Hybrid electric vehicle(HEV) have been proposed to be the most practical solution in reaching very high fuel economy as well as very low emissions. A HEV combines tow propulsion systems, mostly using an internal combustion engine, especially gasoline engine, and an electric motor. But with stringent emission regulation need for low harmful emission and high fuel economy will result in development of new type of hybrid electric vehicle, based on diesel engine. Diesel engines compared to gasoline engines generally used in the HEV are inherently more efficient and, therefore, have a higher fuel economy and low carbon dioxide $(CO_2)$ emissions. Despite of the advantages of diesel engine, it has a serious problem of nitrogen oxide $(NO_x)$ and particulate matter(PM) emissions. To reduce these kinds of emissions, low temperature diesel combustion(LTC) was applied to diesel HEV. Simultaneous reduction of $NO_x$ and PM emissions was achieved using the ultra-high exhaust gas recirculation(EGR) which could reduce in-cylinder temperature.
In this study, parallel diesel HEV with LTC was optimized to achieve the goal of the high fuel efficiency while reducing $NO_x$ and PM emissions. Several control parameter which affect fuel economy, emissions characteristics, and driving performance was examined and optimized. LTC control parameters were EGR rate, injection pressure, injection timing, and boost pressure. To optimize diesel HEV systems, hybridization factor(HF), SOC(state of charge) range, electric launch speed were controlled.
For this purpose, a one-dimensional engine analysis tool was used with a 2.7L diesel engine. And, vehicle analysis tool, designed for rapid analysis of the performance and fuel economy of vehicle model, was used for a conventional diesel HEV and HEV with LTC by applying output data from engine simulation of LTC.
By applying intake boosting to LTC, CO, HC, and PM emission was slightly reduced and the operating torque range was expanded by 50%. The positive effect of increase in fuel injection pressure on fuel consumption and emission characteristics is lower than that of intake boosting.
When the hybridization factor was 0.5, the HEV showed low fuel consumption and low emissions satisfying the required performance. PM emission could be reduced significantly as expanding the speed range of electrical drive.
A parallel diesel HEV with low temperature diesel combustion showed at least 4% lower fuel economy, on the other hand $NO_x$ and PM emission could be reduced by over 60 % when compared to a conventional diesel HEV.
연료소비율과 배기 배출물 저감을 위한 가장 효과적인 방법으로 하이브리드 전기자동차가 제안되었다. 하이브리드 전기자동차는 일반적으로 가솔린엔진과 전기모터의 두 가지 추진 시스템을 혼합하여 사용한다. 하지만 유해가스 배출저감과 연료경제성 향상을 위해 강화되는 배기규제는 디젤엔진을 기반으로 하는 새로운 형태의 하이브리드 시스템을 유발시킬 것이다. 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비해 효율이 높아 연료경제성이 뛰어나고 이산화탄소($CO_2$)의 배출이 적다. 이러한 장점에도 불구하고 질소산화물($NO_x$)와 입자상물질(PM)의 배출이 많은 중요한 문제를 안고 있다. 이러한 배기가스 문제를 해결하기 위해 저온디젤연소(low temperature diesel combustion)를 디젤하이브리드 전기자동차에 적용하였다. 대용량의 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation)을 이용해 실린더 연소온도를 낮추고 이를 통해 질소산화물과 입자상물질은 동시에 저감시켰다.
본 연구에서는 저온디젤연소가 적용된 디젤하이브리드 전기자동차의 질소산화물과 입자상물질의 동시 저감과 연료경제성 향상을 위한 최적화를 수행하였다. 연료 경제성, 배기배출물 특성, 주행 성능에 영향을 미치는 몇 가지 인자를 선정 후 최적화 하였다. 저온디젤연소의 조절 인자로는 배기가스 재순환율, 연료분사압력, 연료분사시기, 과급압력을 선정하였다. 디젤 하이브리드 시스템의 최적화를 위해 하이브리드화 지수(hybridization factor), 배터리의 충전 범위(state of charge range), 전기자동차 주행 시작 속도(electric launch speed)를 최적화하였다.
2.7 리터 디젤 엔진의 모델링을 위해 1차원 엔진해석 프로그램을 이용하였다. 기존의 디젤 하이브리드 전기자동차와 저온디젤 연소가 적용된 하이브리드 전기자동차의 주행 성능과 연료소비율 특성을 해석하기 위해 차량 해석 프로그램을 이용하였으며 엔진 해석 프로그램의 저온디젤연소 결과를 이용하였다.
저온디젤연소에 흡기과급을 적용함으로써 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질이 감소하였으며 엔진의 작동 토크영역이 50 % 정도 확장되었다. 저온디젤연소의 연료소비율과 배기배출물 특성에 있어서 흡기과급의 긍정적인 영향은 연료 분사압력의 증가에 비해 우세하였다.
하이브리드화 지수가 0.5일 때 하이브리드 전기자동차에 요구되는 최소한의 주행성능을 만족시키며 연료소비율과 배기배출물이 감소하였다. 전기자동차 주행을 하는 속도구간의 확장은 입자상물질의 배출을 다량 감소시켰다.
저온디젤연소의 적용으로 인해 기존의 디젤하이브리드 전기자동차에 비해 연료 경제성은 최소 4 % 정도 감소하였지만 질소산화물과 입자상물질은 모두 60% 이상 감소하였다.
