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2017년 9월부터 유럽에 도입되는 실주행연비 측정 기술

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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)
승인 2016-11-01 11:26:24

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폭스바겐 디젤 게이트 이후 관심을 끄는 것은 2019년 9월부터로 본격 시행이 예정되어 있는 실제 도로주행 배기가스(RDE ; Real Driving Emission)에 관한 것이다. 여기에 2018년 9월부터는 EU내에서 경형차(세단과 라이트트럭) 테스트 프로그램(WLTP; World harmonized Lightvehicle Test Program)이 시행된다. 어떤 형태로 나오든지 기존의 실험실 내에서의 데이터와는 다를 것은 분명하다. WLTP와 RDE에 대한 내용을 간략히 정리해 본다.

 

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기존 실험에서는 온도를 관리한 실험실 내에서 속도에 따른 차량 부하를 주는 섀시 다이나모 미터를 사용해 시험차량을 롤러 상에서 규정 속도 패턴(표준 시험 모드)로 작동시킨다. 그 사이 배기가스 전량을 희석 샘플링 장치에 도입한다. 희석 배기가스 농도의 평균치(ppm)와 희석 배기가스량(㎥/test)으로부터 NOx 등의 배기가스량(g/test)를 구하고 그 사이에 주행한 거리(km)로 나누어 각 배기가스 성분의 배출률(g/km)를 산출해 왔다. 우리가 그동안 사용해 온 LA4모드라든가 CVS75 모드 등이 이런 방법에 속한다.

 

유럽에서는 이 속도 패턴을 2017년 9월 이후 NEDC(New European Driving Cycle) 모드에서 WLTP에서 정한 WLTC(Worldwide Lightduty Test Cycle)모드로 변경한다. WLTC에서는 저속(Low 구간 평균 속도 19km/h), 중속(Medium, 39.5km/h), 고속(High, 56.7km/h), 초고속(92.3km/h)라고 하는 네 가지 패턴이 있고 그 조합한 각국의 교통 사정에 따라 선택한다.


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WLTP 테스트는 약 23도의 온도에서 시작된다. 지금까지와 달리 테스트 벤치 위에서의 대책, 즉 에어 인테이크를 차갑게 하는 것은 허용되지 않는다. WLTP에서는 같은 형식 중에서 최적화한 타이어와 최소장비 등을 포함한 가장 유리한 버전과 내비게이션과 레저 시트 등도 포함한 가장 불리한 버전 양쪽을 측정한다. 고정된 시프트 포인트가 아닌 개별로 계산된 시프트 포인트가 사용된다. 테스트 차량은 지금까지처럼 중량 최적화, 즉 편리한 경량화는 실시되지 않는다. 추가 장비를 포함한 공차 중량 플러스 15%의 허용 중량이 적용된다.

 

주행 테스트도 지금까지보다 더 현실적으로 된다. 가속 페이스도 늘리고 시가지 주행, 지방도로, 고속도로 주행 등을 시뮬레이션 할 수 있도록 60km/h 이내, 80km/h 이내, 100km/h 이내, 그리고 130km/h 이상 등 4단계로 측정한다. 또 새로운 사이클에서의 주행거리는 지금까지의 11km에서 23km로 늘린다. 평균속도도 높여 이전에는 33.4km/h에서 47km/h로 했다.

 

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여기에 RDE(Real Driving Emission)가 더해져 실제 도로에서 통상 주행시의 배기가스 상태로 측정하게 된다. 그때 거의 모든 상황에서 규제되고 있는 한계치를 넘기지 않는다고 하는 원칙이 적용된다. RDE 도입에 의해 소위 무효화 장비(Defeat Device)와 엔진과 캐털라이저의 컷 오프 장치는 사실상 사용 불가능하게 된다. 프랑스는 수년 전부터 이미 RDE 수치와 제원표 수치의 차이가 있다는 사실 때문에 2020년부터는 디젤차 금지법을 추진하고 있었다.

 

도입이 예정된 실도로주행배기가스 규정에는 실험실과 달리 다양한 요소가 존재한다. 주행저항 하나만 해도 속도, 도로 곡률, 둔턱, 풍속, 풍향, 탑재중량, 선행차와의 차간거리 또는 선행차의 형식에 따라 달라진다. 또 선행중인 차의 표고차에 의한 대기압 변화와 계절에 따른 대기온도의 변화도 고려해야만 한다. 뿐만 아니라 트럭에 비해 출력에 여유가 있는 승용차의 경우 운전자의 운전특성에 따라서도 배기가스의 양이 달라진다.

 

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RDE실험 중에 큰 문제가 주행 루트다. 이 실험에서는 순간 속도 0-60km/h인 시가지, 60-90km/h인 교외, 90-145km/h의 고속도로 등 세 종류의 속도 구분에 의한 주행을 요구하고 있다. 배기가스 후처리장치의 촉매의 온도를 고려할지, 시가지 주행을 먼저 한 후 교외 주행과 고속도로로 하도록 규정하고 있다. 주행 시간은 90~120분으로 하고 시험 주행한 결과를 해석해 각종 요건을 만족시키는지 여부를 판정한다.

 

당일 도로 혼잡 상황에 따라 속도가 달라지기 때문에 같은 루트를 주행해도 이 판정에 합격한다는 보장은 없다. 이 때문에 유효한 시험결과를 얻는데는 많은 연구가 있어야 할 것으로 보인다. 주행 중에 배기가스량을 산출하기 위해서는 각종 배기가스의 농도 외, 대기압, 대기의 온도, 습도, 배기가스 유량, GPS데이터를 필요로 한다. 그래서 AVL사가 제안하고 있는 것이 다음과 같은 RDE 실험 대응 차재계측 시스템이다.

 

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구체적으로는 데이터 수집과 각종 측정 기기를 일괄 관리하는 시스템 컨트롤러 M.O.V.E 시스템 컨트롤(M.O.V.E. SC)에 배기가스 중의 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)의 농도를 계측하는 가스용 PEMS(Portable Emission Measurement System) M.O.V.E. GAS PEMS, PN용 PEMS M.O.V.E. PN PEMS, 그리고 엔진으로부터의 배기가스의 유량을 측정하는 배기가스 유량측정기인 EFM(Exaust Flow Meter) M.O.V.E. EFM을 접속한다. 여기에 GPS 안테나와 온도, 습도 센서를 접속함과 동시에 제 2세대 차량 탑재형 고장진단장치(OBDⅡ)의 어댑터를 경유해 차속 ECU의 데이터 등도 수집한다.

 

이렇게 수집된 데이터는 데이터 후처리 소프트웨어 CONCER TO M.O.V.E.를 사용해 실험 후에 해석하고 RDE실험의 각종 요건을 만족하는지 여부를 판정하고 복잡한 배기가스의 계산처리를 한다. 물론 이 시스템도 또 다른 문제점을 보정하기 위한 추가적인 조치를 필요로 한다.

 

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평탄한 직선로 주행을 상정한 실험실 내 실험에 대해 RDE실험에서는 곡선로와 등판로가 연속한 와인딩에서는 주행 저항이 증가한다. 또 심한 가감속을 반복하는 운전을 하는 경우는 더 심한 차이가 난다. 극단적인 예이기는 하지만 내리막 곡선로를 장시간 운전하면 거리당 NOx 등 배기가스치가 늘어난다.

 

이처럼 RDE실험에서는 주행로와 운전 조건에 따라 NOx 등 배기가스치가 크게 달라질 수 있다. 그것을 평준화하기 위해 제안되어 있는 것이 MAW(Moving Averaging Window) 방법이다. 이는 실험 종료 시점부터 시간을 역으로 실주행시의 이산화탄소 배출량을 적산하고 그 적산치가 WLTC모드에 의한 주행치의 CO2 배출량의 1/2이 될 때까지의 구간을 하나의 윈도우로 한다. 그 윈도우에 NOx 등 규제 대상의 가스 배출량을 구하고 같은 윈도우에서의 주행거리로 나눠 배기가스치를 산출한다.

 

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두 번째 윈도우는 적산 기점이 되는 종료시각을 1초 앞으로 해 하나씩의 윈도우와 마찬가지로 배기가스치를 산출한다. 그리고 이 작업을 이산화탄소 배출량이 WLTC모드시의 1/2에 달하게 될 때까지 반복한다.

 

이렇게 해서 최대 120분간의 RDE 실험에서 4,000이 넘는 윈도우를 작성하고 윈도우 당 배기가스치(g/km)과 구간 평균속도(km/h)를 산출하게 된다. 많은 윈도우로 분할함으로써 배기가스치를 실험의 전구간의 평균치가 아닌 매시각 변화하는 배기가스치 중에서 높은 것을 파악해 평가하는 것이 가능하게 된다.

 

RDE실험은 실도로 주행중에 심하게 달라지는 배기가스치를 구간에 따라 가중치를 주어 평준화한 통계적인 수법을 이용해 여부를 판정하는 복잡한 규정이다. 이 규정에 대응하는데는 실험 전의 준비부터 실험 후의 해석까지 엄청난 비용과 연구가 필요하다는 점을 간과해서는 안된다.

 

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RDE(Real Driving Emission)의 도입 목적은 실제 운전시의 유해 가스 배출량과 실험실 수치의 갭을 메우기 위한 것이다. 유럽에서는 당초 2017년 9월부터 부분적으로 도입이 되어 2019년 최종적인 안이 확정 시행된다. 자동차회사들이 짧은 시간 내에 새로운 기준을 충족시킬 수 있을지가 관건이다. 

 

보쉬는 RDE 도입은 보쉬에게는 오히려 기회라고 주장하고 있다. 보쉬는 모든 파워트레인에 대해 연비개선과 이산화탄소 배출량저감 등을 위한 기술을 보유하고 있다며 자신감을 보이고 있다. 보쉬는 2007년에 폭스바겐에게 불법 소프트웨어 사용을 경고했던 것으로 알려졌다. 보쉬는 소프트웨어를 테스트용으로 공급했지만 폭스바겐은 양산차에 사용했다고 주장했다. 그리고 2011년에는 폭스바겐의 엔지니어도 불법 소프트웨어 사용을 우려한 것으로 알려졌다. 사실 이 문제는 엔지니어들 사이에서는 공공연한 비밀이었다는 얘기도 있다.

 

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어쨌거나 유럽에서는 과도기적으로 실험실에서 측정된 수치를 2.1배 초과해도 좋고 2020년부터는 초과 허용을 1.5배로 낮춘다는 방침이다. 이는 거의 모든 자동차회사들에게 큰 도전이 될 것으로 보인다. 지금의 유로6 디젤도 적지 않은 편차가 있기 때문이다.

 

이 새로운 연비측정 시스템을 위해 자동차업계는 수십억 유로의 투자가 필요할 것으로 보인다. RDE 유해물질배출량의 측정은 자동차에 부착된 이동식 계측 시스템이 한다.  주위 기온은 통상의 조건하에서 섭씨 0~30도 내이고 해발은 700미터 이하의 조건에서 측정된다. 에어컨과 그 외 보조장치는 작동된다. 이런 새로운 테스트 방법으로 소프트웨어에 의한 부정은 할 수 없을 것으로 기대하고 있다.

 

물론 그럼에도 불구하고 그 수치는 참고치 밖에 될 수 없다는 점에서는 지금과 크게 다르지 않을 것이다. 같은 조건에서 측정된 수치를 상호 비교할 수밖에 없는 것은 같다는 이야기이다. 그것은 자율주행차가 등장해 자동 주행을 하더라도 같은 자동차가 같은 연비를 기록할 수는 없기 때문이다.

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