The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26 , No. 5

[ Article ]
Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 4, pp.521-532
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jun 2018
Received 29 Dec 2017 Revised 27 Feb 2018 Accepted 19 Apr 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.4.521

운전 변수에 따른 NOx 배출량 상관성 분석 : 사례분석: 운행차 검사모드 및 실도로 주행
김승열1, 3) ; 최동환1) ; 김보영1) ; 김종우2) ; 이진욱*, 3)
1)한국산업기술시험원 환경기술본부
2)인하공업전문대학 자동차과
3)숭실대학교 기계공학과

Correlation Analysis of NOx Emission and Driving Parameters : Case Study: In-used Car Inspection Mode and Real Road Driving
Sunglyul Kim1, 3) ; Donghwan Choi1) ; Boyoung Kim1) ; Jongwoo Kim2) ; Jinwook Lee*, 3)
1)Department of Environment Technology, Korea Testing Laboratory, 87 Digital-ro 26-gil, Guro-gu, Seoul 08389, Korea
2)Department of Automotive Engineering, Inha Technical College, Incheon 22212, Korea
3)The Graduate School, Department of Mechanical, Soongsil University, Seoul 06978, Korea
Correspondence to : *E-mail: immanuel@ssu.ac.kr


*This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
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Abstract

This is a precedent study for the development of real road driving mode that has a similar NOx emission trend to that of the KD-147 test mode, which is a vehicle periodic test mode in Korea. The vehicle specific power, acceleration, and velocity were defined as driving parameters that have a significantly high effect on NOx emission, and the correlation between each parameter and NOx emission were analyzed. In the case of acceleration and velocity, we tried to analyze the independent effect of each parameter on NOx emissions by adjusting another driving parameter. Experimental results show that the defined driving parameters have a significant correlation with NOx emissions and several guidances of real road driving mode were proposed in order to yield similar NOx emission results of the KD-147 test mode based on the results of the study.


Keywords: Correlation analysis, NOx emission, Driving parameter, KD-147 test mode, Real road driving
키워드: 상관성 분석, 질소산화물 배출량, 운전 변수, 한국형 운행 경유차 시험 검사 모드, 실도로 주행

1. 서 론

국내 자동차 총 등록대수는 2017년 9월 기준으로 약 2,200만 대이며, 이 중 디젤 차량은 우수한 연비와 양호한 주행성능에 따른 선호도 증가 덕분에 지속적으로 증가하여 전체의 약 43.3 %(약 950만 대)을 차지하고 있다. 그러나 디젤 연소특성으로 인해 단위 연료 사용량 당 입자상물질 및 질소산화물의 배출량이 높아 차량에서 기인하는 대기오염 비중에 상당한 영향을 미친다. 또한 노후 디젤 엔진의 높은 대기오염 배출 경향을 감안하여 운행차 정밀검사를 통한 현실적인 디젤 차량의 배출가스 규제가 시행되고 있다.1) 현재 국내 중소형 경유 운행차의 경우 실도로 주행에 따른 배출가스 배출 경향을 모사하는 한국형 경유검사 방식인 KD-147 모드를 통해 배출가스 규제가 실시되고 있으며, 현재 단일 규제항목으로서 매연 검사만 진행되고 있으나 향후 질소산화물(NOx)에 대해서도 추가적으로 규제가 시행될 예정이다.

중소형 경유 차량은 관련 고시에 명시된 주행 방법에 따라 총 147초 동안 가속과 감속을 반복하여야 하는 가변모드(Transient mode) 방식의 검사(KD-147 모드)를 받아야 한다. 또한 차량마다 상이한 관성중량을 반영하여 도로 부하마력이 차별적으로 적용되어야 하며 가변적인 도로 부하마력을 인가하여야 하므로 이를 위해 차대동력계(Chassis dynamometer)가 필요하다. 그러나 해당 장비의 구매 및 설치에는 상당한 비용이 들기 때문에 일반 정비소 수준에서는 정밀검사 부적합 판정을 받은 차량에 대한 배출가스 시스템 정비 후 배출가스 저감 개선 효과를 즉각적으로 확인하기에는 제한사항이 많다. 이러한 측면에서 정비 후 차량에 이동식 배출가스 측정기를 장착하여 실도로 주행을 통해 정밀검사 적합 여부를 예측하는 도로 주행 방법의 개발이 여러 장점을 가진다고 할 수 있다. 이를 위해 KD-147 검사 모드의 배출 경향을 높은 상관도로 모사할 수 있는 실도로 주행 모드가 필요하나 도로 주행의 경우 잦은 가속 및 감속, 낮은 평균 속도 등 정형화된 시험 모드와 차이점으로 인해 배출특성이 상이하므로 상관관계에 대한 선행연구가 필요하다.2) 우선 KD-147 모드 특성 분석과 동시에 배출량에 높은 영향을 미치는 운전 변수를 선정한 후 해당 변수들과 배출량 측정값 간의 상관성 분석이 필요하며, 해당 상관성 자료를 토대로 차대동력계 주행 모드를 모사할 수 있는 실도로 주행 가이드를 정할 수 있다.3)

차대동력계 상의 주행모드는 시간에 대한 속도 곡선으로 구성되므로 속도와 가속도에 의해 특정된다고 할 수 있다. 일부 연구들에서는 대형 차량의 배출가스 배출량을 차량 속도와 가속도의 값으로 정의된 차량 활동(Activity)과 높은 상관관계를 가진다고 가정하여 해당 변수들 간의 상관관계를 분석하였다.4,5) 나아가 차량 비출력(Vehicle specific power: VSP)은 엔진 부하와 직접적으로 연관되어 있는 운전 변수로서 속도와 차량 별 등가관성중량은 물론 주행저항계수, 공기저항계수, 도로 구배(Gradient)를 반영한 배출가스 배출 경향을 예측할 수 있다는 장점이 있다.6) 이러한 특성을 바탕으로 실도로 주행 시 구간별 평균 비출력을 계산하여 해당 값이 주행 시 발생되는 실제 배출가스 배출량과의 상관성을 분석하는 연구들 또한 수행되었다.3,7-9) 언급된 연구들의 공통 목적은 실도로 주행을 통해 연비 혹은 배출가스 배출량과 높은 상관관계를 가지는 운전 변수를 도출하여 이를 차대동력계 운전 모드로 구현하는데 활용하는 것이다. 실제로 이러한 과정에 의해 목적성이 있는 도로 주행 모드가 개발되고 있다. 권철홍 등은 상관 분석을 통해 평균 주행시간, 가속에너지, 감속거리율을 연비와 상관성이 높은 변수로 정의하고 시내 주행 시 해당 변수의 특성을 추종할 수 있는 동력계 주행 모드를 구현하는데 활용하였다.3) Ho 등10)은 싱가포르의 대표적인 중심도로들을 선정하여 도로 종류 별 비율, 주행 시간 및 거리, 교통 상황 등에 따른 실도로 주행을 통한 데이터 취득 후 평균값을 활용하여 기존 시험 모드에 비해 배출량과 연비를 보다 현실적으로 예측할 수 있는 검사모드(SDC: Singapore Driving Cycle)를 구현하고자 하였다. 미 환경청(EPA)은 육상용 엔진에서 비육상용 엔진에 이르기까지 이동 배출원에 대한 포괄적 배출량 모델(MOVES) 개발 과정에서 비출력을 배출가스 배출량과 높은 상관관계를 가지는 변수로 가정하여 예측 모델을 개발하였다.11)

연구에서는 이전 연구들과는 반대로 KD-147 검사 모드의 주요 특성을 추종할 수 있는 실도로 주행 조건을 연구 하고자 하며, 이를 위해 KD-147모드 및 실도로 주행 시 운전 변수들에 따른 질소산화물 배출량의 상관성 분석을 진행하였다. 이전 연구들을 참조하여 비출력, 가속도, 속도를 질소산화물 배출량과 높은 상관성을 가지는 변수로서 가정하였다. 연구를 통해 목적 실도로 주행모드 구현 과정에서 주행 경로 및 운전 가이드라인 선정에 도움을 주고자 하며, 궁극적으로 일반 정비소에서도 정비 후 간이 이동식 배출가스 측정 장비를 탑재한 차량의 실도로 주행을 통해 정밀검사 합격 여부 예측을 가능하게 하고자 한다.


2. 연구 방법
2.1 시험 계획

선정 운전 변수들이 질소산화물 배출량에 미치는 독립적인 영향을 파악함과 동시에 질소산화물 배출이 높게 발생하는 운전구간 파악하여 연구 결과를 실도로주행 시 KD-147모드와 유사한 결과를 산출하기 위한 운전 가이드라인으로 활용하는 것을 주요 목적으로 한다. 우선 차대동력계 상에서 KD-147 모드의 실차시험을 통해 속도, 가속도, 비출력에 따른 질소산화물 배출량의 상관관계를 분석하였다. 또한 동일 차량을 이용한 실도로 주행시험을 통해 실도로 주행 시의 운전 특성에 따른 운전 변수들과 질소산화물 배출량 간의 상관성을 분석함과 동시에 실도로 주행을 통한 차대동력계 시험 결과 모사의 타당성을 검토하고자 하였다. 시험 차량은 Table 1과 같이 유사한 제원의 중소형 경유 SUV 차량으로 선정하였다. 시험 차량은 현재 가장 많이 운행되는 Euro V 배출가스 기준이 적용된 차량으로 선정하였으며 공통적으로 디젤 산화 촉매장치(Diesel oxidation catalyst: DOC) 및 매연 후처리장치(Diesel particular filter: DPF) 기술이 적용된 차량이다. 또한 차량 연식 및 주행 거리가 유사한 차량을 사용함으로써 엔진 노후화에 따른 배출가스 배출량 증가에 의한 오차를 최소화 하고자 하였다.

Table 1 
Specifications of testing vehicle
A B C D
Equivalent inertia mass (kg) 1,800 1,579 2,137 1,853
Production year 2012 2014 2015 2015
Applied emission standard Euro V Euro V Euro VI Euro VI
Vehicle-mile (km) 66,000 56,000 42,000 35,000
Exhaust gas treatment system DOC, DPF DOC, DPF LNT, DPF LNT, DPF
Driving system 2-WD
(FF)
2-WD
(FF)
2-WD
(FF)
2-WD
(FF)
Transmission AT AT AT AT

2.2 차대동력계 주행 시험
2.2.1 시험 장비 및 시험 조건

KD-147모드 시험을 위한 차대동력계 및 데이터 취득 장치 구성을 Fig. 1에 나타내었다. 차대동력계는 독일 Maha사의 2-WD용 EC 동력계로서 최대 측정마력 200마력의 트윈롤(Twin roll, D=215 mm) 형식이다. 배출가스 측정은 Maha사의 이동식 고정밀배출가스 측정 장비인 Met6.3 모델을 이용하였다. 차량 전면에서 송풍장치를 이용하여 적절한 송풍을 실시하였으며, 취득 데이터는 데이터 취득 장치를 통해 실시간으로 확인할 수 있도록 하였다. 사용한 차대동력계는 이륜 구동방식 차량용 동력계이므로 시험 차량은 이륜 구동방식으로 한정하였으며, 자동변속 차량을 선정하였다. 공조를 통한 실내 온도와 압력(25 °C, 대기압 조건)을 유지하였으며 동일한 탑승자에 의한 운전을 시행하였다.


Fig. 1 
Data acquisition system, chassis dynamometer and additional equipments for the KD-147 mode driving

2.2.2 시험 방법

1) KD-147 모드

중소형 운행차 정밀검사를 위한 KD-147모드는 한국형 경유차 정밀검사 모드로서 차량에 따른 기준 관성중량에 따라 도로 부하(Road load) 마력을 설정한 다음 Fig. 2와 같이 특정 속도 곡선을 따라 가속, 감속을 반복하며 배출가스를 측정하는 방식으로 진행된다. 도로 부하의 경우 도로 구배, 차량에 따른 도로 및 공기 저항계수 등의 영향이 포함되어야 하나 KD-147 모드의 경우 간략한 검사를 위해 차량의 관성 중량에 따른 도로 저항만을 반영하는 특성이 있다. 최대 속도는 83.5 km/h이나 모드 간 정지구간이 없기 때문에 평균 속도는 약 53 km/h로서 일반적인 제작차 인증모드에 비해 높은 부하가 인가된다. 최대, 최소 가속도는 각각 1.5 m/s2, -1.58 m/s2로서 실도로 주행에 비해 비교적 온화한 운전이 진행되는 특성이 있으나 운전 허용오차 한계에 근접하는 운전 시 순간적으로 이보다 높은 가속 혹은 감속이 이루어질 수 있다.


Fig. 2 
Velocity and acceleration profiles of KD-147 mode

2) KD-147 모드 시험 계획

제 정밀검사 시험 시 냉간 시동(Cold start)에 의한 다량의 배출가스 발생 효과를 제거하기 위해 50±6.2 km/h의 속도에서 40초 간 예열(Preheating)을 진행한다. 실차 시험 전에도 이에 상응하는 예열을 시행하였다. 모든 시험모드 주행은 동일 운전자를 통해 수행하였으며 운전 허용오차는 규정된 시간 1초 이내의 속도 곡선 상 속도의 ±3.2 km/h로 제한하였다. 차량 운행에 직접적으로 필요하지 않은 엔진 보기류(Auxiliary)는 작동하지 않았다.

2.3 실도로 주행 시험
2.3.1 시험 장비

1) 데이터 취득 장치

실도로 주행 간 데이터 취득은 Fig. 3과 같이 차량에 차대동력계 시험 시 사용한 동일 모델의 고정밀 배출가스 측정기(Met 6.3 model, Maha)를 탑재하여 실시하였다. 차량 운행조건 파악을 위해 OBD(On-board diagnostics) 커넥터에 스캐너를 연결하였으며 질소산화물 측정을 위해 차량 배기구로부터 배출가스 일부를 채취하여 휴대용 배출가스 분석기로 실시간 분석하였으며 결과는 노트북으로 실시간 전송하여 확인 및 저장하였다. 데이터 취득 장치의 안정적인 전원 공급을 위해 DC/AC 인버터를 사용하였다. 분석 시스템을 통해 실시간으로 배출가스 내 질소산화물 농도 이외에도 차량 속도, 가속도, 엔진 분당 회전수(RPM), 공기 포지션 센서(Air position sensor: APS), 공기 유량 정보를 취득하여 보다 정확한 분석을 실시하고자 하였다.


Fig. 3 
Data acquisition system for the real road driving

2) 시험 차량 및 시험 조건

실도로 주행의 경우 Table 1에 제시된 세 대의 차량을 이용하여 시험을 실시하였다. 일반적인 도로 상황을 가정한 KD-147모드와 유사한 조건에서 실험을 진행하기 위해 유사한 온, 습도 조건을 나타내는 맑은 날 시험을 진행하였으며 높은 습도, 낮은 기압 등의 특이 기후 조건에 의한 영향을 최대한 배제하고자 하였다.

2.3.2 시험 방법

1) 실도로 주행로

주행로 선정기준은 도로 기울기를 반영하지 않는 KD-147모드를 고려하여 도로 구배가 낮고, 해당 시험모드의 최대 속도와 부하 조건을 재현하기 위해 교통 혼잡도가 낮을 조건이다. 이를 위해 Fig. 4와 같이 인천광역시 연수구 소재 왕복 8차선 비류대로를 주행로로서 선정하였다. 다만 해당 주행로의 총 거리는 1 km이므로 왕복을 통해 총 주행거리 약 2.1 km인 KD-147모드를 모사하고자 하였다.


Fig. 4 
Testing road for real road driving

2) 주행 방법

주행 데이터는 Fig. 4에 표시된 약 1 km 주행 구간을 반복 주행하면서 취득하였다. 우선 Fig. 2의 KD-147 모드 중속 구간(40 km/h 부근)과 고속 주행 구간(70 km/h 이상)의 운전 패턴은 필수적으로 반영할 수 있도록 운전하여 유사한 결과를 도출하고자 하였다. KD-147모드 주행 시 최대 83.5 km/h까지 가속하며 해당 운전 지점에서 질소산화물 배출량이 상당히 높아지므로 최소 80 km/h 이상의 속도로 주행하는 구간이 필수적으로 포함될 수 있도록 운전하였으며, 최대한 교통 흐름에 방해 받지 않으면서 KD-147모드와 유사한 가, 감속 특성을 모사하고자 하였다. 다만 왕복주행을 위한 유턴이나 주행로 끝 부분의 신호대기 등으로 인한 서행 혹은 정차 운행이 불가피하게 존재하였다.


Fig. 5 
Correlation analysis between VSP and NOx emission


3. 연구 결과

서론에서 선정한 각 운전 변수들의 변화가 목적 변수인 질소산화물 배출량에 미치는 상관성 파악을 주요 목적으로 하였다. 이를 위해 차대동력계 실험 두 가지 사례 및 실도로 주행 시험 세 가지 사례의 실험 결과에 대해 식 (1)(2)를 이용한 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 통해 상관성분석을 실시하였다.

ρX,Y=covX,YσXσY(1) 
covX,Y=EX-μXY-μYσXσY(2) 

각 실험 사례의 전 구간에 대한 상관성 계수를 계산함과 동시에 차량 운행에 직접 관여하는 구간(가속, acc.)과 관여하지 않는 구간(감속, deacc.)을 구분하여 피어슨 상관계수를 추가적으로 계산함으로써 동력 전달 여부에 따른 질소산화물 배출량과 각 운전 변수 간 상관성 특성을 분석할 수 있도록 하였다. Table 2를 통해 모든 결과를 확인할 수 있으며 각 변수들이 가지는 의미를 다음 장에서 설명하였다. 설명에 있어 다른 운전 변수가 간섭 효과(Interference effect)를 주고 있는 경우, 간섭 기여도가 큰 다른 운전 변수를 통제한 결과를 산출하여 개별 운전 변수의 질소산화물 배출량에 대한 독립적인 영향을 분석하고자 하였다.

Table 2 
Pearson correlation coefficients between each driving parameter and NOx emission
Vehicle A KD(total) KD(acc.) KD(deacc.) RD(total) RD(acc.) RD(deacc.)
ρNOx,VSP 0.609 0.581 0.543 0.645 0.768 0.111
ρNOx,ACC 0.399 0.186 0.524 0.490 0.616 0.222
ρNOx,VEL 0.666 0.659 0.937 0.388 0.507 0.244
ρNOx,RPM 0.492 0.434 0.469 0.691 0.732 0.340
Vehicle B KD(total) KD(acc.) KD(deacc.) RD(total) RD(acc.) RD(deacc.)
ρNOx,VSP 0.664 0.487 0.314 0.377 0.555 -0.138
ρNOx,ACC 0.627 0.267 0.586 0.247 0.256 0.201
ρNOx,VEL 0.441 0.370 0.499 0.529 0.538 0.514
ρNOx,RPM 0.632 0.354 0.772 0.527 0.529 0.470
Vehicle C KD(total) KD(acc.) KD(deacc.) RD(total) RD(acc.) RD(deacc.)
ρNOx,VSP 0.426 0.403 0.528 0.384 0.700 -0.402
ρNOx,ACC 0.267 -0.159 0.643 0.191 0.281 -0.030
ρNOx,VEL 0.743 0.759 0.786 0.723 0.736 0.701
ρNOx,RPM 0.501 0.332 0.549 0.624 0.618 0.646
Vehicle D KD(total) KD(acc.) KD(deacc.) RD(total) RD(acc.) RD(deacc.)
ρNOx,VSP 0.738 0.619 0.669 0.403 0.625 -0.247
ρNOx,ACC 0.642 0.120 0.822 0.255 0.263 0.090
ρNOx,VEL 0.477 0.505 0.700 0.699 0.745 0.732
ρNOx,RPM 0.544 0.299 0.696 0.705 0.713 0.619

3.1 비출력

비출력을 통해 주행 시 엔진에 실질적으로 요구되는 출력을 계산할 수 있으며 엔진 출력은 배기가스 배출량과 직접적인 상관관계를 가지므로 질소산화물 배출량과 상관도가 큰 변수라고 할 수 있다. 비출력의 산출 공식은 경험 계수(Empirical coefficient)를 이용한 몇 가지 공식이 제시되어 있으나 본 연구에서는 Frey의 연구에서 제안된 식 (3)을 이용하여 비출력을 계산하였다.6) 구름 저항 계수(ψ) 및 공력 저항 계수(ζ)는 해당 연구에서 제시된 경량자동차에 범용적으로 사용할 수 있는 값을 사용하였다.

VSP=v×C×a×g×sinθ+ψ+ζ×v3(3) 

Table 2를 통해 KD-147의 경우 모든 사례에서 비출력과 질소산화물 간 피어슨 상관계수 0.4 이상의 유의한 양의 상관관계가 확인되었다. Fig. 2를 통해 확인할 수 있는 사실과 같이 KD-147 모드의 경우 정차 구간 없이 지속적이고 완만한 출력변화가 필요한 운전 영역으로 구성되어 있다. 그 결과 출력변화에 따른 질소산화물 배출량 변화에 필요한 응답시간이 충분히 확보되어 가속 구간(평균 0.52) 뿐만 아니라 감속 구간(평균 0.51)에서도 평균 0.5 이상의 양호한 상관계수가 확보될 수 있었다. 그러나 실도로 주행의 경우 양의 상관관계가 뚜렷한 가속영역(평균 0.66)에 비해 감속영역(평균 -0.17)에서는 오히려 음의 상관관계가 확인되었다. 이는 급정거가 잦은 실도로 주행의 특성상, 급정거에 따른 즉각적인 비출력 변화에 비해 질소산화물 배출량의 경우 일정 시간 경과 후에 감소하는 특성이 있기 때문이다. 이러한 응답속도 차이로 인해 감속 영역에서는 음의 상관관계가 발생하여 전체 운전 영역의 상관계수가 낮아졌다. 또한 비출력의 대부분이 차량 운동에 사용되는 KD-147모드와는 달리 실도로 주행의 경우 정차 및 서행 구간이 잦으며 이러한 특정되지 않은 가속 및 감속 특성 또한 상관성을 악화시키는 요인으로 작용한다. 반면 실도로 주행의 경우 시속 60 km 이상 고속구간에서도 1 m/s2 이상의 급가속을 한 경우가 잦아 비출력이 높은 지점이 비교적 많으며 해당 운전 지점에서 질소산화물과 비출력 간 상관성이 높아 가속영역에서는 KD-147모드 주행에 비해 높은 상관성이 나타남을 확인할 수 있었다.

3.2 가속도

가속도의 경우 엔진 부하의 변화와 직접적인 관계가 있어 Fig. 6을 통해 알 수 있듯이 질소산화물 배출량과 뚜렷한 양의 상관관계를 가지나, 엔진 부하는 속도와도 연관되어 결정되기 때문에 속도에 의한 간섭효과를 배제한 독립적인 분석이 필요하다.12) 이를 위해 속도 구간을 대표적인 다섯 구간(각 1: 0~20 km/h, 2: 20~40 km/h, 3: 40~60 km/h, 4: 60~80 km/h, 5: 80~100 km/h)으로 나누어 가속도와 질소산화물 배출량 간 피어슨 상관계수를 계산하여 Table 3에 나타내었으며 이와 동시에 KD-147 모드 주행 및 실도로 주행의 각 속도 별 상관계수 평균값을 나타내었다.


Fig. 6 
Correlation analysis between acceleration and NOx emission


Fig. 7 
Correlation analysis between velocity and NOx emission

Table 3 
Pearson correlation coefficients between acceleration and NOx emission in different velocity interval
Vehicle A KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,ACC ,1 0.489 8.7 0.264 46.1
ρNOx,ACC,2 0.780 39.8 0.543 10.5
ρNOx,ACC,3 0.509 31.0 0.511 25.1
ρNOx,ACC,4 -0.594 20.5 0.888 12.2
ρNOx,ACC,5 - - 0.712 6.1
Vehicle B KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,ACC,1 0.964 7.5 0.293 30.0
ρNOx,ACC,2 0.752 27.5 0.494 13.6
ρNOx,ACC,3 0.853 19.5 0.392 25.2
ρNOx,ACC,4 0.685 31.0 0.380 23.6
ρNOx,ACC,5 0.151 14.5 0.470 7.6
Vehicle C KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,ACC,1 0.850 9.2 -0.050 33.8
ρNOx,ACC,2 0.515 25.9 0.261 27.0
ρNOx,ACC,3 0.390 20.5 0.451 26.4
ρNOx,ACC,4 0.678 23.2 0.474 7.3
ρNOx,ACC,5 0.179 21.2 0.818 5.5
Vehicle D KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,ACC,1 0.831 8.5 0.243 47.0
ρNOx,ACC,2 0.927 23.6 0.398 10.9
ρNOx,ACC,3 0.800 23.9 0.441 28.5
ρNOx,ACC,4 0.748 25.6 0.711 6.3
ρNOx,ACC,5 0.730 18.4 0.506 7.3
Average KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,ACC,1 0.784 8.5 0.188 39.2
ρNOx,ACC,2 0.744 29.2 0.424 15.5
ρNOx,ACC,3 0.638 23.7 0.449 26.3
ρNOx,ACC,4 0.379 25.1 0.613 12.4
ρNOx,ACC,5 0.353 13.5 0.627 6.6

Fig. 6을 통해 확인할 수 있듯이 일정 가속도 값 이상이 확보될 때 전체 질소산화물 배출량 중 순수 가속에 따른 엔진 부하 증가분에 의한 질소산화물 배출량의 비율이 증가하기 때문에 가속도와 질소산화물 간 상관성이 증가하는 경향이 나타났다. 이와 관련지어 KD-147모드 주행의 경우 속도가 낮은 구간일수록, 실도로 주행의 경우 속도가 높은 구간일수록 더욱 높은 상관성이 확인되었다. 이는 KD-147 모드 주행의 경우 40 km/h 미만의 저속 구간에서 주로 큰 가속이 이루어지는 반면, 실도로 주행의 경우 운전자의 운전 습관 상 40 km/h 이상의 중속 이상에서 큰 가속이 이루어지는 경우가 잦았기 때문이다. 즉, 실도로 주행 시 KD-147모드 주행의 배출가스 특성을 모사하기 위해서는 해당 운전모드의 속도 별 유의한 가속이 이루어지는 구간에서는 유사한 가속 패턴을 모사하는 것이 중요한 요소라고 할 수 있다.

다만 KD-147 모드의 경우 가속 시에 비해 감속 시에 더 높은 상관계수가 확인되었다. 그러나 이는 고속 구간에서 정속 주행이 많은 KD-147 모드의 특성 상 Fig. 6의 KD-147모드 결과 중 절대값이 작은 가속도 영역의 데이터를 통해 확인할 수 있듯이 해당 운전 영역 상당수 데이터들은 가속도에 관계없이 속도에 의해 질소산화물 배출량이 좌우되어 가로로 긴 영역을 형성한다. KD-147모드에서 이러한 경향은 절대값이 작은 감속 영역에서 빈번하였기 때문에 감속 시에 더 높은 상관계수가 계산되었다. 반면 큰 감속이 잦은 실도로 주행의 경우 가속 시 더욱 상관성이 높은 것을 확인할 수 있다.

3.3 속도

속도의 경우 식 (3)을 통해서도 알 수 있듯이 차량 비출력에 높은 상관관계가 있는 파라미터로서 전반적으로 질소산화물 배출량과 높은 상관관계를 가지며, 실험을 통해서도 대부분의 사례에서 상관계수 0.4 이상의 유의한 상관관계를 가진다는 것을 Table 2를 통해서 확인할 수 있다. 그러나 가속도와 같은 몇 가지 파라미터에 의해 간섭효과를 받는다.12) 또한 변속에 따라 동일한 속도 조건에서도 엔진 회전수 등의 급격한 변화에 따라 배출 특성이 불연속적으로 변하는 구간도 존재한다. 그럼에도 불구하고 실도로 주행 시 가장 쉽게 통제할 수 있는 변수이므로 의미 있는 상관성 분석이 필요하다. 가장 간섭효과가 크다고 여겨지는 가속도의 효과를 감소시키기 위해 가속도 구간을 다섯 구간(각 1: -1 m/s2 이하, 2: -1~0 m/s2, 3: 0~1 m/s2, 4: 1~2 m/s2, 5: 2 m/s2 초과)으로 나누어 가속도와 질소산화물 배출량 간 피어슨 상관계수, 그리고 KD-147 모드 주행과 실도로 주행 각 네 가지 사례의 가속도 별 속도와 질소산화물 사이의 피어슨 상관계수 평균값을 계산하여 Table 4에 나타내었다. 가속도에 의한 교차영향을 감소시킨 결과(Table 4의 Average 열, 각각의 가속도 구간에서 속도와 질소산화물 배출량 상관계수와 주행시간의 곱의 합)는 전체 구간에서의 상관 계수(Table 2 참조)에 비해 향상되었음을 확인할 수 있다. KD-147의 경우 감속 및 낮은 가속도 영역일수록 높은 상관성이 관찰된 반면, 실도로 주행의 경우에는 감속 영역에서는 낮은 상관성이 관찰되며, 가속도의 크기가 커질수록 상관성도 함께 증가하는 경향이 관찰되었다. 이러한 경향의 이유를 급가속 및 급감속에서 찾을 수 있다. 비교적 완만한 가속 및 감속구간이 많은 KD-147 모드 특성 상 주행 시간 기준 85 % 이상의 구간에서 ±1 m/s2 이내의 낮은 가속도로 주행하는 특성이 나타난다. 그러나 실도로 주행 시 교통 상황 및 운전자의 개별 운전 특성 등으로 인해 ±1 m/s2 이상의 높은 가속도 구간에서의 주행 시간 비율이 두 배 이상 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 잦은 급감속 조건에서 속도와 질소산화물 배출량의 응답시간 차이가 상관성을 저하시키는 요인으로 작용한다는 것을 알 수 있으며 이는 Table 4에서 실도로 주행 시 급감속 구간(ρNOx,ACC,1)의 낮은 상관성 계수와 해당 구간에서의 주행 시간 비율이 높을수록 전체 피어슨 상관계수(Table 2 참조)가 낮아지는 결과를 통해 확인할 수 있다. 또한 1 m/s2 이상의 가속도 영역(ρNOx,ACC,4, ρNOx,ACC,5)이 넓을수록 속도와 질소산화물 간의 상관성은 증가하며 Table 4에서 높은 가속 구간의 주행 시간과 상관계수가 비례하는 결과를 통해 이를 확인할 수 있다.

Table 4 
Pearson correlation coefficients between velocity and NOx emission and driving time in each acceleration interval
Vehicle A KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,VEL,1 0.990 2.9 0.092 7.8
ρNOx,VEL,2 0.957 21.1 0.227 20.8
ρNOx,VEL,3 0.730 67.2 0.425 60.8
ρNOx,VEL,4 0.445 8.8 0.784 9.7
ρNOx,VEL,5 - - 0.900 0.9
Vehicle B KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,VEL,1 0.228 10.0 0.511 12.4
ρNOx,VEL,2 0.654 12.0 0.624 18.2
ρNOx,VEL,3 0.471 68.5 0.545 57.7
ρNOx,VEL,4 0.590 9.5 0.736 10.7
ρNOx,VEL,5 - - 0.909 1.0
Vehicle C KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,VEL,1 0.507 11.6 0.776 11.2
ρNOx,VEL,2 0.813 22.9 0.785 14.3
ρNOx,VEL,3 0.777 62.1 0.721 63.5
ρNOx,VEL,4 0.792 3.4 0.858 11.0
ρNOx,VEL,5 - - - -
Vehicle D KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,VEL,1 0.083 10.9 0.749 10.3
ρNOx,VEL,2 0.786 29.0 0.705 7.6
ρNOx,VEL,3 0.555 53.9 0.700 70.2
ρNOx,VEL,4 0.270 6.2 0.939 9.8
ρNOx,VEL,5 - - 0.921 2.1
Average KD tKD,i (%) RD tRD,i (%)
ρNOx,VEL,1 0.452 8.9 0.532 10.4
ρNOx,VEL,2 0.803 21.3 0.585 15.2
ρNOx,VEL,3 0.633 62.9 0.598 63.1
ρNOx,VEL,4 0.524 7.0 0.829 10.3
ρNOx,VEL,5 - - 0.910 1.0

가속과 감속에 따른 상관성 분석 결과 대체적으로 감속 시에 비해 가속 시 더 높은 상관관계를 보임을 확인할 수 있었다. 단, KD-147의 경우 감속 시에도 높은 상관관계를 보이는 결과가 관찰되었는데 이는 이전 장에서 언급한 바와 같이 완만한 감속 결과 엔진으로부터 질소산화물 배출량 저감 효과와 속도 감소의 응답시간이 유사하기 때문이며, 직접적인 인과관계는 부족한 것으로 판단된다. 이러한 상관성 경향은 이전의 연구 사례와도 일치한다는 것을 알 수 있었다.12)


4. 결 론

연구를 통해 유사 제원의 중소형 경유 차량의 KD-147 모드 주행 및 실도로 주행 실험을 실시하였고 질소산화물 배출량과 높은 상관관계를 가질 것으로 예측되는 비출력, 가속도, 속도에 대한 상관성 분석을 시행하였으며 주요 도출 결과는 다음과 같다.

  • 1) 비출력의 경우 여러 운전 변수들에 의한 영향의 동시 반영이 가능하여 엔진 부하와 직접적으로 관련되기 때문에 질소산화물 배출량과 전반적으로 높은 상관관계가 있음이 확인되었다. 그러나 비출력의 증가가 차량 운동량 증가에 직접 기여하는 비율이 낮은 저 비출력 구간일수록 상관성이 낮아지는 경향을 관찰할 수 있었다. KD-147모드에 비해 실도로 주행 시 도로 교통 상황으로 인해 낮은 속도에서 잦은 가, 감속 경향이 뚜렷하였으며 이 경우 상관도가 낮은 결과가 도출될 수 있으므로 실도로 주행 계획 산정 시 이러한 특성이 고려하여 통행이 원활한 도로에서의 주행을 통해 서행 운전에 따른 특정되지 않은 가, 감속 운전을 회피하여야 한다.
  • 2) 속도와 가속도의 경우 질소산화물 배출량에 대해 서로 간섭 효과를 가지므로 각 변수를 구분하여 분석함으로써 독립적인 상관성을 확인하였다. 전반적으로 두 변수 모두 질소산화물 배출량과 특정 조건을 제외하고는 피어슨 상관계수 0.4이상의 유의한 관계를 가지는 것으로 확인되었으나 특징적으로 KD-147모드 주행의 경우 감속 조건에서, 실도로 주행의 경우 가속 조건에서 높은 상관성이 확인되었다.
  • 3) 가속도 구간 별 속도의 경우 일부 감속 구간을 제외한 대부분의 사례에서 질소산화물 배출량과 0.4 이상의 유의한 상관계수가 도출되었으나, KD-147 모드 주행의 경우 가속도가 작을수록, 실도로 주행의 경우에는 가속도가 클수록 상관성이 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 ±1 m/s2 이내의 완만한 가속 및 감속구간이 많은 KD-147 모드 특성에 비해 실도로 주행의 경우 1 m/s2 이상의 높은 가속 지점이 많았기 때문이다. 해당 결과로 미루어보아 1 m/s2 이상의 가속 조건과 -2 m/s2 이내의 완만한 감속조건이 질소산화물 배출량과 높은 상관성을 보장한다는 결론을 도출할 수 있다.
  • 4) 속도 구간 별 가속도의 경우 KD-147 모드 주행 사례 중 40 km/h 미만의 저속 조건에서 1 m/s2 이상 급가속을 한 경우가 대부분인 사례(차량 A, D)에서는 비교적 낮은 상관계수가 도출되었으며, 실도로 주행의 경우 감속 구간을 제외하고는 질소산화물 배출량과 0.4 이상의 유의한 상관계수가 도출되는 상반되는 결과를 확인하였다.
  • 5) 앞선 결과들을 통해 실도로 주행에서 이러한 KD-147모드 특성을 반영하기 위해서는 질소산화물 배출량과 운전 변수 간 상관성은 떨어질 수 있으나 저속 조건에서는 1 m/s2 이상의 비교적 큰 가속이 확보되어야 한다. 또한 -2 m/s2 보다 큰 감속은 질소산화물 배출량과의 상관성을 저하시키는 요인이며 KD-147 모드 주행에서도 낮은 빈도로 관찰되었으므로 실도로 주행 시 KD-147 모드 수준으로 완만한 감속 운전이 요구된다. 추가적으로 KD-147 모드의 경우 70 km/h 이상의 고속 운전 영역에서 가속도는 0.5 m/s2 이하로 유지되어 초기 가속을 제외하고는 질소산화물 배출량이 특별하게 높지 않다. 일반 도로에서 고속 운전이 힘들다는 것을 감안할 때 오르막길에서의 고부하 운전을 이용하여 60~70 km/h의 중속 영역에서도 KD-147 모드 주행의 최대 질소산화물 배출 특성을 재현할 수 있는 주행로 선정 또한 필요하다.

본 연구 결과를 통해 특정 검사 모드(KD-147)를 높은 상관도로 모사할 수 있는 실도로 주행 운전 가이드라인 선정에 많은 도움을 줄 수 있으나, 실제 적용에 있어서는 오차를 고려하여 일정 수준의 보수적인 기준을 적용해야 한다.


Acknowledgments

본 연구는 환경부 Global-Top Project 친환경자동차기술개발사업단의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.


Nomenclature
a : acceleration, m/s2
ACC : acceleration
AT : automatic transmission
cov : covariance
C : correction factor of acceleration
E : expectation value operator
g : gravitational acceleration, m/s2
KD : KD-147 test mode
NOx : nitrogen oxide
RD : real road driving
t : travel time ratio in each separated interval, %
v : velocity, m/s
VEL : velocity
VSP : vehicle specific power, kW/Ton
ζ : drag coefficient
θ : road grade, dimensionless
μ : average value of the variable
ρ : correlation coefficient
σ : standard deviation
ψ : rolling resistance coefficien

Subscripts
I : separated interval
X : NOx concentration in exhaust gas, ppm
Y : driving parameter(VSP, acceleration, velocity)

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