This paper deals with the design of coordinated controllers for dual-loop exhaust gas recirculation (EGR) and variable geometry turbine (VGT) in a diesel engine air-path system. The technique of model-based control is adopted for the controller design to handle the coupling properties of the air-path system effectively. As for the control of the air-path, it is very important to select control states considering physical importance of them and practical aspects. In most papers about the control of air-path with dual-loop EGR, states of air fraction or burnt gas fraction are controlled to satisfy the target set-point. However, controlling fraction states is not practical because sensors for the fraction states are not available on the production engine. In this paper, model-based controllers are designed only based on pressure and flow states, which are easily measured or estimated even in the production engine. Robust nonlinear control methods such as sliding mode control or input-output linearization are applied to design the controllers of the air-path system which is a highly nonlinear system with strong coupling effects. The control performance of the proposed control schemes is verified through simulation of the valid 10th order plant model based on a 6,000cc heavy duty diesel engine and also using the GT-POWER program which is a well-known engine simulation tool. This paper also suggests estimation methods of pressure states which are not measurable on the production engine such as exhaust manifold pressure, compressor inlet pressure, and turbine outlet pressure. The estimation performance of each estimator is verified experimentally based on the target diesel engine in various operating points.
전 세계적으로 디젤 엔진의 배기가스에 대한 환경규제가 점점 심해짐에 따라 친환경적인 엔진 시스템의 개발이 요구되고 있다. 현재 디젤 엔진에는 배기가스를 저감하기 위한 많은 시스템들이 장착되어 있다. DPF, SCR, DOC와 같은 배기가스 후처리 시스템이 이미 많이 개발되어 상용화 되었으며, EGR 시스템과 VGT도 많은 엔진에 공통적으로 적용되었다. EGR 시스템의 경우에는 배기가스를 흡기 매니폴드로 재순환 시켜서 실린더 내부의 연소 피크 온도를 낮춰서 NOx를 저감시키는 역할을 하며, VGT는 배기가스가 적을 때에도 터빈의 날개 각도를 조절하여 효율적으로 공기를 과급시킴으로써 PM을 저감하는 효과를 가져온다. 후처리 시스템 같은 경우에는 연소 후에 이미 발생된 배기가스를 여러 가지 화학 작용을 통해 정화하는 방식인 반면에, EGR과 VGT 시스템의 조합은 배기가스의 성질 자체를 결정하는 엔진연소 특성을 바꿀 수 있다는 점에서 배기가스를 근본적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 최근에는 EGR 시스템의 효율적인 활용을 위해, EGR 시스템이 두 개 장착된 이중방식 EGR 시스템도 상용화가 되었다.
이렇게 다양한 엔진 시스템이 개발됨에 따라 엔진 시스템을 정확히 제어하는 기법들도 개발도 요구되고 있다. 환경규제에 대응하기 위한 디젤 엔진 제어에 관한 연구는 후처리 시스템의 제어에 관한 연구, 공기순환계 제어에 관한 연구, 연료 분사계에 관한 연구 등이 있다. 본 논문은 디젤 엔진 시스템 중에서 이중 방식 EGR과 VGT의 날개 각도를 액추에이터로 사용하여, NOx와 PM과 같은 유해물질이 저감되도록 연소 시 실린더 내부의 혼합기(공기, 재순환된 배기가스)를 제어하는 것이다. 제어 관점에서 디젤 엔진의 공기 순환계는 매우 상태량 간의 커플링이 심한 비선형 시스템이다. 공기순환계 제어에 관한 많은 논문들에서 이러한 특성을 충분히 고려해서 제어기를 설계하기 위해, 모델 기반 제어 기법을 제안하였다. 본 논문에서는 제어기를 설계하기에 앞서, 공기순환계의 수학적 모델링 관한 연구를 먼저 수행하였다. 이중 방식 EGR과 VGT가 장착된 공기순환계에 관한 10차 모델을 설계하여 그 성능을 실험데이터로부터 검증하였고, 제어기 설계를 용이하게 하기 위한 5차의 감소차수 모델도 설계하였다.
디젤 엔진 공기순환계 시스템을 제어하는 데 있어서 가장 중요한 부분 중에 하나는 어떠한 상태량을 제어할 것인지 선택하는 것이다. 공기순환계에서 배기가스의 유해물질 정도를 결정하는 변수는 실린더로 유입되는 EGR rate와 공연비 같은 연소 변수들이지만, 이 연소 변수들은 센서로 측정이 불가능하기 때문에 직접 제어하는 것이 불가능하다. 대신, 센서로 측정이 가능하며 공기순환계를 구성하는 상태량, 압력, 온도, 산소 분율, 유량 등을 제어하여 연소 변수들이 간접적으로 제어가 되도록 해야 한다. 이중방식 EGR과 VGT 제어에 관한 다른논문들에서는 대부분 산소 분율 (또는 배기가스 분율) 상태량을 제어하는 기법들을 소개했지만, 분율 상태량 같은 경우에는 아직 양산 엔진에 센서가 장착이 되지 않기 때문에 제안된 기법들이 실용적이지 않다고 볼 수 있다. 대신 본 논문에서는 센서로 쉽게 측정이 가능하거나 추정이 가능한 흡기 압력, 배기 압력, 신기량을 제어 상태량으로 선택하였고, 시스템 모델 특성을 고려해 input-output linearization, sliding mode controller 등 여러 제어 기법을 활용해 제어기를 설계하였다. 설계된 제어 알고리즘은 총 3종류이며 각각의 제어 성능이 두 가지 시뮬레이션 방법을 통해 검증되었다. 첫 번째로 앞서 설계된 10차 모델에 대해서 제어 성능 검증을 하였으며, 조금 더 높은 정확도로 검증하기 위해 상용 엔진 시뮬레이션 툴인 GT POWER 모델로도 성능 검증을 하였다.
제안된 제어 알고리즘들은 실용성과 모델 dynamics를 고려한 알고리즘으로서 실제 엔진 실험 검증을 거쳐 향후 양산 엔진에 적용하여 배기가스 유해물질을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
