[논문]인테이크 도어 제어를 이용한 고성능 냉난방 시스템

박동규; 김용철

doi:10.7467/ksae.2014.22.2.017

[국내논문] 인테이크 도어 제어를 이용한 고성능 냉난방 시스템
Air Intake Door Control for the High Air Conditioning Performance 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.2, 2014년, pp.17 - 22

박동규 (현대모비스 안전선행설계팀) , 김용철 (현대자동차 칵핏모듈설계팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the quick heating performance is an important issue in the car because engine power becomes so high. So car makers have been adapted the additional heating devices as like PTC(Positive Temperature Coefficient) heater. And the quick cooling performance is also important issue because its result is used in the IQS(Initial Quality Study). In this paper, control of the HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) intake door has been studied for the quick heating and cooling performance. Heating performance is improved $4.0^{\circ}C$ at $-20^{\circ}C$ ambient temperature after 20 minutes. And cooling performance is improved $1.5^{\circ}C$ at $35^{\circ}C$ ambient temperature after 10 minutes. In addition, intake door control system brings on the cost reduction because the flab door can be eliminated. This intake door control system has been adapted to the new developing cars.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

⁶⁾국내에서는 HVAC 필터케이스에 플랩 러버 도어를 설치하여 일부 차종에 적용하고 있다. 본 연구에서는 이러한 플랩 러버 도어를 대신하여 주변 상황에 따라 인테이크 도어를 능동적으로 제어함으로서 플랩 러버 도어 설치 이상의 초기 퀵냉난방 성능을 확보할 수 있는 제어로직을 연구하였다.
4에 나타내었다. 본 연구에서는 국내 SUV 차량 및 MPV 차량을 이용하여 초기 냉난방 성능의 영향도를 평가하였으며, 냉난방성능에 영향을 미치는 인자들의 영향도를 연구하였다.

제안 방법

차량의 초기 냉난방 성능 향상을 위한 인테이크 도어 제어를 위해 필요한 인자는 냉방 모드와 난방 모드로 분리하여 구분하였다. 먼저 난방 모드에서 필요한 인자를 살펴보면, 엔진 예열 전후를 판단하기 위하여 엔진 냉각수 온도를 인자로 선정하였으며, 퀵난방 필요 유무를 판단하기 위하여 외부공기 온도, 설정 온도 및 템프 도어(Temp Door) 위치의 피드백(Feed-Back) 값, 그리고 인테이크 도어 열림량을 인자로 선정하였다.
차량의 초기 냉난방 성능 향상을 위한 인테이크 도어 제어를 위해 필요한 인자는 냉방 모드와 난방 모드로 분리하여 구분하였다. 먼저 난방 모드에서 필요한 인자를 살펴보면, 엔진 예열 전후를 판단하기 위하여 엔진 냉각수 온도를 인자로 선정하였으며, 퀵난방 필요 유무를 판단하기 위하여 외부공기 온도, 설정 온도 및 템프 도어(Temp Door) 위치의 피드백(Feed-Back) 값, 그리고 인테이크 도어 열림량을 인자로 선정하였다. 또한 블로워 작동시만 인테 이크 제어로직 진입을 해야 하므로 블로워 On/Off도 인자로 선정되었다.
인테이크 도어 제어를 사용함에 있어 문제점으로 예상되는 차량 속도에 따른 외부 공기의 실내 유입을 검증 평가하였다. 검증 평가를 위해 Fig.
인테이크 도어 제어를 사용함에 있어 문제점으로 예상되는 차량 속도에 따른 외부 공기의 실내 유입을 검증 평가하였다. 검증 평가를 위해 Fig. 13과 같이 블로워 유닛의 6개소에 온도센서를 설치하여 외부의 차가운 공기가 속도에 따라 실내로 유입되는지 평가하였다. 결과는 Fig.
따라서 본 연구에서는 인테이크 도어 제어를 사용함에 따른 예상 문제점을 없애기 위해서 차속이 60km/h 이하에서만 인테이크 도어를 제어하도록 설정하였다. 또한 급속한 냉난방 성능이 필요할 때에만 인테이크 도어 제어를 시작할 수 있도록 설정 온도, 냉각 수온의 일정 온도 이하 및 블로워 작동 상태 등을 규제하도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 인테이크 도어 제어를 사용함에 따른 예상 문제점을 없애기 위해서 차속이 60km/h 이하에서만 인테이크 도어를 제어하도록 설정하였다. 또한 급속한 냉난방 성능이 필요할 때에만 인테이크 도어 제어를 시작할 수 있도록 설정 온도, 냉각 수온의 일정 온도 이하 및 블로워 작동 상태 등을 규제하도록 하였다.
최근 이슈가 되고 있는 초기 퀵냉난방 성능 향상을 위하여 기존의 플랩 도어를 대체하여 HVAC 내의 인테이크 도어 제어를 통해 기존 성능보다 높은 개선 효과를 확인하였다. 또한 고유 제어 로직을 연구하여 퀵냉난방 성능 경쟁력을 갖게 되었고 플랩 도어 삭제를 통한 원가 절감 및 열적부하 개선을 통한 연비개선 효과도 기대할 수 있다.
5) 외부 공기의 실내 유입 문제를 없애기 위하여 차속, 설정 온도 및 수온 등의 인자를 진입 조건으로 부여하여 인테이크 도어 제어로직을 수립하였다.

대상 데이터

실차 평가에 사용된 차량은 국내 소형 SUV 가솔린 2400cc엔진, 디젤 2000cc 엔진과 국내 MPV 디젤 2200cc 엔진이 이용되었다. 먼저 가솔린 2400cc엔진의 난방성능 평가는 Fig.
실차 냉방 성능 평가를 위해 사용된 차량은 SUV 디젤 2000cc 엔진 차량이다. 다음 Fig.

성능/효과

먼저 가솔린 2400cc엔진의 난방성능 평가는 Fig. 6에 표시된 것과 같이 -30°C 외부 공기 온도, 50km/h 주행조건, 20분 시점에 차량 실내 평균 온도를 평가한 결과 인테이크 도어 제어가 들어간 차량의 경우 18.3°C, 인테이크 도어 제어가 들어가지 않은 차량의 경우 15.7°C로 인테이크 도어 제어 유무에 따라 약 2.6°C의 난방 성능 향상 효과가 있었다.
차종 간의 상관성을 확인을 위해 MPV 차량의 2200cc 디젤 엔진의 경우 동일 조건에서 평가한 결과 인테이크 도어 제어가 들어가지 않은 차량이 20분 시점에서 약 2.1°C, 40분 시점에서 약 4°C의 난방 성능 향상 효과가 있었고 그 결과는 Fig. 10과 같다.
이 두 차종의 평가 결과 초기 난방 성능은 인테이크 도어 제어가 들어간 차량의 경우 20분 시점에서 실내 평균 온도가 2°C 이상 난방 성능 효과가 높음을 확인할 수 있었다.
1) SUV 가솔린 2400cc 엔진의 경우 -30°C 외부 공기 온도, 디젤 2000cc 엔진의 경우 -20°C 외부 공기 온도에서 50km/h 속도의 주행조건 20분 시점에서 가솔린 엔진은 실내 평균 온도 약 2.6°C, 히터코어 유입 온도는 약 10°C 개선되었고 디젤 엔진은 실내 평균 온도 약 4°C 개선 효과가 있었다.
4) 차량 Go-Stop 모드에서 냉방효과 검증을 위해 외기온 45°C 조건에서 설정 온도를 23°C, 인테이크는 강제 외기로 설정 후 평가한 결과 약 1.5°C의 실내 온도 개선 효과가 있었다.
3) 실차 냉난방 성능에서는 아이들 상태의 외기온 35°C 조건에서 차량 공조장치 설정 온도를 23°C, 인테이크는 강제 외기로 평가한 결과 초기 10분 후부터 약 1.5°C의 실내 온도 개선 효과가 있었다.
2) MPV 디젤 2200cc 엔진은 -30°C의 외부 공기 온도와 50km/h 주행 조건의 20분 시점에서 인테이크 도어 제어 유무에 따라 실내 평균 온도는 약 2.6°C, 히터코어 인입 온도는 약 10°C의 난방 성능 효과가 있었다.
디젤 엔진 아이들 상태 60분 조건에서는 약 6°C의 난방 성능 향상 효과가 있었다.
13과 같이 블로워 유닛의 6개소에 온도센서를 설치하여 외부의 차가운 공기가 속도에 따라 실내로 유입되는지 평가하였다. 결과는 Fig. 14와 같이 차속이 80km/h 이상일 경우에만 외부의 공기가 실내로 유입되는 것을 알 수 있었으며, 보다 악의 조건 평가를 위해 필터의 50%를 밀봉한 상태에서 평가한 결과 차속이 70km/h 이상일 때에 외부의 공기가 실내로 유입되었다.
6) 인테이크 도어 제어로직을 통하여 내외기 제어를 함으로써 기존의 플랩 도어를 삭제하여 원가 절감을 할 수 있으며, 플랩 도어 작동에 의한 소음 문제 및 차속에 의한 내외기 유입량의 상이 문제를 해결할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 에어컨 필터 케이스에 플랩 도어의 적용은 어떠한 문제를 발생시키는가?	3과 같이 에어컨 필터 케이스에 플랩 도어를 설치하여, 실제 차량들에 적용하고 있다. 그러나 이러한 플랩 도어의 적용은 HVAC 블로워 풍량이 높을 경우 효과를 발휘하나, 블로워 풍량이 적을 경우 러버(Rubber)의 자중에 의해 도어가 열리지 않아 그 효과가 작아지며, 특히 플랩이 케이 스를 때리면서 발생하는 “짤싹” 노이즈를 개선하기 위하여 실링(Sealing)제를 부착하여 원가가 증대되는 문제점이 발생하고 있다.
	HVAC에 인테이크 도어 제어로직을 적용하여 내외기 제어를 함으로써 얻을 수 있는 장점은 무엇인가?	6) 인테이크 도어 제어로직을 통하여 내외기 제어를 함으로써 기존의 플랩 도어를 삭제하여 원가 절감을 할 수 있으며, 플랩 도어 작동에 의한 소음 문제 및 차속에 의한 내외기 유입량의 상이 문제를 해결할 수 있었다.
	엔진 효율이 향상되면서 엔진 폐열이 줄어들게 되면 어떠한 문제점이 있는가?	최근 자동차 산업에서 연비가 중요시 되면서 엔진 효율은 크게 향상되었고, 이에 따라 에너지 소비로 나타나는 엔진 폐열이 줄어들게 되었다. 이러한 폐열의 부족은 차량 공조시스템의 난방성능 부족으로 이어지게 된다. 추운 날씨 조건에서 빠른 시간 안에 쾌적한 난방을 원하는 고객의 요구를 만족시키기 위해 각 자동차 회사에서는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터 및 연소식 히터 등의 보조히터를 적용하여 초기 퀵(Quick) 난방성능 확보를 위해 노력하고 있다.

참고문헌 (6)

J. D. Power, The Report of Initial Quality Study, 2009.
M. Hirota, H. Asano, H. Nakayama, T. Asano, K. Tada and S. Hirayama, "Turbulent Mixing of Hot and Cold Air in HVAC for Automobile Air Conditioning System," National Heat Transfer Symposium of Japan, pp.615-616, 2004.
M. Kazuhiko, "The Trend of Vehicle Air Conditioning System," Refrigeration, Vol.80, No.937, pp.977-983, 2005.
D. Huang, M. Wallis, E. Oker and S. Lepper, "Design of Vehicle Air Conditioning Systems Using Heat Load Analysis," SAE 2007-01-1196, 2007.
D. Harrison, "Air Conditioning System Utilizing Vehicle Waste Energy," SAE 2009-01-0543, 2009.
DENSO, Air Passage Switching Device, Inside/ Outside Air Switching Device for Vehicular Airconditioner, Japan Patent 2005-219679, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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