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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 문석수
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
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세계적인 친환경 기조에 대응하기 위해 배터리 기반 전기차(BEV) 및 수소 연료전지차(FCEV)의 상용화가 활발히 진행되는 한편, 하이브리드 차량(HEV)을 필두로 하여 높은 점유율을 유지할 것으로 보이는 엔진의 고효율화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 엔진의 초고효율화를 달성하기 위해 연료 소비 최적화 기술개발이 이루어지고 있으며, 그중 인젝터의 분사 제어기술 최적화는 연료 소비와 직결된 중요한 요소 중 하나이다. 초고압 분사, 다단분사, 희박 혼합기 생성 등의 기술을 실현하기 위해 정확하면서도 신속하게 분사율을 모사할 수 있는 가상엔진 서브 모델을 사용하는 추세에 있으며, 인젝터에 대응하는 경량 분사율 예측 모델의 필요성이 대두된다.
운전 중에 발생하는 폭넓은 요구 부하에 대해 최적화된 연료 분사를 수행하기 위해선 정밀하면서도 빠른 분사율 제어가 요구된다. 기존의 인젝터 분사율 제어는 분사 후 ECU(Engine Control Unit) 기반의 피드백을 통해 이루어졌다. 이러한 방식은 실주행 시의 변칙적 부하 조건에서 피드백 오차로 인한 연소 최적화에 어려움이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 주행 부하에 따라 인젝터 분사량을 선제적이고 빠르게 계산하는 수단이 필요하게 되었다.
이전 연구에서 Amesim을 이용한 1-D 모델을 통해 분사율을 예측하려는 시도가 있었으나, 튜닝에 많은 작업이 필요해 여러 인젝터에 즉각적으로 적용하기 위한 보편성에서 미흡함이 존재했다. 또한, 분사 기간이 짧은 과도기적(Transient) 조건에서 예측의 오차가 커지는 한계가 존재했다. 정확한 목표 공연비 달성 및 배기가스 후처리 장치 가동을 위해 파일럿 분사, 후분사 등 순간적이고 과도기적인 분사가 다량 수행되고 있음을 고려할 때, 과도기적 분사에서도 높은 정확성을 가지는 분사율 예측 수단의 필요성이 대두된다.
본 연구의 목적은 기존의 연구를 기반으로 하며, 입력변수의 정확도 향상, 변동 체적탄성률 및 유량계수 도입 등을 통해 메인 분사 조건뿐 아니라 과도기적 분사 조건에서도 사용 가능한 1-D 연료 분사율 예측 모델을 설계하는 것이다. 본 모델은 유체역학 이론을 바탕으로 인젝터 노즐의 내부 구조, 니들의 동적 거동 데이터, 연료의 물성, 분사 조건 등 간단한 입력변수만을 활용하여 모델의 튜닝이 쉽다는 장점이 있고, 필요에 따라 여러 형태의 입력변수를 사용할 수 있어 범용성 또한 우수하다는 장점이 있다.
개발된 분사율 예측 1-D 모델은 분사 기간이 짧은 미소량 분사부터 일반적인 메인 분사 조건까지 폭넓은 분사 기간 조건에서 수행 및 검증되었으며, 실험 분사량 데이터와 비교 검증 시 결정계수 기준 미소량 조건에서 96.7%의 정확성을 가짐을 확인하였다. 이는 기존 연구에서 8.0%가량(R-Square 기준) 개선된 수치이다.
여러 구조에 쉽게 튜닝 가능한 범용성 및 1-D 모델의 고응답성을 확보함으로써 엔진의 요구출력에 대해 더 기민하고 정확하게 인젝터의 분사를 제어할 방법론을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
운전 중에 발생하는 폭넓은 요구 부하에 대해 최적화된 연료 분사를 수행하기 위해선 정밀하면서도 빠른 분사율 제어가 요구된다. 기존의 인젝터 분사율 제어는 분사 후 ECU(Engine Control Unit) 기반의 피드백을 통해 이루어졌다. 이러한 방식은 실주행 시의 변칙적 부하 조건에서 피드백 오차로 인한 연소 최적화에 어려움이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 주행 부하에 따라 인젝터 분사량을 선제적이고 빠르게 계산하는 수단이 필요하게 되었다.
이전 연구에서 Amesim을 이용한 1-D 모델을 통해 분사율을 예측하려는 시도가 있었으나, 튜닝에 많은 작업이 필요해 여러 인젝터에 즉각적으로 적용하기 위한 보편성에서 미흡함이 존재했다. 또한, 분사 기간이 짧은 과도기적(Transient) 조건에서 예측의 오차가 커지는 한계가 존재했다. 정확한 목표 공연비 달성 및 배기가스 후처리 장치 가동을 위해 파일럿 분사, 후분사 등 순간적이고 과도기적인 분사가 다량 수행되고 있음을 고려할 때, 과도기적 분사에서도 높은 정확성을 가지는 분사율 예측 수단의 필요성이 대두된다.
본 연구의 목적은 기존의 연구를 기반으로 하며, 입력변수의 정확도 향상, 변동 체적탄성률 및 유량계수 도입 등을 통해 메인 분사 조건뿐 아니라 과도기적 분사 조건에서도 사용 가능한 1-D 연료 분사율 예측 모델을 설계하는 것이다. 본 모델은 유체역학 이론을 바탕으로 인젝터 노즐의 내부 구조, 니들의 동적 거동 데이터, 연료의 물성, 분사 조건 등 간단한 입력변수만을 활용하여 모델의 튜닝이 쉽다는 장점이 있고, 필요에 따라 여러 형태의 입력변수를 사용할 수 있어 범용성 또한 우수하다는 장점이 있다.
개발된 분사율 예측 1-D 모델은 분사 기간이 짧은 미소량 분사부터 일반적인 메인 분사 조건까지 폭넓은 분사 기간 조건에서 수행 및 검증되었으며, 실험 분사량 데이터와 비교 검증 시 결정계수 기준 미소량 조건에서 96.7%의 정확성을 가짐을 확인하였다. 이는 기존 연구에서 8.0%가량(R-Square 기준) 개선된 수치이다.
여러 구조에 쉽게 튜닝 가능한 범용성 및 1-D 모델의 고응답성을 확보함으로써 엔진의 요구출력에 대해 더 기민하고 정확하게 인젝터의 분사를 제어할 방법론을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
목차
1. 서론 11.1 연구 배경 11.2 연구 동향 41.3 연구 목적 62. 분사율 예측 모델링 72.1 모델의 개요 72.2 형상 모델링 102.3 유체역학적 모델링 132.4 고정물리량 모델 및 변동물리량 모델 153. 니들 거동 데이터 취득 및 분석 183.1 XPCI 기법 183.2 실험 조건 203.3 니들 변위량의 정량화 및 분석 224. 예측 모델의 분석 결과 검증 및 고찰 314.1 분사율 예측 결과 및 검증 314.2 총 분사량 예측 결과 및 검증 374.3 오차 분석 및 모델별 비교 분석 415. 결론 46Appendix 48A.1 베르누이 방정식 및 이론속도 도출 48A.2 체적탄성률 모델 50A.3 니들 거동 계측 수치화 Matlab 코드 52참고문헌 54
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