이중연료 압축점화 엔진 연소 위상 모델링 및 제어

본 연구는 이중연료(천연가스와 디젤) 압축점화 엔진에서 연소 위상, 특히 연소 시작 시점(SOC)과 연소 중간점(CA50)을 정확히 예측하고 제어하기 위한 모델 기반 접근법을 제시한다. 논문은 먼저 기존의 복잡한 화학·유동 해석 모델이 실시간 제어에 부적합함을 지적하고, 제어 지향의 평균값 모델(mean‑value model)을 설계한다. 모델은 크게 세 부분으로 구성된다. 첫 번째는 수정된 노크 적분 모델(MKIM)로, IVC(흡기 밸브 폐쇄)부터 SOC까지의 점화 지연을 Arrhenius 형태의 함수로 표현한다. 이때 이중연료 특성을 반영해 IVC‑SOI 구간과 SOI‑SOC 구간 각각에 다른 연료 등가비와 활성화 에너지를 적용하였다. 두 번째는 연소 지속시간(BD) 모델로, EGR 비율, 잔류가스 비율, 두 연료의 등가비를 이용한 경험적 식을 제시한다. 세 번째는 Wiebe 함수를 이용해 SOC와 BD로부터 연소 진행률을 계산하고, 연소 중간점 CA50을 도출한다. 모델 파라미터는 GT‑ISE 시뮬레이션 환경에서 1054개의 다양한 운전 조건 데이터를 활용해 배치 그래디언트 하강법으로 보정하였다. 보정 결과, 모델의 평균 RMS 오차는 ±1.8 CAD 수준으로, 실시간 제어에 충분히 활용 가능함을 확인했다. 제어 전략은 두 가지로 나뉜다. (1) 적응형 폐쇄루프 제어: 실시간 CA50 측정값을 피드백으로 사용하고, 비선형 모델을 기반으로 적응형 게인을 업데이트한다. 시뮬레이션 결과, 급격한 운전 조건 변화 후 5 사이클 이내에 목표 CA50에 도달했으며, 정상 상태 오차는 ±0.1 CAD 이하로 매우 정확했다. 다만, 인‑실리콘 등 고가의 실린더 내부 센서가 필요하다는 실용성 제약이 있다. (2) 모델 기반 피드포워드 개방루프 제어: 센서 없이 SOC와 BD 예측 모델만을 이용해 연료 주입 시작 시점(SOI)을 미리 계산한다. 이 방식은 센서 의존도가 낮아 적용이 용이하지만, 정상 상태 오차가 ±1.5 CAD 정도로 다소 크게 나타났다. 두 제어 방법 모두 10 사이클 이내에 정상 상태에 도달했으며, 시뮬레이션에서는 엔진 속도, EGR 비율, 연료 혼합비 변화에 대해 견고한 성능을 보였다. 논문은 또한 모델 단순화 과정에서 압축비 변화와 열손실을 무시했음에도 불구하고, 실험·시뮬레이션 검증을 통해 충분한 정확도를 확보했음을 강조한다. 마지막으로, 연구는 향후 실제 엔진 테스트를 통한 모델 검증, 온도·압력 변동에 대한 실시간 보정, 그리고 센서‑프리 제어 전략의 고도화를 통해 상용화 가능성을 높일 필요성을 제시한다. 이와 같은 접근은 다중 실린더 이중연료 엔진에서 실시간 연소 위상 제어를 구현함으로써 효율 향상과 배출가스 저감에 기여할 수 있다.