농업용 트랙터의 연료 효율 최대화를 위한 통합 조정 시스템 개발

Abstract

산업 전반에 걸쳐 에너지 절감에 대한 관심이 점차 증대되고 있으며 그 중 트랙터와 같은 농업용 기계들은 대부분 석탄, 석유와 같은 화석연료를 에너지원으로 이용하고 있기 때문에 배출 가스 규제와 같은 환경 문제 뿐만 아니라 고유가에 따른 에너지 절감 문제까지 동시에 직면하고 있다. 이에 따라 연료효율을 높이기 위한 고효율 엔진, 무단 변속기, 엔진 변속기 통합 제어 시스템 등 다양한 방식의 적용 기술들에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구는 트랙터의 에너지 소비 절감을 위한 통합 조정 알고리즘을 개발하고 알고리즘이 적용된 통합 조정 시스템 트랙터를 통하여 연료 절감 효과를 검증하기 위하여 수행되었다. 통합 조정 알고리즘은 4개의 요소 조정 기술을 각 농작업의 특성에 맞게 통합적으로 조정하여 트랙터의 연료 소비율을 극대화하기 위한 시스템으로 밸래스트 조정을 통한 슬립 및 중량 분포 조정, 타이어 공기압 조정, 엔진 속도 조정, 슬립 조정으로 이루어져 있다. 각각의 조정 알고리즘을 통합하기 위하여 트랙터 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 개발하고 각각의 조정 기술들의 효과 및 조정 방안을 수립하여 농작업별 통합 조정 알고리즘을 완성하였다. 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 실제 농작업 시험을 실시하여 그 결과를 비교하여 모델을 검증하였으며, 쟁기 작업, 로터리 작업, 운반 작업 등을 실제 작업 환경 하에서 수행하고 농작업 부하 수준 및 엔진 사용 영역을 구명하였다. 통합 조정 알고리즘을 완성하기 위하여 각각의 요소 기술의 조정 변수인 엔진 속도, 밸래스트, 타이어 공기압, 변속 단수, 작업 부하, 경운 속도비를 독립변수로 하고 연료 소모량, 연료 소비율, 작업 면적당 연료 소모량, 연비를 종속변수로 하는 상관분석, 회귀 분석, 분산 분석을 실시하였다. 연료 효율을 평가하기 위하여 연료 소비율(L/kWh), 연료 소모량(L/h), 작업 면적당 연료 소모량(L/ha)를 이용하였으며, 이는 연료 효율과 작업 능률을 동시에 평가하기 위함이다. 이를 통하여 각각의 조정 변수에 대한 작업별 연료 효율에 미치는 영향을 구명하여 작업별 알고리즘을 확립하였다. 트랙터 시뮬레이터 모델과 마이크로 컨트롤러를 이용한 ISO-BUS 시뮬레이터를 이용하여 알고리즘의 성능을 검증하였다. 알고리즘의 성능 검증은 제어 알고리즘을 수행 하였을 때와 수행하지 않았을 때의 차이를 비교하였다. 슬립 제어의 경우 과도한 견인 부하를 제어하여 작업 속도를 일정하게 유지시켜 주는 효과가 확인되었다. 통합 조정 알고리즘이 적용된 통합 조정 시스템을 개발하고 이를 트랙터에 적용한 통합 조정 시스템 트랙터를 개발하였다. 개발된 트랙터를 이용하여 쟁기 작업과 로터리 작업을 수행하고 시스템을 적용 하지 않았을 때와 적용 하였을 때의 결과를 서로 비교하여 시스템의 성능을 평가하였다. 연료 소모량의 경우 통합 조정 시스템을 통하여 작업을 수행하였을 경우 동일한 변속 단수 내에서는 23.03~57.87%, 동일 속도 내에서는 22.34 ~ 44.18%의 감소 효과를 나타내었으며, 로터리 작업은 동일 속도비 내에서는 +16.54 ~ 59.71%의 연료 소모량 감소효과를 나타내었으며 동일 속도 내에서는 51.91 ~ 56.84 %의 감소 효과를 나타내었다. 연료 소비율의 경우에는 쟁기 작업의 경우 동일 변속 단수 내에서는 +7.24 ~ 38.48 %의 절감 효과가 타나났으며, 동일 속도 내에서는 7.47 ~ 44.17 %의 감소 효과를 나타내었다. 로터리 작업은 동일 속도비 내에서 0.53 ~ 41.85 %의 연료 소비율 절감 효과가 있는 것으로 나타났으며, 동일 속도 내에서는 38.64 ~ 47.37 %의 감소 효과를 나타내었다. 작업 면적당 연료 소모량의 경우에는 쟁기 작업은 동일 변속 단수 내에서는 4.11 ~ 42.06 %의 연료 소모 절감 효과를 나타내었으며, 동일 속도 범위에서는 22.8 ~ 45.26 %의 연료 절감 효과를 나타내었다. 로터리 작업은 동일 속도비 내에서는 +5.75 ~ 50.56 % 의 절감 효과를 나타내었으며, 동일 속도 범위 내에서는 34.85 ~ 53.61 %의 감소 효과를 나타내었다. 통합 조정 시스템을 이용하여 작업을 할 경우 연료 효율 증대 효과가 뚜렷한 것으로 나타났으며, 농작업 수행 시 트랙터의 연료 효율을 높이고 작업 결과에는 영향을 주지 않으면서 연료 소비를 절감할 수 있는 시스템을 국내 트랙터에 적용하고 실용화 하는데 있어서 유용하게 활용될 것으로 판단된다. 또한 추후 연구를 통하여 자동 변속 및 전자 제어 엔진이 장착된 트랙터에 통합 조정 시스템을 적용하고 다양한 농작업을 수행하여 보다 효율적인 통합 조정 시스템에 대한 개발 방안을 기대할 수 있을 것이다.