자동차 표시연비는 국가적으로 에너지관리 지표로서 활용되며, 자동차 제작사의 기술개발을 유도하고, 소비자 차량구매 시 정보제공의 역할을 담당하고 있다. 하지만 정부의 표시연비가 체감연비와 상이하다는 소비자 불만이 지속되어 정부는 보다 정확한 표시연비 측정을 위해 미국의 5-cycle 시험방법을 국내 차량 기준에 맞게 재설정하여 도입하였다. 본래는 다양한 환경조건 및 주행패턴이 반영된 5개의 시험모드를 모두 주행함으로써 측정된 결과 값을 표시연비로 계산하는 방법이지만 소요되는 자원의 급격한 증가에 따른 충격을 완화하기 위하여 2개의 시험모드(도심(FTP-75 mode), 고속도로(HWFET mode))의 결과 값을 5-cycle 시험법으로 계산된 연비 값과 동등한 수준으로 산출하는 5-cycle 보정식을 사용하고 있다. 이 보정식은 2011년에 30대 차량의 5-cycle 시험방법으로 산출되었으나 최근 자동차 기술의 급속한 발전으로 인한 신형식 자동차에 대한 기존 5-cycle 보정식에 대한 검토가 필요할 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 최근 기술이 적용된 14대의 신형식 자동차를 대상으로 기존과 동일한 시험 방법을 통해 시험모드별 연비 특성을 확인하고, 기존에 개발된 보정식과 차이를 분석한 결과 기존 시험 차량 결과와 큰 차이를 보이지 않았으며 보정식 또한 최대 1.5% 이내의 오차로써 기존 연비 보정식은 현재의 자동차 기술발전에 따른 개선도에 크게 영향을 받고 있지 않음을 알 수 있었다.
자동차의 환경규제, 고성증화에 맞추어 새로이 규격이 제정된 ILSAC GF-2 가솔린엔지유는 SEQ VI와 SEQ VIA를 통한 연비시험 결과 ILSAC GF-1엔지유에 비해서 연비성능이 향상되었으며, phosphorous함량 규제에 따라 ZnDDP의 첨가량을 줄였음에도 불구하고 다른 산화방지제와 마모방지제를 투입함으로써 규격엔진시험을 통과하였고 실파를 이용한 시험에서는 ILSAC GF-1에 비해서 우수한 마모방지성능과 산화안정성을 보였다.
하이브리드자동차의 연료소비율 시험 시 초기 SOC 조건에 따른 SOC와 연비 변화 특성을 파악하기 위해 2종의 차종을 선택하여 UDDS 모드주행 실험을 실시하였다. 실험결과 Strong type 자동차는 주행시작 약 550초 경과 후 SOC 52 $\sim$ 54%로 수렴하였다. 또한 일반 시가지 주행조건에서는 SOC를 50$\sim$55 % 범위에서 제어함을 알 수 있으며, 초기 SOC 조건에 따라 연비는 약 79%의 편차가 나타났다. 이는 저속구간에서 순수 전기자동차 구동이 구현됨으로써 SOC 70%에서 큰 연비 상승 효과가 나타나는 것으로 판단 된다. Mild type 자동차는 연비가 초기 SOC 조건에 따라 약 5%의 편차가 나타남을 알 수 있었으며, SOC 변화특성은 배터리 충전상태에 따라 충전량 제어는 이루어지나 가속 시 어시스트만 이루어지는 시스템적 특성상 효율적인 SOC 제어가 이루어지지 않아 연비에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 생각된다.
시험방법 중 현재 국내 자동차 연비계산 방법은 차대동력계에 시험차량을 설치한 후, 주어진 시험모드(FTP-75 & HWFET 모드 등)에 따라 차량을 주행하여 측정되어지는 배출가스 결과를 가지고 계산에 의해 연비를 구하는 방식인 카본발란스 측정법(Carbon balance method)을 이용하고 있다. 이때 사용하고 있는 카본발란스 측정법은 시험방법 개발 당시의 표준연료에 대해 연료물성을 구하고, 이때 구하여진 상수 값과 시험에서 측정되어진 THC, CO, $CO_2$ 값을 가지고 계산하게 된다. 그러므로 시험할 때마다 매번 바뀌게 되는 사용 연료의 연료물성 특성은 정확히 고려되지 않게 된다. 주어진 시험연료에 따라 엔진성능 및 배출가스 결과가 변하게 되고, 많은 대체연료가 나오고 있는 현 시점에서 시험연료의 물성 특성을 연비계산 시에도 고려해야만 된다고 생각된다. 본 연구에서는 기존에 사용하고 있는 카본발란스법과 실제 시험에 사용된 연료의 유량을 측정하는 유량측정 방법을 이용한 결과를 비교하여, 시험에 사용된 연료의 물성 특성을 고려할 수 있는 방법을 연구함으로서, 다양해지고 있는 연료의 물성 특성을 고려해 줄 수 있는 개선된 연비측정 방법을 검토해 보고자 한다.
최근의 차량 연비는 고가의 연료 가격과 환경 규제 등으로 인하여 중요한 문제로 대두되었다. 전기, 전자, 반도체, 기계 등의 기술 발달은 연비 개선에 많은 공헌을 하였다. 그러나 연비 측정은 현재도 주어진 모드(LA-4, FTP-75 등)에서 컴퓨터 모의시험 및 다이나모에서 수행한다. 이렇게 측정한 연비는 실제 도로 주행 연비와 차이가 발생하는데, 그 주요 원인중의 하나는 도로의 경사를 고려하지 않았기 때문이다. 본 논문에서는 경사가 심한 영동고속도로를 정속 주행하여 연료 소모량을 측정하고 연비를 계산한다. 또한 같은 도로를 경사가 없다고 가정하여 주행한 연비와 비교 분석한다. 이때 두 경우를 비교하여 경사에 의해 소모된 연료량 차이를 계산하고, 이 타이어 구동력과 엔진에서 소모된 연료량과의 관계를 검증한다.
본 연구에서는 배출가스 및 연비시험에서 드라이브 품질을 평가하기 위해서 가솔린 시험차량 1대를 선정하여 측정하고, 그 측정결과와 제작사가 제시한 값과 비교하여 허용오차 범위(연비-5%, 온실가스+5%, 이하 "허용오차범위")를 초과하는지 평가하였다. 측정결과의 평균값이 제시한 값과 유효한지 데이터를 분석하였다. 본 연구에서는 SAE J2951 평가방법을 기반으로 시험자간의 주행모드 추종성을 가지고 허용오차범위에 대한 데이터 확보를 위해 시험을 수행하였다. 시험차량은 2L급 가솔린차량을 선정하였다. 검증결과 주행 추종성은 고의적인 주행조건에서 전체 값이 커지고, 부드러운 주행조건 일 때, 값이 줄어드는 것을 확인하였다. 주행 추종성 분석결과 수치가 1에 가까울수록 정확하게 주행한 것이며, (-) 음의방향으로 분포하고 있는 가혹조건과 (+) 양의방향으로 분포하고 있는 완만한 조건이라 할 수 있다. 본 연구에서 수행된 시험의 분석을 시험자간 드라이브 추종성에 대한 기초 데이터를 확보하였고, 이러한 기초 데이터는 연비모드의 목표 속도 허용범위 내에서의 운전추종성에 대한 연비 상관성을 분석하였고, 향후 측정결과는 연비측정 모드별 배출가스 DB 확보 및 연비제도에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 사료된다.
대우자동차는 1992년 이래로 전기자동차 개발사업을 추진하고 있으며 1996년에는 전기자동차의 Fleet 운영시험을 위해 10대의 씨에로 개조형 전기자동차를 제작하였다. 이 씨에로 전기자동차에는 고성능 연축전지, 교류유도전동기, 탑재형 충전기 및 전동조향배력장치 등이 장착되어 있으며 고등기술연구원에서는 전기자동차의 Fleet 운영시험의 일환으로 시외 일반도로 운행조건에서 전기자동차의 에너지비용을 조사하기 위한 연구를 수행하였다. 두 대의 씨에로 전기자동차를 용인시와 안성군 지역의 일반도로에서 1998년 4월부터 운행하였으며 이 운행시험 결과를 바탕으로 일반도로 주행조건에서 씨에로 전기자동차의 에너지비용과 동급의 가솔린자동차인 씨에로 1.5DOHC A/T 차량의 에너지비용을 계산하였다. 두 대의 전기자동차중 한 대의 연비는 5.7 km/kWh이었으며, 다른 한 대의 연비는 5.8 km/kWh이었다. 이에 비해 가솔린자동차의 연비는 13.7 km/l로 년간 20,000 km를 주행한다고 가정할 때 가솔린자동차의 년간 주행비용은 전기자동차의 3.4∼18.0배가 되는 것으로 나타났다. 이 시험을 통해 향후 전기자동차의 개발을 위해 유용하고 가치있는 많은 데이터를 얻었다.
최근의 차량 연비는 엔진, 파워트레인 등 차량의 구성품들을 성능 개선하여 많이 향상 되었으나 연비 측정은 현재도 주어진 모드(LA-4, FTP-75 등)에서 컴퓨터 모의시험 및 다이나모에서 수행한다. 본 논문에서는 차량에 미리 장착된 지리정보데이터와 현재 주행하면서 수신되는 GPS 데이터를 이용하여 약 213Km 영동고속도로를 주행하면서 실제 도로의 연비 향상 방안을 도출한다. 지리정보데이터와 주행하면서 수신한 GPS 데이터 중에서 거리와 고도 데이터를 추출하여 각 구간의 경사도, 주행저항을 계산, 연비향상 알고리즘에 따른 속도 프로파일을 영동고속도로 전 구간에 대해서 완성하고 이 속도 프로파일로 컴퓨터를 이용한 AVL사의 CRUISE 프로그램으로 모의 주행하여 연비를 산출하고 연비 향상 방안을 제안한다.
본 논문에서는 LPG 차량의 연비효과에 미치는 대기온도, 증발기의 가스누출, 엔진오일의 점도, 엔진의 부하조건을 실험적으로 고찰하고자 한다. 연비에 대한 시험결과에 의하면, 엔진의 온도가 상승할수록 연비효과도 함께 점차 높아지고 있다. 대기온도가 $24.2^{\circ}C$일 때의 연비는 $1^{\circ}C$일 때보다 13.6% 정도 높게 나타난 것을 알 수 있다. LP가스 누출이 없는 증발기의 연비는 가스누출이 있는 경우에 비해 5.3%나 좋아지는 것으로 확인되었다. 반면에 엔진오일을 새로 교환한 경우의 연비는 9,500km를 주행한 오일에 비해 1.1% 정도 향상된 것으로 나타났으며, 이것은 대기온도나 증발기의 누설조건에 비해 상대적으로 낮은 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 연비에 더 많은 영향을 미치는 요소는 급제동, 급출발, 급가속과 같은 운전조건으로 판단된다. 연비시험 결과에 의하면, 정상출발은 급출발에 비해 32.3%나 연비가 향상되었고, 급가속은 급출발보다 10.8%나 우수한 연비조건을 보여주고 있다. 또한, 급제동은 급출발보다 18.3%나 우수한 연비상태를 나타내고 있다. 결국 비정상적인 주행조건은 정상적인 운전패턴에 비해 연비가 나쁜 것으로 나타났으므로, 연비를 높이기 위해서는 차량의 주행조건을 정상상태로 유지하는 것이 대단히 중요함을 알 수 있다.
본 연구는 천연가스를 기반으로 하는 가스연료 자동차의 연비산출방법에 대해 미국과 유럽의 기준을 조사하고 적합성을 분석하여 국내에 적합한 자동차 연비 산출방법을 도출하는데 목적이 있다. 탄소평형법으로 유도되는 연료소비율 산출은 연료의 탄소중량비와 자동차 배출가스중 탄소성분의 평형 관계식에 의해 유도된다. 미국기준은 시험가스 조성의 제한이 없지만 유럽 기준은 기준 시험가스(G20, G23)를 사용하여야 한다. 국내 도시가스를 사용하는 NGV의 경우 유럽기준을 적용하면 시험가스의 차이로 연비가 약 12% 불리하게 나오는 것으로 확인되었다. 또한, 연비 산출시 필요한 연료물성을 발열량으로부터 결정하는 방법을 소개하고 이러한 방법을 기반으로 국내 천연가스 자동차 연비 산출방법을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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