소형경유차의 실제도로 주행 배출가스의 냉간 시동 및 데이터 평가방법에 관한 연구

2.1 시험 차량 및 장비

시험차량은 SUV형으로 배기량 3,000cc V형 6기통 엔진을 탑재한 2017년 모델이며, Table 1에 시험차량의 제원을 정리하여 나타내었다. 시험차량은 Euro 6 배출가스 규제를 만족하기 위하여 후처리 장치로 선택적 환원촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction)를 장착하였다. 본 연구에서 차량에 탑재하여 시험에 활용된 PEMS 장비의 제원은 Table 2에 정리하여 나타내었다. 장비의 구성은 배기가스 유량계, 배기가스 샘플링 장치, 배기가스 분석기, 측정용 가스, 전원 공급 장치, 차량의 OBD 정보를 제공받는 OBD signal, 차량 속도 및 주행 고도 등을 제공 받는 GPS signal로 구성되어 있다.

Table 1

Specifications of test vehicle

Table 2

Specifications of PEMS

PEMS 장비는 실시간(1 Hz)으로 측정된 배기가스 농도 데이터를 유량계의 유량 데이터와 동기화하여 g/s 단위로 취득하게 된다.

또한 본 연구에서는 온도가 영하인 겨울철에서 냉간 시동 및 열간 시동에서 후처리 장치(SCR)의 촉매 활성화 온도에 따른 de-NOx 성능 평가를 위하여 NOx 센서를 터보후단, DPF 후단, SCR 후단 총 3개 장착하여 실도로 주행 중 실시간으로 NOx 농도를 측정하였다. NOx 센서는 NOx와 산소 농도를 최대 초당 20 Hz로 측정할 수 있으며, 자세한 NOx 센서의 제원과 위치별 장착 설치 개략도를 Table 3과 Fig. 1에 나타내었다.

Table 3

Specifications of NOx logger

Fig. 1

Schematic Diagram of NOx sensor installations

2.2 RDE 주행경로

본 실험의 RDE 주행경로에 관한 개략도를 Fig. 2에 나타내었으며, 경로의 주행특성을 Table 4에 정리하였다.

Fig. 2

Route map for RDE tests

Table 4

Driving descriptions of RDE test route

RDE 주행경로의 구성은 한국교통대학교를 출발점으로 충주시청을 지나는 도심구간과 음성 방면의 교외구간 및 평택-제천 고속도로 구간으로 구성하였다. 주행경로의 총 주행거리는 약 93km이며 도심구간 28.5km, 교외구간 35.3km, 전용도로 구간 29.5km로 구성하였으며, 주행점유율은 각각 30.5 %(도심), 37.9 %(교외), 31.6 %(전용도로)로 나타나 RDE-LDV 주행경로 요건의 33±10 %를 만족하는 시험경로이다. 3단계 배출가스 규제인 RDE 3^rd package의 냉간 시동을 포함하는 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하기 위하여 본 연구진이 위치한 대학교에서 출발하는 경로이다.

본 연구의 주행경로는 강건우 등⁸⁾이 EC에서 규정한 실도로 주행경로 요건을 만족하는 국내 RDE 주행경로(KOR-NIER route 1&2)의 도심구간 평균차량속도(23.3 & 22.0km/h)에 비해 비교적 높은 속도(29.4km/h)를 나타내는 특성이 있다. 이는 냉간 시동의 영향만을 고려하기 위해 도심 초반구간에 차량 통행량이 적은 경로로 구성하여 교통량이 원활한 것으로 판단된다.

2.3 RDE 냉간 시동의 시험조건

3단계 실제도로 배출가스 규제인 3^rd RDE package에 정의된 냉간 시동 주행구간의 정의는 다음과 같다. 냉간 시동은 엔진 내 연소가 처음으로 시작한 시점부터 초반 5분 동안 누적 주행한 시점까지의 기간과 초기 엔진 시동 후 냉각수가 처음 70 °C에 도달한 시점까지의 기간이다. 또한 냉간 시동의 구간은 주행속도 15~40km/h사이의 속도에서 주행되어야하며 최대속도 60km/h를 초과할 수 없다.

3.1 이동평균구간 분석방법

EC-JRC가 제시한 대표적인 RDE-LDV 데이터 분석방법은 이동평균구간 방법이다.

이동평균구간 방법은 차량이 실제도로 주행에서 WLTC 인증모드의 CO₂ 총 배출의 절반의 양인 기준 CO₂ 배출량까지의 이동거리로 하나의 평균구간을 생성하며, 시험이 종료될 때까지 1초 간격으로 이동하면서 연속적으로 생성한다. 각 이동 평균구간에서 NOx 및 CO₂ 등 유해대기오염물질의 주행거리 당 배출가스양(g/km)을 계산하였다.

3.2 확장조건에서 보간법을 이용한 보정계수

유럽의 RDE-LDV의 경계 요건 중 환경조건에서 실제도로 주행 배출가스 시험 시 외기온도의 노출에 따른 평가를 위해 일반 조건 및 확장조건마다 다르게 가중계수(w_j)를 적용하고 있다. 일반조건에서 측정된 배출가스의 가중계수는 1이며, 확장조건에서 측정된 배출가스의 가중계수는 일반조건의 가중계수에 1.6으로 나누어 평가한다.

보간법을 적용한 가중계수에 대한 개념을 Fig. 3에 나타내었다. 보간법을 적용한 가중계수는 확장조건에서 측정된 배출가스에 적용되며, 외기온도가 -7 °C 이상 0 °C 미만의 영역에서의 가중계수의 식 (1)과 30 °C 초과 35 °C 이하의 영역에서의 가중계수는 식 (2)로 계산하였다.

Fig. 3

Concept of weighted factors for extended ambient temperature condition

선형보간법으로 계산한 가중계수는 확장조건에서 측정된 배출가스에 적용하여 100 %에서 최대 62.5 %까지 선형가중하여 배출가스양을 평가하게 된다.

본 연구에서는 유럽의 RDE-LDV의 주행경로 요건 및 일반 요건 등을 만족하는 주행경로에서 온도가 확장조건일 때 측정되는 배출가스에 대해 가중계수를 적용하여 데이터를 평가하는 방법에 관하여 분석하였다. 이를 통해 현재 유럽에서 제안한 확장조건에서의 데이터 평가방법에 비해 비교적 객관성 있는 결과를 도출하고자 한다.

4.1 시험장비(PEMS)의 상관성 시험 결과

차량에 PEMS 장비를 탑재하여 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하기 전에 장비에서 측정되는 시험 데이터의 신뢰성을 확인하기 위해 차대동력계에서 표준 배출가스 측정 장비(CVS)와 PEMS 장비를 동시에 배출가스를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 그림의 x축은 표준 배출가스 측정 장비(CVS)의 측정결과이며, y축은 PEMS의 측정결과이다. 상관성 시험은 국내 서울시내 주행 특성을 반영한 시험모드인 NIER 07 모드에서 수행하였다.

Fig. 4

Correlation of emissions between CVS and PEMS equipment

질소산화물(NOx) 및 이산화탄소(CO₂)의 배출량을 기존의 상관성 시험결과⁹⁾와 비교하여 Fig. 4에 나타내었으며, 기존의 상관성 시험결과와 본 연구에서 수행한 상관성 시험의 결과를 비교분석하였다. 시험 결과, 기울기가 거의 1에 가까운 선형성을 유지하고 있으며, 결정계수가 모두 0.96 이상으로 매우 높게 나타나 본 연구에서 사용한 PEMS 장비에서 측정한 배기가스의 데이터는 높은 신뢰도를 갖는 것으로 판단하였다.

4.2 냉간 시동구간의 NOx 배출량

냉각수 온도 또는 주행시간으로 정의한 냉간 시동을 2가지 구분하여 확장조건에서 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5 및 Table 5에 정리하여 요약하였다.

Fig. 5

Vehicle speed and trip duration for cold conditions

Table 5

Trip duration and distance of cold conditions

Fig. 5는 다양한 외기온도에서 냉간 시동을 포함한 실제도로 주행 시험결과를 그래프로 나타내었다. 냉간 시동 조건에서의 시험조건을 준수하여 시험한 결과, 외기온도가 가장 낮은 겨울철(-11 °C) 시험에서 냉각수 온도가 70 °C까지 도달하는 시간이 가장 오래 소요되었으며, 외기온도가 높아질수록 냉각수 온도가 70 °C까지 도달하는 시간이 감소하였다. 특히 외기온도가 가장 높은 여름철(33.7 °C) 시험에서는 냉각수가 70 °C까지 도달하는 시간이 초반 5분보다 적게 소요되었다. 또한 외기온도가 낮을수록 냉각수가 70 °C까지 도달하는 시간이 길어져 그에 따라 주행거리도 증가하는 결과를 보였다.

하지만, 초반 5분까지로 정의된 냉간 시동 시험결과에서 다른 외기온도에 비해 11.6 °C에서 주행거리가 0.3 km 더 측정되었다. 이는 외기온도가 11.6 °C인 시험이 다른 외기온도조건의 시험보다 초반 5분까지의 차량속도가 빠르게 주행됨으로 인해 더 길어진 것으로 판단된다.

3^rd RDE package에 추가된 냉간 시동을 포함한 실제도로 주행 시험의 도심구간과 전체 주행경로에서 배출된 질소산화물(NOx)에 미치는 외기온도의 영향을 Fig. 6에 나타내었고, 이를 좀 더 상세하게 분석하기 위해 실제 도로 시험 시 측정한 첫 시동 후 초반 5분까지의 냉각수 온도, EGR 작동율, 질소산화물 배출거동을 실시간으로 Fig. 7에 정리하여 나타내었다.

Fig. 6

NOx percent for trip at cold conditions

Fig. 7

Real-time profiles of coolant temperatures, NOx emissions and EGR valve opening rate on RDE test under cold-start period

Fig. 6에서 외기온도가 영하 조건(겨울)에서는 냉각수 70 °C에 도달하는 시점까지의 냉간 시동과 시험 시작 후 초반 5분 동안 냉간 시동의 조건 모두 도심구간과 전체 주행경로에서 배출된 질소산화물에 큰 영향이 나타났다. 하지만 외기온도가 영상 조건(여름 및 가을)에서는 냉각수 70 °C에 도달하는 시점까지의 냉간 시동과 시험 시작 후 초반 5분 동안 냉간 시동에서 배출된 질소산화물은 별 다른 차이가 없음을 확인할 수 있다. 이는 외기온도가 낮을수록 첫 시동 후 엔진 내 연소실이 Warm up되는 동안 불완전 연소를 방지하기 위해 EGR 작동율을 제한하는 것으로 판단된다. 앞서 기술한 EGR 시스템은 흡기의 일부가 배기가스의 불활성가스가 흡기의 일부로 치환되어 혼입되어 연소실내 산소가 감소하게 된다. 그로인해 흡입공기 중 산소농도가 감소하여 연소로 인한 내부 온도가 비교적 낮아지게 되어 질소산화물(NOx)의 생성이 억제되는 원리이다. 하지만 질소산화물의 배출을 억제하기 위해 EGR 가스를 연소실 내로 과다하게 흡입하게 되면 연소실 내 산소농도 부족으로 인해 공기 과잉율이 낮아지게 되어 입자상 물질의 배출량이 증가하게 된다.¹⁰⁾

Fig. 7은 동일한 시간조건에서 외기온도에 따른 엔진 냉간 운전 시 EGR 작동특성을 분석하고자 첫 시동 후 초반 5분까지 냉간 시동을 정의하였다. 영하 11 °C의 경우는 냉각수 온도가 0 °C 부근에서 시작하며 EGR이 초반 낮은 부하영역에서 작동하지 않아 NOx 배출량이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 확장조건의 영하 2 °C 시험도 냉각수 온도가 0 °C 부근에서 시작하며 대부분의 영역에서 EGR이 작동하지 않았지만 영하 11 °C보다는 빈번하게 작동함을 확인할 수 있다. 반면, 외기온도가 영상조건인 시험결과는 모두 냉각수가 30 °C 부근에서 측정되었고, EGR도 비교적 원활하게 작동하여 NOx 배출수준이 현저히 낮게 측정됨을 확인할 수 있다.

4.3 냉간 및 열간 시동의 NOx 배출량 비교

본 시험에 사용된 차량은 후처리장치로 선택적 환원 촉매(SCR)을 장착하였으며, 냉간 시동 및 열간 시동의 초반 5분 동안 NOx 저감 효율을 분석하기 위해 SCR의 전단 및 후단에 NOx sensor를 설치하여 NOx 배출특성을 분석하였다.

냉간 시동의 영향을 뚜렷하게 보이는 겨울철에 냉간 시동과 열간 시동에 따른 결과를 분석하고자 동일한 주행경로에서 동일 운전자가 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하였다. 여기서 열간 시동은 엔진이 충분히 예열된 냉각수 70 °C 이상의 주행시험을 의미한다. 따라서 냉간 시동은 첫 시동 후 초반 5분까지 주행한 시점까지로 정의하였으며, 그로인해 열간 시동도 초반 5분까지 주행한 배출특성을 분석하였다. 냉간 시동과 열간 시동의 차이는 첫 시동 후 초기 냉각수의 온도로 볼 수 있다. 냉간 시동의 첫 시동 후 초기 냉각수 온도는 5 °C이며, 열간 시동의 첫 시동 후 초기 냉각수 온도는 충분히 예열된 83 °C로 뚜렷한 차이가 있음을 확인할 수 있다.

냉간 시동과 열간 시동의 NOx 배출특성과 실제도로 주행 배출가스 시험 초반 5분 주행의 평균 외기온도를 같이 Table 6에 정리하여 나타내었다.

Table 6

Comparison of NOx emissions for Engine start

외기온도가 비슷한 실제도로 주행 배출가스 시험의 초반 5분에서 냉간 시동 시험의 NOx 배출량은 열간 시동 시험의 NOx 배출량보다 약 10배 많이 배출되었다. 이는 소형경유자동차의 경우 냉간 시동으로 인해 후처리 장치의 촉매 활성화온도가 도달하지 않아 예열이 충분히 완료되지 않은 것으로 판단되며, 이를 실제도로 주행 배출가스 시험 전 충분히 예열이 완료된 열간 시동과 비교한 결과를 Fig. 8에 정리하여 나타내었다.

Fig. 8

Comparison for conversion efficiency of SCR system according to engine start

예열을 충분히 완료한 열간 시동도 외기온도가 낮음으로 인해 0 ~ 100 °C 영역에서 낮은 전환 효율을 보이지만, 100 °C 이상의 온도부터 냉간 시동에 비해 높은 효율을 보임을 확인할 수 있다.

4.4 가중계수 적용에 따른 NOx 배출 특성

실제도로 주행 배출가스 시험에서 측정된 배출가스에 대해 EC-JRC는 데이터 평가방법으로 이동평균구간 방법(NOx)을 제안하였다. 실도로 주행 시험 시 확장조건에서 측정된 배출가스는 기존 가중계수를 1.6으로 나누어 적용하여 평가하게 되며, 이를 적용한 NOx의 배출량(Ext. NOx)와 본 연구에서 확장조건에서 측정된 배출가스에 대해 노출된 정도에 따라 선형가중한 가중계수를 적용하여 평가한 결과(Int. NOx)를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9

Results of NOx emissions under various ambient temperature

Fig. 9는 실제도로 주행 배출시험의 전체 주행경로 시험 결과에 대해 정리하여 나타내었으며, 냉간 시동을 포함한 RDE 시험의 확장조건에서 노출된 배출가스에 대해 가중계수 적용에 따른 데이터 평가방법을 분석하였다. 그래프에서 표시한 붉은색 점선은 실제도로 주행 배출가스의 적합계수(RDE C.F)이며, 현행 실제도로 배출가스 시험의 적합계수 배출가스 수준은 2.1배 이내로 배출되어야 만족한다.

외기온도가 낮은 -2 °C를 제외하면 확장조건에서 측정된 배출가스의 가중계수를 1.6으로 나누어 적용한 데이터 평가방법에는 모두 C.F 2.1배 이내로 측정되어 규정을 만족하는 것으로 나타난다.

하지만 외기온도가 일반조건과 확장조건 온도의 경계영역에서 시험한 -1.2 °C와 30.8 °C에서 측정된 배출가스의 가중계수를 적용한 데이터 평가방법은 C.F 2.1배를 초과하여 규정을 만족하지 않는 결과를 도출하였다. 이는 일반조건과 확장조건의 경계영역에서 가중계수 적용에 따른 NOx 배출량이 차이가 존재하였으며, 외기온도에 따른 선형가중을 이용한 가중계수를 적용한 경우가 현실적인 실제도로 주행 배출가스 시험의 데이터 평가방법으로 합리적인 것으로 판단된다.