Development and Optimization of the Hybrid Engine System Model to Improve the Fuel Economy

Copyright

2008 KSAE 1225-6382/2008/096- 09 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 6, pp.65-73 (2008)

연비향상을 위한 하이브리드 엔진 시스템 모델 개발과 최적화에 관한 연구

이 동 은¹⁾․황 인 구¹⁾․전 대 일¹⁾․박 심 수^*2)

고려대학교 대학원 기계공학과¹⁾․고려대학교 기계공학부²⁾

Development and Optimization of the Hybrid Engine System Model to Improve the Fuel Economy

Dongeun Lee¹⁾․In Goo Hwang¹⁾․Daeil Jeon¹⁾․Simsoo Park^*2)

1)

Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Korea University, Seoul 137-701, Korea

2)

Division of Mechanical Engineering, Korea University, Seoul 137-701, Korea (Received 20 December 2007 / Accepted 5 June 2008)

Abstract : The purpose of this study is development of universal engine model for integrated Hybrid Electric Vehicle (HEV) simulator and a optimization of engine model. The engine model of this study is based on the MATLAB Simulink for universal and include engine fuel economy technologies for HEV. Various engine fuel economy technologies for HEV is estimated by commercial engine 1-D simulation program - WAVE. And, the 1-D simulation model of base version is compared with engine experiment result. The analyzed engine technologies with 1-D simulation are Dual-CVVT, Atkinson-Cycle and Cylinder-Deactivation System. There are improvement of fuel economy and power performance with Dual-CVVT model at part load and full load, pumping loss reduction with Cylinder-Deactivation System at idle and regeneration. Each estimated technologies are analyzed by 1-D simulation on all operation region for base data to converse simulink. The simulink based engine model maintains a signal with ECU for determination of engine operation point.

Key words : Dual variable valve timing (가변 흡배기 밸브타이밍), Cylinder idle system (기통휴지 시스템), Engine control unit (엔진제어장치), Hybrid electronic vehicle (하이브리드 자동차)

Nomenclature ¹⁾

EGR : exhaust gas recirculation BMEP : brake mean effective pressure FMEP : friction mean effective pressure BSFC : brake specific fuel consumption BSU : bosch smoke unit

TDC : top dead center BTDC : before top dead center

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

ATDC : after top dead center

CVVT : continuously variable valve timing IVO : intake valve open

IVC : intake valve close

EVC : exhaust valve close

CIS : cylinder idle system

WOT : wide open throttle

HCU : hybrid control unit

ECU : electronic control unit

HEV : hybrid electric vehicle

이동은․황인구․전대일․박심수

Fig. 1 Engine simulation model for parametric study

1.

최근 자동차 산업은 점차 강화되는 배기가스 규 제와 불안정한 유가 상황으로 인해 저배기, 저연비 차량 기술 개발에 대한 요구를 받고 있다. 따라서 현 재 우리나라를 비롯한 선진 각 국은 환경친화자동 차, 대체연료자동차, 하이브리드 자동차에 대한 연 구 개발을 가속화하고 있는 시점이다.

현 상황을 극복하기 위한 여러 기술 대안 중 상용화에 가장 빠 르게 성공하고 있는 기술은 하이브리드 자동차이 다.

모든 자동차회사가 2007년에서 2009년 까지 하이브리드 차량 양산을 계획하고 있으며 그 선두 에 도요타가 있다.

후발주자인 우리나라는 급속 히 팽창하는 하이브리드 차량에 대한 기술개발이 늦은 상태로서 이를 보완하기 위해 현재 많은 연구 가 이루어지고 있다. 본 논문에서는 연비 향상을 위 한 하이브리드용 엔진의 개발을 위해 엔진 신기술 중 CVVT와 CIS에 대해 연구하였다.

상용 해석프 로그램을 이용하여 부분부하영역, 밸브타이밍변화, WOT에서의 특성, 그리고 CIS를 적용할 때 연비개 선 효과에 대해 분석하였으며 해석된 결과를 토대 로 Simulink 기반의 엔진시뮬레이터를 개발 하였으 며 과도적 특성을 해석하였다.

2.

저속토크 향상 및 저연비를 달성해야하는 하이브 리드용 엔진 개발을 위해 CVVT, CIS 기술을 적용하 여 시뮬레이션을 위한 엔진 모델을 구축하였다. 엔 진 모델은 상용 1-D 해석 프로그램을 사용하여 구축 하였으며,

실제 엔진을 기반으로 모델링함으로써 추후에 해석 결과와 실제 엔진 시험 결과를 비교하 여 그 타당성을 검증하였다. 이를 위하여 실제 엔진 의 흡배기 시스템을 포함한 엔진을 모사하여 모델 링을 하였으며, 본 연구에 사용된 엔진은 배기량 1.5L CVVT 엔진이다. 4개 실린더 중 3개 실린더의 흡배기 밸브를 기통휴지시킴으로서 CIS 기술을 구 현하였다.

2.1 해석프로그램을 이용한 모델링

Fig. 1에 1-D 해석프로그램을 이용한 모델링을 나

타내었다. 모델링 기반 엔진은 1.5L급 CVVT 엔진이

며 흡배기 시스템 및 밸브, 연료공급 장치에 대해 상

세히 모델링 하였다. 대상엔진은 흡기가변밸브타이

밍 시스템이 장착되었으며 본 논문에서 참조하는

엔진과 비교하기 용이하며 CVVT 모델의 특성, CIS

적용 모델의 특성을 해석하기에 적합할 것으로 사

연비향상을 위한 하이브리드 엔진 시스템 모델 개발과 최적화에 관한 연구

Fig. 2 Experimental and simulated BSFC at 1600 rpm Fig. 4 Experimental and simulated BSFC at 2000 rpm

Fig. 3 Experimental and simulated cylinder pressure at 1600 rpm

Fig. 5 Experimental and simulated cylinder pressure at 2000 rpm

료된다.

시뮬레이션 모델은 엔진회전수, 부하, 공

연비, 점화시기, 흡배기 밸브 열림 시기 및 압축비 변화를 통해 연비 및 출력 등 엔진의 각종 성능 곡선, 엔진 각 요소의 상태를 분석할 수 있다.

2.2 해석 엔진모델 검증

Fig. 2 ~ Fig. 5는 점화시기 변화에 따른 연비 및 연 소압력을 나타낸 것이다. Base 엔진 모델의 검증을 위하여 연소실 압력 선도와 점화시기에 따른 축연 료소비율 (BSFC)을 대상 엔진 시험 결과와 비교하 였다. 엔진 시험과 1차원 시뮬레이션은 1600 / 2000rpm, BMEP 2.0bar, 공기과잉율 (λ) 1.0 조건에 서 진행되었으며 연소압력의 측정 및 해석은 점화 시기 BTDC 40° CA에서 수행하였다.

Fig. 2와 Fig. 4는 점화시기에 따른 BSFC 선도이 다. 그림에 나타난 바와 같이 해석과 실험 결과가 동

일한 경향을 보이고 있고 결과값의 오차는 2% 이내 의 수준을 보이고 있다. BSFC 결과값에서 오차가 발생하는 원인은 마찰제동마력 (FMEP)을 계산하는 Chen - Flynn 상관관계식의 상수항에 기인하는 것으 로 판단된다.

Fig. 3과 Fig. 5의 연소실 압력 선도 에서는 해석과 실험 결과가 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.

2.3 CVVT 시뮬레이션 모델

밸브 개폐시기 변경에 따른 CVVT 모델의 특성을

파악하기 위하여 IVO와 EVC 변경을 통해 밸브오버

랩을 변화시켜 내부 EGR의 효과를 분석하였다. 내

부 EGR을 통한 잔류가스량의 증가는 부분부하영역

에서 흡기매니폴드의 압력을 증가시키고 엔진의 펌

프손실을 저감시켜 엔진의 연비 향상이 가능하며,

전 부하 영역에서는 밸브오버랩 구간의 감소로 인

Dongeun Lee․In Goo Hwang․Daeil Jeon․Simsoo Park

한 신기량 증가로 출력 상승의 효과를 볼 수 있

다.

하이브리드용 가솔린 엔진 모델의 밸브 시기

변경 효과를 파악하기 위하여 IVO는 BTDC 30° CA

~ ATDC 10° CA로 5° CA 간격으로 변화시켰다. 흡 기 밸브작동기간은 228° CA이고, 리프트는 7.8mm 이다. 배기 밸브는 BTDC 10° CA ~ ATDC 30° CA로 10° CA 간격으로 변화시켰다. 배기 밸브작동기간 228° CA이고, 리프트는 8.2mm이다. 해석은 2000rpm, BMEP 2.5bar 조건에서 수행하였다.

2.4 Cylinder Idling System 시뮬레이션 모델 기통휴지시스템 (CIS)은 감속 시 엔진과 밸브구 동계의 마찰손실을 저감하여 연료소비량을 개선하 는 시스템으로 유압밸브를 이용하여 휴지기통의 흡 기와 배기밸브의 작동을 완전히 정지시키고 1개의 실린더만을 구동 시키는 구조로 되어있다. 일반적 으로 4기통엔진의 경우 CIS 적용에 따라 펌프손실 을 약 50%정도 저감할 수 있다.

본 논문에서는 감 속 시에 적용되는 CIS 제어로직을 통하여 운전 시 추가적인 펌프손실 저감과 연비 향상 효과를 파악 하고자 하였다. 해석 조건은 아이들링 상태를 모사 하기 위하여 BMEP 0.5bar 상태로 기존의 모델과 3 개 실린더의 밸브가 닫힌 모델에 대해 해석을 수행, 비교하였다.

3.

3.1 CVVT 모델 해석 결과

Fig. 6은 부분 부하영역에서 IVO 변경에 따른 실 린더 내의 P-V 선도를 나타낸 것이다. IVO가 진각 될수록 밸브오버랩이 증가하여 흡기압이 0.25bar 상 승되므로 펌프손실이 감소하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7은 CVVT 모델에 대한 연비 해석 결과를 나 타낸 것이다. IVO가 BTDC 15° CA에서 BTDC 30°

CA까지는 축연료소비율이 385g/kWh에서 362g/kWh 까지 선형적으로 감소하고 있다. 그러나 BTDC 15°

CA에서 ATDC 5° CA 조건에서는 IVO 변경에 따른 잔류 가스량의 변화가 크지 않으며 연료 소비율도 일정한 수준을 유지한다. IVO, EVC 조건을 동시에 변화시켜 전체 엔진 운전 영역에서 흡배기밸브타이 밍에 따른 연비 최적화를 수행하였다.

Fig. 6 P-V diagram at intake process

Fig. 7 BSFC with various IVO angle

Fig. 8 BSFC of dual CVVT at 2000 rpm, partload condition

Fig. 8과 Fig. 9는 base 엔진 모델에 dual-CVVT를

적용하여 각각 2000rpm의 부분부하와 3000rpm의

고부하 상태에서 IVO 및 EVC에 따른 dual-CVVT의

특성을 나타낸 것이다. 먼저 Fig. 8에 나타난 바와 같

이 dual-CVVT 적용 시 부분부하 영역에서의 흡배기

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Fig. 9 BSFC of dual CVVT at 3000 rpm, WOT condition

밸브 타이밍에 따른 연비 특성은 IVO는 최진각, EVC는 최지각 상태인 밸브오버랩 60°인 구간에 서 최소의 축연료소비율인 337g/kWh의 값을 보이 고 있다. 이는 저부하 영역에서 밸브오버랩 증가 에 의한 잔류가스 량 증대에 기인한 것으로 잔류 가스 량이 증대할수록 흡기압이 상승하여 펌프손 실이 감소함에 따라 엔진 연비가 향상이 된 것을 알 수 있다. 이때의 잔류가스량은 약 30% 수준을 나타내었다. Fig. 9는 고부하 영역에서 dual-CVVT 의 연비 특성을 나타낸 것으로 IVO는 TDC, EVC 는 ATDC 20° CA인 밸브오버랩 20°인 조건에서 최 소의 축연료소비율인 241g/kWh의 수준을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 해당 엔진 회전수의 고부하 영역에서 적절한 IVO 및 EVC에 의하여 신기량이 증대되는 것에 기인한 것으로 판단된다. 고부하 영역에서는 밸브오버랩이 감소함에 따라 신기량 이 증대되며 이는 실린더로 흡입되는 신기의 체적 효율을 향상 시키므로 엔진 연비를 개선시키는 것 으로 사료된다.

3.2 Cylinder Idling System 모델 해석 결과 Fig. 10은 CIS를 적용한 엔진 모델의 연소가 이루 어지는 1번 실린더의 P-V 선도를 나타낸다. 흡입행 정 시 실린더 내의 압력은 기통휴지를 하지 않은 경 우에 비하여 약 0.5bar 상승하고 있으나 배기행정에 서의 실린더 압력은 서로 동등 수준을 나타낸다. 따 라서 Fig. 10의 화살표 부분의 면적에 해당하는 만큼 펌프손실이 감소하므로 연비개선 효과를 예상할 수 있다.

Fig. 10 Pumping loss change for 1st cylinder

Fig. 11 Pumping loss change for 2nd cylinder

Fig. 11은 CIS를 적용한 엔진 모델의 연소가 이루 어지지 않는 2번 실린더의 P-V 선도를 나타낸다. 2 번 실린더는 해석 조건상에서 인위적으로 흡배기 밸브를 닫힌 상태로 밸브운동을 휴지시켜 두었으므 로 흡배기 과정이 없다. 따라서 2번 실린더에서는 펌프손실이 존재하지 않으며, 에너지 손실이 거의 없는 압축, 팽창 과정만을 가지고 있다. 이때 밸브의 구동이 없으므로 밸브에 의한 마찰손실도 없으며 3 번 및 4번 실린더도 이와 같다.

Fig. 12와 Fig. 13은 기통 휴지적용 시의 엔진 운전 영역에 대하여 펌프손실을 N-m 단위로 환산하여 나 타낸 것이다. 2000rpm 의 스로틀 밸브 개도율이 1%

인 조건에서 2, 3, 4번 실린더를 휴지시킨 모델의 펌

프손실이 1.5N-m 정도 수준을 보이는 반면 2, 3번 실

린더를 휴지시킨 모델의 경우는 2.7N-m 수준을 보

이고 있다. 따라서 휴지시키는 실린더의 개수를 증

이동은․황인구․전대일․박심수

Fig. 12 Pumping loss of 2, 3 cylinder-deactivation model

Fig. 13 Pumping loss of 2, 3, 4 cylinder- deactivation model

가시킬수록 펌프손실이 저감되며 이는 곧 연비 향 상으로 이어질 수 있음을 알 수 있다.

4. Simulink 기반의 HEV용 엔진 시뮬레이션

4.1 HEV용 엔진 시뮬레이션 모듈의 개발 본 논문에서는 HEV 시뮬레이터를 위한 범용 엔 진 모듈을 개발하고자, 다양한 HEV 파워트레인에 최적화된 엔진의 배기량 및 적용기술을 선정하였 다. 엔진 모듈은 범용으로 사용 가능한 MATLAB Simulink를 기반으로 구축하였으며, HCU 및 타 모 듈과의 통신을 고려하였다.

Fig. 14는 현재까지 개발한 beta version의 엔진 모 듈로서 ECU 모듈과 엔진 블록 모듈로 구성되어 있 다. 엔진 모듈은 타 모듈과의 통신을 위해 입력변수 로서 엔진회전수, 요구 부하, 적용 기술별 엔진 선택 신호, 기통 휴지 여부 신호, 엔진 아이들 유지 신호, 엔진 배기량을 받으며 출력변수로서 엔진 출력 토 크와 시간당 연료 소비량, 엔진 아이들 이상 신호를 내보낸다. ECU 모듈은 HCU 등 타 모듈로부터의 신 호를 받아 Engine Block을 제어하며 타 모듈에 신호 를 출력하는 역할을 담당한다. 또한 ECU 모듈에는 엔진 운전 안정성을 고려하여 HCU 모듈의 신호에 상관없이 자체적으로 스로틀밸브를 제어하는 기능 이 추가되어 있다.

Fig. 15는 엔진 블록 모듈의 내부를 보이고 있다.

엔진 블록 모듈은 Base, Single-CVVT, Dual-CVVT 및 기통 휴지 엔진 모델의 BSFC 및 BMEP 맵으로 구 성되어 있으며 평균 유효 압력 (Mean Effective Pressure) 개념을 이용하여 다양한 배기량의 엔진 모 사가 가능하다. 이때 각각의 엔진 모델 맵은 앞서의 1-D Simulator 해석 자료를 기반으로 구축되었으며 이렇게 생성된 Simulink의 Look-Up table은 맵의 이 용 시 선형보간법을 사용한다. 각각의 맵은 750 ~ 5500rpm까지 20개의 엔진 속도 축과 0 ~ 100%까지 15개의 엔진 부하 축으로 구성된 15 × 20의 행렬로 구성되어 있다. 이때 사용할 엔진 모델 선정은 ECU 로부터의 신호로 선택되어 운전되며 엔진 블록 모 델에는 이를 처리하는 스위치 단자들이 있다.

4.2 HEV용 엔진 시뮬레이션 모듈의 검증 구축된 엔진 시뮬레이션 모듈은 앞서의 1-D Simulator와는 달리 이미 구성되어 있는 맵을 바탕으 로 실시간에서의 시뮬레이션이 가능하며 또한 엔진 운전 조건의 연속적인 변경이 가능하다. 따라서 본 절에서는 이를 이용하여 임의의 운전 모드 및 회생 제동 조건을 모사하여 엔진 모듈에 입력한 후 이를 통해 구축된 엔진 모듈 검증 결과를 나타내고 있다.

Fig. 16은 임의로 엔진 모듈에 입력한 목표 엔진

속도와 부하조건을 나타내며 엔진 모듈은 자체적인

스로틀 밸브 제어를 통해 이를 추종하고 있다. 실제

로 Fig. 16에서 46초간의 임의의 운전 동안 Base,

연비향상을 위한 하이브리드 엔진 시스템 모델 개발과 최적화에 관한 연구

Fig. 14 HEV Engine module on the basis of simulink

Fig. 15 Engine block module with engine performance map

Single-CVVT, Dual-CVVT 엔진 모델이 목표 부하조 건을 매우 근접하게 추종하여 선도가 겹치는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 17은 Fig. 16의 결과로써 각 엔진 적용 기술에

따른 연료소비량을 나타내고 있다. 각 엔진 모델은

같은 Base 모델로부터 생성되었으며 1,495cc의 동일

Dongeun Lee․In Goo Hwang․Daeil Jeon․Simsoo Park

Fig. 16 Target speed and load at transient mode Fig. 18 Target speed and load at regeneration mode

Fig. 17 Fuel consumption ratio at transient mode Fig. 19 Fuel consumption ratio at regeneration mode

한 배기량을 채택하고 있으므로 전반적으로 매우 유사한 연료 소비량 패턴을 보인다. 그러나 Fig. 17 에서 확대된 선도를 보면 Dual-CVVT의 연료 소비 량이 가장 낮음을 알 수 있다. 46초간의 운전 동안 소모된 연료 소모의 누적량을 각 엔진 모델별로 비 교하면 Base 모델 대비 Single-CVVT는 4.96%, Dual-CVVT는 6.04%의 연비가 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 구축된 엔진 시뮬레이션 모 듈의 모드 주행 해석 가능성을 확인하였으며 추후 에 FTP-75 등의 모드 주행 또한 가능할 것으로 예상 된다.

Fig. 18은 HEV의 회생 제동 구간을 모사한 것으 로 차량의 감속 동안 예상되는 엔진의 속도 및 부하 조건을 나타내었다. 앞서와 같이 엔진 부하는 자체 적인 스로틀 제어를 통해 추종되고 있다.

Fig. 19는 Fig. 18의 추종 결과로써 연료 소비량을 나타내고 있다. 결과의 비교를 위하여 기통휴지가

적용되지 않는 Dual-CVVT 엔진 모델과 2, 3, 4번 실 린더 휴지 모델 그리고 2, 3번 실린더 휴지 모델을 이용하였다. 전반적으로 2, 3, 4번 실린더를 휴지시 킨 모델의 연비가 가장 우수하였으며 20초간의 누 적 연료소비량으로 비교하면 기존 엔진 모델에 대 비하여 2,3 번 실린더 휴지 모델이 44% 2, 3, 4번 실 린더 휴지 모델이 47%의 연비 향상을 나타내었다.

5.

연비향상을 위한 하이브리드 엔진 시스템 모델 개발과 최적화에 관해 연구하여 다음과 같은 결과 를 얻었다.

1) Single-CVVT 모델의 경우 시뮬레이션 모델에서

IVO를 변경하는 경우 IVO의 진각에 따라 밸브

오버랩 효과로 인해 펌프손실이 저감되며 연비

특성이 향상되는 것을 확인하였으며 Dual-CVVT

Development and Optimization of the Hybrid Engine System Model to Improve the Fuel Economy

엔진 모델의 경우 Base 대비 평균 5.96%, Single- CVVT 대비 3.21% 연비 향상 확인하였다. 또한 저부하 영역의 밸브 오버랩 증가 및 고부하 영역 의 신기 도입량 증대에 의한 연비 향상을 확인하 였다.

2) Soft type의 하이브리드 자동차의 경우 펌프손실 및 마찰손실의 저감으로 회생 제동량을 증대 시 킬 수 있으며 저속 저부하 영역의 연비 향상을 예 상 할 수 있었다. 따라서 기통 휴지를 적용한 하 이브리드용 엔진 모델 해석 결과 마찰손실과 펌 프손실을 통하여 효율적인 운전과 연비 개선을 유도할 수 있으나 엔진의 진동 및 소음 증가에 따 른 악영향도 함께 고려하여 부하조건과 엔진 속 도 등 운전 조건에 따른 적절한 제어 로직의 개발 이 필요하다.

3) Simulink 기반의 HEV용 엔진 시뮬레이션 모듈은 Base, Dual-CVVT, 기통 휴지 모델의 엔진 전체 운전 정밀 맵을 구축하였으며 적용 엔진 기술 및 기통 휴지에 따른 연비향상을 확인하였고 HEV 용 시뮬레이션을 위한 Beta version의 Simulink 기 반 엔진 모델을 구축하였다.

후 기

본 연구는 산자부 ‘하이브리드 자동차 공통기초 반기술개발 사업’(미래형자동차 사업단)과 현대자 동차의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니 다.

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