In accordance with strengthening regulation of NOx and PM emission in diesel engine, EGR system has been adopted to control engine combustion. Recently, EGR system has been expanded into dual loop EGR system to increase EGR rate as well as utilize exhaust gas strategically. In aspects of engine combustion characteristics, burnt gas fraction is becoming important factor to solve NOx and PM emission reduction problem efficiently.
This paper describes a model based burnt gas fraction control structure for diesel engine with dual loop EGR and turbocharger. The model based control is worthy of a research because it helps precise control of diesel engine air management system especially in transient states, by considering coupled behavior within the system.
For the controller validation, turbocharged diesel engine with dual loop EGR system modeling was conducted first in this research. Then, control oriented reduced order model of diesel engine air management system is established to simplify control input computation. Using sliding mode control method, model based burnt gas fraction controller was designed and controller robustness at some operating points was validated through several approaches.
지구상의 자원 고갈이 점점 빨라짐에 따라 에너지 문제에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자동차 시장에서는 가솔린 엔진보다 높은 출력을 내고 연료 효율이 좋아서 고유가 시대에 경쟁력을 갖출 수 있는 디젤 엔진이 새롭게 주목 받고 있다. 하지만 디젤엔진은 연소 시에 발생하는 소음과 특히, 배기가스에 포함된 그을음, 입자상 물질, 질소 산화물 등의 유해물질이 환경오염을 일으키므로 엔진공학자들은 디젤엔진 배기가스의 유해물질을 저감시킬 수 있는 기술 개발 및 연구에 박차를 가하고 있다.
디젤엔진의 배기가스 유해물질을 저감시키기 위한 방법이 몇 가지 방법들로 연소실 형상을 개선하거나, 배기구 후단에 촉매를 설치하거나, 배기가스 재순환 장치를 장착하는 방법 등이 있다. 위의 방법들 중 촉매를 설치하는 방법이 가장 효과적이라고 알려져 있으나 촉매를 통해 모아둔 유해물질을 재처리 해야 한다는 측면에서 본질적인 해결책이 될 수 없으며 촉매의 성능이 좋아질수록 지불해야 하는 비용도 증가하게 된다. 연소실 형상을 개선하는 방법도 마찬가지로 실린더의 내구성을 증가시키고 피스톤의 동작을 효율적으로 만들기 위한 추가적인 비용 발생이 크다.
배기가스 재순환 장치는 배기가스 중 일부를 신기와 함께 연소실에 포함될 수 있도록 재순환 시켜주는 역할 만으로도 배기가스 유해물질을 효과적으로 줄일 수 있으므로 간단하면서도 효과적인 대안이 될 수 있다. 배기가스 재순환 장치가 유해물질을 줄일 수 있는 이유는 엔진이 저온연소 구간에서 연소하도록 도와주기 때문인데, 엔진의 최대 연소 온도를 낮추어 엔진의 지나친 희박연소(lean burn)가 일어나지 않도록 하여 질소산화물과 입자상 물질의 발생을 줄일 수 있게 된다.
배기가스 재순환 장치 이외에 디젤엔진은 터보차저를 장착하여 외부에서 들어오는 신기의 양을 과급시킨다. 하지만 배기가스 재순환 장치와 터빈이 둘 다 배기 매니폴드 쪽에 위치하고 있으므로, 엔진의 연소조건에 따라 배기가스 재순환 유량과 터빈 유량을 제어하지 않으면 엔진 수명이 감소하게 된다.
최근 배기가스 재순환 장치의 중요성이 커짐에 따라 배기가스 재순환 장치는 복합 방식으로 확장되었다. 기존의 배기 매니폴드에서 흡기 매니폴드로 배기가스를 재순환 시켜주는 장치를 고압 배기가스 재순환 장치, 터빈 후단에서 컴프레서 상단으로 배기가스를 재순환 시켜주는 장치가 저압 배기가스 재순환 장치이다.
본 논문에서는 디젤엔진의 배기가스 유해물질을 줄일 수 있는 복합방식 배기가스 재순환 장치를 장착한 터보차저 디젤엔진 제어기 설계 방법을 제안하였다. 특히, 기존의 산업계에서 사용하던 맵 기반 제어에서 탈피하여 모델 기반 제어기를 설계함으로써 feedforward input으로 목표치를 효과적으로 추종하고 feedback input으로 보상하는 부분을 줄여 과도 구간에서의 반응성을 향상시킬 수 있도록 하였으며, 또한 기존의 단순 SISO(Single Input and Single Output) 시스템 제어 방식에서 나아가 엔진의 물리적 coupling 효과까지도 고려한 MIMO(Multi Input and Multi Output)방식의 제어기를 설계하여 제어기의 응답성을 개선하였다.
본 논문에서 제시한 제어기는 여러 가지 방법을 통하여 검증되었다. 첫 번째로, 평균값 모델링 기법으로 VGT/Dual loop EGR system의 simulink 모델링 작업을 하였고, 완성된 모델에 제어기를 탑재하여 시뮬레이션 검증을 진행하였다. 두 번째로, GT-POWER 프로그램을 활용한 VGT/Dual loop EGR 디젤엔진을 모델링 하였고 GT-POWER 엔진 모델에 제어기를 탑재하여 시뮬레이션 검증을 진행하였다. 마지막으로, HiLS (Hardware in the Loop Simulation)로 구축한 엔진 모델에 대해서도 시뮬레이션 검증을 진행하였다.
개발된 제어 알고리즘은 ECU 적용 관점에서 Look-up table 및 데이터 용량을 최소화 할 수 있도록 설계하였으므로 향후 양산 ECU에 적용하여 디젤엔진의 배기가스 유해물질을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
