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[오토저널] 소형경유차의 실제도로 주행 배출가스 규제 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-08-24 15:47:13

본문

RDE-LDV 규제 배경

 

우리나라는 자동차 운행으로 인한 대기오염을 최소화하기 위하여 2002년 미국과 유럽의 배출가스 관리제도를 도입하였으며 지속적으로 배출가스 허용기준을 강화하였다.❶

 

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상대적으로 짧은 기간에도 불구하고 선진국과 동일한 수준의 배출가스 허용기준을 적용한 정책은 자동차 제작사의 기술적 성과를 유도하여 국내 자동차산업의 국제 경쟁력 강화에 기여하였다.

 

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국립환경과학원이 발표한 2013년 ‘도로이동오염원’에 의한 질소산화물(NOx) 배출량은 2003년 대비 약 29% 감소한 것으로 나타났으며, 유럽의 경우에도 1990년 이후 2013년까지 ‘도로이동오염원’에 의한 질소산화물(NOx) 배출량이 약 59% 감소하는 것으로 보고되고 있어 각 국의 배출가스 허용기준 강화정책은 어느 정도 실효성이 있는 것으로 분석할 수 있다.❷,❸ 하지만 <그림 1>과 같이 2013년 국내 총 NOx 배출 오염원 중 ‘도로이동오염원’은 31%로 여전히 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 유럽의 경우에도 2014년 총 NOx 배출량 중 ‘도로이동오염원’이 39%로 가장 크게 기여하는 것으로 집계되고 있다.

 

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국립환경과학원과 EC-JRC(European Commission - Joint Research Centre)는 이와 같은 현상이 나타나는 주요 원인을 교통량의 증가 및 경유자동차 비율의 확대와 함께 유로 5 및 유로 6 등과 같이 단계적으로 강화된 경유자동차의 배출가스 허용기준 관리제도의 현행 인증시험 모드가 실제도로의 다양한 주행패턴을 충분히 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단하고 이를 보완하기 위한 정책적 대안의 필요성을 제기하였다.

 

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이와 같은 배경아래 EC는 소형 경유차를 대상으로 PEMS(Portable Emissions Measurement Systems) 장비를 이용하여 실제도로 주행 배출가스(Real Driving Emissions Light Duty Vehicle, RDE-LDV) 연구를 시작하였다.❹,❺ 초기 단계인 2011년부터 2012년까지는 아래와 같은 4가지 시험 방법을 비교 분석하여, 그 결과로써 PEMS 장비를 기반으로 하는 실제도로 주행시험(On-road testing with PEMS)을 RDE 평가의 기본시험으로 제안하였다.

• 차량동력계에서의 보완된 시험모드 • 배기가스 모델링(Emissions modeling) •  차량동력계에서의 임의주행 사이클(Random driving cycle) •  PEMS를 이용한 실제도로 주행(On-road testing with PEMS)2012년부터 2014년에는 다음과 같은 3가지의 RDE 데이터 평가방법에 관하여 연구가 진행되었으며, 이동평균구간(MAW, Moving averaging windows) 방법과 Power-binning 방법이 최종 제안되었다.


• Speed-binning • Moving averaging windows • Power-binning EC는 2014년 RDE-LDV 시험의 주행경로 구성기준을 정하는 경로요건(Trip requirements)을 규정하였으며 그 대표적인 내용은 다음과 같다.


• 도심주행(Urban driving) : 차량속도 60km/h 이하 •  교외주행(Rural driving) : 차량속도 60km/h 초과 90km/h 이하 •  전용도로 주행(Motorway driving) : 차량속도 90km/h 초과


차량 주행속도 조건에 따라 구분된 도심, 교외, 전용도로 주행 점유율은 총 주행거리에 대한 백분율로 34%의 도심주행, 33%의 교외주행, 33%의 전용도로 주행 점유율로 구성하며, 이 주행 점유율은 ±10% 범위 내에서 조정 가능하나 도심주행 점유율은 최소 29% 이상이어야 한다. 각 주행구간의 최소 주행거리는 16km이며, 주행경로 구성은 도심, 교외, 전용도로 구간 순서로 연속적으로 이루어져야 한다. 특히 도심구간 평균차속은 1 km/h 미만의 차속으로 정의되는 정지구간을 포함하여 15~40km/h 사이에 이루어져야 하고, 도심구간 주행시간 중 6~30% 사이의 정지구간이 포함되어야 한다. 전용도로 주행은 90~110km/h의 평균 속도범위에서 100km/h 이상의 차속을 초과하는 시간이 5분 이상이어야 하며, 총 주행시간은 90~120분 사이에 이루어져야 한다.


또한, 경로요건을 만족하도록 구성된 시험경로에서의 RDE-LDV 시험은 다음과 같은 환경조건(Ambient conditions)이 충족되어야 한다.


• 일반 고도조건 : 해발고도 700m 이하 • 확장 고도조건 : 해발고도 700m 초과, 1,300m 이하 • 일반 온도조건 : 273K (0℃) 이상, 303K (30℃) 이하
•  확장 온도조건 : 266K (-7℃) 이상, 273K (0℃) 미만 또 는 303K (30℃) 초과, 308K (35℃) 이하


일반조건의 경우에는 PEMS 장비로 취득된 배출가스 데이터 값 그대로 이동평균구간 방법 및 Power-binning 방법에 적용하여 평가하지만, 확장조건 범위에서 주행된 배출가스 데이터는 보정계수(Correction factor, 1.6)로 나눈 후, 데이터 평가방법에 적용한다.


이와 같이 EC는 데이터 분석방법, 장비규격 및 일반요건(General requirements), 경계조건(Boundary conditions), 경로요건(Trip requirements) 등을 확정한 RDE 규제의 1단계 실제도로 주행 배출가스 규제(안)인 ‘1st RDE package’를 2014년 11월에 발표하였다.


한편, 국내의 경우에 환경부와 국립환경과학원은 2011년부터 ‘한국형 오토오일사업’ 및 용역연구를 통하여 PEMS를 RDE-LDV에 관한 연구로 진행하였다. 2012년 PEMS를 실제도로 주행 배출가스 특성 연구를 통하여 PEMS 장비의 신뢰성을 확인하였으며, 실제도로 주행 조건에서 소형 경유자동차의 NOx 배출량이 배출 허용기준을 상당히 초과하는 것으로 보고하였다. 2013년에는 유럽의 RDE-LDV 평가제도 개발동향을 분석하고 국내에 운행 중인 소형 경유자동차에 적용하여 실험한 결과 현행 제작 자동차 배출가스 관리 제도에 문제점이 있음을 지적하였다.

 

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2015년에는 국립환경과학원에서 자동차 환경관리 정책의 실효성을 제고하기 위해서 수행된 연구에서는 환경성능이 개선된 유로 6 소형 경유자동차의 실제도로 주행 배출가스를 유로 5 소형 경유차의 결과와 비교 평가하였다.❻ 그 결과, 유로 6 경유자동차의 실제도로 주행 NOx 배출량은 유로 5 기준이 적용된 경유자동차 대비 크게 감소된 것을 확인하였으나 강화된 유로 6 배출 허용기준(0.18g/km → 0.08g/km)을 최대 6.3배 정도 초과하는 문제점을 지적하였다. 특히, SCR 시스템이 장착된 유로 6 경유자동차의 실제도로 주행 NOx 배출량은 LNT 시스템이 장착된 유로 6 경유자동차보다 낮은 수준인 것으로 보고하였다. 또한, 경유자동차는 낮은 대기온도 주행조건에서 NOx 배출량이 증가하는 경향을 보이며, 대기온도가 영하로 내려가는 겨울철 주행조건에서 그 경향이 더욱 뚜렷하게 나타나기 때문에 RDE-LDV 시험절차 개발에 저온 시험조건 등을 고려할 필요가 있다고 보고하였다.


이처럼 환경부는 RDE-LDV 관리제도 국내 도입을 위해 유럽 집행위원회(EC, European Commission)와 그동안 지속적인 협의를 진행하였으며, RDE-LDV 관리제도의 배출 허용기준을 2017년 9월부터는 현행 인증기준의 2.1배, 2020년 1월부터는 1.5배를 만족해야 한다는 최종안을 확정하여 2015년 10월에 발표하였고, 2016년 ‘경유승용차 실제도로 조건 배출가스 관리제도’를 입법 예고하였다.

 

RDE-LDV 시험 절차
RDE-LDV를 평가하기 위하여 실제도로 주행조건에서 취득한 데이터는 이동평균구간(MAW) 방법과 Power-binning 방법으로 평가하며, 이 평가 방법들은 시험차량의 WLTC 주행 배출가스 데이터를 기준으로 분석하기 때문에 먼저 차대동력계를 이용하여 시험차량을 WLTC 주행모드에서 배출가스 시험을 수행하여야 한다.


인증 시험모드 시험을 수행하여 시험차량의 WLTC 데이터 결과를 취득한 이후의 실험절차는 실제도로 주행 조건에서 사용되는 PEMS 장비의 신뢰성을 얻기 위한 인증 시험장비인 CVS-배기측정 장비와의 상관성 시험이다. <그림 4>와 같이 시험차량에 PEMS를 탑재한 후 다시 차량동력계에서 다양한 시험모드를 수행하여 두 배기가스 측정장비에서 측정된 배출가스 데이터를 비교하여 PEMS 장비의 신뢰성을 확보하여야 한다.


상관성 시험을 위한 차대동력계 주행모드는 NEDC, WLTC, NIER 03, NIER 05, NIER 07, NIER 09, NIER 12, NIER 14 등 다양한 주행모드를 사용하며, CVS 장비와 PEMS 장비에서 동시에 측정한 NOx 및 CO2 배출량을 비교 분석한다이와 같이 시험차량에 설치된 PEMS 장비의 상관성 시험을 수행하여 PEMS 장비에서 취득되는 배출가스 데이터의 신뢰성을 확보한 후에 RDE-LDV 규정에 맞게 설정된 주행경로에서 실제도로 주행 배출가스 평가시험을 수행한다.


국내 RDE-LDV 시험 경로 개발
우리나라 수도권은 국내 인구의 약 50%가 거주하고 있으며, 차량등록 대수는 약 45% 정도를 차지하고 있기 때문에 자동차 배출가스 관리정책에 우선적으로 반영해야하는 지역이다. 그러므로 국립환경과학원은 EC가 2016년 4월에 발표한 2단계 실제도로 주행 배출가스 규제(안) ‘2nd RDE package’에서 제시한 경로요건(Trip requirements) 규정을 만족하고, 국내의 대표적 주행특성을 반영할 수 있는 서울도심이 포함된 국내 RDE-LDV 시험경로를 2개(KOR-NIER Route 1, 2)를 2016년 개발하였다.❼


KOR-NIER Route 1과 KOR-NIER Route 2의 도심구간은 서울 중심지를 포함하도록 설계되었기 때문에 두 경로의 도심구간 평균차속은 약 22~23km/h로 낮은 특성을 보였으며, 도심구간 내의 정지구간 비율이 약 33~34%인 것으로 나타나 최대 30% 이하로 규정되어 있는 RDE-LDV 주행요건을 초과하는 특성을 보였다. 이는 빈번한 정지신호 및 긴 정체기간을 갖고 있는 서울 도심지역의 주행특성을 반영하고 있으며, 국내 도심지의 주행특성을 고려하여 도심구간의 최대 정지구간 비율을 40%로 상향 조정하는 것이 국내 RDE-LDV 규정에 적합하다고 판단된다.


향후 추가적으로 준비되고 있는 3단계 실제도로 주행 배출가스 규제(안) ‘3rd RDE package’의 대표적인 내용으로는 RDE 시험평가에 냉간시동(Cold start) 시험을 포함시키기 위한 시험절차 및 평가 방법이 있으며 논의되는 주요사항은 다음과 같다.

 

•  시험차량의 소킹(Soaking) 장소(외부 또는 차고) 및 소 킹 온도

• 도심구간에서 강제적인 시동(Engine start) 시점

• 시동 후, 아이들링(Idling) 시간 범위

 

이와 같이 냉간시동 시험은 시험차량의 소킹 온도 및 시간을 규정으로 정한 후, 시험 시작과 동시에 엔진을 시동시켜야하지만, 실제도로 주행 배출가스 시험의 특성상 시험경로의 출발지점에서 시험차량을 소킹하기는 어려운 상황 이다.


그러므로, 시험경로는 제작사 또는 인증기관으로부터 출발할 수밖에 없으며 이에 따른 시험경로는 단순화 및 고정화 되어지는 문제점이 예상된다. 

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