고속버스 연비개선을 위한 열관리시스템 융합제어에 관한 연구
A Study on an Integrated Control of a Vehicle Thermal Management System and its Application to the Fuel Economy Improvement of a Highway Bus
초록/요약
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 온도제어를 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 14oC에서 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.
more초록/요약
A fuel economy of vehicle is one of the important problem in the development of vehicles. In order to improve a vehicle fuel economy, it is a very important to consider the vehicle system, not just the parts or the sub-system of the vehicle. And integrated controls of sub-systems are important, too. Because the sub-systems are relatively connected to other systems. A vehicle thermal management system(VTMS) will become increasingly important in the face of the saving of natural resources. It was published many times about VTMS on the focus of single system like electric water pump, magnetic fan clutch, water-cooled charged air cooler(WCAC), 2-stage EGR and so on. However existing researches set limits to the parts or the sub-systems. Therefore it needs to study about the systematic approach to the VTMS and its control. In this study, we proposed a total thermal management system including control activities of a coolant circuit, a engine oil, a T/M oil, an axle oil and an low temperature intake cooling system. We established the vehicle thermal management system on the experiment vehicle. Parts for controls are proposed and installed. The control methods for the parts are developed. With the experiments of the vehicle, the fuel economy effects are measured and compared. It was not the same as the existing researches because the existings are not considered the system but just the parts or sub-systems. Hence in this study an integrated control methodology of VTMS is proposed in considering of relative connections and verified with experiments. Experiments can performed in specific cases because of the problem of cost and time. A simulation can be a good solution for the problem. Thus in this paper a simulation model is established and the fuel economy comparison according the atmosphere difference is performed. And we concluded that the fuel economy can improved 3~7% through the year, 5% under the condition of 14℃-average temperature of Korea. These results can be used to design and control of successive vehicles. And the simulation model can apply to the evaluation, concluding of specifications and optimization of vehicle thermal systems.
more목차
1. 서론 1
1.1. 연구 배경 및 목적 1
1.2. 연구 동향 3
1.3. 연구 내용 5
2. 고속버스의 엔진 및 구동계 냉각 시스템 검토 6
2.1. 개요 6
2.2. 엔진 8
2.3. 구동계 10
2.4. 보기류 12
2.4.1. 냉각팬 13
2.4.2. 물펌프 클러치 15
2.4.3. 전동식 물펌프 17
3. 냉각계 모델 및 해석 19
3.1. 개요 19
3.2. 고온용 냉각수 제어부 모델 21
3.3. 엔진 오일 제어부 모델 24
3.4. 변속기 오일 제어부 모델 27
3.5. 리어 액슬 오일 제어부 모델 30
3.6. 보기류 및 제어로직 모델 33
4. 냉각계 총합 제어 시스템 구성 36
4.1. 개요 36
4.2. 총합 제어 시스템 구성 37
4.2.1. 냉각수 온도 제어부 42
4.2.2. 오일 온도 제어부 45
4.2.3. 흡기 온도 제어부 49
4.3. 총합 제어 컨트롤러 52
4.3.1. 마이크로 컨트롤러 요구사향 52
4.3.2. 설계사양 56
4.3.3. 컨트롤러 하드웨어 58
4.4. 냉각계 총합 제어 63
4.4.1. 냉각수 온도 제어 65
4.4.2. 오일 온도 제어 70
4.4.3. 흡기 온도 제어 77
5. VTMS 적용에 따른 연비 기여도 평가 81
5.1. 개요 81
5.2. VTMS 요소별 적용에 따른 연비 기여도 평가 82
5.2.1. 엔진오일 바이페스 82
5.2.2. 변속기 오일 워머 87
5.2.3. 리어 액슬 오일 워머 91
5.2.4. 클러치 물펌프와 냉각팬 클러치 95
5.2.5. 과급 온도 제어 98
5.3. 냉각계 총합제어 연비 개선 효과 104
6. 결론 115
7. 참고문헌 120
ABSTRACT 124
