VTMS를 이용한 차량 연비 개선
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2012-03-28 17:20:52 |
본문
1. VTMS란?
VTMS는 Vehicle Thermal Management System의 약어로서 차량 열관리시스템으로 번역될 수 있다. 차량열관리시스템은 엔진과 구동계의 냉각/윤활, 과급/배기재순환, 운전실 공기조화 등 다양한 기능을 수행하는데 내연기관 차량뿐만 아니라 전기모터를 주동력원 혹은 보조 동력원으로 사용하는 전기차나 하이브리드차에도 반드시 필요한 서브시스템이다. 차량의 가장 기본적인 구성 요소인 VTMS가 최근 주목을 받는 이유는 바로 연비효과 때문이다.
글 / 박진일 (아주대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 3월호
차량열관리가 연비에 미치는 영향을 파악할 수 있는 방법 중 하나는 CVS-75 연비 시험 모드 중 속도패턴이 동일한 Phase1과 Phase3의 연비를 비교하는 것이다. <그림 1>에서 나타난 바와 같이 모든 차종에서 25℃에서 시작하는 Phase1의 연비가 고온에서 재시동되는 Phase3의 연비보다 불리하며 평균 15% 가량의 연비 차이를 보인다.
본 고에서는 VTMS에 적용되는 대표적인 연비개선 기술들을 소개하고자 한다.
2. VTMS 주요 서브시스템 및 연비 개선 기술
VTMS를 통한 연비 개선을 위해 적용되는 대표적인 도구는‘전자화’이다. 즉 기존의 기계식 밸브나 펌프, 냉각팬 등을 전자식으로 교체하여 지능적인 제어를 수행함으로써 최적의 열관리를 수행할 수 있게 된다. 본 장에서는 VTMS 주요 서브시스템별 연비 개선 기술을 소개하고 그 효과를 알아보고자 한다. <그림 2>에 차량의 주요 VTMS 서브시스템 및 구성 요소들을 표시하였다.
2.1 엔진 윤활/냉각 시스템
엔진 윤활/냉각 시스템은 냉각수 펌프, 오일펌프, 써모스탯, 라디에이터, 냉각팬, 오일 쿨러 등을 포함하며 엔진이 과열되지 않고 마찰을 줄일 수 있도록 엔진냉각수와 엔진오일 온도를 유지하는 역할을 수행한다.
한편 차량 주행 중 엔진실로 유입되는 외부 공기를 차단하는 능동형 라디에이터 플랩의 적용 또한 확대되고 있다. 이는 필요 시 플랩을 닫아 차체의 기저항을 줄일 수 있는 기술로서 냉각 시스템과 작동되어 약 1%의 연비를 개선할 수 있는 기술이다. <그림 4>에 그 적용 예를 나타내었다.
2.2 변속기 윤활/냉각 시스템
변속기의 윤활/냉각을 담당하는 변속기 오일의 온도도 엔진 오일과 마찬가지로 연비에 영향을 미친다. 변속기 오일의 온도는 엔진 냉각수와의 열교환을 통하여 제어되는데 기존의 시스템이 변속기 오일의 냉각을 주요 기능으로 갖는데 반하여 최근의 지
능형 시스템은 변속기 오일의 워밍까지 고려하여 변속기 오일 온도 상승을 통한 마찰 저감을 유도하고 있다. 이를 위한 장치로서 열교환기 형태의 ATF Warmer(Automatic Transmission Fluid Warmer)가 사용되며 써모스탯이 닫혀 있는 상태에서도 엔진냉각수가 유입되어 변속기 오일의 온도를 높이는 역할을 담당한다. 변속기 마찰저감을 통하여 약 1%의 연비 개선을 기대할 수 있다. <그림 5>에 능동형 ATF Warmer의 적용 예를 나타내었다.
2.3 과급 시스템
터보과급을 사용하는 엔진의 경우 과급기 온도저감을 위해 인터쿨러의 사용이 필수적이다. 지금 까지 널리 사용되는 공랭식 인터쿨러는 외부 공기와의 열교환을 통해 과급기의 온도를 낮추는데 반하여 최근 적용이 시작된 수냉식 인터쿨러(WCAC, Water-cooled Charge Air Cooler)는 별도의 냉각수회로를 구성하여 과급기와의 열교환을 수행한다. 이를 위한 냉각수를 저온냉각수라 하고 순환 및 열교환을 위해 별도의 펌프와 라디에이터를 필요로 한다. 수냉식 인터쿨러는 공랭식에 비해 추가적인 과급기 온도 저감은 얻을 수 없으나 인터쿨러의 체적을 줄임으로써 터보지연을 개선할 수 있는 장점을 가진다. 이를 통해 변속비 등을 연비 관점에서 변경할 수 있게 된다. 또한 저온냉각수를 이용하여 EGR 냉각 등에 활용할 수 있어 연비 개선에 도움을 준다.
3. 결론
VTMS는 연비 개선을 위해 지능화, 전자화, 융합화를 키워드로 하여 계속 발전될 전망이다. VTMS를 통한 연비개선은 현재 기존 시스템 대비 5% 내외로 예측되는데 지속적인 기술과 부품 개발을 통하여 그 효과가 증대될 것이다. 하지만 이에 따른 원가 상승과 시스템의 복잡화는 미래형 VTMS가 당면한 과제일 것이다.
VTMS는 Vehicle Thermal Management System의 약어로서 차량 열관리시스템으로 번역될 수 있다. 차량열관리시스템은 엔진과 구동계의 냉각/윤활, 과급/배기재순환, 운전실 공기조화 등 다양한 기능을 수행하는데 내연기관 차량뿐만 아니라 전기모터를 주동력원 혹은 보조 동력원으로 사용하는 전기차나 하이브리드차에도 반드시 필요한 서브시스템이다. 차량의 가장 기본적인 구성 요소인 VTMS가 최근 주목을 받는 이유는 바로 연비효과 때문이다.
글 / 박진일 (아주대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 3월호
차량열관리가 연비에 미치는 영향을 파악할 수 있는 방법 중 하나는 CVS-75 연비 시험 모드 중 속도패턴이 동일한 Phase1과 Phase3의 연비를 비교하는 것이다. <그림 1>에서 나타난 바와 같이 모든 차종에서 25℃에서 시작하는 Phase1의 연비가 고온에서 재시동되는 Phase3의 연비보다 불리하며 평균 15% 가량의 연비 차이를 보인다.
본 고에서는 VTMS에 적용되는 대표적인 연비개선 기술들을 소개하고자 한다.
2. VTMS 주요 서브시스템 및 연비 개선 기술
VTMS를 통한 연비 개선을 위해 적용되는 대표적인 도구는‘전자화’이다. 즉 기존의 기계식 밸브나 펌프, 냉각팬 등을 전자식으로 교체하여 지능적인 제어를 수행함으로써 최적의 열관리를 수행할 수 있게 된다. 본 장에서는 VTMS 주요 서브시스템별 연비 개선 기술을 소개하고 그 효과를 알아보고자 한다. <그림 2>에 차량의 주요 VTMS 서브시스템 및 구성 요소들을 표시하였다.
2.1 엔진 윤활/냉각 시스템
엔진 윤활/냉각 시스템은 냉각수 펌프, 오일펌프, 써모스탯, 라디에이터, 냉각팬, 오일 쿨러 등을 포함하며 엔진이 과열되지 않고 마찰을 줄일 수 있도록 엔진냉각수와 엔진오일 온도를 유지하는 역할을 수행한다.
한편 차량 주행 중 엔진실로 유입되는 외부 공기를 차단하는 능동형 라디에이터 플랩의 적용 또한 확대되고 있다. 이는 필요 시 플랩을 닫아 차체의 기저항을 줄일 수 있는 기술로서 냉각 시스템과 작동되어 약 1%의 연비를 개선할 수 있는 기술이다. <그림 4>에 그 적용 예를 나타내었다.
2.2 변속기 윤활/냉각 시스템
변속기의 윤활/냉각을 담당하는 변속기 오일의 온도도 엔진 오일과 마찬가지로 연비에 영향을 미친다. 변속기 오일의 온도는 엔진 냉각수와의 열교환을 통하여 제어되는데 기존의 시스템이 변속기 오일의 냉각을 주요 기능으로 갖는데 반하여 최근의 지
능형 시스템은 변속기 오일의 워밍까지 고려하여 변속기 오일 온도 상승을 통한 마찰 저감을 유도하고 있다. 이를 위한 장치로서 열교환기 형태의 ATF Warmer(Automatic Transmission Fluid Warmer)가 사용되며 써모스탯이 닫혀 있는 상태에서도 엔진냉각수가 유입되어 변속기 오일의 온도를 높이는 역할을 담당한다. 변속기 마찰저감을 통하여 약 1%의 연비 개선을 기대할 수 있다. <그림 5>에 능동형 ATF Warmer의 적용 예를 나타내었다.
2.3 과급 시스템
터보과급을 사용하는 엔진의 경우 과급기 온도저감을 위해 인터쿨러의 사용이 필수적이다. 지금 까지 널리 사용되는 공랭식 인터쿨러는 외부 공기와의 열교환을 통해 과급기의 온도를 낮추는데 반하여 최근 적용이 시작된 수냉식 인터쿨러(WCAC, Water-cooled Charge Air Cooler)는 별도의 냉각수회로를 구성하여 과급기와의 열교환을 수행한다. 이를 위한 냉각수를 저온냉각수라 하고 순환 및 열교환을 위해 별도의 펌프와 라디에이터를 필요로 한다. 수냉식 인터쿨러는 공랭식에 비해 추가적인 과급기 온도 저감은 얻을 수 없으나 인터쿨러의 체적을 줄임으로써 터보지연을 개선할 수 있는 장점을 가진다. 이를 통해 변속비 등을 연비 관점에서 변경할 수 있게 된다. 또한 저온냉각수를 이용하여 EGR 냉각 등에 활용할 수 있어 연비 개선에 도움을 준다.
3. 결론
VTMS는 연비 개선을 위해 지능화, 전자화, 융합화를 키워드로 하여 계속 발전될 전망이다. VTMS를 통한 연비개선은 현재 기존 시스템 대비 5% 내외로 예측되는데 지속적인 기술과 부품 개발을 통하여 그 효과가 증대될 것이다. 하지만 이에 따른 원가 상승과 시스템의 복잡화는 미래형 VTMS가 당면한 과제일 것이다.
