Development and Optimization of Engine Module for Hybrid System Simulator

CopyrightⒸ2010 KSAE 1225-6382/2010/1 0 3 - 03 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 1, pp.14-22 (2010)

하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈 개발과 최적화에 관한 연구

전 대 일¹⁾․공 호 정¹⁾․황 인 구¹⁾․명 차 리²⁾․박 심 수^*2)

고려대학교 대학원 기계공학과¹⁾․고려대학교 기계공학부²⁾

Development and Optimization of Engine Module for Hybrid System Simulator

Daeil Jeon¹⁾․Hojeong Gong¹⁾․In Goo Hwang¹⁾․Cha-Lee Myung²⁾․Simsoo Park^*2)

1)Graduate School of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul 136-701, Korea

2)School of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul 136-701, Korea (Received 2 December 2008 / Accepted 14 September 2009)

Abstract : Hybrid Electronic Vehicle (HEV) is one of the solutions of high oil price and environment problem.

Recently, study of HEV is important for automobile industry. However HEV has a lot of components and there are many cases for assembling, it's impossible to test results from assembling by using real vehicles. To solve this problem, hybrid system simulator is required. The purpose of this study is to develop and optimize of engine module for hybrid system simulator. The commercial 1-D engine simulation program, WAVE is used to get the engine capacity and performance data and 1-D simulation model of base engine is compared with engine experiment results. Using the data, the engine module is developed based on the MATLAB Simulink. There are blocks of base engine, Single-CVVT engine and Dual-CVVT engine. The effect of acceleration and deceleration is applied to each engine block. In addition, the control and processing logics for CIS technology are developed. Finally the simulator operates FTP-72 mode test.

Key words : Hybrid electronic vehicle(하이브리드 자동차), Hybrid system simulator(하이브리드 시스템 시뮬레이 터), Gasoline engine(가솔린 엔진), Engine control unit(엔진 제어 장치), Continuous variable valve timing(연속가변 밸브 타이밍), Cylinder idling system(기통 휴지 시스템)

Nomenclature

CVVT : continuous variable valve timing FMEP : friction mean effective pressure CIS : cylinder idling system

SI : spark ignition VVT : variable valve timing DOHC : double overhead camshaft IVO / IVC : intake valve open / close EVO / EVC : exhaust valve open / close

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

MCC : manifold catalytic converter

MBT : minimum spark advance for best torque BMEP : brake mean effective pressure

BSFC : brake specific fuel consumption BTDC : before top dead center

HEV : hybrid electronic vehicle

HCU : hybrid control unit

GUI : graphical user interface

ECU : engine control unit

EMS : engine management system

하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈 개발과 최적화에 관한 연구

Fig. 1 Generation of 1-D engine simulation model

1.

전 세계적으로 환경에 대한 관심이 커지고 유가 상황이 불안정함에 따라, 세계 각 국은 자동차의 배 기가스에 대한 규제를 강화하고 있으며, 소비자들 은 자동차의 연비 향상을 요구하고 있다. 현재 자동 차에 사용되고 있는 내연기관은 그 성능이 초기와 는 비교가 되지 않을 정도로 발전하였지만, 여전히 배기가스 및 연비 규제는 더욱 더 강화되고 있다. 이 에 각 자동차 제작사들은 내연기관의 기술 개발과 더불어 차세대 자동차 개발에 노력을 기울이고 있 다.

현재 연구되고 있는 차세대 자동차 중에서 하 이브리드 자동차는 해외 자동차 제작사 중에서는 이미 상용화에 성공한 제작사가 있을 정도로 많은 연구․개발이 이루어졌다.

그러나 하이브리드 자 동차 개발의 후발 주자인 국내 자동차 제작사에서 는 급속히 발전하는 하이브리드 자동차 기술 개발 이 늦은 상태로서, 이를 보완하고 상용화시키기 위 한 활발한 연구․개발이 요구된다.

하이브리드 자동차는 일반 내연기관 자동차보다 다양한 부품 및 요소와 복잡한 구조를 갖는다. 특히 엔진 및 모터, 배터리 등의 원활한 조화와 효율적인 운전 전략이 하이브리드 자동차의 핵심 사항이다.

이러한 각 요소들은 각각 많은 종류와 다양한 성능

을 갖고 있기에, 가장 이상적인 조합을 이루어야겠 으나, 이러한 조합을 실차 시험으로 규명하는 것은 시간․비용․안전성 측면에서 비효율적이며 현실 적으로 불가능하다.

이러한 하이브리드 자동차 개 발의 한계를 극복하기 위해 하이브리드 자동차 시 스템의 성능 해석을 위한 시뮬레이터가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 하이브리드 자동차 성능 해 석을 위한 통합 하이브리드 자동차 시스템 시뮬레 이터 개발을 위해 시뮬레이터에 이용될 엔진 모듈 을 개발하고 최적화하였다.

2. 1-D 시뮬레이션 엔진 모델

하이브리드 시스템 시뮬레이터의 엔진 모듈에는 시뮬레이터 구동에 따른 결과 도출을 위해 엔진의 구동에 따른 결과 값이 입력되어 있어야 한다. 본 연 구에서는 입력 조건으로 사용될 엔진 결과 값을 얻 기 위해 1-D 해석프로그램을 이용하여 엔진 성능해 석을 수행하였다.

2.1 1-D 시뮬레이션 Base 엔진 모델 구축

본 연구에서는 1.5 L급 엔진을 참조하여 성능 해

석을 위한 엔진 모델을 구축하였다.

엔진의 고성

능화 및 down-sizing을 통해 다른 배기량의 엔진을

Daeil Jeon․Hojeong Gong․In Goo Hwang․Cha-Lee Myung․Simsoo Park

이용할 경우는 그에 맞는 엔진을 참조하여 엔진 모 델을 다시 구축하여야 한다. Fig. 1은 1-D 시뮬레이 터에서 생성한 엔진 모델을 나타낸 것이다. 배기량 1.5 L급 CVVT 엔진의 흡배기 시스템 및 연료 공급 장치에 대한 상세한 모델링을 통해 모델을 구축하 였다. 생성한 엔진 모델은 엔진 회전수, 부하, 공연 비, 점화시기 및 흡배기 밸브와 압축비 등의 변화를 통해 연비 및 출력 등 엔진의 각종 성능을 결과로 보 여주며, 엔진 각 요소의 상태를 분석할 수 있다. 리 프트 제어 방식의 밸브를 이용하여 밸브를 모사하 였으며, 밸브 리프트 입력 패널을 이용하여 밸브의 열림 시기와 작동 구간 그리고 리프트를 제어할 수 있게 하였다. 인젝터는 공연비 제어 방식을 사용하 였으며, 연료는 흡기 유량에 따라 공연비에 맞게 분 사되도록 하였다. 스로틀 밸브를 모사하기 위하여 오리피스 모델을 사용하였으며 오리피스는 최대 46 mm에서 최소 0 mm까지의 직경을 가진다. 엔진 블 록 패널을 이용하여 압축비 및 실린더 점화 순서, 블 록 치수를 입력하였으며, 연소 모델인 Wiebe 함수를 이용하여 점화시기를 제어하였다.

측정 데이터 중 성능 해석에 중요한 영향을 미치 는 FMEP 및 Mass Fraction Burned는 1-D 해석프로그 램 내에서 다음과 같이 정의된다.



×_{m ax}××









A,B,C,D = Chen-Flynn Coefficients Pmax = Peak Cylinder Pressure Stroke = Cylinder Stroke

   EXP











W = cumulative mass fraction burned Δθ = crank degrees past start of combustion

BDUR = user-entered 10-90% burn duration in crank degrees

WEXP = user-entered Wiebe exponent

AWI = internally calculated parameter to allow BDUR to cover the range of 10-90%

본 모델은 밸브 리프트 제어 방식의 밸브를 이용

함으로서 밸브 리프트의 동작 여부 및 동작 시기에 대한 다양하고 정확한 제어가 가능하다. 이러한 특 성을 이용하여 Single-CVVT, Dual-CVVT 및 CIS의 해석을 수행할 수 있으며, 압축비의 변화와 흡기 시 스템의 변경 등 다양한 엔진 연비 향상 기술을 평가 할 수 있다.

2.2 엔진 대상 시험 및 Base 엔진 모델 검증

시뮬레이션 모델은 실험을 통한 결과로써 검증되 어야 한다. 이에 본 연구에서는 동급의 대상 엔진 실 험을 통해 그 결과와 비교하여 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하였다.

Table 1 Specifications of test engine

Item Specification

Engine type 1.5L, DOHC 16V

Displacement (cc) 1,495

Compression ratio 10.0 : 1 Valve timing Variable, 59/19

Catalyst MCC

시험 엔진은 1.5 L 가솔린 엔진이며, 그 자세한 제 원을 Table 1에 나타내었다. 엔진 압축비는 10 : 1이 고흡기밸브의 열림 시기를 조절할 수 있는 VVT Unit이 장착되어 엔진 운전 시 최적의 연비와 출력 을 유지하기 위하여 흡기 밸브의 열림 시기를 조정 하게 된다. Fig. 2는 시험장치의 개략도를 나타낸 것 이다. 공연비 및 점화시기 변경은 별도의 EMS Cali- bration 프로그램을 사용하였다. 정밀한 공연비 측정 을 위하여 배기매니폴드에 광역산소센서를 장착하 였으며 압전형 압력센서를 사용하여 싸이클 별 실 린더 내 압력을 측정하고 별도의 연소해석기를 사 용하여 분석하였다. 또한 연비 측정을 위하여 체적 식 연비계를 사용하였다.

2.2.2 엔진 운전 조건

1-D 시뮬레이션 모델은 MBT 상태의 엔진 성능

특성을 다양한 엔진 회전 속도에서 측정한 결과를

시뮬레이션 결과와 비교하여 검증한다. 따라서 본

연구에서는 1600 / 2000rpm, BMEP 2.0 bar, 공기과

잉률(λ) 1.0 조건에서 점화시기의 변화를 통해 MBT

Development and Optimization of Engine Module for Hybrid System Simulator

Fig. 2 Schematic diagram of experimental system

Fig. 3 1600 rpm BSFC of experiment and analysis Fig. 4 2000 rpm BSFC of experiment and analysis

를 측정하였다. 엔진의 냉각수 온도는 완전 웝업된

80°C를 유지하였다. 각 운전 조건에서 점화시기를 변화시켜 흡기 압력 및 실린더 내 압력을 측정하여 해석하였다.

2.2.3 Base 엔진 모델 검증

Fig. 3 ~ Fig. 6은 Base 엔진 모델의 검증을 위하여 엔진 대상 시험 결과와 비교한 점화시기에 따른 축 연료소비율(BSFC) 선도와 연소실 압력 선도를 나 타낸 것이다. 검증을 위한 대상 엔진 시험과 1차원 시뮬레이션은 1600 rpm, 2000 rpm의 BMEP 2.0 bar, 과잉공기률 1.0에서 진행되었으며 연소압의 측정 및 해석은 점화시기 BTDC 40 ° CA에서 수행하였다.

Fig. 3, 4는 BSFC 선도를 비교한 것이다. Fig. 3,4 에서 점화시기에 따른 BSFC 선도의 실험 결과와 시 뮬레이션 결과가 그 경향이 일치하며 그 수준 또한 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 수치적으 로 최대 2 %의 오차가 발생하였는데, 이는 FMEP를 계산하는 Chen-Flynn 상관관계식의 상수항에 기인 하는 것으로 예상된다.

Fig. 5, 6은 연소실 압력 선도를 나타낸 것이다.

Fig. 5, 6의 연소실 압력 선도에서도 실험 결과와 시 뮬레이션 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있다.

이상의 1-D 시뮬레이션 결과와 실제 엔진 실험 결

과의 비교․분석을 통해 본 연구에서 구축한 1-D 시

전대일․공호정․황인구․명차리․박심수

Fig. 5 Comparison experiment with analysis Fig. 6 Comparison experiment with analysis

뮬레이션 엔진 모델이 타당함을 알 수 있다. 이로써 1-D 시뮬레이션 엔진 모델 해석을 통해 하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈에 필요한 data를 획 득할 수 있게 되었다.

2.3 공연비 변화에 따른 성능 해석

엔진 공연비의 변화가 엔진의 출력에 미치는 영 향을 확인하기 위하여 여러 엔진 회전수에서 공연 비 변화에 따른 BMEP 변화를 1-D 시뮬레이션을 통 해 분석하였다.

Fig. 7은 2000 rpm, 3500 rpm, 5000 rpm의 BMEP 2.0 bar 조건에서 공연비를 0.8 ~ 1.3까지 변화하며 해석을 수행한 결과이다. Fig. 7에서 BMEP의 변화 가 엔진회전수와 무관하며, 각 엔진회전수에서 모 두 유사하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.

BMEP 7.0 bar, 10.0 bar 근방의 조건에서도 해석을 수행한 결과 BMEP 2.0 bar 조건의 결과와 유사한 결

Fig. 7 Lambda swing at BMEP 2.0 bar

과를 얻을 수 있었다.

이를 통해 모든 엔진 영역에서 공연비의 변화는 BMEP 변화에 비슷한 영향을 미치는 것을 예상할 수 있다.

3.

3.1 엔진 모듈 구조

본 연구에서는 전체 HEV 시뮬레이터를 구성하 기 위한 범용 엔진 모듈을 개발하고자 다양한 HEV 파워트레인에 최적화된 엔진의 배기량 및 적용 기 술을 선정하였다. 엔진은 1.5 L 급 가솔린 엔진을 선 정하였고, single-CVVT 및 dual-CVVT, CIS 기술을 적용하였다. 엔진 배기량 변화 및 적용 기술의 변화 시 새로운 해석 모델을 통해 엔진의 성능 자료를 구 할 수 있을 것이다. 본 시뮬레이터 엔진 모듈은 범용 으로 사용 가능한 MATLAB simulink를 기반으로, map data 방식을 적용하였으며, HCU 및 타 모듈과 의 통신을 고려하여 개발하였다.

Fig. 8은 현재까지 개발한 beta version의 엔진 모

듈로서 ECU 모듈과 Engine Block 모듈로 구성되어

있다. ECU 모듈은 GUI와 HCU로부터 엔진 구동과

관련된 신호를 받아 엔진 운전에 필요한 정보를 계

산하여 Engine Block을 제어하며 타 모듈에 신호를

출력하는 역할을 담당한다. Engine Block 모듈은 엔

진 회전수, 요구 부하, 적용 기술별 엔진 선택 신호,

기통 휴지 적용 여부 신호, 엔진 idle 유지 신호, 스로

틀 개도량 및 엔진 배기량을 입력 받아, 이를 look up

table 및 로직에 맞게 계산 적용하여, 엔진 출력 토크

하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈 개발과 최적화에 관한 연구

Fig. 8 Engine module on the basis of simulink

Fig. 9 Engine block module

와 BSFC, NOx 및 HC 배출량, 엔진 idle 이상 신호를 출력한다.

Fig. 9는 Engine Block 모듈의 내부이다. Engine Block 모듈은 Base, Single-CVVT, Dual-CVVT 엔진 및 CIS 적용 엔진의 성능 블록과 가․감속 판단 및 처리 제어 로직 부분, CIS 기술 적용 제어 로직 부분 으로 이루어져 있다. 시뮬레이터 내에서 사용되어 질 엔진 블록은 HCU 및 GUI로부터 입력된 정보를 바탕으로 ECU에서 판단하여 Engine Block 모듈에 서 선택되어진다. CIS 기술 적용은 GUI로부터 입력 된 결과를 따른다.

이 때 각각의 엔진 모델 블록은 BSFC, BMEP, NOx, HC 맵으로 구성되어 있으며, 앞의 1-D 시뮬레

Fig. 10 Look-up table of engine performance data

이터 해석의 결과 자료를 이용하였다. 각 엔진 성능 값은 simulink의 look-up table로 구성되어 맵의 이용 시 선형보간법을 이용한다. 각각의 맵은 750 ~ 5500 rpm까지 20개의 엔진 속도 축과, 0 ~ 100 %까지 15 개의 엔진 부하 축으로 구성된 15 × 20 행렬 형태이 다. 이를 Fig. 10에 나타내었다.

3.1.1 가․감속 판단 및 처리 로직

자동차의 운전 시 상황에 따라 가속 및 감속이 이 루어진다. 이렇게 가속 및 감속이 이루어질 때, 엔진 에서는 공연비 및 점화 시기 등을 변화시켜 최적의 출력 및 연비를 맞춘다. 이에 본 시뮬레이터에서는 가속과 감속을 모사하기 위해 가․감속 판단 로직 과 가․감속 시 처리 로직을 구축하였다.

실제 자동차의 가․감속 판단 로직 및 처리 로직

은 매우 복잡하며 자동차 제작사마다 서로 다른 로

직을 갖고 있다. 이에 본 시뮬레이터에서는 간단한

로직을 구성하여 이를 모사하였으며, 필요 시 로직

을 수정하여 시뮬레이터를 구동할 수 있도록 하였

다. Fig. 11은 가․감속을 판단하는 로직 (a)와 처리

로직 (b)을 나타낸다. 판단 로직은 Engine Block 모듈

내에서 스로틀 개도량의 변화를 이용하여 가․감속

을 판단하여, 가․감속 처리 로직 적용 여부를 출력

한다. 자동차가 가속 및 감속 상태임으로 판명될 경

우 가․감속 처리 로직에 따라 BSFC 및 BMEP에 연

산이 이루어진다.

Daeil Jeon․Hojeong Gong․In Goo Hwang․Cha-Lee Myung․Simsoo Park

(a)

(b)

Fig. 11 (a) Decision logic (b) Process logic of accelerating and decelerating

3.1.2 CIS 제어 로직

CIS 기술은 자동차가 감속 등의 구간에서 엔진 작 동에 무리가 없는 한도 내에서 실린더의 작동을 정 지하여 연료 소비를 줄이는 기술이다.

CIS 기술은 자동차의 운전 중 항상 적용되는 것이 아니다. 특정한 상황에서 적용되기 때문에, CIS가 작동해야 되는 상황을 판단할 수 있는 로직이 필요 하다. 이에 본 시뮬레이터에서는 CIS 적용 여부를 판단할 수 있는 제어 로직을 구축하였다.

Fig. 12는 CIS 적용 여부를 판단하는 제어 로직이 다. 자동차의 가속 및 감속 상태, 운행 속도, 스로틀 개도량을 종합하여 판단하도록 구성하였다.

Fig. 12 Control logic of cylinder idling system

3.2 시뮬레이터의 검증

구축된 엔진 시뮬레이션 모듈은 이미 구성되어 있는 맵을 바탕으로 실시간으로 시뮬레이션이 가능 하며 또한 엔진 운전 조건의 연속적인 변경이 가능 하다. 따라서 이를 이용하여 구축된 시뮬레이터의 성능을 검증하고 시뮬레이터를 최적화 할 수 있다.

임의의 운전 조건을 입력하여 구축된 시뮬레이터를 구동하고, 이 결과가 입력 조건에 맞는 목표 엔진 토 크를 잘 추종하는지를 확인한다.

Fig. 13은 사용자가 임의로 시뮬레이터에 입력한 스로틀 개도량과 엔진회전수, 시뮬레이터가 출력해

Fig. 13 Input data & target data of simulator test

Fig. 14 Result of simulator test

야 할 목표 출력을 나타낸다. 시뮬레이터는 입력된 스로틀 개도량과 엔진 속도를 이용하여 연산을 수 행하고, 입력되어 있는 맵 데이터와 연계하여 엔진 토크를 출력한다. Fig. 14에서 임의의 운전 동안 엔 진 모델이 목표 부하조건을 매우 근접하게 추종하 여 선도가 겹치는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 연구 에서 구축한 시뮬레이터가 제대로 작동하며 그 결 과를 신뢰할 수 있음을 확인하였다.

3.3 시뮬레이터의 구동

자동차는 mode 주행을 통해 연비 및 배기가스 배

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출량 등을 측정하여 그 성능을 인증 받는다. 그러므 로 하이브리드 시스템 시뮬레이터는 mode 주행을 수행 할 수 있어야 한다. 구축한 시뮬레이터는 mode 주행의 data를 입력하여 그 성능을 확인할 수 있다.

본 연구에서는 미국의 FTP-72 mode 주행 시뮬레이 션을 통해 mode 주행 시뮬레이션 성능을 확인하였 다. Fig. 15와 Fig. 16은 FTP-72 mode 주행의 입력 값 과 그에 따른 시뮬레이터 결과를 나타낸다.

Fig. 15 Input data of FTP-72 mode

Fig. 16 Output data of FTP-72 mode

4.

하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈 개발 과 최적화에 관한 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) 실제 엔진을 모사한 1-D 시뮬레이션 엔진 모델

을 통해 실제 엔진에서 얻을 수 있는 data와 2%

이내의 오차를 갖는 엔진 성능 data를 얻을 수 있 었다.

2) 1-D 시뮬레이션 엔진 모델에 공연비를 변경하며 시뮬레이션을 수행한 결과, 공연비 변화는 엔진 의 모든 영역에서 BMEP에 비슷한 영향을 미치 는 것을 확인할 수 있었다.

3) 1-D 시뮬레이션 엔진 모델의 결과 값을 바탕으 로 MATLAB simulink 기반의 하이브리드 시스템 시뮬레이터용 엔진 모듈을 구축할 수 있었다.

4) 구축된 엔진 시뮬레이터를 이용하여 차량 가․

감속 시의 처리 및 CIS 적용을 수행하고 엔진 모 듈을 최적화 할 수 있었으며, mode 주행 시뮬레 이션의 수행도 가능하였다.

본 연구를 통해 다양한 하이브리드 시스템 조합 을 시험 할 수 있는 시뮬레이터에 이용될 수 있는 엔 진 모듈의 개발 및 최적화가 이루어졌으며, 타 모듈 과의 조합을 통해 완전한 하이브리드 시스템 시뮬 레이터의 구축이 가능할 것이다.

후 기

본 연구는 지식경제부 ‘차세대 신기술 개발 사 업’(미래형자동차 사업단)과 현대자동차의 지원으 로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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