커먼레일 디젤엔진의 DPF와 LNT 재생 중 질소산화물 및 입자상 물질 생성 억제 제어에 관한 연구

Abstract

subsequently, it is proposed as an early post injection timing control parameter. In addition, the MFB60aLoROHRmax was applied to early post injection timing control during DPF regeneration with the constraint of a moderate temperature, low NOx and PM emissions, and minimization of torque variation. The late post injection quantity was controlled using DPF upstream temperature and its injection timing determined with a constant offset from the proposed MFB60aLoROHRmax. Early post injection timing was controlled for LNT regeneration by using the MFB55aLoROHRmax with the constraint of sufficient reductants such as CO, THC, low NOx and PM emissions, and the minimization of torque fluctuation. The proposed DPF and LNT regeneration control methods were validated under various engine operating conditions. The performance showed that emission constraints were successfully satisfied and torque fluctuation was minimized. In addition, a simplified dual-loop EGR fraction observer was proposed for the precise control of engine-out NOx emissions. A model reference identification scheme was applied to the observer that could estimate the HP-EGR fraction and calculate the LP-EGR fraction using available sensor information from mass-produced engines. Convergence of the proposed observer was proved via Lyapunov stability criterion and the feasibility of the observer was validated through several engine tests.; In order to reduce NOx and PM emissions from diesel engines, both engine-out and tail-pipe emissions should be considered simultaneously. For this reason, a dual-loop exhaust gas recirculation (EGR) system that includes high pressure and low pressure EGR systems has been implemented to decrease engine-out NOx emissions. In addition, lean NOx trap (LNT) and diesel particulate filter (DPF) have been applied to diesel engines to reduce tail-pipe NOx and PM emissions respectively. From a control point of view, however, those systems increase complexity and difficulty of engine control. An exact control of EGR fraction from the dual-loop EGR system is necessary because it is a significant factor for air system control that determines engine-out NOx and PM emissions. However, EGR fraction is difficult to measure directly and should be estimated accurately to maintain engine-out NOx emission control performance. Additional post injections are also required for the precise control of exhaust gas conditions to regenerate catalysts and secure emission reduction performance while maintaining desired engine torque. This dissertation proposes a novel NOx-PM emission constrained control method for DPF and LNT regeneration in a common-rail direct injection diesel engine by performing a combustion analysis. Control variables from the combustion analysis are an indicated mean effective pressure (IMEP), crank angle of mass fraction burned X % after the location of rate of heat release maximum (MFBXaLoROHRmax) along with lambda for main injection quantity, early post injection timing and quantity control. MFBXaLoROHRmax was calculated based on cylinder pressure and main injection quantity information; subsequently, it is proposed as an early post injection timing control parameter. In addition, the MFB60aLoROHRmax was applied to early post injection timing control during DPF regeneration with the constraint of a moderate temperature, low NOx and PM emissions, and minimization of torque variation. The late post injection quantity was controlled using DPF upstream temperature and its injection timing determined with a constant offset from the proposed MFB60aLoROHRmax. Early post injection timing was controlled for LNT regeneration by using the MFB55aLoROHRmax with the constraint of sufficient reductants such as CO, THC, low NOx and PM emissions, and the minimization of torque fluctuation. The proposed DPF and LNT regeneration control methods were validated under various engine operating conditions. The performance showed that emission constraints were successfully satisfied and torque fluctuation was minimized. In addition, a simplified dual-loop EGR fraction observer was proposed for the precise control of engine-out NOx emissions. A model reference identification scheme was applied to the observer that could estimate the HP-EGR fraction and calculate the LP-EGR fraction using available sensor information from mass-produced engines. Convergence of the proposed observer was proved via Lyapunov stability criterion and the feasibility of the observer was validated through several engine tests.|디젤엔진의 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)과 같은 유해 배기배출물을 저감하기 위해서는 연소에 의해 발생하는 유해 배기배출물과 배기관을 통해 대기 중으로 배출되는 유해 배기배출물을 동시에 저감해야 한다. 승용 디젤엔진은 커먼레일 연료분사 시스템을 적용하여 연소에 의해 발생하는 PM을 저감하며, DPF(Diesel particulate filter) 촉매를 배기계통에 장착하여 대기 중으로 배출되는 PM을 저감하고 있다. 또한, 연소에 의해 발생하는 NOx를 저감하기 위해 저압 및 고압 EGR(Exhaust gas recirculation) 시스템이 널리 적용되고 있으며, 대기 중으로 배출되는 NOx를 저감하기 위해 LNT(Lean NOx trap)와 같은 후처리 촉매가 배기계통에 추가적으로 장착되고 있다. 하지만 배기배출물 저감을 위한 추가 시스템 또는 촉매로 인해 시스템 복잡도가 증가하게 되었으며, 이에 따라 엔진 정밀 제어에 많은 어려움이 발생하고 있다. EGR은 연소에 의해 발생하는 NOx와 PM양을 결정하는 디젤엔진 흡배기 시스템 제어의 중요한 인자이지만 직접적인 측정이 불가하여 정밀한 EGR 제어를 위해서는 연소실로 공급되는 EGR 유량을 정확하게 추정해야만 한다. 또한, DPF 및 LNT와 같은 후처리 촉매의 유해 배기배출물 저감 성능을 유지하며, 장치 고장을 방지하기 위해서는 주기적인 재생이 필수적이며, 후처리 촉매 재생 조건을 조성하기 위해서는 후분사(Post injection)를 포함한 다단 연료분사량 및 시기의 정밀한 제어가 필수적이다. 이 연구에서는 연소압력을 이용하여 DPF와 LNT 촉매 재생 시 촉매 재생조건을 만족하는 동시에 NOx와 PM 발생을 최소화하면서 운전성능을 확보할 수 있는 엔진 제어 기법을 제안하였다. 흡배기 시스템 정밀 제어를 위해 흡입공기유량과 흡기압력을 촉매 재생 시 피드백 제어인자로 선정하였으며, 커먼레일 연료분사 시스템 파라미터 변경에 따른 연소압력 및 배기 특성 분석을 통해 촉매 재생 시 다단 연료분사량 및 시기 제어 인자를 도출하였다. 도시평균유효압력, 공연비, DPF 전단온도를 이용하여 main injection, early post injection, late post injection의 분사량 피드백 제어 구조를 제시하였다. Post injection 시기에 따라 변화하는 연소 특성을 분석하기 위해 최대열발생율 발생 시점 이후 질량연소분율을 분석할 수 있는 MFBXaLoROHRmax 분석기법을 제시하였으며, MFBXaLoROHRmax 분석을 통해 유해 배기배출물 생성을 최소화하는 동시에 촉매 재생 조건을 충족하는 MFB60aLoROHRmax과 MFB55aLoROHRmax를 DPF와 LNT 촉매 재생 시 early post injection 분사시기로 도출하였다. 제안된 촉매 재생 제어 기법은 다양한 엔진 실험을 통해 검증하였으며, 촉매 재생 시 NOx와 PM 발생을 최소화하면서 촉매 재생 조건을 만족함을 확인하였다. 또한, 저압 및 고압 EGR 시스템에서 연소실로 공급되는 EGR율을 DPF 질량유량 모델과 흡기압력모델을 이용하여 추정하는 observer를 설계하였으며, observer의 수렴성(Convergence)과 안정성(Stability)을 Lyapunov stability 이론을 적용하여 검증하였다. 제안된 observer는 양산 엔진에서 계측 가능한 센서 정보만을 이용하여 저압 EGR율, 고압 EGR율, 전체 EGR율을 추정할 수 있었으며, 다양한 엔진 실험을 통해 observer의 수렴성 및 정확성을 검증하였다. 동일 엔진 운전조건에서 흡기온도가 30도 이상 증가할 때 기존의 흡입공기량 기반 EGR 제어기 대비 observer 기반 EGR율 제어기가 NOx 저감 성능 확보에 용이함을 실험을 통하여 확인하였다.