Study on the engine control using the in-cylinder pressure in Diesel engine

Abstract

전 세계적으로 각종 자동차 관련 배기 규제 및 지구 온난화로 인한 CO2 규제가 한층 강화되고 있다. 이러한 규제에 대응하기 위하여 여러 엔진 부가 장치 및 제어 기술이 소개되고 있다. 이 중 HSDI (High Speed Direct Injection) 디젤 엔진에 대해서는 연소제어 기술이 배기가스 저감은 물론 엔진 구성품의 열화에도 대응할 수 있는 기술로서 주목받고 있다. 또한 최근 실린더 내 압력 측정 기술의 발전으로 기술 적용에 의한 비용 상승 폭이 점차 줄어들고 있다. 본 연구에서는 실린더 내 연소 압력을 기반으로 한 엔진 제어 로직을 개발하였다. 실린더 내 연소 현상을 대표하는 변수로서는 MFB50과 IMEP를 선정하였다. 이에 더하여 연소 제어 기술을 이용하여 실린더 내 최고 압력을 제한하는 알고리즘 구성하여 엔진 내구성 및 최대 출력 향상에 기여할 수 있도록 하였다. 또한 실시간 EGR률 예측 모델을 적용하여 실린더 내 가스 조성을 연소 제어 로직에 반영할 수 있도록 하였다. MFB50을 제어하기 위한 변수로서 주 연료 분사시기를 선정하였고, 저부하 영역부터 중부하 영역 구간에서 목표 MFB50을 추종하도록 PID 제어를 이용하였다. 최고 부하 영역에서는 주 연료 분사시기를 조절하여 실린더 내 최고 압력을 지정한 수준 이하로 제어하는 로직이 구현되었다. IMEP를 제어하기 위한 변수로서는 주 연료 분사의 분사 기간을 선정하였고, 연료 분사 기간을 제어하여 목표 IMEP를 추종하는 것을 확인하였다. 완성된 연소 제어 로직은 NEDC 모드 등의 과도 상태 운전 조건에서 성능 검증을 수행하였다. 연소 제어 로직을 통하여 과도 상태 운전에서 배기 배출물의 급격한 증가를 제거하고 일정한 수준을 유지하는 것을 확인하였다. 또한 연소제어 로직을 이용하여 연료 분사계의 열화에 의한 배기배출물 특성 악화 현상을 완화시킬 수 있는 것을 확인하였다.

In these days, emission regulations have been becoming more severe and they remain a principal issue for vehicle manufacturers. Many engine subsystems and control technologies have been introduced to meet the demands of these regulations. For Diesel engines, combustion control is one of the most effective approaches to reduce not only engine exhaust emissions but also to cope with degradation of engine performance due to component deterioration. Moreover, thanks to the technology development and mass production, the cost of a pressure sensor can be lower. In this study, cylinder-pressure-based engine control logic is introduced for a multi-cylinder Diesel engine. The time for 50% of the mass fraction burned (MFB50) and the IMEP are valuable for identifying combustion status. Maximum cylinder pressure is meaningful for extending engine durability. Also, an EGR rate is estimated by using the ECU information and in-cylinder pressure. These in-cylinder quantities are measured and applied to the engine control logic. Main injection timing is controlled to adjust the operating MFB50 to the target MFB50 with PID control logic from low to medium load and it is controlled to suppress the maximum cylinder pressure below a certain level. Fuel injection quantity is controlled to adjust the measured IMEP to the desired IMEP. The effect of control logic is demonstrated at transient conditions and applied to an NEDC mode test. The emission peak at transient is minimized and emission level in transient state maintained that in steady state. Combustion control logic can also compensate the deterioration of fuel injector during the operation due to the aging or damaging.