Recently, the emission of hazardous materials (NOx and PM) in diesel engine is a critical issue. The regulations with respect to the NOx and PM are getting stricter, increasingly. Not only the emission problem but also fuel efficiency is considered as a serious issue to develop new turbocharged diesel engines. That is the reason why currently diesel engines are equipped with exhaust gas recirculation (EGR) and variable geometry turbocharger (VGT) system.
However, the more EGR flow is increased for reducing NOx generation, the more PM will be generated. The more compressed air goes into the cylinder for reducing PM, the more NOx will be generated. So the generation of NOx and PM are so-called trade-off relationship. Thus, sophisticated control of EGR and VGT actuator is required to achieve high fuel efficiency and low hazardous material emission, simultaneously. Besides, excessive EGR rate makes low temperature combustion (LTC) mode possible within very limited load and RPM range. Hence, to enhance fuel efficiency and lower the emission level, multi-combustion mode is inevitable solution, and appropriate controller design for multi-combustion mode is required.
Basically, current diesel engine with EGR and VGT is a highly nonlinear system as well as a MIMO (Multi-input and multi-output) system. Moreover, since EGR and VGT are powered by exhaust gas, there exist severe coupling effects. However, conventional controller which is called Electric Control Unit (ECU) ignores this severe coupling effect and controls the turbocharged diesel engine by using independent SISO (Single-input single-output) control method. Hence, model based MIMO control method is required not only to treat the coupling effect between EGR and VGT but also to improve the performance of the engine operation with high fuel economy and low emission level. Furthermore, multiple combustion mode operation is expected to be possible with model based MIMO control method.
As an approach to design model based MIMO controller for turbocharged diesel engine, a sliding mode control (SMC) scheme is adapted. SMC shows good transient response and is robust to uncertainties, even for the unmatched uncertainties.
In this research, the modeling of high pressure type turbocharged diesel engine, especially focused on the air path system, is performed to check the response and tendency of a selected engine. It is a low temperature combustion (LTC) engine for construction equipment which can be operated in multi-combustion mode. In addition, a simplified turbocharged diesel air path model is proposed not only for controller design purpose but also to use it as a plant to check the performance of the designed controllers. To design controllers, SMC technique is implemented in conjunction with model based MIMO nonlinear control methods. To check the performance of model based controller, the designed controllers are compared with PID controller which represents a conventional control scheme for the steady state response as well as the transient. Specifically, model based controllers with and without first order internal dynamics are designed. Particularly, this research put more focus on the transient response considering combustion mode change. Finally, an exhaust manifold pressure observer is designed to compensate for the weakness of the EXMAP sensor.
디젤엔진은 가솔린 엔진에 비하여 높은 연료 효율과 출력을 가진다. 하지만 가솔린 엔진보다 높은 NOx(질소산화물)와 PM(Particulate Matter)의 생성이 문제가 되고 있다. 최근 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 내연기관에서 배출되는 배기가스에 대한 규제가 단계적으로 강화되고 있는 추세이다. 미국의 경우 Environmental Protection Agency (EPA)의 주관아래 1996년 Tier 1을 시작으로 하여 2014년 발효되는 Tier 4 final까지 산업용(Non-road) 디젤엔진에 대한 NOx와 PM의 단계적인 저감을 위해 노력하고 있다.
Tier 1에 비하여 Tier 4 규제의 경우 NOx 와 PM을 96%이상 줄여야 하는 상황에 처해 있으므로 강화되는 배기가스 규제에 적극적으로 대응하기가 쉽지 않다. 현재 산업용 디젤엔진에서 발생하는 NOx와 PM 수치를 촉매만을 이용하여 강화되는 배기가스 규제를 맞추기에는 한계가 있다. 촉매는 연소실에서 이미 발생된 유해물질을 걸러주는 기능을 하므로 원론적인 해결책이 되기 어렵다. 발생된 유해물질을 말 그대로 후 처리하게 되므로 대기 중으로 방출되는 양 만을 줄여 줄 뿐 근본적인 문제점을 해결하지는 못한다. 더구나 디젤엔진의 경우 가솔린 엔진과는 달리 NOx를 제거할 수 있는 삼원촉매의 사용이 어렵다. 디젤엔진은 가솔린 엔진과 같이 연소가 SI(Spark ignition)에 의해 일어나는 것이 아닌 압축에 의한 착화 CI(Compression ignition)에 의해 일어난다. 이러한 압축 착화 기관의 경우 공연비 보다 높은 비율에서 연소가 일어나는 희박연소(Lean Burn)가 일어나게 되어 삼원 촉매의 사용이 어려운 것이다.
이에 대한 대안으로 EGR, VGT 시스템을 적용하게 되면 엔진으로 들어가는 공기의 양을 공연비 근처로 맞추어 희박 연소 시 발생하는 질소산화물과 불완전 연소 상황에서 발생하게 되는 PM의 생성을 동시에 줄일 수 있으므로 강화되는 배기가스 규제에 대응하기 위한 강력한 방법론이다. 더 나아가 EGR의 비율을 더욱 증가시키게 되면 실린더 내에서의 연소 온도가 감소하게 되면서 발생되는 NOx도 줄어들고, PM의 양도 줄어드는 저온연소 구간 또한 생성될 수 있다. 비록 제한된 구간이기는 하나 저온연소 구간과 같이 부하에 따른 높은 연료 효율과 낮은 NOx와 PM을 발생시키는 구간을 찾아서 다양한 연소모드를 이용한다면 배기가스 규제에 보다 유연하게 대처할 수 있다. 디젤엔진에서 다양한 연소모드를 가능하게 하려면 현재의 SISO(Single-Input Single-Output)을 기반으로 하는 coupling 효과를 무시한 PID 제어기로는 한계가 있다.
EGR과 VGT를 갖춘 디젤엔진 시스템은 기본적으로 비선형성을 나타낸다. 이러한 디젤엔진을 제어하는 것은 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 제어 문제이다. 또한 EGR flow는 EGR 밸브에 의하여 조절되기도 하지만 이는 흡기 및 배기 매니폴드의 압력 차에 의해 결정되고, VGT의 동작이 두 매니폴드의 압력 차이에 영향을 줄 수 있다.
그러므로 VGT는 EGR flow를 증가시키는데 사용될 수 있다. 그러므로 EGR과 VGT는 서로 강하게 coupling 되어있다고 할 수 있고, 시스템은 내부적으로 불안정성을 띄게 된다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 비선형성 및 coupling 효과를 고려한 MIMO 제어 방법을 사용하여야 한다. 본 연구에서는 저온연소 모드가 가능한 상용차용 디젤엔진을 개발하기 위하여 필요한 기초연구 수행을 위하여 ㈜두산인프라코어의 EGR과 VGT 시스템을 갖춘 high pressure type DL06엔진의 air management system에 대한 모델링을 수행하였다. 또한 제어기 설계 및 평가의 용이를 위하여 시스템을 단순화시켜 디젤엔진을 7차와 3차의 모델로 표현하였다. 이후 MIMO 시스템인 디젤엔진의 비선형적 특성과 EGR과 VGT coupling 효과를 고려하고, EGR 밸브 액추에이터 및 VGT 액추에이터 만을 사용한다는 가정하에 모델 기반 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 기존의 SISO 기반의 PID 제어기와의 성능 비교하였다. 그리고 성능 비교를 통하여 모델 기반 슬라이딩 모드 제어기의 우수성을 증명하였다. 또한 배기 매니폴드 압력에 대한 관측기를 슬라이딩 모드 기법을 이용하여 설계하였다. 마지막으로 관측기를 이용한 제어기를 구성하여 관측기의 성능을 평가하였다.
