가솔린 엔진에서 실린더 압력기반 상사점 판별오차의 정밀 해석

Abstract

내연기관 엔진을 사이클 관점에서 해석할 때, 피스톤의 상사점(TDC: Top dead Center)은 사이클 물리량을 계산하는데 중요한 기준점이 되며, 이들의 정확도에 큰 영향을 미친다. 그러나 실제 현장에서 실제 차량으로 실험을 할 경우 대부분 실험의 편이성 때문에 별도의 상사점 센서를 사용하지 않고, 압력센서를 기반으로 한 상사점 측정이 이루어진다. 하지만 이러한 압력센서 기반의 상사점 측정은 실린더 벽면으로의 열전달, 피스톤 링을 통한 블로우 바이(Blow-by) 가스 손실 등의 오차요인으로 인해 정확한 상사점 측정에 어려움을 겪는다. 따라서 실제 차량에서 보다 정확한 사이클 물리량 측정을 위해서는 압력센서를 기반으로 한 상사점 판별 기법에 대한 연구가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 실제 차량과 엔진 동력계(Engine Dynamometer)에서 상사점 센서를 이용하여 상사점을 측정한 다음, 압력센서를 기반으로 측정된 상사점과 그 차이를 비교하여 실린더 압력을 기반으로 한 상사점 측정시의 오차 분석 및 그 보상방법을 제시하고자 하였다. 실험의 기준이 되는 실제 상사점을 알기 위해 용량형 갭 센서(Capacitive gap sensor) 타입의 상사점 센서를 이용하였으며, 운전 조건을 변화시켜가며 압력 센서를 이용하여 측정한 압력과 비교하였다. 엔진 동력계 실험을 통해 실제 상사점과 압력센서 상사점의 차이를 확인하였으며, 엔진속도, 온도, 스로틀 개도량과 같은 운전조건 차이에 따른 압력센서와 상사점 센서의 차이를 비교하였다. 이 결과 엔진 속도에 따른 열역학적 손실각(Thermodynamic Loss Angle)의 영향력이 가장 크다는 것을 확인하였으며 실린더별 상사점의 차이를 확인하였다. 실제 차량 실험에서 엔진 속도, 온도와 같은 운전조건 차이에 따른 압력센서와 상사점 센서의 차이를 비교하였으며, 엔진 동력계 실험과의 차이를 비교하였다. 이 결과 실제 차량과 엔진 동력계의 유사성을 확인하였다. 본 연구 결과 압력센서를 기반으로 측정한 상사점과 실제 상사점의 운전 조건에 따른 차이 및 실린더별 차이를 확인하였으며, 이를 통해 실린더 압력을 이용한 상사점을 판별하는 기법을 제시하였다. 또한, 모터링 상태의 IMEP 측면에서 오차를 확인하였다.