파워시프트 변속기가 장착된 농업용 트랙터의 연비 향상을 위한 자동변속 알고리즘 개발

Abstract

최근 농용 트랙터에 전자식 엔진과 자동변속기, ECU가 도입됨에 따라 자동변속을 이용해 연료소비율과 작업 속도, 견인력 등의 차량 상태를 효율적으로 제어하기 위한 연구가 수행되고 있다. 기존의 자동변속 알고리즘은 자동차의 변속 선도 작성 방식에 따라 작성되나, 이를 그대로 농용 트랙터에 적용할 경우 작업 부하에 의해 엔진이 정지하는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 기존의 자동변속 알고리즘의 문제점을 해결하고 작업 부하를 극복함과 동시에 연료소비율을 향상시키기 위한 새로운 자동변속 알고리즘을 개발하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 파워시프트 변속기가 장착된 90kW급 농용 트랙터를 대상으로 시뮬레이션 모델을 만들고 기존의 자동변속 알고리즘인 Power/Eco모드와 개발한 자동변속 알고리즘인 NewEco 모드를 적용하여 연료소비율, 작업 속도, 견인력 등의 차량 상태를 비교하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 파워시프트 변속기가 장착된 트랙터를 대상으로 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 시뮬레이션 모델은 엔진, 클러치와 기어를 포함한 파워시프트 변속기, 디퍼런셜, 구동륜, 차량, 작업 부하의 컴포넌트들로 구성되었으며 대상 트랙터의 제원을 사용하였다. 토양 추진력, 운동 저항 및 작업 부하는 ASABE standards에 제시된 예측식을 사용하여 계산하였다. 완성된 트랙터 시뮬레이션 모델은 실제 실험 결과와의 비교하여 차량 상태를 이상적으로 모방하는 것을 검증하였다. 기존의 자동변속 알고리즘을 Power/Eco 모드로 나누어 대상 트랙터의 제원을 사용하여 구체화시키고 이를 스로틀 개도-엔진 속도의 변속 선도로 나타내었다. 또한 기존 알고리즘의 문제점을 개선하기 위하여 NewEco 모드를 개발하였다. V_max, TP, 구동륜 토크를 입력 변수로 받는 속도 선도, 변속 선도를 개발하고 변속 상태를 판단하기 위한 컨트롤러 블록을 추가하여 전체 시뮬레이션 모델을 완성하였다. 동일 토양 조건에서 작업 부하를 인가하지 않았을 때 각 변속 모드에 따른 연료소비율과 차량 상태를 분석하였다. TP가 고정되었을 때 G_max/V_max가 변화함에 따라 각 변속 모드에서의 작업 속도는 동일하게 변화하였으나, Power/Eco 모드는 변속단수를 변화시켜 작업 속도가 변화한 반면 NewEco 모드에서는 최고 변속단수를 최대한 유지하고 엔진 속도가 조정되어 작업 속도가 변화하는 양상을 보였다. G_max/V_max가 고정되었을 때 TP가 변화함에 따라 Power 모드에서는 변속단수가 고정된 채 최저 엔진 속도부터 최고 엔진 속도까지의 속도 범위가 사용되었으나, NewEco 모드에서는 TP가 40% 미만일 때 엔진 속도뿐만 아니라 변속단수까지 변화하여 가용 속도 범위가 Power 모드에 비하여 넓어졌음을 확인하였다. 동일 토양 조건에서 사용자 입력 조건을 고정시키고 작업 부하를 변화시켰을 때 각 변속 모드에 따른 연료소비율과 차량 상태를 분석하였다. 운전자가 충분한 견인력을 확보하기 위해 G_max/V_max과 TP를 최대로 하였다고 가정하였을 때, NewEco 모드를 사용한 경우 기존 Power 모드를 사용한 경우보다 연료소비율이 2.93% 가량 낮게 나타났다. 또한 운전자가 연비를 고려하여 G_max/V_max를 최대값의 80%, TP를 88%로 두었다고 가정하였을 때, NewEco 모드를 사용한 경우 기존 Power 모드를 사용한 경우보다 연료소비율이 6.12% 가량 낮게 나타났다. 기존 Eco 모드의 경우 하향 변속 후 엔진이 작업 부하를 극복하지 못하고 정지하는 결과가 나타나 농작업 시에는 사용하지 못할 것으로 판단된다.