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소현 운
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1 Transactions of KSAE, Vol. 26, No. 5, pp (September, 2018) Copyright C 2018 KSAE / pissn / eissn DOI 연료별중형버스의구동성능및연비비교분석 김진성 김기수 박영일 * 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과 A Comparative Study on Driving Performance and Fuel Economy Among Different Types of Fuel-based Engines of Mid-size Buses Jinseong Kim Gisu Kim Yeong-il Park * Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Korea (Received 5 February 2018 / Revised 18 April 2018 / Accepted 29 April 2018) Abstract : In this study, both the driving performance and the fuel economy of mid-sized buses were evaluated according to fuel type by using developed simulators that were based on MATLAB software. The expected driving performance of gasoline and CNG-fueled vehicles was compared to a standard of a diesel-fed, mid-sized bus. New powertrain gear ratios for gasoline and CNG-fueled vehicles were designed to have similar driving performance as diesel-fueled engines. Specifically, acceleration, maximum speed, and hill-climbing performance were measured against the standard of a diesel-fed, mid-sized bus. With identical vehicle specifications and similar driving performance, the fuel economy of different types of engines was then analyzed by using the backward simulation of previous studies. The results suggested differences in terms of energy consumption efficiency among various engine types. Key words : Forward simulation( 전방향해석 ), Backward simulation( 후방향해석 ), Fuel economy( 연비 ), Mid-size bus( 중형버스 ), Optimization( 최적화 ), Vehicle performance( 차량성능 ) 1. 서론 1) 최근미국예일대와컬럼비아대공동연구진이발표한환경성과지수에서한국은공기질부문에서 180개국중 173위로최하위권으로언급되었다. 이에대해국내에서는미세먼지에대한심각성이대두되고있으며, 서울시에서는대기질개선특별대책을발표했다. 미세먼지의주요원인으로자동차배출가스가지목되었으며, 이에대해대중교통부문에서디젤버스를 CNG 버스로대체하려는노력을기울이고있다. 또한 V 사의배출가스조작사태의 파장으로인해디젤엔진이대기오염의주범으로재조명되고있는상황이다. 그러나최근새롭게발표된연구에따르면 CNG 버스가대기오염물질배출에서는디젤보다유리하지만온실가스배출및 2 차미세먼지유발이라는측면에서는불리하다는주장이계속제기되고있다. 이에대해아직디젤버스를배제하는정책은성급한판단으로생각되며, 더많은연구와논의가이루어져야한다고생각된다. 기존많은연구에서경유버스와 CNG 버스의연비및배출가스에대해차대동력계를이용한실차 * Corresponding author, yipark@seoultech.ac.kr * This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( 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. 565

김진성 김기수 박영일 Fig. 1 Configuration of mid-size bus 시험이수행되었으나국내상용차에대한배출가스및연비평가기준이모호한상황이며, 시뮬레이션을통한평가자료는부족한실정이다. 1,2) 그동안국내의대형버스에대한연구는많이진행되어왔지만중형버스에대한연구는미미한실정이다.

2. 해석을위한중형버스모델링 2.1 연료종류에따른엔진맵구성선행연구를통해개발차량에적용될디젤엔진을 3차원맵으로구성하였으며, 이를시뮬레이션에적용하여개발차량의주행성능및연비평가를수행하였다. 3) 가솔린엔진및 CNG 엔진을적용한결과를기존시뮬레이션결과와비교분석하기위해서는동력원데이터확보및기준엔진과동급엔진으로구성하는것이필수적이다.

2 김진성 김기수 박영일 Fig. 1 Configuration of mid-size bus 시험이수행되었으나국내상용차에대한배출가스및연비평가기준이모호한상황이며, 시뮬레이션을통한평가자료는부족한실정이다. 1,2) 그동안국내의대형버스에대한연구는많이진행되어왔지만중형버스에대한연구는미미한실정이다. 이에대해중형버스에대한구동성능및연비평가를수행하고, 연료변화에따른가솔린, 디젤, CNG 엔진의에너지소비효율의차이를비교분석하는것이필요한상황이다. 선행연구에서는디젤중형버스의개발시필요한선행과정으로써전방향모델과후방향모델을개발하여구동성능및연비해석을수행하였다. 3,4) 본연구에서는중형저상버스의연료변화에따른차량의구동성능을평가하고이를기준으로연료변화에차량의연비평가를수행하였다. 2. 해석을위한중형버스모델링 2.1 연료종류에따른엔진맵구성선행연구를통해개발차량에적용될디젤엔진을 3차원맵으로구성하였으며, 이를시뮬레이션에적용하여개발차량의주행성능및연비평가를수행하였다. 3) 가솔린엔진및 CNG 엔진을적용한결과를기존시뮬레이션결과와비교분석하기위해서는동력원데이터확보및기준엔진과동급엔진으로구성하는것이필수적이다. 연비평가시뮬레이션을위해필수적인동력원데이터는미국 Argonne National Laboratory에서개발한상용해석프로그램인 Autonomie에서추출하였다. 5) 추출한가솔린및 CNG 엔진데이터를기준디젤엔진출력에맞추기위해스케일링기법으로재구성하였다. 엔진맵은준정적상태데이터로써엔진의최대토크 (a) Extracted (b) Scaled Fig. 2 SI-engine from the autonomie engine model library and scaled SI engine 129 kw 와엔진속도와토크에대한연료소모율데이터로이루어져있다. 본연구에서적용한스케일링기법은맵의토크차원에대해최대토크값으로나누어무차원화하고여기에목표최대토크를곱하여데이터를재구성하는방법이다. 6) 상용프로그램에서추출한데이터의용량은모두다르므로이를선행연구에서설계한중형버스디젤엔진과동급으로비교하기에는맞지않다. 이에대해앞서언급한스케일링기법을적용하여기준디젤엔진과동급으로동력원데이터를재구성하였다. Fig. 2(a) 는상용프로그램에서추출한 2200 cc 110 kw급 4기통가솔린엔진맵이다. 최대파워는 5000 RPM에서 105 kw이고, 최대토크는 3750 RPM에서 220 Nm 이며, 공회전속도는 764 RPM 이다. 566 한국자동차공학회논문집제 26 권제 5 호, 2018

연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 비교 분석 (a) Extracted Fig. 4 Conventional diesel-engine 129 kw 2.

3 CNG-engine from the autonomie engine model library and scaled CNG engine 129 kw 변속기는 6단으로 구성되며, 적용된 기어비는 Table 3

최대 파워는 2000 되기 때문에 기준 디젤 엔진에 적용되는 동일한 변 RPM 에서 188 kw 이고, 최대 토크는 1400 RPM 에서 속 기어비를 적용하면 차량 구동성능 분석에 상당 1071 Nm이며,

동력 에서 언급한 스케일링 기법에 적용한 엔진 맵으로 원 특성에 맞는 기어비는 디젤 중형버스의 구동성 기준 엔진인 디젤 엔진과 같이 최대 출력을 129 kw 능을 기준으로 가솔린 엔진 적용 차량과 CNG

젤 엔진 맵이다. 3) 기준이 되는 디젤 중형버스의 구동성능 해석 결 연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 평가를 위 과는 가속성능 28.59초, 최대속도 134.9 km/h이며, 해 구성된 Fig.

3 연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 비교 분석 (a) Extracted Fig. 4 Conventional diesel-engine 129 kw 2.2 차량 구동성능 분석 및 변속비 설정 각 동력원 변화에 따른 구동성능을 분석하기 위 (b) Scaled 해 개발한 전방향 모델을 이용하여 시뮬레이션을 Fig. 3 CNG-engine from the autonomie engine model library and scaled CNG engine 129 kw 변속기는 6단으로 구성되며, 적용된 기어비는 Table 3 수행하였다. 시뮬레이션에 적용한 디젤 중형버스의 과 같다. Fig. 3(a)는 사용 프로그램에서 추출한 8100 cc 186 연료별 동력원 변화에 따라 엔진의 특성도 변화 kw 급 6기통 CNG 엔진 맵이다. 최대 파워는 2000 되기 때문에 기준 디젤 엔진에 적용되는 동일한 변 RPM 에서 188 kw 이고, 최대 토크는 1400 RPM 에서 속 기어비를 적용하면 차량 구동성능 분석에 상당 1071 Nm이며, 공회전 속도는 600 RPM 이다. 한 오류가 발생된다. 이 때문에 각 동력원의 특성에 Fig. 2(b)와 Fig. 3(b)는 추출한 엔진 맵들로부터 위 적합한 변속 기어비를 설계하여 적용하였다. 동력 에서 언급한 스케일링 기법에 적용한 엔진 맵으로 원 특성에 맞는 기어비는 디젤 중형버스의 구동성 기준 엔진인 디젤 엔진과 같이 최대 출력을 129 kw 능을 기준으로 가솔린 엔진 적용 차량과 CNG 엔진 로 재구성하였다. Fig. 4는 기존 선행 연구에서 설계 적용 차량도 동일한 가속성능과 최고속도 성능을 된 중형버스의 사양에 맞도록 구성된 129 kw 급 디 낼 수 있는 값으로 설계하였다. 젤 엔진 맵이다. 3) 기준이 되는 디젤 중형버스의 구동성능 해석 결 연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 평가를 위 과는 가속성능 28.59초, 최대속도 km/h이며, 해 구성된 Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4의 동력원 데이터를 시 등판성능은 22 % 경사를 갖는 도로를 최대 28 km/h 뮬레이션에 사용하였다. 까지 가속 주행할 수 있는 것으로 도출되었다. 해석 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 5,

4 Jinseong Kim Gisu Kim Yeong-il Park 결과는 Table 2와같으며디젤차량성능을기준으로가솔린엔진과 CNG 엔진을적용하였을때에대한변속기기어비를 Table 3과같이설계하였다. 기어비설계시종감속비는모두 4.563으로연료별각차량에동일한값으로설정하였으며, 설계된기어비를적용하여연료별구동성능을해석한결과는 Table 2와같다. Table 2의연료별구동성능해석결과를확인해보면소폭의성능차이가있는것을확인할수있으나이는연비해석결과에영향을주지않는오차내의값으로써동일한성능을내는것으로가정하여연구를진행하였다. 시뮬레이션에적용한차량제원및환경변수는 Table 1과같다. 차량의무게는총적재중량인 5300 kg으로설정하여구동성능해석을수행하였으며, Table 1 Parameters for mid-size bus simulation Parameters Units Values Radius of tire, m Gross vehicle weight, kg 5300 Air density, kg/m Rolling resistance coefficient, Rolling resistance coefficient2, Drag coefficient, Frontal area, m Final drive efficiency, % 97 Gearbox efficiency, % 92 Simulation time sec 0~150 Simulation time step sec 0.01 Table 2 Comparative driving performance of diesel, gasoline and CNG feuled engines Acceleration 0~100 km/h (sec) Max.Speed (km/h) Hil-climbing ability Diesel km/h@22 % Gasoline km/h@22.5 % CNG km/h@18.8 % Table 3 Transmission gear ratio of diesel, gasoline and CNG fueled engines Designed of transmission gear ratio Diesel Gasoline CNG 차량의전단면적은버스의특징을반영하고자전폭과전고의곱에 90 % 비율을적용한 m 2 으로설정하였다. 선행연구 3) 에서는차량의주행저항계산에적용되는구름저항값을일정한상수값으로적용하지만, 본연구에서는관련문헌 7) 을참고하여 Cr1+ Cr2 V 로속도에따라변하는값으로적용하였다. 계산에필요한구름저항계수는아스팔트에대한일반적인값으로앞서소개한상용프로그램을참고하였다. Fig. 5는디젤중형버스의구동성능해석결과에대한것으로, 파랑색점선은도로경사가 0 % 일때와최대일때의속도에따른주행저항을의미한다. 차량속도에따른견인력을기어단수별로분석한결과를통해버스의주행가능한최고속도와등판성능을도출하였다. 시뮬레이션시간에따른중형버스의속도는해당시간의가속도를계산하고이를, 수치해석의오일러법으로다음타임스텝의속도를계산하여도출한결과이다. 해당시뮬레이션을통해가속성능은 0~100 km/h 28.59초로도출되었다. 차량속도에따른엔진속도변화를통해서엔진속도영역및기어단분할비를확인할수있으며, 디젤중형버스에적용된기어단분할비를가솔린과 CNG 버스기어비설계에동일하게적용하였다. 기준차량에대해가솔린중형버스의변속단기어비는 1.41배, CNG 중형저상버스는 0.58배한값으로설계되었으며, 해당기어비에서연료별중형버스의구동성능이동일하게매칭되었다. Fig. 6은가솔린엔진을적용한중형버스의구동성능결과를보여주는것이며, Fig. 7은 CNG 엔진을적용한결과이다. 해당결과는 Table 2에정리하였으며, 디젤중형버스의단분할비를기준으로새롭게설계된변속비를적용한결과이다. 3. 연료별중형버스연비해석시뮬레이션후방향시뮬레이션을이용하여, 앞절에서설계한연료별중형저상버스모델에대한연비평가를수행하였다. 일반적인승용차의연비평가는공인모드로 UDDS와 HWFET가사용되며, 이를이용한 5-Cycle 568 한국자동차공학회논문집제 26 권제 5 호, 2018

5 Driving performance of diesel fueled engine Fig.

5 A Comparative Study on Driving Performance and Fuel Economy Among Different Types of Fuel-based Engines of Mid-size Buses Fig. 5 Driving performance of diesel fueled engine Fig. 6 Driving performance of gasoline fueled engine Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 5,

김진성 김기수 박영일 Fig. 8 Driving cycle for fuel economy evaluation Fig.

그러나국내에는상용차연비평가를위한기준이없는실정이며, 배출가스측정은엔진본체에서만이루어지도록규정되어있다.

Busan city cycle은시내버스노선에대한실차주행을통해계측한데이터로구성된사이클로써, Stop & Go 패턴이빈번하게발생하는부산도심의시내버스주행특징을갖는다.

6 김진성 김기수 박영일 Fig. 8 Driving cycle for fuel economy evaluation Fig. 7 Driving performance of CNG fueled engine 보정식을적용한복합연비로수행된다. 그러나국내에는상용차연비평가를위한기준이없는실정이며, 배출가스측정은엔진본체에서만이루어지도록규정되어있다. 이에대해본연구에서는연비평가를위한주행사이클로실제버스의주행환경이반영된 Busan city cycle을선택하였다. Busan city cycle은시내버스노선에대한실차주행을통해계측한데이터로구성된사이클로써, Stop & Go 패턴이빈번하게발생하는부산도심의시내버스주행특징을갖는다. 총 23 km의코스를약 1시간에걸쳐주행하는사이클로구성되어있다. Fig. 8은 Busan city cycle의시간에따른속도와경사도를나타낸것이며, Table 4는 Busan city cycle의특징을 JE05 cycle와비교하여나타낸것이다. 8) 차량의중량또한연비평가에대한규정이없기때문에동력성능해석과같은방법으로차량의총 570 한국자동차공학회논문집제 26 권제 5 호, 2018

연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 비교 분석 Table 4 Features of driving cycle Time Distance Avg. speed Max. speed Busan city 4000 23 25.

11 CNG engine operating points for Busan city cycle Table 5 Fuel density and heating values for backward simulation Fig.

(kg/l) (kcal/l) (J/g) 0.835 8420.0 42210 0.742 7597.4 42861 0.217 2436.

98 Diesel equivalent fuel economy (km/l) 6.7051 6.

10 Gasoline engine operating points for Busan city cycle Diesel Gasoline CNG Fuel economy (km/l) 6.77 5.69 1.

9, 10, 11은 연료 종류에 따른 엔진 작동점을 기준으로 환산하여 등가 연비를 제시하기 위해 적 나타낸 것이다. 3가지 동력원 모두 엔진 작동점이 용한 환산 계수를 나타낸 것이다.

7 연료별 중형버스의 구동성능 및 연비 비교 분석 Table 4 Features of driving cycle Time Distance Avg. speed Max. speed Busan city JE Unit sec km km/h km/h Fig. 11 CNG engine operating points for Busan city cycle Table 5 Fuel density and heating values for backward simulation Fig. 9 Diesel engine operating points for Busan city cycle Diesel Gasoline CNG Fuel density Calorific value Fuel heating value (kg/l) (kcal/l) (J/g) Table 6 Simulation results of fuel economy on Busan city cycle Diesel Gasoline CNG Fuel economy (km/l) Diesel equivalent fuel economy (km/l) Table 7 Simulation results of fuel economy on Busan city cycle with grade resistance Fig. 10 Gasoline engine operating points for Busan city cycle Diesel Gasoline CNG Fuel economy (km/l) Diesel equivalent fuel economy (km/l) 중량(GVW)를 이용하여 해석을 수행하였다. Fig. 9, 10, 11은 연료 종류에 따른 엔진 작동점을 기준으로 환산하여 등가 연비를 제시하기 위해 적 나타낸 것이다. 3가지 동력원 모두 엔진 작동점이 용한 환산 계수를 나타낸 것이다. Fuel heating value 최적 작동 선 부근에서 작동되는 경향을 확인할 수 는 도출된 결과 분석을 통해 각 연료별 엔진 열효율 있다. 또한 서로 다른 연료를 사용하는 엔진의 특징 을 비교하기 위해 사용되었다. 에 따라 각각 다른 경향으로 작동점이 분포되어 있 Table 6과 Table 7은 후방향 모델로부터 도출된 연 비 해석 결과로써, Table 7은 Busan city cycle에 경사 는 것을 확인할 수 있다. Table 5는 후방향 모델에 적용한 각 연료별 밀도 율이 포함된 해석 결과이다. Busan city cycle에 대해 와 시뮬레이션 결과 도출된 에너지소비효율을 디젤 경사율에 의한 연비 차이는 디젤 0.43 km/l, 가솔린 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 5,

Jinseong Kim Gisu Kim Yeong-il Park Fig. 12 Diesel engine efficiency points for Busan city cycle Fig.

94 CNG 33.72 Fig. 13 Gasoline engine efficiency points for Busan city cycle Fig. 14 CNG engine efficiency points for Busan city cycle 0.36 km/l, CNG 0.

12, 13, 14는후방향시뮬레이션을통해도출한연비해석결과를엔진의열효율로분석한것이다. 이를통해디젤의평균열효율은 37.20 %, 가솔린 33.94 %, CNG 33.72 % 로분석되었으며, Table 8 에평균효율을정리하였다. 결과바탕으로디젤의열효율이가장좋은것으로확인할수있다.

8 Jinseong Kim Gisu Kim Yeong-il Park Fig. 12 Diesel engine efficiency points for Busan city cycle Fig. 15 Evaluation of fuel economy by fuel type Table 8 Thermal efficiency of engines Thermal efficiency of engine on Busan city cycle (%) Diesel Gasoline CNG Fig. 13 Gasoline engine efficiency points for Busan city cycle Fig. 14 CNG engine efficiency points for Busan city cycle 0.36 km/l, CNG 0.12 km/l로나타난것을확인할수있었다. Busan city cycle에대해디젤기준으로등가연비로환산한결과디젤장착차량이 7.20 km/l로가장높은에너지소비효율로분석되었으며, CNG 차량은 km/l, 가솔린차량은 km/l으로해석되었다. Fig. 12, 13, 14는후방향시뮬레이션을통해도출한연비해석결과를엔진의열효율로분석한것이다. 이를통해디젤의평균열효율은 %, 가솔린 %, CNG % 로분석되었으며, Table 8 에평균효율을정리하였다. 결과바탕으로디젤의열효율이가장좋은것으로확인할수있다. 그러나, 다소미미한차이지만가솔린엔진의경우에는 CNG 엔진에비해평균열효율이높으나연비해석결과는 CNG 엔진보다낮은것으로도출되었다. 위와같은원인은 CNG 엔진이적용된차량의경우에 Fig. 14를보면엔진작동점이약 20 % ~ 35 % 사이에서대부분나타난것을확인할수있으나, 가솔린엔진의경우에는엔진작동점효율이 20 % 이하에서도상대적으로많이나타났기때문으로분석되었다. 시뮬레이션해석결과는 Fig. 15와같이나타난것으로확인할수있었다. 572 한국자동차공학회논문집제 26 권제 5 호, 2018

9 A Comparative Study on Driving Performance and Fuel Economy Among Different Types of Fuel-based Engines of Mid-size Buses 4. 결론본논문에서는연료에따른중형버스의구동성능및연비해석을수행하였다. 기준차량은디젤중형버스로설정하였으며, 이에대해구동성능을도출하였다. 도출된디젤중형버스의가속성능, 최고속도성능, 등판성능을참고하여이와동급의성능을낼수있도록가솔린엔진차량과 CNG 엔진차량의기어비를설계하였다. 동일한차량제원을바탕으로동급의구동성능을갖는디젤, 가솔린, CNG 중형버스에대해선행연구를통해개발된후방향시뮬레이션을이용하여연비해석을수행하였다. 연비해석에적용한주행사이클은 Busan city cycle을이용하였으며, 경사율이포함된경우에경사율을갖지않는 2가지에대해해석을수행하였다. 후방향시뮬레이션을이용한연비해석결과 Busan city cycle에서디젤중형버스연비는 7.20 km/l, 가솔린 6.05 km/l, CNG 1.98 km/l로도출되었으며, 이를디젤기준으로환산하여비교한등가연비는가솔린 km/l, CNG km/l로산출되었다. 해석결과로부터디젤, CNG, 가솔린차량순으로에너지소비효율이높은것으로분석되었다. 향후다양한주행사이클에대한연비해석및대형차대동력계를이용한실차연비평가시험수행결과와시뮬레이션결과를비교분석하는것이필요할것으로생각된다. 후기본논문은서울과학기술대학교교내학술연구비 ( 일부 ) 지원으로수행되었습니다. References 1) R. A. Barnitt, In-use Performance Comparison of Hybrid Electric, CNG, and Diesel Buses at New York City Transit, SAE , ) Y. Kim, K. Choi and D. Jeong, Comparison of Fuel Consumption and Exhaust Gas Emission between Euro 5 Diesel Bus and CNG Bus, KSAE Spring Conference Proceedings, pp , ) G. Kim, J. Kim, Y. Park and C. Lee, Driving Performance Prediction for Low-floor Midsize Bus Using Simulator, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.24, No.5, pp , ) J. Jeong, D. Lee, C. Shin, D. Jeong, K. Min, S. Cha and Y. Park, Comparison of the Fuel Economy of Series and Parallel Hybrid Bus System Using Dynamic Programming, Transactions of KSAE, Vol.21, No.1, pp.92-98, ) J. Kim, C. Lee and Y. Park, Analysis of Fuel Economy for Series Plug-in Hybrid Electric Bus according to Engine Operation Strategy Based on Simulation, Transactions of KSAE, Vol.22, No.5, pp , ) M. D. Petersheim and S. N. Brennan, Scaling of Hybrid-electric Vehicle Powertrain Components for Hardware-in-the-loop Simulation, Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Control Applications, pp , ) T. D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE International, Warrendale, ) Y. Kim, Y. Lee, K. Choi and D. Jeong, Develoment of a Parallel-Type Diesel Hybrid Bus and Fuel Efficiency Results from Trial Runs, SAE , Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 5,

<36375FC1A4C0E7BFED2DC1DFC7FCC0FABBF3B9F6BDBA20BAB4B7C4C7FC20C7CFC0CCBAEAB8AEB5E5C8ADB8A62E687770>

<36375FC1A4C0E7BFED2DC1DFC7FCC0FABBF3B9F6BDBA20BAB4B7C4C7FC20C7CFC0CCBAEAB8AEB5E5C8ADB8A62E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 8 pp. 582-594, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.8.582 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 김기수 1, 박영일 1, 노윤식 2, 정재욱 2* 1