실험 차량은 1.5~2.9 L의 엔진 배기량과 2000~2012년의 연식 범위를 갖는 소형 경유 운행차 27대이다. 누적 주행거리는 9천~28만 km 수준이다. 차종은 승용차, SUV (Sport Utility Vehicle), 승합차 및 화물트럭 등 현재 국내에서 사용되는 소형 경유차 4개 차종을 모두 포함하였고, 국내 5개 제작사 별로 최소 1대 이상을 포함하였다. 제작차 배출허용기준별 차량 대수는 Euro-3 대응 차량이 13대로 가장 많고, Euro-4, Euro-5 및 K2000 대응 차량이 각각 7대, 4대 및 3대 포함되어 있다. 이는 배출허용기준별 검사 도래 일정을 감안한 것으로서, 현재 정밀검사 대상인 차령 6년 이상 차량의 분포와 유사한 분포라고 할 수 있다. Euro-5 차량은 아직 검사 대상으로 편입되지 않은 상황이나, 향후 대응 방안 연구를 위해 분석 대상에 포함시켰다. Euro-3/4 및 K2000 대응 차량은 교통안전공단 서인천검사소 입고 차량을 이용하였고, Euro-5 차량은 렌트카 및 개인 차량을 임차하여 이용하였다.

측정결과 분석을 위해서는 배출허용기준 대응 목적으로 적용된 오염물질 저감기술의 특징을 이해할 필요가 있다 (표 1). 대부분의 Euro-4/5 대응 차량은 PM 저감을 위해 연료 고압분사와 흡입공기 과급 및 냉각 (Turbo-Charging and Intercooling, TCI) 기술을 활용하고 있다 (Sanchez et al., 2012; Bertola, 2001; Johnson, 2000; Muitsuishi et al., 1999). TCI 기술은 연소실 내 흡입공기의 밀도를 높이고 온도를 낮춤으로서 연소에 필요한 충분한 양의 공기를 공급하게 된다. 고압으로 분사된 연료는 연소실에서 미립화되어 흡입공기와 균일하게 혼합됨으로서 ‘Engine-Out’ PM 발생을 감소시키게 된다.

엔진에서 배출된 PM을 추가적으로 저감시켜 ‘Tailpipe-Out’ 배출량을 감소시키기 위해 후처리장치를 사용한다. Euro-3/4 대응용 후처리장치인 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)는 PM 중 organic carbon (OC) 성분을 산화시켜 저감시키는 장치이며, soot 혹은 black carbon이라고도 표현되는 elemental carbon (EC) 성분에는 거의 영향을 미치지 않는다. 따라서 DOC 장착 차량의 PM은 EC 비중이 높은 것으로 알려져 있다. Euro-5 차량은 대부분 DOC와 DPF를 함께 사용하고 있다. DPF는 PM 중 EC 성분을 효과적으로 저감시키기 때문에, DPF 장착 차량의 PM은 그 배출량 자체가 매우 적고, 구성 성분 중 OC의 비율은 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다(Maricq, 2007; Shah et al., 2004).

NO_x는 EGR을 이용하여 저감시키는 것이 일반적이다(Millo et al., 2012; Bermudez et al., 2011; Takada et al., 2005). EGR 기술은 공압식 다이아프레임을 이용하는 방법에서 현재는 전자식 솔레노이드 밸브를 사용하는 수준까지 발전했다 (Sanchez et al., 2012). EGR은 흡입공기 및 배기가스를 이용하여 연소실 내 연소 조건을 조작하는 기술이기 때문에 흡기 및 배기유량 제어가 매우 중요하다. 따라서 EGR 밸브, 흡입공기량 센서, TCI 등이 중요한 역할을 담당하게 된다.

실험 차량의 표준 주행패턴은 KD-147 주행패턴을 사용하였다(그림 1). 이 모드는 소형 경유차 정밀검사용 주행패턴으로서, 2.16km의 거리를 평균 차속 53.0 km/h로 147초 동안 주행하는 모드이다. 순간 최고 차속은 83.5 km/h이다. 수동 변속기 차량은 KD-147 주행패턴에 제시된 변속 시점에 따라 변속하였고, 자동변속기 차량은 변속기의「주행(D) 단 선택 후 주행하였다.

Fig. 1. 
Speed time profile of KD 147 driving cycle and driving modes (A, B, C, D, and E) that characterized by vehicle speed and acceleration.

주행 차속 및 가속도에 따라 KD-147 주행패턴은 크게 5개의 구간으로 구분될 수 있다. 정차상태에서부터 약 40 km/h 차속까지 가속하는 A 구간, 이후 30~40 km/h 정도로 주행하는 B 구간, 80 km/h 정도까지 가속하는 C 구간, 약 80 km/h로 주행하는 D 구간, 마지막으로 감속하여 정차하는 E 구간이 그것이다. 이중 B 구간은 40 km/h에서 정속 주행하면서 오염물질을 측정하는 휘발유 운행차용 검사용 주행패턴(ASM 2525)과 비교적 유사한 특징을 갖는다고 할 수 있다.

KD-147 주행패턴은 실제 도로상의 다양한 주행패턴과는 다르다. 따라서 KD-147 주행패턴에서 측정한 오염물질 배출량을 해석하기 위해서는 본 모드의 운전 조건이 실제 도로상의 운전 조건을 어느 정도 대표하고 있는지를 사전에 파악할 필요가 있다. 이를 위해 배기량 2.5 L의 경유 승합차량에 PEMS를 탑재하여 도심지역 도로 (City Hall), 올림픽대로 (Olympic) 및 인천신공항 고속도로(Airport)를 주행하며 측정한 차속과 배출가스 부피 유량 결과(Lee et al., 2014)를 유사한 사양을 갖는 차량의 KD-147 주행패턴 결과와 비교하였다.

도로 종류별로 측정된 1-km 단위 주행구간들 각각의 평균 차속 분포와 배출가스 부피 유량 분포를 KD-147 평균 결과와 비교하였다 (그림 2). 정밀검사 차속은 도심 경로의 차속 분포 대비 높으나, 올림픽대로의 차속 분포의 중앙값과는 유사한 값을 보인다. 배출가스 부피 유량 결과 역시 올림픽대로 주행 결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 위 결과로 판단할 때, KD-147 정밀검사 모드는 비교적 짧은 주행임에도 불구하고 국내 자동차 전용도로의 평균 차속 및 배출가스 부피 유량 분포의 표준적인 특성을 상당부분 반영하는 것으로 사료된다.

Fig. 2. 
Comparisons of vehicle speed and exhaust gas flow rate under KD 147 driving cycle.

실험은 교통안전공단과 한국환경공단의 정밀검사장에서 정밀검사 시행요령에 따라 실시하였다.^d) 시험 중 대기온도는 20~27^oC, 상대습도는 23~35% 범위를 보였으며, 인위적인 냉∙온 공조는 하지 않았다. 육안검사 및 기능검사를 통과한 차량을 예열하여 실험하였으며, 차량의 에어컨 및 히터는 사용하지 않았다.

실험 차량이 차대동력계 상에서 KD-147 주행패턴을 주행할 때 배출하는 매연, 가스상 및 입자상 오염물질을 측정하였다(그림 3). 동력계 롤러의 부하는 차량 중량에 맞게 설정하였다. 광투과 방식 매연 농도는 정밀검사용 부분유량 채취식 매연측정기 (Jastec)로 측정하였다. 광투과 농도는 매연측정기의 측정셀 내부로 유입된 자동차 배출가스를 발광부와 수광부 사이로 지나게 하여 이때 수광부에 인식된 빛의 투과정도(광흡수계수)를 [%] 단위로 환산한 것이다. 측정 주기는 1Hz이다.

Fig. 3. 
Measurement systems: (1) Smoke meter; (2) Exhaust volume flowmeter; (3) Soot sensor; and (4) Gaseous emissions measurement system.

가스상 물질 측정용 배출가스 분석기(Horiba, OBS-2200)는 이동식 배출가스 측정용으로 개발된 제품을 사용하였고, 이는 미국 EPA의 이동식 측정장비 성능기준을 만족함을 확인하였다(Lee et al., 2011a; Nakamura et al., 2007). 측정물질 및 측정원리는 표 2와 같다. 배기관에 피토 튜브 유량계를 설치하여 배출가스 부피 유량을 측정하고 이 결과를 이용하여 농도 결과를 질량 결과로 환산하였다.

입자상 오염물질로는 soot를 측정하였다. Soot 질량 농도 측정기(AVL, Micro Soot Sensor)는 광-음향(Photo-acoustic) 측정 원리를 이용하여 배출가스 중 Soot 농도를 [mg/m³] 단위로 측정한다(Giechaskiel et al., 2014; Schindler et al., 2004). 이는 미국 EPA의 대형 운행차 결함확인 검사 제도 수립 연구에 활용된 장비로서, 인증시험용 PM 측정기로 측정한 PM 중 Soot 결과와 좋은 정량적 상관성을 갖고 있음을 확인하였다(Lee et al., 2011b; Durbin et al., 2007). 시료 가스의 희석비는 DPF 부착 여부 등, 실험 차량의 오염물질 저감기술과 측정기 측정한계(0.01 mg/m³)을 감안하여 2~10 범위에서 조정하였다. Soot 질량 환산에는 배출가스 분석기의 피토 튜브 유량계 측정 결과를 이용하였다. 현재 정밀검사 대상으로 편입되어 있는 소형 운행 경유차는 대부분 DOC를 장착한 Euro-3/4 차량이므로, Soot는 PM의 대표물질 (Surrogate)로 가장 적합할 것으로 판단되며, 매연 측정결과와도 좋은 상관성을 보이고 있음을 확인하였다(NIER, 2013b).

DPF 장착 차량의 매연 특성 확인을 위해 미세입자 개수 농도를 측정하였다. 측정기는 코로나 방전을 통해 발생된 전자를 확산 하전식(Diffusion charging)으로 입자에 하전시켜 측정하는 미세입자 측정기(Pegasor, M-Sensor)를 이용하였다(Giechaskiel et al., 2014; Ntziachristos et al., 2013). 운행차 검사 조건을 재현하기 위해, 배출가스 중에 포함된 휘발성 입자 및 응결 수분을 인위적으로 제거하지는 않았다.

측정 대상 차량에 적용된 제작차 배출허용기준 별로 Soot와 NO_x 배출율을 비교하였다(그림 4). 그림 1에 정의된 KD-147의 주행 특성 구간별로 배출율을 구분하고, 이산화탄소 배출율을 함께 도시하여 차량의 동력학적인 거동과 이에 따른 연료 소비 특성을 함께 관찰할 수 있도록 하였다. CO와 HC는 그 배출량이 극히 적어 도시하지 않았으며, 이후 서술에서도 다루지 않았다.

Fig. 4. 
Average emission rates of CO₂, soot, and NO_x that are categorized by combinations of emission regulations (K2000, Euro 3, 4, and 5) and driving modes (A, B, C, D, and E) in KD 147 cycle. Error bars denote 95% confidence intervals.

차량 주행에 필요한 구동력 요구수준과 이산화탄소 배출량은 정성적으로 잘 일치하는 경향을 보였다. 이산화탄소는 높은 엔진 출력이 요구되는 C 구간(가속-고속)에서 가장 많이 배출되었으며, 이후 D (정속-고속), A (가속 저속), B (정속-저속), E (감속) 구간의 순서로 감소하였다. 고속구간 (C, D)에서 Euro-4/5 차량군은 K2000 및 Euro-3 차량군 대비 14~18% 적은 CO₂ 배출량을 보이며, 저속 및 감속구간에서는 배출허용기준 별로 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.

배출허용기준 강화에 의한 배출율 감소효과는 soot 결과에서 매우 두드러지게 관찰된다. 감속구간 이외의 구간에서 Euro-3/4 차량의 soot 평균 배출율은 운전 영역별로 0.19~0.77 mg/s 수준이며, 이는 K2000 차량 대비 64~82% 감소된 결과이다. Euro-3/4 차량의 DOC가 soot에 큰 영향을 주지 않음을 감안할 때, 이와 같은 soot 감소는 연료고압분사나 TCI와 같은 ‘Engine-Out’ 배출량 감소 기술에 의한 것으로 판단된다. 한편 DOC와 DPF가 함께 적용된 Euro-5 차량의 soot는 측정기의 측정한계 이하로 관찰되었다.

동일 배출허용기준 대응 차량군 내의 운전 영역별 soot 배출 특성은 DPF의 soot 저감 특성을 잘 보여주고 있다. K2000 차량에서는 주행특성에 대한 배출율 의존성이 매우 크나, DPF 부착시에는 soot 배출량이 전체적으로 대폭 저감되기 때문에 운전 영역의 영향을 거의 받지 않는 것으로 분석되었다. 이는 DPF의 필터링 특성이 연소 조건이나 주행 특성에 의존하는 것이 아니기 때문이며, 이는 광범위한 운전조건에서의 오염물질 저감이 가능하다는 측면에서 매우 효과적인 장점으로 평가될 수 있다 (JRC, 2013; Weiss et al., 2012). DOC 장착 차량은 두 경우의 중간 정도의 경향을 보인다.

NO_x 역시 가속 및 고속 조건에서 많은 배출량을 보인다. K2000부터 Euro-4까지는 동일 운전조건 하에서 허용기준 강화에 따른 저감 경향이 그다지 뚜렷하게 나타나지 않으며, Euro-5 차량군에 이르러서야 감소 경향이 관찰된다. 이 경향은 DPF 필터링에 의한 soot 감소 경향과는 상이하며, 엔진 연소 현상과 연계된 CO₂와 유사한 경향이다. EGR이 연소 현상에 개입하여 NO_x를 저감시키는 기술임을 감안할 때 이는 어느 정도 자연스러운 결과로 볼 수 있으며, 운행차 검사 측면에서 본다면 차량 사용기간 증가에 따른 연소 관련 부품 열화 및 오작동이 운행차 NO_x 배출량 증가를 초래할 수 있음을 시사하는 결과라 할 수 있다.

각 배출허용기준 차량군의 단위 주행거리당 평균 Soot 배출량과 NO_x 배출량을 SUV 차종에 적용되는 제작차 배출허용기준과 비교하여 도시하였다 (그림 5). 배출량 측정 결과는 KD-147 주행패턴을 주행하며 측정한 것이며, 제작차 배출허용기준은 인증시험용 주행패턴에 의한 것이다. Soot 측정결과와 함께 도시된 것은 PM 배출허용기준이다.

Fig. 5. 
Fleet average emissions of soot and NO_x from selected 27 light diesel vehicles under KD-147 driving cycle, and corresponding emission limits under standard driving cycle. Error bars denote standard deviations.

경유 운행차 soot 측정결과는 제작차 배출허용기준의 강화 경향을 잘 반영함을 확인하였다. 비록 주행패턴이 달라 직접적인 정량비교는 어렵지만, 측정값은 배출허용기준보다 낮은 값을 보인다. 이는 제작차 허용기준 대응을 위해 차량에 적용된 PM 저감기술 성능이 차량 사용 과정 중 효과적으로 성능을 발휘하고 있으며, 아울러 운행차 검사에 의한 매연, 즉 soot 저감 관련 부품의 관리 및 정비가 적절히 이루어지고 있음을 시사하는 결과라 할 수 있다.

반면 NO_x는 제작차 배출허용기준보다 많은 배출량을 보이며, 그 경향은 Euro-5 차량에 이르러서야 다소 감소하고 있다. 실제 도로상에서 측정한 오염물질 배출량 결과 (Lee et al., 2014)를 함께 도시해 보면, Euro-5 차량의 도로상 측정결과는 운행차 분포의 상위에 위치하는 반면, Euro-4 차량의 결과는 운행차 분포의 하위에 위치한다. 120 km/h 이상의 고속 주행 또는 에어컨 가동시의 EGR 닫힘 등으로 인한 운행 경유차 NO_x 과다 배출은 이미 확인된 바 있지만, KD-147 주행패턴은 최고 차속 84 km/h 수준 차속에서의 에어컨을 작동시키지 않는 무난한 정도의 검사 조건이다. 본 연구의 Euro-4 차량군이 노후 차량임을 함께 감안할 때, 그림의 NO_x 분포는 차량 사용시간 경과에 따라 NO_x 증가를 초래할 수 있는 요인들, 예를 들어 흡입 부압의 증가, 엔진 냉각 성능의 악화, EGR 오작동, 공기량 센서 오작동 등의 영향을 내포하고 있는 것으로 판단된다. 이를 운행차 검사 측면에서 본다면, 차량노화 및 관리소홀에 의한 NO_x 배출 증가를 선별하고 관리하기 위한 NO_x 검사 도입 필요성을 시사하는 결과라 할 수 있다.