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표제지

요약

목차

기호설명 14

1. 서론 17

1.1. 연구 배경 및 목적 17

1.2. 연구 동향 19

1.3. 연구 내용 21

2. 고속버스의 엔진 및 구동계 냉각 시스템 검토 22

2.1. 개요 22

2.2. 엔진 24

2.3. 구동계 26

2.4. 보기류 28

2.4.1. 냉각팬 29

2.4.2. 물펌프 클러치 31

2.4.3. 전동식 물펌프 33

3. 냉각계 모델 및 해석 35

3.1. 개요 35

3.2. 고온용 냉각수 제어부 모델 37

3.3. 엔진 오일 제어부 모델 40

3.4. 변속기 오일 제어부 모델 43

3.5. 리어 액슬 오일 제어부 모델 46

3.6. 보기류 및 제어로직 모델 49

4. 냉각계 총합 제어 시스템 구성 52

4.1. 개요 52

4.2. 총합 제어 시스템 구성 53

4.2.1. 냉각수 온도 제어부 58

4.2.2. 오일 온도 제어부 61

4.2.3. 흡기 온도 제어부 65

4,3. 총합 제어 컨트롤러 68

4.3.1. 마이크로 컨트롤러 요구사항 68

4.3.2. 설계사양 72

4.3.3. 컨트롤러 하드웨어 74

4.4. 냉각계 총합 제어 79

4.4.1. 냉각수 온도 제어 81

4.4.2. 오일 온도 제어 86

4.4.3. 흡기 온도 제어 93

5. VTMS 적용에 따른 연비 기여도 평가 97

5.1. 개요 97

5.2. VTMS 요소별 적용에 따른 연비 기여도 평가 98

5.2.1. 엔진오일 바이패스 98

5.2.2. 변속기 오일 워머 103

5.2.3. 리어 액슬 오일 워머 107

5.2.4. 클러치 물펌프와 냉각팬 클러치 111

5.2.5. 과급 온도 제어 114

5.3. 냉각계 총합제어 연비 개선 효과 120

6. 결론 131

7. 참고문헌 136

ABSTRACT 140

LIST OF TABLES

표 1. 자동차 냉각계 요소기술의 기능 정리 52

표 2. 시험 차량 제원 54

표 3. TMS320F2811 마이크로 컨트롤러 제원 71

표 4. 엔진 오일 바이패스 연비 영향도 평가 실험 조건 99

표 5. 변속기 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 조건 104

표 6. 리어액슬 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 조건 108

표 7. 클러치 물펌프 연비 영향도 평가 실험 조건 112

표 8. 클러치 워터점프 및 냉각팬 연료소모 비교 113

표 9. 흡기 온도 제어부 비교 실험 조건 115

LIST OF FIGURES

그림 1. 전세계 산업분야별 온실가스 배출 17

그림 2. 승용차량에서 EPA city/highway cycle 주행 중 에너지 소모 분포 23

그림 3. 대상 엔진의 회전속도 및 엔진 부하에 따른 엔진 마찰 25

그림 4. 대상 엔진의 엔진 오일 온도에 따른 엔진 마찰 25

그림 5. 실험차량의 차속에 따른 변속기 및 리어액슬 마찰 27

그림 6. 윤활 오일 온도에 따른 변속기 및 리어액슬 마찰 27

그림 7. 냉각팬 단품 소모 동력 측정 장치 30

그림 8. 실험 차량의 냉각팬 소모 동력 특성 30

그림 9. 클러치 물펌프 작동에 따른 연료 소모량 측정 32

그림 10. 엔진 회전 속도에 따른 물펌프 소모 동력 32

그림 11. 전동식 물펌프 회전 속도에 따른 소모 전류 34

그림 12. 전동식 물점프 회전 속도에 따른 전기 에너지 소모 34

그림 13. 실험 대상 차량의 냉각계 총합제어 시스템 개략도 36

그림 14. 시험 차량의 냉각계 Simulink 시뮬레이션 모델 36

그림 15. 고온용 냉각수 제어부 모델 구성도 38

그림 16. 고온용 냉각수 제어부 Simulink 시뮬레이션 모델 39

그림 17. 고온 냉각수 제어부 시뮬레이션 결과 검증 39

그림 18. 엔진 오일 제어부 모델 구성도 41

그림 19. 엔진 오일 제어부 Simulink 시뮬레이션 모델 42

그림 20. 엔진 오일 제어부 시뮬레이션 결과 검증 42

그림 21. 변속기 오일 제어부 모델 구성도 44

그림 22. 변속기 오일 제어부 Simulink 시뮬레이션 모델 45

그림 23. 변속기 오일 제어부 시뮬레이션 결과 검증 45

그림 24. 리어 액슬 오일 제어부 모델 구성도 47

그림 25. 리어 액슬 오일 제어부 Simulink 시뮬레이션 모델 48

그림 26. 리어 액슬 오일 제어부 시뮬레이션 결과 검증 48

그림 27. 냉각팬 및 냉각팬 제어 로직 Simulink 모델 49

그림 28. 변속기/리어 액슬 오일 워머 펌프 제어 로직 Simulink 모델 50

그림 29. 전자식 써모스텟 제어 로직 simulink 모델 50

그림 30. 보기류 및 제어로직 시뮬레이션 결과 검증 51

그림 31. 냉각계 총합 제어를 위한 차량 냉각 시스템 구성 55

그림 32. VTMS 적용 전 대상 차량의 엔진 룸 56

그림 33. VTMS 적용 후 대상 차량의 엔진 룸 56

그림 34. 총합 열관리 시스템(VTMS) 차량 설치 모습 57

그림 35. 고온용 냉각수 온도 제어부 구성 개략도 58

그림 36. 클러치 물펌프 적용 개략도와 설치 사진 59

그림 37. 전자식 써모스텟 적용 개략도와 설치 사진 59

그림 38. 마그네틱 팬 클러치 적용 개략도와 설치 사진 60

그림 39. 오일 온도 제어부 구성 개략도 62

그림 40. 엔진 오일 쿨러 바이페스 유로 개략도 63

그림 41. 엔진 오일 쿨러 바이패스 장치 사진 63

그림 42. 변속기 오일 워머 장착 개략도와 장착 사진 64

그림 43. 리어 액슬 오일 워머 장착 개략도와 장착 사진 64

그림 44. 과급기 온도 제어부 구성 개략도 66

그림 45. 수냉식 인터쿨러 장치 구성도 및 사진 66

그림 46. 저온 냉각수 회로도 및 구성 부품 사진 67

그림 47. VTMS 컨트롤러 구성도 73

그림 48. VTMS 컨트롤러 회로 구성도 75

그림 49. VTMS 컨트롤러 76

그림 50. VTMS 컨트롤러 프로그램 구성 순서도 77

그림 51. VTMS 컨트롤러 제어용 윈도우 프로그램 78

그림 52. VTMS 컨트롤러 입/출력 신호 구성도 80

그림 53. 클러치 물펌프 제어 전략 81

그림 54. 클러치 물펌프 제어 예시 82

그림 55. 냉각팬 클러치 및 E-T/S 작동 순서도 83

그림 56. 냉각팬 클러치 1단 제어 전략 84

그림 57. 냉각팬 클러치 2단 제어 전략 84

그림 58. 냉각팬 클러치 제어 예시 85

그림 59. 엔진 오일 쿨러 바이페스 장치 작동 순서도 87

그림 60. 엔진오일 바이페스 장치 제어 전략 87

그림 61. 엔진 오일 바이페스 장치 제어 예시 88

그림 62. 변속기/리어액슬 워머 작동 순서도 90

그림 63. 변속기/리어액슬 워머 제어 전략 90

그림 64. 변속기 오일 워머 제어 예시 91

그림 65. 리어액슬 오일 워머 제어 예시 92

그림 66. 저온 냉각수 회로 작동 순서도 94

그림 67. EGR 유량 비례 제어 밸브 제어 전략 94

그림 68. 외기온도에 따른 저온 냉각수 점프 제어맵 95

그림 69. 저온 냉각수 회로 제어 예시 96

그림 70. 엔진 오일 바이패스 연비 영향도 평가 실험 데이터 100

그림 71. 엔진오일 바이패스 연비 영향도 평가 실험 결과 분석 101

그림 72. 엔진 마찰에 의한 연료 소모 비교 분석 102

그림 73. 변속기 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 데이터 105

그림 74 .변속기 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 결과 분석 106

그림 75. 리어액슬 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 데이터 109

그림 76. 리어액슬 오일 워머 연비 영향도 평가 실험 결과 분석 110

그림 77. 클러치 물펌프 소모 동력 비교 시험 데이터 112

그림 78. VTMS 적용에 따른 팬 작동 비교 113

그림 79. VTMS 적용에 따른 냉각팬 클러치 작동 시간 변화 113

그림 80. CAC/WCAC 비교 실험 데이터 116

그림 81. WCAC에서 1단/2단 EGR 쿨러 비교 실험 데이터 117

그림 82. CAC＋EGR 쿨러 시스템과 WCAC＋2단 EGR 쿨러 시스템 비교 118

그림 83. 과급기 냉각 시스템 구성에 따른 냉각 효과 비교 119

그림 84. 냉각계 총합제어를 통한 연비 개선 효과 분석 122

그림 85. 엔진 오일 온도 변화에 따른 엔진 마찰 손실 비교 123

그림 86. 변속기 오일 온도 변화에 따른 변속기 마찰 손실 비교 124

그림 87. 리어액슬 오일 온도 변화에 따른 리어액슬 마찰 손실 비교 125

그림 88. 클러치 물펌프 및 냉각팬 제어에 따른 동력 손실 비교 126

그림 89. 전동식 냉각수 펌프 적용에 따른 동력 손실 127

그림 90. 시뮬레이션 결과와 실험 결과 비교 검증 129

그림 91. 외기 온도에 따른 VTMS 적용 효과 및 냉각계 요소별 연비기여도 130

그림 92. 냉각계 서브시스템 개별제어 효과와 열관리 시스템 융합제어 효과 비교 135

초록보기

자동차에서 연비문제는 차량 개발 시 고려되는 여러 가지 주요 항목 중 하나이다. 차량의 연비 개선을 위해서는 차량 구성품 들의 개발에 있어 마찰 저감, 효율 개선 등과 함께 시스템적인 차원에서의 접근이 필요하다. 또한 각 시스템에 대한 상호 보완적인 제어를 통해서만이 목적하는 결과를 도출할 수 있다.

차량 연비에 큰 영향을 미치는 자동차 열관리시스템은 화석에너지 고갈과 함께 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이와 함께 전동식 물펌프, 전자제어 냉각팬, 수냉식 인터쿨러, 2단 EGR 쿨러 등 열관리시스템과 관련된 여러 연구들이 수행되고 있다. 하지만 기존의 연구는 각 냉각시스템 구성 요소들에 대한 연구에 국한되어 있으며 시스템적인 접근에서의 연구가 필요한 실정이다.

본 연구에서는 냉각수 제어, 엔진 및 구동계 오일 온도 제어, 흡기 온도 제어를 포함한 열관리시스템의 융합제어 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 열관리시스템을 냉각수, 오일, 흡기의 세 부분으로 분류 하였고, 각각의 서브시스템을 구성하였다. 각 서브시스템의 제어용 파트를 제안, 기존의 차량에 설치하였으며, 각각의 연비 개선 정도를 실험을 통하여 비교 평가하였다. 이를 통하여 각 항목별 제어 방법을 제안하였으며, 연비 개선율을 측정하였다. 각 시스템의 연비 개선율은 주로 단품상태에서 이루어진 기존의 연구에 비하여 상대적으로 작게 나왔으며, 이는 자동차 연비에 대한 단품에서의 접근이 시스템적 접근과 크게 다르다는 것을 말한다. 따라서 시스템적 차원에서의 접근 방법이 요구되며, 본 논문에서는 각 서브시스템의 상호 보완적인 관계를 고려하여 융합제어 방법론을 제안하였고, 이를 실험을 통하여 검증하였다.

실험을 통한 검증은 시스템의 구성 및 실험 시간 등의 이유로 특정 조건에서만 그 효과를 파악할 수 있다. 시뮬레이션을 통한 시스템 해석은 이러한 점에서 각 요소에 대한 변인 통제는 물론, 외부 환경 변화에 따른 효과 파악에 유용하게 사용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실험 차량에 대한 시뮬레이션 모델을 구성하였으며, 이를 통하여 외부 환경 변화에 따른 제어 전략 수립 및 연비 개선 효과에 대한 분석을 수행하였다. 이를 통하여 연간 3~7%, 우리나라의 연평균 기온인 14℃에서 약 5%의 연비개선 결과를 얻을 수 있었다.

본 연구를 통하여 얻어진 열관리시스템은 향후 차량 개발에 있어 냉각계 설계 및 제어에 활용할 수 있으며, 시뮬레이션은 예상 효과 파악, 제원 결정 및 최적화에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

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