초대형차 실제도로 주행 배출가스 시험을 위한 주행경로 개선에 관한 연구

1. 서 론

자동차 배출가스 결함확인검사는 배출가스 저감장치의 보증기간 이내에서 운행 중인 자동차의 배출허용기준 준수 여부를 확인하는 제도이다. 결함확인검사에서 ‘부적합’ 판정을 받은 경우 자동차 제작사는 결함의 원인을 조사하고 무상으로 시정하여야 한다. 이에 자동차 제작사는 배출가스 저감장치의 제어 시스템이 운행차 결함확인검사에서 ‘적합’ 판정을 받을 수 있도록 이를 개발하므로, 이 제도는 제작차 배출허용기준 강화 정책의 실효성을 보완해 줄 수 있는 제도라고 할 수 있다.

국내의 경우 신규 자동차는 대기환경보전법 제46조(제작차의 배출허용기준 등)와 제48조(제작차에 대한 인증)에 따라 배출허용기준을 만족하는 인증시험을 통과해야 한다. 이후 신규 인증된 자동차는 제50조(제작차배출허용기준 검사 등)에 따라 배출가스 보증기간 동안 제작차 배출허용기준에 맞게 성능을 유지하여야 하고, 제51조(결함확인검사 및 결함의 시정)에 따라 배출가스 저감장치의 보증기간 내에 운행 중인 자동차는 배출가스 허용기준에 맞는지 검사를 받아야 한다.^1-3)

이러한 결함확인검사 제도는 소형차의 경우 인증검사 제도와 비슷한 시점에 도입 된 반면, 대형차는 엔진 탈거 후 동력계에서의 시험 등으로 인하여 제도의 적용이 다소 늦게 시작되었다.

다양한 환경조건에서 운전되는 자동차의 인증시험 방법은 제한된 실험실의 차대 또는 엔진동력계에서 시험모드로 시험되기 때문에 실제도로 주행 시의 배출가스 특성 결과와 상당한 차이가 있다. 특히, 대형차는 차량 크기의 문제로 차대동력계 시험이 아닌 엔진동력계 시험으로 인증시험을 수행하여 차량 부품 및 운행 조건이 배출가스에 미치는 영향 평가에 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 이동식 배출가스 측정 장치인 PEMS(Portable Emissions Measurement System)를 이용한 결함확인검사 제도가 미국에서 가장 먼저 도입되었으며, 2000년 PEMS를 활용한 대형차 결함확인검사 제도 도입 계획을 발표한 이후 제작사와 공동연구를 통해 2007년부터 가스상 물질에 대한 NTE(Not-To Exceed) 규제를 시작하였다. 유럽은 유럽집행위원회(EC, European Commission)에서 2003년 대형차 배출가스 결함확인검사에 PEMS 도입 계획을 발표한 후 JRC(Joint Research Center)의 주도로 타당성 연구와 제작사와 공동연구를 진행하였다. 그 결과를 바탕으로 2010년 Euro-VI부터 PEMS를 적용한 결함확인검사 제도 도입을 확정하고, 2013년 1월부터 In-Service Conformity(ISC) 제도가 시행되고 있다.^4-7)

국내에서는 대형차 이상의 차량을 대기환경보전법 시행규칙 제7조(자동차 등의 종류)와 별표 5에 따라 구분하고 있다. 승용 및 화물자동차에서 대형차는 차량 총중량 3.5톤 이상 15톤 미만이고, 초대형자동차는 차량 총중량 15톤 이상으로 구분하고 있다. 국립환경과학원에서는 2012년 국내 대형차의 실도로 주행 평가를 통하여 국내 대형차의 운행 특성 및 기술 수준을 반영한 결함확인검사 규정 개정안을 수립하였으며, 2015년 4차종 20대에 대한 대형차 결함확인검사 시범사업을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 PEMS를 이용한 대형자동차의 결함확인검사를 2016년부터 도입하여 시행하고 있으며, 2020년에 환경부고시(제작자동차 시험검사 및 절차에 관한 규정)의 대형ㆍ초대형 자동차의 실제 도로주행 배출가스 측정방법(제4조의2)을 개정하였다.

본 연구에서는 개정된 대형자동차의 실제도로 주행 배출가스 평가를 위해 환경부고시 제2020-150호에서 제시한 규정을 반영하여 국내 RDE-HDV 주행경로를 개선하고, 초대형자동차의 주행시험을 수행하였다. 또한, 시험 결과 분석을 통하여 개정 전과 후의 주행경로에 따른 초대형차 실제도로 주행 배출가스 특성을 비교하였다.

2. 개정된 RDE-HDV 규정 분석

대형ㆍ초대형 자동차의 결함확인 및 수시검사에 적용되는 실제 도로주행 배출가스 측정방법은 환경부고시 제2020-150호에 의하여 개정되었으며, 별표 10의4에 자세하게 명시하고 있다. 특히, 2021년 1월1일 이후로 시험방법 및 주행경로 설정 등 광범위하게 개정되어 주요 사항들을 정리하고, 개정 전 규정과 비교 분석하여, Table 1에 나타내었다.

Table 1

Highlight of revised RDE-HEV regulation

개정 전 실제도로 주행 시험을 위한 주행경로는 도심, 교외, 고속도로 유형의 구간을 표에 주어진 시간 비율에 맞춰 구성하였다. 반면, 개정 후 주행경로 설정 요건에서 가장 큰 변화는 Table 1의 마.항에서와 같이 도심, 교외, 고속도로 유형의 구간을 연속적으로 순서대로 설정해야 한다는 것이다(Table 1에서 ⓐ, ※ⓐ~ⓓ는 고시에 표시되지 않았으나, 설명의 편의를 위해 저자가 추가한 것임). 여기서 도심 유형은 차속이 50 km/h 미만이고, 교외 유형의 차속은 50 km/h 초과 75 km/h 이하이며, 고속도로 유형의 차속은 75 km/h 초과해야 한다. 또한, 도심 유형에서의 평균 차속(ⓑ)은 15 km/h 이상 30 km/h 이하의 범위 이내여야 하고, 교외 유형에서의 평균 차속은 45 km/h 이상 70 km/h 이하의 범위 이내여야 하며, 고속도로 유형에서의 평균 차속은 70 km/h를 초과해야 한다. 이와 같이 주행경로를 설정하고 실제도로 주행 시험 시 정해진 차속의 범위 내에서 진행되어야 한다고 보완되었다.

Table 1의 사. 기타사항에서 대형ㆍ초대형 자동차의 실제도로 주행 시험의 주행 거리 및 시간에 큰 영향을 미치는 최소 주행시간에 관한 요건의 수정 사항을 나타내었다. 개정 전 최소 주행시간은 시험차량이 WHTC 모드에서 발생하는 총 엔진일의 5배 이상이 되도록 실제도로 주행 시험을 진행하도록 규정하였다. 개정 후 최소 주행시간은 시험차량의 WHTC모드에서 발생하는 총 엔진일의 4배 이상이고 7배 이하에 상응하는 실제도로 주행시험 시간(ⓒ)으로 변경되었다. 이로 인해 일반적으로 3시간 이상 소요되는 대형 및 초대형자동차 실제도로 주행 시험의 총 주행시간을 단축할 수 있을 것으로 판단된다.

별표10의4 중 3.시험절차의 자. 배출가스 결과 분석 및 적합계수 산정에서 제시하는 이동평균계산구간 방법은 실제도로 주행 배출가스 시험에서 측정된 데이터를 계산하는 절차를 명시하고 있다. 측정된 배출가스 데이터에 이동평균계산구간을 설정하여 각 구간에서의 평균 배기가스 배출량(g/kW-hr)을 구한다. 개정 전에는 이동평균계산구간 방법에 의하여 설정된 각 구간을 해당 구간의 평균 엔진출력(kW)이 최대 엔진출력의 20 % 이상인 경우에만 유효한 구간으로 간주하였으며, 이러한 유효평균계산구간에서의 배기가스 평균 배출량을 적합계수 산정에 적용하였다. 또한, 이 유효평균계산구간의 개수는 전체 이동평균계산구간 개수의 50 % 이상이 되어야 했다. 이와 같은 규정은 시험차량의 특성 또는 주행경로 및 운전자의 운전패턴 특성 등의 영향으로 실제도로 주행 시험에서 저출력 운전 영역의 비율이 높은 경우 유효평균계산구간의 비율이 낮아져서(50 % 이하) 시험을 실패(Fail)한 것으로 간주되는 경우도 발생한다. 또한, 재시험 시에는 유효평균계산구간의 비율을 높이기 위하여 주행경로를 확장하여 측정 데이터를 늘리거나 운전자가 인위적으로 운전패턴을 변경하는 경우도 발생한다. 특히, Fig. 1과 같이 저출력에서 높은 NOx 배출 특성을 갖는 시험차량의 경우에는 오히려 실제도로 주행 배출가스 평가가 왜곡될 가능성도 있다. 낮은 평균 엔진출력을 갖는 평균계산구간은 유효하지 않기 때문에 해당 구간의 높은 NOx 배출량은 최종 배출량을 결정하는 적합계수 산정에서 제외되기 때문이다.

Fig. 1

RDE-HDV results(2018) of test vehicle

이와 같은 결과 등의 이유로 개정 후에는 평균계산구간의 평균 엔진출력이 최대 엔진출력의 10 % 이상이면 유효평균계산구간으로 인정(ⓓ)되었다. 이처럼 유효평균계산구간의 범위 확대는 대형자동차 실제도로 주행 시험에서 측정되는 배출가스 데이터의 대부분이 평가 대상이 되기 때문에 시험 대상차량의 배기가스 배출 수준을 더 적합하게 평가 가능하다고 판단된다. 또한, 유효평균계산구간의 확보를 위하여 길게 설정되었던 주행거리를 다소 단축할 수 있는 가능성도 갖고 있다.

한편, 유럽은 초대형화물차의 경우 도심 및 고속도로 유형의 시간 비율을 조정하였다.^8,9) 도심 유형에서의 시간 비율이 기존 20 %에서 30 %로 확대되었으며, 고속도로 유형에서는 기존 55 %에서 45 %로 축소되었다. 이는 초대형화물차의 실제도로 주행경로에서 고속도로 유형이 과도하게 대표하여 구성되었기 때문에 조정이 불가피하였으며 국내에도 적용될 것으로 판단된다.

이처럼 최근 국내외 RDE-HDV 규정을 분석한 결과, 기존 RDE-HDV 주행경로의 도로유형이 순차적(도심→교외→고속도로 순)으로 설정되어 있지 않고, 도심, 교외, 고속도로 구간 비율 조정 등 새로운 대형ㆍ초대형자동차 실제도로 주행 배출가스 시험의 주행경로 개발 필요성이 있다고 판단된다. 전술한 국내외 RDE-HDV 규정을 종합하여 대형ㆍ초대형자동차 실제도로 주행 배출가스 시험평가 및 절차에 적합한 주행경로를 개발하고자 하였다.

3. RDE-HDV 주행경로 개발 및 결과

3.1 RDE-HDV 주행경로 개발

개정된 RDE-HDV 규정 요건을 만족하는 주행경로를 개발하기 위하여 국립환경과학원을 중심으로 수도권을 포함하는 지역을 검토하였다. 특히, 배기가스 샘플링 및 관련 주요변수와 엔진 및 대기조건 관련 측정 데이터의 기록은 엔진 시동 전에 시작되어야하며, 측정된 데이터의 분석은 엔진 시동 후 15분이 경과되기 전에 시작해야 한다. 그러므로 주행경로의 시작점은 국립환경과학원에서 출발하여 수도권을 포함하도록 설계하였다.

먼저, 도심유형 구간은 국립환경과학원을 출발하여 일산대교를 통과하도록 설정하였다. 기존의 도심유형 구간으로 이용되던 국립환경과학원 인근의 아라뱃길은 대형 및 초대형화물차 진입 금지로 인하여 차량 소통이 원할한 특성을 갖는 구간임에도 사용이 불가하게 되었다.

교외유형 구간은 일산대교를 지나 제1자유로로 진입을 하여 임진강역에서 되돌아서 문발IC까지 포함된 경로를 구성하였다. 고속도로유형 구간은 문발IC를 지나 제2자유로로 진입하여 강매IC에서 인천국제공항고속도로로 진입을 하고, 이후 영종도 내에서 되돌아서 청라IC까지로 설정하였다. 물론 대형자동차 실제도로 주행 배출가스 시험의 특성상 주행거리의 추가가 필요한 경우에는 고속도로유형의 구간에서 인천국제공항고속도로의 반복이 가능하다.

Fig. 2

Map of RDE-HDV route(new)

3.2 개발된 RDE-HDV 주행경로 특성 분석

초대형자동차(N3 type)를 선정하여 국립환경과학원에서 기존에 사용하던 RDE-HDV(Old) 주행경로와 개발한 RDE-HDV(New) 주행경로에서 실제도로 주행 배출가스 시험을 진행하였다. 시험 차량에는 배기량은 12.8 L, 최대출력 375 kW인 엔진이 탑재되었고, WHTC 주행 모드 운전시 발생하는 엔진일(기준 일)은 35 kW-hr였으며, 이에 대한 내용은 Table 2에 정리하였다.

Table 2

Specifications of the test vehicle and engine

Table 3에 나타낸 바와 같이, 기존의 RDE- HDV(Old) 주행경로의 이동거리는 약 180 km이며, 도심, 교외 및 고속도로 유형 구간의 각 주행거리는 약 11.7 km, 40.4 km, 128.4 km였다. 평균 주행 점유율은 각 24.3 %, 23.0 % 및 52.7 %인 것으로 분석되어 개정 전의 RDE-HDV 주행거리 요건과 주행구간 점유율 요건(±5 %)을 모두 만족하였다. 또한 이 경로에서 수행한 총 시험시간은 약 3시간이 소요되었고, 도심, 교외 및 전용도로 구간에서 시험차량은 각 16.3 km/h, 59.4 km/h 및 82.5 km/h의 평균 차량속도로 주행되어 개정 전의 각 도로유형에 따른 평균 차량속도 조건을 만족하였다.

Table 3

Trip summary of RDE-HDV(old)

Table 4에 요약한 RDE-HDV(New) 주행경로는 동일한 시험차량으로 주행시험을 수행하였으며, 총 주행거리는 기존의 주행거리보다 다소 단축된 162.5 km이다. 도로유형별 주행거리는 각 도심 24.1 km, 교외 49.4 km, 고속도로 89.0 km로 주행되었으며, 주행점유율은 각각 도심 34.0 %, 교외 25.7 %, 고속도로 40.3 %로 나타나 개정된 국내 RDE-HDV 규정의 경로요건에서는 다소 벗어나지만, 인천국제공항고속도로로 구성되어 있는 고속도로 구간의 주행거리를 추가하여 보완이 가능하다. 한편, 국내에 도입될 것으로 예측되는 유럽의 초대형화물차 도로 유형별 주행점유율 기준인 도심 30 %, 교외 25 %, 고속도로 45 %에는 적합한 것으로 판단할 수 있다. 각 도로유형별 구간의 평균 차량속도는 도심 22.8 km/h, 교외 61.7 km/h, 고속도로 70.8 km/h로 주행되었으며, 총 주행시간은 약 3시간이 소요되었다.

Table 4

Trip summary of RDE-HDV(new)

본 연구에서 개발한 RDE-HDV(New) 주행경로와 기존의 주행경로의 특성을 분석하기 위하여 두 주행경로에서 나타나는 차량속도(km/h)와 순간 NOx 배출량(g/s)를 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. 두 가지 RDE-HDV 주행경로의 가장 큰 차이점은 주행경로의 순서이다. 새롭게 개발한 주행경로(New)는 도심→교외→고속도로 유형 구간을 순차적으로 진행한 반면, 기존 주행도로(Old)에서는 도심, 교외, 고속도로 유형의 구간들이 규정에서 정해진 점유율은 만족하지만 순서는 고려되지 않았다.

Fig. 3

Vehicle speed profiles of RDE-HDV old & new routes

이러한 주행경로를 도로유형별 순차적으로 구성하는 요건은 측정된 데이터를 평균계산구간 방법을 적용할 때 Fig. 4와 같은 특성을 보이게 된다.

Fig. 4

Averaging windows vehicle speed of RDE-HDV old & new routes

평균계산구간 방법은 기준값이 되는 시험차량의 WHTC 모드에서 소요되는 출력일(kW-h)에 상응하는 데이터 구간을 설정하고 각 측정 변수의 평균값을 계산한다. 이후 샘플링 주기(1 Hz)만큼 이동하면서 평균계산구간을 설정하게 된다. 그러므로 도로유형별 구간을 순차적으로 구성하지 않는 경우에는 고속도로 유형에서 도심 유형으로 변화하는 구간의 데이터를 평균계산구간 방법으로 변환할 때 도심유형의 특성이 Fig. 4와 같이 충분히 반영되지 못한다. 그 결과 기존 RDE-HDV 주행경로에서 각 평균계산구간의 평균 차량속도는 약 40 km/h에서 약 90 km/h로 그 범위가 좁게 평가되며, 교외 및 고속도로 유형 구간의 특성이 다소 과대평가된다. 반면, 각 도로유형을 순차적으로 구성한 새로운 RDE-HDV 주행경로는 평균계산구간이 각 도로유형에 따라 순차적으로 설정이 되기 때문에 평균 차량속도가 약 20 km/h부터 약 90 km/h까지 범위로 확대되어 각 도로유형에 따른 특성이 충분히 고려되는 결과를 보였다.

Fig. 5와 Fig. 6에 각 주행경로에서 시험한 평균계산구간의 평균 엔진출력(최대출력과의 비율, %)에 따른 평균 NOx 배출 특성을 나타내었다. 기존의 주행경로에서의 최종 변환된 평균계산구간에 따른 평균 NOx 배출 특성을 보면 평균 엔진출력비가 20 % 이상인 구간이 전체 평균계산구간 중에 94 % 이상을 점유한다. 이는 도심유형 구간에서 저속ㆍ저부하 영역의 NOx 배출량 특성을 반영하기 어려운 한계를 갖는다. 반면, 새롭게 개발된 주행경로에서는 평균 엔진출력비가 20 % 이하 저속ㆍ저부하 영역의 평균 NOx 배출량도 반영이 되기 때문에 각 도로유형별 배출특성을 충분하게 나타낼 수 있다. Fig. 6에서 평균 엔진 출력비 10 % 이상에서 주행 영역의 100 %가 반영되고 있음을 확인할 수 있다. 이처럼 개정된 초대형자동차의 실제도로 주행 배출가스 시험의 규정에 적합하게 개발한 주행경로에서 시험한 측정 데이터는 대부분 유효평균계산구간에 반영되었다.

Fig. 5

Averaging windows NOx emissions of RDE-HDV (old) route

Fig. 6

Averaging windows NOx emissions of RDE-HDV (new) route

Fig. 7은 유효평균계산구간의 엔진 출력일 당 NOx 배출량(g/kW-h)을 인증 시 적용되는 NOx 배출 허용기준(g/kW-h)의 비율로 적합계수(Conformity factor, C.F)를 계산하여 오름차순으로 정렬한 것이다. 특히, Fig. 7(b)에서는 개정 후 유효평균계산구간을 평균 엔진출력 20 % 이상에서 10 % 이상으로 확대 정의한 특성을 확인할 수 있다. 최종 평가 결과는 누적비율 90 %에 해당하는 적합계수를 산출하여 인증 시에 적용된 배출허용기준 값(g/kW-h)을 곱하여 결정한다. 그 결과 누적비율 90 %에 해당하는 적합계수(C.F) 값은 기존 주행경로(Old)에서 2.7 (1.242 g/kW-hr), 개발된 주행경로(New)에서는 3.8 (1.748 g/kW-hr)을 나타내었다. Fig. 7과 같이 각 도로유형의 특성이 반영 가능한 새로운 RDE-HDV 주행경로에서 시험한 데이터를 확대된 유효평균 계산구간으로 적용하면 도심유형 구간의 저속ㆍ저부하 영역 등의 결과가 반영(Figs. 5~6)되어 시험차량의 배출특성을 적합하게 평가될 수 있다.

Fig. 7

Result of conformity factor(C.F) in RDE-HDV (a) old and (b) new routes

4. 결 론

본 연구에서는 초대형자동차의 실제도로 주행 배출가스 평가 시험을 위하여 개정된 규정을 만족하는 RDE-HDV 주행경로를 개발하여 초대형 시험차량으로 주행시험을 수행하여 주행특성을 평가하였다. 개정 전후의 RDE-HDV 규정 및 주행경로의 특성을 비교 분석하였으며, 본 연구의 결론을 다음과 같이 요약하였다.

• 1) 개정 전 실제도로 주행 시험을 위한 주행경로는 도심, 교외, 고속도로 유형의 구간을 주어진 시간 비율에 맞춰 구성한 반면, 개정 후 주행경로 설정의 요건에서 가장 큰 변화는 도심, 교외, 고속도로 유형의 구간을 연속적으로 순서대로 설정하는 것이다. 이에 개발한 RDE-HDV 주행경로는 도심, 교외, 고속도로 유형 구간을 순차적으로 구성하였다.
• 2) 개정된 평균계산구간의 평균 엔진출력은 최대 엔진출력의 10 % 이상이면 유효평균계산구간으로 인정되어 그 범위가 확대되었다. 이는 대형자동차 실제도로 주행 시험에서 측정되는 배출가스 데이터의 대부분이 평가 대상이 되기 때문에 시험 대상차량의 배기가스 배출 수준을 더 적합하게 평가 가능하다고 판단된다.
• 3) 개정된 규정에 맞춰 개발한 주행경로에서는 평균 엔진출력비가 20 % 이하 저속ㆍ저부하 영역의 평균 NOx 배출량도 충분히 반영이 되어 각 도로유형별 배출특성을 적합하게 평가된다.
• 4) 각 도로유형의 특성이 반영된 RDE-HDV 주행경로는 시험 데이터가 확대된 유효평균계산구간으로 적용되어 각 유형 구간의 시험차량 배출특성을 평가 가능하게 한다.

Acknowledgments

이 논문은 국립환경과학원 교통환경연구소의 연구용역사업(‘대형차 실도로 주행시 배출가스 저감기술 평가’)과 한국연구재단 중견연구자지원사업(2019R1A2C1089494), 전남대학교 연구년교수 연구비(과제번호: 2020-3764) 지원으로 수행되었습니다. 지원 기관에 감사드립니다.

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