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문제 정의
- 이러한 현상은 엔진 ECU에서 오류 코드를 생성할 수 있기 때문에 OBD CAN 통신을 적용하기로 결정하였다. 또한 연료압력 맵은 OBD CAN 통신 오류에 대응할 수 있도록 활용하고자 한다.
- 7,8) 이는 고압의 연료를 생성하기 위한 연료펌프, 고출력의 모터, 배터리 용량 그리고 고효율의 발전 시스템이 요구됨에 따라 지금까지 충분한 연구가 진행되지 않았던 것으로 예상된다. 본 연구에서는 연료펌프를 개발할 기술적 한계를 극복하기 위하여 엔진에 장착되는 연료펌프에 전기구동 시스템을 적용하는데 의미를 부여하고자 한다.
- 일반적인 디젤엔진의 연료 분사장치는 주로 인라인(In-line) 펌프방식의 연료펌프와 분사압력을 얻기 위해 캠 구동장치가 사용되었으나, 배출가스 규제가 강화되면서 이를 만족하기 위해 고압의 연료 분사 시스템이 요구되고 전자 제어식 커먼레일 분사시스템이 적용되었다. 이 시스템은 기존 기계식과 달리 고압의 연료를 형성하고 전자 제어방식으로 제어의 자유도가 커짐에 따라 엔진 회전수에 관계없이 연비향상과 배출가스 저감의 핵심 요소인 분사압력, 분사량, 분사율, 분사시기 등을 독립적인 제어를 가능케 한다.1)
- 이 연구는 6 리터급 디젤엔진(현대자동차, D6GA)에 장착되는 덴소의 연료 분사시스템을 대상으로 목표 연료압력에 도달할 수 있도록 저･고압 일체형 연료펌프를 구동하는데 소모되는 구동에너지를 최소화하고 이를 위해 전기구동 시스템을 적용하고자 한다. 전기구동식 연료펌프를 개발하는 과정에서 비용과 시간을 단축하기 위하여 HILS 기술을 이용하였다.
제안 방법
- 1) 연료펌프의 구동토크를 예측하고자 1D 해석 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 모델링을 수행하였다. 연료 토출압력이 1,500 bar일 때 최대 구동 토크는 36 Nm의 시뮬레이션 결과를 얻었다.
- 2) 엔진 부하에 따라 연료압력 맵을 이용한 영향도 분석 및 엔진 ECU와 OBD CAN 통신을 이용하여 목표 압력 값을 도달할 수 있도록 P 제어기를 이용한 제어로직을 설계하였다.
- 전기구동식 연료펌프를 개발하는 과정에서 비용과 시간을 단축하기 위하여 HILS 기술을 이용하였다. AMESim으로 연료 공급시스템을 모델링하여 연료 분사펌프의 구동토크 및 송출유량을 분석하고 그 결과를 토대로 분사펌프의 구동에 적합한 서보모터와 감속기는 선정되었다. MCU(Texas Instruments, TMS320F28335)를 이용하여 서보모터를 제어하고 엔진 ECU로부터 OBD-II CAN 통신을 이용하여 목표 연료압력을 추종할 수 있도록 P 제어기를 설계하여 커먼레일의 연료압력을 제어하였다.
- Fig. 6은 엔진 부하에 따라 연료 압력을 제어할 때 모터 제어기의 메모리에 엔진 거동에 따라 요구되는 연료압력에 대해 맵을 이용하는 방식과 엔진 ECU와 직접 통신을 통해 요구되는 연료의 압력정보를 요청하는 OBD CAN 통신 방식 중 효율적인 압력제어 방법을 선택하기 위하여 실험을 통해 분석하였다. 엔진 ECU와 OBD CAN 통신을 통하여 획득한 목표 압력 값을 추종한 결과를 비교해 볼 때 큰 차이는 보이지 않지만 정상상태에서 맵 데이터가 추출되었기 때문에 불일치한 부분이 발생하고 있다.
- HILS 환경을 이용하여 전기구동식 연료펌프의 구동을 위해 제어기를 개발하고 목표 연료압력에 도달할 수 있도록 제어로직을 개발하였다. 또한 전기구동식 연료펌프의 성능을 검증하였다.
- AMESim으로 연료 공급시스템을 모델링하여 연료 분사펌프의 구동토크 및 송출유량을 분석하고 그 결과를 토대로 분사펌프의 구동에 적합한 서보모터와 감속기는 선정되었다. MCU(Texas Instruments, TMS320F28335)를 이용하여 서보모터를 제어하고 엔진 ECU로부터 OBD-II CAN 통신을 이용하여 목표 연료압력을 추종할 수 있도록 P 제어기를 설계하여 커먼레일의 연료압력을 제어하였다. 개발된 전기구동식 연료펌프의 성능을 검증하는데 필요한 시험장치를 제작하고 다양한 엔진 운전조건에서 필요한 연료의 유량은 펌프속도를 제어하여 공급할 수 있었다.
- 거동 해석에 적용된 디젤 연료의 밀도, 체적계수 그리고 음속은 단열 조건으로 적용되며, ISO 4113의 연료특성을 적용하였다.
- 7과 같이 구동시스템을 구성하였다. 그리고 인젝터에서 연소실에 분사되는 연료량과 연료탱크로 회송되는 양을 재현하기 위하여 한 개의 인젝터와 유량 조절을 위한 니들 밸브를 설치하여 회송되는 유량을 재현하였다. 여기서 공급된 연료는 인젝터에 의해 분사되지 않는 조건이다.
- 서보모터의 제어기는 키 온(key on) 상태에서 엔진 ECU와 초기에 통신 상태를 확인하고 엔진 ECU에 오류를 삭제하는 명령어를 전달한다. 다음으로 엔진 스타트 신호가 입력되면 연료의 목표/ 현재 압력 값을 요청하도록 프로그램을 설계하였다. 또한, 목표 연료압력에 도달하기 위해서 엔진 ECU로부터 현재 연료압력과 목표 압력을 비교하여 압력차가 제로에 근접하도록 P 제어기를 적용하였다.
- 시뮬레이션이 수행되는 시간과 하드웨어의 실제 동작 절차를 고려하여 차량에서의 운전자 동작이 순차적으로 수행되도록 모델링하였다. 또한 엔진 ECU에서 내부 메모리의 오류 코드를 삭제하기 위한 명령어를 CAN 통신을 이용하여 전송하도록 하였다.
- HILS 환경을 이용하여 전기구동식 연료펌프의 구동을 위해 제어기를 개발하고 목표 연료압력에 도달할 수 있도록 제어로직을 개발하였다. 또한 전기구동식 연료펌프의 성능을 검증하였다.
- 5와 같이 DSP를 사용하여 모터 제어기를 개발하였다. 또한, 개발자의 편의성을 위하여 CAN 프로토콜 명령어를 정의하고 실시간 동작 상태 및 연료 압력을 모니터링 할 수 있도록 프로그램을 설계하였다.
- 다음으로 엔진 스타트 신호가 입력되면 연료의 목표/ 현재 압력 값을 요청하도록 프로그램을 설계하였다. 또한, 목표 연료압력에 도달하기 위해서 엔진 ECU로부터 현재 연료압력과 목표 압력을 비교하여 압력차가 제로에 근접하도록 P 제어기를 적용하였다.
- 서보모터의 속도를 제어하고 목표 연료압력에 도달하도록 제어로직을 설계하였으며, 현재 SCV duty와 목표 duty를 비교하여 20%에 가깝게 서보모터를 제어함으로써 연료의 회송량이 감소되도록 구현되었다.
- C사의 TruckSim을 사용하였고, 사용자 인터페이스에 대한 시스템 제어모델 및 엔진 모델은 Matlab/simulink 를 활용하였다. 시뮬레이션이 수행되는 시간과 하드웨어의 실제 동작 절차를 고려하여 차량에서의 운전자 동작이 순차적으로 수행되도록 모델링하였다. 또한 엔진 ECU에서 내부 메모리의 오류 코드를 삭제하기 위한 명령어를 CAN 통신을 이용하여 전송하도록 하였다.
- 엔진 ECU와 OBD CAN 통신을 이용하여 정보 획득 및 연료 공급을 위한 펌프의 구동 시스템을 제어하기 위해서 Fig. 5와 같이 DSP를 사용하여 모터 제어기를 개발하였다. 또한, 개발자의 편의성을 위하여 CAN 프로토콜 명령어를 정의하고 실시간 동작 상태 및 연료 압력을 모니터링 할 수 있도록 프로그램을 설계하였다.
- 엔진 아이들 상태의 연료압력에 대한 경향을 분석하기 위하여 엔진 동력계를 이용한 엔진 시험을 수행하였다. 시험 엔진은 대상 엔진보다 배기량이 작은 F 엔진이며, Euro-5 대응 EGR 및 후처리 기술 등이 동일하게 적용된 엔진이다.
- 연료펌프를 구동할 모터의 용량을 선정하기 위해 연료펌프의 거동 해석을 준비하는 과정에서 우선적으로 연료펌프에 대한 3D 모델링을 수행하고 ADAMS 해석을 통하여 피스톤이 축 방향으로 움직이는 행정과 편심량을 Fig. 2와 같이 모델링 해석을 통하여 Table 1과 같이 도출하였다. 저압과 고압펌프에서 이송되는 연료의 양과 생성되는 연료압력 그리고 목표 연료압력에 도달하기 위해서 필요한 구동토크를 예측하고자 1D 해석 소프트웨어인 AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulaiton of Engineering System)을 사용하였다.
- 위의 시험결과를 반영하여 HILS 시스템과 연동된 상태에서 아이들 제어 시험을 수행하였다. Start on 신호가 4~7초 사이에 입력되면 아이들 상태로 진입하고 연료펌프의 구동 속도를 150rpm으로 유지하다가 실제 연료압력이 550 bar를 넘는 순간 목표 압력을 추종하도록 제어된다.
- 토출 압력은 대략 1,500 bar이며, 구동 토크는 37 Nm의 시뮬레이션 결과를 얻었다. 이 결과를 토대로 연료펌프를 구동하기 위한 서보모터를 선정하였다.
- 연료 압력의 상승곡선을 분석해 볼 때 아이들 초기에는 연료압력이 800 bar 근처까지 상승함을 알 수 있으며, 실제 연료압력이 이를 신속하게 추종하고 SCV duty는 20~60%의 동작범위에서 대략 49%로 제어됨을 알 수 있었다. 이 시험 결과에서 보여준 연료압력의 제어 패턴을 반영하여 전기구동식 연료펌프를 개발하는데 사용하였다.
- 엔진 ECU와 OBD CAN 통신을 통하여 획득한 목표 압력 값을 추종한 결과를 비교해 볼 때 큰 차이는 보이지 않지만 정상상태에서 맵 데이터가 추출되었기 때문에 불일치한 부분이 발생하고 있다. 이러한 현상은 엔진 ECU에서 오류 코드를 생성할 수 있기 때문에 OBD CAN 통신을 적용하기로 결정하였다. 또한 연료압력 맵은 OBD CAN 통신 오류에 대응할 수 있도록 활용하고자 한다.
- 전기구동식 연료펌프의 성능 시험을 수행하기 전 연료압력에 대한 펌프의 구동토크를 조사하였다. Fig.
- 11은 모터의 구동토크에 대한 연료의 토출압력을 나타내고 있다. 펌프는 300 rpm의 일정한 속도로 유지되며 엔진부하를 조절하면서 생성된 연료압력에 따른 모터에 인가되는 부하를 서보 인버터에서 제공하는 통신 데이터를 이용하여 측정하였다. 연료압력은 선형적인 증가를 보이며 1,400 bar에 도달하기 위한 구동토크는 대략 36 Nm으로 측정이 되고 앞에서 수행된 AMESim 거동 해석의 결과와 비교할 때 오차가 크지 않다는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- 엔진 아이들 상태의 연료압력에 대한 경향을 분석하기 위하여 엔진 동력계를 이용한 엔진 시험을 수행하였다. 시험 엔진은 대상 엔진보다 배기량이 작은 F 엔진이며, Euro-5 대응 EGR 및 후처리 기술 등이 동일하게 적용된 엔진이다.
이론/모형
- 과도운전 상태에서 연료압력을 제어하는 성능을 평가하고자 ECE 도시 운전모드와 EUDC모드로 구성된 NEDC(new European driving cycle)시험법을 이용하였다. Fig.
- 본 연구에서 차량 시뮬레이션을 수행하기 위해 M.S.C사의 TruckSim을 사용하였고, 사용자 인터페이스에 대한 시스템 제어모델 및 엔진 모델은 Matlab/simulink 를 활용하였다. 시뮬레이션이 수행되는 시간과 하드웨어의 실제 동작 절차를 고려하여 차량에서의 운전자 동작이 순차적으로 수행되도록 모델링하였다.
- 2와 같이 모델링 해석을 통하여 Table 1과 같이 도출하였다. 저압과 고압펌프에서 이송되는 연료의 양과 생성되는 연료압력 그리고 목표 연료압력에 도달하기 위해서 필요한 구동토크를 예측하고자 1D 해석 소프트웨어인 AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulaiton of Engineering System)을 사용하였다.
- 이 연구는 6 리터급 디젤엔진(현대자동차, D6GA)에 장착되는 덴소의 연료 분사시스템을 대상으로 목표 연료압력에 도달할 수 있도록 저･고압 일체형 연료펌프를 구동하는데 소모되는 구동에너지를 최소화하고 이를 위해 전기구동 시스템을 적용하고자 한다. 전기구동식 연료펌프를 개발하는 과정에서 비용과 시간을 단축하기 위하여 HILS 기술을 이용하였다. AMESim으로 연료 공급시스템을 모델링하여 연료 분사펌프의 구동토크 및 송출유량을 분석하고 그 결과를 토대로 분사펌프의 구동에 적합한 서보모터와 감속기는 선정되었다.
성능/효과
- 3) 전기구동식 연료펌프의 구동시스템의 성능을 평가하기 위해 NEDC 모드를 이용하여 시뮬레이션한 결과 과도운전 상태에서도 연료압력은 오차없이 잘 제어되고 있으며, SCV duty도 대략 45% 유지와 고부하 영역에서는 20% 근처까지 제어되고 있다. 연료펌프의 속도는 350 rpm이하로 비교적 저속으로 동작하는 결과를 볼 때 저 전력 운전이 가능하다고 기어로 구동되는 연료펌프보다 적은 에너지로 구동이 가능하며 85%의 구동 에너지를 저감할 수 있다.
- 하지만 목표 연료압력을 추종할 때 불안정한 상태가 발생되는데 이유는 감속비와 Cavitation 발생을 고려하여 구동모터의 속도를 100 rpm 이상으로 제한시킨 것과 인젝터에서 연료를 분사하지 않는 조건으로 펌프는 저속 운전으로 구동되기 때문이다. SCV duty는 45% 이내로 제어됨에 따라 엔진 시험결과와 거의 일치함을 확인 할 수 있었다.
- MCU(Texas Instruments, TMS320F28335)를 이용하여 서보모터를 제어하고 엔진 ECU로부터 OBD-II CAN 통신을 이용하여 목표 연료압력을 추종할 수 있도록 P 제어기를 설계하여 커먼레일의 연료압력을 제어하였다. 개발된 전기구동식 연료펌프의 성능을 검증하는데 필요한 시험장치를 제작하고 다양한 엔진 운전조건에서 필요한 연료의 유량은 펌프속도를 제어하여 공급할 수 있었다.
- 연료압력은 오차가 거의 없이 잘 제어되고 있고 SCV duty도 대략 45% 유지와 가속 구간 및 고부하 영역에서는 20% 근처까지 제어되고 회송되는 연료량은 감소했다. 또한 연료펌프를 구동하는 모터의 속도는 300~1000 rpm 범위에서 운전되고 있으며 감속비를 고려하면 연료펌프의 속도는 350 rpm이하에서 구동되기 때문에 비교적 저속 운전과 동시에 저전력 운전이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다.
- 14는 수동 모드로 엔진 속도와 부하량(가속 페달)을 증가시키며 목표 연료압력을 잘 추종하는지 여부를 시험한 결과이다. 아이들 상태에서 빠져나갈 때 신속하게 목표 연료압력을 추종하지 못하는 부분을 제외하고는 중･고부하 영역에서는 잘 제어됨을 확인 할 수 있었다. SCV duty는 아이들 상태에서의 45%에서 35% 이내까지 감소함을 확인할 수 있었고 그만큼 회송되는 연료량이 감소했다는 의미로 볼 수 있다.
- 엔진의 구동 초기에 실제 압력이 목표압력 및 엔진 속도보다 먼저 상승하는 결과를 볼 수 있는데, 이는 엔진 동력계에 의한 구동시점과 엔진 ECU에서 인식된 cranking 시점을 OBD CAN 통신으로 취득함에 따라 시간지연이 발생한 것으로 판단된다. 연료 압력의 상승곡선을 분석해 볼 때 아이들 초기에는 연료압력이 800 bar 근처까지 상승함을 알 수 있으며, 실제 연료압력이 이를 신속하게 추종하고 SCV duty는 20~60%의 동작범위에서 대략 49%로 제어됨을 알 수 있었다. 이 시험 결과에서 보여준 연료압력의 제어 패턴을 반영하여 전기구동식 연료펌프를 개발하는데 사용하였다.
- 1) 연료펌프의 구동토크를 예측하고자 1D 해석 소프트웨어인 AMESim을 사용하여 모델링을 수행하였다. 연료 토출압력이 1,500 bar일 때 최대 구동 토크는 36 Nm의 시뮬레이션 결과를 얻었다.
- 3) 전기구동식 연료펌프의 구동시스템의 성능을 평가하기 위해 NEDC 모드를 이용하여 시뮬레이션한 결과 과도운전 상태에서도 연료압력은 오차없이 잘 제어되고 있으며, SCV duty도 대략 45% 유지와 고부하 영역에서는 20% 근처까지 제어되고 있다. 연료펌프의 속도는 350 rpm이하로 비교적 저속으로 동작하는 결과를 볼 때 저 전력 운전이 가능하다고 기어로 구동되는 연료펌프보다 적은 에너지로 구동이 가능하며 85%의 구동 에너지를 저감할 수 있다.
- 이 연구의 대상인 연료 분사펌프의 전동화 사례를 조사해본 결과, 고압 연료분사 펌프의 전동화에 대한 선행연구는 없지만 5 bar 이하 저압의 소형 연료펌프를 대상으로 모터나 펌프의 형식과 전기자 구조 변경을 통한 효율과 성능에 대한 내용만 찾아볼 수 있었다.7,8) 이는 고압의 연료를 생성하기 위한 연료펌프, 고출력의 모터, 배터리 용량 그리고 고효율의 발전 시스템이 요구됨에 따라 지금까지 충분한 연구가 진행되지 않았던 것으로 예상된다.
- 17은 엔진구동에 따라 기어로 구동되는 연료펌프와 전기 구동식 연료펌프의 구동 에너지를 비교한 결과이다. 저속 및 저 전력으로 구동되는 연료펌프는 기어로 구동되는 연료펌프보다 적은 에너지로 구동이 가능하며 85%의 에너지를 저감할 수 있다는 결론을 얻었다.
후속연구
- 전기구동식 연료펌프는 엔진과 독립적으로 제어하기 때문에 엔진의 구동 에너지손실을 줄이고 요구되는 연료압력에 해당하는 연료를 공급함으로써 펌프 구동 에너지를 저감할 수 있었다. 향후 인젝터에서 연료를 분사할 수 있도록 시험 장치를 보완하고 발전기의 전기에너지 생성에 따른 엔진의 구동 에너지 손실을 고려한 에너지 효율향상 측면에 대하여 연구를 진행할 예정이다.
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