KR100268751B1 - 촉매변환기의 작동을 모니터링하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

가스혼합물이 흐르는 촉매변환기의 적어도 하나의 부분용적의 상태를 분석하기 위한 방법은, 가스혼합물의 화학적 및/또는 물리적 특성의 변동동안 부분용적내의 한 장소 또는 한 영역내에서 센서로 온도가 측정되는 제 1 단계, 및 측정된 온도의 반응이 결정되어 가스혼합물 특성의 관련된 변동에 대한 설정값과 비교되는 제 2 단계로 이루어지고, 상기 제 1 단계에서 장소 또는 영역 및 센서의 배치는, 가스혼합물 특성의 변동에 대한 측정된 온도의 반응이 촉매변환기의 부분용적에서의 온도반응을 적어도 대략적으로 대표하도록 선택된다. 반응은 온도의 시간적 미분값 또는 시간적 적분값에 의해 매우 양호하게 관찰될 수 있다.

Description

촉매변환기의 작동을 모니터링하기 위한 방법

본 발명은 가스혼합물이 흐르는 촉매변환기의 적어도 하나의 부분용적의 상태를 분석하기 위한 방법, 특히 전자 제어장치를 갖춘 내연기관 하부에 접속된 촉매변환기의 작동을 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다.

주요한 적용분야는 촉매변환기, 및 오토(otto)엔진을 갖춘 승용차에서 엔진 근처의, 소위 예비 촉매변환기이다. 세계적으로 점점 더 엄격해지는, 자동차 내연기관의 유해물질 배출에 대한 법규와 관련해서, 내연기관 하부에 접속된 촉매변환기의 작동을 계속적으로 또는 간격을 두고 모니터링함으로써, 상기 촉매변환기의 상태, 상기 촉매변환기의 작용 및 가능하다면 예상되는 수명에 대한 정보를 얻어야 할 필요가 점점 커진다. 상기의 모니터링은 주행동작시 적합한 기회에 수행되어야 하기 때문에 약어 OBD(탑재 진단 ; On Board Diagnosis)로도 표시된다.

선행기술에는 여러가지 물리적 및 화학적 작용을 이용하는, 촉매변환기의 작동을 모니터링하기 위한 방법이 많이 공지되어 있다. 먼저, 촉매변환기 전후의 소위 람다 프로브(lambda probe)에 의해 배기가스의 산소함량이 측정될 수 있다. 두 프로브 사이의 산소함량으로부터 촉매변환기의 작동이 추론될 수 있다. 다른 물리적 원리는 촉매변환기에서 이루어지는 프로세스가 열에너지를 방출하는 발열반응이라는 사실을 이용한다. 따라서, 가장 간단한 경우, 적어도 촉매 작용 용적의 많은 부분을 사이에 두고 있는 온도 센서들의 온도차로부터 촉매변환기의 작용이 추론될 수 있다. 상기 방법 및 그것에 속한 장치는 예컨대 국제공개 WO 91/14855호에 개시되어 있다. 촉매변환기에서 온도측정을 수행할 수 있는 적합한 센서는 상기 간행물 및 국제공개 제 WO 93/05284호에 개시되어 있다. 기본적으로 내연기관 배기 시스템에서의 온도측정은 촉매변환기내의 가스온도측정과 구조물 온도측정으로 구분되어야 한다. 표면에 촉매 작용 물질을 가진 촉매변환기 구조물은 촉매 작용 표면에서의 발열반응의 에너지를 배기가스보다 훨씬 신속히 흡수한다. 따라서, 거기서의 온도측정은 열원에서 이루어지고 많은 경우에 과도과정(transient processes)시 배기가스 온도보다 훨씬 더 신속하고 정확하게 반응한다. 그럼에도 불구하고, 가스온도는 지연되고 및/또는 약해진 경우에도 유사한 반응을 나타내므로, 평가가능한 측정이 구조물에서 뿐만 아니라 촉매변환기의 내부에 있는 배기가스 자체에서도 제한적으로 가능하다.

독일특허공개 제 41 00 397호에는, 내연기관의 상태가 단시간 동안, 특히 추진 동작동안 점화의 차단 및 엔진의 분사에 의해 방해받으며, 이때 배기시스템의 여러 장소에서 온도센서의 반응이 관찰되는 방식의 측정방법이 공지되어 있다. 여기서는, 온도신호를 미분하고 미분된 신호를 저장하거나 또는 이 신호를 저장된 이전의 값과 비교하는 것도 제시된다.

배기시스템에서, 특히 촉매변환기 내부에서 온도측정시 하기 문제점이 있다. 즉, 한편으로는 발생하는 절대온도가 높아서 종래의, 경계적으로 사용가능한 온도센서로는 절대온도가 충분히 정확히 측정될 수 없으므로 그것으로부터 믿을만한 추론이 이끌어내질 수 없다. 특히 다수의 온도센서 사이의 상이점이 형성시 측정에러가 가산되기 때문에 측정에러로 인해 측정되어야 하는 작은 변동이 확실하게 검출될 수 없다. 또 다른 문제점은 촉매변환기 내부에서 온도센서에 의해 측정된 값이 온도센서가 설치된 장소에 강력히 의존한다는 것이다. 예컨대, 온도센서가 약 20cm 길이의 촉매변환기의 시작부분에 설치되면, 상기 센서는 짧은 작동시간 후에 이미 촉매적으로 약간 활성화된 영역에 놓이므로, 거기서 측정된 값은 실제로 나머지 촉매변환기 용적의 작동에 대한 정보를 더이상 제공할 수 없다. 다른 한편으로는 촉매변환기의 끝부분에 설치된 온도센서는 과도과정시, 특히 단시간 촉매변환기 작동후 내연기관의 작동상태를 단시간 방해할때, 변동을 측정할 수 없는데, 그 이유는 전체 발열반응이 촉매변환기의 전방영역에서 이루어지고, 그 뒤에 놓인 부품의 열용량에 의해 단시간의 변동이 촉매변환기의 끝부분에서 검출될 수 없거나 또는 지연되어 검출되고 강력히 약화되어 검출된다. 또한, 통상적인 경우에 촉매변환기가 다수의 차례로 배열된 부분몸체로 이루어지는 것은 어렵다. 이 경우, 어떤 장소에서 얻어진 온도측정값은 시스템의 전체 상태에 대한 확실한 정보를 줄 수 없다.

본 발명의 목적은 전술한 단점을 피하고 단독으로 또는 또 다른 부분 용적 상태의 분석과 함께 촉매변환기의 전체 상태에 대한 확실한 정보를 주도록 구성된, 가스혼합물이 흐르는 촉매변환기의 하나의 부분용적의 상태를 분석하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 촉매변환기의 상태 및 작동조건하에서의 그것의 상태가 간단한 모델로 매우 양호하게 나타내질 수 있고 상기 모델을 나타내기 위한 수학적 등식에서 단지 적은 물리적 값만이 필요하다는 사실을 기초로 한다. 이것에 대한 몇가지 기본적인 설명은 간행물 "SAE Technical Paper Series 930938"의 Nick Collings 등저, "A Linear Catalyst Temperature Sensor for Exhaust Gas Ignition(EGI) and On Board Diagnostics of Misfire and Catalyst Efficiensy" 및 간행물 "SAE Technical Paper Series 930624"의 Angelo Germidis 등저, "Thermal Measurements Inside a Three-Way Catalytic Converter on Engine Bench"에 나타나 있다.

본 발명은 촉매변환기 용적이 이론적으로 2개 또는 다수의 차례로 놓인 부분용적으로 나누어질 수 있고 상기 부분용적을 개별적으로 또는 관련해서 관찰하는 방식을 기초로 한다.

상기 목적의 달성을 위해, 가스혼합물의 화학적 및/또는 물리적 특성의 변동동안 부분용적 내부의 적어도 한 장소에서 또는 한 영역내에서 센서로 온도측정이 수행되고, 상기 장소 또는 영역 및 센서의 배치는, 측정 온도의 반응이 촉매변환기의 부분용적에서의 온도반응을 적어도 거의 대부분 나타내도록 선택되며, 측정 온도의 반응이 결정되어 가스혼합물 특성의 확인된 변동에 대한 설정값과 비교되는 방식으로 구성된, 가스혼합물이 흐르는 촉매변환기의 적어도 하나의 부분용적의 상태를 분석하기 위한 방법이 적용된다.

특히 촉매변환기의 부분용적내의 온도의 시간적 변동을 적어도 거의 대부분 나타내는, 측정 온도의 시간에 대한 미분값이 반응으로 관찰되고, 측정 온도의 시간에 대한 미분값이 결정되어 가스혼합물 특성의 확인된 변동에 대한 설정값과 비교된다. 특히, 동일한 변동시 이전에 측정된 최대값에 비한 또는 설정값에 비한 배기가스조성의 변동동안 측정 온도의 시간에 대한 미분값의 최대값 높이가 매우 확실한 정보를 준다.

반응으로서 바람직하게는 온도의 시간에 대한 미분값이 배기가스조성의 확인된 변동시간 동안 관찰될 수 있다. 경우에 따라 배기가스 조성의 변동에 대한 촉매변환기에서의 반응의 시간적 지연이 고려되어야 한다. 또한, 적분값에서, 변동전후에 측정되는 온도의 준상수 성분이 빼내져야 한다. 결과치로서, 변동이 온도센서에서 일으키는 온도피크하의 표면이 얻어진다.

자동차가 거의 계속적으로 과도 작동조건하에 놓이기 때문에, 측정 온도변동을 배기가스 조성의 변동에 할당함으로써 촉매변환기의 상태를 추론하는 것은 어렵다. 따라서, 전형적인 재인식 가능한 결과, 변동패턴, 배기가스중의 2개 또는 다수의 변동을 두드러지게 하는 것이 특히 바람직하다. 이것은 주기적으로, 비주기적으로 그리고 선택적으로 여러가지 강력한 변동(진폭)으로 이루어질 수 있다. 센서에서의 온도변동이 상기 두드러진 배기 가스 조성변동 패턴에 확실하게 할당되기 위해서, 변동패턴이 작동에 기인한 모든 가능한 변동에 의해 달라진다는 것이 중요하다. 주기적인 변동패턴에서는, 센서에 의해 검출될 수 있으며 작동에 기인한 전형적인 변동주파수 이하에 놓일 정도로 낮은 주파수가 특히 적합하다. 다른 한편으로는 단 시간내에 일정한 작동조건(추진,무부하)으로 충분한 수의 변동을 가능하게 하기 위해, 상기 주파수가 충분히 높아야 한다. 적합한 주파수는 0.1 내지 10Hz, 바람직하게는 0.5 내지 2Hz이다.

본 발명의 또다른 바람직한 실시예는 특허청구범위의 종속항에 제시되어 있다.

촉매변환기는 일반적으로 새 것일때는 모든 작동에 대해 과도하게 설계되어 있다. 즉, 촉매변환기의 처음 10cm 이내에서 이미 유해물질의 90% 이상이 변환된다. 작동시간 증가에 따른 촉매변환기의 에이징(aging)에 따라 촉매변환기의 전방부분에서의 효율이 예컨대, 중독(poisoning) 및/또는 열에 의한 에이징(thermal aging)에 의해 줄어든다. 따라서, 보다 후방에 배치된 온도센서가 단시간의 방해시 측정값의 변동을 거의 나타내지 않는다는 사실로부터, 촉매변환기가 그 기능을 충족시키지 못한다는 것이 추론될 수 없다. 다른 한편으로는, 에이징된 촉매변환기에서 보다 전방에 배치된 온도센서가 내연기관 작동상태의 방해에 대한 반응을 거의 나타내지 않는다는 사실로부터, 마찬가지로 촉매변환기가 나머지 용적에서 기능을 완전히 충족시키지 못한다는 것이 추론될 수 없다. 게다가, 자동차에서 엔진제어 및 촉매변환기의 모니터링하기 위한 모든 센서가 제조기술상 공차 및 에이징에 의해 측정 에러를 가지며, 또한 촉매변환기가 그것의 제조 및 조립시, 특히 촉매작용 코팅에 현저한 공차를 가질 수 있다. 따라서, 개별온도측정값, 그것의 미분 또는 적분신호 또는 온도센서들의 측정값들 사이의 차이의 평가가 많은 에러를 가지므로 정확한 평가가 어렵다. 특히, 촉매변환기의 오동작을 추론하는 한계치(threshold value)를 설정하는 것은 많은 문제점이 있다.

본 발명은, 촉매변환기를 2개 또는 다수의 부분영역으로 세분하고 촉매변환기를 통해 흐르는 가스혼합물의 화학적 및/또는 물리적 특성의 변동시, 즉 내연기관의 작동상태 변동시, 상기 부분영역중 적어도 하나에서 온도의 반응을 관찰함으로써, 상기 문제점을 특히 바람직하게 해결한다. 그러나, 관찰된 미분 또는 적분신호 또는 그것의 차이는 바람직하게는 고정한계치(fixed threshold values)와 비교되는 것이 아니라, 이론적 또는 사전시험에 의해 정해진 설정값 범위와 비교된다. 이때, 2개 또는 다수의 부분용적에서 측정을 하는 경우 제 2 부분용적 및 후속하는 모든 부분용적의 설정값 범위를 정할 때 그 앞에 놓인 모든 부분용적에서 실제로 측정된 값이 고려되는데, 그 이유는 그렇지 않으면 촉매변환기의 작동에 대한 정보가 불완전하게 되기 때문이다.

특히 보다 긴 길이의 촉매변환기에서, 적어도 3개의 부분용적에서 온도가 측정되고, 그것의 시간에 대한 미분값이 결정되어 설정값 범위와 비교되는 것이 특히 바람직하다. 본 발명이 제한된 부재의 방법에 따라 일정방식으로 이루어지기 때문에, 결과가 어느 정도의 정확도를 갖는지는 메시폭(mesh width), 즉 개별부재의 간격에 의존한다. 물론, 보다 많은 부분용적이 관찰되고 보다 많은 온도가 측정되면, 결과가 더욱 더 정확해진다. 본 발명의 또다른 실시예에서 설정값 범위는 모델함수로 결정된다. 상기 모델함수는 촉매변환기의 여러 부분용적에서의 온도들간의 함수관계를 그리고 상기 온도와, 각각의 상태에 대한 및/또는 내연기관의 상태변동에 대한 내연기관 전자 제어장치의 데이타와의 함수관계를 나타낸다. 내연기관으로부터 유동량, 배기가스 온도, 공기/연료비와 같은 측정값이 이용될 수 있다. 상기 값으로부터 그리고 상태변동의 공지된 값으로부터 촉매변환기의 제 1 부분용적에서 예상되는 온도변동(촉매변환기의 일정한 에이징 상태에 대한)이 추론될 수 있다. 측정정확도 및 제조공차의 보상을 위해, 측정 온도가 사전에 산출된 일정설정값 범위내에 놓이는지 또는 놓이지 않는지의 여부가 체크된다. 이것은 촉매변환기의 상태에 대한 제 1 정보를 제공한다. 제 1 부분용적에서 측정 온도변동을 부가로 고려해서 동일한 조건으로 제 2 부분용적에서 예상되는 온도변동에 대한 사전정보가 만들어질 수 있다. 여기에서도 재차 온도변동의 측정된 값이 공차범위내에 놓이는지 또는 놓이지 않는지의 여부가 체크된다. 상기 방법은 모든 부분영역에 대해 계속된다. 모든 측정 온도변동값이 설정값 범위 이하에 놓이면, 촉매변환기가 그것의 기능을 더이상 충족시키지 못한다. 측정 온도변동값이 설정값 범위에서 점점 더 아래 놓이면, 촉매변환기가 보다 더 심하게 에이징된 것이다. 2개의 측정과정 사이에서 촉매변환기의 갑작스런 파괴가 일어나지 않으면, 내연기관의 상태변동에 대한 촉매변환기의 후방 부분용적에서의 반응만이 모니터링되면 된다. 촉매변환기가 새것이면, 촉매변환기에서의 상태변동이 거의 나타나지 않는 반면, 촉매변환기가 점점 더 심하게 에이징되면 촉매변환기에서 발생하는 온도변동이 점점 더 심해진다. 상기 모니터링만으로는(실제로 극히 드물게 나타나는) 촉매변환기의 갑작스런 파괴, 2개의 측정과정사이의 신속한 중독, 및 특히 저온시동상태에 결정적인, 촉매변환기 전방영역에서의 상태의 열화(worsening)가 검출될 수 있다. 따라서, 완전한 모니터링을 위해 여러부분 용적에서 바람직하게는 적어도 2개의, 특히 3개 또는 다수의 온도변동 측정이 중요하다.

방해로서 부가의 연료가 배기가스내로 혼합되면, 연료의 양 및 연료 및 공기 대 전체 배기가스 유동량의 비율이 방해의 지속시간 동안 촉매변환기의 용적에서의 최상의 변환율로 조절되며, 특히 연료량이 변동의 지속시간 동안 그리고 촉매변환기의 길이에 걸쳐 완전히 변환될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 이경우 촉매변환기의 저장 특성이 고려되어야 한다. 이러한 방식으로 측정시 불연소 탄화수소가 주위로 방출되지 않으면서 양호한 측정신호가 얻어진다.

첨부된 도면을 참고로, 본 발명의 분야, 작용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제 1도는 본 발명에 따른 방법을 실시하는데 적합한 장치의 실시예이고,

제 2도는 배기가스조성의 변동시 발생하는 온도변동에 대한 예를 나타낸 다이어그램이며,

제 3도는 변동의 지속시간 동안 시간적 온도적분값을 나타내기 위한 다이어그램이다.

제 1도에 따르면, 전자제어장치(2)를 갖춘 내연기관(1) 하부에, 촉매변환기(K)를 포함하는 배기시스템(3, 4)이 접속된다. 촉매변환기(K)의 용적은 다수의 (이론적) 부분용적, 본 실시예에서는 4개의 부분용적(K1, K2, K3 및 K4)을 포함한다. 상기 부분용적의 각각에는 센서(S1, S2, S3 또는 S4)가 배치되고, 상기 센서는 상기 부분용적내의 온도, 특히 지지체 구조물의 온도를 거의 대부분 측정한다. 상기 센서는 가장 간단한 경우에 점 형태로 측정하는 센서로 이루어지며, 대략 각각의 부분용적(K1, K2 및 K4)의 중심에 놓인다. 그러나, 선형의 또는 평면의 센서가 사용되는 것이 더욱 바람직한데, 그 이유는 그로인해 측정의 정확도가 높아지기 때문이다. 부분용적의 횡단면에 뿐만 아니라 부분용적의 축방향 길이에 걸쳐 대부분 측정되는 것이 특히 바람직하다. 촉매작용물질이 제공된 지지체의 온도가 직접 측정될때 가장 민감한 측정이 이루어진다. 이것은 예컨대 선행기술에서 공지된 바와같이, 지지체 구조물에 또는 지지체 구조물내에 통합된 센서에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 기본적으로 가스온도를 측정하는 센서에 의한 측정도 가능한데, 그 이유는 촉매변환기에서는 항상 구조물 및 촉매작용 표면으로부터 가스로의 열전달이 이루어지기 때문이다.

제 2도는 수직축에는 시간에 따른 온도의 미분값 (d/dt T)을 그리고 수평축에는 시간 (t)을 표시한 다이어그램을 나타낸다. 실선은 가스온도의 미분값을 나타내며, 점선은 가스조성물의 변동없이, 즉 촉매변환기에 예컨대, 탄화수소 공급의 증가없이 촉매변환기내의 센서에서의 이론적 온도를 나타내고, 일점쇄선은 배기가스에 부가의 탄화수소 공급시 센서에서의 온도의 미분값을 나타낸다. 상기 측정시 시점 (to)에서 시작되는 내연기관(1)의 일정한 부하단계동안 배기가스중의 탄화수소 성분이 지점(t1)에서 시점 (t2)까지 증가된다. 온도의 반응은 양호하게 검출될 수 있고, 온도변동의 최대치가 검출될 수 있다.

제 3도는 변동동안 온도곡선(실선)하에서 적분값이 결정되는 상태를 예시적으로 나타낸다. 상기 다이어그램에서, 수직축에는 온도 (T)가 표시되고 수평축에는 시간 (t)이 표시된다. 빗금친 표면은 변동이 일어나는 총시간에 대한 온도의 적분값에 상응하며, 온도의 준 상수성분, 즉 방해받지 않는 이론적 온도곡선(파선)하의 표면은 고려되지 않는다.

선행기술에 공지된 측정 및 모니터링 방법과는 달리, 본 측정방법은 절대온도 또는 2개의 측정장소 사이의 온도차를 검출하는 것에 의존하는 것이 아니라, 부분용적(K1, K2, K3, K4)중 하나 또는 다수에서 센서(S1, S2, S3, S4)에 의해 측정되는 온도의 시간에 대한 미분값이 관찰된다. 상기 미분값은 내연기관(1)으로부터 촉매변환기(K)로 흐르는 가스혼합물의 물리적 및/또는 화학적 특성의 변동시 나타난다. 상기 목적을 위해, 센서(S1, S2, S3, S4) 하부에 미분장치(D1, D2, D3, D4)가 접속된다. 상기 미분장치의 출력신호는 전자 평가장치(5)에 공급된다. 전자 평가장치(5)가 데이타 라인(10)을 통해 전자 엔진 제어장치(2)에 접속됨으로써, 엔진 제어장치(2)의 데이타가 전자 평가장치(5)로 전송될 수 있고 촉매변환기(K)의 상태값이 전자 엔진제어장치(2)로 전송될 수 있다. 전자 평가장치(5)는 설정값 범위용 제 1메모리 장치(6)에 접속되므로, 측정 온도(T1, T2, T3, T4)의 시간에 대한 미분값이 설정값 범위와 비교될 수 있다. 상기 비교의 결과가 전문 작업장에서의 나중 진단을 위한 제 2 메모리장치(7)에 저장되고 및/또는 디스플레이(8)에 의해 디스플레이될 수 있다. 미분장치 대신에 또는 부가로 적분장치가 사용되기 때문에 변동동안 온도곡선하의 표면(준 상수성분 없는)이 평가에 이용될 수 있다.

촉매변환기(k)의 상태를 분석하기 위해, 내연기관(1)으로부터 배출되는 배기가스의 화학적 및/또는 물리적 특성의 변동이 필요하다. 상기 변동은 중요한 상태분석을 수행하기 위해 일정한 정확도로 규정되어야 한다. 이것에는 일상의 작동에서 나타나는 많은 상태변동, 예컨대 일정부하 단계후 가속단계, 일정 부하단계 후 추력차단, 장시간의 정지후 저온시동등이 고려된다. 상이한 상태변동에 대한 온도(T1, T2, T3, T4)의 시간에 대한 미분값의 반응분석에 의해, 촉매변환기 기능의 여러가지 면이 체크될 수 있다. 즉, 저온 시동동안 촉매변환기(k)에서 촉매반응의 시작이 확인되고 첫 변환이 일어나는 부분용적이 확인된다. 예컨대, 배기가스의 온도만이 변동되고 그것의 화학적 조성이 변하지 않는, 내연기관의 다른 상태변동시 모든 측정센서가 정확한지의 여부가 체크된다. 즉, 이 경우에는 시간지연에 의해 앞에서 부터 뒤로 측정한다.

내연기관(1)의 작동상태는 제어라인(9)을 통해 엔진을 제어하는 전자 제어장치를 통해 단시간에, 특히 규정된 변동 패턴에 의해 방해받는 것이 특히 바람직하다. 이것은 예컨대 공지된 방식으로 추진단계동안 점화의 차단과 동시에 부가연료의 단시간 분사에 의해 이루어질 수 있다. 상기 분사는 규정된 변동패턴후에도 이루어질 수 있다. 배기가스에 부가의 화학적 에너지 공급은 촉매변환기(k)의 제 1 작용부분 용적에서 온도의 강력한 반응을 일으키며, 상기 온도의 시간에 대한 미분값 또는 적분값이 형성되고 전자평가장치(5)에 의해 분석될 수 있다.

선행기술로 공지된 방법에서와는 달리, 본 발명에 따른 방법에서는 측정시간에 촉매변환기에서의 온도분포는 중요하지 않다. 이것은 중요한 장점이다. 즉 측정전에 자동차에 주어졌던 작동조건에 따라 촉매변환기에 상기한 온도범위가 나타날 수 있다. 촉매변환기의 전방영역이 그것의 후방영역보다 훨씬 더 뜨거운 상태, 온도분포가 균일한 상태, 및 촉매변환기의 후방이 전방보다 더 뜨거운 상태가 있다. 이러한 사실은 2개의 측정범위 사이의 열에너지 측정에 의한, 선행기술로 공지된 모든 측정방법에서 에러를 야기시킨다. 지금까지의 관찰방식은 측정센서가 그들 사이에 있는 용적을 모니터링하는 것을 기초로 하는 반면, 제한된 부재의 방식에 따른 본 발명은 측정센서가 그것을 둘러싸는 부분용적 및 거기서 발생하는 온도변동을 별도로 모니터링하는 것을 기초로 한다.

물론, 이것을 위해 필요한 센서의 수가 여기서 도시된 실시예에 상응하지 않아도 된다. 센서의 수가 증가할수록, 측정의 정확도가 높아지기는 하지만, 전술한 바와같이, 단 하나의 센서만이 단일 부분용적을 모니터링하고 작동변동시 거기서 발생하는 온도의 시간에 대한 미분값 및/또는 적분값을 설정범위 및/또는 이전에 측정된 값과 비교하는 경우에도, 일정범위로 정보를 줄 수 있다. 본 발명은 일체식 촉매변환기 뿐만 아니라 다수의 부분몸체로 이루어진 촉매변환기에도 적합하며, 소위, 예비 또는 스타트 촉매변환기 및/또는 전기로 가열가능한 촉매변환기내의 센서를 포함할 수 있다. 물론, 센서(S1, S2, S3, S4)가 적어도 대부분의 온도센서가 비교적 정확히 측정할 수 있는 예컨대 500℃ 이하의 온도범위에서 촉매변환기내의 절대온도 및/또는 온도프로필을 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 측정은 예컨대 촉매변환기의 저온시동상태에 대한 정보를 공급한다. 대부분의 경우에 측정시 기존의 람다제어(lambda control)를 차단함으로써 이것이 의도한 바대로 제공된 방해를 다시 "제어"하지 않도록 해야 한다.

본 발명은 엄격한 배기가스 규제를 준수하기 위해 자동차내의 촉매변환기의 작동을 계속 모니터링하는데 특히 적합하다.

Claims (34)

1. 센서(S1, S2, S3, S4, ...)를 구비한 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)내의 하나 이상의 장소 또는 영역에서 가스 혼합물의 화학적 및 물리적 특성중 하나 이상의 특성이 변동하는 동안, 온도 측정 작업이 달성되는 가스 혼합물이 흐르는 촉매 변환기(K)의 하나 이상의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 상태를 분석하는 방법으로서, 상기 가스 혼합물 특성들의 변동에 대한 상기 측정 온도(T)의 반응이 상기 촉매 변환기(K)의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)에서의 온도 반응을 거의 대부분 나타내도록, 상기 장소 또는 영역 및 센서(S1, S2, S3, S4, ...)의 배치가 선택되는 단계, 및 상기 측정 온도의 반응이 결정되며 상기 가스 혼합물의 특성에서의 문제 발생시 상기 변동에 대한 기준값이 비교되는 단계로 구성되는 방법에 있어서, 상기 측정 온도의 반응을 관찰할 때 인식할 수 있는 특정한 변동 패턴이 발생하기 위하여 한정된 시간 간격에서 변동이 2배이상 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 하나 이상의 센서(S1, S2, S3, S4, ...)를 구비한 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)내의 두 개 이상의 장소 또는 영역에서 상기 가스 혼합물의 화학적 및 물리적 특성중 하나 이상의 변동중에 온도 측정 작업이 달성되며, 가스 혼합물이 흐르며 촉매 변환기의 전체 용적이 두 개 이상의 부분 용적으로 이론적으로 나누어 지는 촉매 변환기(K)의 하나 이상의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 상태를 분석하는 방법에 있어서, 상기 가스 혼합물 특성들의 변동에 대한 상기 측정 온도(T)의 반응이 상기 촉매 변환기(K)의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)에서의 온도 반응을 거의 대부분 나타내도록 상기 장소 또는 영역 및 센서(S1, S2, S3, S4, ...)의 배치가 선택되는 단계, 상기 측정 온도의 반응이 결정되며, 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 물리적 경계 조건 및 특성에 관한 열역학적인 모델을 기초로하여 확인되는 상기 가스 혼합물의 특성에서의 상기 변동을 위한 기준값과 비교되는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정 온도의 시간에 대한 미분값(d/dt T)이 반응으로서 관찰되며, 상기 측정 온도(T)의 시간에 대한 미분값(d/dt T)이 상기 촉매 변환기(K)의 상기 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)에서의 시간에 대한 온도 변동을 거의 대부분 나타내도록 상기 장소 또는 영역 및 상기 센서(S1, S2, S3, S4, ...)의 배치가 선택되는 단계, 및 상기 측정 온도의 시간에 대한 미분값이 결정되며, 상기 가스 혼합물의 특성들의 상기 변동에 대한 기준값에 비교되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 온도의 시간에 대한 미분값(d/dt T)의 최대값은 변동이 지속적으로 일어나는 동안에 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 변동이 지속적으로 일어나는 동안에 결정된 상기 최대값은 기준 값 또는 동일한 변동으로 더 빨리 측정된 최대값에 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변동이 지속하는 동안 상기 온도의 상기 시간에 대한 적분값이 반응으로서 관찰되며, 상기 촉매 변환기(K)에서 발생하는 반응 지연 시간에 의하여 가능하게 지연되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 내연 기관(1)의 모든 다른 상상가능한 작동 상태와 다르며, 상기 측정 온도의 반응을 관찰할 때 인식할 수 있는 특정 변동 패턴을 발생하기 위하여 한정된 시간 간격에서 변동이 두 배이상 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 변동 패턴은 0.1 내지 10 Hz의 주파수로 주기적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 변동 패턴은 비주기적으로 변동하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 변동들은 상이한 크기로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 혼합물의 특성에서의 변동은 상기 가스 혼합물에서의 화학적 에너지의 함유량에서 갑작스럽고 짧은 기간에 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 화학적 에너지에서의 상기 증가는 촉매적으로 변환가능한 구성물의 추가적인 공급으로 인하여 상기 촉매 변환기(K)에서 다른 일정 또는 정확하게 공지된 작동 상태에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 변환기(K)는 배기 가스 정화를 위해 전자제어장치(2)를 갖춘 내연기관(1)의 하부에 연결되며, 상기 가스 혼합물 특성들의 변동은 내연기관(1)에서의 작동 변동에 기인하여 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 가스 혼합물에서 화학 에너지의 함유량의 상기 짧은 기간의 증가는, 상기 촉매 변환기(K)에서 연료의 양과 총 가스 질량 흐름에 대한 연료와 공기의 비율이 변동의 지속 중에 상기 촉매 변환기(K)에서의 체적에서 최적 변환 능력으로 조정되는 방법으로 발생되며, 특히 연료의 양이 변동의 지속 및 상기 촉매 변환기의 길이에 걸쳐 완전히 변환되는 방법으로 상기 화학 에너지의 함유량의 상기 증가가 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 작동 변동은 상기 가스 혼합물의 온도에서 갑작스런 변동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제13항에 있어서, 상기 작동 변동은 상기 가스 혼합물의 질량 흐름에서의 갑작스런 변동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전자 평가 장치(5)는 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)에서 확인된 온도의 시간에 대한 미분값(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)과 상기 가스 혼합물의 상태에서의 동일한 변동에 대해 초기에 확인된 값, 하나 이상의 다른 촉매 변환기에서 확인된 값 및 모델 계산을 기초로 하여 이론적으로 확인된 기준값을 비교하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분석된 부분 용적(K1)은 상기 하류 단부의 영역의 상기 촉매 변환기(K)에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제1항에 있어서, 2개 이상의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 상태는 온도 측정 작동의 대응 수에 의하여 분석되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 촉매 변환기(K)의 전체 용적은 복수의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)을 포함하는 것으로 고려되며, 상기 가스 혼합물의 특성에서의 변동시 각각의 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 상태는 거의 대부분의 온도의 시간에 대한 미분값(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)을 가능한 동시에 결정함으로써 확인되며, 확인된 개별적인 상태는 상기 촉매 변환기(K)의 전체 상태에 대하여 전체 형상을 형성하기 위하여 조립되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제1항 또는 제2항에 있어서, 온도의 시간에 대한 미분값(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)에서의 상기 상이한 변동은 변환 능력 및 냉동 시작 성능과 같은 상이한 기능에 대하여 상기 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)의 상태에 대한 정보를 얻기 위하여 상기 가스 혼합물의 특성에서의 상이한 종류의 변동에 대하여 기록 및 분석되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기술적으로 가능한 각각의 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)는 촉매적인 작동층과 같은 열원에서 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 각각의 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)는 상기 촉매 변환기(K)의 캐리어 구조물과 긴밀하게 열 접촉되며, 상기 캐리어 구조물의 벽내로 각각의 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)를 선택적으로 일체화하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제22항에 있어서, 각각의 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)는 상기 가스 혼합물을 경유하여 캐리어 구조물로부터 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)로 유효 열 전달이 가능하게 되도록 상기 가스 혼합물의 흐름내에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제13항에 있어서, 상기 내연기관(1)의 상태에서 적어도 각각의 상태 및 각각의 변동을 위하여 서로에 대하여 및 내연기관(1)의 전자제어장치(2)로부터의 데이터와 함께 서로에 대하여 상기 촉매 변환기(K)의 상이한 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)에서의 온도(T1, T2, T3, T4, ...)의 함수적 내부관계를 결정하는 모델 함수를 기초로 하여 기준값 범위가 확인되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 기준값 범위의 크기는 센서의 부정확성, 상기 촉매 변환기(K)에서의 제조 공차 또는 상기 내연기관(1)의 혼합조제에서의 차이 등으로 인하여 발생될 수 있는 공차를 고려하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내연기관(1)의 예비 결정되어, 정확하게 설정된 상태는 신중히 교란되며, 상기 교란에 대하여 상기 시간에 대한 미분값(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)의 반응이 예비 결정된 기준값 범위에 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제25항에 있어서, 상기 교란은 점화 스위치 오프와 함께 하나 이상의 연소실로 연료를 간단히 주사함으로써 오버런 차단공정에서 일정 동력에서 연장된 공정후에 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉각 시작 단계 또는 가속 단계 등과 같은 상기 기관의 주어진 순간은 시간에 대한 미분값(d/dt T1, d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)에 대하여 영향을 미치는 것이 관찰되는 것을 특징으로 하는방법.
30. 제25항에 있어서,

    a) 예상되는 온도의 제 1 부분 용적(K1) 시간에 대한 미분값(d/dt T1')에 대하여 모델 함수를 기초로하여 결정되는 단계로서, 회전 속도, 질량 처리량, 유입된 연료의 양 및 엔진 온도에 관련된 것과 같은 엔진제어장치에서 이용가능한 데이터로부터 상기 촉매 변환기에서 배출된 배기 가스 온도 및 에너지를 계산함으로써 결정되는 단계;

    b) 제 1 부분 용적(K1)에서 측정 온도 및/또는 시간에 대한 미분값(d/dt T1)은 계산된 온도(T') 및 시간에 대한 미분값(d/dt T1')에 비교되며, 기준값 범위 외부로 벗어나는 것이 기록되는 단계;

    c) 연속적인 부분 용적(K2, K3, K4, ...)에서 예상되는 시간에 대한 미분값(d/dt T2', d/dt T3', d/dt T4', ...)은 엔진제어장치로부터 이용가능한 데이터를 고려하는 모델 함수 및 선행되는 부분 용적(K1)에서 측정된 시간에 대한 미분값(d/dt T1)을 기초로하여 계산되는 단계;

    d) 연속적인 부분 용적(K2, K3, K4, ...)에서 측정된 시간에 대한 미분값(d/dt T2, d/dt T3, d/dt T4, ...)이 계산된 시간 미분값(d/dt T2', d/dt T3', d/dt T4', ...)에 비교되며 기준값 범위 외부로 이탈되는 것이 기록되는 단계; 및

    e) 기록된 이탈로부터 상기 촉매 변환기(K) 전체가 여전히 기능을 수행하는지 여부 및 상기 촉매 변환기(K) 전체가 여전히 기능을 어느 정도로 수행하는지 및 부분 용적(K1, K2, K3, K4, ...)이 어느정도로 가능하게 손상되는지 확인되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 부분 용적(K1)은 예비 촉매이며, 제 2 부분 용적(K2) 및 후속하는 부분 용적(K3, K4, ...)은 주 촉매의 영역 또는 부분 몸체인 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 측정 작동은 포인트 온도 센서 또는 상기 촉매 변환기의 부분 용적에 걸쳐 대부분 측정되는 온도 센서(S1, S2, S3, S4, ...)에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제1항 또는 제2항에 있어서, 만약 필요한 경우, 상기 촉매 변환기(K)의 람다 조절이 상기 체킹 과정동안 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제13항에 있어서, 상기 가스 혼합물에서 화학 에너지의 함유량의 상기 짧은 기간의 증가는, 촉매 변환기(K)에서 연료의 양과 총 가스 질량 흐름에 대한 연료와 공기의 비율이 변동의 지속 중에 상기 촉매 변환기(K)에서의 체적에서 최적 변환 능력으로 조정되는 방법으로 발생되며, 특히 연료의 양이 변동의 지속 및 상기 촉매 변환기의 길이에 걸쳐 완전히 변환되는 방법으로 상기 화학 에너지의 함유량의 증가가 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.