A Control Strategy of Fuel Injection Quantity and Common-rail Pressure to Reduce Particulate Matter Emissions in a Transient State of Diesel Engines

(1)

승용디젤엔진의 과도구간 입자상물질 저감 및 운전성능 향상을 위한 연료분사량 및 커먼레일압력 제어전략

홍 승 우¹⁾․정 동 혁²⁾․선 우 명 호^*3)

한양대학교 자동차전자제어 연구소¹⁾․한양대학교 일반대학원 미래자동차공학과²⁾․한양대학교 미래자동차공학과³⁾

A Control Strategy of Fuel Injection Quantity and Common-rail Pressure to Reduce Particulate Matter Emissions in a Transient State of Diesel Engines

Seungwoo Hong¹⁾․Donghyuk Jung²⁾․Myoungho Sunwoo^*3)

1)Automotive Control & Electronics Laboratory, Hanyang University, Seoul 04763, Korea

2)Department of Automotive Engineering, Graduate School, Hanyang University, Seoul 04763, Korea

3)Department of Automotive Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Korea (Received 6 May 2015 / Revised 7 September 2015 / Accepted 7 September 2015)

Abstract : This study proposes a control strategy of the common rail pressure with a fuel injection limitation algorithm to reduce particulate matter (PM) emissions under transient states. The proposed control strategy consists of two parts:

injection quantity limitation and rail pressure adaptation. The injection limitation algorithm determines the maximum allowable fuel injection quantity to avoid rich combustion under transient states. The fuel injection quantity is limited by predicting the burned gas rate after combustion; however, the reduced injection quantity leads to deterioration of engine torque. The common rail pressure adaptation strategy is designed to compensate for the reduced engine torque.

An increase of the rail pressure under transient states contributes to enhancement of the engine torque as well as reduction of PM emissions by promoting atomization of the injected fuel. The proposed control strategy is validated through engine experiments. The rail pressure adaptation reduced the PM emission by 5-10% and enhanced the engine torque up to 2.5%.

Key words : Diesel engine(디젤엔진), Transient emissions(과도구간 배기가스), Common rail pressure control(커 먼레일 압력 제어), Particulate matter control(입자상물질 제어), Fuel injection control(연료분사 제어)

Nomenclature

¹⁾

N

e

: engine speed, rev/min W

f

: fuel injection quantity, mg/str

W

air

: mass air flow supplied into intake, mg/str W

cyl

: cylinder charge, mg/str

P

int

: intake manifold pressure, kPa P

r

: common-rail pressure, bar

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

디젤엔진은 동급 가솔린엔진 대비 높은 에너지효 율로 연비향상을 기대할 수 있다.

¹⁾

하지만 디젤엔진 의 배기배출물에는 환경에 해로운 질소산화물, 입 자상물질 등을 포함하고 있다. 이에 따라 배기규제 는 점차 강화되고 있으며, 이를 만족하기 위하여 다 양한 기술이 연구되고 있다.

^2,3)

배기배출물 규제는 차량동력계 환경에서 NEDC

(New European Driving Cycle) 주행모드를 이용하여

평가한다. NEDC 주행싸이클은 시가지 주행모드의

(2)

홍승우․정동혁․선우명호

4회 반복과 고속주행 모드 1회 반복으로 구성되어 있지만, 이는 실제 차량의 운전조건을 반영하지 못 하는 문제점이 있다.

⁴⁾

따라서 실제 운전조건을 반영 하고자, WLTC (Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle)나 RDE (Real Driving Emissions) 와 같은 시험방법이 제기되고 있다. WLTC와 RDE 는 기존의 NEDC 주행싸이클에 비해 더 넓은 엔진 운전영역에서 빈번한 과도구간을 포함하고 있다.

⁵⁾

따라서 새로운 주행싸이클에서 배기규제를 만족하 기 위해서는 과도구간 배기배출물 감소가 필수적이다.

배기배출물 감소는 엔진의 공기 및 연료 제어시 스템의 목표값 캘리브레이션을 통해 달성할 수 있 다. 그러나 캘리브레이션을 통한 성능향상은 정상 상태에서 수행되기 때문에 엔진의 과도 운전특성을 반영하지 못한다. 엔진의 과도구간에서 연료시스템 은 빠른 응답속도로 목표값을 추종할 수 있지만, 긴 유로를 가지는 흡배기 시스템은 느린 응답속도를 갖기 때문에 캘리브레이션된 목표 값을 추종하기 어렵다.

⁶⁾

이러한 응답속도 차이로 인하여 농후한 연 소조건이 형성되고 입자상물질 배출이 증가한다.

따라서 과도구간 입자상물질 감소를 위해 연료 및 흡배기 시스템의 응답속도 차이를 보상하기 위한 제어전략이 필요하다.

⁷⁾

연료 및 흡배기시스템의 응답속도 차이를 보상하 기위하여 연소모델을 이용하거나 연료 및 공기량 목표 값을 보정하는 방법이 제안되었다. F. Yan 등 과 M. Hillion 등은 연소 모델을 이용한 연료 분사 제 어전략을 제안하여 과도구간 배기배출물을 감소하 고자 하였다.

^6,8)

그러나 제안된 연소 모델은 복잡한 모델 구조를 가지고 있기 때문에 실시간 캘리브레 이션이 어려운 점이 있다. 이를 보완하기 위하여 S.

Zentner 등은 과도구간 연료 분사량 제한과 함께 EGR (Exhaust gas recirculation) 시스템 제어전략을 제안하였다.

⁹⁾

과도구간에서 연료분사량의 제한과 함께 EGR 시스템을 제어함으로써 연료 및 흡배기 시스템 응답속도차이를 보상하였다. 이는 과도구간 입자상 물질 저감에는 큰 효과가 있지만, 감소된 연 료량으로 인한 토크 감소를 상쇄하기에는 한계가 있다.

본 연구에서는 연료분사량 제한과 함께 과도구간

커먼레일압력 제어전략을 제안함으로써 입자상 물 질 저감과 동시에 과도구간 엔진토크 감소를 보상 하고자 하였다. 레일압력의 증가는 연료미립화를 촉진시켜 연쇼효율을 향상시킬 수 있으며, 향상된 연소효율로 입자상물질 저감 및 엔진토크 증가를 기대할 수 있다.

이 연구에서 제안한 연료분사량 제한 알고리즘은 연소 후 발생하는 기연가스 비율(burned gas rate, BGR)을 제한하도록 설계하였다. 또한, 레일압력제 어전략은 연료의 감소량에 비례하게 레일압력을 증 가함으로써 토크감소를 보상하였다. 제안한 알고리 즘은 하나의 캘리브레이션 파라미터를 이용하여 엔 진의 과도구간 배기 및 운전성능을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.

이 논문의 구조는 다음과 같다. 2장에서 대상엔진 및 실험환경에 대해 설명하고, 3장에서는 과도구간 입자상물질 배출특성을 분석한다. 또한 4장에서는 과도구간 연료분사량 및 커먼레일 압력 제어전략을 설계하고, 5장에서 실험결과와 함께 알고리즘 검증 결과를 제시한다. 마지막으로 6장에서 결론과 함께 끝을 맺는다.

2. 대상엔진 및 실험환경

이 연구에서는 승용차량을 위한 2.2 리터 디젤엔 진을 사용하였다. 대상엔진은 공기량 정밀 제어를 위한 배기가스재순환(EGR) 시스템과 가변용량 터 보차저(VGT) 시스템이 장착되어 있고, 고압 연료 분사를 위한 커먼레일 연료분사 시스템이 장착되 었다.

실험환경은 Fig. 1에서 도식화 하여 보여주고 있

는 것과 같이, 대상엔진의 회전속도 및 부하와 같은

시험 조건들을 제어할 수 있는 동력계 제어시스템

과 엔진 제어시스템(Engine management system,

EMS) 내부의 연산결과들을 실시간으로 측정하고

보정하기 위한 표준 보정 프로토콜 기반 인터페이

스 장비와 소프트웨어들로 구성되어 있다. 엔진 제

어시스템은 자체 개발한 연구용 EMS 플랫폼을 사

용하였으며, 제어알고리즘은 그래픽 기반 설계도구

인 MATLAB/Simulink를 이용하여 개발되어 32 bit

마이크로프로세서에 탑재되었다.

^10,11)

개발된 EMS

(3)

Fig. 1 Experimental apparatus overview

Table 1 Specification of experimental apparatus

Sensor Device

(Manufacturer) Specification NOx sensor UniNOx

(Continental)

- Range: 0 ~ 1500 ppm - Response time: 1500 ms Opacimeter AVL439

(AVL)

- Range: 0 ~ 100 % - Response time: 100 ms Real-time

combustion analyzer

In-house combustion

analyzer

- Range: 0 ~ 200 bar - Response time: 0.2 ms

의 연료분사 알고리즘은 엔진운전조건에 따라 목표 토크를 만족하도록 look-up table을 이용하여 설계되 었으며, 운전조건에 따라 최대 5단 연료분사가 가능 하도록 설계되었다.

제어알고리즘의 개발 및 평가를 위하여 엔진의 주요 부분에 온도 및 압력, 그리고 배기가스의 질소 산화물과 입자상물질을 측정하기 위한 데이터 획득 장치(Data acquisition, DAQ)를 구축하였다. 배기가 스의 질소산화물과 입자상물질은 컨티넨탈 사의 UniNOx 센서와 AVL사의 opacimeter를 사용하여 측 정하였다. 또한, 연소상태를 모니터링 하기 위하여 자체 개발한 연소분석기를 설치하여, IMEP (Indi- cated mean effective pressure)와 MFB50 (Mass fraction burned 50 %)과 같은 연소인자를 계산하였다. Table 1은 주요 데이터 측정장비의 사양을 나타내고 있으 며, opacimeter와 연소분석기는 빠른 응답 특성을 갖

는 반면에, NOx 센서는 1.5초의 느린 응답속도를 갖 는다.

3. 과도구간 입자상물질 배출특성 분석 과도구간에 발생하는 입자상 물질을 분석하기 위 하여 엔진의 유사 정상상태(quasi-steady state)와 스 텝 운전구간에서 발생하는 입자상물질 배출특성을 비교 하였다. Fig. 2는 엔진회전속도 2000 rpm에서 가속페달의 위치(Accelerator pedal position, APS)를 스텝으로 변경한 경우와 120초 동안 서서히 APS를 증가하였을 때 결과를 도시하고 있다. 이 조건에서 BMEP는 2 bar에서 6 bar로 증가하였으며, 연료분사 량(W

f

)과 흡입공기량(W

air

) 또한 증가하였다. 엔진 운전조건을 스텝으로 변경한 경우, 네 번째 그래프 의 opacity는 20 % 이상의 높은 peak를 보였지만, 유 사정상상태 운전구간에서 opacity는 급격한 변화를 나타내지 않았다.

엔진의 과도운전 조건에서 입자상물질의 높은

peak는 연소실내에서 국부적으로 농후한 영역이 증

가함으로써 발생한다. 대상엔진의 연료분사량은 빠

른 응답속도로 증가할 수 있지만, 공기량은 흡배기

시스템의 긴 유로와 가변용량 터보차저의 동적특성

으로 인하여 느린 응답특성을 나타낸다. 이러한 연

료와 흡배기 시스템의 응답속도 차이로 인하여 과

도구간에서 상대적으로 부족한 양의 공기가 실린더

(4)

Seungwoo Hong․Donghyuk Jung․Myoungho Sunwoo

Fig. 4 The structure of the common rail pressure and fuel injection limitation algorithms Fig. 2 Comparison of PM emission between a transient and a

quasi-steady conditions at 2000 rpm

에 공급되며, 연소실내에서 국부적으로 농후한 연 소가 일어난다.

연료 및 흡배기 시스템의 응답속도 차이를 분석 하기 위하여, 79 ~ 83초 사이의 과도 운전조건에서 APS, 연료분사량, 흡입공기 압력 및 유량의 변화를 normalization하여 Fig. 3에 도시하였다. 이 실험에서 응답성능의 정확한 비교를 위하여, 연료분사량은 look-up table을 통하여 결정되었으며 어떠한 보정 전략도 적용되지 않았다. 연료량(W

f

), 흡입공기 압 력(P

int

) 및 유량(W

air

) 응답의 상승시간(rising time)을 비교하였을 때, 연료분사량 증가속도는 신기유량 증가속도에 비하여 약 5배 빠른 응답속도를 갖고 있 다. 이러한 응답속도 차이는 과도구간 입자상물질

Fig. 3 Normalized response speed of Wf, Pint, and Wair

생성을 촉진하기 때문에, 이를 보상하기 위한 제어 전략이 필요하다.

4. 과도구간 연료분사량 및

커먼레일압력 제어전략

이 연구에서는 연료 및 흡배기시스템의 응답속도 차이를 보상하기 위하여 과도구간 연료분사량제한 알고리즘과 커먼레일 압력 제어전략을 설계하였다.

Fig. 4는 제어알고리즘 구조도를 도시하고 있으며, 과도구간 제어전략은 연소 후 발생하는 기연가스 비율을 예측함으로써 연료분사량과 커먼레일 압력 목표 값을 조정한다.

4.1 연료분사량 제한 알고리즘

과도구간에서 연료 분사량을 제한함으로써 연료

시스템과 흡배기 시스템의 응답속도 차이를 보상할

수 있다.

⁹⁾

운전자의 출력증가 요구에 연료 분사량이

급격하게 증가하는 것이 아니라, 흡기 매니폴드에

유입되는 공기유량의 증가속도에 따라 연료분사량

이 증가한다. 과도구간에서 연료 분사량 제한은 농

(5)

A Control Strategy of Fuel Injection Quantity and Common-rail Pressure to Reduce Particulate Matter Emissions in a Transient State of Diesel Engines

Fig. 5 Fuel injection limitation process

후한 연소 조건을 방지함으로써 입자상물질 저감에 기여한다.

이 연구에서는 연소 후 발생하는 최대 BGR을 제 한함으로써 연료분사량 제한 알고리즘을 설계하였 다. 연소 후 발생하는 BGR은 입자상물질 생성을 결 정하는 중요한 인자이기 때문에, BGR의 제한을 통 해 과도구간 배기배출물 감소가 가능하다. 연소 후 발생하는 BGR은 기연가스(m

bg,ac

)와 공기(m

air,ac

)의 질량을 이용하여 식 (1)과 같이 정의한다.

,

, ,

bg ac comb

bg ac air ac

x m

m m

= +

⁽¹⁾

Fig. 5는 연료분사량 제한과정을 설명하고 있으 며, 흡기매니폴드 공기상태에 기반하여 연소 후 발 생하는 BGR을 예측하고, 예측된 BGR이 허용 가능 한 최대 BGR보다 작도록 연료 분사량을 제한한다.

연소 후 BGR예측은 흡기매니폴드의 공기상태에 기반하여 식 (2)와 같이 계산할 수 있으며, 흡기매니 폴드에 존재하는 BGR(x

im

), 실린더 공기 유량(W

cyl

) 과 연료분사량(W

f

)을 이용하여 유도된다.

(1

0

)

im cyl f

comb

cyl f

x W W

σ

= + +

+ (2)

또한, 연료의 완전연소를 가정함으로써 BGR은 식 (3)과 같이 계산할 수 있으며, 배기가스 공연비(λ)와 이론 공연비(σ

0

)를 사용하여 유도한다.

,

, ,

0 0

1 1

bg ac comb

bg ac air ac

x m

m m

σ λσ

= +

= + +

(3)

연소 후에 발생할 수 있는 최대 BGR은 최소 공연 비(λ

min

)를 설정함으로써 식 (4)와 같이 계산할 수 있 다. 허용 가능한 최소 공연비를 크게 설정한다는 것 은 희박연소를 필요로 하기 때문에 연료분사량은 더욱 감소되어야 한다.

0 ,max

min 0

1

comb

1 x

σ

λ σ

= +

+ (4)

식 (2)를 통해 예측된 BGR이 식 (4)의 최대 허용 가능한 BGR보다 작게 만들기 위한 연료분사량은 식 (5)의 부등식을 계산함으로써 얻을 수 있다. 식 (6)은 최대 허용 가능한 연료분사량(W

f,lim

)을 나타내 고 있으며, 엔진의 과도 운전조건에서 연료분사량 은 이 최대 값보다 작아야 한다. 만약 흡기매니폴드 에 EGR가스 유입이 증가하게 된다면, 연소 후 발생 하는 BGR이 증가하기 때문에 허용 가능한 연료분 사량은 감소한다. 반면에, 과도구간에서 신기가 빠 르게 흡기매니폴드에 공급된다면, 최대 허용가능한 연료분사량은 증가한다.

0 ,lim 0

min 0

(1 ) 1

1

im cyl f

cyl f

x W W

W W

σ σ

λ σ

+ + ≤ +

+ +

(5)

,max ,lim

0 ,max

( )

1

cyl comb im

f

comb

W x x

W

σ

x

= −

+ − (6)

4.2 커먼레일 압력 제어전략

연료분사량 제한알고리즘은 과도구간 입자상 물 질 감소에 크게 기여하지만 감소된 연료량으로 인 한 토크 감소를 피할 수 없다. 따라서 입자상 물질 감소뿐만 아니라 토크감소를 억제하고자 커먼레일 압력 제어전략을 제안하였다. 커먼레일압력의 응답 속도(τ = 0.1)는 흡배기시스템 응답속도(τ = 0.8) 보다 빠르기 때문에, 과도구간에서 커먼레일압력을 빠르 게 조정할 수 있다.

Fig. 6은 커먼레일압력이 입자상물질과 엔진토크 에 미치는 영향을 도시하고 있다. 커먼레일압력이 650 bar에서 1050 bar로 증가하는 동안 향상된 연소 효율로 인하여 IMEP는 약 130 kPa이 증가하였으며, opacity는 약 3.3 % 감소하였다.

커먼레일압력 증가의 장점을 이용하여 과도구간

(6)

Fig. 6 Effect of rail pressure on emission and engine torque

Fig. 7 The adaptation strategy of the common rail pressure

입자상물질을 저감하고, 토크감소를 보상하기 위한 레일압력 제어전략을 설계하였다. Fig. 7은 과도구 간 레일압력 제어알고리즘 구조도를 도시하고 있 다. 운전자 요구에 따라 결정된 연료분사량(W

f,raw

)과 연료분사량 제한알고리즘에 의해 계산된 연료량

(W

f,lim

)과의 차이를 이용하여 커먼레일압력 목표 값

을 조정한다. 제안한 커먼레일 압력제어전략은 연 료분사량 제한이 일어난 경우에만 실행되며, 식 (7) 은 제안한 제어전략에 의해 계산되는 커먼레일압력 목표 값을 나타내고 있다. K

rail

은 캘리브레이션 변 수로 레일압력이 증가하는 크기를 결정한다.

, ,

(

, ,lim

)

r adapt r des rail f raw f

P

=

P

+

K W

−

W

(7)

목표 커먼레일압력을 추종하기 위한 제어알고리 즘은 압력제어밸브(pressure control valve, PCV)와 유량제어밸브(metering unit, MeUn)를 이용하여 설 계하였다.

¹²⁾

압력제어 알고리즘은 quantitative feed- back theory (QFT)기반의 PCV 제어알고리즘과 연료 유량모델을 이용한 MeUn 제어알고리즘으로 구성 되어 있다.

^12,13)

5. 실험결과

제안한 과도구간 제어전략을 검증하기 위하여 엔 진부하 스텝테스트를 수행하였다. Fig. 8은 과도구 간 엔진운전조건을 도시하고 있으며, 고정된 엔진 회전속도(N

e

= 2000 rpm)에서 가속페달을 스텝으로 변경함으로써 BMEP(Brake mean effective pressure) 는 2 bar에서 8 bar로 증가하였다. 제어전략의 성능 평가를 위하여 배기가스의 입자상물질과 질소산화 물을 측정하였으며, 엔진토크 측정을 위해 IMEP를 계산하였다.

Fig. 8 Transient engine operating condition

5.1 연료분사량 제한알고리즘 검증결과

제안한 연료분사량 제한알고리즘 검증을 위하여 연소 후 발생할 수 있는 최소 공연비를 변경하면서 실험을 수행하였다. Fig. 9는 최소 공연비에 따른 연 료분사량 계산결과를 도시하고 있다. 첫 번째와 두 번째 그래프는 각각 연료분사량(W

f

)과 연료분사량 제한 값(W

f,lim

)을 나타내고 있다. 연료분사량 제한알 고리즘을 적용하지 않았을 때, 과도구간에서 연료 분사량은 급격히 증가하였고, opacity는 약 35 %까지 증가하였다. 그러나 연료분사량 제한알고리즘을 적 용함으로써 과도구간에서 연료분사량은 감소하였 고, 입자상물질 저감에 기여하였다. 최소 공연비 값 을 크게 할수록 희박 연소를 요구하기 때문에 과도 구간에서 연료분사량 더욱 감소하게 된다.

Fig. 10은 연료분사량 제한 알고리즘이 입자상물

질과 질소산화물 배출에 미치는 영향을 도시하고

(7)

Fig. 9 Injected fuel quantity by limitation algorithm

Fig. 10 Emission results with the injection limitation algorithm

있다. 입자상물질 측정결과에서 최소공연비가 1.4 인 경우, 감소된 연료분사량으로 인하여 입자상물 질 발생량이 가장 적음을 알 수 있다. Table 2는 최소 공연비에 따른 입자상물질 저감성능을 요약하고 있 으며, 과도구간에 측정된 opcaity를 smoke number (FSN)로 환산함으로써 전체 입자상물질 발생량을 계산하였다. 최소 공연비의 설정에 따라 최대 29.1 % 의 입자상물질 감소효과를 얻을 수 있었다.

질소산화물 배출물의 경우, 과도구간에서 급격 히 증가하는 경향은 나타나지 않았다. 이는 과도구 간에서 순간적인 배기압 상승이 EGR 유량의 증가 를 야기하기 때문에 질소산화물 생성을 억제하는 것으로 알려져 있다.

⁹⁾

Table 2 Total smoke number and reduction rate with injection limitation

Parameter w/o limit λmin= 1.3 λmin= 1.35 λmin = 1.4 Total smoke

number [-] 2.05 1.74 1.63 1.45

Reduction

rate [%] 0 15.2 20.6 29.1

Fig. 11 IMEP results with the injection limitation algorithm

Fig. 11은 연료분사량 제한 알고리즘이 IMEP 응 답에 미치는 영향을 도시하고 있다. 제한된 연료분 사량으로 인해 엔진토크가 감소하는 경향을 나타내 었으며, 과도구간에 측정된 IMEP의 합을 비교하였 을 때 최대 7.9 %까지 감소하였다. 이러한 토크감소 는 과도구간 운전성능을 저하시킬 수 있기 때문에, 이를 최소화하는 것이 필요하다.

5.2 커먼레일 압력 제어전략 검증결과

커먼레일 압력 제어전략의 검증을 위하여 연료분 사량 제한알고리즘의 최소 공연비는 1.35로 고정하 였고, 커먼레일압력 보정이득 K

rail

을 1.5부터 4.5까 지 증가하였다. Fig. 12의 첫 번째와 두 번째 그래프 는 제안한 알고리즘에 의해 증가한 커먼레일압력

(P

r,comp

)과 센서로부터 측정된 커먼레일 압력(P

r

)을

도시하고 있으며, 보정이득 K

rail

의 증가에 따라 커 먼레일 압력은 약 300 bar 증가하였다. 각 테스트 조 건에서 최소 공연비를 동일하게 설정하였기 때문에 연료분사량은 차이를 나타내지 않았다.

Fig. 13은 제안한 커먼레일 압력 제어전략에 따른

입자상물질, 엔진토크, 질소산화물 결과를 도시하

(8)

Seungwoo Hong․Donghyuk Jung․Myoungho Sunwoo

Fig. 12 Results of common rail pressure and fuel injection quantity with the rail pressure adaptation strategy

Fig. 13 Emission results with the rail pressure adaptation strategy

Table 3 Effects of rail pressure adaptation on PM emission and engine torque

Parameter w/o

adaptation KRail = 1.5 KRail = 3 KRail = 4.5 Total smoke

number [-] 6.5 6.1 5.8 6.0

PM reduction

rate [%] 0 5.0 10.4 6.9

IMEP increasing

rate [%] 0 0.7 1.3 2.5

Fig. 14 Enlarged view of the IMEP response with the rail pressure adaptation strategy

고 있다. 첫 번째 그래프로부터 커먼레일압력의 증 가로 인하여 입자상물질이 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다. Table 3은 과도구간에 발생한 전체 입자 상물질 총량을 나타내고 있으며, 커먼레일 압력 제 어전략 적용에 따라 입자상 물질은 5 ~ 10 % 감소하 였다.

Fig. 14는 커먼레일압력 제어전략이 과도구간 엔 진토크에 미치는 영향을 나타내고 있다. 과도구간 인 20.5초와 22초 사이의 IMEP 응답을 도시하고 있 으며, 커먼레일압력 제어전략 적용을 통해 과도구 간 엔진토크가 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 보정 이득 K

rail

이 증가할수록 향상된 연소효율로 인하여 IMEP는 더욱 증가하였다. 과도구간에 측정된 IMEP 의 합을 이용하여 엔진토크 증가율을 Table 3에 요 약하였으며, 보정이득 변경에 따라 과도구간 엔진 토크는 최대 2.5 % 증가하였다.

그러나 과도구간에서 높은 커먼레일압력은 연소

미립화 촉진으로 연소소음을 증가시킬 수 있기 때

문에 보정이득 K

rail

의 증가는 제한되어야 한다.

¹⁴⁾

따라서 제안한 제어전략을 적용하기 위해서는 과도

구간 엔진 토크 성능 뿐만 아니라 연소소음을 분석

하여 보정이득 K

rail

을 결정해야 한다.

(9)

A Control Strategy of Fuel Injection Quantity and Common-rail Pressure to Reduce Particulate Matter Emissions in a Transient State of Diesel Engines

또한, 커먼레일압력 증가는 연소온도상승을 일 으켜 질소산화물 증가를 야기할 수 있다. 그러나 세 번째 그래프의 질소산화물 결과로부터 알 수 있듯 이, 제안한 제어전략이 질소산화물 에 미치는 영향 은 적음을 확인하였다. 이는 과도구간에서 급격히 많이 유입되는 EGR가스와 농후한 연소조건으로 인 해 레일압력이 연소온도 상승에 미치는 영향이 적 은 것으로 판단된다.

6. 결 론

이 연구에서는 과도구간 배기배출물 감소 및 운 전성능 향상을 위하여 연료분사량 제한알고리즘과 함께 과도구간 커먼레일압력 제어전략을 제안하였 다. 느린 흡배기 시스템으로 인해 형성되는 농후한 연소 조건의 형성을 피하기 위하여 연료분사량 제 한 알고리즘을 설계하였다. 이를 통해 과도구간에 연료분사량의 급격한 증가를 억제하였고, 입자상물 질은 최대 29 %까지 저감할 수 있었다. 그러나 감소 한 연료분사량은 엔진토크 손실을 야기하기 때문 에, 이를 보완하고자 커먼레일 압력 제어전략을 설 계하였다. 제안한 커먼레일 압력 제어전략은 감소 한 연료분사량에 비례하게 커먼레일 압력 목표 값 을 증가시킨다. 엔진 동력계 실험을 통하여 과도구간 제어전략을 검증하였으며, 커먼레일압력 제어전략 적용 유무에 따라 과도구간 입자상 물질은 5 ~ 10 % 감소하였고, 엔진 토크는 최대 2.5 % 증가하였다.

이 연구에서 제시한 과도구간 제어전략은 구현이 쉽고 연산부하가 크지 않기 때문에 실차 적용에 유 리한 장점이 있다. 또한, 오직 하나의 캘리브레이션 파라미터를 이용하여 과도구간 엔진성능을 쉽게 조 정할 수 있는 장점이 있다.

후 기

이 연구는 교육부의 BK21플러스사업(22A2013 0000045) 지식경제부 산업원천기술개발 사업의 일 환으로 수행된 연구결과(No. 10039673, 10042633) 이며, 2011년도 교육과학기술부의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 연구이다(No. 2011- 0017495). 또한, 지식경제부에너지 자원기술개발사 업(2006ETR1 1P091C)의 일환으로 수행되었다.

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