사이드스커트와 보트테일을 이용한 대형화물차량의 연비개선 효과 및 온실가스 감축량 추정

1. 서 론

정부는 ‘신기후체제(POST-2020)’를 앞두고 우리나라의 2030년 온실가스 감축목표를 BAU(Business As Usual) 대비 37%로 결정하였으며(ME, 2015), 수송부문의 감축목표는 34.3%로 전체 배출원 중 가장 높게 설정되었다. 국내 온실가스 배출량을 부문별로 살펴보면 에너지산업공정부문이 600.3 백만 톤 CO₂eq.로 전체 배출원 중 87.2%로 가장 높은 배출량을 보이며, 에너지산업공정부문 중 에너지산업부문이 44.6%, 제조업 및 건설업부문이 30.0%, 수송부문이 14.4%로 전체 배출원 중 3번째로 높은 배출량을 갖는다(Greenhouse Gas Inventory & Research Centor of Korea, 2014). 수송부문에서 국내 화물수송 분담률 추이를 보면 2014년 기준 도로운송 비중이 90.7% (MOLIT, 2014)로 가장 높다. 이러한 수송부문의 온실가스 감축을 위해서는 운송 차량의 연비 개선 및 운송 효율화 등을 통한 물류비용 절감이 필요하다. 이에 따라 물류비용 중 가장 큰 비중을 차지하는 차량의 유류비를 절감하고, 온실가스 저감을 위한 기술개발 및 보급을 적극 지원하는 것이 국제적 추세이다.

차량의 연료소비량을 절감하는 대표적인 기술로는 엔진 개선 기술, 공기저항 저감기술, 타이어구름 저항기술, 공회전 저감기술 등이 있다. 이러한 기술이 트렌드가 되는 이유는 대형차량의 주행 시 연료 연소로 생성되는 에너지의 12.6∼20.2% 정도만 유효이용에너지로 사용되고, 나머지 손실되는 에너지의 비율은 엔진손실 60%, 공기저항 21%, 구름저항 13%, 동력전달을 포함한 기타 손실이 6%로 손실되는 에너지를 최소화하는 것이 중요하기 때문이다(U.S. DOE, 2007). 에너지 손실이 가장 큰 엔진분야에 대한 개선은 제작사 입장에서 개선되어야 하는 부분이지만, 본 연구에 적용한 공기저항 저감기술은 단기간에 현 운행 차량에 쉽게 적용이 가능하고, 개선효과가 높을 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 차량의 투영면적이 넓을수록 공기저항이 높아지기 때문에 대상 차종선정은 14.5 ton 카고트럭과 45 ft 트렉터-트레일러 2개 차종을 선정하였으며, 공기저항 저감장치 2종(사이드스커트, 보트테일)을 장착하고, 장착 전ㆍ후의 연비개선효과를 Proving Ground 실차시험을 통해 확인하였다. 또한 연비시험 결과와 실제 시험차량의 주행환경을 반영한 가상시나리오를 기준으로 온실가스 감축량을 산정하였다.

2. 연구방법

2.1 시험 목적 및 장치

2.1.1 시험 목적

본 연구에서는 대형화물차량에 공기저항 저감장치를 장착하여 주행 중 발생하는 공기저항 및 와류를 저감시켜서 장착 전ㆍ후의 연료소비량을 측정하여 연비개선율을 확인하였으며, 분석된 연비개선효과를 기준으로 기술도입 시 국내 온실가스 감축 잠재량을 추정하였다.

2.1.2 시험 장치

정해진 시험방법에 따라 동일한 차종의 14.5 ton 카고트럭과 45 ft 트렉터-트레일러 2대씩을 대상으로 각 1대에 공기저항 저감장치 2종(사이드스커트, 보트테일)을 장착하고, 다른 1대에는 공기저항 저감장치를 장착하지 않고 동시에 주행하여 주행 전ㆍ후 각 차량들의 연료소비량을 비교하여 연비개선효과를 확인하였다. 공기저항을 최소화하기 위한 시제품은 풍동시험과 수치유동해석을 통해 최적화하여 제작하였다.

사이드스커트는 차량 적재함 측면 하부에 장착하여 차량 하부에서 발생하는 공기저항을 저감하며, 보트테일은 차량 적재함 후면에 장착하여 차량 후면에서 발생하는 와류를 저감시켜 연비를 개선하는 장치이다. Fig. 1(a)는 장치를 장착하기 전의 14.5 ton 카고트럭이고, Fig.1 (b)는 14.5 ton 카고트럭에 사이드스커트와 보트테일을 장착한 사진이다. Fig. 1(c)는 장치를 장착하기 전의 45 ft 트렉터-트레일러이고, Fig. 1(d)는 45 ft 트렉터-트레일러에 사이드스커트와 보트테일을 장착한 사진이다.

Fig. 1.

Prototype photos.

2.2 시험 방법

2.2.1 방법론 선정

본 시험은 연료소비량에 미치는 여러 가지 기술 적용에 따른 효과를 정확히 평가할 수 있는 연비평가 규정인 SAE J1321 Joint TMC/SAE Fuel Consumption Test Procedure - Type Ⅱ에 기반하여 시험을 진행하였으며, 국내 사정에 적합하지 않거나, 적용이 불가능한 항목에 대해서는 Table 1과 같이 국내 실정에 맞게 조건을 변경하였다. SAE J1321 시험조건 중 변경한 조건으로는 Proving Ground 주행로 사정상 TV(Test Vehicle; 시험장치를 장착한 차량)와 CV(Control Vehicle; 장착하지 않은 차량)의 동시 출발이 불가능하여 순차적 출발하였고, 0.16 km/h의 해상도의 GPS 적용이 불가능하여 차량에 장착된 1 km/h의 해상도의 통합단말기 시스템을 적용하였다. 또한 두 차종 중 카고트럭의 경우, Cruise Mode 주행 불가 차량으로 Full Accel 상태로 주행하였으며, 1시간 이상의 예열조건은 4 바퀴(20km) 주행으로 전문가 의견에 따라 변경하였다. 저울의 해상도는 구입 시기 및 가격 상 불합리적인 상황을 고려하여 해상도 10 g 단위의 전자식 저울을 적용하였다.

Table 1

SAE J1321 test conditions and changing conditions

연료소비량 시험은 TV와 CV를 동시에 주행시켜 두 차량의 데이터를 F검정과 T검정을 이용하여 통계적 유효성을 분석하였다.

2.2.2 시험 방법

SAE J1321 시험법을 국내 사정에 맞게 최적화한 시험 방법으로 1 바퀴가 5 km인 Proving Ground에서 시험을 진행하였다. 시험은 시험 준비, 주행 준비, 장착 전ㆍ후 연비 시험, 데이터 수집, 연비 개선율 계산, 시험에 대한 통과/실패 판정 등 총 6단계로 진행하였다.

2.2.2.1 시험 준비

시험에 앞서 차종별로 제작사ㆍ연식ㆍ특장형태 등이 최대한 동일한 차량을 각각 2대씩 준비하였으며, 차량의 제원은 Table 2와 같다. 각 차량에 물리적ㆍ기계적인 이상 유무를 확인하고, 엔진오일ㆍ공기필터ㆍ연료필터 교체 및 오일 보충, 타이어압 확인 등의 차량 정비를 실시하였다. 또한 연료소비량을 확인하기 위하여 탈부착이 용이한 휴대용 연료탱크를 설치하여 중량측정이 가능하도록 하였다.

Fig. 2.

Proving ground (KATRI).

Table 2

Vehicle specifications

Fig. 3.

Test preparation.

2.2.2.2 주행 준비

Proving Ground 주행로의 노면상태나 주행장 조건이 시험에 영향이 없는지 미리 확인하였다. 연료소비량을 측정하기 위한 측정장소는 바람의 간섭을 최소화하기 위해 먼저 텐트를 설치하고, 텐트 내부에 수평계를 활용하여 저울을 설치하였다. 풍속, 온도 등 외부 환경 인자 측정을 위해 1 Hz 이상의 Data Acquisition 속도를 지닌 센서를 설치하였다. 또한 주행 전 운전자 교육과 사전 준비 시험을 통해 동일한 주행조건을 정립하고, 각 시험 전 약 20 km의 사전주행을 통해 예열을 실시하였다.

2.2.2.3 장착 전ㆍ후 연비 시험

TV, CV 두 차량 모두 공기저항 저감장치를 장착하지 않은 시험 전 상태에서 주행하여 장착 전 각 차량의 연료소비량을 측정하였다. Table 3과 Fig. 5의 시험 절차를 최소 3회 이상 반복하여 연료소비량을 측정하였다.

Fig. 4.

Driving preparation.

Table 3

Baseline and test segment driving

Fig. 5.

Baseline and test segment driving.

시험 목적에 의거하여 TV 차량에 공기저항 저감장치를 장착하고, CV 차량은 기본 연비 시험과 동일하게 공기저항 저감장치를 장착하지 않은 상태에서 시험을 진행하였다. 공기저항 저감장치 장착 후 기본 연비 시험과 동일한 절차를 최소 3회 이상 반복하여 연료소비량을 측정하였다.

2.2.2.4 데이터 수집

시험 전 측정소에 설치한 풍속계, 풍향계 등을 통하여 주행 중 풍속, 온ㆍ습도 및 대기압 데이터를 분석하고, 차량에 설치한 디지털운행기록계를 이용하여 차속, 가감속을 분석하여 차량 주행에 따른 정상시험 여부를 판단하였다.

2.2.2.5 연비 개선율 계산

기본 연비 시험과 장착 연비 시험 주행을 통해 도출된 연료소비량 데이터를 이용하여 공기저항 저감장치 장착에 따른 연비개선효과를 확인하기 위해 SAE J1321 시험방법에 제시된 데이터 분석방법으로 연비 개선율을 계산하였으며, 그 계산식은 아래 식 (1)과 같다.

$\[ \mathit{Pd}=100\times \frac{\left(T/C\right)b-\left(T/C\right)t}{\left(T/C\right)b} \]$

(1)

Pd : Improvement
(T/C)b : (TV fuel consumption/CV fuel consumption) in baseline segment
(T/C)t : (TV fuel consumption/CV fuel consumption) in test segment
Source : Fuel Consumption Track Tests for Tractor-Trailer Fuel Saving Technologies(2009)

2.2.2.6 시험에 대한 통과/실패 판정

자료 수집을 통해 취득된 외부환경 데이터와 차속 데이터를 분석하여 환경요인이 본 시험 규정을 준수할 경우 시험 결과를 인정하고, 이를 준수하지 못할 경우는 재시험을 실시하였다. 또한 T 검정과 F 검정을 실시하고, SAE J1321 시험방법에 제시된 데이터 분석방법에 근거하여 신뢰구간이 2% 이내일 때 참값인 것으로 통계 처리하여 데이터의 신뢰도를 높였다.

Fig. 6.

Data acquisition.

3. 연구결과

3.1 실차 시험 결과

45 ft 트렉터-트레일러와 14.5 ton 카고트럭 2개 차종에 대해 사이드스커트와 보트테일 장착 전ㆍ후의 연료소비량의 차를 이용하여 연비개선율을 계산한 결과는 Table 4와 같다. Table 4의 TV와 CV의 Test 1, 2, 3의 값은 각 시험별 주행 전ㆍ후의 연료탱크의 중량차이다.

Fig. 7.

SAE J1321 data analysis.

Table 4

Test result (Unit : kg)

Fig. 8.

Fuel consumption test result.

45 ft 트렉터-트레일러에 사이드스커트만 단독 장착하였을 경우, 약 3.56±0.97% 연비개선율을 나타내었으며, 사이드스커트와 보트테일을 함께 장착한 경우 약 3.62±1.24%로 보트테일의 효과는 미미한 것으로 나타났다. 이것은 45 ft 트렉터-트레일러에 적재된 컨테이너의 corrugated surface에 기인한 유동박리에 의해 보트테일의 효과가 제대로 나타나지 못한 것으로 사료된다.

14.5 ton 카고트럭에 보트테일만 단독 장착한 경우, 연비개선율은 약 1.44±1.37%이고, 사이드스커트를 보트테일과 함께 장착한 경우, 약 4.72±2.14% 연비개선효과를 확인하였다. 14.5 ton 카고트럭에 보트테일만 장착한 경우, 시험 당시 순간풍속의 기준을 초과한 에러로 인하여 시험결과의 신뢰도는 다소 떨어지나, 연비가 개선되는 정성적인 효과를 확인하였다.

Table 4의 시험 외에도 45 ft 트렉터-트레일러에 대한 보트테일 단독시험, 14.5 ton 카고트럭에 대한 사이드스커트 단독시험을 실시하였으나, 시험 당시 태풍의 영향으로 평균풍속 및 순간풍속의 변화가 심하여 본 시험의 Proving Ground 테스트 심사기준 조건을 만족시키지 못하여 취득한 시험 결과가 모두 실패로 판정 처리 되었다.

3.2 온실가스 감축잠재량 산정

상기의 시험결과를 바탕으로 Table 5와 같이 가상 시나리오를 설정하고, 온실가스 감축 잠재량을 산정하였다. 시험차량을 임차한 A운수회사에서 운영하고 있는 장거리 간선 노선 차량의 실제 주행환경을 반영하여 가상 시나리오를 작성하였으며, 14.5톤 이상 대형화물차량의 기준 연비값은 3.5 km/L, 일평균 주행거리 600 km, 연간 운행일수 300일, 연비개선율은 본 연구에서 실차시험을 통해 확인된 4.72%를 적용하였다. 가상 시나리오에 따른 연간 연료감축량은 2,427 L로 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories Tier 1 산정 방법으로 산정한 감축량은 1대당 6.86 ton CO₂ eq./yr이다. 2016년 1월 국토교통부 자동차등록현황을 기준으로 등록된 15톤 이상 대형화물차량 100,178 대에 기술 적용시 연간 686,826 ton CO₂ eq./yr의 온실가스 감축이 가능하다.

Table 5

Greenhouse gas reduction scenarios

4. 결 론

본 연구에서는 14.5 ton 카고트럭과 45 ft 트렉터-트레일러 2개 차종을 대상으로 공기저항 저감장치 2종(사이드스커트, 보트테일)의 장착 전ㆍ후의 연비개선효과를 측정하였다. 공기저항 저감장치의 연비개선 평가를 위해 미국의 자동차 연비시험 평가기준인 SAE J1321 Joint TMC/SAE Fuel Consumption Test Procedure - Type Ⅱ 시험법을 국내 사정에 맞게 최적화하여 시험을 진행하였다. 연비시험 결과를 기준으로 가상시나리오를 통해 온실가스 감축량을 산정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

• 1) 45 ft 트렉터-트레일러에 사이드스커트를 단독 장착했을 때 3.56±0.97%, 사이드스커트와 보트테일을 함께 장착했을 때, 3.62±1.24%의 연비개선효과를 확인하였다.
• 2) 14.5 ton 카고트럭에 보트테일을 단독 장착했을 때 1.44± 1.37%, 사이드스커트와 보트테일을 함께 장착했을 때, 4.72 ±2.14%의 연비개선효과를 확인하였다.
• 3) 온실가스 감축 시나리오를 통해 산정한 온실가스 감축량은 1대당 6.86 ton CO₂ eq./yr이고, 등록된 15 ton 이상 대형화물차량에 기술 적용 시 686,826 ton CO₂ eq./yr의 온실가스 감축이 가능한 것으로 분석되었다.

45 ft 트렉터-트레일러의 경우, 보트테일의 효과가 미미한 것으로 나타났으며, 이것은 적재된 컨테이너의 corrugated surface에 기인한 유동박리에 의해 보트테일의 효과가 제대로 나타나지 못한 것으로 사료된다. 14.5 ton 카고트럭에 보트테일만 장착한 경우, 순간 풍속의 기준을 초과한 에러로 인하여 시험결과의 신뢰도는 다소 떨어지나, 연비개선에 대한 정성적인 효과는 확인되었다. 시험 당시 태풍의 영향으로 평균풍속 및 순간풍속의 변화가 심하여 본 시험의 Proving Ground 테스트 심사기준 조건을 만족시키지 못하여 기타 시험 결과가 모두 실패로 판정처리 되었기 때문에 향후 45 ft 트렉터-트레일러에 대한 보트테일 단독시험과 14.5 ton 카고트럭에 대한 사이드스커트 단독시험, 컨테이너의 corrugated surface 영향이 없는 조건에서의 시험 등의 추가 연구를 진행할 예정이다.

Table 6

Heavy duty vehicle registration (Unit : cars)

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 국토교통과학기술진흥원의 교통물류연구사업 “도로화물 운송 효율화를 위한 트레일러 경량화, 공기저항저감 및 운송용기 최적화 기술개발”의 지원사업으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

References

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• Helmut, HK., Robert, AW., Daniel, ML., (2007), Road evaluation of the aerodynamic characteristics of heavy trucks, SAE Technical Paper Series 200701-4297.
• ME, (2015), Post-2020 greenhouse gas reduction target set action plans, Ministry of Environment.
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