Cylinder deactivation 엔진의 동작모드 전환 시 과도상태 특성 모델링 및 공연비 제어시스템의 설계

Abstract

병렬형 하이브리드 동력시스템의 저 부하 운전영역에서는 모터에서만 동력을 만들어낸다. 이때, 엔진과 모터가 기구적으로 연결되어 있는 병렬형 시스템의 특성 때문에 발생하는 펌핑손실을 최소화하기 위하여, 실린더 비활성화 (Cylinder deactivation) 기술이 적용되었다. 모터가 혼자서 동력을 생산할 때, 실린더로 들어가는 공기의 흐름을 밸브 리프트를 조절하여 막음으로써 펌핑손실을 발생시키지 않는다. 그러나 엔진이 비활성모드에서 활성모드로 운전모드가 변경될 때, 급격한 공기흐름의 변화로 인한 공연비 제어에 문제가 발생한다. 과도상태 초기에 공연비의 심각한 변동이 발생한는데, 급격한 공기 유입량의 변화에 따른 연료량을 계산하지 못한 것과 이벤트 방식의 제어시스템으로 인한 분사 지연이 주 요인이다. 분사 지연은 엔진의 특성상 불가피하므로 활성모드로의 전환 시 흡기밸브를 여는 시간을 지연시켜서 분사 지연을 상쇄해야 한다. 그러나 밸브가 열리기 이전에는 공기의 흐름이 측정되지 않는다. 따라서 공기유입을 고려하여 연료를 분사하려면, 밸브가 열렸을 때 실린더로 들어가는 과도상태 공기의 양을 예측해야 한다. 실린더로 들어가는 공기의 양은 속도-밀도 방법을 이용하여 계산하는데, 이때 흡기 매니폴드의 압력이 사용된다. 그러므로 밸브가 열렸을 때, 흡기 매니폴드의 압력을 정확히 에측하는 것이 가장 중요하다. 이 연구에서는 압력을 예측하기 위하여, 모델기반제어를 이용하였다. 실린더 비활성 시스템으로 인한 엔진특성은 비선형성이 매우 강하고, 모델링 하기 어려운 불확실성을 가지고 있다. 따라서, 시스템은 지배적인 거동을 보여주는 가장 단순한 비선형 수식으로 모델링 되었다. 비선형 모델을 이용하여, 외부에서 들어오는 모드전환 신호를 모델 내부의 모드전환 시작 신호로 사용하고, 실제 엔진에서는 신호를 지연시켜 흡기 밸브를 열도록 하였다. 먼저 제안된 모델의 적절함을 검증하기 위하여, 과도상태 시뮬레이션 결과와 엔진실험 결과를 비교한 결과, 계산된 흡기 매니폴드의 압력이 과도상태에서 작은 오차범위 내에서 실제 값을 추종함을 볼 수 있었다. 또한, 분사지연을 고려하지 않은 연료량 계산기법을 사용한 실험결과와, 모델을 이용하여 분사지연을 고려한 결과를 비교한 실험을 수행하였다. 실험결과, 모델을 이용한 실험에서 공연비의 변동을 상당량 줄일 수 있었다.; Several technologies have been developed to reduce emissions and to improve fuel efficiency. Hybrid powertrain systems are one of the leading technologies designed to achieve these objectives. In the case of a parallel hybrid powertrain system, an engine and a motor are directly coupled. Because of the hardware configuration in a parallel hybrid system, the engine and the motor always rotate together. Therefore, the fuel efficiency is decreased by pumping and friction losses of the engine. Such losses are primary factors that result in a deterioration of fuel efficiency in the parallel hybrid powertrain system. The efficiency is particularly poor during the fuel-cut condition in which the engine operates as a power consumption device. Cylinder deactivation (CDA) technology can improve fuel efficiency by reducing pumping losses during the fuel-cut driving mode. In the CDA engine, there are two operating modes: the CDA mode and the SI mode. The mode changes with the operating conditions. However, during the mode change, a serious fluctuation of the air-fuel ratio occurs without adequate control. In this study, the CDA engine model is presented to control transient lambda variation during the mode change. The CDA engine model included a throttle valve, intake manifold, fuel-film dynamics, and torque production. Furthermore, this engine model included an operating mode change function, which was able to describe transient operating characteristics as the engine mode changes. A control algorithm is proposed that compensates transient variations based on the CDA engine model. Finally, the accuracy of the CDA engine model and performance of the control algorithm were validated by engine experiments.