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The Journal of The Korea Institute of Intelligent Transport Systems Vol.14 No.1 pp.94-102
DOI : https://doi.org/10.12815/kits.2015.14.1.094

Effect of Passenger Car Fuel Consumptions and Fuel Cost Savings by Hi-Pass System

Jin-Ho Kwak*, Dong-Nyong Kim**, Ae-Ra Jeong***
Corresponding author : Dong-Nyong Kim(Dankook University), kdng@dankook.ac.kr
December 3, 2014 │ December 11, 2014 │ January 26, 2015

Abstract

The high-pass(brand name of Electronic Toll Collection System) utilization trend on the highway continues to grow as 59.4% (by the end of 2013). In this study, we applied the carbon balance method using a fuel chassis dynamometer with the four passenger car classes in order to measure the fuel consumption of the car using the expressway tollgate. We experimented 18 driving mode at general tollgate and high-pass tollgate. As a result, in case of entry/exit toll there were 21.0~56.4㎖/veh fuel consumption savings, in case of open toll fuel consumption savings was analyzed as 10.5~28.1㎖/veh . In addition, the annual fuel cost savings by virtue of high-pass was 28.2~57.3 billion won at 70% utilization rate, 32.2~65.5 billion won at 80%, 36.2~73.7 billion won at 90% and 40.3~81.9 billion won at 100%.


하이패스 이용시 승용차 연료소모 및 연료비용 절감효과

곽 진 호*, 김 동 녕**, 정 애 라***
*주저자 : 교통안전공단 자동차안전연구원 책임연구원Korea Transportation Safety Authority
**공저자 및 교신저자 : 단국대학교 토목환경공학과 교수Dankook University
***공저자 : 교통안전공단 자동차안전연구원 선임연구원Korea Transportation Safety Authority

초록

고속도로 하이패스 이용률은 59.4%(2013년말 기준)로서 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 고속도 로 영업소를 이용하는 승용차의 연료소모량을 측정하기 위해서 4개 차종을 대상으로 차대 동력계를 이용한 탄소균형법 을 적용하였고, 일반 영업소와 하이패스 영업소의 주행 모드 18개를 설정하여 실험하였다. 그 결과 폐쇄식 구간의 경우 차종에 따라 21.0~56.4㎖/veh, 개방식 구간의 경우 10.5~28.1㎖/veh의 연료소모 절감효과가 있는 것으로 분석되었다. 또 한, 하이패스 이용률에 따른 연간 연료비용 절감효과는 이용률 70%일 경우 282~573억원, 80%일 경우 322~655억원, 90% 일 경우 362~737억원, 100%일 경우 403~819억원으로 산정되었다.


    Ⅰ서 론

    1.연구의 배경

    2013년 기준으로 국내 하이패스 이용차량은 일 평균 2,029천대이며, 하이패스 이용률은 59.4%에 달 한다. 하이패스(Hi-Pass)라고 불리는 통행료자동지 불시스템(ETCS, Electronic Toll Collection System)은 자동차가 고속도로 등의 톨게이트를 통과할 때 게 이트와 자동차 내 단말기 간의 통신으로 자동적으 로 요금을 지불하는 시스템으로 일단 정지할 필요 가 없어 이용자의 연료비용을 절감할 수 있다.

    이를 위해 먼저 실험 대상 승용차, 실험장비, 실 험구간 등을 결정한 후, 톨게이트 진입․통과․진 출 속도 등을 고려한 시나리오에 따른 승용차의 연 료소모량을 실험하는 방법으로 수행하였다.그림 .1

    실제 고속도로 폐쇄식 구간과 개방식 구간의 하 이패스 연료소모 절감 및 하이패스 이용률에 따른 연료비용 절감효과를 추정해 보고자 한다.

    2.연구의 한계

    본 연구에서는 연료 소모량을 측정하기 위하여 실제 고속도로에서 측정하는 것과 유사한 조건을 갖추기 위하여 노력하였으나 다음과 같은 한계를 가지고 있다.

    1. 연구에 사용된 차종은 승용차(경형, 소형, 중 형, 대형) 위주로 되었으며 버스나 트럭을 포 함하지 않았다.

    2. 사용연료는 휘발유를 대상으로 하였으며 디젤 이나 LPG 차량은 포함시키지 않았다.

    3. 본 연구에 이용된 진입 및 진출속도 뿐만 아 니라 통과속도는 실측속도를 사용한 것이 아 니라 여러 가지 속도를 가정하여 사용하였다.

    4. 본 연구는 현장실험 대신에 실험장비를 이용 하여 결과를 도출하였다.

    Ⅱ문헌 고찰

    이성관 등(2010)은 하이패스와 일반차로 주행시 연료소모량을 비교하여 연료절감 효과를 추정한 연 구에서 스포츠유틸리티 차량를 이용하여 실험한 결 과 하이패스(통과속도 30km/h) 이용시 연료소량을 31.3㎖ 감소시킬 수 있다고 분석하였으며[1], 유인 균 등(2011)은 승용차를 대상으로 도로포장의 평탄 성에 따른 유류소모량 변화의 관계를 실제 도로에 서 실측한 결과, 평탄성이 1m/㎞ 증가하였을 경우 100㎞ 주행시 약 80㎖ 정도의 비율로 유류소모량이 증가하는 것으로 확인하였으며[2], 고광호(2010)는 포장도로의 표면거칠기 변화에 따른 유류소모량의 변화 관계를 분석한 결과 연료소모량(L/100km)은 3.5m/km 정도의 IRI 수준에서 IRI(m/lm) 증가율의 7 배 정도로 증가하였다[3]. 또한, 도명식과 최승현 (2014)은 도로의 경사도가 승용차의 유류소모량에 미치는 영향을 분석하기 위해 실제 주행실험을 통 해 얻은 데이터를 이용하여 유류소모량 산정 모형 을 개발하고 적용성을 검증하였으며, 오르막 (+2~5%), 평지(±0~2%) 그리고 내리막(-2~5%)의 순 으로 유류소모량이 소비됨을 확인하였다[4]. 이상건 등(2001)은 자동요금징수시스템 실시 전후의 정량 적 분석을 실시한 결과 평균통과시간이나 대기행렬 길이가 감소한 시간대도 있었지만 오히려 증가하는 부정적인 효과가 나타난 시간대도 많은 것으로 나 타났으며[5], 강재수 등(2009)은 평균 속도를 고려한 소형차의 연료소비 원단위를 연구한 결과 폐쇄식 구간의 경우 0.0693ℓ/km으로, 개방식 구간은 0.0648ℓ/km으로 산정하였다[6].

    그러나, 기존의 연구들은 고속도로 톨게이트에서 연료소모량 산출시 진입, 통과, 진출 속도에 대한 요인들을 고려하지 못한 한계가 있다.

    Ⅲ실험 계획

    1.실험 방법

    본 연구에서는 연료 소모량을 측정하기 위하여 차대동력계 장비를 이용하였으며, 탄소균형법 산출 방식을 적용하였다. 차대 동력계는 가・감속, 정속, 정지 등의 반복 과정을 대표화할 수 있는 장점이 있으며, 연료소비율 측정시 사용되는 대표적인 실 험 장비이다. 또한, 탄소균형법은 연료 중의 탄소량 이 자동차의 배기가스에 포함된 탄소량과 같다고 보고 연비를 산출하는 방법이다.

    실험 방법은 동일한 외부조건(온도, 풍향 등)을 설정하고, 차대 동력계 위에 실험자동차를 위치시 켜 각 실험 모드로 주행한다. 주행 후 자동차에서 배출되는 가스를 포집하여 그 중에 포함되어 있는 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 양을 측정 하여 소모된 연료량을 산출하였다.그림 .

    이 방법은 국토교통부의 ‘자동차안전기준에 관한 규칙’과 지식경제부의 ‘자동차의 에너지소비효율 및 등급표시에 관한 규정’에 의해서 수행하는 연료 소비율 측정시 사용되는 실험방법으로 국내․외에 서 가장 많이 사용되는 점을 감안하여 본 연구에 적용하였다.

    고속도로 영업소 광장 진입부와 진출부의 최소 길이가 각각 380m인 점을 고려하여 톨게이트 진입 부 400m, 진출부 400m를 시험 구간으로 결정하였 으며, 연료소모량 측정을 위해 실험모드별로 총 2 회를 실시하여 평균값을 사용하였다.

    실험자동차의 감속도, 가속도, 소요시간 계획은 <표 2>와 같다. 평균 가속도 2.9m/s2, 평균 감속도 4.6m/s2, 소요시간 36~92초로 설정하였는데, 이는 시 점과 종점에서 속도 안정화를 위해 최소 5초간 일 정한 속도로 유지하고, 진입․통과․진출 속도를 고려하여 설정한 값으로 실제 영업소에서 발생하는 다양한 가․감속은 반영하지 않았다.

    2.실험 자동차

    연료소모량을 측정하기 위하여 본 연구에서는 가장 많이 판매된 등급별 승용차를 대상으로 경형 (기아 모닝), 소형(현대 아반떼), 중형(현대 쏘나타), 대형(제너시스) 각 1대씩 총 4대를 선정하였다.

    3.실험 모드

    일반 영업소 폐쇄식 진입 모드는 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도로 각각 진입하여 고속도로 통 행권 수령시 정차(서비스 시간 6초) 후 출발하여 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도에 도달하는 경우로 가 정하였다. 또한, 진출 모드는 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도로 각각 진입하여 통행요금 지불시 정 차(서비스 시간 13초) 후 출발하여 40km/h, 60km/h, 80km/h 속도에 도달하는 경우로 가정하였다.그림 .

    하이패스 영업소의 경우 진입 속도는 40km/h, 60km/h, 80km/h이고, 통과 속도는 30km/h 이상부터 진입 속도 이하(10km/h 간격)이며, 진출 속도는 진 입 속도와 동일한 경우로 가정하였다.그림 .4

    Ⅳ연료소모량 실험결과

    일반 영업소의 폐쇄식 구간과 개방식 구간을 1회 통과시 실험자동차별 연료소모량은 <표 5>와 같이 나타났다. 폐쇄식 구간의 경우 입구 및 출구의 서비 스 시간을 각각 6초와 13초를 적용한 결과이며, 개 방식 구간의 경우는 폐쇄식 구간의 입구 서비스 시 간 6초를 적용한 연료소모량과 6초부터 13초간 정 지시 2초에 해당되는 평균연료소모량을 더해 산출 하였다. 하이패스 영업소 구간의 진입 및 진출 속도 는 폐쇄식 구간과 개방식 구간 모두 동일하게 적용 하였으며, 1회 통과시 실험자동차별 연료소모량은 <표 6>과 같이 나타났다.

    경형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 125.3㎖ /veh, 97.6㎖/veh, 84.0㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 62.4㎖/veh, 48.7㎖/veh, 42.0㎖/veh가 소 모되었다. 또한, 하이패스 이용시에는 평균적으로 46.6㎖/veh, 35.4㎖/veh, 31.5㎖/veh가 소모되었다.

    소형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 142.1㎖ /veh, 110.4㎖/veh, 95.1㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 70.6㎖/veh, 55.0㎖/veh, 47.4㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 50.0㎖/veh, 38.7㎖/veh, 34.7㎖/veh가 소모되었다.

    중형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 168.2㎖ /veh, 130.7㎖/veh, 120.7㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 83.7㎖/veh, 64.9㎖/veh, 59.9㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 57.9㎖/veh, 45.5㎖/veh, 46.5㎖/veh가 소모되었다.

    대형승용차는 진입속도 80km/h, 60km/h, 40km/h 에 따라 일반영업소 폐쇄식 구간의 경우 181.2㎖ /veh, 155.3㎖/veh, 144.7㎖/veh가 소모되었고, 개방식 구간의 경우 90.5㎖/veh, 77.3㎖/veh, 72.0㎖/veh가 소 모되었다. 또한 하이패스 이용시에는 평균적으로 62.4㎖/veh, 54.6㎖/veh, 51.1㎖/veh가 소모되었다.

    Ⅴ연료절감 효과

    1.연료소모 절감효과

    고속도로 폐쇄식 구간과 개방식 구간에 따른 하 이패스 시스템의 승용차 연료소모 절감효과는 <표 7>, <그림 5> 및 <그림 6>과 같이 분석되었다. 일반 영업소와 하이패스 영업소 모두 폐쇄식 구간의 경 우 입구와 출구를 각 1회씩 2번 통과하고, 개방식 영업소는 1번을 통과하는 것으로 동일하게 적용하 였다.

    하이패스 영업소의 연료절감 효과를 비교하는 방법은 진입․진출 속도별로 구분하였는데 이 때 통과속도별로는 구분하지 않고 여러 통과속도의 평 균 연료소모량을 적용하였다. 즉, 하이패스 이용차 량들은 다양한 통과속도로 통행하며 그 분포는 균 일할 것이라는 가정을 한 것이다.

    경형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 21.0~32.1㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 10.5~15.8㎖/veh의 연료가 절감되었다.

    소형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 25.7~42.1㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 12.7~20.6㎖/veh의 연료가 절감되었다.

    중형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 27.7~52.4㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 13.4~25.8㎖/veh의 연료가 절감되었다.

    대형승용차는 진입․진출 속도 40km/h, 60km/h, 80km/h에 따라 폐쇄식 구간의 경우 42.5~56.4㎖/veh 의 연료가 절감되었고, 개방식 구간의 경우 20.9~28.1㎖/veh의 연료가 절감되었다.

    본 연구와 타 연구의 하이패스 연료소모량 절감 을 <표 8>과 같이 비교해본 결과, 속도 60km/h인 경우 폐쇄식 구간에서는 26.8㎖/veh와 31.3㎖/veh로 서 유사한 값을 보였으며, 개방식 구간에서는 13.3 ㎖/veh, 13.2㎖/veh로서 거의 동일한 결과를 보였다.

    2.연료비용 절감효과

    하이패스 이용시 승용차 연료비용 절감효과 산 출식은 아래와 같다.

    F s = i j V ij H ij × U h 100 × C f × 365 1 , 000
    (1)

    Fs : 연간 하이패스 연료절감 비용(원)

    Vij : 고속도로 승용차 일평균 이용대수(대/일)

    Hij : 하이패스 연료소모량 절감(㎖/veh)

    i : 경형, 소형, 중형, 대형 승용차

    j : 폐쇄식 구간, 개방식 구간

    Uh : 하이패스 이용률(%)

    Cf : 유류비(1,883원/ℓ,`13년 12월 4주)

    2013년 하이패스 이용시 승용차 연료비용 절감 효과를 분석한 결과 <표 9>와 같이 나타났다. 승용 차가 진입․진출 속도 40km/h인 경우 289억원, 60km/h인 경우 379억원, 80km/h인 경우 486억원 으로 산출되었다. 폐쇄식 구간 연료비용 절감 효과 는 239~402억원으로 개방식 구간의 50~84억 보다 약 4.8배 높은 것으로 분석되었다.

    또한, 하이패스 이용률 증가에 따른 연료비용 절 감효과를 분석한 결과 <표 10>과 같이 나타났다.

    하이패스 이용률이 70%일 경우 진입․진출 속도 에 따라 282~573억원의 연료비용이 절감될 것으로 산출되었으며, 80%일 경우 322~655억원, 90%일 경 우 362~737억원, 100%일 경우 403~819억원의 연료 비용 절감 효과가 있을 것으로 기대된다.

    Ⅵ결론 및 향후 연구

    본 연구에서는 고속도로에서 운영되고 있는 하 이패스 시스템을 이용하는 승용차의 연료소모 및 연료비용 절감효과를 산출하였다.

    연료소모량을 측정하기 위해서 연료소비율 측정 시 국내․외에서 가장 많이 사용되는 탄소균형법을 적용하여 실험을 실시하였다.

    가장 많이 판매된 승용차 4개 등급별 차종을 대 상으로 일반 영업소와 하이패스 영업소의 톨게이트 주행모드 18개 시나리오에 대한 실험을 진행하였으 며, 진입속도는 40km/h, 60km/h, 80km/h으로 진출속 도와 동일하며, 통과 속도는 일반 영업소인 경우는 정지한 후 출발하였으며, 하이패스 구간인 경우는 30km/h 이상으로 10km/h 간격으로 증가시키면서 연 료 소모량을 측정하였다.

    기존 연구의 한계인 고속도로 톨게이트에서 연 료소모량 산출시 진입, 통과, 진출 속도에 대한 변 화요인들을 고려하였고, 톨게이트 주행 모드를 재 현하여 연료소모 및 연료비용 절감효과를 정량적인 수치로 제시한 데 의의가 있으며, 주요 결론은 다음 과 같다.

    첫째, 하이패스 시스템을 이용하는 승용차는 폐 쇄식 영업소의 경우 21.0~56.4㎖/veh, 개방식 영업소 의 경우 10.5~28.1㎖/veh의 연료소모 절감효과가 있 는 것으로 분석되었다.

    둘째, 2013년 하이패스 시스템 이용시 승용차 연 료비용 절감 효과는 289~486억원으로 산출되었다.

    셋째, 하이패스 이용률에 따른 연간 연료비용 절 감효과는 이용률 70%일 경우 282~573억원, 80%일 경우 322~655억원, 90%일 경우 362~737억원, 100% 일 경우 403~819억원으로 산출되었다.

    향후 연구로는 화물차 등 다양한 차종 및 디젤, LPG 등 가솔린 이외 연료에 대한 추가 실험, 톨게 이트 평균통과속도와 다양한 가․감속 및 지체시간 을 고려한 실험, 통과속도 제한이 없는 스마트 톨링 시스템의 효과 분석 등이 필요할 것으로 사료된다.

    Figure

    ITS-14-94_F1.gif

    연구수행 절차

    Research Flow Chart

    ITS-14-94_F2.gif

    실험장비 구성도

    Test Equipment Configuration

    ITS-14-94_F3.gif

    실험 구간

    Experimental Section

    ITS-14-94_F4.gif

    진입 및 진출 속도 시나리오

    Scenario of Entering/Passing/Leaving Speed

    ITS-14-94_F5.gif

    폐쇄식 구간의 하이패스 연료소모량 절감

    Fuel Consumption Savings of Hi-Pass at Entry/Exit Toll

    ITS-14-94_F6.gif

    개방식 구간의 하이패스 연료소모량 절감

    Fuel Consumption Savings of Hi-Pass at Open Toll

    Table

    하이패스 이용교통량 현황

    Traffic Volume of Using Hi-Pass

    평균 가·감속도 및 1회 소요시간

    Average Acceleration & Deceleration, Test Duration

    진입 및 진출 속도 시나리오

    Scenario of Entering/Passing/Leaving Speed

    일반 영업소 서비스시간 적용 기준

    Service Time of General Toll Gate

    출처 : 한국도로공사, 도로설계요령, 2009년

    일반 영업소 연료 소모량 실험 결과

    Results of Fuel Consumption of General Toll

    하이패스 연료 소모량 실험 결과

    Results of Fuel Consumption of Hi-Pass Toll

    하이패스 연료소모량 절감

    Fuel Consumption Saving of Hi-Pass(단위: ml/veh)

    하이패스 연료소모량 절감 관련 논문 비교

    Comparison with Other Paper Related Fuel Consumption Saving of Hi-Pass (단위: ml/veh)

    2013년 하이패스 연료비용 절감

    Fuel Cost Saving of Hi-Pass Toll by 2013

    하이패스 이용률에 따른 연료비용 절감

    Fuel Cost Saving by Hi-Pass Utilization Rate

    Reference

    1. Lee S K , Lee K Y , Choi Y H , Kwak J H , Sung J N (2010) “Evaluation on the FuelEfficiency of Hi-Pass System” , Journal of Korean Institute of Intelligent Transport Systems, Vol.9 (3) ; pp.59-66
    2. Yoo I K , Kim J W , Lee S H , Ko K H (2011) “ Comparison of Fuel Consumption Estimation for Passenger Cars” , Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol.13 (4) ; pp.167-175
    3. Ko K H (2010) “The Change Rate of Fuel Consumptionfor Different IRI of Paved Roads” , Journal of the Korean Society of Road Engineers, Vol.12 (1) ; pp. 55-59
    4. Do M S , Choi S H (2014) “Effect of Road Gradienton Fuel Consumption of Passenger Car” , Journal of Korean Institute of Intelligent Transport Systems, Vol.13 (4) ; pp.48-56
    5. Lee S G , Lee Y S , Oh S C (2001) “PerformanceAnalysis for Electronic Toll Collection System, Hi-Pass” , Journal of the Korean Society of Transportation, Vol.19 (4) ; pp.59-69
    6. Kang J S , Baek S G , Jung S Y (2009) "Evaluation on Fuel Consumption and Amount of money of Expressway Vehicles" , Transportation Technology and Policy The Korean Society of Transportation, Vol.6 (1) ; pp.97-106
    7. (2009) Korea Expressway Corporation , Expressway Design Manual,

    저자소개

    • 곽 진 호 (Jin-Ho Kwak)
    • 2003년 5월~ 현 재 : 교통안전공단 자동차안전연구원 책임연구원
    • 2000년 5월~ 2003년 4월 : 한국교통연구원 도로교통연구실 연구원
    • 2000년 2월 : 단국대학교 토목공학과 석사
    • 1998년 2월 : 단국대학교 토목공학과 졸업
    • kwak0520@ts2020.kr
    • 연락처 : 031) 369-0214

    • 김 동 녕 (Dong-Nyong Kim)
    • 1984년 9월~ 현 재 : 단국대학교 토목환경공학과 교수
    • 1990년 8월 : 서울대학교 토목공학과 박사
    • 1982년 2월 : 서울대학교 토목공학과 석사
    • 1976년 2월 : 서울대학교 토목공학과 졸업
    • kdng@dankook.ac.kr
    • 연락처 : 031) 8005-2200

    • 정 애 라 (Ae-Ra Jeong)
    • 2012년 3월 ~ 현 재 : 교통안전공단 자동차안전연구원 선임연구원
    • 2013년 2월 : 아주대학교 환경공학과 석사
    • 2009년 2월 : 공주대학교 대기과학과 졸업
    • aerajeong@ts2020.kr
    • 연락처 : 031) 369-0326

    Footnote