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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

홍승우 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수
선우명호
발행연도
2015
저작권
한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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디젤엔진은 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)같은 유해 배기배출물 저감을 위한 다양한 기술들이 개발됨에 따라 승용차량에 널리 적용되고 있다. 배기배출물 저감을 위한 대표적인 기술로 커먼레일 시스템(Common rail system), 배기 재순환(Exhaust gas recirculation, EGR) 및 가변용량 터보차저(Variable geometry turbocharger, VGT) 시스템이 개발되었다. 이 기술들을 효과적으로 엔진에 적용하여 배기배출물 저감과 연비향상을 동시에 달성하기 위해서는 정밀 제어알고리즘 설계가 필수적이다. 제어알고리즘 목표 값은 배기 및 연비와 같은 엔진성능 극대화를 위해 최적화 되어 있기 때문에, 빠르고 정밀하게 목표 값 추종이 가능한 제어기 설계기술은 매우 중요하다.
이 논문은 커먼레일 시스템과 EGR 및 VGT 시스템을 위한 제어알고리즘 설계 기법을 제시한다. 커먼레일 시스템의 정밀 제어를 위해서는 고압 펌프 및 연료분사 장치로 인한 불연속적인 연료 흐름을 효과적으로 상쇄하여야 한다. 불연속적인 연료흐름은 정상상태 운전조건에서 레일압력 맥동을 야기하고, 이 맥동은 정밀 연료 분사량제어에 어려움을 발생시키기 때문에 엔진성능 저하를 피할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 연료 유량 밸브(metering unit, MeUn)와 레일압력 제어 밸브(pressure control valve, PCV)의 협조 제어알고리즘 설계를 통해 레일압력 맥동을 감소하고 과도구간 응답성능 향상을 위한 제어알고리즘을 설계 하였다. 제시한 제어알고리즘을 적용함으로써 레일압력 맥동은 최대 20 bar에서 8 bar로 감소하였으며, 엔진의 다양한 과도구간 운전조건에서 제어기의 강건성을 검증하였다.
두 번째로, EGR과 VGT 시스템의 강한 비선형성과 각각의 시스템들이 서로 영향을 미치는 상호작용특성을 상쇄하기 위하여 분산화된 다변수 제어 알고리즘(decentralized multivariable)을 제시하였다. 제어기 구조는 직관적인 캘리브레이션이 가능하고 연산시간이 적은 PI 제어기를 사용하였다. EGR 및 VGT 시스템의 강한 비선형성을 선형 PI 제어기로 극복하기 위해서 제어이득 스케줄링 전략을 제시하였다. 제시한 제어이득 스케줄링 전략은 EGR 및 VGT 시스템의 물리적 특성을 반영할 수 있는 흡기 및 배기 매니폴드 압력비와 배기 공연비 인자를 이용하여 설계하였다. 그리고 EGR 및 VGT 시스템의 강한 상호영향을 감소하기 위하여 simplified decoupler 설계기법을 적용하였다. Simplified decoupler는 모델오차에 강건한 특성을 갖고 있어서 운전조건에 따라 다양한 특성을 나타내는 디젤엔진 흡배기 시스템에 적합하다. 제시한 EGR과 VGT 시스템의 다변수 제어알고리즘은 다양한 엔진운전조건에서 검증하였으며, EGR과 VGT 시스템의 상호영향이 14-66 %까지 감소함을 보여주었다.
제시한 커먼레일 압력과 EGR 및 VGT 시스템 제어알고리즘은 엔진 성능을 위해 최적화된 목표 값의 빠르고 정확한 추종이 가능하다. 그러나 제어 목표 값은 엔진의 정상상태에서 최적화 되었기 때문에, 과도구간 운전에서 최적성능을 보장하지 못한다. 엔진의 과도구간에서는 응답 특성이 빠른 연료분사 시스템과 느린 흡배기 시스템이 농후한 연소 조건을 형성하기 때문에, 과도한 입자상 물질이 배출된다. 따라서 이 논문에서는 과도구간에서 연료 및 흡배기 시스템의 제어 목표 값을 보정하기 위한 적응제어 전략을 제시하였다.
제시한 목표 값 적응제어 전략은 엔진의 과도구간에서 연료 및 공기의 응답특성 차이를 상쇄하여 입자상 물질 감소에 기여한다. 또한, 엔진 출력의 빠른 증가를 통해 운전성능 향상이 가능하다. 제시된 적응 제어전략은 연료분사량 제한 알고리즘과 EGR 가스 및 커먼레일 압력의 목표 값 적응 알고리즘으로 구성하였다. 연료 분사량 제한 알고리즘은 농후한 연소를 피하기 위하여 연료 분사량을 조절한다. 연료 분사량 제한으로 인한 엔진 출력 감소를 보상하기 위하여, EGR 가스 저감과 커먼레일 압력 증가를 위한 적응 알고리즘이 설계 되었다. 과도구간에서 EGR 가스 저감은 VGT 효율을 향상시키고, 신기의 응답속도를 높인다. 그리고 커먼레일 압력 증가는 연료 미립화 촉진을 통하여 엔진 토크를 증가시키는 동시에 입자상 물질을 저감하는 역할을 한다. 제시한 제어알고리즘은 오직 두 개의 캘리브레이션 변수를 사용함으로써 과도구간 엔진의 배기 성능과 운전 성능 사이의 균형을 쉽게 조절할 수 있는 장점을 가진다. 엔진의 과도구간에서 EGR 및 레일압력 적응 제어전략을 적용함으로써, 입자상 물질은 11 % 감소하였고, 엔진 토크는 5.44 % 증가하였다.

목차

Chapter 1 Introduction 1
1.1. Research background and motivation 1
1.2. Problem address 3
1.2.1. EGR and VGT system control 3
1.2.2. Common rail pressure control 8
1.2.3. Transient emission control 9
1.3. Related works 12
1.3.1. Approaches of EGR and VGT control 12
1.3.2. Approaches of common rail pressure control 14
1.3.3. Control strategy to reduce transient PM emissions 15
1.4. Objectives and scope 17
1.4.1. Decentralized multivariable control for the HP-EGR and VGT system 18
1.4.2. Coordinated common rail pressure control 18
1.4.3. Fuel injection parameter adaptation to reduce transient PM emission 19
1.5. Outline 20
Chapter 2 Experimental setup 21
2.1. Target engine 21
2.2. Configuration of the EGR and VGT systems 22
2.3. Configuration of common rail fuel injection system 24
2.4. Experiment apparatus 25
Chapter 3 Static gain model based SISO feedback control algorithm for EGR and VGT systems 29
3.1. Overview 29
3.2. Linear parameter varying model of EGR and VGT systems with a new scheduling parameter 30
3.2.1. SISO plant analysis 30
3.2.2. Static gain model of EGR and VGT system 35
3.3. Gain scheduled feedback controller with the static gain model 42
3.4. Experimental results 47
3.4.1. EGR control algorithm 47
3.4.2. VGT control algorithm 56
3.5. Summary 66
Chapter 4 Multivariable control of EGR and VGT systems with model-based dynamic decoupler 68
4.1. Overview 68
4.2. MIMO plant analysis 69
4.3. Model-based dynamic decoupler 73
4.4. Equivalent transfer function for designing feedback controllers 77
4.5. Experimental results 82
4.6. Summary 93
Chapter 5 Coordinated common rail pressure control algorithm using two actuators: pressure control valve and metering unit 94
5.1. Overview 94
5.2. Analysis of the common rail system 95
5.3. Controller structure and control objective 99
5.4. Pressure wave reduction algorithm using metering unit 101
5.5. Quantitative feedback theory (QFT) based robust pressure regulation algorithm 103
5.6. Experimental result 109
5.7. Summary 118
Chapter 6 Adaptation algorithm of EGR and fuel injection parameters for reducing transient emission and enhancing drivability 119
6.1. Overview 119
6.2. Model based injection limitation strategy 121
6.3. Burned gas rate adaptation algorithm 126
6.4. Rail pressure adaptation algorithm 130
6.5. Synthesis of the adaptation algorithms 135
6.6. Summary 147
Chapter 7 Conclusions and Outlook 148
7.1. Conclusions 148
7.2. Outlook 154
Appendix A. Estimation of intake burned gas rate 155
Bibliography 159

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