대형 화물차 제동 방식과 기어 변경이 연료 소모에 미치는 영향

3.1 시험 차량 및 계측 시스템

시험 대상은 Fig. 2(a)에 보이는 8톤급 대형 카고형 상용차로, 전자식 제동제어장치(EBS)와 리타더가 장착된 차량을 사용하였다. 시험 차량은 리타더, 오토 리타더, 발 브레이크, 오토 배기브레이크 등 다양한 제동 시스템이 적용되어 있어, 각 제동방식에 따른 에너지 손실 및 연료 소모 특성을 실험적으로 비교할 수 있다. 또한 차량의 주요 제원은 아래 별도의 표 Table 1에 정리하였다.

Fig. 2

Test truck and measurement

Table 1

Specification of test truck

실험 중 연료소모량은 ECU 연료분사 데이터를 기반으로 측정되었으며, 차량 속도 및 제동압력은 CAN 통신을 통해 동시 수집하였다. 시험 데이터의 수집과 제어신호 분석을 위해 Fig. 2(b)와 같이 Vehicle Communication Interface (3VCI3)와 Scania Diagnos & Programmer 3 (SDP3) 진단 프로그램을 사용하였다.

VCI3는 차량의 CAN 네트워크와 진단 포트를 통해 엔진, 리타더, 브레이크 등 주요 제어 유닛의 실시간 자료를 수집하며, SDP3는 이를 노트북 컴퓨터를 통해 해석, 기록 및 관찰할 수 있도록 지원한다.

노트북은 자료 수집(data logging) 장치로 활용되어, 주행 중 엔진 회전수, 차량 속도, 제동 신호, 연료 소모량 등의 주요 변수를 실시간으로 수집하였다. 이러한 측정 장비를 통해 제동방식별 연료 소모 특성을 정량적으로 비교･분석할 수 있다.

3.2 시험 조건 및 제동 시나리오

시험은 직선 아스팔트 포장된 전용 시험 트랙에서 시행하였다. 차량은 400 m 구간에서 50 km/h까지 가속한 후, 이후 300 m 구간에서 제동하여 700 m 지점에서 완전히 정차하도록 설정하였다. 가속 구간은 제동 구간의 초기 조건을 일정하게 유지하기 위한 용도로 사용되었으며, 분석 대상은 제동 구간 데이터로 한정하였다.

전방 400 m 가속 구간에서 차량을 목표 속도 50 km/h까지 안정적으로 가속하며, 후방 300 m 구간에서 각각 다른 브레이크 방식을 사용해 제동하였다. 차량은 시험마다 700 m 지점에서 완전히 정차하도록 하여, 제동 종료 시점을 일정하게 유지하였다.

가속 구간에서는 엔진 부하와 동력전달계의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 기본 데이터를 수집하였으나, 본 논문에서는 제동에 따른 연비 변화를 중점적으로 분석하기 때문에 가속 구간 데이터는 분석 항목에서 제외하였다. 가속 종료 시점의 속도와 변속단, 엔진 회전수 등은 제동 구간의 초기 조건으로 동일하게 맞추어 실험의 일관성을 확보하였다.

제동시험은 같은 노면 조건과 하중 조건에서 수행되었으며, 각 제동방식에 따라 발 브레이크, 리타더, 브레이크 블렌딩, 타력주행 네 가지 시나리오로 구분하였다.

발 브레이크 단독 제동은 발 브레이크 페달만을 이용하여 차량을 정지시키는 조건이다. 이때 리타더, 오토 배기브레이크 등 보조제동장치는 모두 비활성화하였다. 본 조건은 일반적인 운전자 제동 행위를 재연하기 위한 기준 시험으로 사용되었다.

리타더 제동은 리타더의 제동 토크로 차량을 감속 및 정지시킨다. 리타더의 제어는 변속기 ECU 신호로 자동으로 이루어지며, 이 시험을 통해 비 마찰식 제동장치의 에너지 감속 효율을 평가할 수 있다.

브레이크 블렌딩 제동은 오토 리타더(auto retarder)와 오토 배기브레이크(auto exhaust brake) 기능을 모두 활성화한 상태에서 발 브레이크를 병행하여 제동하는 복합제동 조건이다. 이 모드는 실제 운전상황에서 가장 빈번히 사용되는 제동 전략으로, 시스템 간 제동 토크 배분 특성과 연료 소모 간의 상관관계를 분석하기 위함이다.

타력주행 정차(coasting)는 초기 감속 구간에서 엔진 구동 개입 없이 차량을 타행시켜 감속하는 조건이다. 고속 및 중속 구간에서는 구동계 저항과 공기저항에 의해 감속이 이루어지며, 저속 구간에서는 최종 정차를 위해 발 브레이크를 작동하였다. 이를 통해 고속 및 중속 구간에서 제동 시스템 개입이 없는 상태의 에너지 손실 특성을 관찰할 수 있다.

각 제동 조건은 같은 초기 속도, 적재 하중(실제 차량 총중량 기준)으로 설정되었으며, 2회 반복 측정을 수행하여 데이터의 신뢰성과 재현성을 확보하였다. 실험 중에는 엔진 회전수, 차량 속도, 연료소모량, 제동압력, 리타더 작동 단계, 배기브레이크 등의 주요 변수를 측정하였다. 이러한 시험 환경과 절차를 통해, 실제 상용차 주행 조건을 모사한 상황에서 제동방식별 에너지 소모와 제동시간 차이를 체계적으로 분석할 수 있었다.

3.3 데이터 전처리 및 연료소모량 계산

CAN 통신으로 수집한 차량 속도(vehicle speed), 엔진 회전수(engine rpm), 행정당 연료 소모량(fuel quantity burned per stroke) 및 제동 관련 데이터는 시간 축 기준으로 동기화하였으며, 노이즈 제거를 위해 이동평균 기반 저역 통과 필터를 적용하였다. 샘플링 주파수는 10 Hz 이상으로 확보되어 시간분해능은 충분한 것으로 판단하였다.

제동 방식별 특성 비교를 위해 주요 측정 데이터 및 다음 지표를 계산해 비교하였다. 시험에서 기록된 주요 측정 데이터는 정차까지 소요된 제동시간(braking time) t_stop, 제동 동안 소모된 총 연료 소모량(total fuel consumtion) m_fuel,total 이다. 총 연료 소모량은 행정당 연료 소모량 m_fuel/stroke데이터를 시간에 대해 적분하여 총 질량(mg)으로 산출하였다.

본 실험에 사용된 차량은 4행정 5기통 엔진으로, 엔진 2회전당 1회 분사가 이루어지는 특성을 반영하여 엔진 회전수(rpm)를 120으로 나누어 시간당 분사 횟수로 환산하였으며, 실린더 수(N_cylinder)는 5를 대입하였다.

4.1 제동 방식별 데이터 분석

네 가지 제동 조건에서 2회씩 반복 실험하면서 측정한 브레이크 신호와 행정당 연료 소모 데이터를 Fig. 3 시간에 따른 속도와 엔진 회전수 그래프에 표시해 동시에 비교할 수 있도록 하였다. 이를 통해 감속 과정에서 발생하는 변속 이벤트, 연료 소모 피크 및 공회전 구간을 명확하게 분석할 수 있다.

Fig. 3

Time histories of vehicle speed and fuel burned during deceleration under different braking conditions

Fig. 3(a)의 발 브레이크 단독 제동시험은 두 가지 제동 입력 조건에서 수행되었다. 첫 번째 시험에서는 브레이크를 약 40%로 일정하게 유지하였으며, 정차 시간은 15.3 s, 총 연료소모량은 6.19 g으로 나타났다. 변속이 4 → 3 → 2 → 1단으로 순차적으로 발생하면서 엔진 회전수 증가와 함께 총 3회의 연료 소모 피크가 관찰되었다.

두 번째 시험에서는 감속 초기 약 4~5 s 동안 브레이크 입력을 약 60%까지 증가시킨 후 이후 구간에서 40%로 유지하였으며, 정차 시간은 12.4 s, 총 연료 소모량은 5.88 g으로 감소하였다. 초기 강한 제동으로 인해 약 5 s 부근에서 복수 단 변속(3 → 1단)이 발생하여 연료 소모 피크가 통합돼 총 2회로 감소하였다.

또한 두 조건 모두에서 차량 속도가 약 10 km/h 이하로 감소한 이후에는 변속이 완료되고 엔진이 공회전 상태로 유지됨에 따라 낮은 수준의 연료 소모가 지속적으로 나타났다.

Fig. 3(b)는 리타더 브레이크를 2단으로 놓고 제동한 경우이다. 두 시험 모두 감속 초기에는 리타더와 배기브레이크 제동에 의해 차량 속도가 감소하였으며, 리타더 제동 요청 토크(RetB/10)는 50~30 km/h 영역에서 약 2,000 Nm로 일정하고 이후 차량 속도에 비례해 점진적으로 감소하는 경향을 보이며, 배기 브레이크 제동 요청 토크(ExhB)는 약 200 Nm 정도에서 엔진 회전수에 비례해 증감하고 저속에서 꺼진다.

첫 번째 시험에서는 약 4 s, 7 s 및 9 s 부근에서 각각 변속(4 → 3 → 2 → 1단)에 따른 엔진 회전수 증가와 함께 총 3회의 연료소모 피크가 관찰되었고 감속이 빠르게 일어났다. 반면 두 번째는 약 6 s 부근에서만 복수 단 변속이 발생하였으며, 이에 따라 연료소모 피크가 하나의 주요 피크 형태로 나타났다.

저속 정차 구간에서 발 브레이크가 보완적 제동 수단으로 사용되어 정차하며, 엔진이 공회전 상태로 유지는 지속적인 연료 소모가 나타났다. 두 번째 시험에서는 변속 완료 이후 공회전 상태가 더 길게 유지되면서 공회전 구간에서의 연료 소모 비중이 상대적으로 크게 나타났다.

동일한 제동 조건에서도, 감속률 차이에 따른 변속 패턴 변화와 최종 발 브레이크 조작 차이에 따라, 연료 소모 피크와 공회전 연료 소모가 달라질 수 있음을 보여준다. 기계적 마찰을 사용하는 발 브레이크 제동과 비교할 때, 구동계 저항을 이용하는 리타더 제동에서는 전체 연료 소모 수준이 낮았다.

Fig. 3(c)는 브레이크 블렌딩 제동 시의 속도 연료 소모 관계를 나타낸다. 블렌딩 제동에서는 약 30 km/h, 20 km/h, 11 km/h 부근에서 기어 변경으로 엔진 회전수가 증가하면서 세 개의 연료 소모 피크가 관찰된다. 리타더는 약 2,000 Nm 제동하고 첫 번째 기어 변경 이후 차량 속도에 비례해 감소한다. 배기 브레이크는 엔진 회전수에 비례해 감소하고 기어가 낮아지면 증가해 2단 1단 기어에서 약 600 Nm까지 증가한다. 블렌딩 모드에서는 기어 전환이 3회 발생하면서, 각 제동 장치의 작동･비작동 과정에서 엔진 및 변속기 ECU가 개입하여 순간적인 연료 분사가 나타난다. 또한 저속 영역에서 발 브레이크로 정차하면서 6초 등속 운동 후 브레이크를 밟은 첫 실험의 공회전 연료 소모가 더 크게 발생했다. 블렌딩 제동은 연료 소모와 제동시간 모두 발 브레이크보다 크고 길었다.

타력주행 조건의 특성은 Fig. 3(d)에 나타난 바와 같이, 초기 감속 구간에서 엔진 구동 개입이 최소화된 상태에서 공기저항 및 구동계의 기계적 저항으로 감속이 이루어지므로 연료 분사량은 매우 낮은 수준을 유지하였다. 그러나 전체 감속 거리의 약 2/3 지점에서도 차량 속도가 약 40 km/h 수준으로 유지되어 자연 감속만으로는 정차가 어려웠으며, 이에 따라 최종 정차를 위해 발 브레이크를 약 70% 수준으로 작동하였다. 이 과정에서 약 25 km/h 부근에서 1회의 연료소모 피크가 발생하였으며, 이는 감속 과정 중 발생한 변속 이벤트 및 엔진 제어 개입에 따른 영향으로 해석된다. 이후 저속 영역에서는 엔진이 공회전 상태로 전환되면서 일정 수준의 연료분사가 지속적으로 유지되는 특성이 나타났다. 그런데도 타력주행 조건의 총 연료소모량은 네 가지 제동 조건 중 가장 낮게 나타났으며, 이는 감속 에너지의 대부분이 제동장치 개입 없이 공력 및 구동계 저항으로 소비되었기 때문으로 판단된다.

4.2 변속 및 공회전 연료 소모

차량 감속 과정에서의 속도 변화와 행정당 연료 소모량의 관계 Fig. 3을 차량 속도로 나누어 비교하면 고속과 저속에서 기어 감속 과정에서 발생하는 변속 기인 연료 소모와 저속 영역에서 발생하는 공회전 연료 소모로 구분된다.

감속 구간(40~10 km/h)에서 관찰되는 3~1차례 뚜렷한 연료 소모량 피크는 엔진 회전수 증가 위치와 일치해 기어 변경에 기인한 것으로 해석된다. 각 변속 구간에서는 기어 변경 후 클러치가 연결되면서 엔진 회전수가 순간 증가하고 차량이 급격히 감속하는 현상을 방지하기 위해, ECU가 연료를 분사해 일시적으로 엔진 회전수를 증가시켜 변속 충격을 완화한다. 이 과정에서 행정당 연료 소모량이 순간적으로 증가해 약 1초의 피크로 관측된다. 피크 3개가 보이는 것은 기어가 1단씩 순차적으로 변경된 경우, 2개 이하는 여러 단이 한꺼번에 감속된 경우로 해석된다. 이러한 결과는 감속 중 연료 소모의 주요 피크가 제동력 자체보다는 변속 이벤트와 이에 수반되는 엔진･변속기 제어전략에 의해 지배됨을 의미한다.

한편 저속 구간(10~0 km/h)에서는 제동방식과 무관하게 연료 소모량이 다시 증가하는 경향을 보이는데, 이는 정차 직전 엔진 공회전 유지, 보조장치 구동, 제동 안정성 확보를 위한 ECU 제어로 인해 일정 수준의 연료 분사가 지속되기 때문이다.

종합하면, 제동 중 연료 소모는 두 가지 다른 메커니즘에 의해 발생한다. Fig. 3에서 관찰되는 세 개의 주요 연료 소모 피크는 제동 방식과 관계없이 4 → 3 → 2 → 1단 다운시프트 구간에서 반복적으로 발생하며, 이는 제동 중 연료 소모가 감속 강도보다는 변속 제어 로직에 의해 지배됨을 명확히 보여준다. 저속 영역에서는 공회전 유지에 따른 연료 소모가 누적되어, 정지 직전 연비 특성은 저속 유지 시간에 좌우됨을 보여준다. 이러한 특성은 이후 Fig. 4와 Fig. 5에서 제시되는 연료 소모 분해 분석의 핵심 근거로 활용된다.

Fig. 4

Comparison of braking methods

Fig. 5

Fuel consumption due to gear shifts and engine idling

4.3 정량 비교 결과

Fig. 4는 Fig. 3에서 관찰된 연료 소모 피크의 원인을 보다 정량적으로 규명하기 위해, 전체 연료 소모를 변속 기인 연료 소모와 공회전 연료 소모로 분해한 결과를 나타낸 것이다. 발 브레이크 단독은 제동시간이 짧아 우수하지만, 운동에너지가 마찰열로 완전히 소산 되어 연료 효율이 낮게 나타났다. 리타더 제동은 시간 편차가 크고 오래 걸리지만, 평균 연료 소모량이 적었다. 브레이크 블렌딩 제동은 총 연료 소모량이 10.04 g, 8.23 g으로 최대값을 보였고 총 제동시간도 28.3 s, 21.3 s로 가장 길었다. 기어 변경이 3회 발생하면서 엔진 회전수가 반복적으로 증가하고, 이에 따라 연료 분사 피크가 누적된다. 타력주행은 제동장치의 개입 없이 감속이 이루어져 총 연료 소모량이 3.59 g, 2.88 g으로 가장 적었으며, 총 제동 시간은 16.0 s, 14.8 s로 보통이었다. 이는 고속에서 감속할 때 연료 분사량이 거의 0에 근접하고, 중속에서 엔진 회전수가 1회만 증가해 기어 변경 연료 분사가 작고, 중속 저속에서 발 브레이크를 60%로 깊이 밟아 저속 정차 엔진 공회전 시간이 짧았기 때문으로, 연비 향상에 가장 유리한 조건임을 의미한다.

Fig. 5는 Fig. 3에서 관찰된 중속에서 기어 변경 횟수와 변속 기인 연료 소모 관계를 보다 정량적으로 규명하고 위해, 정차 직전 저속 시간과 공회전 연료 소모 상관관계를 규명한 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 5(a)는 제동 중 기어 변경 횟수와 변속 기인 연료 소모량의 관계를 보여준다. 기어 변경 횟수가 1회 2회 3회로 늘어나면서 연료 소모량도 비례해 증가하고 있으며, 선형 상관계수는 R² = 0.617로 상관관계가 있으며 제동 방법의 영향도 함께 받음을 알 수 있다. 블렌딩은 두 실험 모두 기어 변경 3회이고 소모량이 많았지만, 타력주행은 두 실험 모두 기어 변경이 1회만 발생하고 연료 소모량이 최소이다.

Fig. 5(b)는 저속 정차 구간 공회전 시간과 공회전 기인 연료 소모량 관계를 보여준다. 블렌딩은 시간 편차가 가장 크게 발생했고, 공회전 시간이 짧은 리타더와 타력주행의 연료 소모가 가장 작았다. 공회전 시간과 연료 소모량은 로그함수로 근사하면 2.91 ln(t_idle) - 1.87이고 상관계수 R² = 0.949로 아주 높아, 저속 정지 구간의 연료 소모량은 시간에 의해 뚜렷하게 증가함을 확인하였다.

종합하면, Fig. 5(a)와 (b)는 제동 중 연료 소모가 변속 횟수와 공회전 시간이라는 두 가지 독립적인 요인에 의해 결정됨을 명확히 보여준다. 변속 횟수 증가는 변속 기인 연료 소모를 증가시키는 반면, 공회전 시간 증가는 공회전 연료 소모를 증가시키며, 제동 방식별 연비 특성은 이 두 요소의 상대적 비중에 의해 결정된다. 이러한 결과는 제동 연비 개선을 위해서는 변속 억제 전략과 저속 정차 구간 단축을 동시에 고려한 통합 제어 접근이 필요함을 시사한다.

Table 2는 네 가지 제동 조건에서의 기어 변경 횟수(gear shift), 기어 변경 기인 연료 소모량(gear fuel), 공회전 기인 연료 소모량(idle fuel), 공회전 시간(idle time), 총 제동시간(total time)을 비교한 결과를 정리한 것이다. 분석 결과, 감속 과정에서의 총 연료 소모는 제동장치의 종류뿐 아니라 변속 이벤트 발생 횟수와 공회전 상태 지속시간에 의해 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

Table 2

Fuel consumption and braking time under different braking methods