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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 경향을 고려, 시스템 개발 및 최적화에 앞서 엔진 자체의 성능 및 효율, 즉 bsfc를 개선하는 연구를 진행하였다. 하이브리드 굴삭기용 엔진의 성능 분석과 효율 개선을 위하여 1-D 엔진 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여, 특정 영역인 high idle 영역과 정격출력 영역의 연소 특성 및 bsfc를 분석하였다.
제안 방법
- 1) 하이브리드 굴삭기의 엔진 성능 평가 및 분석을 위한 하이브리드 굴삭기용 1-D 시뮬레이션 모델을 검증 및 개발하였다.
- 2) 기존의 굴삭기와 하이브리드 시스템 적용 시의 굴삭기의 운전특성을 분석한 후, 모델검증 및 성능 최적화를 고려한 운전영역을 선정하였다.
- 3) 하이브리드 굴삭기의 성능 개선 및 배기저감을 위하여 시스템에 적합한 배기재순환 시스템과 가변 형상 과급장치를 선정, 이를 개발된 1-D 시뮬레이션 모델에 적용하였다.
- bsfc 개선의 기준을 선정하기 위하여, 개선된 성능에 대하여 연료량을 저감하면서 IMEP를 기존의 모델과 동일하게 설정하였다. VGT의 개선과 다양한 인자들로 인하여 성능은 향상되었지만, 동등 수준의 성능을 유지하면서 bsfc를 최소화 할 수 있도록 시뮬레이션 하였다. 이로 인하여 bsfc 저감을 도출하였는데, 가장 큰 영향인자로는 VGT시스템의 개선을 들 수 있다.
- bsfc 개선의 기준을 선정하기 위하여, 개선된 성능에 대하여 연료량을 저감하면서 IMEP를 기존의 모델과 동일하게 설정하였다. VGT의 개선과 다양한 인자들로 인하여 성능은 향상되었지만, 동등 수준의 성능을 유지하면서 bsfc를 최소화 할 수 있도록 시뮬레이션 하였다.
- 각 작동점에서의 분사량을 기준으로 SFR을 구하였으며, 실제 적용된 인젝터 사양을 기반으로 적합한 인젝터 프로파일을 구현하였다.
- 하이브리드 굴삭기용 엔진의 성능 분석과 효율 개선을 위하여 1-D 엔진 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여, 특정 영역인 high idle 영역과 정격출력 영역의 연소 특성 및 bsfc를 분석하였다. 개발된 1-D 시뮬레이션에 엔진의 성능과 배기 저감을 위하여, EGR 모델과 VGT 모델을 추가로 적용하였으며, 이에 대한 성능을 평가하였다. 다음으로 최적화 기법을 통해 ECU 파라미터를 선정하고, 최종적으로 주 작동영역에서 엔진의 bsfc를 향상시키고자 성능을 동등수준으로 유지시키면서 연료를 저감시켜 bsfc를 개선하는 방법을 통해 bsfc 향상도를 평가하였으며, 엔진 모델을 제외한 하이브리드 굴삭기의 유압 및 시스템 제어 등 타 모델과의 연계성 및 영향은 고려하지 않았다.
- 기존에 적용된 WGT 대신 다양한 운전영역에서 과급 효과를 개선하기 위하여 VGT를 적용하였다. 이 역시 제조사의 도움을 받아 터빈과 컴프레서의 작동을 위한 맵을 취득하였으며, EGR 시스템을 고려하여, VGT 대상을 선정하였다.
- 최적화 기법에는 많은 방법이 있는데, 이 중에서 유전 알고리즘 14)과 NLPQL(Non-linear Programming by Quadratic Lagrangian algorithm)을 고려하였다. 다음으로 계산시간 및 수렴도를 반영하여 최종적으로 NLPQL을 활용하여 최적 인자를 도출하였다.
- 먼저 기존의 모델에 적용되었던 WGT 모델을 개발하여, 엔진 모델에 적용한 후 기초 성능을 평가하였다. 다음으로 신형 엔진에 적용되고 있는 VGT 모델을 제조사로부터 취득, 적용하여 주 운전영역에서 엔진효율을 향상시키는데 활용하였다.
- 개발된 1-D 시뮬레이션에 엔진의 성능과 배기 저감을 위하여, EGR 모델과 VGT 모델을 추가로 적용하였으며, 이에 대한 성능을 평가하였다. 다음으로 최적화 기법을 통해 ECU 파라미터를 선정하고, 최종적으로 주 작동영역에서 엔진의 bsfc를 향상시키고자 성능을 동등수준으로 유지시키면서 연료를 저감시켜 bsfc를 개선하는 방법을 통해 bsfc 향상도를 평가하였으며, 엔진 모델을 제외한 하이브리드 굴삭기의 유압 및 시스템 제어 등 타 모델과의 연계성 및 영향은 고려하지 않았다.
- 또한 기존 굴삭기에 비해 엔진 작동점이 변경되었기 때문에 이에 적합한 ECU 인자를 선정하는 것도 중요하다. 따라서 본 논문에서는 기존의 Tier 3에 적용되었던 WGT 대신 신형 VGT를 적용하고, 강화되는 배기 규제를 위하여 EGR을 추가 모델링 하였다. 다음으로 추가된 시스템과 이에 적합한 ECU 인자를 도출하기 위하여, Parmatetric analysis를 진행하고, 최적화 기법을 활용하여 최종 인자를 선정하였다.
- 따라서 이러한 하이브리드 굴삭기의 특성과 엔진 주 작동영역 분석을 통하여, 크게 두 개의 작동영역을 선정하였으며, 이는 high idle과 정격출력 영역이다.
- 본 논문에서는 제조사로부터 데이터를 제공받아 과급기 모델을 적용하였다. 먼저 기존의 모델에 적용되었던 WGT 모델을 개발하여, 엔진 모델에 적용한 후 기초 성능을 평가하였다. 다음으로 신형 엔진에 적용되고 있는 VGT 모델을 제조사로부터 취득, 적용하여 주 운전영역에서 엔진효율을 향상시키는데 활용하였다.
- 위에서 제시한 다양한 sub model을 기반으로 하이브리드 굴삭기용 1-D 엔진 시뮬레이션 모델을 개발 하였다. 모델의 신뢰성을 확보하기 위하여, 앞에서 언급한 두 운전조건에서 검증을 시행하였다. 그래프 및 테이블에서 언급할 ref는 검증의 기준이 될 시험데이터를 의미하며, Table 1에 언급한 엔진의 데이터로, 제조사로부터 제공받아 활용하였다.
- 목적함수를 기반으로 다양한 인자들의 경계조건을 선정한 후, 최적화를 진행하여 결과를 도출하였다. EGR의 경우 각 운전조건을 고려하여 경계조건을 변경하여 최적화를 수행하였다.
- 흡기밸브가 열린 시점부터 닫히는 시점까지 실린더 내부로 공기가 유입되게 되고, 이 구간 동안에 밸브 리프트와 유효 면적계산을 통하여 공기량이 결정되게 된다. 밸브를 지나는 공기 유량을 선정하기 위하여, 밸브 유효면적을 이용한 수식을 사용하여 계산하였다.13)
- 본 논문에서는 두 개의 파일럿 분사와 한 개의 메인 분사가 가능하도록 모델링 하였으며, 인젝터 사양은 제조사로부터 취득하여 적용하였다.
- 본 논문에서는 제조사로부터 데이터를 제공받아 과급기 모델을 적용하였다. 먼저 기존의 모델에 적용되었던 WGT 모델을 개발하여, 엔진 모델에 적용한 후 기초 성능을 평가하였다.
- EGR 모델은 배기부터 흡기까지의 유로를 구성하기 위한 파이프모델, 열교환기 모델로 구성되며, 재순환 되는 배기가스의 조건에 따라 High Pressure(HP)-EGR과 Low Pressure(LP)-EGR로 구분된다. 본 논문에서는 제조사의 도움을 받아 EGR 시스템을 구축하기 위한 열교환기 사양, 유로 정보등을 취득하여 모델링 하였으며, HP-EGR 시스템을적용하였다.
- 시뮬레이션 모델검증을 통해 개발된 하이브리드 굴삭기용 1-D 엔진 모델에 성능과 배기개선을 위해 EGR과 VGT 시스템을 도입하였다. 뿐만 아니라 기존 굴삭기 대비 운전영역이 변경되었기 때문에 이에 적합한 인자의 도출이 필요하다.
- 위에서 제시한 다양한 sub model을 기반으로 하이브리드 굴삭기용 1-D 엔진 시뮬레이션 모델을 개발 하였다. 모델의 신뢰성을 확보하기 위하여, 앞에서 언급한 두 운전조건에서 검증을 시행하였다.
- 이 역시 제조사의 도움을 받아 터빈과 컴프레서의 작동을 위한 맵을 취득하였으며, EGR 시스템을 고려하여, VGT 대상을 선정하였다. 이를 통해 기존모델에 EGR과 더불어 VGT 모델을 변경 및 추가하여 최적화에 활용하였다.
- 위의 결과에서 알 수 있듯이, 다양한 성능지수가주 운전영역에 대하여, 실험 결과와 유사함을 알 수 있다. 일부 값들의 오차로 인하여 정확한 실린더 내압을 모사할 수는 없으나, 다양한 연소특성을 반영하는 계수(점화지연, 난류강도 등)를 조절하여 실제 압력곡선과 유사하게 모사하였다. 이를 통하여 엔진의 성능을 평가할 수 있는 기초 모델을 개발하였으며, 이를 활용한 성능 향상도 평가는 다음 장에서 확인할 수 있다.
- 정확한 연료 분사를 모사하기 위해 몇몇 가정과 다양한 submodels을 활용하여 구성하였다. 연료 분사량은 분사압력, 분사시간 등의 함수로 나타낼 수 있으며, 이를 기반으로 인젝터 프로파일을 구성한다.
- 인젝터의 기계적 delay를 개선하여 duration을 줄임에 따라 성능에 좋은 영향을 끼쳤다. 추가로 운전조건에 적합하면서 가장 좋은 효율을 고려하여 vane의 개도량을 선정하였고, 분사시기는약 1CA 정도 변경되었다. 터보차져의 효율을 모두 고려하고, 이에 적합한 파라미터를 도출함에 따라, 흡기 유량이 크게 증가하였고, 최종적으로 bsfc 개선을 도출할 수 있었다.
- 본 논문에서는 최적 인자를 선정하기 위하여 NLPQL 기법을 사용하였는데, 이는 비 선형화된 문제를 풀기에 적합하며, 시간이 적게 걸리면서도 정확도 있는 결과를 도출하기 때문이다. 하이브리드 굴삭기 엔진모델의 최적화를 위하여 목적함수로 bsfc를 선정하였다.
- 하이브리드 굴삭기용 엔진모델을 개발하기 위하여 상용 프로그램인 AMESim을 이용하여 엔진 모델을 개발하였다. AMESim은 열관리 시스템, 유압 시스템 개발에 많이 활용되고 있으며, MATLAB/Simulink와도 동시에 시뮬레이션이 가능하다.
- 본 논문에서는 이러한 경향을 고려, 시스템 개발 및 최적화에 앞서 엔진 자체의 성능 및 효율, 즉 bsfc를 개선하는 연구를 진행하였다. 하이브리드 굴삭기용 엔진의 성능 분석과 효율 개선을 위하여 1-D 엔진 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 개발된 모델을 활용하여, 특정 영역인 high idle 영역과 정격출력 영역의 연소 특성 및 bsfc를 분석하였다. 개발된 1-D 시뮬레이션에 엔진의 성능과 배기 저감을 위하여, EGR 모델과 VGT 모델을 추가로 적용하였으며, 이에 대한 성능을 평가하였다.
대상 데이터
- 모델의 신뢰성을 확보하기 위하여, 앞에서 언급한 두 운전조건에서 검증을 시행하였다. 그래프 및 테이블에서 언급할 ref는 검증의 기준이 될 시험데이터를 의미하며, Table 1에 언급한 엔진의 데이터로, 제조사로부터 제공받아 활용하였다.
- 연소실 내부의 화염전파와 유동으로 인하여 reynolds 수가 바뀌게 되고, 이로 인하여 열전달 계수에 영향을 준다. 본 논문에서는 복사와 대류 열전달을 모두 고려하는 An nand 열전달 모델을 적용하였으며, 경계온도는 제조사로부터 값을 받아 기입하였다.
- 기존에 적용된 WGT 대신 다양한 운전영역에서 과급 효과를 개선하기 위하여 VGT를 적용하였다. 이 역시 제조사의 도움을 받아 터빈과 컴프레서의 작동을 위한 맵을 취득하였으며, EGR 시스템을 고려하여, VGT 대상을 선정하였다. 이를 통해 기존모델에 EGR과 더불어 VGT 모델을 변경 및 추가하여 최적화에 활용하였다.
데이터처리
- 4) 하이브리드 굴삭기의 연비 향상도를 평가하기 위하여 최적화 방법 중의 하나인 NLPQL을 사용하여 최적 파라미터를 도출한 후 bsfc 개선도를 평가하였다.
- 선정된 영역은 시뮬레이션 모델의 검증 영역으로 활용되었으며, bsfc 개선도 또한 이 영역에서 평가하였다.
이론/모형
- 따라서 본 논문에서는 기존의 Tier 3에 적용되었던 WGT 대신 신형 VGT를 적용하고, 강화되는 배기 규제를 위하여 EGR을 추가 모델링 하였다. 다음으로 추가된 시스템과 이에 적합한 ECU 인자를 도출하기 위하여, Parmatetric analysis를 진행하고, 최적화 기법을 활용하여 최종 인자를 선정하였다. 최적화 기법에는 많은 방법이 있는데, 이 중에서 유전 알고리즘 14)과 NLPQL(Non-linear Programming by Quadratic Lagrangian algorithm)을 고려하였다.
- 연소 모델은 유입된 연료로부터 열 발생량을 계산한 후 에너지 보존법칙을 통해 연소실 내의 압력과 온도를 구하는 과정을 수행한다. 본 논문에서는 현상학적 모델인 Barba 모델을 활용하여 연소실 내의 온도와 압력 등을 계산하였다. 현상학적 모델은 크게 증발모델, 점화지연 모델, 열전달 모델, 연소율 모델 등이 있다.
- 다단분사의 특성을 반영할 수 있으며, 예혼합 과정과 확산화염의 특징이 반영되었다. 점화지연의 경우 Arrhenius ignition delay 모델을 활용하였으며, 증발모델의 경우 간단히 d2-law를 따르며, 연소율의 경우 예혼합 부분과 확산화염이 생성되는 부분으로 나누어서 계산한다.
- 다음으로 추가된 시스템과 이에 적합한 ECU 인자를 도출하기 위하여, Parmatetric analysis를 진행하고, 최적화 기법을 활용하여 최종 인자를 선정하였다. 최적화 기법에는 많은 방법이 있는데, 이 중에서 유전 알고리즘 14)과 NLPQL(Non-linear Programming by Quadratic Lagrangian algorithm)을 고려하였다. 다음으로 계산시간 및 수렴도를 반영하여 최종적으로 NLPQL을 활용하여 최적 인자를 도출하였다.
- 연료 분사량은 분사압력, 분사시간 등의 함수로 나타낼 수 있으며, 이를 기반으로 인젝터 프로파일을 구성한다. 하지만, 데이터 취득의 한계로 인하여 본 논문에서는 Trapezoidal injection method를 이용하여 인젝터의 분사 프로파일을 구현하였다. 이 모델에서는 입력값으로 분사 시간과 SFR(Static Flow Rate)을 사용하였으며, 다음과 같은 수식을 기반으로 프로파일과 실제 분사량을 구현할 수 있다.
성능/효과
- 5) 최적화 결과, 터빈의 효율향상과 분사전략 수정 등으로 인하여 bsfc 및 연료소모량 저감을 도출하였다.
- 이로 인하여 bsfc 저감을 도출하였는데, 가장 큰 영향인자로는 VGT시스템의 개선을 들 수 있다. 기존의 WGT에 비하여 터빈의 효율이 크게 개선되었고, 이에따라 IMEP가 크게 향상되었으며, 최적화를 진행하지 않아도 동등 성능 기준, 약 4 % ~ 5 % 정도의 bsfc 개선 효과를 도출하였다. 뿐만 아니라 이를 하이브리드 시스템의 적용으로 인한 운전점 변화에 대한 ECU 인자들의 최적화가 이루어져 있지 않아 bsfc의 저감을 추가적으로 이룰 수 있었다.
- 이 알고리즘은 크게 두 가지 파트로 나눠지는데, 제어기를 통한 최적 파워 분배와 엔진 속도 제어기에 관한 알고리즘으로 나뉜다. 이러한 알고리즘 적용을 통해 서모스탯 컨트롤러 대비 약 2 % ~ 3 % 의 연비 개선 효과가 있음을 제안하였다. Lin 등11)은 하이브리드 굴삭기의 시스템에 dynamic-work-point 제어전략을 소개하였다.
- 추가로 운전조건에 적합하면서 가장 좋은 효율을 고려하여 vane의 개도량을 선정하였고, 분사시기는약 1CA 정도 변경되었다. 터보차져의 효율을 모두 고려하고, 이에 적합한 파라미터를 도출함에 따라, 흡기 유량이 크게 증가하였고, 최종적으로 bsfc 개선을 도출할 수 있었다. 하지만 특정도 개의 운전영역에서 시뮬레이션을 수행하였기 때문에 실제 연비 향상도를 평가하기에는 다소 무리가 있으며, 조건에 따라 변경될 수 있는 마찰 손실 및 벽면 열전달 시의 경계온도 등의 요소들은 반영할 수 없어 정확한 bsfc 개선 도출이라고 하기에는 무리가 있다.
후속연구
- 6) 향후 이 모델을 활용하면, 시스템 모델링과 연계하여 전체 에너지 흐름과 연비평가를 할 수 있을 것이다.
- 그렇지만 앞에서 말했듯이, 두 개의 작동영역이 굴삭기의 운전영역 중 많은 비중을 차지하기 때문에 충분히 연비 향상 효과를 가져다 줄 것으로 판단되며, 향후제어기를 비롯해 한과도 특성을 모사할 수 있는 모델과 연동하여 연비 평가를 수행할 예정이며, 엔진 제어전략, 시스템 제어전략을 수반하여 실제 하이브리드 굴삭기에 탑재하여 평가할 예정이다.
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