다중 실린더 디젤 엔진의 실린더별 연소 시점 모델 기반 제어

초록

본 논문은 고희석·고증가 부스트 조건에서 다중 실린더 디젤 엔진의 연소 시점(CA50)을 정확히 제어하기 위해, 연소 시점 예측 모델과 실린더별 흡입 가스 특성 모델을 결합한 비선형 모델을 개발하고, 이를 기반으로 적응형 폐쇄‑루프 제어와 피드포워드 개방‑루프 제어 두 가지 전략을 설계·시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과, 모든 실린더에서 10 사이클 이내에 CA50가 안정화되었으며, 적응형 제어는 ±0.1 CAD, 피드포워드 제어는 ±1.3 CAD 이내의 정밀도를 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 디젤 엔진의 연소 효율과 배출 가스 제어에 핵심적인 연소 시점(CA50) 예측 정확도를 높이기 위해 두 개의 서브 모델을 통합한 점이 가장 큰 특징이다. 첫 번째 서브 모델은 ‘노크 적분 모델’, ‘연소 지속시간 모델’, 그리고 ‘Wiebe 함수’를 결합한 비선형 연소 시점 모델로, 연료의 점화 지연, 연소 진행 속도, 그리고 연소 종료 시점을 물리적으로 연결한다. 특히, 노크 적분 모델을 도입함으로써 고희석(EGR) 및 고압축비 환경에서 발생할 수 있는 연소 불안정성을 정량화하였다. 두 번째 서브 모델은 실린더별 흡입 가스 특성을 예측하는 모델로, 각 실린더의 흡입 가스 흐름, EGR 비율, 그리고 흡입 밸브 폐쇄 시점(I​VC)에서의 압력·온도를 계산한다. 이 모델은 실린더 간의 미세한 흐름 차이와 기하학적 불균형을 반영함으로써, 기존의 평균값 기반 제어가 놓치기 쉬운 ‘실린더‑특이’ 변동성을 포착한다.

통합 모델을 제어 설계에 적용하기 위해, 연구진은 모델을 선형화·차원 축소하여 실시간 구현이 가능한 형태로 단순화하였다. 적응형 폐쇄‑루프 제어는 실시간 CA50 측정값과 모델 기반 예측값 사이의 오차를 이용해 이득을 지속적으로 조정하는 구조이며, 이는 엔진 부하·속도 변화에 대한 강인성을 제공한다. 반면 피드포워드 개방‑루프 제어는 사전 보정된 모델 파라미터와 목표 CA50 값을 입력으로, 목표 연소 시점을 직접 계산해 연료 주입 시점을 조정한다. 두 제어 방식 모두 시뮬레이션에서는 6실린더 엔진 전체에 적용되었으며, 10 사이클 이내에 목표 CA50에 수렴하였다. 특히 적응형 제어는 ±0.1 CAD 이내의 매우 작은 정착 오차를 보였으며, 피드포워드 제어는 ±1.3 CAD 정도의 오차를 보였지만 구현 복잡도가 낮아 실시간 제어 하드웨어에 유리한 점이 강조된다.

오차 분석에서는 모델 파라미터 불확실성, 센서 노이즈, 그리고 실린더 간 압력·온도 차이의 비선형 전파가 제어 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 결과적으로, 파라미터 추정 오차가 5 % 수준까지 증가해도 적응형 제어는 여전히 ±0.2 CAD 이내의 정밀도를 유지했으며, 피드포워드 제어는 오차가 ±2 CAD 수준으로 확대되었다. 이는 실시간 적응 메커니즘이 모델 불확실성을 보상하는 데 효과적임을 시사한다.

이 논문의 주요 기여는 (1) 실린더‑특이 흡입 가스 모델을 연소 시점 모델에 정밀히 결합한 통합 프레임워크, (2) 두 가지 상이한 제어 전략을 동일 모델 기반으로 설계·비교한 체계적 접근, (3) 고희석·고증가 부스트 상황에서도 빠른 수렴과 높은 정밀도를 입증한 시뮬레이션 결과이다. 향후 실제 엔진 테스트와 하드웨어‑인‑더‑루프(HIL) 검증을 통해 모델 파라미터의 온라인 추정 및 제어기 튜닝 자동화가 진행된다면, 실용적인 엔진 제어 시스템으로의 전이 가능성이 크게 확대될 것으로 기대된다.