대량 주행 데이터 분석을 통한 소형 경유차의 NOx 배출특성 연구

1. 서 론

소형 경유차의 배출가스 규제강화에 따라 실험실 조건에서의 NOx 배출량은 감소하고 있으나, 실제 도로 주행 조건에는 높은 배출량을 나타내는 것이 DEFRA, JRC 및 국립환경과학원 등의 연구를 통해 확인되었다.^1-3) 이에 따라, 소형 경유차의 실제 도로 주행 배출가스 규제가 2017년 9월부터 유럽 및 국내에 도입되어 시행되고 있다.⁴⁾

실제 도로 주행 조건에서 장기 모니터링을 통한 NOx 저감장치와 CO₂ 배출특성에 대한 관심이 높아지고 있으나, 인증용 PEMS는 Fig. 1과 같이 차량 외부에 장비를 장착해야 하고, 복잡한 장비 운용 절차와 높은 시험 비용으로 장기간 배출량 측정에 많은 제약이 존재한다. 이로 인해 간소화된 배출가스 측정 시스템의 필요성이 높아지고 있다.

Fig. 1

Photograph of PEMS installation to test vehicle

NOx 저감장치의 제어 및 자가진단 용도로 개발된 NOx 센서는 실제 도로에서 차량의 배출특성을 측정하기에 충분한 성능을 갖고 있으며,^5,6) 이를 이용하여 배출가스 측정 시스템을 구성하고 활용하는 연구가 TNO와 Jiang 등을 통해 수행되었다.^7-9) EC에서는 TNO에서 개발된 배출가스 측정시스템을 경유차의 부적절한 배출가스 제어 전략 및 장치 분석에 활용하도록 가이드하고 있다.¹⁰⁾

본 연구에서는 자가진단용 NOx 센서, GPS 및 부가 모듈의 측정결과와 차량 OBD 데이터를 장기간 효율적으로 취득이 가능한 SPEMS를 개발하였으며, 측정 신뢰성을 CVS 및 인증용 PEMS와 비교하여 검증하였다. 개발된 SPEMS를 Euro-4~6의 배출가스 규제별 차량 4대에 장착하여 장기간 일반 운용을 수행하여 대량의 주행 데이터를 취득하였고, 취득된 NOx 배출량과 실제 도로 주행 배출가스 시험 규제에 따른 주행 경로에서 인증용 PEMS로 측정된 배출량을 비교하여 배출 특성을 분석하였다.

2. SPEMS 구성 및 시험 방법

2.1 SPEMS의 구성 및 상관성 검증

2.1.1 SPEMS의 구성

SPEMS는 Fig. 2와 같이 자가진단용 NOx 센서, GPS와 차량의 주행 정보의 취득을 위한 메인 모듈로 구성되며, 메인모듈은 NOx 센서 및 GPS 측정 데이터와 SAE J1979 프로토콜로 OBD를 통해 취득하는 차량 주행정보를 동시에 취득하며, 필요에 따라 환경센서 등의 아날로그 센서를 추가하여 데이터의 취득이 가능하도록 구성되어 있으며, Table 1에 NOx 센서의 사양을 나타내었다.

Fig. 2

Configuration of SPEMS

Table 1

Specification of NOx sensor

SPEMS는 차량 배기관에 NOx 센서를 장착하고 메인모듈을 차량 내부에 탑재하며, 시동을 감지하여 센서의 작동과 데이터 저장 및 장비의 전원 관리가 가능하도록 개발되어 있어서 장기간 일반적인 주행 조건에서 배출량 취득에 용이하도록 개발되었다. SPEMS에서 NOx의 질량 유량은 배기관에서의 NOx의 농도와 차량의 ECU에서 OBD를 통해 제공하는 흡입공기유량과 연료유량을 합산하여 산출된 배출가스 유량을 이용하여 산출한다.

2.1.2 CVS와 상관성검증

SPEMS의 배출가스 측정 성능을 검증하기 위해 차대동력계에서 Euro-4~6 시험 차량을 대상으로 다양한 주행 모드를 주행하여 배출량 범위를 변화시키며 CVS와 SPEMS의 배출 총량을 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. SPEMS와 CVS의 NOx와 CO₂ 측정값의 상관계수는 0.99로 도출되어 SPEMS의 신뢰성을 확인할 수 있었다.

Fig. 3

Comparison of CVS and SPEMS emission result for various driving cycles

2.1.3 인증용 PEMS와 상관성검증

SPEMS의 배출가스 유량 및 NOx 농도의 시계열 측정 특성을 비교하기 위해 인증용 PEMS와 동시에 취득하며 시계열 배출량을 비교하여 Fig. 4와 5에 나타내었다. SPEMS에서 OBD 데이터로 취득된 흡입 공기 유량과 연료유량을 합산하여 산출된 배출가스 유량은 PEMS와 상관계수 0.90로 나타나고, NOx 농도는 상관계수 0.88로 나타나 시계열 배출 특성이 유사함을 확인하였다.

Fig. 4

Comparison of PEMS and SPEMS time series acquisition characteristics

Fig. 5

Correlation between PEMS and SPEMS

2.2 시험 차량 및 방법

2.2.1 시험 차량 선정

배출가스 규제와 배출가스 저감장치 구성에 따른 실제 도로주행 조건에서 배출가스 배출량을 비교하기 위해 배출가스 규제와 저감장치 종류에 따라 4대의 시험 차량을 선정하였다. Euro-4/5 차량은 NOx 저감기술로 EGR을 적용하고 있으며, Euro-6 차량은 각각 LNT와 SCR을 적용하고 있다. 각 차량의 사양과 배출가스 저감장치 구성을 Table 2에 나타내었으며, 시험 차량의 차대동력계 시험 모습을 Fig. 6에 나타내었다.

Table 2

Specification of test vehicles

Fig. 6

Test vehicles

2.2.2 실제 도로 배출가스 시험

시험 대상 차량의 실제 도로 배출가스 배출량을 측정하기 위하여 인증용 PEMS를 이용하여 시험규정을 준용하는 주행 경로를 주행하며 배출가스를 측정하였다. 중소형 경유자동차의 실제 도로주행 배출가스 시험 주행 경로는 도심, 교외, 고속도로 순서로 주행하고, 도심 34 %, 교외 33 %, 고속도로 33 %로 주행구간이 구성되어야 하며, 90~120분의 주행시간을 가져야 한다. 시험에 활용된 주행 경로는 규정을 만족하는 주행 경로(KATECH RDE-LDV Route #1)와 주행 순서를 고속도로, 도심, 교외 순으로 구성하여 촉매의 예열 특성을 변화시킨 주행 경로(KATECH RDE-LDV Route #2)의 두 가지 주행경로를 활용하였으며, 주행경로의 지리정보 및 주행 순서를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7

Geographic information and driving sequence of RDE test routes

2.2.3 SPEMS 활용 일반운용 주행데이터 취득

시험 대상 차량에 SPEMS를 장착하여 일반적인 차량 운용 조건에서 배출가스를 측정하였다. 각 시험 대상 차량에 대해 약 4개월의 일반 운용 주행을 통해 Table 3과 같이 총 주행시간 356시간, 625회 트립과 22,069 km의 주행 데이터를 취득하였다. 취득된 데이터 중 WLTC 모드 주행시 배출되는 CO₂ 배출량의 50 % 이상의 CO₂를 배출하는 주행에 대하여 각주행 별 평균 배출량과 MAW 분석 방법을 적용하여 분석하였다.^11,12)

Table 3

Test amount of fleet test using SPEMS

3. 시험 결과

3.1 실험실 및 실제 도로 배출가스 시험 결과

배출가스 규제별 차량에 대하여 NEDC 모드 및 WLTC모드 배출량을 차대동력계와 CVS를 통해 측정하였으며, 실제 도로 주행시험 노선 1과 2에 대해 냉간 및 열간 시동 조건에서 실제 도로 배출가스를 측정한 시험 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8

Comparison of NOx emission characteristics between chassis dynamometer and RDE test

Veh. A의 경우 인증시험 모드인 NEDC 모드에서 규제치를 초과하는 배출가스 특성을 나타냈으며, 이는 EGR 관련 부품의 노후화로 인해 EGR이 정상적으로 작동되지 않아 발생한 문제로 확인되었다. 또한 실제 도로 시험시 규제치 대비 평균 9.47배의 배출량을 나타내었다. Veh. B의 경우 NEDC 모드에서 규제치 이내의 배출량을 나타냈으나, 실제 도로 시험시 규제치 대비 평균 3.73배의 배출량을 나타내는 것을 확인하였다. Veh. C의 경우 NEDC 모드에서 규제치를 9 % 초과하는 배출량을 나타냈으며, 실제 도로 시험시 규제치 대비 평균 10.66배의 배출량을 나타내는 것을 확인하였다. Veh. D는 NEDC 모드에서 규제치 이내의 배출량을 나타냈으며, 실제 도로 시험시 규제치 대비 평균 3.76배의 배출량을 나타내었다.

3.2 SPEMS를 통한 일반운용 배출가스 배출 특성

각 시험차량에 대하여 SPEMS를 활용하여 취득한 일반 운용 주행 데이터 중 WLTC 모드의 CO₂ 배출량의 50 % 이상의 CO₂를 배출하는 주행의 NOx 배출량에 대하여 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9

NOx emissions of massive driving

Veh. A는 13회의 일반운용 주행에서 평균 2.57±1.13 g/km의 NOx 배출량을 나타냈으며, 이는 배출가스 기준치의 10.3배에 해당한다. Veh. B는 95회의 일반운용 주행에서 평균 0.97±0.40 g/km의 배출량을 나타냈으며 이는 기준치의 5.4배에 해당한다. Veh. C는 40회의 일반운용 주행에서 평균 1.04±0.50 g/km의 배출량을 나타냈으며 이는 기준치의 13.0배에 해당한다. Veh. D는 144회의 일반운용 주행에서 평균 0.41±0.33 g/km의 배출량을 나타냈으며 이는 기준치의 5.1배에 해당한다.

시험 대상차량별 일반 운용조건에서 NOx 배출량을 비교하여 Fig. 10에 나타내었다. 배출가스 규제가 강화됨에 따라 NOx 배출량이 감소하는 경향을 나타내나, LNT가 장착된 Veh. C는 Euro-5 차량과 유사한 배출가스 배출수준을 나타내고 LNT의 작동에 따라 배출가스 배출량의 영향을 받기 때문에 배출량의 분포가 넓은 특성을 나타낸다. SCR을 장착한 Veh. D는 낮은 배출 특성을 나타내나, RDE 규제를 적용받지 않는 차량으로 배출가스 기준보다 높은 배출량을 나타낸다.

Fig. 10

Box plot for NOx emissions of massive driving

3.3 SPEMS를 통한 일반운용 배출가스 배출량과 실제 도로 배출량 비교

SPEMS를 활용한 일반운용 주행에서 WLTC 모드의 CO₂ 배출량의 50 % 이상의 CO₂를 배출하는 주행에 대해서 이동 평균구간 분석을 통해 도심/교외/고속 도로 구간별 배출량을 산출하였으며, 규제 주행노선에서 수행된 실제 도로 주행 시험에서의 배출량과 비교하여 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11

Comparison of MAW NOx emissions between massive driving and RDE test

각 시험 차량의 이동 평균구간의 주행 구간별 배출량은 실제 도로 주행 시험 배출량과 비교하여 넓은 산포를 나타내나 유사한 배출 특성을 나타냄을 확인 할 수 있다. 각 시험 대상 차량의 주행 구간별 배출량에 대하여 평균 배출량을 Fig. 12에 나타내었다. 배출가스 배출량은 배출가스 규제가 강화되고, 평균 주행 속도가 증가함에 따라 감소되는 특성이 나타남을 확인할 수 있다.

Fig. 12

Mean NOx emissions of each trip in massive driving

각 시험 차량에서 도출된 이동 평균구간의 주행구간별 평균 배출량에 대하여 실제 도로 주행시험 규정의 가중치를 적용하여 최종 배출량을 산출하여 실제 도로주행 시험 배출량과 비교하여 Fig. 13에 나타내었다. 일반 운용을 통해 산출된 배출량은 실제 도로주행 시험 배출량과 높은 상관성을 나타냄을 확인 할 수 있다.

Fig. 13

Comparison of NOx emissions between MAW result in massive driving and RDE test

또한 각 시험 차량의 일반 운용 주행에서 각 주행별 질소 산화물 배출량의 평균을 실제 도로주행 시험 배출량과 비교하면 높은 상관성을 나타냄을 Fig. 14에서 확인할 수 있다. 이를 통해 실제 도로주행 시험의 주행 경로의 NOx 배출가스 배출 특성이 일반 운용 주행 노선과 유사함을 확인할 수 있다.

Fig. 14

Comparison of NOx emissions between trip mean value in massive driving and RDE test

3.4 S-PEMS를 활용한 배출가스 저감장치 특성 분석

SPEMS는 시험 차량의 다양한 운전 조건에서 장기간 NOx 배출량의 측정이 가능한 장점을 갖고 있다. Veh. D에 대하여 SCR 전단에 NOx 센서를 장착하여 장기간 모니터링을 수행하여 SCR의 작동 특성에 대한 주행 조건의 영향성을 분석하였다.

취득된 데이터 중 10분이상의 주행을 수행한 205회의 주행에 대해 대기 온도에 따른 SCR에 대한 영향을 Fig. 15와 16에 나타내었다. 대기온도가 낮아짐에 따라 NOx 배출량이 증가하는 경향이 나타나며, SCR 전후단 NOx 배출량으로 SCR의 저감 효율을 산출하여 주행 속도 구간별로 비교해보면, 대기온도가 낮을수록 저감효율이 감소하며 속도 구간이 높은 고속도로 구간에서 상대적으로 효율이 높게 나타남을 확인할 수 있다.

Fig. 15

Ambient temperature effect of NOx reduction efficiency in massive driving

Fig. 16

Ambient temperature effect of NOx reduction efficiency for each trip condition

SCR의 입구 온도에 따른 저감 효율의 변화를 분석하기 위하여 주행 데이터를 Short-trip으로 분류하여 각 Short-tip 구간의 평균 SCR 입구온도에 따른 저감효율에 대해 Fig. 17에 나타내었다. SCR 입구온도에 따라 저감효율이 변화함을 확인할 수 있으며, 측정된 저감효율은 다른 연구자들의 연구결과와¹³⁾ 유사한 온도특성을 나타냄을 확인하였다.

Fig. 17

SCR inlet temperature effect of NOx reduction efficiency

실제 도로에서 배출가스 저감을 위해서는 실제 운행 비율은 높으나 저감효율이 낮은 200~250 °C 범위에서의 SCR의 저감효율을 높이기 위한 추가적인 저감기술의 적용이나 SCR 시스템의 개선이 필요함을 확인할 수 있다.

4. 결 론

• 1) 배출가스 저감장치 제어 및 자기진단 목적으로 개발된 지르코늄 옥사이드 기반의 NOx 센서를 활용하여 일반 주행에서 장기간 배출가스 측정이 가능한 SPEMS를 구성하였으며, 차대동력계에서 모드 주행 시험을 통해 CVS와 실제 도로주행 시험에서 PEMS와의 상관성을 검증하였다.
• 2) Euro-4~6의 시험 차량 4대에 대하여 인증용 PEMS를 활용한 실제 도로주행 시험을 수행하여 배출가스 배출량을 측정하였다. 실제도로 주행시험을 통해 배출가스 규제에 따라 배출가스 배출량이 감소하는 특성이 나타나나, Euro-6 시험 차량 중 LNT가 적용된 차량은 Euro-5 차량과 유사한 배출 특성을 나타냄을 확인하였다.
• 3) 시험 대상 차량에 대해 SPEMS를 활용하여 일반운용 주행을 통해 장기간 배출가스 배출량을 측정하였다. 각 주행별 NOx의 평균 배출량은 배출가스 규제에 따라 배출가스 배출량이 감소하는 특성이 나타나나, 실제 도로주행 시험과 유사하게 Euro-6 시험 차량 중 LNT 적용 차량은 Euro-5 차량과 유사한 배출 특성을 나타냄을 확인하였다.
• 4) 일반 운용 주행 시험 데이터를 이동평균 구간 분석을 통해 실제 도로주행 시험 결과와 비교한 결과 주행 구간별 배출량 및 배출 총량이 높은 상관성을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 실제 도로주행 시험의 주행 경로의 NOx 배출가스 배출 특성이 일반 운용 주행 노선과 유사함을 확인할 수 있다.
• 5) SCR 저감장치의 전/후단에 NOx 농도를 장기간 모니터링을 하여 SCR 장치의 저감장치 작동 특성에 대한 주행 조건의 영향성을 분석하여 SCR의 입구 온도 및 대기 온도의 SCR 저감효율에 대한 영향성을 확인하였다.
• 6) SPEMS를 활용하여 일반 운용 조건에서 대량의 주행 데이터를 효율적으로 취득하였으며, 이를 통해 차량의 배출가스 특성 분석과 주행환경 변수의 배출가스 저감장치의 영향에 대한 분석이 가능함을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 2018년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원과(과제번호 : 20152010103660) 환경부의 재원으로 국립환경과학원의 지원을 받아 수행하였습니다(NIER-2017-03-02-023).

*A part of this paper was presented at the KSAE 2018 Spring Conference

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