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Study on the virtual NOx sensor for diesel engines
디젤 엔진에서 가상 질소산화물 센서에 관한 연구

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Authors
이준용
Advisor
민경덕
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2013-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Virtual NOx (Nitrogen Oxides) sensorIn-cylinder pressureDiesel
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2013. 8. 민경덕.
Abstract
thus, this model can be applied to engines and after-treatment systems as a useful tool to control the engine-out NO without the use of a NOx sensor. In addition to being a virtual NO sensor, the estimation model can be applied to 1-D simulations, such as GT-SUITE and AMESIM, and demonstrate improved NO estimation results as the model is able to predict the NO level as same standard as the 3-D CFD simulation.
Then, a newly developed NO estimation model was implemented on the embedded system bypassed from a conventional engine control unit for real-time estimation of NO during steady-states and transient engine operations. The results of the model were compared to real-time measurement of engine-out NO of a conventional Diesel engine at representative steady state operating points which cover the entire NEDC region. Also, EGR rate and main injection timing were varied to verify the predictability of the model under various conditions. The results showed that the model predicts steady state results well with R2 value of 0.96 for 76 HP-EGR cases. In addition, to verify transient estimation of NO, the engine-out NO was measured by a fast NO analyzer and compared with the results of the model during simple ramp transition conditions.
Additionally, the engine-out NO emissions measured by a fast NOx analyzer and the estimated NO emissions were compared during ECE-15 and EUDC cycles. Furthermore, to extend the NO model to a complete NOx estimation model, an empirical NO2 estimation model was proposed based on the experiments under steady-state conditions. The in-house EGR estimation model was also applied in the NOx estimation model for accurate cycle-by-cycle estimation and used as an input during transient engine operations.
This systematic research on the development of a virtual NOx sensor contributes to real-time NOx monitoring for transient NOx control and after-treatment system control.
however, there were several limiting factors, such as complexity of the model for a real-time application, the necessity of various calibration constants, fitting processes for empirical equations and the demand for training for numerical models.
In this study, to overcome the limits of previous studies, a real-time nitric oxide estimation model was developed based on the in-cylinder pressure and on data available from the ECU. As computational fluid dynamics can describe the process of NO formation which is not directly obtainable from experiments on a physical basis, the NO formation model was developed based on both the analysis of CFD results as well as on a physical model. Furthermore, the in-cylinder pressure is used to predict the amount of NO formation under various engine operating conditions as the pressure reflects the change in the combustion characteristics. The estimation model consisted of a simple calculation process
To meet the stringent emission regulations on diesel engines, engine-out emissions have been lowered by adapting new combustion concepts such as low-temperature combustion and after-treatment systems have also been used to reduce tailpipe emissions. To optimize the control of both in-cylinder combustion and the efficiency of an after treatment system to reduce NOx, the amount of real-time NOx emissions should be determined.
Thus, many studies on a virtual NOx sensor using physical and phenomenological models have been reported. Previous studies have shown reliable NOx estimations
therefore, the model could predict the cycle-by-cycle NO in real-time. The validation results show that the model presented can predict engine-out NO well
디젤 엔진에 대한 배기 규제가 강화됨에 따라 새로운 연소 기법을 이용하여 엔진 자체의 배출물을 줄이거나 후처리 장치 등을 이용하여 최종 배출물을 줄이는 등의 노력이 이루어지고 있다. 특히, 질소 산화물 (NOx) 감소를 위한 실린더 내 연소제어, 동시에 후처리 장치의 효율을 최적화하기 위해서는 실시간으로 배출되는NOx 배출량에 대한 정보가 필요하다.
따라서 물리적, 현상학적 모델을 사용한 가상 NOx 센서에 대한 많은 연구가 보고되고 있다. 기존 연구들은 비교적 정확하게 NOx 배출량을 예측하고 있지만 실시간 애플리케이션으로써 활용하기에는 현재 차량에 장착 중인 엔진 제어 장치의 계산 능력에 비해 모델이 너무 복잡하거나, 경험식을 피팅하기 위해 많은 보정 상수가 사용되고, 통계적 수학적 모델 등의 경우에는 많은 트레이닝이 필요한 등의 여러 가지 제한 요인이 있었다.
본 연구에서는 선행 연구의 한계를 극복하기 위해 실시간 실린더 압력과 ECU에서 얻을 수 있는 데이터에 기반한 실시간 NOx 예측 모델을 개발하였다. CFD 는 실험 과정에서 직접 얻을 수 없는 NO의 형성 과정을 자세히 설명 할 수 있기 때문에, 물리적 분석과 함께 CFD 결과의 분석을 통해 모델을 개발하였다. 또한 실린더 내 압력이 엔진 연소특성의 변화를 잘 반영하기 때문에, 다양한 엔진의 작동 조건에서 NO의 배출량을 예측할 수 있도록 연소압력이 사용되었다. 개발된 NO 예측 모델은 간단한 계산 과정으로 이루어졌기 때문에 실시간으로 사이클 별 NO를 예측할 수 있었다. 검증 결과는 제안된 모델이 엔진에서 배출되는 NO 를 잘 예측하는 것을 보여주었고, 따라서 개발된 모델이 NO센서 대용으로써 엔진과 후처리 장치의 제어를 위한 유용한 도구로써 시스템에 적용될 수 있음을 확인하였다. 가상 NO 센서로 사용될 수 있는 것 이외에도, 개발된 NO 예측 모델은 GT-SUITE와 AMESim 과 같은 1 차원 시뮬레이션에 적용되어CFD 모델과 동일한 수준으로 NO 수준을 예측할 수 있는 가능성을 가지고 있다.
이후, 개발 된 NO예측 모델은 정상 상태와 과도 엔진 작동 상태에서 NO의 실시간 추정을 위한 기존의 엔진 제어 장치를 우회한 임베디드 시스템에 구현되었다. 모델의 결과는 NEDC 전 영역을 커버하는 대표적인 정상 상태의 동작 점에서 엔진에서 배출되는 실시간 NO 측정값과 비교되었다. 또한 다양한 조건에서 모델의 예측성을 검증하기 위해 배기가스 재순환율과 주분사시기를 베이스 조건 대비 변화시켰다. 정상상태 검증 결과 HP-EGR 76 케이스에서 실험 결과와 R2=0.96 의 높은 예측 정도를 확인할 수 있었다. 또한 과도상태에서의 NO 예측 정도를 검증하기 위해 고속 NOx 분석기를 사용하여 엔진 속도, 부하 변경 등의 간단한 램프 조건에서 모델 결과와 비교하였다. 또한 유럽의 배출가스 측정 모드인 ECE-15 와 EUDC 사이클에서 고속 NOx 분석기 결과를 사용하여 모델을 검증하였다. 추가적으로, NO 만이 아닌 전체 NOx를 예측할 수 있도록 정상상태 실험 결과 기반의 경험식을 사용한 NO2 예측 모델을 제안하였다. 실시간 NOx 예측 모델에 정확한 과도상태 EGR 값을 제공하기 위해 실험실에서 개발된 EGR 예측 모델 또한 적용 되었다.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/118338
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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