디젤 엔진의 NVH 및 연비 개선

NVH 문제와 디젤 엔진

수년 동안 엔지니어들은 디젤 엔진 자동차의 소음을 파악하고 이를 줄이기 위해 노력해 왔습니다. NVH(소음, 진동, 충격)에는 OEM(Original Equipment Manufacturer) 및 공급업체가 정확히 찾아내기 어려운 다양한 원인이 있습니다.

조용한 자동차를 원하는 소비자의 기대로 인해 기준은 계속해서 높아지고 있습니다. 이러한 상황에서 자동차 제조업체가 경쟁력을 유지하려면 개발 시간과 소음을 줄이는 혁신적인 접근 방식을 도입해야 합니다.

디젤 엔진의 소음을 줄이는 데 상당한 발전이 이루어졌지만 몇 가지 문제는 여전히 남아 있습니다. 현대자동차는 최근 디젤 엔진의 NVH 문제를 줄이기 위한 첨단 접근 방식을 개발하기 시작했습니다.

소음의 근본 원인 파악

목표는 3세대 디젤 엔진에서 소음원을 식별하는 것이었습니다. 현대자동차는 일련의 테스트를 수행한 결과 연소 사이클 중 실린더 간의 불균형을 발견했습니다. 두 개의 실린더는 다른 실린더보다 항상 압력이 더 높았습니다. 이러한 차이는 엔진 동력계, 파워트레인 동력계 및 실제 차량에서 테스트가 반복됨에 따라 점차 악화되었습니다.

현대자동차의 책임연구원인 이기화 씨는 '실린더 간의 압력이 왜 다른지 파악해야 했다'고 말합니다. "실린더의 최고 압력차 원인을 파악하지 못하면 소음 문제를 해결할 수 없었죠."

테스트 데이터 분석

현대자동차는 Simcenter™ 엔지니어링 및 컨설팅 서비스와 협력하여 실린더 간 최고 압력에 차이가 있는 이유를 파악했습니다. 먼저 Simcenter 엔지니어링 팀은 불균형의 원인을 파악하기 위한 해석을 수행했습니다. 테스트 데이터 분석 결과, 연료 분사 후 실린더 간 압력 편차가 발생했고 이는 실린더 불균형으로 이어져 더 많은 소음이 발생한 것으로 나타났습니다.

물리적 테스트의 열 방출 데이터에 대한 수학 방정식 기반 해석을 통해 실린더 간 연료 분사량의 차이가 불균형을 초래하고 있음을 확인했습니다.

시뮬레이션의 역량

팀은 소음원이 연료 분사 차이로 인한 실린더 불균형임을 확인한 후 모델 기반 제어 전략이 효과적인 솔루션으로 이어질 것이라고 판단했습니다. 팀은 시뮬레이션을 활용하여 비용이 많이 드는 물리적 프로토타입의 시행착오를 피하고 테스트 프로세스를 간소화할 수 있었습니다.

디젤 엔진의 가상 모델은 Siemens Digital Industries Software의 포괄적이고 통합된 소프트웨어 및 서비스 포트폴리오인 Xcelerator™에 속하는 Simcenter™ Amesim™ 소프트웨어를 사용하여 구축했습니다. 팀이 연료 분사의 불일치를 확인하고 수정할 수 있도록 이 모델을 컨트롤러에 연결했습니다. 팀은 Simcenter Amesim을 사용하여 연료 분사의 차이를 감지하고 해결하는 방법에 대한 인사이트를 얻고자 했습니다.

시뮬레이션을 실행하기 전에 Simcenter 엔지니어링 팀은 시뮬레이션이 실제 동작과 일치하는지 확인해야 했습니다. 이에 따라 엔진 테스트 데이터와 관련이 있는 엔진 시뮬레이션 결과를 확인하기 위해 몇 가지 테스트를 실시했습니다.

또한 연료 분사 외에 실린더 불균형의 다른 가능한 원인도 조사할 필요가 있었습니다. 불균형은 배기가스 재순환(EGR) 또는 실린더 간 공기 충전 순환 부족으로 인해 발생할 수도 있습니다. 몇 가지 민감도 연구를 실시한 후 팀은 연료 분사가 불균형의 원인이라는 결론을 내렸습니다.

연료 분사 이상은 수정하기 쉬웠지만 팀은 어떤 실린더를 보정해야 하는지, 연료량을 변경해야 하는지를 결정해야 했습니다. 팀은 Simulink의 컨트롤러 모델에서 혁신적인 실린더 식별 전략을 개발했습니다.

컨트롤러 모델을 Simcenter Amesim 엔진 모델에 적용한 후 컨트롤러의 성능을 분석하고 조정했습니다. 마지막으로 연료 분사를 조절하여 최고 압력차를 제거했습니다.

접근 방식의 검증

팀은 모델을 활용하여 실린더로 유입되는 공기 및 연료 흐름을 변경함으로써 실린더 불균형을 유발했습니다. "시뮬레이션은 다양한 작동 조건에서 가능한 모든 실린더 압력차를 생성하는 데 물리적 테스트에 의존할 필요가 없어 이 문제에 특히 유용했습니다."라고 이기화 씨는 말합니다. 새로운 제어 전략의 효과는 컨트롤러를 활성화하거나 활성화하지 않은 상태의 연속 시뮬레이션을 실행하여 테스트했습니다.

"이 새로운 제어 로직을 통해 실린더 간 최고 압력차를 크게 줄일 수 있었습니다. 그 결과, 엔진에서 생성되는 소음 주파수가 2dBA 감소했고 전체 차량 소음은 5% 개선되었습니다."

이 연구를 통해 차량의 연비도 개선할 수 있었습니다. 이기화 씨는 "시뮬레이션 결과는 제어 전략이 음질을 최적화하고 NVH 성능을 개선하며 연료 소비를 줄이는 효과적인 방법임을 보여줍니다."라고 말합니다. "현대자동차의 향후 프로젝트에서 Simcenter 소프트웨어와 서비스의 활약이 기대됩니다."