Mean Value Air Path Modeling for High Speed Direct Injection Diesel Engine Equipped with VGT and EGR

Abstract

디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 높은 열효율을 가지므로 차량의 동력원으로 널리 사용되고 있다. 그러나 디젤엔진은 질소산화물과 입자상 물질 등 유해 배기가스가 많이 배출되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고속 직분식 디젤엔진이 개발되었으며 고속 직분식 디젤엔진의 흡입 공기량 제어를 위해 VGT와 EGR을 사용하는 것이 일반적이다. VGT는 기존 터보차저의 문제점인 저속에서의 시간 지연을 해결하고 차량의 운전성능을 향상시키기 위한 목적으로 사용되고 있으며 EGR은 연소가스를 실린더 내로 재순환하여 연소 온도를 낮춤으로써 디젤엔진의 유해배기가스 중 하나인 질소산화물의 배출을 줄이기 위한 목적으로 사용되고 있다. VGT와 EGR은 엔진 공기 유로의 상태에 밀접하게 연관되어 있어 정밀한 제어를 위해서는 엔진 공기 유로에 대한 정확한 정보가 필요하다. 하지만 센서를 이용하여 엔진 공기 유로의 모든 정보를 측정하는 것에는 어려움이 따른다. 그 이유는 배기매니폴드 등과 같이 센서의 사용이 어려운 부분이 있기 때문이다. 이 연구에서는 센서를 이용하여 측정 가능한 부분의 상태 정보를 이용하여 센서를 이용한 측정이 어려운 부분의 상태를 추정하는 디젤엔진 평균값 공기 유로 모델을 개발하였다. 디젤엔진의 공기 유로를 다음과 같이 5개의 부분으로 나누어 모델링을 수행하였다: 흡기매니폳 드, 실린더, 배기매니폴드, EGR, VGT. 각 부분의 모델링은 물리적 현상에 기반을 둔 quasi-steady방법과 filling and emptying 방법에 기반하여 수행하였으며, VGT의 터빈 모델의 경우 기존에 널리 사용된 look up table 기반 모델을 뉴럴네트워크를 이용한 모델로 대체함으로써 모델의 오차를 줄일 수 있었다. 또한 이번 연구를 통하여 개발된 모델은 시뮬레이션 결과와 엔진의 실험값을 비교함으로써 모델의 타당성을 검증하였다. 시뮬레이션 결과와 엔진 실험값 사이의 오차는 주로 컴프레서 모델의 선형 보간에 의해서 발생한 오차와 솔레노이드 타입 EGR밸브의 높은 히스테리시스로 인하여 발생한 것으로 추정된다. 따라서 컴프레서 모델을 새로이 개발하고 실제 엔진에서 EGR밸브를 위치 피드백 제어가 가능한 것으로 수정한다면 오차의 상당부분을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구를 통하여 개발된 디젤엔진 평균값 공기 유로 모델은 VGT와 EGR의 정밀한 제어를 위한 고등 제어기의 개발에 활용 가능할 것으로 예상한다.; Recently, variable geometry turbocharger (VGT) and exhaust gas recirculation (EGR) have been commonly used in diesel engines to increase specific power and to reduce NOx emission, respectively. In order to obtain the full advantage of cooperative operation of VGT and EGR, a model based advanced control strategy which considered the coupling effects of VGT and EGR is required. In this paper, we propose a control oriented mean value air path model for a high speed common rail direct injection diesel engine with VGT and EGR. A mean value air path model is derived based on physical phenomena, thermodynamic law, and static map data. The model consists of an intake manifold, cylinder air charge, exhaust manifold, EGR cooler, EGR valve, and VGT. The proposed model was validated using a 3.0 liter common rail direct injection diesel engine.