외기온도 및 냉간시동에 따른 PEMS와 SEMS 장비의 소형 경유차의 실제도로 주행 질소산화물 상관성 연구

2.1 시험 차량

본 연구에서 사용된 시험 차량은 배기량 2L의 SUV형 경유 차량 1대를 대상으로 연구하였으며, 이는 현행 법규인 실제도로 주행 배출가스 규제를 만족하기 위해 후처리 장치로 LNT(Lean NOx Trap)와 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 복합적으로 장착한 차량을 중점으로 연구를 수행하였다. 이러한 시험 차량선정의 장점은 차량에서 배출되는 질소산화물을 저감하기 위해 후처리장치의 최근 기술이 반영된 연구를 할 수 있는 반면, 후처리 장치로 SCR만을 장착하여 법규를 준수하는 차량에 대해 연구가 부족하다는 단점이 있다. 본 연구에 사용한 시험차량의 자세한 제원을 Table 1에 정리하여 나타내었다.

Table 1

Specifications of test vehicle

2.2 RDE-LDV 시험 주행경로

본 연구에서 사용된 주행경로는 EC(European Commission)에서 제안한 RDE-LDV 주행경로 요건을 만족하며, 국내 중소도시의 주행특성을 반영하기 위하여 개발된 경로이다. 시험한 주행경로의 도심 구간은 국내 인증시험 경로에 비해 차량 통행량이 적은 특징이 있으며, 3^rd package에서 추가된 냉간시동 조건의 영향을 반영한 주행경로이다.¹⁰⁾

본 연구의 RDE 주행경로는 한국교통대학교에서 출발하여 충주시청을 지나는 도심구간을 붉은 색, 주덕 및 음성을 통과하는 교외구간을 노란 색, 음성IC부터 동충주IC까지 주행하는 전용도로 구간을 파란 색으로 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Map of RDE-LDV route

2.3 이동식 배출가스 측정 장비

본 연구에서 실제도로 주행 배출가스를 측정하기 위해 사용한 이동식 배출가스 측정 장비(PEMS)는 SEMTECH LDV, Sensors’5th generation PEMS 모델이며, 시험 장비의 구성은 배기가스 농도 분석기, 배기가스 유량 측정기, GPS, 외기온도 및 상대습도 측정기, 외부 전원공급 장치, OBD 진단장치 등으로 구성되어 있다. PEMS 장비에서 실시간 1 Hz으로 측정된 배기가스 농도 데이터(ppm)는 유량계의 유량 데이터와 동기화되어 배기가스 질량 데이터(g/s) 단위로 측정된다. 또한, 단위 변환한 배기가스 질량 데이터를 GPS 또는 OBD를 통해 측정한 차속(km/h)와 동기화하여 주행 거리 당 배출량(g/km)로 환산된다. 시험 장비의 제원 및 측정원리를 Table 2에 정리하여 나타내었다.

Table 2

Descriptions of PEMS equipment

2.4 센서 기반 이동식 배출가스 측정 장비

본 연구에서 실제도로 주행 배출가스를 측정하기 위해 사용한 센서 기반 이동식 배출가스 측정 장비는 질소산화물 센서(NOx sensor), 차량속도와 주행고도를 측정하는 GPS signal, 차량의 OBD 데이터를 측정하는 OBD signal, 센서의 작동과 데이터 저장 및 장비의 전원 관리하는 메인모듈 등으로 구성되어 있으며, Table 3에 질소산화물 센서(NOx sensor)의 제원을 나타내었다.¹¹⁾

Table 3

Specifications of NOx sensor

본 연구에서 사용한 질소산화물 센서는 차량 배기관에 장착하여 차량 내부에 있는 메인모듈에 신호를 보내 측정 및 저장된다.

2.5 PEMS 장비 데이터의 신뢰성 검증

이동식 배출가스 측정 장비에서 측정되는 데이터의 신뢰성을 검증하기 위해 실내 차대동력계에서 CVS 장비와 PEMS 장비를 이용하여 질소산화물과 이산화탄소 배출량을 동시에 측정하여 두 장비 간의 측정 오차 값을 비교 검증하였으며, 차대동력계에서 시험한 주행모드는 열간 시동조건의 WLTC로 수행하였다.

상관성 시험의 측정 결과 값은 RDE-LDV 규정에서 제시한 CVS 장비와 PEMS 장비의 배출가스 허용오차 값 이내로 측정되면 PEMS 장비에서 측정한 데이터는 신뢰할 수 있다. 이산화탄소의 허용오차는 측정값의 차이가 ± 10 g/km (또는 10 % 미만) 이내여야 하며, 질소산화물의 허용오차는 측정값의 차이가 ± 0.015 g/km (또는 15 % 미만) 이내로 측정되어야 한다. 본 연구에서 CVS 장비와 PEMS 장비를 동시에 측정한 결과를 Table 4에 정리하여 나타내었으며, 이산화탄소 및 질소산화물의 허용오차는 규정에서 제시한 오차 이내에 들어오므로 PEMS 장비에서 측정되는 데이터의 신뢰성을 확인할 수 있다.

Table 4

Results of correlation tests for CO2 and NOx

또한, Fig. 2는 CVS장비와 PEMS 장비의 상관성 시험의 결과를 나타낸 그래프이며, PEMS와 CVS의 NOx와 CO₂ 측정값의 상관계수는 0.95 이상으로 도출되어 PEMS 장비에서 측정되는 데이터의 신뢰성을 확인할 수 있었다.

Fig. 2

Correlations of between CVS and PEMS

2.6 SEMS 장비 데이터의 신뢰성 검증

SEMS 장비는 PEMS 장비와 달리 배기가스 유량계가 없어 차량의 OBD 데이터 중 흡입공기량과 연료 분사량을 합산하여 산출된 배출가스 유량을 이용한다. 산출된 배출가스 유량은 농도 단위(ppm)로 측정된 질소산화물을 통해 질량 단위(g/s)로 환산된다.

따라서 SEMS 장비 데이터의 신뢰성을 검증하기 위해 PEMS 장비의 배기가스 유량계에서 측정한 배기유량과 앞서 전술한 OBD 데이터의 흡입공기량과 연료 분사량을 합산하여 산출한 배기유량을 비교하여 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Correlation of exhaust flow between PEMS and SEMS

비교한 결과, PEMS 장비의 배기가스 유량계에서 측정한 배기유량과 OBD 데이터의 흡입공기량과 연료 분사량을 합산하여 산출한 배기유량 간의 상관계수가 0.96 이상으로 매우 높은 상관성을 가지고 있음을 확인하였으며, 이를 통해 SEMS 장비의 농도단위로 측정된 질소산화물에 산출한 배기유량을 이용하여 질량단위로 환산하는 데 가능하다고 판단된다.

또한, Fig. 4에는 CVS 장비와 SEMS 장비를 이용하여 실내 차대동력계의 WLTC 모드에서 주행하면서 배출되는 질소산화물을 두 장비를 동시에 측정하여 비교 검증하였다.

Fig. 4

Correlation of between CVS and SEMS

2.4절에 전술한 CVS 장비와 PEMS 장비의 상관계수보다 낮았으며, 이는 센서 기반으로 이루어진 장비로서 WLTC 모드 주행 중 발생하는 급가속으로 인한 오차인 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 사용한 질소산화물 센서는 암모니아도 같이 측정되는 범용 센서로 암모니아를 별도로 구분하여 측정하지 못하여 상관계수가 비교적 낮은 것으로 판단된다.

3.1 실제도로 주행에서 PEMS와 SEMS 장비간의 상관성 분석

국내 중소도시의 주행특성이 반영된 주행경로에서 실제도로 주행 배출가스 시험을 총 8회 수행하였으며, PEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량과 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량을 비교한 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5

Correlation for NOx emissions measured with PEMS and SEMS equipment

Fig. 5에 나타낸 색상별 원형의 의미는 붉은색은 도심구간에서 PEMS 장비와 SEMS 장비를 통해 측정한 질소산화물 배출량, 파란색은 교외구간에서 PEMS 장비와 SEMS 장비를 통해 측정한 질소산화물 배출량, 초록색은 전용도로구간에서 PEMS 장비와 SEMS 장비를 통해 측정한 질소산화물 배출량이다.

도심 구간의 경우에는 다른 경로구간에 비해 차량 통행량이 많고 신호체계에 의한 정지현상으로 인해 질소산화물이 많이 배출된 것으로 판단된다. 교외 및 전용도로 구간의 질소산화물은 차량 속도가 높아짐에 따라 차량의 관성 주행이 가능하여 도심 구간에 비해 질소산화물이적게 배출된 것으로 판단된다.

모든 주행 경로구간에서 PEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량과 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량을 비교한 결과, 두 장비에서 측정한 결과 값들이 기울기가 매우 1에 가깝고, 결정계수가 0.9 이상으로 높게 측정되었다. 이를 통해 SEMS 장비에서 측정한 데이터가 PEMS 장비와 비교하였을 때 높은 상관성이 있음을 확인하였다.

3.2 외기온도에 따른 PEMS와 SEMS 장비간의 상관성 분석

앞서 전술한 주행경로에서 외기온도에 따라 냉간 시동 및 열간 시동 조건으로 시험하였으며, PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량 비교 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6

Comparison of between NOx emissions measured with PEMS and SEMS for ambient temperature

냉간 시동 조건을 반영한 시험은 외기온도에 상관없이 PEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량과 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량이 비슷하게 측정되어 SEMS 장비에서 측정한 데이터가 높은 신뢰성을 갖고 있음을 확인하였다.

반면, 열간 시동 조건을 반영한 시험은 실제도로 주행 배출가스 시험을 수행하기 전, 사전 주행을 통하여 시험 차량의 엔진 및 후처리 장치를 충분히 예열한 상태로 시험한다.

따라서 온도가 비교적 높은 15 °C 및 33 °C에서 적게 배출되었지만, 온도가 낮은 -6 °C와 0 °C에서 많이 배출되었다. 이는 엔진 초기 Warm up에 의한 불완전 연소 및 후처리 장치의 촉매가 충분히 예열이 되지 않아 전환효율이 낮은 것으로 판단된다.

Fig. 7에는 외기온도에 따라 PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 배출량에 대하여 결정계수를 나타낸 그래프이다. 모든 시험에서 결정계수가 0.8 이상으로 나타났지만, 온도가 비교적 높은 15 °C 및 33 °C의 열간 시동을 반영한 시험이 다른 온도 조건을 반영한 시험에 비해 낮은 결정계수가 나타났다. 이는 본 연구에 적용된 시험차량이 강화된 Euro 6d-temp 규제를 준수하기 위해 복합적 후처리 장치(LNT와 SCR)를 적용함으로서 질소산화물이 현저히 적게 측정된 것으로 판단된다.

Fig. 7

Correlation coefficient of between NOx emissions measured with PEMS and SEMS for ambient temperature

3.3 냉간 시동에 따른 PEMS와 SEMS 장비간의 상관성 분석

3.2절에서 전술한 외기온도에 따라 냉간 시동 조건을 반영한 실제도로 주행 배출가스 시험 결과를 시계열도 그래프를 통해 Fig. 8에 정리하여 나타내었다.

Fig. 8

Real-time profiles of NOx emissions measured with PEMS and SEMS, engine coolant temperature, vehicle speed on RDE test under cold-start period

냉간 시동 조건은 냉각수 70 °C까지 도달한 시간까지로 정의하였으며, 온도 -6.94 °C 조건은 시험 초기 약 19분(1120초) 동안 진행되었으며, 0.57 °C에서는 약 17분(1000초) 동안 진행되었다. 상온 조건인 영상 15.15 °C에서는 약 8분(465초) 동안 진행되었고, 33.19 °C에서는 약 6분(340초) 동안 진행되었다.

이러한 결과를 보다 명확히 나타내기 위하여 외기온도가 높을수록 냉간 시동 조건이 반영된 주행시간이 점차 감소되는 것을 그래프 상에 파란색 상자로 나타내었다.

이상의 결과를 통해 외기온도에 상관없이 PEMS 장비에서 측정한 질소산화물 농도 값과 SEMS 장비에서 측정한 질소산화물 농도 값이 비슷한 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.