1. 서론 및 문제 정의

이 연구의 주요 관심사는 시내 주행 상태에서 아스팔트 콘크리트(Asphalt Concrete, AC) 포장도로와 포틀랜드 시멘트 콘크리트(Portland Cement Concrete, PCC) 포장도로 사이의 연료 소모 및 CO2 방출량의 차이점을 조사하는 것이었다. 연구의 목적은 시내 도로의 대안적 포장 디자인을 제안함으로서 비용 절감 및 환경오염 감소를 이끌어내는 것이다.  

그림 1. 아스팔트 콘크리트(왼쪽)와 포틀랜드 시멘트 콘크리트(오른쪽)로 포장된 도로

2. 문헌 검토

교통 연구 위원회(Transportation Research Board, TRB) 특별 보고서에서는 차량 연료 소모량이 미국에서 소모되는 총 에너지의 절반을 차지한다고 제시했다. 차량 연료 소모량 중 약 절반은 40 mph 이하의 속도로 운전하는 시내 운전 때문에 발생하는 것으로 추정된다. 1970년대의 오일 위기는 차량 연료 소모에 대한 수많은 연구를 이끌었다. 이것은 더 효율적인 엔진, 더 에너지 효율적인 타이어, 더 가벼운 차량 등에 대한 자동차 디자인에 대한 진보를 이끌었다. 현재, 이런 자동차 디자인의 향상 이외의 부분에서 연료 소모를 줄이는 방법을 찾으려는 노력이 진행되고 있다.

3. 실험 디자인 및 데이터 수집

실험 변수로는 표면 물질 종류, 표면 거칠기, 경도 변화, 포장 구역의 위치 등이 포함된다. 연료 소모 연구를 위해서 알링턴(Arlington)과 텍사스에 있는 두 쌍의 도로(두 개의 아스팔트 도로와 두 개의 콘크리트 도로)를 조사했다. 도로의 각 쌍은 유사한 기울기와 표면 거칠기를 가졌다. 풍향의 영향과 주행 속도 변화를 최소화하기 위해서 평편한 도로에서 실험이 진행되었다.

연료 소모 측정 과정에서, 연료 소모에 영향을 줄 수 있는 모든 다른 요인들을 배제시켰다. 이런 요인들로 차량 무게, 타이어 압력, 연료 종류, 주위 온도, 습도, 바람 속도 및 방향 등이 포함된다. 이런 요인들 중에서 차량 무게, 타이어 압력, 연료 종류는 동일한 상태에서 측정되었다.

두 개의 서로 다른 운행 방식(순항 vs 가속)이 시험 운전에 사용되었다. 일정한 속도 방식 하에서, 순항 속도는 30 mph이었다. 가속 방식 하에서, 10초 동안에 0 mph에서 30 mph까지 가속한 후의 연료 소모량을 수집했는데 평균 가속 속도는 3mph/초 이었다.

                               그림 2. 데이터 수집 시스템의 구조도.

4. 데이터 분석 및 결과

단위 거리 당 연료 소모량은 운전 방식(가속 vs 일정한 속도), 표면 상태(건조 vs 습윤)와 관계없이 PCC 포장도로에서 낮았다. 이런 차이는 10%의 유의 수준에서 통계적으로 유의성을 가졌다. 연료 소모량은 운전 방식, 표면 상태, 포장 두께에 따라서 PCC 포장도로에서 3%～17% 정도의 연료 소모의 감소를 보였다.

5. 경제적 분석

경제적 분석은 두 개의 도로 포장 종류에 따른 연료 소모율을 이용했다. 이런 소모율은 각각의 차량 무게 비율의 선형 투영 방식을 사용해서 서로 다른 차량에서의 연료 소모율을 산출하는데 사용되었다. 연료 소모 차이에 따른 CO2 생성과 관련된 기존의 모델을 이용해서 두 개의 도로 포장 종류의 CO2 배출량이 평가되었다.

PCC 포장도로가 AC 포장도로에 비해서 더 낮은 CO2 배출량을 보였고, 더 낮은 연료 소모율을 보였기 때문에, PCC 포장도로가 시내 주행을 위한 더 이상적인 도로라는 것을 보여주었다.

▣ 원문제목 : Effect of Pavement Type on Fuel Consumption and Emissions in City Driving