건설기계 산업에서 배기 및 연비 규제를 만족하기 위하여 엔진 시스템이 점차 전자제어화 되고 있으며, 이를 제어하기 위한 EMS(Engine Management System)의 복잡도 또한 증가하고 있다. 본 연구에서는 EMS function 개발 시, 비용 및 개발기간의 단축을 위한 HiLS(Hardware in the Loop Simulation) 시스템을 개발하였다. HiLS 에 내장된 엔진 모델은 크게 Air, Fuel, Torque 및 동력계 모델로 구성되어있고 실시간 엔진 모사를 위하여 Mean value modeling 방법을 적용하였다. 이 연구를 통하여 개발한 HiLS 시스템은 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템과 Turbocharger 가 장착된 건설기계용 디젤엔진을 이용하여 정확성을 검증하였고, 테스트 결과 실 엔진 대비 90% 이상의 정확도를 얻었다.
건설기계 산업에서 배기 및 연비 규제를 만족하기 위하여 엔진 시스템이 점차 전자제어화 되고 있으며, 이를 제어하기 위한 EMS(Engine Management System)의 복잡도 또한 증가하고 있다. 본 연구에서는 EMS function 개발 시, 비용 및 개발기간의 단축을 위한 HiLS(Hardware in the Loop Simulation) 시스템을 개발하였다. HiLS 에 내장된 엔진 모델은 크게 Air, Fuel, Torque 및 동력계 모델로 구성되어있고 실시간 엔진 모사를 위하여 Mean value modeling 방법을 적용하였다. 이 연구를 통하여 개발한 HiLS 시스템은 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템과 Turbocharger 가 장착된 건설기계용 디젤엔진을 이용하여 정확성을 검증하였고, 테스트 결과 실 엔진 대비 90% 이상의 정확도를 얻었다.
Recently, the portion of electronic control in an engine system has been increasing with the aim of meeting the requirements of emissions and fuel efficiency of the engine system in the construction machinery industry. Correspondingly, the complexity of the engine management system (EMS) has increas...
Recently, the portion of electronic control in an engine system has been increasing with the aim of meeting the requirements of emissions and fuel efficiency of the engine system in the construction machinery industry. Correspondingly, the complexity of the engine management system (EMS) has increased. This study developed an engine HiLS system for reducing the cost and time required for function development for the EMS. The engine model for HiLS is composed of air, fuel, torque, and dynamometer models. Further, the mean value method is applied to the developed HiLS engine model. This model is validated by its application to a heavy-duty diesel engine equipped with an exhaust gas recirculation system and a turbocharger. Test results demonstrate that the model has accuracy greater than 90 and also verify the feasibility of the virtual calibration process.
Recently, the portion of electronic control in an engine system has been increasing with the aim of meeting the requirements of emissions and fuel efficiency of the engine system in the construction machinery industry. Correspondingly, the complexity of the engine management system (EMS) has increased. This study developed an engine HiLS system for reducing the cost and time required for function development for the EMS. The engine model for HiLS is composed of air, fuel, torque, and dynamometer models. Further, the mean value method is applied to the developed HiLS engine model. This model is validated by its application to a heavy-duty diesel engine equipped with an exhaust gas recirculation system and a turbocharger. Test results demonstrate that the model has accuracy greater than 90 and also verify the feasibility of the virtual calibration process.
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문제 정의
기존의 상용 엔진 모델의 경우, 다양한 목적에 맞도록 자유롭게 모델의 복잡도를 설정하기 어려운 단점이 있다. 따라서 이 연구에서는 이러한 문제점 및 자유도를 해결하고자 독자 모델을 개발하였다.
본 모델에서는 토크 계산을 평균유효압력을 바탕으로 차후 다른 엔진 적용 시 여러 가지 이점이 있도록 하였다. 예를 들어, 실린더 개수가 변경되어 배기량이 변하는 경우에 배기량 및 실린더 개수에 대한 정보만 변경하면 추가적인 모델 수정이 필요 없도록 하였다.
본 연구에서는 HiLS 용 엔진 모델의 독자 개발을 통하여 모델의 자유도를 높이고 외부 업체에 대한 의존도를 낮추어 개발 비용 및 시간을 절감 할 수 있도록 하였다.
본 절에서는 모델기반 공기량 제어기(3-5) 개발시 HiLS 를 사용하여 전체 개발 시간을 단축한 사례를 소개한다. Fig.
본 절에서는 엔진 HiLS 시스템을 이용하여 건설장비 유압 시스템 매칭 시뮬레이션과 EMS function 개발 시 활용한 사례를 소개한다.
이 논문은 건설기계용 디젤엔진 모델을 탑재한 HiLS 시스템을 구축하고, 이를 적용한 사례를 소개하고 있다. 본 연구를 통하여 얻은 결론 및 요약은 다음과 같다.
3 에서 보는 바와 같이 Turbocharger, EGR 밸브, Intercooler, EGR 쿨러 등 다양한 요소 부품들로 이루어져 있다. 이 연구에서는 흡기/배기 유로 내 각 요소 부품을 흐르는 gas 의 온도, 압력, 유량을 실시간으로 계산하기 위하여 air system 에 대한 mean value 모델을 도출하였다. Fig.
제안 방법
(1) 건설기계 디젤엔진을 모사하는 HiLS 개발을 통해 EMS function 개발 및 검증할 수 있는 환경을 구축하였다.
(3) HiLS 용 torque 모델은 물리적인 경향성을 바탕으로 MEP 및 LHV 기반의 모델로 설계하여 엔진의 여러 입력 조건에 따른 torque estimation 이 가능하도록 하였다.
본 연구에서 개발한 torque 모델은 식 (10)과 같이 분사된 연료량, LHV 및 torque efficiency 을 바탕으로 IMEP 를 계산한다. Torque efficiency 는 엔진 회전 속도, AFR(air fuel ratio), 연료분사시기, Rail pressure 및 냉각수 온도에 의하여 결정되도록 모델링 하였으며, 이 때에 LHV 값은 디젤연료에 해당 하는 42.7 J/mg 을 사용하였다.
개발한 모델의 정확성을 검증하기 위하여 약 200 포인트의 정상상태 운전 조건에서 동력계 계측 값과 모델에서 계산한 값들을 비교하였다. 검증 조건은 건설장비의 주요 운전 구간인 1,400 - 1,800 rpm, 중부하부터 고부하까지의 다양한 운전조건을 선택하였다. Fig.
동력계와 동일한 시험 환경을 모사하기 위하여 4 가지 동력계 제어 모드(Idle, N/T, N/Alpha, T mode)를 구현하였다. 또한, PI gain tuning 의 자유도를 높여 안정적인 동력계 제어가 가능하도록 하였다.
동력계와 동일한 시험 환경을 모사하기 위하여 4 가지 동력계 제어 모드(Idle, N/T, N/Alpha, T mode)를 구현하였다. 또한, PI gain tuning 의 자유도를 높여 안정적인 동력계 제어가 가능하도록 하였다.
예를 들어, 실린더 개수가 변경되어 배기량이 변하는 경우에 배기량 및 실린더 개수에 대한 정보만 변경하면 추가적인 모델 수정이 필요 없도록 하였다. 또한, 실린더 개수와 배기량 및 실린더 형상이 모두 변경되는 경우에도 배기량 및 실린더 개수에 대한 정보 변경만으로도 일반적인 엔진의 물리적인 특성을 반영하여 토크를 계산할 수 있도록 모델링 하였다.
본 연구에서 개발한 HiLS 시스템은 Fig. 1 과 같이 크게 Host PC, 엔진 모델, EMS(Engine Management System), Diagnosis & Calibration tool 및 HiLS hardware 로 구성되어 있다.
본 연구에서는 굴삭기의 급부하 입력 변화에 대한 RPM droop 시뮬레이션을 수행하였고 결과는 Fig. 11 과 같다. HiLS 를 사용하여 엔진과 유압 시스템의 동특성을 실시간으로 예측할 수 있었다.
엔진의 여러 입력 조건에 따른 torque 변화를 모사할 수 있도록 MEP(Mean Effective Pressure)와 디젤 연료의 LHV(Low Heating Value)를 기반으로 하는 torque 모델을 개발하였다. 본 모델의 물리적인 흐름은 Fig.
이 연구에서 개발한 엔진 HiLS 시스템은 ETAS사의 HW 와 SW 를 사용하였으며 구체적인 사양 및 구성은 아래 Table 1 과 같다.
Intercooler 와 EGR cooler 는 열교환기의 한 종류로, 작동유체의 온도를 낮추어 유체의 밀도를 높이는 장치이다. 이 연구에서는 mean value 엔진 모델링 분야에서 많이 사용되고 있는 열교환 모델을 적용하여 Intercooler 와 EGR cooler 를 모델링 하였다.
대상 데이터
Torque 모델의 검증은 동력계에서 측정한 672포인트 정상상태 데이터를 이용하였다. 검증 데이터 중 IMEP 와 PMEP 는 연소해석기 측정값을 이용하였고, BMEP 는 동력계에서 측정한 값을 사용하였으며 FMEP 는 “FMEP = IMEP - BMEP - PMEP” 의 식으로부터 계산한 값을 사용하였다.
데이터처리
개발한 모델의 정확성을 검증하기 위하여 약 200 포인트의 정상상태 운전 조건에서 동력계 계측 값과 모델에서 계산한 값들을 비교하였다. 검증 조건은 건설장비의 주요 운전 구간인 1,400 - 1,800 rpm, 중부하부터 고부하까지의 다양한 운전조건을 선택하였다.
검증 데이터 중 IMEP 와 PMEP 는 연소해석기 측정값을 이용하였고, BMEP 는 동력계에서 측정한 값을 사용하였으며 FMEP 는 “FMEP = IMEP - BMEP - PMEP” 의 식으로부터 계산한 값을 사용하였다.
이론/모형
본 모델은 bulk modulus 방정식을 사용하여 식 (7)과 같이 rail pressure 를 계산한다. Rail 내부의 작동유체는 액체이기 때문에 체적탄성률 k 는 rail pressure 에 의한 함수로 구현하였다.
성능/효과
(2) Air system 모델과 fuel system 모델을 정확성을 검증한 결과, 실 엔진 대비 90% 이상의 모사 정확도를 확인 하였다.
(4) 본 연구에서 개발한 HiLS 시스템을 활용하여 모델기반 공기량 제어기를 개발하였고 엔진-유압 시스템 매칭 시뮬레이션을 수행하여 비용과 시간 단축 할 수 있는 가능성을 제시 하였다.
(5) HiLS 시스템을 이용하여 향후 신규 엔진 개발 시 엔진 특성 예측, 고장진단, 제어기, virtual calibration process 등의 다양한 분야에서 적용가능성을 확인하였다.
3) 상용 모델은 초기 구매 비용이 발생하고 새로운 요소부품 추가 시 모델을 수정하는데 추가비용이 발생한다. 이로 인해 개발 비용 및 기간이 증대되는 단점이 있다.
Fuel system 과 동력계 모델의 독자화를 통해 상용 모델에서 발생하던 문제를 모두 해결하였고 개발의 자유도를 높였으며 보다 안정적인 토크 및 레일 압력의 모사를 가능하게 하였다. 본 연구에서 개발한 fuel system 과 동력계 모델의 물리적인 흐름은 Fig.
7 은 200 개 운전조건에서 모델을 검증한 결과를 보여주고 있다. R-square 기준으로 90% 이상의 정확도를 보이고 있으며 이는 엔진 HiLS 의 주요 용도인 제어기 function 개발 및 검증에 적합한 수준의 정확도 요구사항을 만족한다.
12, 13 에서 보는 바와 같이 HiLS 검증 결과와 동력계 검증 결과가 유사한 경향을 보여주고 있다. 이는 제어시스템 개발 시 동력계 검증에 앞서 HiLS 상에서 기능 검증, 튜닝 등의 수 많은 테스트를 진행할 수 있고, 결과적으로 제어시스템 개발 시간을 단축할 수 있다는 사례를 보여주고 있다.
정상상태 검증에 이어, 과도운전 상태에서 ECU와 연동하여 모델 정확도를 검증한 결과, Fig. 8 에서와 같이 실 엔진의 과급 압력과 공기량의 동적거동을 90% 이상의 정확도로 모사하는 것을 확인하였다.
후속연구
2) 단순 equation 및 룩업테이블을 이용하여 만들어진 일부 상용 모델은 수백 가지의 엔진 요소부품과 다양한 엔진의 특성을 모사하는데 한계가 있다.
기존에는 엔진 유압 시스템의 매칭을 위해서 여러 종류의 펌프들을 장착해보고 실작업 모드 테스트 및 연비테스트를 하는 등 많은 시간과 비용이 소모되었다. 따라서 장비 테스트를 수행하기 전에 시뮬레이션을 통하여 매칭 결과를 예측할 수 있다면 시간과 비용을 단축할 수 있을 것이다.
참고문헌 (6)
Wu, H., Zhang, H., Motevalli, V., Qian, Y. and Wolfe, A., 2013, "Hybrid Electric Vehicle Powertrain Controller Development Using Hardware in the Loop Simulation," SAE 2013-01-0156.
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Yoon, Y. S., Choi, S. B., Ko, M. S. and Lim, J. H., 2010, "Simplified Turbocharged Diesel Engine Air Path Modeling and Control Using Sliding Mode Controllers," Annual Conference Proceedings Korean Soc. Mech. Eng., pp. 60-68.
Kim, S. Y., Jin, H. M., Choi, S. B. and Ko, M. S., 2013, "Development of an Adaptation Law for Controlling EGR & VGT Based Diesel Engine," Annual Conference Proceedings Korean Soc. Mech. Eng., pp. 60-68.
Oh, B. G., Park, K. M., Ko, M. S., Jin, H. M. and Choi, S. B., 2013, "Development of Hardware-in-the-Loop Simulator for a Heavy-Duty Commercial Diesel Engine," KSAE Spring Conference Proceedings, p. 7.
Kao, M. and Moskwa, J., 1995, "Turbocharged Diesel Engine Modeling for Nonlinear Engine Control and State Estimation," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 117, p. 20.
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