적용하여 각 모델별로 하이브리드 차량을 1년 사용할 경우 온실가스 효과를 계산한 결과를 아래의 식을이용하며 Table 3에 나타냈다. 이번 논문에서는 대상차 량을 대표적으로 1대 선정하여 계산한 결과 CO₂ 저감 비용은 낮으나, 제작사별로 전체 하이브리드 또는 전기 차의 판매대수를 전부 적용할 경우 온실가스 저감효과는 더 크게 나타날 것으로 사료된다.

후속연구

향후 지속적으로 강화되는 온실가스·연비 목표치를 달성하기 위해 제작사에서는 차량경량화, 엔진 다운사 이징, 직접분사기술, 가변밸브, 변속기 성능 향상 등의 온실가스 저감기술 적용과 함께 환경부에서 마련한 에코이노베이션 목록화 기술을 통해 온실가스는 최대 17.9 g/km, 연비는 4.5 km/L까지 온실가스 저감 값을 인정받을 수 있다.
이는 하이브리드 차량의 경우 저속구간에서 충전된 축전지를 이용하여 운전하기에 나타나는 결과이다. 향후 축전지와 모터가 대량 생산되어 단가가 낮아질 경우 이러한 온실가스의 환경 적인 측면을 고려하면 하이브리드 차량의 판매가 증가하여 온실가스 측면에서는 이점이 될 것으로 예상 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슈퍼크레딧이란?	5 km/L까지 온실가스 저감 값을 인정받을 수 있다. 또한 플러그인 하이브리드, 전기자동차, 수소연료전지자동차 등을 판매할 경우 1대당 최대 3대를 판매한 숫자로 인정받는 슈퍼크레딧(super credit)을온실가스 계산시 인정받을 수 있다. 그러나 하이브리드 기술이 적용된 차량이라고 해서 이 슈퍼크레딧을 모두 받는 것이 아니고, 규정에 따라 온실가스가 50 g/km 미만으로 발생하는 차량에 대해서 1대당 2대의 판매실적을 받게 되며, 전기차, 수소연료전지차 등 온실가스가 0 g/km인 차량에서는 1대당 3대의 판매실적 혜택을 받을 수 있게 된다.
	제작사 입장에서 온실가스·연비 목표치를 달성하기 위한 방법은?	향후 지속적으로 강화되는 온실가스·연비 목표치를 달성하기 위해 제작사에서는 차량경량화, 엔진 다운사 이징, 직접분사기술, 가변밸브, 변속기 성능 향상 등의 온실가스 저감기술 적용과 함께 환경부에서 마련한 에코이노베이션 목록화 기술을 통해 온실가스는 최대 17.9 g/km, 연비는 4.
	주행모드(도심모드, 고속모드, 복합모드)에 따른 하이브리드와 내연기관의 차이는 무엇인가요?	Fig. 3에서 보는 바와 같이, 복합모드에서 하이브리드차 량의 온실가스가 32∼39% 정도 내연기관의 온실가스보다 낮게 발생하는 것을 알 수 있었다. 특히 도심모드에서 결과가 잘 나타나 있다. 하이브리드를 내연기관과 비교 시 43~51% 정도 온실가스가 낮게 발생되었다. 고속 모드에서는 도심모드 보다는 온실가스 발생 차이가 작 았으며 그 결과는 12~21% 정도 하이브리드 차량이 낮 게 발생 되는 것으로 조사 되었다. 이는 하이브리드 차량의 경우 저속구간에서 충전된 축전지를 이용하여 운전하기에 나타나는 결과이다.

참고문헌 (10)

2018 Seoul Vehicles driving speed report, Seoul Metropolitan Report (2018).
2018 Korean Emissions Trading System Report, Greenhouse Gas Inventory and Research Center (2018).
2018 Vehicles Drive Distance Report, KoROAD (2018).
2018 Vehicle Fuel Economy and $CO_2$ Emissions: Data and Analyses Report, Korea Energy Agency (2018).
Hoimyung Choi, "Is greenhouse gas emission from automobiles in the republic korea decreasing?", KSAE Auto Journal, Vol. 41, No. 12, pp. 75-77.
Han Ho Song, "Well-to-wheel analysis of greenhouse gas emissions of transportation fuel in Korea", KSAE Auto Journal, Vol. 39, No. 4, pp. 39-43.
Sungwook Park, "Global trend greenhouse gas regulation of heavy-duty vehicles", KSAE Auto Journal, Vol. 41, No. 6, pp. 58-61.
Jongchoon Kim, "Automobiles greenhouse gas", KSAE Auto Journal, Vol. 41, No. 6, pp. 62-66.
Yunsung Lim, "Eco-Innovation of Light-duty Vehicles", KSAE Workshop, 2018, pp. 119-133.
Jongchoon Kim, "Automobiles greenhouse gas and fuel economy of government policy", KSAE Auto Journal, Vol. 36, No. 11, pp. 56-59.

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