<5BB1B3C8AFBFAC5D20BCD2C7FC20C0DAB5BFC2F720BDC7C1A6B5B5B7CE20C1D6C7E020B9E8C3E2B0A1BDBA20C3F8C1A420BFACB1B8202D20C3D6C1BEBAB8B0EDBCAD2028C3D6C1BE292E6

Transcription

1 발간등록번호 소형자동차실제도로주행배출가스측정연구 A Study of Real Driving Emissions-Light Duty Vehicles (RDE-LDV) measured with PEMS 한국교통대학교 국립환경과학원

2 연구과제보고서 소형 자동차 실제 도로 주행 배출가스 측정 연구 국립환경과학원

3 제출문 국립환경과학원장귀하 본보고서를소형자동차실제도로주행배출가스측정연구에관한연구용역결과보고서로제출합니다 주관연구기관명 한국교통대학교한양대학교 연구책임자 전문수박성욱 공동책임자 차준표 연구원 오윤중 장지환 옥선일 이동인

4 연구개요 요약문 연구과제명 국문 영문 소형자동차실제도로주행배출가스측정연구 연구기관 한국교통대학교 연구책임자 소속한국교통대학교성명전문수 연구기간 개월 연구개발비 천원 참여연구원수 총명 내부 명외부 명 연구목적및필요성 유럽의제도도입연구동향을분석하고 시험방법인 기반의실제도 로주행배출가스측정방법을적용하여국내에적합한소형경유차실제도로주행배 출가스측정방법도입방안을제시함 유로 경유차들의실제도로주행평가를수행하여배출가스저감대책에반영하여현 재의기준보다환경성이개선되는자동차들에대한평가데이터를확보하여배출허용 기준강화정책의실효성과향후저공해차보급대책수립에반영을목표로함 연구개발의내용및범위 유로경유차의기술특성조사유럽의기준에적합한도로주행조건조사실제도로주행조건에서의배출가스평가유로경유차대동력시스템모델링을이용한실제도로조건에서배출가스및경유대휘발유대대하이브리드대 배출량예측 연구결과 국내도로사정을반영한구간특성이다른개의주행경로를개발함 유로 소형경유차의실제도로주행 배출량에대한이동평균구간및 분석결과 경로에서는배출허용기준을각각 배및 배초과하였고경로에서는 각각 배및 배초과하였음 에어컨을작동상태에서실제도로주행 배출량에대한이동평균구간분석결과경 로에서는배출허용기준을 배초과하였고경로에서는 배초과하였음 연구결과활용에대한건의 기반 제도도입등향후저공해자동차보급대책수립에반영하기위한 유로 경유차에대한실제도로주행경로개발및 배출량을평가완료함 실제도로주행조건기반동력시스템모델링을통한향후배출가스관리를위한정책적 기반데이터확보함

5 목차 목차 ⅰ 표목차 ⅲ 그림목차 ⅳ Ⅰ. 서론 연구배경및필요성 연구목적및내용 7 Ⅱ. 연구내용및방법 유로-6 경유차의기술특성 유럽의 RDE-LDV 규제 일반요건 (General Requirements) 경계요건 (Boundary Conditions) 주행경로요건 (Trip Requirements) 실제도로주행배출가스평가방법 이동평균구간 (Moving Averaging Window, MAW) 방법 Power Binning 방법 시험차량제원 이동식배출가스시험장치 (PEMS) 차량동력시스템모델링기법분석 차량동력시스템시뮬레이션 Process 52 Ⅲ. 시험결과및고찰 차대동력계시험결과 국내 RDE 주행경로개발 경로 1 (Route 1) 경로 2 (Route 2) 57 - i -

6 3.2.3 개발경로의특성분석및정상운행의적합성 실제도로주행배출가스분석결과 경로평균 (Distance specific mass emissions) 분석결과 이동평균구간 (MAW) 분석결과 Power binning 분석결과 실제도로주행배출가스평가방법들의비교 에어컨작동상태에따른이동평균구간분석결과 동력시스템모델링을이용한실제도로조건에서배출가스 CO2 배출량예측 도로구배및주행속도를반영한배출가스및 CO2 배출량예측 실제도로조건주행패턴 ( 급가속, 급감속등 ) 에따른배출가스및 CO2 배출량편차분석 차종별주행모드와실제도로조건에서의배출가스및 CO2 배출량상관관계분석 9 Ⅳ. 결론 95 Ⅴ. 참고문헌 97 - ii -

7 List of Tables <Table 2-1> Conformity Factor for the respective pollutant 13 <Table 2-2> Speed range for the allocation of test data to urban, rural, and motorway conditions in power binning method 3 <Table 2-3> Normalized standard power frequencies for urban driving and for a weighted average for a total trip consisting of 1/3 urban, 1/3 road, 1/3 motorway mileage 31 <Table 2-4> De-normalised standard power frequency values from Table 1.( for Example 1) 33 <Table 2-5> De-normalised standard power frequency values from Table 1.( for Example 2) 34 <Table 2-6> Minimum and maximum shares per power class for a valid test 36 <Table 2-7> Specification of test vehicles 41 <Table 2-8> Specifications of PEMS (Model OBS-2) 42 <Table 3-1> Trip sequence of Route 1 57 <Table 3-2> Characteristics of Route 1 57 <Table 3-3> Trip sequence of Route 2 58 <Table 3-4> Characteristics of Route 2 58 <Table 3-5> Test completeness and normality of Route 1 62 <Table 3-6> Test completeness and normality of Route 2 62 <Table 3-7> Summaries of weighted NOx emission and CF with Veh <Table 3-8> Summaries of weighted NOx emission and CF with Veh <Table 3-9> Summaries of weighted NOx emission and CF evaluated by power binning with Veh <Table 3-1> Summaries of weighted NOx emission and CF evaluated by power binning with Veh <Table 3-11> Main input data for vehicle simulation Gasoline vehicle 82 <Table 3-12> Main input data for vehicle simulation Diesel vehicle 82 <Table 3-13> Main input data for vehicle simulation HEV & LPG vehicle 82 - iii -

8 List of Figures <Fig. 1-1> Share of NOx by 212(Korea) and by 213(Europe) 1 <Fig. 1-2> Atmospheric environment, Seoul weather information by year, <Fig. 1-3> Real-driving NOx emissions for light-duty vehicles (Europe) 2 <Fig. 1-4> Real-driving NOx emissions for Korean light-duty vehicles 3 <Fig. 1-5> Parallel hybrid power train modeling 4 <Fig. 1-6> Advantage of vehicle powertrain level simulation method 5 <Fig. 1-7> Structure of project consortium 8 <Fig. 2-1> Functional Principle of Urea-SCR 1 <Fig. 2-2> Functional Principle of LNT 11 <Fig. 2-3> Functional Principle of DPF system 12 <Fig. 2-4> Flow chart of evaluating dynamic conditions in RDE 16 <Fig. 2-5> Illustration of procedure to smooth the interpolated altitude signals 19 <Fig. 2-6> Flow chart of evaluating Positive cumulative elevation gain in RDE 2 <Fig. 2-7> Vehicle speed versus time 22 <Fig. 2-8> Definition of CO2 mass based averaging windows 23 <Fig. 2-9> Vehicle CO2 characteristic curve 25 <Fig. 2-1> Vehicle CO2 characteristic curve: urban, rural and motorway driving definitions 25 <Fig. 2-11> Primary and secondary tolerance of vehicle CO2 characteristic curve 26 <Fig. 2-12> Averaging window weighting function 28 <Fig. 2-13> Schematic picture for converting the normalized standardised power frequency into a vehicle specific power frequency 32 <Fig. 2-14> Schematic picture of setting up the vehicle specific Veline from the CO2 test results in the 4 phases of the WLTC 39 <Fig. 2-15> Flow chart of evaluating power binning in RDE 4 <Fig. 2-16> Schematic of PEMS for real driving emission measurement 42 <Fig. 2-17> Photographs of PEMS installation to test vehicles 42 <Fig. 2-18> Correlation of emission results between PEMS and CVS equipment 43 <Fig. 2-19> Comparison of real-time NOx and CO2 emission rate between PEMS and CVS 44 <Fig. 2-2> Main components of vehicle dynamic simulation model 45 - iv -

9 <Fig. 2-21> Vertical forces acting on front and real wheels 46 <Fig. 2-22> Fuel map, THC emission map and engine full load characteristic curve data 46 <Fig. 2-23> Three-dimensional interpolation method (smallest error square method) 47 <Fig. 2-24> Gear shifting strategy 48 <Fig. 2-25> Improving prediction accuracy of engine operating condition 48 <Fig. 2-26> Performance curve of torque converter 49 <Fig. 2-27> Power controller logic based on Fuzzy logic 5 <Fig. 2-28> Parallel type hybrid power train model (AVL CRUISE) 51 <Fig. 2-29> Calculation process of vehicle dynamic simulation model 52 <Fig. 2-3> forces acting on a vehicle 53 <Fig. 3-1> Chassis dynamometer test results with NEDC and WLTC driving cycles 55 <Fig. 3-2> Route 1 for RDE-LDV 56 <Fig. 3-3> Route 2 for RDE-LDV 58 <Fig. 3-4> Comparison of altitude between route 1 and Route 2 for RDE-LDV 59 <Fig. 3-5> Characteristics of RPA in route 1, NEDC, and WLTC 6 <Fig. 3-6> Characteristics of RPA in route 2, NEDC, and WLTC 6 <Fig. 3-7> CO2 characteristic curve of route 1 61 <Fig. 3-8> CO2 characteristic curve of route 2 61 <Fig. 3-9> Characteristics of distance-specific NOx emission in route 1 and route 2 64 <Fig. 3-1> Characteristics of NOx emission evaluated by MAW in route 1 and route 2 65 <Fig. 3-11> CO2 characteristics curve evaluated by MAW with Veh <Fig. 3-12> On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh <Fig. 3-13> Modal data of vehicle speed, exhaust temperature, and EGR (%) with Veh <Fig. 3-14> CO2 characteristics curve evaluated by MAW with Veh <Fig. 3-15> On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh. 2 7 <Fig. 3-16> Modal data of vehicle speed, exhaust temperature, and EGR (%) with Veh <Fig. 3-17> Characteristics of NOx emission evaluated by power binning in route 1 and 2 72 <Fig. 3-18> Weighted NOx emission evaluated by power binning with Veh <Fig. 3-19> Weighted NOx emission evaluated by power binning with Veh <Fig. 3-2> Comparison of NOx emission evaluated by distance-specific, MAW, and Power binning method 76 <Fig. 3-21> Comparison of NOx emission evaluated by MAW between AC/off and AC/on in route 1 77 <Fig. 3-22> Comparison of NOx emission evaluated by MAW between AC/off and AC/on in - v -

10 route 2 78 <Fig. 3-23> On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh. 3 in route 2 79 <Fig. 3-24> Modal data of urban with AC off condition of Veh. 3 in route 2 8 <Fig. 3-25> Modal data of urban with AC on condition of Veh. 3 in route 2 8 <Fig. 3-26> Real driving routes - city, combined and up-down hill 83 <Fig. 3-27> Comparative analysis of tested and simulated CO 2 results 84 <FIg. 3-28> Validating prediction accuracy of Gasoline D model (CO 2 emission rate) 85 <Fig. 3-29> Validating Prediction accuracy of engine operating point 86 <Fig. 3-3> Validating Prediction accuracy of engine operating point 87 <Fig. 3-31> Correlation analysis between vehicle acceleration and CO 2 emission rate (g/km) 89 <Fig. 3-32> Power binning method weighting factor applied 9 <Fig. 3-33> Power class normalization result 9 <Fig. 3-34> Prodicted CO 2 emission rate based on simulation and power binning method 92 <Fig. 3-35> Fuel efficiency and CO 2 emission prediction result (CVS-75, HWFET driving mode) 94 - vi -

11 Ⅰ. 서론 1.1 연구배경및필요성 2년이후휘발유와경유자동차의 NOx 배출허용기준은약 5.7배강화되는등국내배출가스허용기준은단기간에크게강화되었다. 특히경유자동차의경우, 22년 7월및 26년에단계적으로유럽의유로-3 및유로-4 기준을적용하였으며, 유럽과동일한시기인 29년 9월및 214년 9월에는유로-5 및유로-6 기준을도입하였다. 환경부의강력한배출허용기준강화정책과제작사들의기술개발덕분에 21년부터 211 년까지도로이동오염원에의한 NOx 배출량은약 26% 감소하였으며, 유럽의경우에도 199년이후 212년까지약 54% 감소하는것으로나타나배출허용기준강화정책은실효성이있는것으로분석되고있다. 그러나 213년현재 NOx 배출오염원중도로이동오염원은가장큰비율인약 31% 로집계되고있으며, 유럽의경우에도 212년에약 39% 로차지하고있어도로이동오염원에의한 NOx 배출량은여전히가장중요하게다루어야할오염물질중의하나인것으로지적되고있다. Fig. 1-1 Share of NOx by 212(Korea) and by 213(Europe) 또한서울시기후대기환경정보에의하면, 27년이후 PM1의농도는지속적으로감소되어 21년이후에는기준치이하로나타나고있지만, NO2 농도의경우 28년이후어느정도감소하는경향을보이지만 213년현재여전히기준치를상회하고있다. EU는이와같은현상이나타나는원인을교통량의증가및경유자동차비율의확대와함께 - 1 -

12 유로 -5, 유로 -6 등과같이단계적으로강화되는경유자동차의배출가스허용기준관리제도의 인증시험모드가실제도로의다양한주행패턴을충분히반영하지못하기때문인것으로판단 하고이를보완하기위한정책적대안의필요성을제기하고있다. 1.5 PM 1 concentration(μg/m 3 ) PM1 concentration 2 NO2 concentration PM1 limit (5μg/m3) NO2 limit (.3ppm) Year NO 2 concentration(ppm) Fig. 1-2 Atmospheric environment, Seoul weather information by year, 214 이러한배경아래 EC 산하의 JRC는 27년부터 21년까지유로-3 부터유로-5 소형차 12대에대해 PEMS(Portable Emissions Measurement Systems) 를이용하여실제도로주행배출가스특성을 Fig. 1-3에평가한결과, 휘발유자동차의 NOx 배출량은모두허용기준을만족하였으나, 경유자동차의실제도로주행 NOx 배출량은 NEDC 배출허용기준을 4~7배초과하였으며, 이후시험한유로-6 경유자동차또한 NEDC 허용기준을초과하여배출하는것으로평가되었다. Fig. 1-3 Real-driving NOx emissions for light-duty vehicles (Europe) - 2 -

13 EC-JRC의연구결과는유럽에서소형차실제도로주행배출가스평가제도 (RDE-LDV, Real Driving Emission-Light Duty Vehicles) 도입의기초자료로활용되고있으며, 현재 217년 9월시행을목표로 PEMS 기반실제도로주행배출가스시험절차를개발중이다. 국내에서도 211년부터 한국형오토오일사업 의일환으로소형차에대해 PEMS를이용한실제도로주행배출가스평가연구가진행되고있다. 국내에판매중인경유자동차의실제도로주행 NOx 배출량은 NEDC 기준보다상당히높은수준으로배출하고있는것으로평가되었으며, 소형경유자동차의 NOx 과다배출의원인은실제도로주행패턴과대기온도등운행조건에서 EGR의동작기능이저하되는것으로분석되었다. 또한, 환경부는소형경유자동차들이에어컨가동, 고온흡기조건, 2 이하또는 35 이상의대기온도조건등인증모드이외의운행조건에서 NOx 배출량이과다한것을확인하고해당제작사에개선을권고한바있으며, 제작차인증규정을개정하여일반적인운전조건에서배출가스저감장치의성능을저하하는부품및제어방법등을임의설정 (Emission Defeat Device) 으로규정하고이를금지하고있다. 국립환경과학원은 214년 ULEV 휘발유자동차및유로-5 경유자동차에대한실제도로주행 NOx 배출량평가시험을수행하고, 경유자동차의실제도로주행 NOx 배출량은 NEDC 배출허용기준을상당히초과하여배출하는것이확인되었다. Fig. 1-4 Real-driving NOx emissions for Korean light-duty vehicles 전술한바와같이단계적으로강화되는배출가스허용기준관리제도의인증시험모드가실제도로의다양한주행패턴을충분히반영하지못하는한계가있으며, 현재세계적으로강화되고있는연비및배기가스배출규제에대응하기위해다양한기술이차량에적용되고있으며최근차량의개발속도또한빨라지고있는추세이다. 따라서시험만을통해필요한데이터를확보하는것은시간및비용적한계가있으며, 주요 - 3 -

14 연구소및완성차업체를제외하고는시험데이터의신뢰성을확보할수있는고가의장비구입비용및그에따른시험비용으로인해이밖의대부분의연구소에서는이러한시험인프라를구축하기에는힘들다는단점이있다. 이러한관점에서볼때차량모델링기법은수많은시험을수행하기이전에시험결과의경향성을사전에미리예측하여불필요한시험범위를줄일수있다는장점이있어전세계적으로연구가활발히진행되고있으며아래의그림과같이프로그램을처음접하는유저가쉽게활용할수있는형태의상용프로그램 (AVL CRUISE) 이보급되고있다. Fig. 1-5 Parallel hybrid power train modeling 차량동력시스템모델은기본구성에따라 forward 및 backward 형태로개발되며기존실험연구의한계점 ( 연구비용및시간 ) 을효과적으로보완할수있다는장점이있어차량관련연구에많이사용되고있는추세이다. 차량의경우매우많은컴포넌트들의조합으로구성되어있어모든부분을고려하여시뮬레이션을하기에는다소한계가있으나주요부품에대한모델을잘활용할경우시험결과와상대오차가크지않은예측정확도높은결과를도출할있다는장점이있어그활용도가점점높아지고있는추세이다. (Fig. 1-6 참조 ) - 4 -

15 시험을통한차량의 CO 2 연구 : 실제현상에가깝게모사가능하나시간및비용소모가큼 차량동역학 & 모델링기법적용복잡한차량의구조를차량컴포넌트 module의조합으로구성함 차량의기본적인주행모드, 연비 & 배기맵, 제원등계산에필요한데이터를선택하고입력함 시뮬레이션기법을통한차량의 CO 2 연구 : 짧은연구기간내다양한데이터확보에용이함 Fig. 1-6 Advantage of vehicle powertrain level simulation method 차량동력시스템모델링기술개발필요성에대해요약하면다음과같다. 1. 시험을수행하기이전에시험결과의경향성을사전에예측 : 불필요한시험을줄이고보다효율적으로시험조건을구성할수있다. ( 차량관련연구기간단축 ) 2. 차량주요제원변경이연비및배기성능에미치는영향분석을단기간내에효율적으로수행할수있음 : parametric study에적합하다. 3. 특정주행시험모드를벗어나보다다양한실도로조건 ( 도로구배, 급감속, 급가속, 외기조건 ) 에서의차량성능결과를정량적으로도출할수있다. 4. 시험과정에서는결과에영향을미치는다양한외부인자가있으며이를완벽히제어하기어렵다. 따라서, 시험결과의재현성이다소떨어진다는문제점이있다. 반면, 시뮬레이션기법은외부인자를사용자가원하는범위내에서완벽히조절할수있어현실적으로시험을수행하기어려운조건에서의결과도출에용이하다. 5. 차량개발단계에서가상 model을생성하여개발되지않은가상차량성능을사전에예측할수있다. 현재개발되고있는차량의보급효과를사전에예측가능하다

16 6. 차량연비향상및온실가스개선방안에대한다각적인분석에용이하다. 차량주행특 성, 차량제어방식등의변경을통한연비향상및온실가스저감연구수행에적합하다

17 1.2 연구목적및내용 전술한바와같이제작차의배출가스강화정책의실효성을검증하고, RDE-LDV 제도도입등저공해자동차보급대책수립에반영하기위하여실제도로주행조건에서배출가스특성을평가해야한다. 이를위하여유럽의제도도입연구동향을분석하고, RDE-LDV 시험방법인 PEMS 기반의실제도로주행배출가스측정방법을적용하여국내에적합한소형차실제도로주행배출가스측정방법도입방안을제시한다. 그리고국내적용가능성을평가함으로서실제도로주행기반의제작차관리제도를조기에도입하고자한다. 또한, 다양한실제도로주행조건에서의배출가스특성분석및미래형자동차의 CO 2 저감기술평가요구에효율적으로대응하기위하여자동차동력시스템모델링을통한대기오염물질및 CO 2 배출량예측기술을확보하고자한다. 따라서본연구에서는환경성능이개선된유로-6 경유차들의실제도로주행평가를수행하여배출가스저감대책에반영하여현재의기준보다환경성이개선되는자동차들에대한평가데이터를확보하여기존차량과비교분석함으로서제작차배출허용기준강화정책의실효성과향후저공해차보급대책수립에반영을목표로다음과같은내용으로연구를수행하였다. 1. 유로 -6 경유차의기술특성조사 가. 유로 -6 경유차의질소산화물및입자상물질저감기술적용사례및특성분석 2. 유럽의 RDE-LDV 기준에적합한도로주행조건조사가. 유럽의 RDE-LDV 규제 ( 시험절차, 주행경로설정방법, 실제도로주행시험조건, 데이터분석방법, 장비규격, 허용기준등 ) 조사나. 규제기준에적합한국내시험도로선정 3. 실제도로주행조건에서의배출가스평가 ( 유로-6 경유차 6대 ) 가. 국내판매중인유로-6 소형경유차에대해 PEMS를이용한실제도로주행배출가스시험나. 유럽의 RDE-LDV 데이터분석방법적용 4. 동력시스템모델링을이용한실제도로조건에서배출가스및 CO 2 배출량예측 ( 경유 5 대, 휘발유 5 대, LPG 2 대, 하이브리드 1 대 ) - 7 -

18 가. 도로구배및주행속도를반영한배출가스및 CO 2 배출량예측나. 실제도로조건주행패턴 ( 급가속, 급감속등 ) 에따른배출가스및 CO 2 배출량편차분석다. 차종별주행모드와실제도로조건에서의배출가스및 CO 2 배출량상관관계분석 본연구의목표를효과적으로달성하기위하여한국교통대학교가전체적인연구진을총괄 하고한국교통대학교와한양대학교가참여하는 Fig. 1-7 와같은과업수행추진체계를구성하 여연구를수행하였다. : 3 : 5 : 1 ( : 9 ) CO 2 Fig. 1-7 Structure of project consortium - 8 -

19 Ⅱ. 연구내용및방법 2.1 유로 -6 경유차의기술특성 최근연비최소화및강화된 NOx 규제대응을위한유로 6 대응기술은배기재순환 (cooled-egr, cooled-exhaust Gas Recirculation) 기술을희박질소산화물트랩 (LNT, Lean NOx Trap) 및선택적환원촉매 (SCR, Selective Catalytic Reduction) 기술과함께적용하여구성방법이대두되고있다. 특히, 유로 5까지 EGR 만으로는강화되는 NOx 규제를만족시키기어려워 LNT 및 SCR 기술적용이필수적인것으로보인다. 디젤엔진의 NOx 저감기술로요소 (Urea) 를이용하여 NOx를선택적으로저감시키는 urea-based SCR 기술이대표적이며, 유럽을중심으로시장이형성되고있다. Urea는상온에서액체상으로존재하는물질이며, 약 15도이상의온도에서열분해되어암모니아를발생시키고, 생성된암모니아는지올라이트등촉매의도움을받아질소산화물을환원시킨다. urea-based SCR 기술은다른후처리기술에비해촉매반응온도대역이넓고, 내구성이우수하다는장점이있으며, 약 6 ~ 8 % 수준의높은 NOx 정화효율을얻을수있다. 그러나, urea-based SCR 기술은액체상의 urea를공급하기위한대규모인프라를필요로하며, 시스템측면에서도액체상태인 urea를저장하기위한용기및분사장치등부수적인장치들이필요하기때문에경제적인면에단점이있다. 또한기존의액체우레아시스템은액체를분사하고, 배기열로기화시켜야하므로배출가스온도가 2 이하의조건에서분사하는경우기화가되지않고, 고체암모늄이생성되는한계를갖는다. 그리고, SCR 촉매상에환원제를균일하게분포시키기위한엔지니어링노력이필요하다. 액체우레아공급장치로는보쉬의 Denoxtronic 시스템이대표적이다. 적용대상차량에따라 Denoxtronic 시스템제품군이다양한것이특징이다. 우레아펌프는 application 종류에따라우레아탱크외장형과내장형두종류로나뉜다. 통상우레아분사압력은 4.5~9 bar로분사되며, 분사되는우레아액적의크기는약 75~1μm SMD를갖는다. SCR 기술은 23년유럽에선보인이후현재 3 ~4세대로발전되고있고, 보급초기에는유로 6 수준을만족하기위하여저감효율이약 75% 정도였으나, 213년이후저감효율은약 95% 로향상되었다. SCR 장치는높은정화효율을가지지만높은가격과장착위치확보의어려움등을극복해야하는기술적과제를가지고있다. Urea-SCR은 urea가가수분해반응을일으켜암모니아 (NH3) 와이산화탄소 (CO2) 로변환된후, SCR 촉매에서 NOx가질소와수증기로변환되어 NOx가저감되는원리이며요소수가반드시보급되어야한다. 또한탑재공간등의문제로승용차에적용하기에는어려움이있으나, 현재대형경유차에적합한장치가개발되어실용화되고있다

20 Fig. 2-1 Functional Principle of Urea-SCR 한편고체암모늄을이용하는 SCR 기술은가열하면암모니아로열분해되는고체상 urea 또는 ammonium carbamate, ammonium carbonate 등고체암모늄을이용하는 SCR 기술로써별도의인프라의구축이필요없고, 암모니아저장용기의크기가대폭작아지는등시스템이간단하여경제적인면에장점이있어 liquid urea SCR의대체기술로연구되고있다. LNT는 SCR과더불어 NOx를저감하는후처리장치의일종이며, NOx가배출되는동안백금 (Pt), 로듐 (Rd), 바륨 (Ba) 등의촉매를이용하여 NO2의형태로포집하였다가, 일정한주기로주어지는농후한영역혼합기의탄화수소 (HC) 와일산화탄소 (CO) 의반응으로환원정화한다. 하지만 LNT는 Urea SCR에비해효율이낮으나연료를환원제로공급하므로따로환원제공급망을구축할필요가없어유리하다. 하지만황에의해피독되고, 잦은 NOx 재생의경우연비가악화되는단점이있다. 또촉매로이용되는백금의가격이최근들어상승함에따라 LNT의가격경쟁력이약화되고있다. 아래의그림에 LNT (Lean NOx Trap) 의원리및후처리반응에대해나타내었다. 과거에는 HC-SCR이낮은 NOx 저감효율 (2% 수준 ) 로인하여실용성이떨어졌으나, 엔진에서저온연소로인하여 NOx 농도는낮아지고, HC 농도는높아져실용성이점차높아지고있다. 또한연료를개질하여수소를만들어낼경우저온에서의효율을높일수있어현재많은연구가진행되고있다. 특히, Oak Ridge National Lab. 에서엔진실린더내에연료를분사하는두가지방식과세가지촉매의조합에대해 NOx 저감효과를비교하였으며, 촉매후단에서의 NH3 배출농도를비교하였다. 그리고 Ford에서는 2 이하의낮은온도에서높은활성을가지는 Alumina-Based LNT에대해보고하였다. 기존의 Ba-on-alumina LNT 앞에약간의 Ba 이포함된 Alumina-based LNT를위치시켰을때높은 denox 효율을얻었다. Umicore에서는 Tier 2 Bin 5를만족할수있는세가지 NOx 저장촉매를비교실험하였으며, 고온에잘견디는촉매를앞에그리고탈황이상대적으로낮은온도에서일어나는촉매를뒤에위치시키면 - 1 -

21 3,mile 후에도 8% 정도의 denox 효율을갖는다는것을보였다. Fig. 2-2 Functional Principle of LNT DPF ( 매연여과장치, Diesel Particulate Filter) 에포집된입자상물질 (PM, Particulate Matters) 은가능하면빠른시간내에태워서필터가다시 PM을포집할수있도록해야하며이를필터재생이라고한다. 이때재생에의해필터가과열되어파손되지않도록하는제어기술이중요하다. 재생과정은촉매 light-off 온도, 공급되는산소농도, 산소유량, PM의포집량에따라적절하게조절하여야한다. 재생방법은크게전기히터, 버너, 트로틀링등을사용하여 soot를연소할수있는온도인 6oC 까지가열하는강제재생 (active regeneration) 방법과필터에촉매를코팅하거나연료첨가제를사용하여 soot 연소온도를원래보다 25oC 정도낮추어엔진배출가스열로재생하는자연재생 (passive regeneration) 방법, 위의두방식을동시에적용하는복합재생 (combined regeneration) 방법으로나누어진다. 버너를이용한 DPF 강제재생기술은 199년초반부터많은회사들에의해운행차용 DPF시스템으로개발적용된기술이며, 작동조건에따라 idle과같은특정운전조건에서만버너를작동시켜 DPF를재생하는 single point burner 시스템과모든운전조건에서버너를작동시키는 full flow burner 시스템으로나뉠수있다

22 Fig. 2-3 Functional Principle of DPF system

23 2.2 유럽의 RDE-LDV 규제 일반요건 (General Requirements) 제작차및운행차의인증시험배출가스양은모든운행기간중다음의초과금지 (NTE, Not-To-Exceed) 값보다작아야한다., 여기서, 는 (EC) No. 715/27 규정에서제시한 Euro 6 배출허용기준을적용한값이며, 는다음표에나타낸각배출물의적합계수 (Conformity Factor, CF) 이다. Table 2-1 Conformity Factor for the respective pollutant Pollutant Mass of Oxides of nitrogen (NOx) Number of particles (PN) Mass of carbon monoxide (1) (CO) Mass of total hydrocarbon (THC) Combined mass of total hydrocarbons and oxides of nitrogen (THC + NOx) 1+margin (marigin=.5) TBD (1) CO emissions shall be measured and recorded at RDE tests 일반요건은전체시험경로와도심구간에대하여만족해야하며제작사는이동평균구간방법 (Moving Averaging Window, MAW) 과 Power Binning 방법중하나의평가방법을선택할수있다. 또한, 전체시험경로와도심구간의배출량모두초과금지값보다작아야한다. 본규정에따라제작차및운행차에대한배출가스인증시험에실제도로주행배출가스시험이포함되어위에제시한요건이준수되어야하며, 필요시별도의실제도로주행배출가스시험을수행하여운행차의배출허용기준을재평가할수있다. 각정부는교통법규와안전에대한요건을준수하면서자국의법규내에서시험절차에따라 PEMS 시험이공공도로에서수행될수있도록보장하여야한다. 제작사는독립적인기관에의해공공도로에서 PEMS 시험이수행될수있도록예를들어배기파이프에대한적절한어댑터의제작, 엔진제어장치 (ECU) 신호의접근허용, 필요한행정적지원을보장하여야한다. 만약, 본규정에의한 PEMS 시험이필요하지않은경우, 제작사는규정 (EC) No

24 715/27 의 7(1) 조에제시한데로합당한비용을청구할수있다 경계요건 (Boundary Conditions) 환경조건 (Ambient Conditions) 시험은다음과같은환경조건에서수행되어야하며, 온도조건또는고도조건중하나가확장되면환경조건은 확장 된다. - 일반고도조건 : 해발고도 7 m 이하 - 확장고도조건 : 해발고도 7 m 초과, 1,3 m 이하 - 일반온도조건 : 273 K ( C) 이상, 33 K (3 C) 이하 - 확장온도조건 : 266 K (-7 C) 이상, 273 K ( C) 미만또는 33 K (3 C) 초과, 38 K (35 C) 이하 동적조건 (Dynamic Conditions) 동적조건은도로경사도, 맞바람, 주행동특성 ( 가속, 감속 ), 시험차량의연료소비율및배출가스에영향을미치는보조장치의영향등이포함된다. 시험이완료된이후동적조건에대한정상성 (normality) 검증이수행되어야하며, 동적조건의영향은데이터평가방법 (MAW, Power binning) 에반영하여분석된다. 각검증방법은동적조건의기준, 유효성확보를위한기준대비최소허용범위를포함한다. 운전동적조건의전체과도성 (Overall Excess) 및부족성 (Overall Insufficiency) 의평가를통하여아래와같이전체시험경로의동적조건을검증해야한다. 첫단계로동적조건의변수들을검증하기위하여차량속도데이터를아래와같이가속도분해능 (acceleration resolution, ares) 을통하여전처리 (Data pre-processing) 한다. - : 차량속도데이터가충분히정밀함 - : 차량속도데이터에 T4253H Hanning Filter 를적용함 - : 시험데이터가무효함 전처리된차량속도데이터를통하여거리 (Distance), 가속도 (Acceleration), 를 1 초간격

25 으로시간순에따라계산한다. 이데이터들을도심구간 ( 차량속도 6km/h 이하 ), 교외구간 ( 차량속도 6km/h 초과, 9km/h 이하 ), 전용도로구간 ( 차량속도 9km/h 초과 ) 으로나눈다. 그리고각구간의평균차량속도 (, ) 를구한다. 단, 각구간에서 ares ( 가속도분해능 ) 이.1m/s2 이상인데이터가최소 15개이상이되어야한다. 다음단계로각구간별로데이터를오름차순으로정렬하여 95 번째의값 ( ) 을구한다. 일련의과정을아래의그림 1-1 에나타내었다. 각구간의 값을통하여전체과도성 (Overall Excess) 을평가하며아래의조건에 부합하는경우에시험데이터는무효하다. - : - : 각구간별로양의상대가속도 (relative positive acceleration, RPAk) 를다음식을이용하여구 하여전체부족성 (Overall Insufficiency) 를평가한다., 각구간의 RPAk 의값이아래의조건에부합하는경우에시험데이터는무효하다. - : - :

26 Data pre processing a res : Acceleration resolution (minimum acceleration value > ) Accurate enough Smoothing by T4253H Hanning Filter Invalid Calculation : distance, acceleration, d i a i v a i N t d d 1 2 d Nt a a 1 2 a Nt 1 v a v a v a 2 N t Binning of Results ; d i v i a i v a i d i v i a i v a i d i v i a i v a i N k d d 1 2 d Nk v v 1 2 v Nk a a 1 2 a Nk 1 v a v a 2 v a N k d d 1 2 d Nk v v 1 2 v Nk a a 1 2 a Nk 1 v a v a 2 v a N k d d 1 2 d Nk v v 1 2 v Nk a a 1 2 a Nk 1 v a v a 2 v a N k Urban Rural Motorway ( 단, 각구간에서 a i >.1 m/s 2 인데이터가최소 15 개이상이어야함 ) Calculation :, : 각구간에서 a i >.1 m/s 2 인데이터의수 d i v i a i v a i d i v i a i v a i d i v i a i v a i M k d d 1 2 d Mk v v 1 2 v Mk a a 1 2 a Mk 1 v a v a 2 v a M k d d 1 2 d Mk v v 1 2 v Mk a a 1 2 a Mk 1 v a v a 2 v a M k d d 1 2 d Mk v v 1 2 v Mk a a 1 2 a Mk 1 v a v a 2 v a M k 95 th persentile Urban Rural Motorway Fig. 2-4 Flow chart of evaluating dynamic conditions in RDE

27 2.2.3 주행경로요건 (Trip Requirements) 아래의조건에따라순간속도로분류한도심, 교외, 전용도로점유율은총주행거리에대한백분율로표시한다. - 도심주행 : 차량속도 6 km/h 이하 - 교외주행 : 차량속도 6 km/h 초과 9 km/h 이하 - 전용도로주행 : 차량속도 9 km/h 초과주행점유율은차속에의한분류에따라약 34 % 의도심주행, 약 33 % 의교외주행, 약 33 % 의전용도로주행점유율로구성하며, 이주행점유율은 ±1% 범위내에서조정가능하다. 도심, 교외, 전용도로경로의최소주행거리는 16 km 이다. 그러나도심주행점유율은 29% 이상이어야한다. 또한, 주행경로구성은주행점유율에따라도심주행, 교외주행, 전용도로주행순서로구성하여야하며, 도심, 교외, 전용도로주행은연속적으로이루어져야한다. 교외주행은도심지역을통과로인한도심주행기간으로짧게중단될수있다. 전용도로주행은톨게이트또는공사구간의통과와같은도심또는교외주행기간으로짧게중단될수있다. 시험순서변경에대한합당한이유가있는경우에는인증기관의승인을받아도심, 교외, 전용도로주행순서가변경된별도의주행경로를만들수있다. 도심구간평균차속은정지구간을포함하여 15 ~ 4 km/h 사이에이루어져야한다. 정지구간은 1 km/h 미만의차속으로정의하며, 도심구간주행시간중최소 6 ~ 3 % 이상의정지구간이포함되어야한다. 또한도심구간주행에는 1초이상의정지구간이두구간이상포함되어야하며, 도심주행총정지구간의 8% 를차지하는한번의과도한정지구간은허용되지않는다. 전용도로주행은 9 ~ 11 km/h의속도범위에서적절하게구성하여야하며, 1 km/h 이상의차속을초과하는시간이 5분이상이어야하며, 총주행시간은 9 ~ 12분사이에이루어져야한다. 주행경로시작과종료지점의해발고도차이가 1 m 이하이어야한다. 전체시험경로의 Cumulative positive elevation gain을평가하여그값이 12m/1km 이하여야한다. 이를검증하기위한첫단계로서전체시험경로의고도데이터를 GPS 데이터로부터취득한다. 하지만, GPS의고도데이터와지형도의고도데이터값의차가 4m 이상이면시험의고도데이터는지형도의고도데이터로변환한다

28 이면, 여기서, 는차량고도데이터 [m] 는 GPS로부터취득한차량고도데이터 [m] 는지형도로부터취득한차량고도데이터 [m] 전체시험경로에대한차량고도데이터를다음과같은조건에의하여교정된차량고도 데이터 를구한다. 이면, 이렇게결정된변수인거리 () 및속도 (), 교정된차량고도 ( ) 데이터는 1 초 간격으로시간순으로정렬되어있다. 이변수를다음의식을이용하여이동거리에따르는데 이터로변환한다. 이동거리에대한고도데이터 hint(d) 를다음과같이제시된식 을적용하여보 간 (smoothing) 하며이개념은그림 1-2 에나타내었다

29 Fig. 2-5 Illustration of procedure to smooth the interpolated altitude signals 이와같이보간된 hint,sm,1(d) 를앞서제시한보간법을아래와같이다시적용하여 를구한다. 이중에서 보다큰값들 ( ) 을선별하여아래와같이 Positive cumulative elevation gain 을구하고 12m/1km 이하면주행경로요건을만족한다

30 이와같은주행경로 Positive cumulative elevation gain 의검증에관한일련의과정을그림 1-3 에나타내었다. Screening ; Correction ; Altitude for each discrete way ; v t d(t ) (t ) h corr h int d t v( 1) v( 2) v( t ) d( 1) d( 2) d( t ) h ( 1) corr h ( 2) corr h ( t ) corr d h ( 1) int h ( 2) int h ( d ) int Data smoothing with road grade,1 ; h int d road grade, 1 ( d ) hint, sm, 1 ( d ) d h ( 1) int h ( 2) int h ( d ) int d road road road grade, 1 grade, 1 grade, 1 ( 1) ( 2) ( d ) h h h int, sm, 1 int, sm, 1 int, sm, 1 ( 1) ( 2) ( d ) 2 nd smoothing ; Calculation of final results ; road grade, 1 ( d ) hint, sm, 1 ( d ) road grade, 2 ( d ) road grade, 2 ( d ) d road road road grade, 1 grade, 1 grade, 1 ( 1) ( 2) ( d ) h h h int, sm, 1 int, sm, 1 int, sm, 1 ( 1) ( 2) ( d ) d road road road grade, 2 grade, 2 grade, 2 ( 1) ( 2) ( d ) d road road road grade, 2 grade, 2 grade, 2 ( 1) ( 2) ( d ) Valid Fig. 2-6 Flow chart of evaluating Positive cumulative elevation gain in RDE - 2 -

31 2.3 실제도로주행배출가스평가방법 이동평균구간 (Moving Averaging Window, MAW) 방법 이동평균구간의정의이동평균구간 (Moving Averaging Window, MAW) 방법은규정된시험조건에서차량의실제도로주행배출가스데이터를분석하는방법이다. 시험데이터를하위데이터구간 (window) 으로구분한후, 실제도로주행배출가스성능평가의적합성을확인하기위하여데이터를통계적으로처리하는방법이다. 정상성 (normality) 은각데이터구간의주행거리당 CO2 배출량을기준곡선과비교하여판단하며, 차속을기준으로구분되는도심 (urban), 교외 (rural), 전용도로 (motorway) 주행영역에서규정에의한유효수이상의정상데이터구간이확보되었을때실제도로주행배출가스시험은완료된다. 특히, 순간배출가스데이터는기준 CO2 배출량에근거한이동평균구간방법으로통합하여다음과같은원리로계산한다. 배출가스질량은전체시험데이터가아니라특정구간으로정의된부분데이터구간을대상으로계산하며, 특정구간의길이는시험차량이차대동력계에서기준사이클을주행할때배출하는 CO2 배출량에상응하는값으로결정한다. 평균구간계산은시험데이터샘플링주파수와동일한시간간격 (Δt) 만큼이동하면서수행한다. 배출가스데이터를평균하기사용되는부분데이터구간을 평균구간 (averaging window) 이라하며, 종료시간을현재시점을정의하여역방향으로평균구간을산출하거나시작시간을현재시점으로정의하여순방향으로평균구간을산출할수있다. 다음의경우, CO2 배출량, 배출가스질량, 평균구간의거리계산등에고려하지않는다. 측정장비의주기적인교정또는영점조정기간 냉간시동구간 1km/h 미만의차량정지구간 엔진의연소가정지된시험구간배출가스의질량 ( 또는입자수 ) 는 g/s( 또는 #/s) 의단위로적산된순간배출량값으로나타낸다. j번째평균구간의기간인 는다음식으로결정한다

32 여기서, 는평균구간시작시간부터 시간까지의 CO2 질량 (g) 이며, 는 시험차량이 WLTP 사이클 ( 시험유형 I, 냉간시동포함 ) 주행시배출하는 CO2 배출량 (g) 의.5 배이다. Fig. 2-7 Vehicle speed versus time 한편, 평균구간을결정하는종료시간 는다음식으로결정한다. 여기서, Δt 는데이터샘플링시간이며, 부록 4 에정의한데로순간배출량데이터를적산 하여평균구간내의 CO2 배출량 (g) 을계산한다

33 Fig. 2-8 Definition of CO2 mass based averaging windows 즉, 결정된각평균구간에서모든유해배출가스에대한주행거리당배출량 ( ) 및 주행거리당 CO2 배출량 ( ), 평균차속 ( ) 의값을계산하여야한다 이동평균구간의평가시험차량의동적조건기준은배출가스인증시험에서측정된평균차속대비 CO2 배출량곡선에근거하며, 이를 차량 CO2 특성곡선 (vehicle CO2 characteristic curve) 이라칭한다. 주행거리당 CO2는 UNECE Global Technical Regulation No Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (ECE/TRANS/18/Add.15) 에규정된시험차량의도로저항값을사용하여구한다. CO2 특성곡선을정의하기위한기준점, 및 는다음과같다. - 기준점 : 19 km/h (WLTP 사이클저속구간의평균차속 ) : WLTP 사이클저속구간 CO2 배출량의 1.2 배 [ g/km] - 기준점 : 56.6 km/h (WLTP 사이클고속구간의평균차속 ) : WLTP 사이클고속구간 CO2 배출량의 1.1 배 [ g/km]

34 - 기준점 : 92.3 km/h (WLTP 사이클초고속구간의평균차속 ) : WLTP 사이클초고속구간 CO2 배출량의 1.5 배 [ g/km] 정의한기준점을사용하여 CO2 배출량이특성곡선을구한다. 이곡선은두직선구간 (, ) 와 (, ) 로정의되는평균차속의함수이다. 직선 (, ) 의 x 축값인차속은 145 km/h 까지이며, 다음식으로부터특성곡선이정의된다. 직선구간 (, ) :, 직선구간 (, ) :,

35 Fig. 2-9 Vehicle CO2 characteristic curve 각구간은다음과같이평균차속 에의하여나눈다. - 도심 (urban) 평균구간 : 평균차속 가 45 km/h 미만 - 교외 (rural) 평균구간 : 평균차속 가 45 km/h 이상, 8 km/h 미만 - 전용도로 (motorway) 평균구간 : 평균차속 가 8 km/h 이상, 145 km/h 미만 Fig. 2-1 Vehicle CO2 characteristic curve: urban, rural and motorway driving definitions

36 시험의완료성 (Completeness) 및정상성 (Normality) 검증 차량 CO2 특성곡선의 1 차허용한계, 과 2 차허용한계, 는각각 25% 와 5% 로정하 며그림 1-8 과같이구분되어진다. 5 CO 2 Characteristics Curve CO 2 emissions (MAW, g/km) % + 25% 25% 5% Severe driving condition Normal driving condition Soft driving condition Vehicle speed (MAW, km/h) Fig Primary and secondary tolerance of vehicle CO2 characteristic curve 첫단계로도심, 교외, 고속도로주행평균구간은각각주행시험총평균구간의 15% 이상이되어야시험의완료성 (completeness) 이검증된다. 다음단계로도심, 교외, 고속도로주행평균구간의 5% 이상이특성곡선으로정의한 1차허용한계내에포함되어야시험의정상성 (normality) 이검증된다. 하지만, 정상주행최소요구조건인 5% 평균구간을만족하지못할경우, 5% 기준에도달할때까지 1차허용한계인 을 1% 씩증가시킬수있으나 3% 를초과할수없다 실제도로배기배출량계산배출량은도심, 교외및고속도로주행평균구간으로구분하며, 각주행평균구간에서산출한주행거리당배출량에대한가중평균값으로계산한다. 총주행구간에대한가중평균배출량은다음식과같다

37 각평균구간에대한가중계수 는다음식으로결정한다. 인경우 : 인경우 :, 인경우 :,

38 Fig Averaging window weighting function 도심, 교외, 고속도로평균구간으로구분된주행구간의가혹지수는다음과같다. 또한, 총주행구간에대한가혹지수는다음식으로계산한다. 여기서,, 은각각.34,.33 및.33 이다. 도심, 교외및고속도로평균구간에대한가중주행거리당배출량은 mg/km 의단위로계산 되며, 총주행구간에대한가스물질의배출량은다음식과같다. 또한, 입자수의계산은다음과같다

39 여기서,, 은각각.34,.33 및.33 이다

40 2.3.2 Power Binning 방법 표준축출력빈도수분포를이용한평가 Power Binning은순간배출가스양 (g/s) 데이터를사용하여평가하는방법으로측정된 는축출력에해당하는등급으로분류한다. 분류된각출력등급의평균배출량은표준출력분포빈도수를이용하여가중하여계산하며, 그과정은다음과같다. 축출력정보축출력 는주행시발생하는공기저항, 구름저항, 차량관성, 축의회전관성등에상응하는차량의총출력이다. 차량의축출력을구하는데필요한축토크를측정또는기록할때, 토크신호는선형성을만족하여야한다. 차량의축출력을구하는다른방법으로 CO2 배출량을이용하여결정하는방법이있다. 도심, 교외고속도로주행에대한이동평균값의구분표준출력분포빈도수는도심주행구간과총주행구간에대해정의되며, 배출량또한총주행구간과도심주행구간으로구분하여평가한다. 따라서순간데이터의 3초이동평균값은표 1-2에정리한바와같이차량속도의 3초평균값인 을기준으로도심운행과도심외의운행조건으로할당한다. Table 2-2 Speed range for the allocation of test data to urban, rural, and motorway conditions in power binning method 도심주행교외주행 (1) 고속도로주행 (1) 3 초평균차속 [ km/h ] 6 6 < 9 9 < (1) 3 초이동평균값의도심속도조건은도심운행구간에서만도심주행을구분하는속도 조건으로사용됨. 총주행경로의 3 초이동평균값은차량속도와는상관없이사용됨 여기서, 는 시간단계에서차량속도의 3 초이동평균값 (km/h) 이며, 는이동평균값에대 한시간단계이다

41 순간데이터의평균값계산 3 초이동평균값은배출량과축출력과의시차에서비롯되는영향을최소화할수있도록적 절한순간데이터로계산하는방법으로이동평균값은 1 Hz 의빈도수로구한다. 여기서, 는이동평균값에대한시간단계이며, 는순간데이터의시간단계이다. 배출량분류를위한축출력설정 표 1-3 는소형자동차를대표하는정규화출력값에대한정상주행조건에서출력등급과각 출력등급의시간점유율을나타낸다. Table 2-3 Normalized standard power frequencies for urban driving and for a weighted average for a total trip consisting of 1/3 urban, 1/3 road, 1/3 motorway mileage 출력등급 [-] 도심경로총주행경로 최소 ( > ) 최대 ( ) 시간점유율, % % % % % % % % % % %.4232 % %.511 % %.24 % %.3 %

42 실제차량출력은표 1-3 의 열의정규화출력값에 를곱하여구한다. 여기서 는차대동력계를사용한형식승인시험시의주행저항조건에서시험차량이 의기준 속도와 의기준가속도로주행할때의축출력이다. 여기서, 는표 1-3에나타낸출력등급이며, 는형식승인시험시의시험차량의공차중량 (kg) 이다. 출력빈도수의수정이필요한출력등급은표 5-2의출력등급중시험차량의최대축출력의.9배 ( ) 에해당하는등급이며, 이등급은시험차량의최상위등급이된다. 이등급보다높은나머지등급의시간점유율은최상위등급의시간점유율에추가된다. 정규화출력 에해당하는시험차량의등급별최소및최대출력은 를곱하여계산한다. 이비정규화변환과정예시는아래와같으며, 그림 1-1은변환결과이다. Fig Schematic picture for converting the normalized standardised power frequency into a vehicle specific power frequency

43 비정규화에필요한입력데이터 : [N] [ N/(km/h) ] [ N/(km/h)² ] [kg] [kw] (1) [kw] (2) , (1) 예시 1 (2) 예시 2 예시 : Table 2-4 De-normalised standard power frequency values from Table 1.( for Example 1) 출력등급 [-] 도심경로총주행경로 최소 ( > ) 최대 ( ) 시간점유율, 1 All < % % % % % % % % % % %.4232 % %.511 % %.24 % 9 (1) All > %.3 % (1).9 Prated =.9 12 = 18 kw. 수정이필요한최상위등급은 18 kw 가포함된 9 등급 이며, 이경우에는더높은등급이없기때문에별도의수정이필요없음

44 Table 2-5 De-normalised standard power frequency values from Table 1.( for Example 2) 출력등급 [-] 도심경로총주행경로 최소 ( > ) 최대 ( ) 시간점유율, 1 All < % % % % % % % % All > % % 6 (1) %.477 % %.511 % %.24 % All > %.3 % (1).9 Prated=.9 75=67.5kW. 수정이필요한최상위등급은 67.5 kw 가포함된 6 등급 이며, 6 등급보다높은등급의시간점유율은 6 등급의시간점유율에추가됨 평균값의분류각이동평균값들은 3초이동평균축출력값인 를기준으로비정규화축출력등급으로분류한다. 비정규화축출력의최상위등급은축출력설정에따라계산하여야한다. 초이동평균값들의등급분류는총주행경로뿐만아니라도심주행경로에대해수행하여야한다. 또한, 도심운행구간에서표 1-2에서정의한속도범위에따라도심주행으로분류된 3초이동평균값들은별도로도심주행출력등급으로분류하여야한다. 아래에나타낸식을이용하여각출력등급으로분류된모든변수들의 3초이동평균값들은해당등급에서아래에제시한식을사용하여등급별평균값을계산한다. 등급별평균값계산은도심경로주행데이터와총주행경로데이터에대해각각수행하여야한다

45 - 출력등급에대한 3 초이동평균값분류조건 ( =1~9) : 3 초이동평균축출력 이다음식에의해 등급으로분류되면 배출가스유량과차량속도의 3 초이동평균값 와 의출력등급은 이다. - 각출력등급의 3 초이동평균값의수 : 다음식에의해 3 초이동평균축출력 이 등급으로분류되면 이다. 는출력등급의 3 초평균배출량값의개수이며, 출력등급이최 소유효개수를만족하는지판단하는데사용한다. 출력등급의유효개수및출력분포의정상성확인실제도로배출가스시험의유효성확인을위한각축출력등급의시간점유율범위는표 1-6과같다. 표 1-6에제시한각등급의시간점유율에대한필요요건이외에도충분한양의데이터확보를위해총주행경로에대한데이터는최대출력의 9% 가되는출력등급에서 5개보다많은배출량데이터유효개수조건을만족하여야한다. 도심주행경로에대한데이터는 5번출력등급에서 5개보다많은배출량데이터유효개수조건을만족하여야한다. 도심주행경로에서 5번출력등급의배출량데이터유효개수 5 이하인경우, 평균등급배출량 (average class emissions) 값은 이된다

46 Table 2-6 Minimum and maximum shares per power class for a valid test 출력등급 [-] 도심경로총주행경로 최소 ( > ) 최대 ( ) 최소최대최소최대 1+2 (1).1 5 % (1) 6 % 15 % 6 % % 5% 35% 5% % 25 % 7 % 25 % >5counts 5 % 1% 1 % % 2 % > 5 counts 2.5 % % 1 % % 1 % %.5% %.5% %.25 % %.25 % (1) 모터링과낮은출력조건을함께나타냄 출력등급의평균값계산 각출력등급으로분류된 3 초이동평균값들의등급별평균값은다음과같이산출한다. 여기서, : 표 5-2 에나타낸 1 ~9 단계의축출력등급 : 축출력등급에서배출가스성분의평균배출량 [ g/s] ( 총주행경로데이터와도심경로주행데이터는분리함 ) : 축출력등급의평균차량속도 [ km/h] ( 총주행경로데이터와도심경로주행데이터는분리함 ) : 이동평균값의시간단계 이다

47 출력등급의가중평균값계산배출량과차량속도의가중평균값은각출력등급의평균값과표 5-2에나타낸해당등급의시간점유율 를곱한다음, 모든등급의값들을더하여계산한다. 이값은표준출력빈도수를이용하여측정값들을가중한결과를나타낸다. 총주행경로에대한출력분포의시간점유율을이용한총주행경로가중평균값과도심주행경로에대한출력분포의시간점유율을이용한도심주행경로가중평균값모두계산하여야하며, 다음의계산식을사용한다. 주행거리당가중평균배출량계산앞서계산한배출가스양 (g/s) 의가중평균값은다음의식을이용하여주행거리당가중평균배출량값으로변환한다. 주행거리당배출량의가중평균값계산은총주행경로및도심주행경로에대해모두수행한다. 이식을사용하여아래의오염물질에대해주행거리당가중평균배출량을계산한다. : 주행거리당가중평균 NOx 배출량 [mg/km] : 주행거리당가중평균 CO 배출량 [mg/km] CO2 질량유향순간데이터를이용한축출력평가축출력 은 1Hz로측정한 CO2 질량유량을이용하여계산할수있으며, 시험차량의 CO2 곡선 ( 이하 Veline') 을이용한다. Veline은 UNECE Global Technical Regulation No Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (ECE/TRANS/18/Add.15) 에규정에의한 WLTC 형식승인시험결과로계산한다

48 WLTC 각속도구간의평균축출력은 1 Hz 로측정되는차대동력계의설정값과차량속도 로계산하며, 저항마력보다낮은모든축출력은저항마력값으로취급한다. 여기서,, 는 WLTP 시험시차량의주행저항계수이며, 은시험질량 (kg) 이다. 저 항마력 는다음과같으며, 축출력이저항마력보다작은경우에는축출력은저항마 력과같은값으로취급한다. 1Hz 로측정되는축출력에대한 WLTC 각속도구간의평균출력은다음과같다. 여기서, : WLTC 속도구간 ( 저속, 중속, 고속, 초고속 ) : WLTP 구간의시작시간 [s] : WLTP 구간의종료시간 [s] 이다. WLTC 시험의각속도구간에서측정한 CO2 질량유량과평균축출력값으로그림 1-11 과 같은축출력에대한 CO2 질량유량의선형상관관계식 (Veline) 을구한다

49 Fig Schematic picture of setting up the vehicle specific Veline from the CO2 test results in the 4 phases of the WLTC Veline 은 CO2 질량유량을축출력의함수로정의하는방정식으로다음과같다. 여기서, [g/h] : WLTC Veline 의기울기 [ g/kwh] : WLTC Veline 의 y 절편 [ g/h] 이다. 측정된 CO2 질량유량으로부터실제축출력은다음식으로계산한다. [kw] 이방정식은다음과같은추가조건하에 3 절에서기술한실제도로주행시험에서측정된배 출량의분류에필요한 을구하는식으로사용할수있다

50 and PEMS time flows Normalized standard power frequencies P(kW) 1 8 Frequency 8.% 14.% T 1 T 1 V NOx Etc. T 2 T 1 V NOx Etc. T 3 T 1 V NOx Etc. T 4 T 1 V NOx Etc. T 5 T 1 V NOx Etc. P(kW) Frequency % 26.% 2 34.% T 1 T1 V NOx Etc. T2 T3 T1 V NOx Etc. T1 V NOx Etc. 3 sec. averaging ( ) M gas 2 Fig Flow chart of evaluating power binning in RDE - 4 -

51 2.4 시험차량제원 실제도로주행조건에서의배출가스를평가하기위하여본연구에서는국내에서판매중인 215년식유로-6 경유차량 5대와 216년식유로-6 경유차량 1대를대상으로시험을수행하였다. Table 2-7에시험차량의주요제원에관하여나타내었다. 모든시험차량은배기량 2, cc 이하이며, 주행거리가 2만km 이내인차량을선정하였다. Table 2-7 Specification of test vehicles No. Model year Mileage at test start Kurb weight Fuel Displacements Max. engine power Emission limit After treatment Veh ,796 km 1,47 kg Diesel 1,6 cc 1 kw Euro-6 DPF+LNT Veh ,157 km 1,64 kg Diesel 2, cc 14 kw Euro-6 DPF+LNT Veh ,12 km 1,47 kg Diesel 2, cc 135 kw Euro-6 DPF+LNT Veh ,42 km 1,465 kg Diesel 2, cc 11 kw Euro-6 DPF+LNT Veh km 1,539 kg Diesel 2, cc 11 kw Euro-6 DPF+LNT Veh km 1,544 kg Diesel 2, cc 11 kw Euro-6 DPF+LNT 2.5 이동식배출가스시험장치 (PEMS) Fig. 2-16에는 PEMS (Portable Emissions Measurement System) 장비구성에대한개략도를나타내었다. PEMS 측정장치는배기가스유량계, 배기가스샘플링장치, 배기가스분석기, 측정용가스, 전원공급장치, 제어및데이터분석장치등으로구성된다. 실시간 (1 Hz) 으로측정된배기가스농도데이터는유량계의유량데이터와동기화되어 g/s 단위로취득된다. 특히차속데이터는 GPS를통해수신된실시간위치정보데이터와 OBD 단말기를통하여실시간으로측정되며, 이두가지타입의차속데이터를기준으로차량의 OBD 데이터와 PEMS의측정데이터를교정하여취합한다. 한편, 시험차량의배기가스유량은오리피스유량계 (Pitot tube 방식 ) 를이용하여측정되었으며, 배기가스의온도와압력을동시에측정하여표준조건으로환산하였다. 이렇게환산된유량데이터와교정된차속데이터를이용하여배출가스데이터는 g/km 단위로환산하였다

52 본연구에서는 Horiba 사의 OBS-2 모델의 PEMS 장비를사용하였으며, Table 2-8 에장비 의제원및분석원리를요약하였다. Fig 은시험차량에설치된 PEMS 장비의사진을나타 내었다. Fig Schematic of PEMS for real driving emission measurement Table 2-8 Specifications of PEMS (Model OBS-2) Item Range Principle THC ~ 1, ppm Flame ionization detector CO ~.5 % Non-dispersive infrared detector NOx ~ 5 ppm Chemiluminescene detector CO 2 ~ 19 % Non-dispersive infra-red detector Exhaust flow ~ 4.5 m 3 /min Pitot tube Fig Photographs of PEMS installation to test vehicles

53 위의사진과같이설치된 PEMS 장비는실제도로주행시험을시행하기전에측정하는배기가스데이터의신뢰성을확인하여야한다. 그러므로, PEMS가설치된차량을차대동력계에서 NEDC, NIER 3, NIER 5, NIER 7, NIER 9, NIER 12, NIER 14모드, WLTC 등다양한시험모드를실행하여 CVS와 PEMS에서동시에측정되는 NOx 및 CO2 결과를비교해야한다. Fig. 2-18은본연구에서의시험차량을다양한시험모드에서측정하였을때의 NOx 및 CO2 의측정값을비교한그래프이며, 두그래프모두 CVS와 PEMS의상관성은선형적인결과를보였다. 특히, 기울기는약 1이며결정계수는.98 이상으로매우높았으며이를토대로본연구에서사용된 PEMS 장비의배기가스측정데이터는매우높은신뢰도를갖는것으로판단하였다. NOx measured sith PEMS (g/km) y = 1.6x R² =.9846 CO2 measured with PEMS (g/km) y =.9868x R² = NOx measured withcvs (g/km) CO2 measured with CVS (g/km) Fig Correlation of emission results between PEMS and CVS equipment 또한, Fig. 2-19는전술한상관성시험에서실시간으로 CVS와 PEMS에서측정되는 NOx 및 CO2의유량을비교한것이며, 이상관성에관한데이터들을종합하여보면 PEMS에서측정되는배기가스데이터는 CVS에서측정되는데이터와비교하였을때실시간으로배출되는양과총배출량모두일치하는결과를확인할수있었다

54 1 8 Laboratory PEMS NOx (mg/s) , 1,2 1,4 1,6 1,8 2, Time (s) (a) NOx 2 15 Laboratory PEMS CO 2 (g/s) , 1,2 1,4 1,6 1,8 2, Time (s) (b) CO2 Fig Comparison of real-time NOx and CO2 emission rate between PEMS and CVS

55 2.6 차량동력시스템모델링기법분석 차량동역학기반시뮬레이션모델을구성하기위해서는차량을구성하고있는주요컴포넌트모델을구성하여물리적또는데이터연결을수행해야한다. 차량동력시스템모델이필요한주요컴포넌트로는아래의그림과같이엔진 (Combustion Engine), 변속기 (Transmission), 토크컨버터 (Torque converter), 휠 / 타이어 (Wheel/Tire), 브레이크 (Brake), 차량 (Vehicle) 등이있으며예측정확도가높은차량모델구성하기위해서는각각의구성요소모듈에최대한정확한정보를입력하는것이중요하다 Vehicle module 2. Gear box module 3. Torque converter module 4. Engine module 5. Gearbox program module 6. Disk brake module 7. Tire module 6 7 Fig. 2-2 Main components of vehicle dynamic simulation model 차량 (vehicle) 모듈 : 차량의기본치수및중량이기입되며이를기반으로하여전륜과후륜걸리는수직힘을계산한다. 이는추후차량의구름저항계산에활용되며전륜과후륜에서의모멘트평형식을통해정의된다. 차량타이어에작용하는수직힘지배방정식및계산에반영되는주요차량치수는아래와같다. F F l h 1 l V, FR lv, FR V, DGC, act V, DGC, act w, x, f, ax mv, act gcos U cos l V, DGC, act U V, DGC, act w, x, r, ax mv, act cos l gcos V, FR h l V, FR av g U FV, lift, f av g U FV, lift, r

56 F w, x, f, ax F w, x, f, ax m V,act : front axis load (N) : rear axis load (N) : vehicle weight (kg) U a V : inclination (rad) : vehicle acceleration (m/s 2 ) F V, lift, f F V, lift, r : lift force of front tire (N) : lift force of rear tire (N) F w, x, r, ax F w, x, f, ax h v,dgc l v,dgc l v,fr Fig Vertical forces acting on front and real wheels 엔진 (Combustion Engine) 모듈 : 이모듈은기본적인엔진제원 ( 엔진배기량, 실린더수, idling & 최대엔진회전수등 ), 엔진최대성능곡선및연료물성치 ( 연료의저위발열량, 밀도, 연료내탄소질량비율 ) 입력하도록되어있다. 각주행조건에서의순간연료소비율및배기발생량은시험으로부터취득된연료소비율및배기맵데이터를통해계산되며최종적으로는이를기반으로하여연비및배기특성예측결과를산출하였다. (Fig 참조 ) Max engine power (hp) Engine speed (rpm) Fig Fuel map, THC emission map and engine full load characteristic curve data 기본적으로연비맵은 3-4point 내외의 mode test 데이터 point 로구성하는것이적절하지만

57 불가피할경우 2point 내외의데이터를입력하여계산을수행하며모든주행조건에서의연료 소비율을예측하기위해 3 차원보간법을적용하였다. (Fig 참조 ) Engine full load curve Test data points (chassis dynamo) Data point i Test points applied to create the approximated plane Target approximation point Engine torque (Nm) Data point 2 y 2 r 1 d 2 x 2 y d 1 1 x 1 d i y i x i Data point 1 z approx z approx x, y n i1 z 2 i a a, a 1 a 2, a 3, 2 2 x y a2 x a3 y 4 1 a 4 : approximated fuel consumption rate (kg/h) : normalized engine speed and torque (-) : fitting coefficients (-) n 2 1 d z i zi _ approx 4 i1 d i 2 i Engine speed (rpm) 2 z i z i z i _ approx d i : weighted square error value (-) : measured fuel consumption data (-) : approximated fuel consumption data (-) : distance based on actual test data points (-) Fig Three-dimensional interpolation method (smallest error square method) 온실가스발생량의경우에도연료소비율맵과동일한형태로데이터를입력하여보간법을적용하는방식으로예측을수행할수있으나별도의시험데이터가필요하며계산비용이커진다는단점이있다. 따라서본연구에서는아래의수식과같이연료소비율과온실가스발생량간의상관관계를활용하여순간온실가스발생량을계산하였다. E CO 2 R CO, fuel 2 F C M CO 2 M C E CO2 : CO 2 emission rate (kg/h) M CO2 : relative atomic mass of CO 2 F C : fuel consumption rate (kg/h) R CO 2, fuel : weight rate of carbon in fuel (%) M C : relative atomic mass of carbon 휘발유탄소질량비율 (The weight rate of carbon in gasoline fuel): 경유탄소질량비율 (The weight rate of carbon in diesel fuel): 기어박스 (Gear Box) 및기어박스프로그램모듈 : 기어박스모듈의경우차속을기준으로하 여단순한형태의변속제어가가능하며변속기에성능데이터가있을경우에는보다상세한

58 변속전략을구현할수있다. 일반적으로기어단수에따라동력전달효율이다소차이가있으나본연구에서는 95% 로입력하여계산을수행하였다. 일반적으로차량의변속기제어맵은차속과페달센서위치를기반으로하여제어되지만 AVL CRUISE 프로그램에서는차속과 normalized된엔진토크를기준으로하여제어가가능하도록구성되어있다. 따라서본연구에서는페달센서와 normalized 엔진토크간의상관관계를분석하여프로그램에직접적용이가능한형태로변속맵을변환하였다. 1 변속맵변환전 ( 차속 페달센서위치 ) 1 변속맵변환전 ( 차속 엔진토크 ) Accelerator Pedal Sensor (%) Vehicle speed (km/h) Engine torque (%) Fig Gear shifting strategy Vehicle speed (km/h) Engine speed (rpm) 24 Highway mode Simulation 1 Simulation 2 Test Time (s) Fig Improving prediction accuracy of engine operating condition 토크컨버터 (Torque converter) 모듈 : 일반적으로내연기관을기반으로한승용차량에는토크컨버터가내장되어있다. 이는엔진의동력을변속기에전달하는유체커플링역할과더불어엔진의토크를증대시켜구동축에전달하여차량주행성능을향상시킨다. 토크컨버터성능은아래의그림과같은성능곡선을통해정의되며이는차량성능예측정확도에큰영향을미친다. AVL CRUISE 프로그램에서는 Cf-Curve, K-Curve의형태의성능곡선데이터를입력하

59 여계산이수행될수있도록구성되어있다. 5 Torque converter Fluid clutch 1 Power transfer efficiency (Fluid clutch) 4 8 Torque ratio 3 2 Stall point 6 4 Efficiency (%) R T,PT TC t t1 R S,PT nt TT nptprs,pt RT, PT R T,PT : torque ratio (-) 1 Power transfer Efficiency (Clutch) Speed ratio (pump speed/turbine speed) 2 1. t, t 1 : fitting coefficients (-) R S,PT : speed ratio between turbine and pump (kg) TC : power transfer efficiency (%) T T, T P : torque at turbine and pump (Nm) n T, n P : rotational speed at turbine and pump (rpm) Fig Performance curve of torque converter 모터 (electric motor) 및배터리 (battery) 모듈 : 하이브리드차량을구성하기위해서는기존내연기관차량을구성하는컴포넌트외에도모터, 배터리및관련제어로직이필수적으로추가되어야한다. 전기에너지를기반으로하는모터의토크, 출력및전류량은아래의수식과같이정의하여계산을수행하였다. T M,act T max,curve nact,vact Lsignal, motor P T n /1 M, act M, act act M I M,act P M,act V act 1 T M,act T max,curve : actual motor torque (Nm) : maximum motor torque (Nm) L signal,motor P M,act : motor load signal (%) : actual electric motor power (kw) I M,act : electric motor current (A) V motor, act : actual motor voltage (V) M : energy efficiency of motor (%)

60 한편회생제동및엔진동력을통한배터리충전량, 모터구동에소요되는전류량및이로인한배터리 SOC (State Of Charge) 변화율은아래의수식과같이정의하여계산을수행하였다. I bat SOC SOC bat t bat t I bat V act 2 SOC t V SOC t bat SOCbat t Qbat act 2R bat bat 4R bat P bat T R : regenerative braking torque (Nm) f : efficiency of final gear (%) r f : final gear ratio (-) t : efficiency of transmission (%) r t : transmission gear ratio (%/s) 전세계적으로 rule-based control logic을기반으로하는하이브리드차량모델이제안되고있으며실제차량개발에적용되고있는추세이다. 본연구에서는 Fuzzy logic을기반으로하여병렬형파워하이브리드차량의구동전략을구현하였다. 본제어모듈은엔진구동상태, 모터구동상태및배터리 SOC 데이터를실시간으로확인하여차량의효율을최대화할수있는구동전략을계산하는역할을수행한다. 이를통해각시간대에서의엔진및모터의구동상태, 엔진클러치연결유무, 엔진구동력및회생제동을활용한배터리충전수행등의다양한조건을효율적으로제어한다. 본연구를통해개발된하이브리드 power controller 로직의기본개념도는아래의그림과같다. Velocity profile Vehicle specifications Gross mass, AVL CRUISE Cockpit module (predicting vehicle operating conditions) Brake pressure at front wheel Final gear & transmission gear ratio Max. motor generation power Regenerative braking module (Determining regenerative braking torque transmitted to motor) Total driving force gear shifting curve, Regenerative Battery SOC fuel consumption map, braking torque Electric motor speed tire radius, idling condition, Required Rated engine generation power Engine/Motor frontal area, etc. Fuzzy logic controller engine power Max. engine generation power Power split module (Determining ratio of engine power Required (Determining power split rate used to generate of electric power) Scaling Factor (SF) motor power between engine and motor) Fig Power controller logic based on Fuzzy logic - 5 -

61 Fuzzy logic 기반병렬형하이브리드모델의계산흐름요약 (Step 1). 조종석모듈 (Cockpit) 을통해입력된차속및제원을기반으로각시간에서차량구동상태를예측한다. 이를통해각시간대에필요한구동력, 엔진및모터구동상태및배터리 SOC를예측하며이를 Fuzzy logic controller와회생제동모듈에전달한다. (Step 2). 차량구동에필요한순간토크, 배터리 SOC 상태및모터회전속도를기반으로하여 3종의 membership function을생성함. Fuzzy logic을기반으로하여각시간대에서의적정발전량 ( 엔진구동력활용 ) 및엔진 / 모터의구동상태를최종적으로결정한다. (Step 3). 이와같은과정을통해계산된엔진 / 모터구동상태해당컴포넌트에데이터연결을통해전달한다. 이를통해엔진과모터가효율이높은영역에서적절히구동될수있도록하며배터리의충 방전상태를적정수준에서조절한다. (SOC: 약 6% 내외 ) 기본적으로병렬형파워하이브리드차량 (parallel hard-type hybrid electric vehicle) 을개발하였음. 회생제동을통한배터리충전및 ISG (Idling stop and go) 제어로직을추가하였다. 하이브리드차량모델의구성도및주요컴포넌트역할은아래의그림과같다. Engine Motor ICE-Motor parallel 연결 ICE-Motor 구동력분배 module Motor On/off module Engine-clutch Auto transmission Internal Combustion Engine Engine Clutch Electric Motor Gear box Fig. 병렬형파워하이브리드동력시스템구성 회생제동 module Regenerative braking logic: 차량에서발생하는제동일을발전일로변환하여배터리를충전함. Fuzzy logic 기반배터리충전 module Table. 하이브리드차량모델의연비예측결과분석 주행 mode 시험결과 (km/l) 시뮬레이션 (km/l) 상대오차 (%) NIER NIER NIER NIER Fuzzy logic: 배터리충전량산정 1. 엔진구동력 ( 엔진회전수에따라최적점다르게설정 ) 2. Electric motor speed (Generation 에적합한모터 rpm 정의 ) 3. 배터리 SOC (State Of Charge) 차량구동상태에따라회생제동또는엔진구동력일부를배터리충전에활용함 Electric motor torque (Nm) 충 / 방전효율이높은영역에서의 motor 구동 Efficiency (%) Electric motor speed (rpm) Fig Parallel type hybrid power train model (AVL CRUISE)

62 2.7 차량동력시스템시뮬레이션 process 본연구에사용된차량동력시스템모델링프로그램은아래의그림과같이전처리기 (pre-processor), 주계산부 (main-processor) 및후처리기 (post-processor) 로구성되어있다. Pre-processor : 계산에필요한주요 input data 입력 ( 주행모드, 차량제원, 연비 & 배기맵, 기어박스프로그램, 엔진전부하. etc) Main-processor : 각시간에서의차량구동상태예측 ( 엔진torque 및엔진rpm) 엔진 Torque Engine torque Post-processor : 차량성능 ( 연비, 배기등 ) 예측결과도출 엔진 RPM Engine rpm Time(s) Fig Calculation process of vehicle dynamic simulation model 전처리기 (Pre-processor): 차량시뮬레이션수행에필요한기본적인데이터를읽어들이는역할을수행한다. 기초 input 데이터로는차량치수, 주요컴포넌트의성능곡선및제어전략등이있으며활한계산을위해입력된정보를필요한형태의단위로변환하거나기초적인계산을수행하기도한다. 특히연료소비율맵데이터는각시간에서의연료소비율및온실가스예측에필수적이므로반드시입력되어야한다함. 주계산부 (Main-processor): 차량동역학모델은각시간에서차량에필요한총견인력을계산하고이와같은힘을발생시키기위해서는엔진이어떠한구동점에서운전되어야될지에대한예측을수행한다. 이를기반으로하여각시간에서소비되는연료량과온실가스발생량을산정하게되며이밖에도차량을구성하고있는주요컴포넌트의구동상태를예측한다. ( 변속기기어단수, 차량에작용하는공기저항력, 타이어에작용하는구름저항력등 ) 후처리기 (Post-processor): 계산된결과를표와그래프등의다양한형식으로제공하여연구자가원하는형태의데이터정리가용이하도록한다. 차량동역학모델은각 time step마다차량에필요한총견인력을산정해야하며이는하단의수식과같이차량이가속에필요한힘, 구름저항력, 공기저항력, 노면경사로인해발생하는중력및동력부전달손실력의합으로정의할수있다. (Fig. 2-3 참조 )

63 Road gradient Fig. 2-3 forces acting on a vehicle F total,driving F accel F v,air F v,rr F incl F f,pt F total,driving : total driving force (N) F accel : acceleration & deceleration force (N) F v,air F v,rr : aerodynamic drag force (N) : tire rolling resistance force (N) F incl F f,pt : inclination force (N) : friction loss in powertrain lines. (N) 실제도로조건에서의노면의기울기가크지않거나차대동력계의시험조건을모사할경우에는노면경사로인한동력손실량은계산에반영되지않으며저속영역에서는구름저항과공기저항이계산결과에미치는영향이크지않다. 구름저항은 SAE technical paper (J1269, J2452) 에서제안한차량중량, 타이어압력및주행속도로정의되어지는수식을통해계산하였다. 구름저항계산과정에서전륜과후륜에작용하는수직힘이반영되며차량의중량의증가할수록구름저항은증가하는경향을보인다. 이와같은수식은차량의모든동력컴포넌트에서발생하는손실을고려하여시뮬레이션을수행할수없을경우에도차량의주행저항을효과적으로모사할수있는방법으로분석된다. 공기항력으로인한저항은차량의전면적과공기항력 (drag coefficient) 에대한항으로정의된다. 공기항력의경우차량설계에따라다소차이가있으나대략.3 내외의값을가지는것으로분석된다. 차량풍동시험등을통한상세데이터가있다면고속주행조건에서의시뮬레이션정확도를향상하는데큰도움이될것으로판단된다. t act F, (J2452) L P, ( a bv cv v rr 2 ) F V,air c w A v air v U,V, rel

64 c w : aerodynamic drag coefficient v U,V,rel : relative velocity (km/h) V : vehicle speed (mph) A v air : frontal area (m 2 ) : air density (kg/m 2 ) L P : vertical load acted on wheel (lbs) : inflation pressure of the tire (psi) A A, A,,, a, b, c : fitting coefficients (-),

65 Ⅲ. 시험결과및고찰 3.1 차대동력계시험결과 실제도로주행배출가스시험이전에시험차량의배출가스수준을확인하기위하여차대동력계를이용하여경유자동차의인증모드인 NEDC 및 WLTC모드에서 NOx와 CO 2 배출량을측정하였으며, 그결과를 Fig. 3-1에나타내어비교하였다. 차대동력계를이용하여 NOx와 CO 2 배출량을측정한결과, 시험차량모두 NEDC 인증모드의배출허용기준인.8g/km 이내로측정되어인증시험모드의배출허용기준을만족하는것으로나타났다. 하지만, 상대적으로짧은고속구간과단순한가감속의속도패턴으로구성되어있는 WLTC 주행모드에서는 NEDC 주행모드보다 NOx 배출량이많은것으로측정되었으며, Veh. 1과 2는배출허용기준보다크게상회하는결과를보였다. 이는현행배기규제는 NEDC 시험모드에서시행되기때문에모든시험차량의 NOx 배출량 ( 시험차량 6종의평균.42 g/km) 은허용기준을만족하고있지만, 다음단계의배기가스규제시험모드인 WLTC 모드 ( 시험차량 6종의평균.133 g/km) 에서는허용기준을맞추지못하는차량도있음을보여주고있다. NOx emissions on Chassis Dynamometer CO 2 emissions on Chassis Dynamometer.4 3 NOx emissions (g/km) Euro 6 Emission Limit CO 2 emissions (g/km) NEDC WLTC Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 NEDC WLTC Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig. 3-1 Chassis dynamometer test results with NEDC and WLTC driving cycles 한편, CO 2 의경우에모든시험차량의평균배출량이 NEDC모드에서는 g/km, WLTC모드에서는 g/km로큰차이가없는것으로나타났다. 이는유로-6 경유차량의경우에 NEDC 또는 WLTC 시험모드에서의연비차이는크게없는것으로판단되며, 위의 NOx 결과와비교하여차량제어시스템및후처리장비시스템의최적화는 WLTC 시험모드에서의배기규제를만족할수있을것으로판단된다

66 3.2 국내 RDE 주행경로개발 유럽의 PEMS 시험방법을적용하기위하여본연구과제에서의 2.2절에서의일반요건, 경계요건, 주행경로요건을만족하는국내주행시험경로 ( 경로 1, 경로 2) 를개발하였다. 주행경로구성은주행점유율에따라도심주행, 교외주행, 전용도로주행순서로구성하였고, 도심, 교외, 전용도로주행은연속적으로이루어져있으며각구간의최소주행거리는 16 km 이상이다. 이와같이구성된주행경로의점유율은차속에의한분류에따라약 34 % 의도심주행, 약 33 % 의교외주행, 약 33 % 의전용도로주행점유율로구성되었다 경로 1 (Route 1) Fig. 3-2 Route 1 for RDE-LDV 경로 1은도심구간 ( 서울시내 ) 에서차량지체현상이나타나고교외구간에서주행고도의차가높은특성을갖도록개발하였고, 이를 Fig. 3-2에나타내었다. 먼저도심구간이행신역 화전역 수색역 연세대 독립문 홍제역 연신내역 구파발순으로구성되며이어서교외구간은구파발 일영역 송추역 운경공원묘원 경민대 호원IC 순으로구성하였다. 그리고전용도로구간은외곽순환도로를이용하였으며, 호원IC 송추IC 통일로IC 일산IC 김포IC로구성하였다. 도심구간에서의평균차량속도는약 22.5 km/h이며, 이는차량지체현상이심한서울도심구간을포함하기때문인것으로판단된다. 교외구간에서의평균차량속도는약 6.7 km/h로

67 상대적으로낮은속도를보이며, 이는다소높은주행부하의특성을반영하기위하여고도차를갖는경로의설계와곳곳에위치한신호등에의한정지구간이원인으로판단된다. 외곽순환도로를적용하여설계한전용도로구간은차량소통이원활하여약 11.7 km/h의차량평균속도를보였다. 또한, 각구간별점유율은도심구간이 31.%, 교외구간이 29.4%, 전용도로구간이 39.6% 이며, 주행거리는도심구간이 21.9 km, 교외구간이 2.8 km, 전용도로구간이 28. km로주행경로요건의점유율과최소거리 16 km이상을만족하였다. 이를 Table 3-1과 3-2에요약하였다. Table 3-1 Trip sequence of Route 1 도심 (Urban) 교외 (Rural) 전용도로 (Motorway) 행신역 화전역 수색역 연세대 독립문 홍제역 연신내역 구파발 구파발 일영역 송추역 운경공원묘원 경민대 호원 IC 호원 IC 송추 IC 통일로 IC 일산 IC 김포 IC Table 3-2 Characteristics of Route 1 도심교외전용도로총주행경로 주행거리 ( 점유율 ) (1) 21.9 km (31. %) 2.8 km (29.4 %) 28. km (39.6%) 7.8 km 주행시간 3,57 sec (6.2 %) 1,237 sec (21.2 %) 1,8 sec (18.5 %) 5,824 sec (97.1 min.) 평균차량속도 (2) 22.5 km/h 6.7 km/h 11.7 km/h - (1) 경로별최소주행거리 : 16km, 도심경로최소점유율 : 29% ( 기준 : 도심 34%, 교외 33%, 전용도로 33%) (2) 도심경로평균속도 : 15~4 km/h, 전용도로경로평균속도 : 9~11 km/h 경로 2 (Route 2) 경로 2의도심구간은차량지체현상이가장심한특성을갖는서울시내중심 ( 광화문 서강대교 ) 으로구성하였다. 또한, 국내의도로망중에서울도심에서인근위성도시로이어주는대표적인외곽도로의특성과비슷한순환도로를교외구간에적용하여경로를개발하였고, 이를 Fig. 3-3에나타내었다. 먼저도심구간이능곡역 수색역 연세대 광화문 동화면세점 서대문역 아현역 신촌역 서강대교순으로구성되며, 이어서교외구간은서강대교 강변북로

68 북로 JC 제 2 자유로 ( 강매 IC 능곡 IC 강매 IC) 순으로구성하였다. 그리고전용도로구간은 인천국제공항고속도로를이용하여강매 IC 노오지 JC 청라 IC 금산 IC 로구성하였다. Fig. 3-3 Route 2 for RDE-LDV Table 3-3 Trip sequence of Route 2 도심 (Urban) 교외 (Rural) 전용도로 (Motorway) 능곡역 수색역 연세대 광화문 동화면세점 서대문역 아현역 신촌역 서강대교서강대교 강변북로 북로JC 제2자유로 ( 강매IC 능곡IC 강매IC) 인천국제공항고속도로 ( 강매IC 노오지JC 청라IC 금산IC) Table 3-4 Characteristics of Route 2 도심교외전용도로총주행경로 주행거리 ( 점유율 ) (1) 21.7 km (31. %) 2.3 km (29. %) 28. km (4.%) 69.9 km 주행시간 3,634 sec (64.5 %) 99 sec (17.6 %) 1,12 sec (18. %) 5,636 sec (93.9 min.) 평균차량속도 (2) 21.5 km/h 73.8 km/h 99.6 km/h - (1) 경로별최소주행거리 : 16km, 도심경로최소점유율 : 29% ( 기준 : 도심 34%, 교외 33%, 전용도로 33%) (2) 도심경로평균속도 : 15~4 km/h, 전용도로경로평균속도 : 9~11 km/h

69 도심구간에서의평균차량속도는약 21.5 km/h이며, 이는차량지체현상이심한서울도심구간을포함하기때문인것으로판단되며가장정체가심한출퇴근시의평균차량속도는더욱낮아지고주행시간은늘어날것으로예측된다. 교외구간에서의평균차량속도는약 73.8 km/h로상대적으로높은속도를보이며, 이는국내의도로망중에서울도심에서인근위성도시로이어주는대표적인외곽도로의특성과비슷한순환도로를교외구간에적용하여차량운행이매우원활하며신호등또한위치하지않아서정지구간이없기때문으로판단된다. 인천국제공항고속도로를적용하여설계한전용도로구간은차량소통이다소원활하지않아약 99.6 km/h의차량평균속도를보였지만주행경로요건에만족하였다. 또한, 각구간별점유율은도심구간이 31.%, 교외구간이 29.%, 전용도로구간이 4.% 이며, 주행거리는도심구간이 21.7 km, 교외구간이 2.3 km, 전용도로구간이 28. km로주행경로요건의점유율과최소거리 16 km이상을만족하였다. 이를 Table 3-3과 3-4에요약하였다 개발경로의특성분석및정상운행의적합성 개발한경로 1과경로 2의가장큰차이점은주행부하의특성을반영하기위하여적용한주행고도차이고, 이를 Fig. 3-4에나타내었다. 경로 1과경로 2 모두도심구간은서울중심지를포함하도록설계되었기때문에주행고도차가비슷한결과를보인다. 한편, 교외구간의경우에경로 1은상대적으로높은주행부하의특성을반영하기위하여 Fig. 3-4와같이높은고도차를갖는경로로구성하였다. 경로 2는국내의도로망중에서울도심에서인근위성도시로이어주는대표적인외곽도로의특성과비슷한순환도로를교외구간에적용하였다. 그러므로도심구간보다낮은고도차를갖는것이특징이며이는낮은주행부하의특성으로나타난다. 전용도로구간은경로 1의경우에외곽순환도로를적용하였기때문에인천국제공항고속도로를적용한경로 2에비하여다소고도차이가높은특징을나타내고있다. Fig. 3-4 Comparison of altitude between route 1 and Route 2 for RDE-LDV

70 Fig. 3-5 Characteristics of RPA in route 1, NEDC, and WLTC Fig. 3-6 Characteristics of RPA in route 2, NEDC, and WLTC 이와같이두주행경로는그특성을다르게설계하였기때문에교외구간에서상대가속도 (Relative positive acceleration, RPA) 분포특성이크게차이가나는결과를보였다. 즉, 차량평균속도가 45 ~ 8 km/h 범위내에서높은주행고도차이에의한상대적으로주행부하가높은경로 1의경우가경로 2보다높은 RPA 분포를나타내고있다. 이러한결과는아래 Fig. 3-7과 3-8에나타낸 CO2 특성곡선에도반영되고있다. 도심구간에서는경로 1과경로 2의 CO2 특성곡선이상당히비슷한경향을나타내고있으며, 전용도로 - 6 -

71 구간에서는경로 2 의경우에다소높은특성을보이지만전체적으로비슷한결과를보이고 있다. 5 CO 2 Characteristics Curve CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) Fig. 3-7 CO2 characteristic curve of route 1 5 CO 2 Characteristics Curve CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) Fig. 3-8 CO2 characteristic curve of route 2 하지만, 교외구간에서주행부하가높게설계된경로 1의경우에 CO2 특성곡선이경로 2의경우와비교하여상대적으로매우높은경향을보이고있으며, Table 3-5에나타나듯이교외구간의정상성은유효하지만 1차허용구간의점유율이전체교외구간윈도우수에비하여 54.1 % (84 / 1,533) 로다소낮은특성을보인다. 한편, 낮은주행부하를특성으로하는경로 2의경우에 Table 3-6에나타나듯이교외구간의 1차허용구간의점유율이전체교외구간윈도우수에비하여 96.8 % (1,226 / 1,266) 의높은특성을보였으며, 정상성또한유효한결과를나타내었다

72 Table 3-5 Test completeness and normality of Route 1 시험의완료성 (Test Completeness) 도심 교외 전용도로 총주행경로 윈도우수 2,46 1, ,889 점유율 5.3 % 31.8 % 17.9 % 1. % 유효 유효 유효 > 15 % 시험의정상성 (Test Normality) 도심 교외 전용도로 총주행경로 윈도우수 2, ,55 점유율 1. % 54.1 % 86.2 % 82.9 % 유효 유효 유효 > 5 % Table 3-6 Test completeness and normality of Route 2 시험의완료성 (Test Completeness) 도심 교외 전용도로 총주행경로 윈도우수 2,364 1, ,574 점유율 51.7 % 27.7 % 2.6% 1. % 유효 유효 유효 > 15 % 시험의정상성 (Test Normality) 도심 교외 전용도로 총주행경로 윈도우수 2,364 1, ,44 점유율 1. % 96.8 % 86.2 % 96.3 % 유효 유효 유효 > 5 % 실제도로배출가스의특성에영향을주는인자는시험중의차량시스템상태, 시험경로의차량소통상황, 환경적특성, 운전자의특성등매우다양하다. 그렇기때문에시험운전중모든변수들의영향을통계적인관점으로포함하여평가하는이동평균구간방법과 Power binning 방법을제시하고있다. 또한, 앞서기술한바와같이실제도로주행배기특성의대표적인 CO2 특성곡선결과는주행경로의구성에따라영향을받는다. 이와같은결과를종합하면실제도로주행배출가스 (RDE) 시험결과에 1차적으로영향을주는변수인주행경로의구성은시험결과에기본적인영향을미치기때문에국내도로망을대표할수있는표준화된

73 경로개발연구가중요할것으로판단된다

74 3.3 실제도로주행배출가스분석결과 경로평균 (Distance specific mass emissions) 분석결과 Fig. 3-9는도심, 교외및전용도로로구성된경로 1과 2에서의모든시험차량에관한실제도로주행 NOx 배출량을경로평균값으로분석하여나타낸것이다. 경로평균값은각구간에서의 NOx 총배출량을주행거리로평균한것이다. 차량에따라 NOx 배출량의차이가있지만, 경로 1에서의평균 CF값은 5.3이며경로 2에서의평균 CF값은 4.5로배기허용기준을초과하였다. 이결과는앞서기술한바와같이경로 1이경로 2 보다전체적으로주행부하가큰특성에서기인한것으로판단된다. 또한, 모든시험차량의 NOx 배출량이차량동력계에서 NEDC 와 WLTC 시험모드에서의결과보다크게초과한결과를보였다. Averaged NOx emissions (Route 1, A/C Off) Averaged NOx emissions (Route 2, A/C Off) NOx emissions (g/km) NOx emissions (g/km) Total Urban Rural Motorway. Total Urban Rural Motorway Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig. 3-9 Characteristics of distance-specific NOx emission in route 1 and route 2 Veh. 5는전용도로구간에서 NOx 배출량이경로 1의경우에는.39 g/km (CF=.49), 경로 2의경우에는.56 g/km (CF=.69) 결과로배출허용기준을만족함을보였다. 그러므로주행부하가적은전용도로구간에서는시험차량에따라부분적으로배기허용기준을만족할수있으나대부분의운전영역을포함하고다양한주행부하로구성되어있는도심과교외구간에서는모든시험차량이배기허용기준을만족하지못하는실정이다

75 3.3.2 이동평균구간 (MAW) 분석결과 Fig. 3-1은앞서기술한이동평균구간평가방법에의하여경로 1과 2에서의측정된실제도로주행 NOx 배출량을차대동력계 (WLTC 모드 ) 에서측정된 CO2 배출량기준으로생성된평균구간으로나누고, 각구간에서의 NOx 배출량을나타낸것이다. 시험차량에따라 NOx 배출량은차이가있지만, 경로 1에서의평균 CF값은 5.8이며경로 2에서의평균 CF값은 4.8로배기허용기준을초과하였다. MAW NOx emissions (Route 1, A/C Off) MAW NOx emissions (Route 2, A/C Off) NOx emissions (MAW, g/km) NOx emissions (MAW, g/km) Total Urban Rural Motorway. Total Urban Rural Motorway Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig. 3-1 Characteristics of NOx emission evaluated by MAW in route 1 and route 2 경로 1과 2를비교하여볼때 Veh. 5의경우에 NOx 배출량이가장적은것으로나타났다. 이를 Table 3-7에요약하였으며, 특히전용도로구간에서는 CF값이.42 ( 경로 1),.6 ( 경로 2) 으로배기허용기준을만족하는특성을보였다. Table 3-7 Summaries of weighted NOx emission and CF with Veh. 5 Route 1 도심 교외 전용도로 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) Route 2 도심 교외 전용도로 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF)

76 Fig. 3-11은 Veh. 5의경로 1과 2에서의 CO2 특성곡선이며, 두경로에서모두실제도로주행 CO2 배출량이 WLTC 모드에서의 CO2 배출특성 (Reference CO2 곡선 ) 보다다소높은특성을보이고있다. 이는다소과격하게운전이된것으로볼수있으며, 윈도우평균차속이 2 km/h 보다낮은속도구간의데이터가많은것으로보아당시도심구간시험주행시에도로정체가심했던것으로판단된다. 5 CO 2 Characteristics Curve CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (a) Route 1 CO 2 Characteristics Curve 5 CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (b) Route 2 Fig CO2 characteristics curve evaluated by MAW with Veh. 5 또한, 경로 1 의교외구간 ( 윈도우평균차속 45km/h 이상 8 km/h 미만 ) 에서실제도로주 행 CO2 배출량이경로 2 보다높은특성을보이고있다. 이는경로 1 의교외구간을높은주 행부하를갖도록설정하였기때문인것으로볼수있다

77 NOx emissions (MAW, g/km) On road NOx emissions (MAW) Vehicle speed (MAW, km/h) (a) Route 1 NOx emissions (MAW, g/km) On road NOx emissions (MAW) Vehicle speed (MAW, km/h) (b) Route 2 Fig On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh. 5 Fig. 3-12는위의같은시험조건에서의실제도로주행 NOx 배출량을나타낸것이다. 앞서말한바와같이 Veh. 5는다소과격한운전특성을갖지만 NOx 배출량은매우적은특성을보이며전용도로구간 ( 윈도우평균차속 8 km/h 이상 ) 에서는배출허용기준에만족함을보인다. 또한, 교외구간의일부구간에서도배출허용기준을만족하고있다. 하지만, 윈도우평균차속이약 2 km/h의구간에서다소높은 NOx 배출량을갖는것은도심정체형상에서기인한것으로판단된다. 이와같이 Veh. 5의실제도로주행 NOx 배출량이낮은이유는 Fig 에서찾을수있다. Fig. 3-13은시험운전중의차량속도및배기가스온도, EGR (%) 데이터를실시간으로취득하여나타낸것이다. Veh. 5는두경로의모든구간에서 DPF 재생없이 EGR이정상적으로작동되기때문에실제도로주행 NOx 배출량이적은것으로판단된다

78 EGR rate (%) and Vehicle speed (km/h) EGR rate (%) Vehicle speed (km/h) Exhaust temperature ('C) Exhaust Temperature and EGR Rate and Vehicle Speed vs. Test Time 1, 2, 3, 4, 5, 6, Test time (sec) Exhaust temperature (C) (a) Route 1 Exhaust Temperature and EGR Rate and Vehicle Speed vs. Test Time EGR rate (%) and Vehicle speed (km/h) EGR rate (%) Vehicle speed (km/h) Exhaust temperature ('C) 1, 2, 3, 4, 5, 6, Test time (sec) Exhaust temperature (C) (b) Route 2 Fig Modal data of vehicle speed, exhaust temperature, and EGR (%) with Veh. 5 실제도로주행 NOx 배출량이가장적은특성을갖는 Veh. 5와달리 Veh. 2는가장높은특 성을갖고있으며이를 Table 3-8에요약하였다. 경로 1에서는 CF값이약 12.8을갖으며경로 2에서는 CF 값이약 8.3을나타내었다. 특히, 경로 1에서는도심, 교외, 전용도로구간모두 배출허용기준을 12배이상초과하는특성을나타내고있으며, 경로 2에서는도심구간에서약 15배, 교외구간에서약 7배, 전용도로구간에서약 3배초과하고있다. Table 3-8 Summaries of weighted NOx emission and CF with Veh. 2 Route 1 도심 교외 전용도로 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) Route 2 도심 교외 전용도로 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) Fig 를고려하여볼때 Veh. 2 의경우에는 Veh. 5 보다도오히려정상적인운전특성을

79 갖고있는것을볼수있다. 이는경로 1 의경우에교외구간에서실제도로주행 CO2 배출량 이다소높지만, 경로 2 의경우에는실제도로주행 CO2 배출량이 WLTC 모드에서의 CO2 배 출량과거의흡사한경향을나타내고있다. 5 CO 2 Characteristics Curve CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (a) Route 1 CO 2 Characteristics Curve 5 CO 2 emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (b) Route 2 Fig CO2 characteristics curve evaluated by MAW with Veh. 2 Fig (a) 에서보면경로 1 의경우에모든구간에서실제도로주행 NOx 배출량이배출 허용기준을크게상회하고있으며, 특히도심과전용도로구간에서크게높아지는특성을보 인다. 이는 Fig. 3-16(a) 에서도심구간의초반부분에 EGR 이작동하지않는구간이넓으며, 전

80 용도로구간의중간부분 ( 약 4,4초에서 4,7초까지 ) 에서 EGR이작동하지않는것을볼수있다. 특히, 전용도로구간에서는같은기간에배기가스온도가 2 o C이상올라가는것으로미루어볼때 DPF 재생이일어난것으로판단된다. 이와같이차량연소및배기시스템의제어논리에따라서 EGR이작동하지않는경우에 NOx가비정상적으로높아짐을판단할수있다. 3. On road NOx emissions (MAW) NOx emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (a) Route 1 On road NOx emissions (MAW) 3. NOx emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (b) Route 2 Fig On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh. 2 Fig (b) 에서보면경로 2 의경우에도심구간에서실제도로주행 NOx 배출량이배출 허용기준을크게상회하고있으며, 교외구간에서는다소낮아졌지만여전히배출허용기준보 다크게높은특성을보인다. 주행부하가가장작은전용도로구간에서는실제도로주행 NOx - 7 -

81 배출량이배출허용기준보다높지만상당히가까워지는특성을보인다. 특히, 윈도우평균차속이 2 km/h 안팎의구간에서실제도로주행 NOx 배출량이매우높은특성을보이는이유는 Fig. 3-16(b) 에서도심구간 ( 약 1,2초에서 3,초까지 ) 에서 EGR이거의작동하지않는것을볼수있다. 또한이구간의끝부분에서는배기가스온도가 2 o C까지증가하는현상을보이며, 이는부분적인 DPF 재생이일어난결과로판단할수있으나대부분의경우에서의배기가스온도가안정적인특성을보인다. 특히, 이경우에는실제차량속도가 2 km/h 이하에서서행을하고있기때문에 Veh. 2의경우에는일정한차량속도이하에서는 EGR이거의작동하지않는것으로판단할수있다. 이러한결과를토대로 Veh. 2는도심구간에서실제도로주행 NOx 배출량이비정상적으로높아졌다고볼수있다. Exhaust Temperature and EGR Rate and Vehicle Speed vs. Test Time EGR rate (%) and Vehicle speed (km/h) EGR rate (%) Vehicle speed (km/h) Exhaust temperature ('C) 1, 2, 3, 4, 5, Test time (sec) Exhaust temperature (C) (a) Route 1 Exhaust Temperature and EGR Rate and Vehicle Speed vs. Test Time EGR rate (%) and Vehicle speed (km/h) EGR rate (%) Vehicle speed (km/h) Exhaust temperature ('C) 1, 2, 3, 4, 5, 6, Test time (sec) Exhaust temperature (C) (b) Route 2 Fig Modal data of vehicle speed, exhaust temperature, and EGR (%) with Veh

82 3.3.3 Power binning 분석결과 Fig. 3-17은도심, 교외및전용도로로구성된경로 1과 2에서의모든시험차량에관한실제도로주행 NOx 배출량을 Power binning 평가방법으로분석한것이다. 앞절에서기술한바와같이 Power binning의평가방법은시험차량의특성출력 를이용하여 3초평균한차량출력을정규화 (normalization) 된상대차량출력 bin으로구분하고, 이를시험차량의출력빈 (Power bin) 에해당하는실제도로 NOx 배출량의평균값 (g/h) 과시험차량의평균속도 (km/h) 를산출한다. 각출력빈의평균 NOx 배출량을평균속도로나누면 g/km 단위의 NOx 배출량으로환산할수있으며, 각출력빈의 time share를곱하여배출가스양을가중하여실제도로평균 NOx 배출량으로분석할수있다. 경로평균및이동평균구간방법에의한결과와마찬가지로모든시험차량에따라가중평균 NOx 배출량의차이가있지만, 경로 1에서의평균 CF값은약 5.5이며경로 2에서의평균 CF 값은약 5.로배기허용기준을초과하였다. 이는대부분시험차량의가중평균 NOx 배출량이차량동력계에서 NEDC와 WLTC 시험모드에서의결과보다크게초과한결과를보였다. Power Binning NOx emissions (Route 1, A/C Off) Power Binning NOx emissions (Route 2, A/C Off) NOx emissions (P.B. g/km) NOx emissions (P.B. g/km) Total Urban. Total Urban Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig Characteristics of NOx emission evaluated by power binning in route 1 and 2 두경로모두도심구간의가중평균 NOx 배출량이총주행구간의가중평균 NOx 배출량보다높은특성을보이고있다. 이는도심구간의큰특징인가장큰주행부하의한형태인정지상태에서차량이출발하는구간이크게포함되어있는것으로판단된다. 이를가장많은 NOx 배출특성을나타내고있는 Veh. 2의가중평균 NOx 배출특성에서대표적으로나타나고있으며, Table 3-9과 Fig. 3-18에서보여주고있다

83 Table 3-9 Summaries of weighted NOx emission and CF evaluated by power binning with Veh. 2 Route 1 도심 총주행경로 Route 2 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) 도심 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) Time Share & Avg. NOx Emissions (Total trip) Time shaer in standard trip (%) 5% 4% 3% 2% 1% % Time share (Total) Avg. NOx (g/h) > 5.5 Normalized wheel power class Avg. NOx emissions in power bin (g/h) (a) Route 1 Time Share & Avg. NOx Emissions (Total trip) Time shaer in standard trip (%) 5% 4% 3% 2% 1% % Time share (Total) Avg. NOx (g/h) > 5.5 Normalized wheel power class Avg. NOx emissions in power bin (g/h) (b) Route 2 Fig Weighted NOx emission evaluated by power binning with Veh

84 Power binning 평가방법으로분석하는경우에는 Time share가크게분포된 1번째클래스부터 5번째클래스에서의 NOx 배출량이큰영향을미친다. 이러한결과경로 1에서주행부하를크게설정된교외구간은 Power binning 방법으로분석한결과 4번째클래스에해당하는표준화된출력에서의 NOx 배출량이큰것으로볼수있다. 한편, 가장적은가중평균 NOx 배출량특성을갖고있는 Veh. 5의결과는 Table 3-1과 Fig. 3-19에요약하였다. Table 3-1 Summaries of weighted NOx emission and CF evaluated by power binning with Veh. 5 Route 1 도심 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) Route 2 도심 총주행경로 가중평균 NOx 배출량 [g/km] 적합계수 (CF) 시험차량 Veh. 5의경우에도도심구간의가중평균 NOx 배출량이총주행구간의가중평균 NOx 배출량보다큰특성을볼수있다. 하지만, 총주행경로의가중평균 NOx 배출량이경로 1에서는.136 g/km, 경로 2에서는.126 g/km로배출허용기준에약 1.7배 ( 경로 1) 과약 1.6배 ( 경로 2) 를초과하고있다. 그러므로본연구에서의모든시험차량중에서가장배출허용기준에근접한차량배기시스템을갖추고있다고판단된다. 이는일반적인실제도로주행운전에서가장빈번한출력분포특성을갖고있는 2번째에서 4번째클래스에서현저하게낮은 NOx 배출량을갖고있기때문인것으로판단된다. 이를종합하여볼때, 일반적으로 NOx 후처리장치로써 LNT를장착한차량의 NOx 저감율이 SCR을장착한차량보다 NOx 저감율이낮다고보고되어지고있으나 LNT 용량의재설정및제어논리등의최적화를통한다면실제도로주행 NOx 배출량도 Euro-6 배기허용기준에만족할수있다고판단된다. 그로므로대표적인 NOx 후처리장치인 LNT와 SCR이실제도로주행 NOx 배출량에미치는영향은더욱포괄적이면서세밀한연구가필요하다고판단한다

85 Time shaer in standard trip (%) 5% 4% 3% 2% 1% % Time Share & Avg. NOx Emissions (Total trip) Time share (Total) Avg. NOx (g/h) > 5.5 Normalized wheel power class Avg. NOx emissions in power bin (g/h) (a) Route 1 Time shaer in standard trip (%) 5% 4% 3% 2% 1% % Time Share & Avg. NOx Emissions (Total trip) Time share (Total) Avg. NOx (g/h) > 5.5 Normalized wheel power class Avg. NOx emissions in power bin (g/h) (b) Route 2 Fig Weighted NOx emission evaluated by power binning with Veh

86 3.3.4 실제도로주행배출가스평가방법들의비교 Fig. 3-2은앞서기술한방법들로평가한실제도로주행 NOx 배출량을비교하여나타낸것이다. 경로 1의경우에모든시험차량의평균적인경로평균 NOx 배출량의 CF값은약 5.3이고, 이동구간평균 NOx 배출량의 CF값은약 5.8, 가중평균 NOx 배출량의 CF값은약 5.5로나타나기때문에세가지방법으로평가한실제도로주행 NOx 배출량은큰차이가없는특성을보였다. 한편, 경로 2의경우에는모든시험차량의평균적인경로평균 NOx 배출량의 CF값은약 4.1 이고, 이동구간평균 NOx 배출량의 CF값은약 4.8, 가중평균 NOx 배출량의 CF값은약 5.으로나타나경로 1보다다소차이가큰특성을보였다. 특히, 실제도로주행 NOx 배출량이많은특성을보이는시험차량의경우에 Power binning 방법으로평가한결과가경로평균및이동구간평균의결과보다다소큰차이를보인다. 이는 Power binning 평가방법은출력별로클래스를나누고각클래스의 Time share 분포특성이다르다. 이때경로 2의경우에교외및전용도로구간의주행부하가매우낮은특성을보이기때문에상대적으로실제도로주행배기가스시험데이터에서전구간의많은비율이 Time share가높은 1번째에서 5번째클래스에집중되기때문인것으로판단된다. NOx emissions (Route 1, A/C Off) NOx emissions (Route 2, A/C Off) NOx emissions (g/km) NOx emissions ( g/km) Averaged MAW Power binning. Averaged MAW Power binning Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig. 3-2 Comparison of NOx emission evaluated by distance-specific, MAW, and Power binning method 이와같이취득한실제도로주행배출가스데이터를어떠한평가방법으로분석하는가에 따라다소차이가날수있으며, 이는시험경로를구성하는도심및교외, 전용도로구간의

87 특성에따라달라질수있음을보였다. 그러므로좀더다양한시험경로를개발하여그에따른데이터를누적평가함으로써시험경로특성이실제도로주행배출가스결과에미치는분석이필요하다고판단된다. 앞서분석한바와같이유럽의시험경로에관련한규정을보면주로넓은평야로구성된지역과알프스산지와같이높은고도를갖는지역등다양한지역을포괄하기위하여세밀한조항들로구성되어있다. 물론국내의경우에는유럽과는다르지만각광역시의도심구간은상당한차량정체특성을갖고있으며동해안으로넘어가는국도등은상당한고도차를갖고있는특성또한갖고있기때문에다양한특성을반영하는시험경로 ( 확장조건에해당하는경로포함 ) 의분석이필요하다 에어컨작동상태에따른이동평균구간분석결과 Fig. 3-21과 3-22는두경로의에어컨작동상태에따라실제도로주행 NOx 배출량을이동평균구간분석방법으로평가한것이다. 경로 1에서는에어컨을작동하지않은경우에모든시험차량의평균실제도로주행 NOx 배출량은.462 g/km이며배출허용기준을평균약 5.8배초과하는특성을보인다. 한편, 에어컨을작동한상태에서전시험경로를운전을한경우에모든시험차량의평균실제도로주행 NOx 배출량은.679 g/km이며배출허용기준을평균약 8.5배초과하는특성을보였으며, 이는에어컨을작동하지않은경우에비하여실제도로주행 NOx 배출량이약 47 % 증가함을보였다. MAW NOx emissions (Route 1, A/C Off) MAW NOx emissions (Route 1, A/C On) NOx emissions (MAW, g/km) NOx emissions (MAW, g/km) Total Urban Rural Motorway. Total Urban Rural Motorway Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig Comparison of NOx emission evaluated by MAW between AC/off and AC/on in route

88 경로 2에서는에어컨을작동하지않은경우에모든시험차량의평균실제도로주행 NOx 배출량은.382 g/km이며배출허용기준을평균약 4.8배초과하는특성을보인다. 한편, 에어컨을작동한상태에서전시험경로를운전을한경우에모든시험차량의평균실제도로주행 NOx 배출량은.617 g/km이며배출허용기준을평균약 7.7배초과하는특성을보였으며, 이는에어컨을작동하지않은경우에비하여실제도로주행 NOx 배출량이약 6 % 증가함을보였다. MAW NOx emissions (Route 2, A/C Off) Averaged NOx emissions (Route 2, A/C On) NOx emissions (MAW, g/km) NOx emissions (MAW, g/km) Total Urban Rural Motorway. Total Urban Rural Motorway Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Veh. 1 Veh. 2 Veh. 3 Veh. 4 Veh. 5 Veh. 6 Fig Comparison of NOx emission evaluated by MAW between AC/off and AC/on in route 2 유럽의 RDE-LDV 규정에서동적조건 (Dynamic conditions) 은도로경사도, 맞바람, 주행동특성 ( 가속, 감속 ), 시험차량의연료소비율및배출가스에영향을미치는보조장치의영향등이포함되어진다고표현한다. 즉, 에어컨의작동여부는실제운전자들의운전조건에맞춰서시험되어져야한다는것이다. 하지만, 위의결과를분석하여볼때대표적으로운전중의차량에부하를주는에어컨의작동은실제도로주행 NOx 배출량에매우큰영향을미치고있다. Fig. 3-23은시험차량 Veh. 3의경로 2에서에어컨작동유무에따른실제도로주행 NOx 배출량을이동평균구간의평균차속에따라나타낸것이다. 특히, 에어컨의작동에따른영향은도심구간에서크게영향을받는것으로나타나고있다. 또한, Fig. 3-23(b) 의전용도로구간 ( 평균차속 8 km/h 이상 ) 에서의매우높은실제도로주행 NOx 배출량은 DPF 재생에따라 EGR이작동되지않았던것으로판단된다

89 On road NOx emissions (MAW) NOx emissions (MAW, g/km) Vehicle speed (MAW, km/h) (a) AC off NOx emissions (MAW, g/km) On road NOx emissions (MAW) Vehicle speed (MAW, km/h) (b) AC on Fig On-road NOx emission evaluated by MAW with Veh. 3 in route 2 Fig. 3-24와같이도심구간에서에어컨이작동하지않은경우에는 EGR의작동이원활하기때문에실시간 NOx 배출량이적은특성을볼수있다. 특히, 대표적으로 NOx 배출량이큰운전특성인정지후출발하는시점에서의실시간 NOx 배출량은원활한 EGR의작동에의하여상당량억제되고있다. 반면에 Fig. 3-25에서나타나듯이에어컨을작동한경우에는 EGR의작동이상당량억제되며, 그에따라실시간차량속도가정지후출발하는경우에실시간 NOx 배출량이매우커지는특성을보이고있다

90 EGR rate (%) Urban 12 EGR rate (%) 1 Exhaust temperature ('C) , 1,5 2, 2,5 3, Test time (sec) Exhaust temperature (C) (a) EGR (%) and Exhaust temperature Vehicle speed (km/h) 14 Vehicle speed (km/h) 12 NOx (mg/s) , 1,5 2, 2,5 3, Test time (sec) NOx (mg/s) (b) Vehicle speed and NOx emission rate Fig Modal data of urban with AC off condition of Veh. 3 in route 2 EGR rate (%) EGR rate (%) Exhaust temperature ('C) Urban Exhaust temperature (C) 5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 Test time (sec) (a) EGR (%) and Exhaust temperature Vehicle speed (km/h) Vehicle speed (km/h) NOx (mg/s) 5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 Test time (sec) NOx (mg/s) (b) Vehicle speed and NOx emission rate Fig Modal data of urban with AC on condition of Veh. 3 in route 2 그러므로에어컨작동여부는차량배기시스템에서 NOx 저감에대표적인 EGR 작동에매 우큰영향을미치는것으로판단할수있다. 물론, 에어컨작동여부와 EGR (%) 의직접적인 상관관계는제작사에서제공하지않았기때문에정확하게판단할수는없지만, 본연구에서 - 8 -

91 시험한차량은위와같은결과를통하여간접적으로판단할수있다. 또한, 경로 2과비슷한경로 Combined 1에서의 SCR 장착차량은도심구간에서약 1.1 ~ 2.5배, 교외구간에서약 3.1배, 전용도로구간에서약 1.3배정도초과하는결과를 LNT 장착차량의실제도로주행 NOx 배출량과비교하여볼때매우큰특성을볼수있다

92 3.4 동력시스템모델링을이용한실제도로조건에서배출가스 CO2 배출량예측 본연구에서는휘발유 5차종, 경유 6차종, 하이브리드 2차종 ( 휘발유-전기, 경유-전기 ) 및 LPG 차량모델 ( 총 14차종 ) 을생성하였다. 현재경유-전기기반하이브리드차량은판매되지않고있으나본연구에서는가상모델을생성하여차량성능예측을수행하였다. 이와같은과정을통해확보된 14종의차량모델을기반으로하여차종별로 7종의주행모드에서의시뮬레이션을수행하였으며차대동력계시험데이터를보유하고있는차종에대해서는시험결과와의비교분석을통해예측정확도를검증하였다. 시뮬레이션모델이개발된차량제원은 Table 3-11에서 3-13에정리되어있으며예측정확도비교검증결과는아래의 Fig. 3-27과같다. Table 3-11 Main input data for vehicle simulation Gasoline vehicle Table 3-12 Main input data for vehicle simulation Diesel vehicle Table 3-13 Main input data for vehicle simulation HEV & LPG vehicle

93 도로구배및주행속도를반영한배출가스및 CO2 배출량예측 본연구에서는 국립환경과학원연구용역과제를통해개발된 5종의실도로주행패턴을기반으로하여 5종의차종에대한시뮬레이션을수행하였으며자세한경로정보는아래의 Fig. 1-14과같다. 위경로의경우차량의속도및도로구배정보를보유하고있으며이를기반으로하여실제도로주행패턴과유사한조건을시뮬레이션에서구현하였다. City 1 City 2 Combined 1 Combined 2 Up-down hill Fig Real driving routes - city, combined and up-down hill City 1: 국립환경과학원 아라뱃길 올림픽대로 양화대교 광화문 마포대교남단 City 2: 국립환경과학원 아라뱃길 올림픽대로 종합운동장 강남역 한남대교남단 Combined 1: 국립환경과학원 아라뱃길 올림픽대로 양화대교 광화문 마포대교남단 인천공항고속도로 북인천 IC Combined 2: 국립환경과학원 공촌사거리 화곡역 강서구청 가양대교남단 올림픽대로 인천공항고속도로 북인천IC Up-down hill: 박달재고개 시뮬레이션의경우엔진에서발생되는온실가스량을연비맵을통해산정하는방식인방면 시험결과의경우배기관에서배출되는배기가스를포집하여측정하는방식이다. 따라서일반 적으로시뮬레이션결과는시험결과에비해많은변곡점이있으며시험결과와직접적으로

94 비교하기에는다소한계가있다. 따라서본연구에서는순가나온실가스발생량시뮬레이션결과에보간법을적용하여 (smoothing method) 시험결과와비교하였으며그결과위의그래프와같이전반적인경향성이잘일치하는것을확인하였다. Engine speed (rpm) Experiment Simulation CO2 emission (mg/s) Experiment Simulation Time (s) (a) Gasoline vehicle (Gasoline D): Combined 1 route Engine speed (rpm) Experiment Simulation CO2 emission (mg/s) Experiment Simulation Time (s) (b) diesel vehicle (Diesel F): Combined 1 route Fig Comparative analysis of tested and simulated CO 2 results 전체적으로실도로온실가스측정시험결과와시뮬레이션의예측결과와의상대오차가크지않음을확인하였으며시뮬레이션결과는시험결과의온실가스발생량증감경향성을잘추종하는것을확인하였다. 시험과시뮬레이션간의상대오차가발생하는특정부분에시험에서발생하는오차를고려하였을경우그편차가크지않음을확인하였다. 세부적인분석을수행하기위해 Gasoline D 차량의시뮬레이션결과의특정부분을확대하

95 여아래의그림과같이정리하였다. 그결과시뮬레이션을통해예측된순간온실가스발생량 은시험결과와매우유사한경향성을보임을확인하였다. 이를통해차량동역학모델의온실 가스예측정확도를검증하였다. CO2 emission (mg/s) Experiment Simulation Time (s) CO2 emission (mg/s) Time (s) CO2 emission (mg/s) Time (s) Fig Validating prediction accuracy of Gasoline D model (CO 2 emission rate) 아래의그래프는실도로시험및시뮬레이션통해얻어진엔진운전점을비교하여나타낸결과이다. 엔진페달위치와엔진출력간의상관관계를분석하여변속맵에반영하였으며차종및주행패턴에관계없이전반적인엔진운전점예측결과정확도가높음을확인하였다. 엔진운전점예측정확도를분석하기위해 2종의실도로복합주행모드를선정하였으며 (combined 1, 2) 대표차종으로는 Gasoline D ( 휘발유 ) 및 DIesel F ( 경유 ) 차종을선정하였다. Gasoline D ( 휘발유 ) 차량의경우, 상관성결정계수 (R2, Determination of Coefficient) 값에서확인할수있는바와같이시험결과와시뮬레이션결과와의상관성이매우높은것을나타났다. (Gasoline D R2값 : , R2 값이 1에근사할수록상관성이높음을의미함 ) 특정운전조건에서시험을통해측정된운전점대비다소낮은값을예측하는것을확인하였으며이부분은실도로시험운전자의운전성향이과도하게작용하여나타난현상으로분석된다. 이러한특정데이터점이상관성결정계수에미치는영향은크지않은것으로나타났으며일반적인시험편차수준에서크게벗어나지않는것으로판단된다. DIesel F ( 경유 ) 차량의경우상관성결정계수 (R2) 값이 Gasoline D 차량에비해다소낮은것으로분석되었으나전반적인 R2 값이.8 이상의값으로형성되는것을확인하였다. 일반적

96 으로결정계수값이.5 이상이면상관성이높은편으로분류한다는점을감안할때전반적인 엔진운전점예측정확도는높은것으로분석된다. Predicted engine speed (rpm) Trend line Combined 1-1: y =.9412x, R² =.942 Combined 1-2: y =.9376x, R² =.9158 Combined 2-1: y =.9513x, R² =.9272 Combined 2-2: y =.951x, R² =.9447 Data points Combined 1-1 Combined 1-2 Combined 2-1 Combined Measured engine speed (rpm) (a).gasoline vehicle (Gasoline D): Combined 1 and 2 routes Predicted engine speed (rpm) Trend line Combined 1-1: y =.9487x, R² =.7925 Combined 1-2: y =.9548x, R² =.89 Combined 2-1: y =.966x, R² =.8678 Combined 2-2: y =.958x, R² =.8736 Data points Combined 1-1 Combined 1-2 Combined 2-1 Combined Measured engine speed (rpm) (b). Diesel vehicle (Diesel F): Combined 1 and 2 routes Fig Validating Prediction accuracy of engine operating point

97 Fuel efficiency (km/l) CO2 emission (g/km) Gasoline D Diesel F HEV A HEV B LPG A City1 City2 Combined1 Combined2 Up-down hill (a). 연비예측결과 Gasoline D Diesel F HEV A HEV B LPG A City1 City2 Combined1 Combined2 Up-down hill (b). 주행거리당온실가스예측결과 Fig. 3-3 Predicted fuel efficiency and CO 2 emission rate of five vehicle models Fig. 1-17은휘발유 (Gasoline D), 경유 (Diesel F), 휘발유-전기 (HEV A), 경유-전기 (HEV B) 및 LPG 승용차량모델을기반으로하여위에서선정한 5종의실도로주행조건에서의연비및온실가스시뮬레이션결과를정리하여나타낸것이다. 동급차종으로비교를수행하기위해연소실체적이 2,-2,2cc에해당하는차종을선정하였다. 전체적으로 2종의하이브리드차량이 (HEV A, HEV B) 휘발유및경유차량에 (Gasoline D, Diesel F) 비해연비가약 25-3% 정도높은것으로예측되었으며이와같은연비개선은주행거리당온실가스발생량개선효과로도나타난다. LPG 차량의경우에는 (LPG A) 전반적으로연비는낮지만동급가솔린및디젤차량에비해단위주행거리당온실가스배출량이낮은것으로예측되었다. LPG연료의경우휘발유및경유에비해단위질량당탄소함유량 (specific carbon content) 이낮고저위발열량이높아 CO2 저감에효과적인것으로분석됨

98 5 종의실도로주행조건기준으로각차종의평균연비를산정하면아래의결과와같다. Gasoline D: 16.95km/L, Diesel F: 19.87km/L HEV A: 22.8km/L, HEV B: 25.85km/L, LPG A: 13.47km/L 실제도로조건주행패턴 ( 급가속, 급감속등 ) 에따른배출가스및 CO2 배출량편차분석 차량의가속정도가온실가스발생량에미치는영향을분석하기위해아래의그래프와같이 5차종의 CVS-75 및 HWFET 시뮬레이션결과를활용하여가속력과온실가스발생량간의상관관계를분석하였다. 휘발유및경유차량대비 LPG 및하이브리드차량의순간온실가스발생량이현저히낮은것을확인하였다. 특히, CVS-75 시뮬레이션결과를기준으로볼때하이브리드차량은 (HEV A, HEV B) 도심구간에서의순간온실가스발생량이휘발유및경유차량 (Gasoline D, Diesel F) 대비약 4-5% 까지저감됨을확인하였다. 시뮬레이션을통해취득된결과를전반적으로분석해보았을때 LPG 및 HEV 차량의경우, 시내구간에서의온실가스발생량은가솔린및디젤차량대비약 5-9% 인것으로예측되었으며, 고속주행구간에서의온실가스발생량은가솔린및디젤차량대비약 85-9% 인것으로예측된다. 이와같은결과를토대로볼때저속주행구간이많은지역에서의하이브리드및 LPG 차량보급비율을높인다면향후수송부문의승용차량에서발생하는온실가스발생총량을효과적으로저감될것으로기대된다

99 CO2 emission (kg/h) ICEV LPG HEV : Gasoline D: CVS-75 (3phase) : Diesel F: CVS-75 (3phase) : HEV A: CVS-75 (4phase) : HEV B: CVS-75 (4phase) : LPG A: CVS-75 (3phase) 4-5% of CO 2 reduction 1-2% of CO 2 reduction CO2 emission (kg/h) ICEV LPG, HEV Acceleration (m/s 2 ) : Gasoline D: HWFET : Diesel F: HWFET : HEV A: HWFET : HEV B: HWFET : LPG A: HWFET 1-15% of CO 2 reduction (a) CVS-75 mode Acceleration (m/s 2 ) (a) HWFET mode Fig Correlation analysis between vehicle acceleration and CO 2 emission rate (g/km)

100 3.4.3 차종별주행모드와실제도로조건에서의배출가스및 CO2 배출량상관관계분석 실도로시뮬레이션결과에대한상세분석을수행하기위해 power bin method를적용하여연구를수행하였다. 이분석방법은차량의실시간성능결과를특정출력구간으로나누어각구간에서의 RDE (Real Driving Emission) 평균값을도출하는방식으로주행조건에따라편차가큰실도로시험결과를분석하는데효과적인방법이다. 또한이방법은통해나눠진 data의각 class 별로가중치를부여하여가장일반적인주행조건에서차량배기성능이어떻게나타날것인지에대한추정이가능한분석방법이다. (Fig 참조 ) Fig Power binning method weighting factor applied Time share (%) Time share (%): Gasoline D Diesel F HEV A HEV B LPG A Time share (%) Time share (%): Gasoline D Diesel F HEV A HEV B LPG A Power (kw) (a) Unapplide power normalization Power class No. (b) appliedpower normalization Fig Power class normalization result - 9 -