Study on the Improvement in Fuel Economy with the Waste Heat Recovery System in Heavy-duty Series HEVs

Abstract

최근 원유 가격의 지속적인 상승과 강력한 배기 규제가 자동차 산업에서 큰 화두가 되고 있다. 따라서, 배기 배출을 줄이고 높은 연비를 달성하기 위하여 많은 노력이 이루어 지고 있다. 하지만, 내연 기관이나 하이브리드 시스템과 같은 기존의 파워트레인 시스템으로는 효율을 높이는데 한계가 존재한다. 이러한 기존 파워트레인의 경우 최대 40 % 의 연료 에너지만이 차량을 구동하는데 쓰이고, 60 % 에 이르는 에너지는 냉각수나 배기가스로 손실되기 때문이다. 따라서, 손실되는 60 % 의 에너지를 추가로 사용하지 않는 이상, 더 높은 연료 변환 효율을 얻는 것은 거의 불가능 하다. 이러한 손실 에너지, 즉 버려지는 에너지를 회수하여 차량을 구동하거나 추가적인 전기 에너지를 얻는 기술을 폐열 회수 시스템이라 한다. 본 논문에서는 Rankine Cycle을 폐열 회수 시스템으로 사용하였으며, 이를 시리즈 하이브리드 차량에 적용하여 연비를 높이는 연구를 진행하였다. 첫째로 다양한 열원에 대한 열역학적 분석을 수행하였다. 본 연구에서 분석 대상으로 고려한 열원은 배기가스, 냉각수, 압축 공기이다. 열역학적 분석을 통하여, 각 열원의 엔진 작동점에 따른 엑서지와 가용에너지를 분석하였다. 이러한 분석을 기반으로 폐열 회수 시스템을 설계하기 위한 기준을 얻을 수 있었다. 또한 각 열원이 폐열 회수 장치에 적용되기 위한 엔진 작동 조건을 분석 하였다. 두번째로 대상 시리즈 하이브리드 자동차에 폐열 회수 장치를 적용하기 위한 최적화를 진행하였다. 최적화는 설계와 제어에 대하여 진행하였다. 시스템 효율 분석을 통하여 최적 작동 유체를 선정 하였으며, 터빈을 작동 조건과 제한 조건을 고려하여 설계하였다. 또한 열교환기의 기학학적 구조와 크기를 최적화 하였다. 제어 알고리듬을 최적화 하기 위하여 전역 최적화 방법인 Dynamic Programming과 지역 최적화 방법인Equivalent Consumption Minimization Strategy를 적용하였다. 마지막으로 냉간 상태에서 배기가스의 상태는 폐열 회수 장치를 작동 시키기 위하여 꼭 알아야 할 조건이다. 이를 위하여 1-D 엔진 모델과 Engine Thermal Management 모델을 이용하여 과도 상태를 예측하였다. 이를 기반으로 엔진 시동 후 80 초 후에 폐열 회수 장치를 작동시켜야 한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 연구를 수행함으로써 폐열 회수 장치를 차량에 적용하기 위한 설계 과정을 제시할 수 있었다. 또한 폐열 회수 장치를 적용을 위한 기본 구성의 최적화와 전체 시스템 운용을 위한 제어 최적화에 대한 방법을 제시 할 수 있었다. 또한 본 연구를 기반으로 다양한 동력원을 조합하여 새로운 에너지 시스템을 설계 할 경우, 설계 과정 및 방법, 최적화 기법 등을 적용할 수 있을 것이라 기대된다.

Recently, the oil price hike and the stringent emission regulations are great issues in the automotive industry. Thus, there are efforts to develop high efficiency and low emission vehicles. These efforts achieved outstanding improvements. However, in conventional powertrain systems such as an internal combustion engine and a hybrid powertrain, maximum fuel conversion efficiency is limited as 40 %. In other words, 60 % of fuel energy is rejected into coolant and exhaust gas. Thus, there is huge challenge to improve fuel conversion efficiency more than theoretical limitation without using rejected energy. The Waste Heat Recovery System (WHRS) is a kind of technologies which use wasted energy to drive vehicles or to generate electric energy. In this paper, to improve fuel economy of series hybrid electric vehicle (SHEV), Rankine cycle is adapted as WHRS and is applied to the target vehicle. First, thermodynamic analysis on various heat sources was conducted. The exhaust gas, the coolant and the charged air were taken into account as heat sources. By this analysis, exergy and available energy of heat sources according to the engine operation were analyzed. Based on this result, the condition of the engine operation for WHRS operation was investigated. Moreover, possibility to be used as heat source for the WHRS according to the engine operation is analyzed. Second, optimizing a design and a control of the WHRS for applying to the target system was conducted. The cycle efficiency according to various working fluids was investigated to determine optimal working fluid. Then, a turbine was designed with consideration of the working condition and the limitation. In addition, optimization of geometrical characteristics of turbine and heat exchanger was conducted. To optimize the control algorithm, Dynamic Programming (DP) which is global optimization method was used and Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) which is local optimization method was implemented for application to real system. In addition, simple on/off control strategy, thermostatic control strategy, was implemented and applied, too. Third, because the exhaust gas state is important to the WHRS, the transient behavior of exhaust gas at cold start was estimated by using 1-D engine model and engine thermal management model. Based on the results, it was known that the WHRS should be operated at 80 seconds after the engine started. In this research, the design and the optimization method to apply WHRS to vehicle was suggested. This method can be adapted to design and control new hybrid power system and achieve the most efficient system.