Journal Archive

최근 미국 예일대와 컬럼비아대 공동연구진이 발표한 환경성과지수에서 한국은 공기질 부문에서 180개국 중 173위로 최하위권으로 언급되었다. 이에 대해 국내에서는 미세먼지에 대한 심각성이 대두되고 있으며, 서울시에서는 대기질 개선 특별대책을 발표했다. 미세먼지의 주요 원인으로 자동차 배출가스가 지목되었으며, 이에 대해 대중교통부문에서 디젤 버스를 CNG 버스로 대체하려는 노력을 기울이고 있다. 또한 V 사의 배출가스 조작 사태의 파장으로 인해 디젤 엔진이 대기오염의 주범으로 재조명되고 있는 상황이다. 그러나 최근 새롭게 발표된 연구에 따르면 CNG 버스가 대기오염물질 배출에서는 디젤보다 유리하지만 온실가스 배출 및 2차 미세먼지 유발이라는 측면에서는 불리하다는 주장이 계속 제기되고 있다. 이에 대해 아직 디젤 버스를 배제하는 정책은 성급한 판단으로 생각되며, 더 많은 연구와 논의가 이루어져야 한다고 생각된다.

기존 많은 연구에서 경유 버스와 CNG 버스의 연비 및 배출가스에 대해 차대동력계를 이용한 실차시험이 수행되었으나 국내 상용차에 대한 배출가스 및 연비 평가 기준이 모호한 상황이며, 시뮬레이션을 통한 평가 자료는 부족한 실정이다.^1,2)

Fig. 1 
Configuration of mid-size bus

그동안 국내의 대형 버스에 대한 연구는 많이 진행되어 왔지만 중형 버스에 대한 연구는 미미한 실정이다. 이에 대해 중형버스에 대한 구동성능 및 연비 평가를 수행하고, 연료 변화에 따른 가솔린, 디젤, CNG 엔진의 에너지 소비 효율의 차이를 비교 분석하는 것이 필요한 상황이다.

선행 연구에서는 디젤 중형버스의 개발 시 필요한 선행 과정으로써 전방향 모델과 후방향 모델을 개발하여 구동성능 및 연비해석을 수행하였다.^3,4)

본 연구에서는 중형저상버스의 연료 변화에 따른 차량의 구동성능을 평가하고 이를 기준으로 연료변화에 차량의 연비 평가를 수행하였다.

후방향 시뮬레이션을 이용하여, 앞 절에서 설계한 연료별 중형저상버스 모델에 대한 연비 평가를 수행하였다.

일반적인 승용차의 연비 평가는 공인 모드로 UDDS와 HWFET가 사용되며, 이를 이용한 5-Cycle 보정식을 적용한 복합 연비로 수행된다. 그러나 국내에는 상용차 연비 평가를 위한 기준이 없는 실정이며, 배출가스 측정은 엔진 본체에서만 이루어지도록 규정 되어있다. 이에 대해 본 연구에서는 연비평가를 위한 주행 사이클로 실제 버스의 주행 환경이 반영된 Busan city cycle을 선택하였다.

Busan city cycle은 시내버스 노선에 대한 실차 주행을 통해 계측한 데이터로 구성된 사이클로써, Stop & Go 패턴이 빈번하게 발생하는 부산 도심의 시내 버스 주행 특징을 갖는다. 총 23 km의 코스를 약 1시간에 걸쳐 주행하는 사이클로 구성되어 있다.

Fig. 8은 Busan city cycle의 시간에 따른 속도와 경사도를 나타낸 것이며, Table 4는 Busan city cycle의 특징을 JE05 cycle와 비교하여 나타낸 것이다.⁸⁾

Fig. 8 
Driving cycle for fuel economy evaluation

차량의 중량 또한 연비 평가에 대한 규정이 없기 때문에 동력성능 해석과 같은 방법으로 차량의 총 중량(GVW)를 이용하여 해석을 수행하였다.

Fig. 9, 10, 11은 연료 종류에 따른 엔진 작동점을 나타낸 것이다. 3가지 동력원 모두 엔진 작동점이 최적 작동 선 부근에서 작동되는 경향을 확인할 수 있다. 또한 서로 다른 연료를 사용하는 엔진의 특징에 따라 각각 다른 경향으로 작동점이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9 
Diesel engine operating points for Busan city cycle

Fig. 10 
Gasoline engine operating points for Busan city cycle

Fig. 11 
CNG engine operating points for Busan city cycle

Table 5는 후방향 모델에 적용한 각 연료별 밀도와 시뮬레이션 결과 도출된 에너지소비효율을 디젤기준으로 환산하여 등가 연비를 제시하기 위해 적용한 환산 계수를 나타낸 것이다. Fuel heating value는 도출된 결과 분석을 통해 각 연료별 엔진 열효율을 비교하기 위해 사용되었다.

Table 6과 Table 7은 후방향 모델로부터 도출된 연비 해석 결과로써, Table 7은 Busan city cycle에 경사율이 포함된 해석 결과이다. Busan city cycle에 대해 경사율에 의한 연비 차이는 디젤 0.43 km/l, 가솔린 0.36 km/l, CNG 0.12 km/l로 나타난 것을 확인할 수 있었다.

Busan city cycle에 대해 디젤 기준으로 등가 연비로 환산한 결과 디젤 장착 차량이 7.20 km/l로 가장 높은 에너지소비효율로 분석되었으며, CNG 차량은 6.8424 km/l, 가솔린 차량은 6.7051 km/l으로 해석되었다.

Fig. 12, 13, 14는 후방향 시뮬레이션을 통해 도출한 연비 해석 결과를 엔진의 열효율로 분석한 것이다. 이를 통해 디젤의 평균 열효율은 37.20 %, 가솔린 33.94 %, CNG 33.72 %로 분석되었으며, Table 8에 평균 효율을 정리하였다.

Fig. 12 
Diesel engine efficiency points for Busan city cycle

Fig. 13 
Gasoline engine efficiency points for Busan city cycle

Fig. 14 
CNG engine efficiency points for Busan city cycle

결과 바탕으로 디젤의 열 효율이 가장 좋은 것으로 확인할 수 있다. 그러나, 다소 미미한 차이지만 가솔린 엔진의 경우에는 CNG 엔진에 비해 평균 열효율이 높으나 연비 해석결과는 CNG 엔진보다 낮은 것으로 도출되었다.

위와 같은 원인은 CNG 엔진이 적용된 차량의 경우에 Fig. 14를 보면 엔진 작동점이 약 20 % ~ 35 % 사이에서 대부분 나타난 것을 확인할 수 있으나, 가솔린엔진의 경우에는 엔진 작동점 효율이 20 % 이하에서도 상대적으로 많이 나타났기 때문으로 분석되었다.

시뮬레이션 해석 결과는 Fig. 15와 같이 나타난 것으로 확인할 수 있었다.

Fig. 15 
Evaluation of fuel economy by fuel type

본 논문에서는 연료에 따른 중형버스의 구동성능 및 연비 해석을 수행하였다. 기준 차량은 디젤 중형버스로 설정하였으며, 이에 대해 구동성능을 도출하였다. 도출된 디젤 중형버스의 가속성능, 최고속도 성능, 등판 성능을 참고하여 이와 동급의 성능을 낼 수 있도록 가솔린 엔진 차량과 CNG 엔진 차량의 기어비를 설계하였다. 동일한 차량 제원을 바탕으로 동급의 구동성능을 갖는 디젤, 가솔린, CNG 중형버스에 대해 선행 연구를 통해 개발된 후방향 시뮬레이션을 이용하여 연비 해석을 수행하였다. 연비해석에 적용한 주행 사이클은 Busan city cycle을 이용하였으며, 경사율이 포함된 경우에 경사율을 갖지 않는 2가지에 대해 해석을 수행하였다.

후방향 시뮬레이션을 이용한 연비 해석 결과 Busan city cycle에서 디젤 중형버스 연비는 7.20 km/l, 가솔린 6.05 km/l, CNG 1.98 km/l로 도출되었으며, 이를 디젤 기준으로 환산하여 비교한 등가 연비는 가솔린 6.7051 km/l, CNG 6.8424 km/l로 산출되었다. 해석 결과로부터 디젤, CNG, 가솔린 차량 순으로 에너지소비효율이 높은 것으로 분석되었다.

향후 다양한 주행 사이클에 대한 연비 해석 및 대형차대동력계를 이용한 실차 연비 평가 시험 수행 결과와 시뮬레이션 결과를 비교 분석하는 것이 필요할 것으로 생각된다.