Transactions of KSAE, Vol. 26, No. 4, pp.521-532 (July, 2018) Copyright C 2018 KSAE / 155-12 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI https://doi.org/10.7467/ksae.2018.26.4.521 운전변수에따른 NOx 배출량상관성분석 - 사례분석 : 운행차검사모드및실도로주행 김승열 1,3) 최동환 1) 김보영 1) 김종우 2) 이진욱 *3) 한국산업기술시험원환경기술본부 1) 인하공업전문대학자동차과 2) 숭실대학교기계공학과 3) Correlation Analysis of NOx Emission and Driving Parameters - Case Study: In-used Car Inspection Mode and Real Road Driving Sunglyul Kim 1,3) Donghwan Choi 1) Boyoung Kim 1) Jongwoo Kim 2) Jinwook Lee *3) 1) Department of Environment Technology, Korea Testing Laboratory, 87 Digital-ro 26-gil, Guro-gu, Seoul 08389, Korea 2) Department of Automotive Engineering, Inha Technical College, Incheon 22212, Korea 3) The Graduate School, Department of Mechanical, Soongsil University, Seoul 06978, Korea (Received 29 December 2017 / Revised 27 February 2018 / Accepted 19 April 2018) Abstract : This is a precedent study for the development of real road driving mode that has a similar NOx emission trend to that of the -147 test mode, which is a vehicle periodic test mode in Korea. The vehicle specific power, acceleration, and velocity were defined as driving parameters that have a significantly high effect on NOx emission, and the correlation between each parameter and NOx emission were analyzed. In the case of acceleration and velocity, we tried to analyze the independent effect of each parameter on NOx emissions by adjusting another driving parameter. Experimental results show that the defined driving parameters have a significant correlation with NOx emissions and several guidances of real road driving mode were proposed in order to yield similar NOx emission results of the -147 test mode based on the results of the study. Key words : Correlation analysis( 상관성분석 ), NOx emission( 질소산화물배출량 ), Driving parameter( 운전변수 ), -147 test mode( 한국형운행경유차시험검사모드 ), Real road driving( 실도로주행 ) Nomenclature 1) a : acceleration, m/s 2 ACC : acceleration AT : automatic transmission cov : covariance C : correction factor of acceleration E : expectation value operator g : gravitational acceleration, m/s 2 : -147 test mode NOx : nitrogen oxide : real road driving t : travel time ratio in each separated interval, % v : velocity, m/s VEL : velocity VSP : vehicle specific power, kw/ton * Corresponding author, E-mail: immanuel@ssu.ac.kr * This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons. org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited. 521
김승열 최동환 김보영 김종우 이진욱 : drag coefficient : road grade, dimensionless : average value of the variable : correlation coefficient : standard deviation : rolling resistance coefficient Subscripts I : separated interval X : NOx concentration in exhaust gas, ppm Y : driving parameter(vsp, acceleration, velocity) 1. 서론국내자동차총등록대수는 2017년 9월기준으로약 2,200만대이며, 이중디젤차량은우수한연비와양호한주행성능에따른선호도증가덕분에지속적으로증가하여전체의약 43.3 %( 약 950만대 ) 을차지하고있다. 그러나디젤연소특성으로인해단위연료사용량당입자상물질및질소산화물의배출량이높아차량에서기인하는대기오염비중에상당한영향을미친다. 또한노후디젤엔진의높은대기오염배출경향을감안하여운행차정밀검사를통한현실적인디젤차량의배출가스규제가시행되고있다. 1) 현재국내중소형경유운행차의경우실도로주행에따른배출가스배출경향을모사하는한국형경유검사방식인 -147 모드를통해배출가스규제가실시되고있으며, 현재단일규제항목으로서매연검사만진행되고있으나향후질소산화물 (NOx) 에대해서도추가적으로규제가시행될예정이다. 중소형경유차량은관련고시에명시된주행방법에따라총 147초동안가속과감속을반복하여야하는가변모드 (Transient mode) 방식의검사 (-147 모드 ) 를받아야한다. 또한차량마다상이한관성중량을반영하여도로부하마력이차별적으로적용되어야하며가변적인도로부하마력을인가하여야하므로이를위해차대동력계 (Chassis dynamometer) 가필요하다. 그러나해당장비의구매및설치에는상당한비용이들기때문에일반정비소수준에서 는정밀검사부적합판정을받은차량에대한배출가스시스템정비후배출가스저감개선효과를즉각적으로확인하기에는제한사항이많다. 이러한측면에서정비후차량에이동식배출가스측정기를장착하여실도로주행을통해정밀검사적합여부를예측하는도로주행방법의개발이여러장점을가진다고할수있다. 이를위해 -147 검사모드의배출경향을높은상관도로모사할수있는실도로주행모드가필요하나도로주행의경우잦은가속및감속, 낮은평균속도등정형화된시험모드와차이점으로인해배출특성이상이하므로상관관계에대한선행연구가필요하다. 2) 우선 -147 모드특성분석과동시에배출량에높은영향을미치는운전변수를선정한후해당변수들과배출량측정값간의상관성분석이필요하며, 해당상관성자료를토대로차대동력계주행모드를모사할수있는실도로주행가이드를정할수있다. 3) 차대동력계상의주행모드는시간에대한속도곡선으로구성되므로속도와가속도에의해특정된다고할수있다. 일부연구들에서는대형차량의배출가스배출량을차량속도와가속도의값으로정의된차량활동 (Activity) 과높은상관관계를가진다고가정하여해당변수들간의상관관계를분석하였다. 4,5) 나아가차량비출력 (Vehicle specific power: VSP) 은엔진부하와직접적으로연관되어있는운전변수로서속도와차량별등가관성중량은물론주행저항계수, 공기저항계수, 도로구배 (Gradient) 를반영한배출가스배출경향을예측할수있다는장점이있다. 6) 이러한특성을바탕으로실도로주행시구간별평균비출력을계산하여해당값이주행시발생되는실제배출가스배출량과의상관성을분석하는연구들또한수행되었다. 3,7-9) 언급된연구들의공통목적은실도로주행을통해연비혹은배출가스배출량과높은상관관계를가지는운전변수를도출하여이를차대동력계운전모드로구현하는데활용하는것이다. 실제로이러한과정에의해목적성이있는도로주행모드가개발되고있다. 권철홍등은상관분석을통해평균주행시간, 가속에너지, 감속거리율을연비와상관성이높은변수로정의하고시내주행시해당변수의특성을추종 522 한국자동차공학회논문집제 26 권제 4 호, 2018
운전변수에따른 NOx 배출량상관성분석 - 사례분석 : 운행차검사모드및실도로주행 할수있는동력계주행모드를구현하는데활용하였다. 3) Ho 등 10) 은싱가포르의대표적인중심도로들을선정하여도로종류별비율, 주행시간및거리, 교통상황등에따른실도로주행을통한데이터취득후평균값을활용하여기존시험모드에비해배출량과연비를보다현실적으로예측할수있는검사모드 (SDC: Singapore Driving Cycle) 를구현하고자하였다. 미환경청 (EPA) 은육상용엔진에서비육상용엔진에이르기까지이동배출원에대한포괄적배출량모델 (MOVES) 개발과정에서비출력을배출가스배출량과높은상관관계를가지는변수로가정하여예측모델을개발하였다. 11) 연구에서는이전연구들과는반대로 -147 검사모드의주요특성을추종할수있는실도로주행조건을연구하고자하며, 이를위해 -147모드및실도로주행시운전변수들에따른질소산화물배출량의상관성분석을진행하였다. 이전연구들을참조하여비출력, 가속도, 속도를질소산화물배출량과높은상관성을가지는변수로서가정하였다. 연구를통해목적실도로주행모드구현과정에서주행경로및운전가이드라인선정에도움을주고자하며, 궁극적으로일반정비소에서도정비후간이이동식배출가스측정장비를탑재한차량의실도로주행을통해정밀검사합격여부예측을가능하게하고자한다. 2. 연구방법 2.1 시험계획선정운전변수들이질소산화물배출량에미치는독립적인영향을파악함과동시에질소산화물배출이높게발생하는운전구간파악하여연구결과를실도로주행시 -147모드와유사한결과를산출하기위한운전가이드라인으로활용하는것을주요목적으로한다. 우선차대동력계상에서 -147 모드의실차시험을통해속도, 가속도, 비출력에따른질소산화물배출량의상관관계를분석하였다. 또한동일차량을이용한실도로주행시험을통해실도로주행시의운전특성에따른운전변수들과질소산화물배출량간의상관성을분석함과동시에실도로주행을통한차대동력계시험결과모사의 Table 1 Specifications of testing vehicle A B C D Equivalent inertia mass (kg) 1,800 1,579 2,137 1,853 Production year 2012 2014 2015 2015 Applied emission standard Euro V Euro V Euro VI Euro VI Vehicle-mile (km) 66,000 56,000 42,000 35,000 Exhaust gas treatment system Driving system DOC, DPF 2-WD (FF) DOC, DPF 2-WD (FF) LNT, DPF 2-WD (FF) LNT, DPF 2-WD (FF) Transmission AT AT AT AT 타당성을검토하고자하였다. 시험차량은 Table 1 과같이유사한제원의중소형경유 SUV 차량으로선정하였다. 시험차량은현재가장많이운행되는 Euro V 배출가스기준이적용된차량으로선정하였으며공통적으로디젤산화촉매장치 (Diesel oxidation catalyst: DOC) 및매연후처리장치 (Diesel particular filter: DPF) 기술이적용된차량이다. 또한차량연식및주행거리가유사한차량을사용함으로써엔진노후화에따른배출가스배출량증가에의한오차를최소화하고자하였다. 2.2 차대동력계주행시험 2.2.1 시험장비및시험조건 -147모드시험을위한차대동력계및데이터취득장치구성을 Fig. 1에나타내었다. 차대동력계는독일 Maha사의 2-WD용 EC 동력계로서최대측정마력 200마력의트윈롤 (Twin roll, D=215 mm) 형식이다. 배출가스측정은 Maha사의이동식고정밀 Fig. 1 Data acquisition system, chassis dynamometer and additional equipments for the -147 mode driving Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 4, 2018 523
Sunglyul Kim Donghwan Choi Boyoung Kim Jongwoo Kim Jinwook Lee 배출가스측정장비인 Met6.3 모델을이용하였다. 차량전면에서송풍장치를이용하여적절한송풍을실시하였으며, 취득데이터는데이터취득장치를통해실시간으로확인할수있도록하였다. 사용한차대동력계는이륜구동방식차량용동력계이므로시험차량은이륜구동방식으로한정하였으며, 자동변속차량을선정하였다. 공조를통한실내온도와압력 (25 C, 대기압조건 ) 을유지하였으며동일한탑승자에의한운전을시행하였다. 2.2.2 시험방법 1) -147 모드중소형운행차정밀검사를위한 -147모드는한국형경유차정밀검사모드로서차량에따른기준관성중량에따라도로부하 (Road load) 마력을설정한다음 Fig. 2와같이특정속도곡선을따라가속, 감속을반복하며배출가스를측정하는방식으로진행된다. 도로부하의경우도로구배, 차량에따른도로및공기저항계수등의영향이포함되어야하나 -147 모드의경우간략한검사를위해차량의관성중량에따른도로저항만을반영하는특성이있다. 최대속도는 83.5 km/h이나모드간정지구간이없기때문에평균속도는약 53 km/h로서일반적인제작차인증모드에비해높은부하가인가된다. 최대, 최소가속도는각각 1.5 m/s 2, -1.58 m/s 2 로서실도로주행에비해비교적온화한운전이진행되는특성이있으나운전허용오차한계에근접하는운전시순간적으로이보다높은가속혹은감속이이루어질수있다. 2) -147 모드시험계획제정밀검사시험시냉간시동 (Cold start) 에의한다량의배출가스발생효과를제거하기위해 50±6.2 km/h의속도에서 40초간예열 (Preheating) 을진행한다. 실차시험전에도이에상응하는예열을시행하였다. 모든시험모드주행은동일운전자를통해수행하였으며운전허용오차는규정된시간 1초이내의속도곡선상속도의 ±3.2 km/h로제한하였다. 차량운행에직접적으로필요하지않은엔진보기류 (Auxiliary) 는작동하지않았다. 2.3 실도로주행시험 2.3.1 시험장비 1) 데이터취득장치실도로주행간데이터취득은 Fig. 3과같이차량에차대동력계시험시사용한동일모델의고정밀배출가스측정기 (Met 6.3 model, Maha) 를탑재하여실시하였다. 차량운행조건파악을위해 OBD(On-board diagnostics) 커넥터에스캐너를연결하였으며질소산화물측정을위해차량배기구로부터배출가스일부를채취하여휴대용배출가스분석기로실시간분석하였으며결과는노트북으로실시간전송하여확인및저장하였다. 데이터취득장치의안정적인전원공급을위해 DC/AC 인버터를사용하였다. 분석시스템을통해실시간으로배출가스내질소산화물농도이외에도차량속도, 가속도, 엔진분당회전수 (RPM), 공기포지션센서 (Air position sensor: APS), 공기유량정보를취득하여보다정확한분석을실시하고자하였다. Fig. 2 Velocity and acceleration profiles of -147 mode Fig. 3 Data acquisition system for the real road driving 524 한국자동차공학회논문집제 26 권제 4 호, 2018
Correlation Analysis of NOx Emission and Driving Parameters - Case Study: In-used Car Inspection Mode and Real Road Driving 2) 시험차량및시험조건실도로주행의경우 Table 1에제시된세대의차량을이용하여시험을실시하였다. 일반적인도로상황을가정한 -147모드와유사한조건에서실험을진행하기위해유사한온, 습도조건을나타내는맑은날시험을진행하였으며높은습도, 낮은기압등의특이기후조건에의한영향을최대한배제하고자하였다. 2.3.2 시험방법 1) 실도로주행로주행로선정기준은도로기울기를반영하지않는 -147모드를고려하여도로구배가낮고, 해당시험모드의최대속도와부하조건을재현하기위해교통혼잡도가낮을조건이다. 이를위해 Fig. 4와같이인천광역시연수구소재왕복 8차선비류대로를주행로로서선정하였다. 다만해당주행로의총거리는 1 km이므로왕복을통해총주행거리약 2.1 km인 -147모드를모사하고자하였다. 2) 주행방법주행데이터는 Fig. 4에표시된약 1 km 주행구간을반복주행하면서취득하였다. 우선 Fig. 2의 -147 모드중속구간 (40 km/h 부근 ) 과고속주행구간 (70 km/h 이상 ) 의운전패턴은필수적으로반영할수있도록운전하여유사한결과를도출하고자하였다. -147모드주행시최대 83.5 km/h까지가속하며해당운전지점에서질소산화물배출량이상당히높아지므로최소 80 km/h 이상의속도로주행하는구간이필수적으로포함될수있도록운전하였으며, 최대한교통흐름에방해받지않으면서 -147 모드와유사한가, 감속특성을모사하고자하였다. 다만왕복주행을위한유턴이나주행로끝부분의신호대기등으로인한서행혹은정차운행이불가피하게존재하였다. 3. 연구결과서론에서선정한각운전변수들의변화가목적변수인질소산화물배출량에미치는상관성파악을주요목적으로하였다. 이를위해차대동력계실험두가지사례및실도로주행시험세가지사례의실험결과에대해식 (1) 과 (2) 를이용한피어슨상관계수 (Pearson correlation coefficient) 를통해상관성분석을실시하였다. Fig. 4 Testing road for real road driving Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 4, 2018 525
김승열 최동환 김보영 김종우 이진욱 (1) (2) 각실험사례의전구간에대한상관성계수를계산함과동시에차량운행에직접관여하는구간 ( 가속, acc.) 과관여하지않는구간 ( 감속, deacc.) 을구분하여피어슨상관계수를추가적으로계산함으로써동력전달여부에따른질소산화물배출량과각운전변수간상관성특성을분석할수있도록하였다. Table 2를통해모든결과를확인할수있으며각변수들이가지는의미를다음장에서설명하였다. 설명에있어다른운전변수가간섭효과 (Interference effect) 를주고있는경우, 간섭기여도가큰다른운전변수를통제한결과를산출하여개별운전변수의질소산화물배출량에대한독립적인영향을분석하고자하였다. 3.1 비출력비출력을통해주행시엔진에실질적으로요구되는출력을계산할수있으며엔진출력은배기가스배출량과직접적인상관관계를가지므로질소산화물배출량과상관도가큰변수라고할수있다. 비출력의산출공식은경험계수 (Empirical coefficient) 를이용한몇가지공식이제시되어있으나본연구에서는 Frey의연구에서제안된식 (3) 을이용하여비출력을계산하였다. 6) 구름저항계수 ( ) 및공력저항계수 ( ) 는해당연구에서제시된경량자동차에범용적으로사용할수있는값을사용하였다. sin (3) Table 2를통해 -147의경우모든사례에서비출력과질소산화물간피어슨상관계수 0.4 이상의유의한양의상관관계가확인되었다. Fig. 2를통해확인할수있는사실과같이 -147 모드의경우정차구간없이지속적이고완만한출력변화가필요 Table 2 Pearson correlation coefficients between each driving parameter and NOx emission (total) (acc.) (deacc.) (total) (acc.) (deacc.) 0.609 0.581 0.543 0.645 0.768 0.111 Vehicle A 0.399 0.186 0.524 0.490 0.616 0.222 0.666 0.659 0.937 0.388 0.507 0.244 0.492 0.434 0.469 0.691 0.732 0.340 (total) (acc.) (deacc.) (total) (acc.) (deacc.) 0.664 0.487 0.314 0.377 0.555-0.138 Vehicle B 0.627 0.267 0.586 0.247 0.256 0.201 0.441 0.370 0.499 0.529 0.538 0.514 0.632 0.354 0.772 0.527 0.529 0.470 (total) (acc.) (deacc.) (total) (acc.) (deacc.) 0.426 0.403 0.528 0.384 0.700-0.402 Vehicle C 0.267-0.159 0.643 0.191 0.281-0.030 0.743 0.759 0.786 0.723 0.736 0.701 0.501 0.332 0.549 0.624 0.618 0.646 (total) (acc.) (deacc.) (total) (acc.) (deacc.) 0.738 0.619 0.669 0.403 0.625-0.247 Vehicle D 0.642 0.120 0.822 0.255 0.263 0.090 0.477 0.505 0.700 0.699 0.745 0.732 0.544 0.299 0.696 0.705 0.713 0.619 526 한국자동차공학회논문집제 26 권제 4 호, 2018
운전변수에따른 NOx 배출량상관성분석 - 사례분석 : 운행차검사모드및실도로주행 한운전영역으로구성되어있다. 그결과출력변화에따른질소산화물배출량변화에필요한응답시간이충분히확보되어가속구간 ( 평균 0.52) 뿐만아니라감속구간 ( 평균 0.51) 에서도평균 0.5 이상의양호한상관계수가확보될수있었다. 그러나실도로주행의경우양의상관관계가뚜렷한가속영역 ( 평균 0.66) 에비해감속영역 ( 평균 -0.17) 에서는오히려음의상관관계가확인되었다. 이는급정거가잦은실도로주행의특성상, 급정거에따른즉각적인비출력변화에비해질소산화물배출량의경우일정시간경과후에감소하는특성이있기때문이다. 이러한응답속도차이로인해감속영역에서는음의상관관계가발생하여전체운전영역의상관계수가낮아졌다. 또한비출력의대부분이차량운동에사용되는 -147모드와는달리실도로주행의경우정차및서행구간이잦으며이러한특정되지않은가속및감속특성또한상관성을악화시키는요인으로작용한다. 반면실도로주행의경우시속 60 km 이상고속구간에서도 1 m/s 2 이상의급가속을한경우가잦아비출력이높은지점이비교적많으며해당운전지점에서질소산화물과비출력간상관성이높아가속영역에서는 -147모드주행에비해높은상관성이나타남을확인할수있었다. 3.2 가속도가속도의경우엔진부하의변화와직접적인관계가있어 Fig. 6을통해알수있듯이질소산화물배출량과뚜렷한양의상관관계를가지나, 엔진부하는속도와도연관되어결정되기때문에속도에의한간섭효과를배제한독립적인분석이필요하다. 12) 이를위해속도구간을대표적인다섯구간 ( 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) 으로나누어가속도와질소산화물배출량간피어슨상관계수를계산하여 Table 3에나타내었으며이와동시에 -147 모드주행및실도로주행의각속도별상관계수평균값을나타내었다. Fig. 6을통해확인할수있듯이일정가속도값이상이확보될때전체질소산화물배출량중순수가속에따른엔진부하증가분에의한질소산화물배출량의비율이증가하기때문에가속도와질소산화물간상관성이증가하는경향이나타났다. 이와관련지어 -147모드주행의경우속도가낮은구간일수록, 실도로주행의경우속도가높은구간일수록더욱높은상관성이확인되었다. 이는 -147 모드주행의경우 40 km/h 미만의저속구간에서주로큰가속이이루어지는반면, 실도로주행의경우운 -147 mode Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Real road driving Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Fig. 5 Correlation analysis between VSP and NOx emission Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 4, 2018 527
Sunglyul Kim Donghwan Choi Boyoung Kim Jongwoo Kim Jinwook Lee -147 mode Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Real road driving Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Fig. 6 Correlation analysis between acceleration and NOx emission -147 mode Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Real road driving Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Fig. 7 Correlation analysis between velocity and NOx emission 전자의운전습관상 40 km/h 이상의중속이상에서큰가속이이루어지는경우가잦았기때문이다. 즉, 실도로주행시 -147모드주행의배출가스특성을모사하기위해서는해당운전모드의속도별유의한가속이이루어지는구간에서는유사한가속 패턴을모사하는것이중요한요소라고할수있다. 다만 -147 모드의경우가속시에비해감속시에더높은상관계수가확인되었다. 그러나이는고속구간에서정속주행이많은 -147 모드의특성상 Fig. 6의 -147모드결과중절대값이작은가속 528 한국자동차공학회논문집제 26 권제 4 호, 2018
Correlation Analysis of NOx Emission and Driving Parameters - Case Study: In-used Car Inspection Mode and Real Road Driving 도영역의데이터를통해확인할수있듯이해당운전영역상당수데이터들은가속도에관계없이속도에의해질소산화물배출량이좌우되어가로로긴영역을형성한다. -147모드에서이러한경향은절대값이작은감속영역에서빈번하였기때문에감속시에더높은상관계수가계산되었다. 반면큰감속이잦은실도로주행의경우가속시더욱상관성이높은것을확인할수있다. 3.3 속도속도의경우식 (3) 을통해서도알수있듯이차량비출력에높은상관관계가있는파라미터로서전반적으로질소산화물배출량과높은상관관계를가지며, 실험을통해서도대부분의사례에서상관계수 0.4 이상의유의한상관관계를가진다는것을 Table 2를통해서확인할수있다. 그러나가속도와같은몇가지파라미터에의해간섭효과를받는다. 12) 또한변속에따라동일한속도조건에서도엔진회전수등의급격한변화에따라배출특성이불연속적으로변하는구간도존재한다. 그럼에도불구하고실도로주행시가장쉽게통제할수있는변수이므로의미있는상관성분석이필요하다. 가장간섭효과가크다고여겨지는가속도의효과를감소시키기위해가속도구간을다섯구간 ( 각 1: -1 m/s 2 이하, 2: -1~0 m/s 2, 3: 0~1 m/s 2, 4: 1~2 m/s 2, 5: 2 m/s 2 초과 ) 으로나누어가속도와질소산화물배출량간피어슨상관계수, 그리고 -147 모드주행과실도로주행각네가지사례의가속도별속도와질소산화물사이의피어슨상관계수평균값을계산하여 Table 4에나타내었다. 가속도에의한교차영향을감소시킨결과 (Table 4의 Average 열, 각각의가속도구간에서속도와질소산화물배출량상관계수와주행시간의곱의합 ) 는전체구간에서의상관계수 (Table 2 참조 ) 에비해향상되었음을확인할수있다. -147의경우감속및낮은가속도영역일수록높은상관성이관찰된반면, 실도로주행의경우에는감속영역에서는낮은상관성이관찰되며, 가속도의크기가커질수록상관성도함께증가하는경향이관찰되었다. 이러한경향의이유를급가속및급감속에서찾을수있다. 비교적완만한가속및감속구간이많은 -147 모드특성상주행시간기준 85 % 이상의 Table 3 Pearson correlation coefficients between acceleration and NOx emission in different velocity interval Vehicle A Vehicle B Vehicle C Vehicle D Average 0.489 8.7 0.264 46.1 0.780 39.8 0.543 10.5 0.509 31.0 0.511 25.1-0.594 20.5 0.888 12.2 - - 0.712 6.1 0.964 7.5 0.293 30.0 0.752 27.5 0.494 13.6 0.853 19.5 0.392 25.2 0.685 31.0 0.380 23.6 0.151 14.5 0.470 7.6 0.850 9.2-0.050 33.8 0.515 25.9 0.261 27.0 0.390 20.5 0.451 26.4 0.678 23.2 0.474 7.3 0.179 21.2 0.818 5.5 0.831 8.5 0.243 47.0 0.927 23.6 0.398 10.9 0.800 23.9 0.441 28.5 0.748 25.6 0.711 6.3 0.730 18.4 0.506 7.3 0.784 8.5 0.188 39.2 0.744 29.2 0.424 15.5 0.638 23.7 0.449 26.3 0.379 25.1 0.613 12.4 0.353 13.5 0.627 6.6 구간에서 ±1 m/s 2 이내의낮은가속도로주행하는특성이나타난다. 그러나실도로주행시교통상황및운전자의개별운전특성등으로인해 ±1 m/s 2 이 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 4, 2018 529
김승열 최동환 김보영 김종우 이진욱 Table 4 Pearson correlation coefficients between velocity and NOx emission and driving time in each acceleration interval Vehicle A 0.990 2.9 0.092 7.8 0.957 21.1 0.227 20.8 0.730 67.2 0.425 60.8 0.445 8.8 0.784 9.7 - - 0.900 0.9 상의높은가속도구간에서의주행시간비율이두배이상나타남을확인할수있었다. 즉, 잦은급감속조건에서속도와질소산화물배출량의응답시간차이가상관성을저하시키는요인으로작용한다는것을알수있으며이는 Table 4에서실도로주행시급감속구간 ( ) 의낮은상관성계수와해당구간에서의주행시간비율이높을수록전체피어슨상관계수 (Table 2 참조 ) 가낮아지는결과를통해확인할수있다. 또한 1 m/s 2 이상의가속도영역 (, ) 이넓을수록속도와질소산 Vehicle B Vehicle C Vehicle D Average 0.228 10.0 0.511 12.4 0.654 12.0 0.624 18.2 0.471 68.5 0.545 57.7 0.590 9.5 0.736 10.7 - - 0.909 1.0 0.507 11.6 0.776 11.2 0.813 22.9 0.785 14.3 0.777 62.1 0.721 63.5 0.792 3.4 0.858 11.0 - - - - 0.083 10.9 0.749 10.3 0.786 29.0 0.705 7.6 0.555 53.9 0.700 70.2 0.270 6.2 0.939 9.8 - - 0.921 2.1 0.452 8.9 0.532 10.4 0.803 21.3 0.585 15.2 0.633 62.9 0.598 63.1 0.524 7.0 0.829 10.3 - - 0.910 1.0 화물간의상관성은증가하며 Table 4에서높은가속구간의주행시간과상관계수가비례하는결과를통해이를확인할수있다. 가속과감속에따른상관성분석결과대체적으로감속시에비해가속시더높은상관관계를보임을확인할수있었다. 단, -147의경우감속시에도높은상관관계를보이는결과가관찰되었는데이는이전장에서언급한바와같이완만한감속결과엔진으로부터질소산화물배출량저감효과와속도감소의응답시간이유사하기때문이며, 직접적인인과관계는부족한것으로판단된다. 이러한상관성경향은이전의연구사례와도일치한다는것을알수있었다. 12) 4. 결론연구를통해유사제원의중소형경유차량의 -147 모드주행및실도로주행실험을실시하였고질소산화물배출량과높은상관관계를가질것으로예측되는비출력, 가속도, 속도에대한상관성분석을시행하였으며주요도출결과는다음과같다. 1) 비출력의경우여러운전변수들에의한영향의동시반영이가능하여엔진부하와직접적으로관련되기때문에질소산화물배출량과전반적으로높은상관관계가있음이확인되었다. 그러나비출력의증가가차량운동량증가에직접기여하는비율이낮은저비출력구간일수록상관성이낮아지는경향을관찰할수있었다. -147 모드에비해실도로주행시도로교통상황으로인해낮은속도에서잦은가, 감속경향이뚜렷하였으며이경우상관도가낮은결과가도출될수 530 한국자동차공학회논문집제 26 권제 4 호, 2018
운전변수에따른 NOx 배출량상관성분석 - 사례분석 : 운행차검사모드및실도로주행 있으므로실도로주행계획산정시이러한특성이고려하여통행이원활한도로에서의주행을통해서행운전에따른특정되지않은가, 감속운전을회피하여야한다. 2) 속도와가속도의경우질소산화물배출량에대해서로간섭효과를가지므로각변수를구분하여분석함으로써독립적인상관성을확인하였다. 전반적으로두변수모두질소산화물배출량과특정조건을제외하고는피어슨상관계수 0.4 이상의유의한관계를가지는것으로확인되었으나특징적으로 -147모드주행의경우감속조건에서, 실도로주행의경우가속조건에서높은상관성이확인되었다. 3) 가속도구간별속도의경우일부감속구간을제외한대부분의사례에서질소산화물배출량과 0.4 이상의유의한상관계수가도출되었으나, -147 모드주행의경우가속도가작을수록, 실도로주행의경우에는가속도가클수록상관성이증가하는경향이관찰되었다. 이는 ±1 m/s 2 이내의완만한가속및감속구간이많은 -147 모드특성에비해실도로주행의경우 1 m/s 2 이상의높은가속지점이많았기때문이다. 해당결과로미루어보아 1 m/s 2 이상의가속조건과 -2 m/s 2 이내의완만한감속조건이질소산화물배출량과높은상관성을보장한다는결론을도출할수있다. 4) 속도구간별가속도의경우 -147 모드주행사례중 40 km/h 미만의저속조건에서 1 m/s 2 이상급가속을한경우가대부분인사례 ( 차량 A, D) 에서는비교적낮은상관계수가도출되었으며, 실도로주행의경우감속구간을제외하고는질소산화물배출량과 0.4 이상의유의한상관계수가도출되는상반되는결과를확인하였다. 5) 앞선결과들을통해실도로주행에서이러한 -147모드특성을반영하기위해서는질소산화물배출량과운전변수간상관성은떨어질수있으나저속조건에서는 1 m/s 2 이상의비교적큰가속이확보되어야한다. 또한 -2 m/s 2 보다큰감속은질소산화물배출량과의상관성을저하시키는요인이며 -147 모드주행에서도낮은빈 도로관찰되었으므로실도로주행시 -147 모드수준으로완만한감속운전이요구된다. 추가적으로 -147 모드의경우 70 km/h 이상의고속운전영역에서가속도는 0.5 m/s 2 이하로유지되어초기가속을제외하고는질소산화물배출량이특별하게높지않다. 일반도로에서고속운전이힘들다는것을감안할때오르막길에서의고부하운전을이용하여 60~70 km/h의중속영역에서도 -147 모드주행의최대질소산화물배출특성을재현할수있는주행로선정또한필요하다. 본연구결과를통해특정검사모드 (-147) 를높은상관도로모사할수있는실도로주행운전가이드라인선정에많은도움을줄수있으나, 실제적용에있어서는오차를고려하여일정수준의보수적인기준을적용해야한다. 후 기 본연구는환경부 Global-Top Project 친환경자동차기술개발사업단의지원에의해수행되었으며이에감사드립니다. References 1) Y. Chen and J. B. Kleefeld, NOx Emissions from Diesel Passenger Cars Worsen with Age, Environmental Science & Technology, Vol.50, No.7, pp.3327-3332, 2016. 2) S. K. Pathak, V. Sood, Y. Singh and S. A. Channiwala, Real World Vehicle Emissions: Their Correlation with Driving Parameters, Transportation Research Part D: Transport and Environment, Vol.44, pp.157-176, 2016. 3) C. H. Kwon and S. Park, Development of Urban Driving Cycle, Auto Journal, KSAE, Vol.9, No.1, pp.57-68, 1987. 4) N. N. Clark, P. Gajendran and J. M. Kern, A Predictive Tool for Emissions from Heavy- Duty Diesel Vehicles, Environmental Science & Technology, Vol.37, No.1, pp.7-15, 2003. 5) H. Weinblatt, R. G. Dulla, and N. Clark, Vehicle Activity-Based Procedure for Estimating Emis- Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 26, No. 4, 2018 531
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