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A Study on CVT Efficiency Improvement in HEV using Thermal Management System
하이브리드 차량에서의 열 관리 모델을 융합한 무단변속시 효율 향상 방안에 관한 연구

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Authors
박민제
Advisor
민경덕
Major
지능형융합시스템학과
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 지능형융합시스템학과, 2012. 2. 민경덕.
Abstract
Recently, TMS (Thermal Management System) has received attention from researchers as a way to enhance both fuel economy and emissions. There is a lot of research focused on the engine but research on Thermal Management Systems that deal not only with the engine but also other powertrain systems, such as cooling system, lubrication system, etc, is lacking. In addition, TMS themselves have not been studied widely. As such, now it is important to direct some research efforts towards TMS. In using a TMS, the regions with the most improved efficiency are cold-start and discarding the unneeded part of the exhaust gas emission, which can save about 20~30% of the total chemical fuel energy. However, until recently it has been very difficult to get experimental data from real vehicles and then make accurate simulation models. Simulation models and our ability to acquire experimental data are better than a few years ago because of developments in technology. In addition, recently hybrid and electric vehicles have been the subject of strict regulations. Especially, those HEVs equipped with CVT (Continuously Variable Transmission) have the advantage of giving assistance to the power source motor and operate with an optimal operation line (OOL). In spite of these advantages, CVT has disadvantages in that its efficiency is lower than other transmission systems and its life is shorter. Thus, in this paper, a CVT transmission model is constructing using four kinds of modeling and the model efficiency is improved by using a waste heat recovery system.
Our model of the CVT consists of variable sub systems including thermal mass, heat transfer and friction models as well as a waste heat recovery model, which are used to analyze heat and predict temperature in the transmission.
The model introduced in the paper is focused on oil lubrication and temperature unlike previous research models. CVT loss energy is a heat source in the transmission that results in rising oil temperatures. Particularly, unlike engine oil and coolant, transmission oil temperature is raised slowly raised when vehicle starts, this can cause friction loss, especially in cold-start conditions. Therefore, each model in this paper takes this into account while assuming that the transmission and engine are a simple cylinder shape. Moreover, a heat exchanger is used in waste heat recovery systems for efficiency and weight. The integration model TTM (Transmission Thermal Management) consists of transmission and WHR (Waste Heat Recovery) systems developed in this research. The simulation results of the system were validated by experimental data and suggest methods to improve the efficiency of transmissions.
As a result, transmission efficiency is improved by about 1.4% and the CVT temperature is raised about 11°C in the UDDS driving mode meaning transmission losses are reduced by the nominal system and there is also a possibility of reduced fuel consumption. An integrated TTM model introduced in this research is expected to be the basis of more advanced research into this area
최근 열 관리 시스템(Thermal Management)은 차량의 연비와 배기 특성을 개선할 수 있는 중요한 방안으로서 관심의 대상이 되고 있다. 특히 엔진 부분의 정밀 엔진 제어, 신 연소 기법 등을 통한 엔진 자체에 초점이 맞추어진 연구는 광범위하게 이루어져 왔다. 하지만 최근에는 엔진과 파워트레인의 냉각계통까지 포함한 연구의 잠재성이 인정되었고 이를 통해 차량의 연비 및 배기특성 향상에 큰 효과를 가지고 있는 것으로 기대된다.
열 관리 시스템이란 버려지는 열의 효과적인 관리를 통해서 차량의 효율을 향상시키는데 초점이 맞추어져 있다.
현재의 열 관리 관련 연구 중 가장 효율 향상을 볼 수 있는 부분으로는 차량의 냉 시동 시 발생하는 손실에 관한 부분, 버려지는 배기가스 열 회수를 통한 부분 등 이 있다. 그러나 이러한 부분들이 실제로는 실험적 검증이 힘들뿐더러 시뮬레이션 모델을 개발하는 것도 쉽지 않다. 이러한 한계에도 불구하고 기술의 발달로 인하여 모델의 완성도는 높아지고, 실험적 검증도 조금씩 근접해져 가고 있다. 또한 최근 들어 연비와 배기가스 규제가 강화되면서, 대안으로 하이브리드 차량과 전기 자동차등이 연구의 화제가 되고 있다. 특히 CVT를 장착한 하이브리드 차량은 보조 동력원인 모터의 사용과 더불어 엔진을 최적 운전영역에서 운영할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 변속기 자체의 효율이 낮다라는 점과 손실이 많고 수명에 관한 문제 때문에 이를 개선하기 위한 연구도 활발하다.
기존의 많은 연구를 통해 많은 시뮬레이션 모델들이 구축되었는데, 이는 모두 동역학 적 관점을 반영하여 구현되었다. 하지만 최근에 추세를 볼 때 오일의 흐름이 주요하게 작용되는 변속기의 경우 열역학 적 관점에서 모델링 하는 것이 필요하게 되었다.
따라서 본 연구에서는 이러한 흐름을 반영하여 변속기 윤활 시스템에 관하여 모델을 구성하였으며, Heat recovery system을 이용하여 변속기 효율을 향상시키는 모델을 구연하였다. 이 모델은 윤활, 배기, thermal mass 모델을 통하여 구성되었고, 이러한 시스템을 통하여 변속기 내부에서 발생하는 열을 분석하고, 예측할 수 있도록 구축하였다.
본 연구에서 소개된 모델은 기존의 많은 CVT 모델들과는 다르게 오일의 윤활 및 온도에 초점을 맞추었다. CVT의 손실에너지는 대부분 열 에너지로 전환되기 때문에 오일 온도의 상승 정도를 분석하는 것은 CVT 효율을 전반적으로 반영한다고 볼 수 있다. 특히 엔진과는 다르게 오일의 온도가 많이 상승되지 않아 이에 의한 마찰 및 손실이 심화되고, 전반적으로 CVT 시스템에 효율에 영향을 주게 된다. 특히 이러한 영향은 온도가 낮은 냉 시동 시 큰 손실을 가져다 준다. 따라서 온도에 따른 마찰을 Friction 모델을 이용하여 모사하고, 단일한 파이프 모델을 응용하여 오일의 흐름을 단순화 하여 기존의 Friction에 따른 오일온도 상승을 구현하였다. 또한 온도가 낮은 경우, 즉 냉 시동시의 효율을 개선하기 위하여 버려지는 배기가스 에너지를 이용하는 배열 회수 시스템을 구성하였다. 기존의 여러 시스템 중 열 교환기를 사용하여 무게 대비 효과를 상승시켰고, 이를 이용하여 warm-up 시 오일온도를 상승시켜 CVT의 효율을 개선하고, 나아가 연비 개선의 가능성도 제시할 수 있는 통합모델을 구현하였다.
이 통합모델을 통하여 오일 온도는 약 11도, 효율은 약 1.4 % 를 향상시키는 결과를 가져다 주었다.
기존의 변속기 유압시스템, 구동 풀리 손실에 관한 초점을 벗어나 열 적 관점에서 모델링을 구현함에 따라 변속기에서 내부에서 발생하는 에너지 흐름을 분석할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 또한 본 연구에서 제시한 모델을 응용하여 엔진뿐 만 아니라 다양한 부분에서도 이러한 연구가 이루어 질 수 있을 것으로 기대된다.
Language
eng
URI
http://hdl.handle.net/10371/155628

http://dcollection.snu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001061
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Graduate School of Convergence Science and Technology (융합과학기술대학원)Dept. of Transdisciplinary Studies(융합과학부)Theses (Master's Degree_융합과학부)
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