차량의 연비개선을 위한 실린더 비활성화 제어에 관한 연구
A Study on Cylinder Deactivation Control for Improvement of Vehicle Fuel Economy
- 주제(키워드) 실린더 비활성화 , 흡기압력 , 연비 예측시뮬레이션 , 연비 , 엔진 진동 , 스로틀 동적특성
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이종화, 박진일
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000029984
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
차량의 온실가스에 대한 규제가 강화됨에 따라 자동차 개발 시 자동차의 연비는 매우 중요한 요소가 되고 있다. 많은 연비 개선 기술 중 실린더 비활성화 기술이 최근 다시 주목을 받고 있고 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 실린더 비활성화 엔진을 시험하고 시험한 결과를 이용하여 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션을 모델링 하였다. 시뮬레이션을 통하여 실린더 비활성화 제어로직을 제안 및 평가하였고, 제안한 제어로직을 실제 차량에 적용하여 연비개선효과를 확인하고 분석하였다. 실린더 비활성화 엔진의 특성을 파악 위하여 엔진 시험을 진행하였다. 실린더 비활성화 엔진 시험을 위해 별도의 컨트롤러를 장착하고, 엔진 시험을 수행하였다. 엔진 시험을 통하여 실린더 비활성화 엔진 연비 개선효과 파악, 실린더 비활성화 엔진 제어를 위한 엔진특성 파악, 시뮬레이션 모델링에 필요한 데이터를 취득하였다. 실린더 비활성화 제어로직 제안 및 평가를 진행하기 위하여 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션을 모델링하였다. 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션은 크게 총 4가지 모델로 나누어 모델링하였다. 4가지 모델은 스로틀 계산모델, 흡기압력 모델, IMEP&소모연료량 계산 모델, 차량 동역학 모델이고, 완성한 모델은 실측데이터와 비교하여 검증하였다. 최종적으로 완성된 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션은 Driving cycle의 목표속도를 추종하며, 실린더 비활성화 제어로직을 적용하였을 때의 엔진 및 차량 상태와 소모연료량을 확인할 수 있도록 구성하였다. 실린더 비활성화 제어로직은 활성화 실린더 고정토크 제어, 흡기압력 피드백 제어으로 총 2가지를 제안하였다. 활성화 실린더 고정토크 제어의 경우 실린더 비활성화로 인한 연비개선효과를 극대화하기 위한 제어이고, 흡기압력 피드백 제어는 연비 개선효과 증대뿐 아니라 실린더 비활성화시 발생할 수 있는 엔진 토크 변동 및 흡기압력 피드백 제어를 위한 스로틀 동적 특성을 고려한 제어이다. 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션에 제어로직을 적용하여 HOT FTP-75 Driving cycle phase 1, 2 조건에서 수행하고, 연비 개선율 및 제어로직에 따른 엔진 진동 및 스로틀 동작을 확인하였다. 활성화 실린더 고정토크 제어로직를 시뮬레이션에 적용하여 수행한 결과 13.0%의 연비 개선율이 예측되었다. 하지만 활성화 실린더 고정토크 제어로직의 경우, 잦은 실린더 개수 변경 및 빠른 스로틀 변경으로 인하여 엔진 진동 및 스로틀 제어에 문제가 발생할 수 있다. 흡기압력 피드백 제어로직을 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과 10.3%의 연비 개선율이 예측되었다. 연비 개선율이 활성화 실린더 고정토크 제어에 비해 2.7% 저감되었지만, 차량 주행 중 발생할 수 있는 엔진 진동 및 스로틀 제어 문제점이 개선된 것을 확인 할 수 있었다. 개발한 흡기압력 피드백 제어로직을 실제 차량에 적용하여 HOT FTP-75 Driving cycle phase 1, 2 조건에서 연비 개선율을 확인하였다. 실린더 비활성화 차량의 제한 요건으로 비활성화 실린더 개수를 0 ~ 4개까지 동작하도록 구성하였고, 시뮬레이션을 수행한 결과 6.8%의 연비 개선율이 예측 되었다. 제어로직을 실린더 비활성화 차량에 적용하고 주행한 결과 연비가 6.4% 개선되었다.
more목차
제 1 장 서론 ........................................................................................................... 1
1.1 연구 배경 및 목적 ................................................................................ 1
1.2 연구 내용 및 방법 ................................................................................ 4
제 2 장 실린더 비활성화 엔진 특성파악 ........................................................ 5
2.1 개요 ............................................................................................................ 5
2.2 실린더 비활성화 기구 ........................................................................... 7
2.2.1 실린더 비활성화 기구 구성 ........................................................ 7
2.2.2 실린더 비활성화 기구 동작 ...................................................... 10
2.3 실린더 비활성화 컨트롤러 개발 ....................................................... 14
2.3.1 컨트롤러 하드웨어 ....................................................................... 14
2.3.2 컨트롤러 소프트웨어 .................................................................. 17
2.4 실린더 비활성화 엔진 특성파악 ....................................................... 19
2.4.1 실린더 비활성화 엔진의 연비 개선효과 파악 ..................... 19
2.4.2 실린더 비활성화 엔진 제어를 위한 엔진 특성파악 ........... 26
2.4.2.1 비활성화 실린더 개수에 따른 엔진 특성파악 ........ 26
2.4.2.2 흡기압력 제어를 위한 엔진 특성파악 ...................... 33
제 3 장 실린더 비활성화 차량 시뮬레이션 모델링 ................................... 38
3.1 개요 .......................................................................................................... 38
3.2 스로틀각도 계산 모델 ......................................................................... 40
3.3 흡기압력 모델 ........................................................................................ 46
3.4 엔진 IMEP & 소모연료량 계산 모델 ............................................. 53
3.5 차량 동역학 모델 .................................................................................. 58
제 4 장 실린더 비활성화 제어로직 개발 ...................................................... 64
4.1 개요 .......................................................................................................... 64
4.2 활성화 실린더 고정토크 제어로직 ................................................... 65
4.3 흡기압력 피드백 제어로직 ................................................................. 69
4.4 제어로직에 따른 시뮬레이션 결과 비교 ........................................ 74
제 5 장 실린더 비활성화 제어로직 적용 실차 평가 ................................. 80
5.1 개요 .......................................................................................................... 80
5.2 실차에 실린더 비활성화 제어로직 적용 ......................................... 81
5.3 실린더 내구성을 고려한 실린더 비활성화 제어 ........................... 83
5.4 실린더 비활성화 시뮬레이션을 통한 연비 개선율 예측 ............ 86
5.5 실린더 비활성화 차량의 통한 연비 개선율 파악 ......................... 88
제 6장 결론 ........................................................................................................... 90
참고문헌 ................................................................................................................. 92
