대덕대학과 교통환경연구소 공동 사계절일반타이어 vs 에코타이어 연비 실험

1. 개 요

2011년말 우리나라의 차량등록대수는 1,800만대를 넘어서고 있다. 지금의 증가 추세라면 2012년말엔 2천만대 이상일 것으로 예측되고 있다. 이러한 추세로 자동차가 증가하면서 화석연료 사용도 매우 크게 늘어나고 있다. 최근 친환경 청정에너지에 대한 관심이 국제적으로 집중되면서, 지구온난화지수가 낮은 친환경성과 연비효율을 동시에 개선시킬 수 있는 고효율 타이어 개발과 생산에 세계적인 타이어 메이커들이 최선의 노력을 기울이고 있다. 또한 2012년 말부터 우리나라, EU, 미국 및 일본에서는 타이어효율등급제를 실시할 예정 이다. 타이어효율등급제는 타이어의 회전저항을 기준으로 연비가 좋고 나쁨을 등급으로 표시하고, 젖은 노면에서의 제동성능도 등급으로 표시하여 상대 비교하여 구매가 가능하도록 하는 제도이다. 지금까지는 타이어 구매시 가격을 기준으로 전반적인 성능이 좋고 나쁨을 구분하였으나, 고속도로 운행이 많고 장거리 운전이 많은 운전자와, 여성운전자 중장거리 혹은 고속 주행을 전혀 하지 않는 운전자와 초보운전자의 경우 타이어 구매 시 고려하는 사항이 다소 달라질 수 있는 것이다. 소비자가 에너지효율이 높은 전기냉장고를 선택하듯, 타이어를 구매할 때 제품에 표시된 등급을 통해 정보를 전달하고 이를 통해 고효율의 타이어 구입을 유도하는 등 선택의 폭을 넓이는 일석이조 효과가 있을 것으로 전망된다. 현재 지식경제부에서도 회전저항(Rolling Resistance)과 젖은 노면제동력(Wet Grip) 실험 결과에 따라 나타나는 등급을 표기하는 제도시행을 위한 구체적 내용, 즉 '운영요령(고시)' 「자동차용 타이어의 에너지소비효율 측정 및 등급기준표시 등에 관한 규정」을 제정하고 있다.

여기서 RR(Rolling Resistance, 회전저항)이라는 것은 타이어가 구르는데 얼마만큼 힘이 드는가를 상대적으로 비교한 것이다. 에코타이어는 기존 타이어 보다 회전저항을 줄여줘서, 에너지 손실이 적고 따라서 같은 기름으로 좀 더 굴러간다는 개념이다. 여러 가지 시험 방법이 있다. 일정한 경사로에서 굴려서 얼마나 오래 굴러가나 비교하는 시험도 있고, 일정속도로 주행하다 타행(관성으로 주행)을 실시하여 정지할 때까지의 거리를 측정하는 방법도 있다. 아래 그림은 타행법으로 coast down test라 한다. 동일 조건, 동일 노면에서 일정속도(시속 20km/h)로 정속 주행을 유지한 후, 정해진 구간의 시작점에서 타행을 시작한다. 속도가 15km/h에 도달했을 때부터, 거리를 측정하기 시작하여 정지 시까지의 거리를 비교하는 시험법이다.(아래 그림 1 참조)

결국 RR 값이 적을수록 측정 거리는 길게 나올 것이고, 측정거리가 길게 나올수록 차량의 연비는 향상되는 결과를 가져온다. 결론적으로 연비가 향상되기 때문에, 지구온난화 예방에 도움이 된다는 결론이다.

그러나 이와 같이 측정한 회전저항값의 비교는 한가지 단점이 있다. 경험적으로 회전저항이 10% 저하될 경우 연비가 약 1.7% 내외로 좋아진다는 데이터는 있지만, 정확한 비교 분석에는 한계가 있으며, 상대적인 비교 결과로 사용될 수밖에 없다.

에코타이어와 일반타이어의 사용에 따른 연비를 정확히 측정하려면 환경부 배출가스 인증장비인 차대동력계 CVS-75 모드로 비교 실험을 하는 것이다. 차대동력계는 포집된 배기가스를 탄소밸런스 공법으로 분석/수치화하는 배출가스와 연비 분석 실험장비로서, 이런 배기가스 종류와 연비를 동시 산출하는 정밀 시험 특성은 자동차 연비를 실험하는데 주로 사용되고 있다.

이번 CVS-75모드 콜드상태의 연비시험은 주행거리 47,378km인 가솔린연료 승용차량 현대 YF쏘나타를 대상으로 연비효율을 비교/평가하는데 목적을 두고, 에코타이어와 일반 사계절 제품을 대상으로 절대적인 연비 수치를 도출하여 비교 분석하였다.

이번 에코타이어 연비효율성 비교 평가 이전에도 두 차례 일반 사계절 타이어와 상대 비교하는 방법으로 에코타이어의 연비개선효과를 도출한 바 있다.

소형 승용차종으로 시작된 처음실험은 2011년 1월 24일 당시 국내 2개사 생산 판매 제품과 수입브랜드 1개사의 에코타이어 대비 국산 일반 사계절 타이어의 연비 및 배출가스 비교 분석 실험에서 3개 사의 에코타이어 중 최고 11.39km/ℓ의 연비 향상을 보인 국산제품이 있었고 이를 통해 에코타이어의 우수성을 다시 한번 확인할 수 있었다.

두 번째는 2011년 12월 9일 수입타이어 3개사와 국내타이어 3개사에서 생산 판매하고 있는 에코타이어 대비 일반 사계절 타이어 비교 실험에서 최고 연비효율이 17.05km/ℓ 라는 것을 재확인 할 수 있었다.

2. 타이어 효율관리를 위한 국제동향

EU는 타이어 환경규정에 의거, 독성물질이 들어가거나 제조공정에서 중금속 또는 인체에 유해한 성분을 넣고 제조하면 안 된다는 EU내 수입 금지조치(2000년 시행)를 시행하고 있고 우리나라에서도 현재 고무 제조에는 중금속이 들어갈 수 없다. 이와 더불어 2000년 이후 추진된 친환경 윤리경영은 친환경 설비를 필수화 하고 있고, 환경부는 현재 노면 마찰에 의해 마모된 타이어 카본블랙 피해사례 조사 및 규제를 위한 조사에 착수하고 있다. 외국의 경우 스웨덴에서는 카본과 실리카의 조합기술로 탄생한 가벼운 재질로 타이어를 제조함으로서 다른 회사 타이어보다 연비성능이 뛰어난 [블루엔젤]이란 브랜드의 친환경 타이어를 개발하였다.

이와 같이 친환경 관련 국제적인 노력의 일환으로 아래와 같이 타이어효율등급제가 시행될 계획이다.

지역	표시 항목 및 주요 현황	2010	2011	2012	2013
일본	? RR / Wet 2항목 ? PCR Summer 10년 1월 시행 ? 친환경PCR 상품 우선 적용 중	자발적	시행	강제 규제	(예상)
유럽	? RR / Wet / Noise 3항목 ? PC(C1), LT(C2), TB(C3) ? 12년 7월 생산 규제 확정 11월 판매 규제 확정		N≤LV-3 LV-3<N≤LV LV<N	N in dB Limit Value 7월 LV	생산규제 (확정) 판매규제 (확정)
미국	? RR/Wet/Tread Wear 3항목 ? 법제화 추진 중 ? 2010년 11월 이후			강제 규제	(예상)

※ 일본은 2010년 1월 EU법규 근거로 자발적 [고효율타이어 등급 표시] 시행하고 있고 유럽 또한 2012년 7월부터(생산분 기준) 강제적 라벨법규 시행할 예정일 뿐 아니라 미국도 [Fuel Efficiency Rule] 법규 제정을 서두르고 있는 상황.

3. 국내 타이어 효율표시 법적/제도적 기반

가. 타이어 효율등급제도 개요

타이어 제품의 회전저항(마찰력)과 젖은 노면 제동력(접지력)을 측정?등급화 하여 제품에 부착, 소비자가 에너지효율이 높은 타이어를 선택토록 유도하는 제도이며, 미국 수송연구회 자료에서도 보통은 타이어 회전저항이 10% 감소하면 약 1.74% 자동차 연비 개선효과가 있는 것으로 보고되고 있다.

나. 지식경제부(2010년) 외국의 타이어 효율등급제도 도입/시행 현황

국가	시 기	대상	내 용	형태	표시방법	벌칙
EU	2012.11	생산. 수입 승용차, 경. 중상용 차 타이어	회전저항. 젖은 노면 접지력 (7등급) 및 소음 등급표시	강제인증	라벨부착	판매불가
미국	2010.7	모든 타이어	회전저항, 젖은 노면 접지력, 내마모성(0~100)범주표시	임의인증	라벨부착	없 음
일본	2010.1	승용차 타이어	회전저항(5등급), 젖은 노면, 접지력(4등급) 등급표시	임의인증	카탈로그	없 음

다. EU, 미국 및 일본에서 적용중인 효율등급항목 중 공통항목

(단위 : N/kN)

등급	회전저항(RRC)		젖은 노면 제동력(G)
등급	승용차용	소형트럭용 (경트럭용 포함)	승용차용	소형트럭용 (경트럭용 포함)
1	RRC?6.5	RRC?5.5	1.55?G	1.40? G
2	6.6?RRC?7.7	5.6?RRC?6.7	1.40?G?1.54	1.25?G?1.39
3	7.8 ?RRC?9.0	6.8?RRC?8.0	1.25?G?1.39	1.10?G?1.24
4	9.1?RRC?10.5	8.1?RRC?9.2	1.10?G?1.24	0.95?G?1.09
5	RRC?10.6	RRC?9.3	G?1.09	G?0.95

※ 상기 자동차용 타이어 구분은「산업표준화법」에 따른 KS M 6750 측정기준

- 에너지소비효율 등급 : 측정항목을 각각 5등급으로 구분

4. 에코타이어 연비 및 배출가스 시험평가

지식경제부는 2011년 하반기부터 업계의 임의적/자발적인 타이어효율 등급제를 인증을 시작으로 2012년 하반기부터는 전체 승용차량 타이어를 대상으로 강제인증을 실시할 예정이다. 제도의 정착으로 에코타이어 사용이 증가할 경우 에코타이어의 배기가스 개선효과와 연비효율을 일반 사계절용 타이어와 상대 비교 측정하여 개선효과의 정도를 정량적으로 비교 확인하고자 본 자동차 연비시험(차대동력계 CVS-75모드)을 실시하였다. 차대동력계는 포집된 배기가스를 탄소밸런스 공법으로 분석/수치화하는 배출가스 분석 장치로서 배기가스 종류와 연비를 동시 산출하는 정밀 시험 특성은 자동차 연비를 실험하는데 주로 사용되고 있다. 시험 대상제품은 금호타이어가 새로 개발한 친환경 타이어 에코윙-에스(ecowing-S)로, 일반 사계절 금호타이어 solus x-pert(일명 KH20) 제품 대비 연비와 배출가스 수치변화를 보다 정확하게 비교 분석하였다. 시험에 사용된 차량은 주행거리 47,378km인 가솔린연료 승용차량 현대 YF쏘나타로, 연비효율을 비교/평가하는데 목적을 둔만큼 연비효율을 최대화 할 수 있는 실험 방법(콜드 모드)으로 평가하였다. 시험 주목적이 일반타이어(일반타이어 solus x-pert 215/60R/16) 대비 친환경 에코타이어의 연비효율 차이를 비롯 친환경 성능을 알아보는 데 있는 만큼, 시험결과 및 평가는 실험에서 나타난 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 이산화탄소 배출량과 연비효율에 따라 도출/표기했다. 또한 본 실험에 사용된 2003년 출시 사계절용 타이어와 최근 주로 판매되고 있는 사계절용 타이어, 그리고 2008년 에코타이어와 2012년 출시 에코타이어의 RR 값을 함께 표기하였다.

가. 실험 타이어 스팩

제조사명	제품명	사이즈/평편비/림/속도	생산 년도	최대하중(Kg)
금호	solus x-pert	215/60R/16 94H(210km)	2012년 6주	670kg
금호	ecowing-S	215/60R/16 95V(240km)	2012년 6주	680kg

나. 사계절 일반타이어 대비 에코타이어 배출가스 발생량 및 연비효율

타이어 종 류	오 염 물 질 (g/km)				연비 (km/L)	비고
타이어 종 류	CO (일산화탄소)	NMHC (탄화수소)	NOx (질소산화물)	CO2 (이산화탄소)	연비 (km/L)	비고
solusx-pert	0.32	0.027	0.02	216.8	10.78	사계절
에코윙-S	0.42	0.036	0.03	203.2	11.50	친환경

다. 시험 및 비교 타이어별 RR 값

2003년 출시

2008년 출시

2012년 출시

에코타이어

7.73

(KH-30)

5.79

(에코윙-S, KH-50)

사계절용타이어

11.2

(solusx-pert, KH-20)

10.1

(KH-25)

5. 결과 분석

시험조건은 온도 25℃±5℃ 상에서 하룻밤을 소킹하는 과정을 통해 차체를 안정화시킨 상태에서 본 실험에 착수하는 법정실험 방법을 선택했다. 이 콜드시험은 1일 1회 밖에 실험을 할 수 없는 조건이라 3일 간 1일 1회의 시험을 3회 반복 실시한 후 평균값을 도출하고 이를 평균화한 결과를 구했다. 콜드시험은 최대가 아닌 현실적 연비효율을 나타내는 공인 시험방법이다.

사계절 타이어 대비 최근 개발된 친환경타이어 에코 윙-S의 연비 차이를 알아본 이 실 차 랩 실험에서 최신제품 브랜드 에코 윙-S는 6.68%의 연비 증대효과를 나타냈다. 사계절용 기준타이어는 1ℓ 연료로 운행할 수 있는 가능거리 10,780m로 자동차 순수연비 10.78km/ℓ를 기록한 반면에 에코 윙-S의 연비는 11.50km/ℓ로 향상돼 연료 1ℓ로 11,500m를 운행할 수 있는 연비효율 나타냈기 때문이다.

올해 말 차량등록대수가 2천만대로 예상되고 있으며, 보통 차량의 경우 연간 25.000km를 주행하고, 휘발유 가격을 2천 원으로 가정하면, 연간 주유비로 지출되는 비용이 차량 1대당 연간 5백만 원이다. 총체적 제품군 대상이 아닌 특정 제품에 한해 이뤄진 상대비교 실험결과에 의한다면 6.68%의 연비 절감 효과를 나타내는 에코타이어 교체는 연간 340,000원을 절약할 수 있다. 통상적으로 타이어를 2년 정도 사용한다고 하면, 자동차 한 대당 총 680,000원을 절감할 수 있다는 뜻이다. 이는 에코타이어 가격이 일반 RE용 프리미엄 타이어 가격에 비해 5% 정도 비싼 현실이지만 이런 타이어 구매비용 증가요인을 반영시킨다고 해도 예측되는 이득금액은 65만 원 정도나 된다. 이런 가정 하에 2천만대의 전체 차량이 에코타이어를 장착한다면 연간 6.5조원을 절감하는 효과를 기대할 수 있다는 것이다. 아래 표는 에너지관리공단에서 2010년을 기준으로 예측한 연료수입대체효과이다. 2010년의 차량등록대수와 현재의 차량등록대수의 차이가 크다. 에너지와 비용절감 효과는 향상시키는 반면 오염원 배출은 감소시켜 주는 타이어 효율성은 이미 시작된 타이어효율 등급을 정하는 구름저항 비교 수치에서도 잘 나타내 주고 있다. 금번 비교 실험한 신제품 개발기업을 보면, 2008년도 처음 개발된 에코타이어 브랜드 에코 윙(KH30)은 4계절용타이어 대비 RR 성능이 23.5% 정도 높았을 뿐 아니라 2012년 개발된 에코타이어인 에코 윙-S(KH 50)의 구름저항 수치는 2008년 개발돼 현재 주력 제품으로 자리 잡은 시판타이어 KH-25(OE 출고겸용)와 비교할 때 대비 RR성능은 무려 43%나 향상된 수치를 보이고 있기 때문이고, 이런 결과는 연료수입대체효과 역시 매우 크게 증가시킬 것으로 예측된다.

구 분	10% 보급시	30% 보급시	50% 보급시	100% 보급시
에너지절감량 (toe/년)	34,961	104,884	174,807	349,614
온실가스감축량 (tCO2/년)	100,714	302,141	503,568	1,007,136
연료수입대체효과 (억원/년)	252	755	1,258	2,517

6. 결 론

주행거리 47,378km인 중형급 YF소나타 가솔린 연료 승용차량을 실험차량으로 선정해서 국내 타이어 제조사가 최근 개발한 에코타이어 신제품 대비 사계절용 타이어 연비효율과 오염물질 배출을 동시에 확인하는 상대 비교실험은 법정실험 방법인 콜드모드 3회 반복을 실시했고 이에 얻어진 결과를 평균화하여 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물, 이산화탄소 및 연비효율의 차이를 비교 분석했다.

1ℓ 연료로 10,280m를 운행할 수 있는 사계절 타이어(solus x-pert) 장착 차량과 같은 차량으로 연료 1ℓ 당 11,500m 주행을 가능하게 한 친환경 에코타이어(ecowing-S)의 장착 효과는 사계절 타이어에 보다 800m를 더 운행할 수 있다는 결과를 확인시켜 준 것이다. 이는 약 6.68%라는 연비 향상 효과에 의한 것으로서 매우 괄목할 만한 결과로 판단된다. 본 시험에서 얻어진 여러 결과를 비교해 보면, 일산화탄소(CO)와 탄화수소(THC), 질소산화물(NOx)은 아주 근소한 차이를 보이고 있지만 지구온난화와 직결되고 있는 이산화탄소(CO2) 수치 편차만큼은 커졌고, 이런 차이에서 실제 얻고자 했던 연비 효율에 더 확연한 격차를 나타내 것으로 분석된다.

결과적으로, 에코타이어 연비를 사계절 일반타이어에 대비할 때 자동차 연비효율을 증대시켜주는 또 다른 플러스요인을 발휘한다는 것을 확인할 수 있었다. 특히 생산된 주 표기가 같은 사계절 타이어와 최근 개발된 친환경타이어 에코 윙-S 제품의 상대 비교실험에서 나타난 6.68% 개선된 에코 윙-S 브랜드의 연비효율을 볼 때, 에코타이어의 연비효율성은 타이어기업의 연구와 개발 능력에 따라 더 발전되고 향상될 수 있다는 결론을 얻게 됐다.

물론 6.68%라는 연비 향상수치는 어디까지나 두 제품을 상대 비교해서 구해진 효과인 만큼 다른 사계절 제품과 비교했을 때 같은 결과가 나올 것이라는 확신은 어렵다. 하지만 최근에 개발된 실험타이어 에코윙-S은 타이어효율등급을 정하는 RR 값에서 탁월한 성능이 입증된 바 있다.

에코윙-S의 RR 값은 5.79로 현저하게 낮기 때문이다. 이에 비해 현재 시판은 되고 있지만 개발시기가 2003년인 solusx-pert 제품의 RR 값은 11.2이다. solusx-pert의 이런 저항수치는 에코윙-S 대비 5.41가 높은 RR 값, 즉 주행저항이 수치만큼 많기 때문에 당연히 주행에서 나타나는 실 연비성능 또한 48% 차이를 나타낸 것이라 풀이된다.

연비와 직결되는 타이어의 구름저항을 좋게 하는 기술은 각 제조사별로 꾸준하게 발전되고 있음을 단편적으로 보여주는 예가 있다. 성능을 개선시킨 2008년 생산, 사계절용타이어KH-25의 RR 값은 10.1이다. 이는 5년 전 개발제품보다 좀 낮아진 수치이긴 해도 에코윙-S 기술이 43% 향상됐다는 점과 기술 향상부문을 동시에 보여준 셈이다.

이 기술개발 능력 차이는 에코타이어 부문에서도 여실히 보여주고 있다. 2008년 개발된 초기 에코타이어 브랜드 KH-30의 RR 값 7.73 대비에서도 연비성능이 25% 개선됐다는 것을 입증해주고 있기 때문이다. 4년이라는 짧은 기간을 고려할 때 매우 괄목할 만한 성과로 평가되며, 이런 연비효율을 알리는 기술적 성과지표는 국내외 에코타이어 시장에 널리 알려야 한다고 본다.

Solusx-pert와 에코윙-S의 RR 값은 48% 차이를 보이고 있으며, 이는 6.68%의 연비향상이라는 것을 본 시험을 통해 확인했다. 이를 기준으로 2008년 개발된 사계절용 타이어인 KH-25 보다 43% 향상된 에코윙-S의 RR값으로 부터 예측되는 연비향상 효과는 5.97%이다. 또한 바로 이전 에코제품인 KH-30에 비해서도 25%의 RR 성능향상으로 3.48% 연비향상 효과를 가져 올 것으로 평가된다. 사계절용 주력제품인 KH-25와 비교하더라도 연간 298,500원의 연료비 절감을 기대할 수 있으며, 이는 2년간의 타이어 사용 예측기간 동안 597,000원을 절감하는 효과로 거의 타이어 4본을 무료로 2년마다 교체하는 것과 동일한 성과이다. 에코타이어로 교체시 상승비용인 5%를 고려하더라도 총 2천만대 우리나라 2012년 등록예상차량 모두가 에코윙-S를 장착할 경우 5.67조를 절약할 수 있는 것이다.

아울러 한 가지 분명한 사실은, 흔히 연비 5%를 향상시키면 노벨상 감이라 일컬을 정도로 어려운 자동차 공학적 과제를 타이어 효율향상이 해결했음은 정당하게 평가돼야 한다.

에너지관리공단이 추정하는 2009년 고효율 타이어 판매현황(교체용 타이어 판매량 1.8%인 269,000개)을 적용했을 때 기존 일반타이어 대비 약 2~4%정도의 연비 개선효과가 있다는 것을 단편적으로 나타내는 것이고 이는 앞으로 연비효과 개선에 큰 의미가 있음을 전망한 것이라 생각된다. 더욱이 환경부에서도 “자동차 평균에너지소비효율기준 ? 온실가스 배출허용기준 및 기준의 적용 ? 관리 등에 관한 고시(안)” 확정에서 자동차 신기술 Eco- innovation 부분에서는 배출가스 감소효율을 최대 14g/km까지 인정하겠다는 결정을 내린바 있다. 고시안 제13조제3항에 의해 시작되는 자동차 배출가스 감소규정을 보면, 측정 장비로는 측정되지 않더라도 온실가스 저감 및 에너지소비효율 향상을 위해 효과가 나타나는 기술로 평가되는 Eco-innovaiton 분야에 대해서는 배기가스는 최대 14g/km, 연비는 1.7km/ℓ 까지 인정이 가능한 것이다.

※ 현재 알려져 있는 저 구름(저항)타이어(low-rolling resistance tire)를 비롯한 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS), 최적변속지시기(gear shift indicator), 에어컨 냉매 및 성능 개선은 최대 10g/km의 배출가스 감소와 1.2km/ℓ의 연비효율을 기본 크레딧을 부여하는 한편 추가로 개발되는 신기술 분야는 배출가스 최대 4g/km, 연비 0.5km/ℓ 부여.

2012년 3월 3일

대덕대학 자동차학부 타이어전공교수 이 호근

<감사의 글>

에코타이어 연비효율성이 과장됐다는 의혹을 갖고 있는 일부 방송사 견해와는 달리 자동차관련 부품 및 실 차 실험위주의 성능평가와 비교했던 바, 특히 전문가적인 타이어관련 실험을 실시해 온 본인 의견은 좀 달랐습니다.

이는 환경부 국립환경연구원 교통환경연구소와의 몇 차례 실시했던 실험 결과 에코타이어 연비효율이 최대 5%정도 향상이 됐기 때문입니다. 이런 결과에 의해 환경부의 친환경 경제운전과 직결되는 타이어 적정공기압 유지 프러스 “에코타이어” 사용에 대한 연비 효율 실험을 교통환경연구소와 공동 추진하게 된 것입니다.

아울러 교통환경연구소의 실차 실험 도움이 없었다면 현재 각 메이커별로 제품을 개발해서 생산, 판매하고 있는 에코타이어 연비효율 확인은 물론, 세 차례에 걸쳐 시행된 비교실험에서 정확한 수치 차이는 고사하고 사계절 일반 타이어와의 연비효율 실험조차 비교해 볼 수 없었다고 판단됩니다.

교통환경연구소 협조와 공동 추진 실험이 아니었다면 일반타이어 대비 에코타이어의 연비효율실험은 총괄할 수도 없었고, 또 이런 좋은 결과를 얻을 수 없었다는 뜻입니다.

대덕대학 타이어계열교수 이 호근