OAD 풀리 적용 교류발전기의 엔진 비틀림 진동 응답에 대한 연구

Abstract

엔진(Engine)의 크랭크 축(Crank shaft)과 풀리(Pulley)-벨트(Belt)로 연결되어 동력을 전달하는 시스템을 Front-end accessory drive(FEAD) 시스템(System)이라고 한다. 교류발전기(Alternator)는 엔진의 운동 에너지(Energy)를 전기 에너지로 변환시켜주는 장치로, FEAD 시스템에 연결된 보기류(Accessory)들 중 비교적 큰 비중을 차지하고 있다. 자동차에 도입하는 각종 편의 장치 및 전자 제어 장치로 인해, 전기에너지의 사용량이 상승하여 교류발전기의 부하가 커지고, 용량이 증가하고 있다. 이러한 교류발전기 부하와 용량의 증가는 교류발전기의 관성을 증가시켜 벨트와 풀리 간의 슬립(Slip)이 커지게 만들고, 결과적으로 에너지 손실 및 비틀림 진동(Torsional Vibration)을 증가시킨다. 이를 해결하기 위해 단방향 클러치(One-way clutch)와 방진 스프링(Isolator spring)이 적용된 OAD 풀리를 도입하여 비틀림 진동을 감소시키려는 시도가 있었다. OAD 풀리의 적용으로 다음과 같은 효과를 기대하였다. 1) 텐셔너 암의 움직임, 벨트-스팬의 횡진동, 벨트-스팬(Belt-span) 장력변동 등을 저감 시켜 NVH 성능을 향상시킨다. 2) 벨트 슬립을 저감하여 연비에 이득이 된다. 3) 벨트의 프리셋 장력을 감소시켜 FEAD 시스템의 수명이 증가하고, 마찰이 줄어 연비에 이득이 된다. 4) 공회전 안정성이 증가하여 공회전 속도를 낮춰 연비에 이득이 된다. 그러나 실제 시스템에 OAD 풀리를 적용하였을 때, 공회전 상태에서 이상 진동이 발생하여 오히려 NVH에 성능을 악화시켰다. 이 이상진동 현상을 해결하기 위해 본 연구를 진행하였다. 이상 진동 발생시 엔진 회전 속도를 측정하여 속도 변동을 분석하였을 때, 엔진 가진 주파수 성분의 1/2 주파수 성분이 관측되었다. 엔진 가진원 외의 주파수 성분이 나타나기 위해서는 해당 주파수 성분의 가진원이 있어야 한다. 교류발전기의 전압 제어를 위한 계자 전압의 제어 듀티(Duty)값이 해당 주파수로 변동하는 것을 확인하였다. 이는 교류발전기의 전압 제어기에서 조절하는 것으로, 교류발전기는 별도의 제어가 들어가는 능동적인 시스템이다. 따라서 해당 이상진동의 원인을 파악하고 해결하기 위해서는 전기적, 제어적 관점까지 고려하여 동역학적 특성을 파악할 필요가 있다. 본 논문에서는 동역학적, 전기적, 제어적 관점까지 포함한 교류발전기 통합 모델을 제시하고 검증하였다. 시뮬레이션을 이용하여 전압 제어기의 PID(Proportional integral derivative control) 계수 값을 조정하여 엔진 가진 주파수의 1/2 주파수 성분의 제어특성이 나타나는 이상 진동 현상을 재현하였다. 이를 통해 이상 진동의 원인이 제어기의 잘못된 설계에 있음을 밝혔다. 특히 Alternator management system(AMS)가 적용된 교류발전기에서 목표 전압을 빠르게 추종하기 위해 I 계수를 크게 할 경우 이와 같은 이상 진동이 발생할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 PID 계수의 적절한 설정을 통해 이상 진동을 개선할 수 있음을 증명하여 본연구의 목적을 달성하였다.