Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 10 pp. 4283-4287, 2011 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.10.4283 소프트타입과하드타입하이브리드자동차의연비및배출가스특성에관한연구 김종우 1* 1 인하공업전문대학수송기계공학부자동차과 Characteristics of fuel economy and emissions of soft and hard type hybrid vehicles Jongwoo Kim 1* 1 Dept. of Automotive Engineering, Inha Technical College 요약본논문은현재출시되어있는소프트타입의현대아반테하이브리드자동차와하드타입방식의도요다프리우스자동차를대상으로차대동력계상에서 CVS-75 모드를주행하면서발생하는배출가스특성과연비특성을실험적으로분석하였다. 가솔린차량에비해하이브리드차량의연비및배출가스특성이탁월하였으며특히, 하드타입의하이브리드차량이소프트타입의차량에비해연비개선효과가우수하게나타났다. Abstract This paper describes the characteristics of emissions and fuel economy of soft type hybrid vehicle (Hyundai Avante) and hard type hybrid vehicle(toyoda, Prius) in a transient CVS-75 driving mode. vehicles showed the better fuel economy and emission characteristics comparing the conventional gasoline vehicle. Especially, hard type hybrid vehicle showed the better fuel economy comparing soft type hybrid vehicle under 55 km/h in the CVS-75 mode. Key Words : Soft type hybrid vehicle; hard type hybrid vehicle; CVS-75 mode; fuel consumption 1. 서론 최근지구환경오염과에너지고갈의문제가대두되고있어전세계적으로차세대자동차및대체연료의개발이활발해지고있다. 특히자동차배출가스중 CO 2 배출로인한지구온난화문제해결과관련하여, 가장현실적으로상용화에접근되어있는것이하이브리드자동차이다. 일반적으로하이브리드자동차는전기모터를사용하여차량의제동에너지를회수하고운전조건에따라모터와엔진을최적으로조합하여운행을하기때문에불필요한연료소모를줄여고연비를가능하게하는자동차를말한다. 하이브리드자동차는작동방식에따라 Hard type과 Soft type으로나눌수있다. Hard type의하이브리드자동차는출발과저속주행시모터만작동하는방 식으로출발과동시에엔진이작동하는소프트타입방식에비해연비및배출가스측면에서유리한것으로알려져있다 [1]-[3]. 그러나이를체계적으로분석하기위해서는 CVS-75 모드구간별특성을상호비교할필요가있다. 본논문에서는현재출시되어있는소프트타입의현대아반테하이브리드자동차와하드타입방식의도요다프리우스자동차를대상으로차대동력계상에서 CVS-75 모드를주행하면서배출가스와연비를실시간으로측정하여그특징을비교분석하였다. 2. 실험장치및방법 2.1 실험장치 본논문은인하대 RIC 7 차년도연구과제로수행되었음. * 교신저자 : 김종우 (jwkim@inhatc.ac.kr) 접수일 11 년 07 월 29 일수정일 (1 차 11 년 08 월 30 일, 2 차 11 년 09 월 08 일, 3 차 11 년 09 월 14 일 ) 게재확정일 11 년 10 월 06 일 4283
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 본연구를위해차대동력계 (Chassis Dynamometer), 운전보조장치 (Driver s Aid), 정용량시료채취장치 (Constant Volume Sampler), HC, CO, NOx, CO 2 분석기등을이용하여실험을수행하였다. 차대동력계사양은표 1과같다. 한후 Driver s aid의 pendant switch를통해시험시작을알림과동시에 HC, CO, NOx값과 CO 2 값을실시간으로측정하였다. 하이브리드차량은배터리를완충한상태에서 3회시험하였다 [4]. 그림 1은실험장치도이다. [ 표 1] 차대동력계제원 [Table 1] Chassis Dynamometer spec. Items Roller type / diameter Power Absorption control Max. Power Absorption Max. Inertia weight Max. speed Specification Twin type / 8.65 inch DC 100 KW 8,000 lbs 160 km/hr 모든배출가스시험시시험실내부의온도, 습도유지를위해온도는 25±1, 습도는 45±5 RH로제어되었으며전체장치구성은그림. 1과같다. 차대동력계 (BEP사) 는 DC 동력계로서관성부여장치, 부하흡수장치, 제어장치등으로구성되어있으며, 시험차량이실도로를주행할때받는저항력및관성력을차량에부여할수있는시뮬레이션장치이다. 또한운전보조장치는운전자에게규정된시험주행모드의요구속도및현재의주행속도를나타내줌으로서운전자는차량의속도를제어할수있다. 배출가스의중량을측정하기위해, 시험차량의운전중배출되는배출가스와시험실내공기를희석시켜임계벤튜리를이용하여희석배출가스량을일정하게통과시킬수있는임계벤튜리타입의정용량시료채취장치 (P&K사) 를사용하였다. 자동차배출가스중농도를분석하기위해이플러스티사의 PEMS-100D를사용하였다. 2.2 실험방법본시험절차는국내배출가스시험기준인 CVS-75 Mode 절차에준하여진행되었지만, 엔진의냉간시 soaking과차량학습 (preconditioning) 에의한시험오류를줄이고자 cold soaking은배제하고차량이충분히워밍업이되어있는상태로시험을수행하였다. 시험차량의워밍업절차의경우, 본시험전 CVS-75 Mode 시험인경우 Phase 1을수행하였으며, 이때냉각수의온도는 8 0 이상, sampling tube에서측정된배기가스온도는 100 이상임을확인한후즉시시험하였다. 차대동력계제어장치에등가관성중량과도로부하력값을각각입력 [ 그림 1] 실험장치도 [Fig. 1] Experimental set-up 2.3 실험차량 본연구에서사용한실험차량은도요다프리우스 ( 이하, 실험차 A), 아반테 LPI 하이브리드 ( 이하, 실험차 B) 및레간자가솔린차량 ( 이하, 실험차 C) 이다. 자세한차량제원은표2와같다. [ 표 2] 실험차량제원 [Table 2] Test vehicles spec. 엔진형식 배기량 (cc) 최고출력 (ps) 최대토크 (kg.m) Prius 3 세대 (A) VVTi, Avante LPI(B) DOHC, LPG Leganza MPI (C) DOHC, 1,798 1,591 1,799 136(99E+ 82M) 134(114E+ 20M) 131 14.5 15.1 17.3 T/M e-cvt AT4 MT5 그림 2 는차량시험장면사진이다. 4284
소프트타입과하드타입하이브리드자동차의연비및배출가스특성에관한연구 [ 그림 3] 연료소모율비교 [Fig. 3] Comparisons of fuel consumption 이를속도-가속도-연료소모율의 3차원그래프로표시하면그림 4와같다. 실험차 A의경우 55 km/h 이하영역에서는엔진은작동하지않고모터만작동하여연료소모율이발생하지않는반면, 실험차 B 차량의경우연료소모율이적게나타남을알수있다. [ 그림 2] 차량시험장면 [Fig. 2] View of experiments 3. 결과및고찰 3.1 실시간연료소모율측정결과 그림 3은 3종류의차량을각각 CVS-75모드를주행하면서실시간으로측정한연료소모율곡선이다. 전운전영역에걸쳐실험차 C의연료소모율이가장높고, 실험차 A의연료소모율이가장적게나타난다. [ 그림 4] 연료소모율비교 [Fig. 4] Comparison of fuel consumption with 3D 이는실험차 B의경우병렬방식의소프트타입방식으로차량출발과함께엔진이작동하는방식인데반해, 실험차 A의경우혼합방식의하드타입방식으로 55km/h이하영역에서는엔진은작동하지않고모터만작동하는방식이기때문이다. 이를가속, 정속, 감속구간별로비교하면그림 5, 6, 7과같다. 가속구간의경우하드타입방식인실험차 A는출력이큰모터 (82 마력 ) 를사용하여 30km/h까지모터자체출력으로주행이가능하여소프트타입방식인실험차 B(20마력 ) 에비해가속구간에서도연료소모가 26% 저감된다. 또한하이브리드차량에서도엔진이작동하는고속고부하 (80 km/h 이상, 가속도구배 2 이상 ) 조건에서도모터마력이 4배이상큰실험차 A가실험차 B에비해엔진부하가적게걸려연료소모율이 4285
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 14.9% 낮게나온다. 정속구간의경우하드타입의실험차 A방식이대략 55 km/h까지모터자체출력으로만주행이가능하여항상엔진이작동하는소프트타입의실험차 B보다연료소모율이 39% 저감된다. 또한감속구간비교에서도실험차 A의경우엔진이정지하고바퀴가제너레이터를작동시키는회생제동력작동영역이실험차 B보다넓어연비개선효과가 98% 향상됨을실험결과를통해알수있다. 그림 8은 CVS-75모드를주행하면서측정한 HC, NO X 배출가스특성비교이다. 하이브리드차인실험차 A, B 모두가솔린차인실험차 C에비해극히적게배출됨을알수있다. 이는하이브리드차량들은전운전영역에서공연비제어를이론공연비로제어하여삼원촉매장치의정화효율이극대화되는반면, 가솔린차량은가속시와감속시공연비제어를농후하게제어할수밖에없어배출가스가상대적으로많이배출되는것으로판단된다. 특히실험차 B의경우배출가스가실험차 A에비해더적게배출되는데이는실험차 B의경우액체연료인가솔린보다연소가잘되어유해배기가스가적게배출되는 LPG 연료를사용했기때문으로판단된다. [ 그림 5] 가속구간별연료소모율비교 [Fig. 5] Comparison of fuel consumption at acceleration [ 그림 8] 배출가스특성비교 [Fig. 8] Comparison of emission characteristics [ 그림 6] 정속구간별연료소모율비교 [Fig. 6] Comparison of fuel consumption at steady state 표3은 CVS-75 모드주행후산출된배출가스및연비실험결과이다. 55Km/h 이하영역에서모터만작동하는하드타입방식의프리우스가감속과엔진정시만엔진이꺼지는소프트타입방식의아반떼에비해연비개선효과가 77% 우수함을알수있다. [ 표 3] 배출가스및연비실험결과 [Table 3] Test results summary [ 그림 7] 감속구간별연료소모율비교 [Fig. 7] Comparison of fuel consumption at deceleration Prius Avante Leganza HC CO NOx CO 2 F/E [g/km] [km/l] 0.006 0.010 0.004 98.7 23.72 0.000 0.001 0.004 135.8 13.40 0.279 0.953 0.118 263.2 8.79 4286
소프트타입과하드타입하이브리드자동차의연비및배출가스특성에관한연구 4. 결론 하드타입의하이브리드차, 소프트타입의하이브리드차및가솔린차에대해 CVS-75 모드실험을수행하여다음과같은결론을얻었다. 1. 하드타입의프리우스가소프트타입인아반떼에비해가속구간의경우연료소모율이 26% 저감되었다. 이는출력이큰모터 (82 마력 ) 를사용하여 30km/h까지모터자체출력으로주행이가능하기때문이다. 2. 정속구간의경우하드타입의프리우스가 55 km/h까지모터자체출력으로만주행이가능하여항상엔진이작동하는소프트타입의아반떼보다연료소모율이 39% 저감되었다. 3. 감속구간의경우프리우스가엔진이정지하고바퀴가제너레이터를작동시키는회생제동력작동영역이아반떼보다넓어연료소모율이 98% 저감되었다. 4. CVS-75 모드주행연비실험결과하드타입의프리우스가소프트타입의아반떼에비해평균연비가 77% 우수하게나타났다. 5. 배출가스특성은가솔린차량에비해하이브리드차량모두에서극히낮게배출됨을알수있었다. 이는하이브리드차량들은전운전영역에서공연비제어를이론공연비로제어하여삼원촉매장치의정화효율이극대화되는반면, 가솔린차량은가속시와감속시공연비제어를농후하게제어할수밖에없어배출가스가상대적으로많이배출되는것으로판단된다. 또한아반떼하이브리드의경우연소가잘되는 LPG 연료를사용했기때문에가솔린을연료를사용하는프리우스에비해유해배기가스가적게배출되었다. "Comparative study of power train strategies" SAE Future Transportation Technology Conference, 2001 [4] YM Woo etal, A Standardization of Fuel economy test procedure of electric vehicle Spring Conference of Korean Society of Mechanical Engineers, pp 1748-1753, 2006 김종우 (Kim Jongwoo) [ 정회원 ] 1988년 12월 : University of Michigan, NA&ME ( 공학석사 ) 2000년 1월 : Imperial College, Mechanical Engineering ( 공학박사 ) 1989년 3월 ~ 2001년 2월 : 대우자동차기술연구소선임연구원 2001년 3월 ~ 현재 : 인하공업전문대학수송기계공학부교수 < 관심분야 > 내연기관, 자동차배출가스및연비시험및해석 References [1] D.H,Choi, H.S.Kim, An operation algorithm for a 2 shaft parrel type hybrid electric vehicle for optimal fuel economy, Transactions of Korean Society of Automotive Engineers, Vol 9, NO.5, pp. 122-130, 2001. [2] Cho sungtae etal, Fuel economy optimization of vehicle using single performance Index Spring conference of Korean society of mechanical Engineers, pp 552-557, 2001 [3] Jim Walters, Harry Husted Kaushik Rajashekara, 4287