[자동차 이야기] 배출가스와 연비, 주행성능에 영향 미치는 '주행저항'

수년 전부터 우리 정부의 자동차 연비 검증과 배출가스 규제 기준이 더욱 엄격해지고 있다.

특히 연비 측면에서는, 연비에 큰 영향을 미치는 주행저항값 (자동차가 주행할 때 받는 공기저항과 도로마찰을 수치화한 것)까지 정부가 직접 검증하기 때문이다.

산업통상자원부와 환경부, 국토교통부는, 주행저항시험 규정 등을 포함한 '자동차 에너지 소비효율, 온실가스 배출량 및 연료소비율 시험방법 등에 관한 공동고시안'에 따라 2017년부터 차종을 선정하여 주행저항시험이 이뤄지고 있으며 자동차 표시연비제도가 시행되고 있는 상황이다.

이번 호에서는 배출가스와 연비, 주행성능에 영향을 미치는 자동차 주행저항에 대하여 알아보기로 하겠다.

자동차 주행저항의 세부 종류와 주행저항을 측정하는 타행성능시험, 표시연비제도 등 에 대해서도 설명하기로 하겠다.


자동차 표시연비제도는, 자동차의 도심연비, 고속도로연비 및 복합연비와 이 연비에 따라 부여되는 등급 정보, 대표적 온실가스인 이산화탄소의 배출량을 표시토록 하여, 소비자분들께는 보다 연비가 우수하고 친환경적인 자동차를 구매할 수 있도록 하며, 자동차 제작사에게는 고효율 자동차를 제작 및 판매토록 하는 제도이다.

일반인들도 한국에너지공단 관련 페이지를 통하여 국산자동차와 수입자동차에 대해서 확인할 수 있다.

중요한 공인연비 수치는 복합연비로, 도심연비와 고속도로주행 연비에 각각 55%, 45%의 가중치를 적용하여 산출된 연비값이다.

복합연비를 기준으로 자동차의 연비등급을 부여하게 되는 데, 배기량에 상관없이 복합연비가 높은 차량에 높은 등급(1등급)을 부여하고 복합연비가 낮은 차량에는 낮은 등급(5등급)을 부여하고 있다.

1등급은 복합에너지소비효율이 16.0이상, 2등급은 15.9~13.8, 3등급은 13.7~11.6, 4등급은 11.5~9.4, 5등급은 9.3이하를 기준으로 등급이 구분되어 지며 경형 자동차 및 전기자동차의 경우 이 기준에 따른 등급 부여 대상에서 제외되고 있다.

공인연비의 객관성을 위해 세계 각국은 "카본 밸런스법"에 의해 공인연비를 산출하고 있다.

"카본 밸런스법"은 동일한 외부조건(항온,항습 등)을 설정하고, 실제 주행상황을 그대로 모의한 주행모드로 차대 동력계(섀시다이나모라고도 한다)에서 자동차를 실제로 주행하여, 자동차에서 배출된 탄소(carbon)성분 즉, 연료 소모량을 분석장치를 통해 정밀하게 측정하여 연비를 산출하게 되고, 자동차의 제작사 및 수입사는 자동차를 국내에 시판하기 전에 공인시험기관의 연비측정 결과 또는 제작사의 자체 연비시험결과를 에너지관리공단에 신고하도록 되어 있다.

그림과 같은 에너지소비효율등급 라벨에는 부가적으로 복합 CO2배출량(g/km)과 1회충전 주행거리(km)가 표시되고 있다.

복합 CO2배출량(g/km)은 자동차가 1km를 주행할 때 배출하는 이산화탄소의 양을 그램(g)으로 표시한 것으로, 숫자가 낮을수록 환경 친화적인 자동차를 나타낸다.

전기자동차의 경우에는 전기자동차를 1회 충전했을 때 주행할 수 있는 거리를 나타내도록 하고 있다.

다음 그림은 일반 내연기관 자동차를 포함하여 하이브리드자동차, 전기자동차에 표시되는 에너지소비효율등급 라벨을 보여주고 있다.

한편 에너지소비효율등급 라벨의 부착 위치는 자동차 유리전면, 후면 또는 측면에 소비자가 쉽게 인식할 수 있도록 잘 보이는 곳에 있으며, 경형자동차의 경우에는 2열 좌석의 운전석 측 유리창에 부착되어 있다.

◆자동차 주행저항 (driving resistance)과 그 종류

자동차가 도로 상에서 주행하게 되면, 주행하는 반대 방향으로 저항력을 받게 되는 데 이것을 주행저항이라 한다.

주행저항이 크게 되면 큰 동력이 필요하고 반대로 주행저항이 작게 되면 작은 동력으로도 주행이 가능하게 된다.

달리 말하면 따라서 자동차 설계자들은 주행저항의 크기에 따라 자동차를 전진시키기 위한 엔진(전기자동차의 경우에는 모터)의 구동 토크를 결정하게 된다.

더 나아가 주행저항과 엔진의 구동 토크, 그리고 동력전달계 효율의 상호관계로부터 자동차의 주행성능인 최고속도, 등판능력 및 가속능력 등을 결정하게 된다.

주행저항은 주행을 방해하는 모든 힘의 총칭으로서 그림 3과 같이 구름저항, 공기저항, 경사저항, 가속저항으로 구분하는 데 각각의 저항에 대하여 좀 더 자세히 알아보기로 하겠다.
- 구름저항 (rolling resistance)

첫째로는, 자동차가 수평 노면 위를 굴러 이동할 때 발생하는 저항인 구름저항이다.

구름저항의 대부분은 평지를 주행할 때 회전하는 타이어의 변형에 소요되는 일에 의해서 발생된다.

이외에도 자동차 각 부품의 마찰, 도로면을 변형시키는 저항 등으로 구성된다고 볼 수 있지만 포장도로의 표면이 변형되지 않는 것으로 가정한다면, 타이어의 자체 변형만을 고려하면 된다.

구름저항의 크기는, 바퀴에 작요하는 하중, 노면 상태, 자동차 속도 등에 따라 변화할 순 있지만 일반적으로 자동차 속도가 150Km/h 이하에서는 민감하지 않는다고 판단하고 있다.

따라서 타이어의 구름저항계수와 타이어에 작용하는 수직력의 곱으로 결정하게 된다.

또한 타이어의 구름저항계수를 개선하는 데에는 한계가 따르므로 도로표면의 상태가 구름저항에 영향을 미치게 되는 데 특히 노면이 연약할 경우에는 노면의 변형정도가 구름저항계수에 큰 영향을 미치게 된다.

그림은 도로조건에 따른 일반적인 구름저항계수를 나타내고 있으며 도로표면의 상태(포장도로 혹은 비포장도로)에 따라 변동이 큼을 알 수 있다.

타이어 회사에서는 자동차용 타이어 모델별로 그림 5과 같은 회전저항 시험장치를 이용하여 타이어와 드럼 사이이의 힘을 산출하여 정확한 구름저항계수를 측정하고 있는 상황이다.

- 공기저항 (Aerodynamic resistance 혹은 Aerodynamic drag)

공기유동에 노출된 물체가 운동할 때는 공기력의 영향을 받게 된다.

따라서 주행 중인 자동차의 진행방향의 반대 방향으로 작용하는 공기력을 공기저항이라 한다.

공기저항은 자동차의 주행속도, 앞 투영 단면적, 그리고 자동차 형상에 관계되는 공기저항계수, 자동차 표면의 거칠기 등에 크게 영향을 받게 된다.

공기저항계수는, 도로를 주행하면서 측정할 수도 있으나 공기역학적 상관관계의 복잡성 때문에 계산으로 구하지 않고 그림 6과 같은 풍동시험(wind tunnel test) 장치에서 실제 측정한다.

풍동시험 장치는, 균일한 공기의 흐름을 인공적으로 만들어 흐름이 물체에 미치는 영향이나 흐름 속의 물체의 운동, 흐름 속에 놓인 물체로 인한 흐름의 변화 등을 조사하는 장치이다.

자동차 공기저항은 차체를 수직방향으로 들어올리려는 양력, 자동차 차체표면의 마찰저항, 차체 표면에 있는 요철이나 돌기 등에 의한 표면저항, 엔진 냉각 및 차량실내 환기를 위해 들어오는 공기 흐름에 의한 내부저항들도 존재하지만 자동차 형상에 따른 압력저항이 전체의 약 60%를 차지하므로 자동차 제조사들은 공기저항 계수를 줄이려는 디자인을 채용하려고 노력하고 있다.

그림 7은 자동차 형상에 따른 공기저항계수들이며, 일반적인 세단형 승용차의 공기저항계수는 약 0.4 정도이고 최근 각광을 받고 있는 SUV(혹은 RV)는 약 0.45~0.5 정도라고 볼 수 있다.

위 그림은 컨테이너 트레일러나 탑차나 윙 바디 트럭에 적용된 캡 푸르 페어링(혹은 루프 스포일러)으로서 캐빈 상단 지붕에 설치되어 캐빈의 높이와 적재함 그리고 컨테이너 높이의 단차를 줄여 공기저항을 줄이는 역할을 한다.

- 경사저항 (Gradient resistance)

자동차가 경사진 길을 오를 때 그 중력에 의하여 발생하는 저항을 경사저항 혹은 구배저항 혹은 등판저항이라고도 한다.

경사진 도로를 자동차가 비탈길을 오를 때, 중력의 진행 반대방향 분력에 의해 자동차의 무게중심에 뒤 방향으로 작용하는 저항이므로, 반대로 언덕길을 내려갈 때는 자동차 질량이 구동력을 지원하는 힘으로 작용한다 따라서 경사저항은 자동차의 질량과 노면의 기울기에 따라 변화한다.

- 가속저항 (acceleration resistance)

주행 중인 자동차의 속도를 증가시키는 데 필요한 힘을 가속저항이라고 한다.

일반적으로 물체의 운동속도를 상승시키려면 그 물체의 관성력인 질량과 회전관성을 극복해야 한다. 따라서 가속저항을 관성저항이라고도 한다.

특히 엔진(혹은 모터)와 동력전달계의 회전부품들은 주행방향으로는 물론이고, 회전방향으로도 가속되어야 한다.

따라서 가속저항에서는 회전부품의 관성을 극복하는데 소요되는 회전력을 별도로 고려하여야 하므로 정확한 가속저항을 산출하기에는 다소 복잡한 과정을 거쳐야 한다.


타행성능시험(coasting test)이란 주행 중 엔진의 동력을 차단하고 관성주행을 계속하는 시험이다.

주행 중 동력을 차단하게 되면 주행속도는 서서히 감소하여 결국에는 자동차는 정지되게 된다.

즉, 동력을 차단하기 직전의 자동차의 관성에너지는 동력전달계의 내부저항과 구름저항과 공기저항 등의 외부저항을 극복하는데 사용되어 결국은 속도가 0 Km/h(정지)로 되게 된다.

특히 바람이 없는 날, 평탄한 도로에서, 일정속도에서 변속기어를 중립으로 하고 자동차를 타행성능시험을 하게 되면 평균 감속도 및 공기저항계수, 구름저항계수 등을 계산으로 구할 수 있다. 타행성능시험은 평탄한 직선, 포장도로에서 왕복으로 측정하게 되는 데 상세한 내용은 KSR 1011에 자세히 설명되어 있다.

이상과 같이 배출가스와 연비, 주행성능에 영향을 미치는 자동차 주행저항, 주행저항을 측정하는 타행성능시험 등에 대하여 설명하였다.

주지하다시피 우리 인류는 지구 온난화에 대한 우려가 고조되고 있으며 실제 이로 인한 기후변화 및 생태계 파괴가 진행되고 있는 실정이다.

따라서 지구온난화에 직접적으로 영향을 미치는 온실가스를 저감하기 위한 부단한 노력이 진행 중이다.

특히 자동차의 경량화와 주행저항을 저감하려는 여러 노력들이 자동차의 배출가스와 연비, 주행성능 향상에 크게 이바지를 할 것으로 믿어 의심치 않는다.


김현수 글로벌모빌리티 기자 khs77@g-enews.com