주행 동특성에 따른 PEMS 장비와 SEMS 장비의 실제도로 주행 NO_x 배출량 상관성 분석

2.1 시험차량

본 연구에서는 LNT(Lean NO_x Trap)와 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 복합적으로 탑재된 Euro 6d-Temp 경유 차량 1대를 선정하였다. 시험차량의 제원은 Table 1에 기재하였다.

Table 1

Specifications of test vehicle

2.2 시험 장비

SEMS는 범용 NO_x 센서, GPS와 차량의 주행 데이터 취득을 위한 메인 모듈로 구성된다. 시험차량에서 배출되는 질소산화물을 측정하기 위해 SCR 후단에 NO_x 센서를 설치하여 농도(ppm) 단위로 데이터를 측정하였다.

SEMS는 PEMS와 달리 유량계가 없어 차량의 OBD를 통해 제공되는 흡입 공기 유량과 연료 유량을 합산하여 질량유량(g/s)로 변환하였다. SEMS 장비는 10 Hz로 데이터를 측정하므로 PEMS 장비와의 데이터 비교분석을 위해 1 Hz 단위로 변환하였다. SEMS의 구체적인 제원은 Table 2에 정리하였다.

Table 2

Specifications of SEMS and OBD data

PEMS는 Sensors사의 SEMTECH-LDV장비를 사용하였으며, 장비의 구성은 배기가스 분석기, 배기가스 유량계, 배기가스 샘플링 장비 등으로 구성되어 있다. 각 장비를 통해 측정되는 NO_x 배출량은 1초 단위로 측정되며 유량 데이터와 동기화되어 g/s로 변환된다. PEMS의 제원 및 원리는 Table 3에 정리하였으며 Fig. 1은 차량에 탑재된 개략도를 나타내었다.

Table 3

Specifications of PEMS

Fig. 1

Schematic diagram of PEMS and SEMS installations

차대동력계의 배기가스 분석계의 경우 AVL사의 i60장비를 사용하였으며 가스 측정원리와 측정범위는 Table 4에 정리하였다.

Table 4

Specifications of chassis dynamometer

2.3 다양한 실내인증모드

PEMS와 SEMS간의 상관성을 분석하기 위해 수행한 시험 모드는 기존의 경유차 실내인증모드인 NEDC와 새롭게 대체된 WLTC 모드이며 더 많은 조건의 비교분석을 하기 위해 HWFET(고속도로 모드), US06(급가감속 운전패턴 모사 모드)과 같은 모드를 추가로 수행하였다. 또한, WLTC 모드의 경우 냉간 시동 조건과 열간 시동 조건의 시험을 모두 수행하였다. 모드의 주행특성은 Table 5에 요약하였다.

Table 5

Summaries of test modes in laboratory

2.4 RDE 주행 경로

PEMS 장비와 SEMS 장비를 탑재한 실제 도로 주행 시험을 위해 주행 경로는 RDE 규제를 적용하여 한국교통대학교 인근에서 수행하였다. 시험 경로는 도심, 교외, 전용도로 구간으로 구성되며 구간별 주행거리, 주행 점유율, 평균속도, 주행시간 등 규제를 만족하는 것을 확인하였다.⁸⁾

또한, 주행고도에 따른 연구를 진행하기 위해 추가적인 경로인 Local-Road와 UP-DOWN hill에서 연구를 수행하였다.⁹⁾ 이러한 경로의 주행특성을 RDE경로의 도심 구간과 비교하여 주행특성은 Table 6에 요약하였다.

Table 6

Trip summaries of RDE Route and UP-DOWN hill and Local road

본 연구에서는 실제 도로 주행에서 NO_x 배출량의 주요 원인인 가속의 영향을 비교 분석하기 위해 상대가속도(RPA, Relative Positive Acceleration)와 비출력(V×a, Vehicle speed per positive acceleration)으로 정의하였다. 이는 2015년 2^nd Package에 실제 도로 주행 시험의 각 구간은 적절한 가속도와 출력으로 유지되어야 하는 개념을 제시하고 있다.⁸⁾

RDE주행에 있어서 상대가속도는 다음과 같이 계산한다. 먼저 실시간으로 GPS 속도를 취득하고 다음 식으로 주행거리, 가속도 및 비출력을 계산한다.

d_i : distance covered in time step I, [m]
v_i : vehicle speed in time step i, [km/h]
a_i : acceleration in time step i, [m/s²]

위의 차속을 기준으로 도심(v_i ≤60 km/h) 구간에서의 데이터를 식 (4)를 이용하여 주행 구간의 평균차속을 계산한다.

N_k : total number of samples of the urban shares

RDE 시험 시 인위적인 정속주행을 제외한 충분한 실제 도로 주행 시험의 동특성을 충족시키기 위해 주행 구간에서 a_i ≥0.1 m/s² 조건에 해당하는 양의 비출력(v×a_pos) 데이터를 오름차순으로 정렬하고 95 % 백분위 수에 해당하는(v×a_pos)_k 늘 계산한다. 이 값을 WLTC 데이터로부터 산출된 기준비출력과 비교하여 주행상태를 평가한다. 주행 구간별 평균차속으로 계산한 아래의 비출력 조건에 부합하는 경우 주행 시험은 무효한 것으로 판단한다.

한편, 주행 구간의 평균량의 상대가속도인 RPA는 식 (7)을 이용하여 계산하고 WTLC 데이터로부터 산출된 가속도를 기준으로 RDE 시험의 가속 조건을 평가하며, 각 주행 구간의 평균차속으로 계산되는 아래의 조건에 부합하는 경우 RDE 주행 시험은 무효한 것으로 판단한다.

Fig. 2는 위의 식을 기반으로 한국교통대학교 인근 RDE 경로에서 도심 구간과 Local Road에서 SOFT driving과 SEVERE driving 조건에서의 상대가속도와 비출력을 비교하였다.

Fig. 2

Comparisons of driving dynamics(V×a) and RPA

SOFT driving(온순 주행)은 Local Road에서 방지턱을 제외하고 평균속도를 유지하기 때문에, 낮은 상대가속도와 비출력이 확인된다.

SEVERE driving(과격 주행)의 경우 임의의 가⋅감속을 반복하여 시험을 수행하였으며 이때 SOFT driving 평균속도를 동일하게 유지하여 과격한 운전패턴을 반영하였다. 그 결과 상대가속도와 비출력 모두 높게 확인된다.

3.1 PEMS 장비 유량과 OBD 유량의 상관성 분석

SEMS는 유량계가 없으므로 SEMS의 배기가스 유량을 결정하기 위해서 시험차량의 OBD(자가진단 장비) 데이터를 통해 측정한 흡입 공기 유량 및 연료소모량을 통해 산출한 배기 유량을 확인하였다. 또한, PEMS 장비의 유량계에서 취득한 배기 유량 데이터를 비교하여 상관성을 검증하였다.

Fig. 3은 차대동력계에서 WLTC 모드로 상관성 시험 시 시험차량에서 측정한 OBD 데이터로 산출한 배기 유량과 PEMS 장비에서 측정되는 배기가스 유량 상관성 시험의 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프는 선형성을 나타내고 있으며, Pearson 수가 0.9968로 높은 신뢰성을 가지고 있는 것으로 나타났다. RDE 시험도 마찬가지로 위와 같은 OBD를 통한 배기가스 유량을 산출하여 신뢰성을 확인하였다.

Fig. 3

Correlation of air plus fuel flow on OBD signal with exhaust mass flow measured with PEMS

3.2 다양한 실내인증모드에서의 이동식 배기가스 측정 장비(PEMS, SEMS)와 CVS장비 간 상관성 분석

본 연구에서는 실제 도로 주행 시험 전에 PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정된 데이터의 신뢰성을 검증하기 위해 차대동력계와 두 장비를 동시에 측정하여 비교분석하는 상관성 시험을 진행하였다. 총 5회의 상관성 시험을 수행하였으며 분석한 결과와 결과값을 Table 7, Table 8에 정리하였다. 상관성 시험 시 RDE-LDV 규정에서 제시한 NO_x 배출량(g/km) 오차율 허용기준은 허용 %가 15 % 또는 절댓값 허용오차가 ±0.015 g/km 이내를 만족하면 상관성 시험이 유효한 결과를 나타낸다고 정의하고 있다.¹⁰⁾

Table 7

Results of NOx emission

Table 8

Results of correlation tests for NOx emission

Fig. 4는 다양한 실내인증모드에서 차대동력계 기준으로 PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량을 측정하였으며, 절댓값 차이에 따른 상관성 분석 결과를 나타내었다. 동시에 PEMS 장비와 SEMS 장비 간의 NO_x 배출량의 상관성 분석을 진행하였다.

Fig. 4

Correlation of Absolute value NOx emissions on Portable Measurement Equipments(PEMS, SEMS) and CVS equipment in laboratory test

시험결과, SEMS의 NO_x 배출량이 상대적으로 높게 측정되어 차대동력계에서의 NO_x 배출량과 상관성 오차 허용 % 기준을 만족하지 못했지만, 절댓값에 따른 허용오차 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

반면, 급가감속 운전패턴 모사 모드인 US06의 경우SEMS 장비는 상관성 기준을 만족하지 못하는 것을 확인하였다. 급가속 시 SEMS 장비의 NO_x 배출량이 PEMS 장비의 NO_x 배출량을 상회한다. 그 이유로 SEMS 장비의 NO_x 배출량은 과도한 가⋅감속에 따라 증가되면서 범용 NO_x 센서의 측정농도범위를 초과하게 된다. 이때 발생하는 NO_x 배출량의 오류값으로 판단된다. 가감속에 따른 PEMS 장비와 SEMS 장비의 NO_x 배출 특성은 3.3절에서 이어서 전술하였다.

3.3 고도 조건 주행에서 PEMS 장비와 SEMS 장비 상관성 분석

고도 조건 주행에서 PEMS와 SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량의 상관성을 확인하기 위해 UP-DOWN hill Route에서 시험을 수행하였다.

Fig. 5는 고도의 변화에 따른 UP hill(오르막 구간) 4개의 구간과 DOWN hill(내리막 구간) 4개의 구간에서 측정되는 NO_x 배출량(g/km)의 상관성을 분석하였다. 시험결과, UP Hill 구간에서의 두 장비의 NO_x 배출량은 기울기가 1에 매우 가까운 선형성을 보였고 Pearson 수는 0.9967로 높은 상관관계를 가지는 것을 확인하였다. 반면, DOWN Hill 구간은 기울기가 0.640으로 매우 낮은 상관성을 보였다.

Fig. 5

Correlation of NOx emissions between PEMS and SEMS in UP-DOWN hill route

UP hill 구간의 상관성 결과가 낮은 원인을 확인하기 위해 Fig. 6에서 UP hill 구간 중 PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량의 상관성을 실시간으로 비교분석을 하였다.

Fig. 6

Measurement error of NOx emissions of between PEMS and SEMS equipments

시험결과, NO_x 배출량이 많게 측정되는 부분을 제외한 구간의 경우 SEMS 장비가 PEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량보다 현저히 적게 측정되었다. 특히, NO_x 배출량이 최댓값을 나타내는 구간은 SEMS 장비의 NO_x 배출량이 더 높게 측정되었다. 이는 UP hill 구간에서 주로 나타났으며, NO_x 배출량이 급격히 증가하는 경우에 발생하는 것으로 판단된다. 반면, NO_x 배출량이 매우 적은 구간의 경우 SEMS 장비의 NO_x 배출량은 0으로 측정되는 것을 확인하였다.

Fig. 7은 주행시간 경과에 따른 고도변화 및 PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정한 실시간 NO_x 배출량을 나타내었다. 또한, 실시간 엔진 부하가 큰 구간을 나타내었다.

Fig. 7

Comparison of NOx emissions between PEMS and SEMS in UP-DOWN hill route

시험결과, PEMS 장비에서 측정된 NO_x 배출량은 UP hill 구간에서 DOWN hill 구간보다 2.74배 더 높은 수치가 측정되었다. SEMS 장비에서 측정된 NO_x 배출량의 경우 4.92배로 PEMS 장비보다 더 많은 차이가 나타났다.

이를 토대로 UP hill 구간과 DOWN hill 구간에서의 비출력(v×a)과 RPA를 적용하여 두 장비에서 측정되는 NO_x 배출량에 끼치는 영향을 Fig. 9와 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 8은 경사로에서 엔진 부하와 비출력에 따른 두 장비의 NO_x 배출량의 차이를 확인하였으며, Fig. 9는 차량 속도에 따른 상대가속도에서의 NO_x 배출량의 차이를 확인하였다. 빨간 점일수록 NO_x 배출량의 차이가 크고 파란 점일수록 NO_x 배출량의 차이는 적다. 차이는 절댓값으로 계산되어 표현하였으며, SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량이 PEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량보다 높은 경우 색을 채워 나타내었다.

Fig. 8

Effect of vehicle speed per acceleration on NOx emissions between PEMS and SEMS in UP- DOWN hill route

Fig. 9

Effect of vehicle acceleration on NOx emissions between PEMS and SEMS in UP-DOWN hill route

전체적으로 PEMS 장비의 NO_x 배출량이 SEMS 장비의 NO_x 배출량을 상회하였다. UP hill 구간에서 경사도 때문에 저속에서의 높은 RPM이 다수 측정되었으며, 이에 따른 두 장비에서 측정되는 NO_x 배출량의 차이는 증가했다. 또한, Fig. 9에서도 PEMS 장비의 NO_x 배출량이 SEMS 장비의 NO_x 배출량을 상회하였다. DOWN hill 구간에서 정지구간이 없는 것으로 확인하였다. 이러한 이유로 엔진 부하가 UP hill 구간보다 적은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 엔진 부하에 의해서 NO_x 배출량이 급격히 증가할수록 두 장비에서 측정되는 NO_x 배출량의 오차는 증가하는 것을 확인하였다.

하지만, SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량이 PEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량보다 많게 측정되는 구간을 확인하였다. 이러한 결과는 UP hill과 DOWN hill의 커브 길에 따른 가⋅감속이 발생하는 지점에서 엔진 부하로 확인되었다. 가⋅감속 조건에 따른 두 장비 간 NO_x 배출량 분석은 3.3절에서 이어서 전술하였다.

3.4 가⋅감속 주행 조건에서 PEMS 장비와 SEMS 장비 상관성 분석

본 연구에서는 Local road에서 가⋅감속의 영향에 따라 PEMS 장비와 SEMS 장비 간의 NO_x 배출량의 상관성을 분석하기 위해 SOFT driving(온순 주행)과 임의적인 가⋅감속을 반복하여 SEVERE driving(과격 주행) 시험을 수행하였다.

Fig. 10은 Soft driving 조건과 Severe driving 조건에서의 상관성 분석을 수행하였다. SOFT driving에서 두 장비의 NO_x 배출량은 유사하게 측정되었으며, SEVERE driving 조건에서 SEMS 장비의 NO_x 배출량이 기울기가 3.661로 4배 가까이 높게 측정되는 것을 확인하였다. 반면, SOFT driving과 SEVERE driving 조건 모두 결정계수가 0.8976 이상으로 높은 것을 확인하였다.

Fig. 10

Correlation of NOx emissions between PEMS and SEMS in driving pattern

결과적으로 Fig. 11처럼 가⋅감속이 일정 수준을 초과하고 주행 중의 가속이 이루어지는 경우 SEMS 장비의 NO_x 배출량이 증가하였다. 또한, 두 장비 간 NO_x 배출량의 오차는 상관성 결과에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 이는 Amperometric 분석 방법을 적용하는 SEMS 장비는 NO_x 범용 센서를 통해 NO_x를 측정하기 위해 Sample 할 때의 NO_x 배출량의 농도가 급격히 높아지는 과정에서 O₂ 측정범위의 한계로 판단된다.¹¹⁾

Fig. 11

Compared with NOx emissions between PEMS and SEMS (SEVERE condition)

하지만, SEVERE driving 조건의 경우 도심 구간 RDE 시험의 비출력에 비해 4배 이상 차이 나는 이상적인 가혹 주행 조건이다. 따라서 실제 도로 주행과 비출력 및 RPA가 유사한 SOFT driving 조건처럼 SEMS 장비를 RDE 시험에 적용하는 것은 가능할 것으로 판단된다.

3.5 실제 도로 주행 시 PEMS 장비와 SEMS 장비 상관성 분석

본 연구에서는 UP-DOWN hill route와 Local road에서의 결과를 적용하여 RDE 시험을 수행하였다. Fig. 12는 RDE 시험에서의 도심 구간에서의 PEMS 장비와 SEMS 장비의 NO_x 배출량을 실시간으로 상관성 분석을 수행한 결과이다. 두 장비 간 NO_x 배출량의 기울기는 1.022이고 결정계수가 0.9358로 상관성이 높은 것을 확인하였다. 다음 Peak Point 지점은 NO_x 배출량의 최댓값이며, PEMS 장비와 SEMS 장비에서 측정되는 NO_x 배출량의 차이를 확인하였다. 이러한 Peak point를 제거하고 다시 상관성 분석을 수행한 결과, 기울기가 0.9358로 상관성이 다소 낮아지고 결정계수는 0.9679로 높아지는 것을 확인하였다.

Fig. 12

Correlation of NOx emissions between PEMS and SEMS in RDE (Urban)

Fig. 13은 위의 결과를 토대로 RDE의 각 구간을 구분하여 상관성 시험 결과를 나타내었다. 시험은 총 12번 RDE 시험을 수행하였다. Table 9에 각 구간의 상관성 분석 결과를 요약하였다.

Fig. 13

Correlation of NOx emissions between PEMS and SEMS in RDE (12 DATA)

Table 9

Summaries of correlation analysis of NOx emissions according to trip section

시험결과, 도심 구간과 교외 구간의 경우 기울기가 1에 가까우며 결정계수가 0.9 이상으로 매우 높은 상관성을 보이는 것을 확인하였다. 전용도로 구간의 경우 상관성이 매우 낮은 것을 확인하였다. 전용도로 구간의 경우 도심 구간과 교외 구간과 비교하면 가⋅감속하는 구간이 비교적 적기 때문에 NO_x 배출량이 50 ppm 이하로 매우 낮게 측정되었다. PEMS 장비의 평균 NO_x 배출량은 0.006 g/km이고 SEMS 장비의 평균 NO_x 배출량은 0.015 g/km로 측정되었다.

하지만, 두 장비 간 NO_x 배출량의 절대오차는 0.0092 g/km도 상관성 기준을 만족하는 것을 확인하였다. 총 NO_x 배출량의 경우 전용도로 구간의 영향을 받아 기울기가 0.9274로 도심 구간과 교외 구간에 비해 다소 낮지만, 절대오차가 0.0099 g/km도 상관성 기준을 만족하는 것을 확인하였다. 전용도로 구간에서 SEMS 장비의 NO_x 배출량이 다소 높게 측정되는 이유는 PEMS 장비와 달리 Amperometric 분석방법은 NO, NO₂ 이외의 질소산화물이 NO_x 센서 내부에서 O₂를 발생하는 데 그 예로 NH₃가 있다. 식 (10)과 같이 NH₃는 NO가 되어 영향을 NO_x 배출량의 영향을 끼치는 것으로 판단된다.¹²⁾ 하지만 그 영향은 매우 적기 떄문에 SEMS 장비를 RDE 시험에 적용하였을 때 신뢰성을 검증하였다.