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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.

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)과 (2)를 이용한 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 통해 상관성분석을 실시하였다.

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.

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.

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.