Developing Physics-based Diesel Engine Model with EGR system for Predicting NOx Emissions

Abstract

Emissions from tailpipe of passenger cars are getting attention as a primary source of air pollution; thereafter regulations for the vehicle emissions are getting more stringent. The limit for NOx emissions is decreasing and the vehicle test environment is being more aggressive that covers a wide range of engine operation. In addition, real-driving NOx emissions are included in the Euro 6d regulation recently, and therefore efforts to reduce the NOx emissions from the vehicle have been made by several approaches. Especially, many researches are conducted to understand and predict the NOx formation in various engine operation points. However, most of the studies lack physical understanding of engine operations and NOx formations or require huge computational costs to cover a broad range of engine operations. In this study, the diesel engine model that includes exhaust gas recirculation(EGR) system was developed to predict the NOx emissions with 0D/1D physics based model. Each engine part was implemented based on the measured data from the test result of the target vehicle. First, EGR system with EGR cooler and EGR control system was modeled with the estimated target EGR fraction map. Second, the specifications of injector such as fuel mass injected and the timing of injection were collected from the measured data and entered in the model. Third, the effect by swirl control valve that enhances the fuel-air mixing was reflected in the combustion model. Finally, the diesel combustion was calibrated based on the data from the combustion analyzer such as in-cylinder pressure profile. The engine IMEP and NOx emissions from the engine showed good agreement with the measured data in a wide range of engine speed and load.

자동차 배기가스가 대기 오염의 원인 중 하나로 꼽히면서 자동차 배출물에 대한 규제 기준이 더욱 강화되고 있다. 특히, NOx 배출량 규제치는 계속해서 낮아지고 있고, 배출량 인증 시험의 주행 환경은 더 넓은 엔진 운전 영역을 포함하도록 진화하고 있다. 거기다가, 최근에 Euro 6d에서는 실도로 배출량에 대한 규제까지 포함하려 하고, 이에 따라 자동차 NOx 배출량을 줄이기 위한 다양한 방안들이 제시되고 있다. 이러한 맥락에서 여러 엔진 운전 영역에서 NOx 생성량을 예측하고 그 경향성을 이해하려는 다양한 연구들이 진행되었다. 그러나 대부분의 연구들이 배출량 예측에는 성공했지만 엔진이 운전될 때의 물리적인 상황에 대한 이해가 부족하거나, 다양한 엔진 운전 영역을 연구하기에는 너무 많은 계산을 요구하는 등의 한계점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 NOx 배출량을 예측하기 위한 EGR 시스템을 포함한 디젤 엔진 모델을 개발하되, 0D/1D 기반 모델을 활용하여 엔진과 각 파트에서의 물리적인 상황을 파악할 수 있는 형태로 발전시켰다. 각 엔진 파트는 타겟 차량 주행 결과에서 얻은 데이터를 기반으로 구현되었다. 첫째, EGR 시스템은 EGR 쿨러와 EGR 제어 장치로 구성하였고, EGR 제어 장치는 측정 데이터를 기반으로 얻은 타겟 EGR율 맵을 기반으로 작동되도록 하였다. 둘째, 펄스별 분사량과 분사 타이밍 같은 인젝터 운행맵을 측정 데이터로부터 얻어서 모델에 반영하였다. 셋째, 스월 제어 밸브에 의한 연료-공기 혼합 증대 효과를 연소 모델에 반영하였다. 마지막으로, 연소 해석기에서 얻은 운전점별 실린더 압력 프로파일과 같은 데이터를 통해 엔진 실린더 내 연소 모델을 보정하였다. 엔진 IMEP과 NOx 생성량에 대한 모델 결과값은 전 운전 영역에 걸쳐서 측정치와 비슷한 수준의 값을 내었다.