[첨단 헬로티]

자동차의 배출가스 규제가 세계적으로 해마다 엄격해지고 있는 것은 알고 있는 사실이다. 배출가스 시험은 예를 들면 일본에서는 10·15 모드, JC08 모드, D13 모드, JE05 모드 등의 정해진 주행 속도 패턴, 엔진 운전 패턴을 이용해 실시되어 왔다. 최근에는 이러한 패턴도 엔진에서 보다 엄격한 운전 조건에 입각한 것으로 바뀌고 있으며, 또한 세계적으로 통일된 패턴을 이용하고 있다. WLTC(Worldwide harmonized Light-duty Transient Cycle), WHDC(Worldwide harmonized Heavy-duty Driving Cycle) 등이 이에 해당된다. 그러나 시험 패턴이 변해도 시험실 내에서 섀시 다이나모미터, 엔진 다이나모미터를 이용해 시험이 실시되는 것에는 변함이 없다.

최근 시험실 내의 주행 속도 패턴으로 계측되는 배출가스와 실제 도로를 주행했을 때의 배출가스에 괴리가 있는 것이 지적되고 있다. 기억에 새롭지만, 미국에서 발각된 Diesel Gate 문제일 것이다. 이것은 최신의 디젤 승용차에 차재형 배출가스 계측장치(Portable Emission Measurement System, 이하 ‘PEMS’)를 탑재해 실제 도로주행시험을 실시한 결과, 실험실 내의 시험 결과를 크게 웃도는 배출가스량이 나왔던 문제이다. Diesel Gate 중에서 문제가 된 차량은 Defeat Device라고 불리는 엔진 제어를 일시적으로 변경하는 장치가 설치되어 있던 것이 실제 도로주행시험의 결과로부터 밝혀진 것인데, 이러한 차량이 아니라도 실험실 내에서 실시되는 주행 속도 패턴과는 다른 엔진 부하 영역을 사용함으로써 배출가스량이 증가하는 경향이 있다고 할 수 있다. 이러한 배경에서 미국, 유럽에서는 사용 과정 중량차의 시장 샘플링 시험에서 PEMS를 이용한 시험 방법을 이미 도입하고 있으며, 최근에는 승용차의 형식승인시험의 하나로서 PEMS를 이용한 실제 도로주행시험에 의한 규제, 즉 Real Driving Emission(이하, ‘RDE’)의 도입이 검토되기 시작하고 있다.

PEMS를 이용한 배출가스 계측은 규제 면에서도 필요성이 높아지고 있는데, 원래 이 계측의 필요성에 대해 생각해 보면 길가의 국소 오염 문제가 근본에 있다. 즉, 실제 도로에서 자동차가 주행하는 경우에는 그때의 교통 상황과 그에 따른 운전자의 운전 조작이 있으며, 그 조작에 의해 엔진의 사용이 결정된다. 당연하지만 실제 도로의 교통 상황이라는 것은 신호, 주정차 차량, 정체 등이 존재하기 때문에 차량이 어떤 지점(예를 들면 교차점)을 통과하는데 필요한 시간이 다르게 되어, 길가의 국소 관점에서 보면 그 지점에 대기 오염 물질이 남겨져 어느 정도 축적되는지가 변화한다. 정체가 많이 발생하는 길가 국소에서는 대기 오염이 진행하게 되기 때문에 이 실태를 파악하는 것이 중요하다.

이러한 상황을 근거로 생각하면, 자동차 배기의 차재 계측이라는 것은 길가에서 발생할 가능성이 있는 국소 오염 실태를 파악하는 도구의 하나이며, 그 발생 원인과 함께 계측·해석을 하는 것이 요구된다. 차재 계측에서 중요한 포인트는 ‘어디에’, ‘어느 정도의’ 배출가스를 ‘왜’ 배출하고 있지가 된다. 최근 자동차에 차재할 수 있는 새로운 배기 계측 방법이 개발되고 있기 때문에 이 글에서는 앞에서 말한 ‘어디에’, ‘어느 정도의’, ‘왜’ 등의 3가지 관점에서 자동차 배기의 차재 계측에서 이용되고, 혹은 이용되어야 할 계측 기술에 대해 설명한다.

차재 계측 기술

1. ‘어디에’ : 차재 위치 계측, 차량 속도 계측

최근 실용화되어 판매되고 있는 PEMS는 그림 1에 나타냈듯이 그 시스템에 GPS 안테나가 내포되어 있다. 이것은 RDE 규제 중에서도 어디의 도로를 주행해 배출가스 데이터를 얻었는지를 신고하는 것에 이용되는데, 기본적인 목적으로서는 ‘어디에’ 어느 정도의 대기 오염 물질을 배출했는지 하는 정보를 얻는 것이다. GPS 안테나는 동시에 차량의 속도를 계측하는 것에도 이용할 수 있으며, PEMS에서는 GPS에서 얻은 신호를 바탕으로 차량의 속도 정보도 계측 데이터로서 얻을 수 있다. 원래 GPS 안테나의 특성 상, 터널 등 구조물 아래에 차량이 들어갔을 때에는 데이터를 얻기 어렵기 때문에 PEMS를 탑재하고 있는 경우에도 차재 계측 시에는 차량의 ECU에 입력된 속도 펄스 신호 등을 빼내어 계측하는 경우가 많다.

▲ 그림 1 PEMS의 구성 예

차량의 위치 정보와 속도 정보를 이용해 단위거리당 배출가스 질량이 구해지는 것으로, 그림 2에 나타낸 사례와 같이 지도 정보상에 버블 그래프를 사용해 배출 질량을 플롯함으로써 오염 지역의 특정이 가능하다.

▲ 그림 2 실제 도로주행 시의 NOx 배출 버블 그래프의 한 예

2. ‘어느 정도의’ : 배기 성분 농도 계측, 배출가스 유량 계측, 배기 성분 질량 배출량 산출

다음으로 ‘어느 정도’ 라는 키워드에 관련된 계측 기술에 대해서인데, 여기에서는 몇 가지 항목으로 나누어 설명할 필요가 있다. 즉 엔진의 배출가스 중에 포함되는 NOx, CO, CO2, THC로 대표되는 성분의 농도를 계측할 수 있었다고 해도, 그것만으로는 배출 질량으로 환산할 수 없다. 배출가스 유량을 어떠한 방법에 의해 구하는 것으로, 농도와 조합함으로써 비로소 배출 성분의 질량 배출량을 산출하는 것이 가능하다. 여기서는 배기 성분 농도 계측과 배출가스 유량 계측에 대해 설명하고, 또한 배기 성분 질량 배출량의 산출에 대해 설명한다.

(1) 배기 성분 농도 계측

배기 성분 농도의 계측 중에서 가스 성분 농도의 계측에 대해서는 최근 판매되고 있는 PEMS의 경우, 섀시 다이나모미터 시험 등의 시험실 내 모드 시험 시에 이용되는 고정형 배출가스 분석계와 동일한 원리를 이용하고, 소형화된 유닛이 내장되어 있다. 즉 NOx 농도 계측에는 CLD법 혹은 NDUV법(NDUV법의 경우에는 NO 농도, NO2 농도를 독립적으로 계측), CO·CO2 농도 계측에는 NDIR법, THC 농도 계측에는 FID법이 이용된다.

PEMS에 내장되는 각각의 가스 성분 농도 계측에 대해서는 계측 정도가 확보되어 있으며, 또한 유닛의 소형화도 추진되고 있다. 또한, 최근의 규제에서는 PM(Particulate Matter) 중량 혹은 PN(Particulate Number)에 대해서도 RDE 규정 중에서 계측하는 것이 요구되고 있다. 현재 판매되고 있는 PEMS에도 가스 성분뿐만 아니라, PM, PN의 계측이 가능한 유닛이 탑재된다.

PM 계측에서는 예를 들면 섀시 다이나모미터 시험 등과 동일한 원리인 필터 중량법을 이용하는 기술이 실장되어 있다. 또한, PN 계측에 대해서는 예를 들면 일정한 입자지름 범위의 입자수를 계측하기 위해 레이저 산란식 응축입자 카운팅법을 이용하는 것이 실장되어 있다. 여기까지 설명한 계측법의 원리에 대해서는 지면 사정 상 생략한다. 계측 기술을 정리한 다른 핸드북 등을 참조하기 바란다.

앞에서 말한 PEMS는 ‘Portable’이라는 말을 쓰고 있는데, 교정용 가스 실린더나 구동용 배터리 등을 동시에 탑재하기 때문에 중량이 있는 것도 사실이다. 그렇기 때문에 본래의 차량 중량에 가까운 상태에서 차재 계측을 하기 위한 시스템도 검토되고 있다. 그것이 SEMS(Sensor-base Emission Measurement System)이다. 이것은 예를 들면 배출가스 성분의 하나인 NOx에 초점을 두고, 지르코니아식 직접삽입형 NOx 센서 등을 이용해 다른 장치에 샘플링하지 않고 배기관 내에서 직접 가스 성분 농도를 계측, 이것을 배출가스 유량이나 차량 속도의 수치와 함께 수록하는 시스템이다. 그림 3에 NOx 센서의 정보를 나타냈다. 또한, 그림 4에 연구가 진행되고 있는 SEMS의 한 예를 나타냈다. 측정할 수 있는 항목이나 가스 성분의 종류가 PEMS에 비해 낮고, 데이터 수록 클록이 늦어지는 등의 문제는 있지만, PEMS와 비교해 시스템이 간단하기 때문에 장래에 활용될 것으로 기대된다.

▲ 그림 3 NOx 센서의 원리, 개요

▲ 그림 4 SEMS의 구성 예

(2) 배출가스 유량 계측

PEMS 혹은 SEMS를 이용해 계측을 하는 경우, 배기 성분 농도에서 질량 배출량으로 환산하는 것이 필수이다. 그 환산에는 배출가스 유량의 값이 필요하다. 사실은 배출가스의 차재 계측에서 가장 어렵다고 여겨지고 있는 것이 배출가스 유량의 측정이다.

시판되고 있는 PEMS에는 피토관을 이용해 배기관 내의 전압, 정압을 계측, 그 압력 차이로부터 배기관 내의 평균 가스 유속, 또한 배출가스 체적 유량을 구하는 방법이 이용되고 있다. 그림 5에 피토관식 유량계의 개략도를 나타냈다. 이 방식을 이용한 배출가스 유량 계측에 대해서는 지금까지 정도 검증 등이 실시되어 실용화에 이르고 있다. 그러나 차압에서 배출가스 유량을 산출한다는 특성 상, 검출되는 차압이 작고 배출가스 유량이 적은 영역에서 계측 정도가 낮아진다는 단점이 있다. 즉 일본의 도시 내 주행에서 광범위하게 나타나는 신호에 의한 발진·정지 횟수가 많아 평균 차속이 낮은 케이스에서는 고속으로 주행하는 경우와 비교해 계측 정도가 떨어진다는 것이다. 최근에는 이 피토관식 배출가스 유량계도 동압·정압부의 측정부 형상을 최적화하는 연구 등에 의해 저속 시의 계측 정도도 개량되고 있는데, 완전히 앞에서 말한 약점을 극복할 수 있다고는 단언할 수 없는 것이 현실이다.

▲ 그림 5 피토관식 배출가스 유량계

차재 계측에서 피토관식 배출가스 유량계를 대신해서 많이 이용되는 방법이 흡입 공기 유량과 연료 유량의 합을 배출가스 유량으로 하는 방법이다. 원래 중량차의 엔진 다이나모미터 시험에서 이 방법은 인정되고 있는 방법으로, 기본적으로는 질량보존 법칙에 기초해 흡입 공기 질량 유량과 연료 질량 유량의 합이 배출가스 질량 유량과 동일하다고 생각한다. 최종적으로는 배출가스 질량 유량과 배출 가스 밀도에서 체적 유량으로 변환하는 것이 필요하며, 이 배출가스 밀도의 계산 방법에 의해 정도가 영향을 받는 것은 확실하다.

그러나 최근의 차량에서는 차량에 탑재되어 있는 OBD-II의 포트에서 순간적인 흡입 공기 유량의 값을 꺼낼 수 있어, 피토관식 유량계의 도입 없이도 배출가스 유량의 계측이 가능하기 때문에 하나의 계측 수단으로써 이용되고 있다. 또한, 연료 유량을 직접적으로 계측하는 것이 곤란한 경우에는 A/F 센서 등의 출력을 활용해 흡입 공기 유량과 순간 공연비로부터 배기가스 유량으로 하는 방법도 있다.

(3) 배기 성분 질량 배출량 산출

지금까지 설명한 배기 성분 농도 계측, 배출가스 유량 계측에 의해 배기 성분의 질량 배출량을 구할 수 있다. 즉 ‘어느 정도의’ 시점으로 실시한 평가로 가능하지만, 여기에서 중요한 것은 ‘어디에’와 조합하는 것이다. 즉 길가에서 발생하는 오염의 실태 파악을 목적으로 한다면, 차재 계측으로 계측되는 차량이 단위시간당으로 배출하는 배출량이 아니라 단위거리당의 배출량으로서 파악할 필요가 있다. 즉, 다음과 같은 식이 된다.

여기서 Cex(?t?) : 배기 성분 농도 [ppm, ppmC, vol % 등], Eex(?t?) : 단위시간당 배기 성분 배출 질량 [g/s], Eex(?x?) : 단위거리당 배출 성분 배출 질량 [g/m], Mex : 각 배기 성분의 단위체적당 질량(밀도) [g/m3], Qex(?t?) : 배출가스 체적 유량 [m3/s], v(?t?) : 차량 주행 속도 [m/s]

식 (1)은 계측된 각 배기 성분의 배출 농도에 배출가스 체적 유량과 성분의 밀도를 합쳐서 단위시간당 배출 중량으로 환산하는 식이다. 식(2)는 그것을 차량 속도로 나눔으로써 단위거리당 배출 질량으로 환산하는 식이다.

단, 식 (2)에서 차량이 교차점 등에서 정지하고 있는 경우에는 식이 발산하게 되기 때문에, 식(3)과 같이 차량 정지 시의 단위시간당 배출 질량을 정지 시간으로 곱하고, 그 차량 정지 장소의 배출 질량으로서 계산한다.

여기서 Eex, stop : 차량 정차 시의 배기 성분 배출 질량 [g]

여기까지의 계측과 해석이 갖추어져야 비로소 ‘어디에’, ‘어느 정도의’ 배출가스를 놓고 왔는지를 해석할 수 있다. 그 사례의 하나를 그림 6에 나타냈다. 이것은 2005년 규제 적합 디젤 화물차로 시가지 주행을 했을 때의 결과로, 가로축을 거리로 취한 경우의 NOx 배출 질량 등의 해석 결과이다. 정차 시간이 긴 교차점 부근에서 NOx 배출량이 축적되는 것을 확인할 수 있다.

▲ 그림 6 단위거리당 배출가스 해석

3. ‘왜’ : 도로 경사 계측, 교통 상황 모니터링

지금까지 설명한 ‘어디에’, ‘어느 정도의’ 관점에서 차재 계측을 한 경우, 다음으로 중요한 것은 ‘왜’의 부분이 된다. 실제 도로주행에서는 교통 상황을 운전자가 인식, 교통 상황에 따라 액셀이나 브레이크를 조작한 결과로써 엔진의 사용 영역이 결정되고, 결과로서 배출가스량이 결정된다. 이 프로세스 중에서 액셀이나 브레이크를 조작할 때에 차량의 구동력이 결정되고, 그 결과로 엔진 토크와 엔진 회전수가 결정되게 된다.

차량의 구동력은 타이어가 슬립하지 않는 한에서 차량에 걸리는 주행저항과 동일하고, 이 주행저항은 4가지 성분, 가속저항, 공기저항, 구름저항, 경사저항으로 나누어진다. 실제 도로주행 데이터로부터 ‘왜 이 도로에서 주행했을 때에 이러한 배출가스, 연비 결과가 됐는지’ 등을 해석하는 경우, 이 4가지 저항 성분의 밸런스를 해석하는 것이 필요하다.

여기에서 A : 전면 투영 면적 [m2], Cd : 공기저항계수 [N.s2/(g.m)], F : 차량 구동력 [N], g : 중력 가속도 [m/s2], v : 차량 주행 속도 [m/s], R : 주행저항 [N], Ra : 공기저항 [N], Rc : 가속저항 [N], Re : 경사저항 [N], Rr : 구름저항 [N], W : 차량 질량 [g], Wr : 회전 부분 상당 질량 [g], α : 차량 가속도 [m/s2], μ : 구름저항계수 [N.s2/(g.m)], θr : 도로 경사 [deg], ρ : 공기 밀도 [g/m3]

가속저항은 차량 속도의 정확한 측정과 차량 질량의 정보가 있으면 산출 가능하다. 또한. 공기저항, 구름저항은 경험적으로 계수를 결정해 계산하는 것도 가능하지만, 타행 시험 등에서 얻는 것도 가능하다. 이러한 주행저항 성분 중에서 특히 식(9)의 경사저항의 산출, 도로 경사의 계측이 어렵다. GPS 신호로부터 얻을 수 있는 표고 데이터로부터 도로 경사를 산출하는 방법이나 가속도 센서를 이용한 경사 계측이 실시되고 있는데, 정도가 불충분한 부분이 있었다. 저자는 실제 도로주행 시에 사용 가능한 도로 경사 계측 방법을 개발했다.

그림 7에 도로 경사 계측 방법의 개념도를 나타냈다. 차량 중심부에 설치한 자이로 센서에 의해 시시각각의 피치각을 계측한다. 이 피치각은 도로 경사 그 자체가 아니라 차량의 노면에 대한 경사를 포함한다. 그래서 차량의 전후에 하이트 센서라고 불리는 레이저식 거리 센서를 설치해 시시각각의 차량 노면에 대한 경사를 계측, 이것을 피치각에서 빼는 것으로 도로 경사로 하는 방법이다. 이 방법의 검증을 실시한 결과의 한 예가 그림 8이다. 도내 일반도로에서 계측했을 때의 결과이며, 가로축 주행 거리에 대한 차량 속도, 가속도, 피치각, 차량 기울기각, 도로 경사, 주행 지점의 표고를 나타낸다. 표고를 비교함으로써 계측법을 검증하고 있으며, 가장 아래의 그래프에서 Href가 참조한 표고 데이터, Hcal가 계측한 도로 경사로부터 산출한 표고이다. 차량 기울기 θv를 0으로 한 경우와 θv를 하이트 센서로부터 계측한 값을 고려한 경우에서, 후자 쪽이 참조한 표고 데이터에 대해 재현성이 높다는 것이 밝혀졌다.

▲ 그림 7 도로 경사 계측 방법 개념

▲ 그림 8 일반도로에서 실시한 도로 경사 계측 결과

이 도로 경사 계측 기술을 실장한 소형 화물차의 차재형 계측 시스템의 사례를 그림 9에 나타냈다. 저자는 이 시스템을 이용해 화물차의 적재 중량과 운전 방법을 비교함으로써 ‘에코 드라이브’ 기술이 적재 중량마다 연비 개선에 효과가 있는지의 여부와 그때의 NOx 배출량에 대한 영향을 조사했다. 시가지를 실제로 주행한 데이터를 이용해 계측했는데, 도로 경사 계측에 기초하는 경사저항을 평가함으로써 에코 드라이브 효과의 유무에 대해 적재 조건에 따라서는 ‘왜’ 연비가 개선되지 않았는지, 또는 ‘왜’ NOx의 배출량이 증가했는지 등의 부분을 해석하는데 큰 도움이 됐다.

▲ 그림 9 소형 화물차에 탑재된 차재형 배출가스 계측 시스템

실제 도로주행시험의 데이터에 대해 해석을 하고 ‘왜’ 부분을 찾아내려고 하는 경우, 이러한 배출가스가 아닌 차량이나 엔진의 데이터가 필요하다. 이 경우, 저자의 생각으로서는 이것만으로는 아직 부족하다고 생각한다. 즉 PEMS 등을 사용해 배출가스량이 밝혀지고, 차량 거동, 엔진 거동과의 관계성을 밝혔다고 해도 그때에 ‘왜’ 그러한 운전을 하게 됐는지 등의 관점도 필요하다. 그렇기 때문에 그림 9에 나타낸 대로 차재 계측 시에는 운전자가 실제로 눈으로 본 시야와 교통 상황을 비디오카메라에 의해 계측하는 것이 필요하다. 얼마나 넓은 도로인지, 신호로 정차하고 있었는지, 주차 차량은 있는지, 정체는 발생하고 있었는지 등의 정보를 순간적으로 판단해 운전자는 조작을 결정한다. 또한, 그 운전자의 조작과 교통 상황을 연결하기 위해서는 액셀 개도나 브레이크의 On/Off 등도 계측할 수 있으면, 보다 실제 도로주행 데이터에 대한 이해가 깊어진다.

맺음말

자동차의 차재 배출가스 계측은 최근의 정세도 있고, 규제에 대한 도입도 검토되어 계측 기술이 발전하고 있다. 규제에 사용되는 PEMS는 보다 간단해지고, 차재성이라는 의미에서도 계속 확립되고 있다. 단지 동향으로서는 PEMS의 탑재에 의한 중량의 증가는 역시 무시할 수 없는 부분도 있어, SEMS 등의 보다 간편하고 소형의 계측기기를 탑재한 시스템도 연구 개발이 진행되고 있으며 앞으로 하나의 주류가 될 것으로 예상된다.

또한, 이 글에서 설명한 대로 차재 배출가스의 계측·해석에는 배출가스 그 자체의 계측 이외에도 무시할 수 없는 차량 거동, 엔진 거동의 계측이 필수로 생각되기 때문에 이러한 배출가스 이외의 계측장치도 포함한 시스템이 더 발전하기를 바란다. 

佐藤 進

도쿄공업대학 공학원시스템제어계 

本 記事는 日本 「計測自動制御學會」가 發行하는 「計測と制御」誌와의  著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.