KR100268754B1 - 전기로 가열가능한 촉매변환기의 가열을 제어하는 방법 - Google Patents

전기로 가열가능한 촉매변환기의 가열을 제어하는 방법

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KR100268754B1
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롤프 브뤽
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베. 마우스; 베. 디트리히
에미텍 게젤샤프트 퓌어 에미시온스테크놀로기 엠베하
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Abstract

자동차의 내연기관(1) 다음에 접속되어있으며 적어도 짧은 구역(8)이 전기로 신속히 가열될 수 있는 촉매변환기(8, 14, 15, 16)의 가열 제어방법에 있어서, 내연기관(1)의 배기가스중에 포함된 열에 의해 야기되는 촉매변환기(8, 14, 15, 16)의 가열가능한 구역(8)에서의 온도변동률이 전기가열에 의해 얻어질 수 있는 온도변동률보다 작거나 대략 동일하면, 전기가열이 내연기관(1)의 시동후 일정 지연시간이 지난후에야 이루어진다. 가열의 접속은 약 3 내지 10초후에야 이루어지며, 바람직하게는 내연기관(1)이 초기에는 높은 무부하속도로 그리고 낮은 혼합비의 연료공급하에 작동되고, 나중에는 낮은 무부하속도로 그리고 높은 혼합비의 연료공급하에 작동된다. 가열간격과 엔진제어의 매칭에 의해, 촉매변환기(8, 14, 15, 16)의 신속한 가열을 위한 전력의 최상의 이용이 이루어진다. 또한 외부온도, 엔진온도 또는 촉매변환기온도가 가열시작의 정확한 결정을 위해 고려될 수 있다. 이러한 방식으로 이용가능한 전력이 최상으로 이용될 수 있다.

Description

전기로 가열가능한 촉매변환기의 가열을 제어하는 방법
본 발명은 자동차의 내연기관 하부에 접속되어 있으며, 적어도 짧은 구역이 전기로 신속히 가열될 수 있는 촉매변환기의 가열 제어방법에 관한 것이다.
촉매변환기는 자동차의 유해물질 배출을 줄이기 위해 사용된다. 유해물질 배출의 최대 허용한계치에 관한 법적 규정은 점점 더 엄격해지고 있다. 부가적인의 가열이 없으면, 촉매변환기가 일정 가열시간이 지난 후에야 유해물질의 배출을 줄일 수 있기 때문에, 매우 엄격한 규정을 지키기 위해서는 적어도 일정 구역이 전기로 가열됨으로써 보다 신속히 촉매반응에 필요한 온도로 될 수 있는 촉매변환기가 제공되어야 한다. 이러한 가열가능한 벌집형 본체의 개발은 보다 적은 질량 및 보다 짧은 길이의 구성을 가지면서도 전기 가열에 의해 높은 온도변동률이 얻어질 수 있는 정도로 진척되었다. 표면이 작은 경우에는 이것이 내연기관의 저온 시동단계동안 비교적 차가운 배기가스 흐름에서도 가능하다. 그러나, 내연기관의 시동직후에 배기 시스템내의 온도변동률은 매우 높기 때문에, 일정 시간후에야 변동률이 현저히 감소한다. 이와 더불어, 저온 시동단계동안 배기 시스템의 온도에 영향을 주는 또 다른 효과, 예컨대 촉매 변환기 및 배기 시스템내에 그전에 있었던 물의 증발이 나타난다.
이러한 가열가능한 촉매변환기의 제어시의 여러가지 조치는 에컨대 미합중국 특허 제 5,146,743 호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 조치는 전술한 사실을 고려하지 않았으며, 주로 적은 범위로 온도가 변동되는 전기가열가능한 벌집형 본체에만 적용된다. 그러나, 전기로 가열가능한 촉매변환기의 제어 가능성을 제한하는 실제적인 관점이 고려되어야 한다. 먼저, 자동차 배터리의 용량에 의해 제한된 량의 전력만이 이용될 수 있고, 이러한 전력은 가급적 합리적으로 사용되어야 하는데, 그 이유는 자동차의 여러가지 작동방식을 위해, 특히 겨울에 단거리 주행시 전력저장이 충분해야 하기 때문이다. 또한, 쾌적함 및 안전성의 이유로, 엔진의 시동전에 먼저 시동이 이루어질 때까지 가열시간을 기다려야 한다는 것은 바람직하지 못하다. 이러한 사실때문에 선행기술에서는 엔진의 시동직후부터 8 내지 20초동안 높은 전력을 제공하는 여러가지 가열방식을 사용했다. 이렇게 함으로써, 촉매변환이 적어도 촉매변환기의 일정 구역에서 가급적 빨리 이루어지고, 그로 인해 내연기관의 배기가스 중에 포함된 화학적 에너지가 가급적 빨리 촉매변환기의 또다른 가열에 사용될 수 있게 하였다.
본 발명의 목적은 이용가능한 전력을 보다 합리적이고 효율적으로 사용함으로써, 자동차의 전기장치에 과부하를 주지 않으면서, 유해물질의 배출을 줄일 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 자동차의 내연기관 하부에 연결되어 있으며 적어도 짧은 구역이 전기로 신속히 가열될 수 있는 촉매변환기의 가열 제어방법이 제공되는데, 상기 방법은 내연기관의 배기가스 중에 포함된 열에 의하여 발생되는 촉매변환기의 가열가능한 구역에서의 온도변동률이 전기가열에 의해 얻어질 수 있는 온도변동률보다 작거나 거의 동일하면, 전기가열이 내연기관의 시동후 일정 지연시간이 지난후에야 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 내연기관의 시동직후 온도변동률이 줄어들기전에 촉매변환기에 비해 매우 높은 온도의 배기가스가 촉매변환기를 매우 신속히 가열한다는 사실을 기초로 한다. 부가의 전기가열은 보다 신속한 가열을 거의 일으키지 않으며, 귀중한 전력을 소비한다. 게다가, 매우 큰 표면을 갖는 촉매변환기의 세라믹 코팅 및 배기 시스템에 미리 물이 모여질 수 있다. 이 물은 자동차의 보다 긴 수명에 의해 또는 저온 엔진시동시 배기가스 중에서 먼저 응축되는 물성분에 의해 존재한다. 내연기관의 시동 전 또는 직후에 가열하는 가열방식에서는 귀중한 전력이 촉매변환기로부터 물을 증발시키는데 사용되는데, 그 이유는 촉매의 온도가 물의 증발후에야 촉매변환에 필요한, 예컨대 350℃의 온도로 될 수 있기 때문이다. 본 발명에 따르면, 내연기관 배기가스 중의 열이 처음 수 초동안 촉매변환기의 신속한 가열을 위해 사용되며 촉매변환기내의 물을 증발시키기 위해서도 사용된다. 배기가스에 의해 얻어질 수 있는 촉매변환기내의 온도변동률이 현저히 감소된 후에야 전기가열이 이루어지므로, 이용가능한 전력은 작은 구역을 촉매변환을 위해 필요한 온도로 신속히 가열하는데 매우 효율적으로 이용될 수 있다. 가열전력은 12볼트 장치에서 약 75 내지 250암페어에 상응하는 750 내지 2,500와트이며, 바람직하게는 1,000 내지 2,000와트이다. 그러나, 보다 높은 전류세기도 가능하다. 가열되는 구역은 단지 수 밀리미터의, 예컨대 3 내지 20mm, 바람직하게는 6 내지 15mm의 길이를 필요로 하는데, 그 이유는 그렇게 가열된 원판이 후속하는 벌집형 본체의 앞면을 가열하고, 가열된 원판에서 촉매 변환에 의해 방출되는 에너지가 마찬가지로 즉각적으로 후속하는 구역의 가열에 사용되기 때문이다.
적은 질량 및 작은 표면에 의해 신속한 가열이 이루어질 수 있고, 가열가능한 구역에서 배기가스 흐름내의 배기가스 온도를 150 내지 200℃ 초과하는 온도가 얻어질 수 있다.
이러한 사실에 따라, 내연기관의 시동후 예컨대 약 3 내지 10초후에, 바람직하게는 약 5초 후에 가열이 시작되고, 엔진작동 및 이용가능한 전력에 따라 가열이 예컨대 5 내지 25초, 바람직하게는 약 10 내지 20초동안 지속된다.
가열의 정확한 시작을 외부온도 및/또는 엔진온도 및/또는 촉매의 온도에 따라 결정하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 엔진제어에 이용되는 다른 측정 데이타가 고려된다. 이렇게 함으로써, 불필요한 전력이 사용되지 않게 된다. 특히 물리적 값에 대해 한계치가 정해지고, 이 한계치를 벗어나면 전기 가열이 완전히 중지될 수 있다. 즉, 엔진이 따뜻할 때 또는 특히 촉매변환기가 뜨거울 때는 가열이 무의미하다. 외부온도가 일정값일 때도, 예컨대 35℃부터 전기 가열이 부가의 효과를 얻을 수 없다. 배터리의 용량 때문에 일정 외부온도 미만일 때도, 예컨대 입법자에 의해 정해진 값 미만일 때도 전기 가열이 생략됨으로써, 배터리가 과부하를 받지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 가열방식은 특히, 가열전에 내연기관이 높은 무부하회전속도로 그리고 낮은 혼합비의 연료공급하에서 작동되는 것에 의해 달성될 수 있다. 가열후에 촉매변환기의 적어도 가열가능한 구역이 일산화탄소 및/또는 탄화수소의 변환에 충분한 높은 온도에 이르면, 엔진이 낮은 무부하 회전속도로 그리고 높은 혼합으로 작동될 수 있다. 제 1 조치는 초기단계에서 높은 열발생을 일으키는 한편, 제 2 조치는 촉매변환에 필요한 온도에 도달후 높은 화학적 에너지를 촉매변환기에 제공함으로써 발열 반응을 진행시키고, 촉매변환기의 또다른 부분을 가열시킨다. 따라서, 본 발명에서는 가열 방식이 미리주어진 엔진제어에 매칭되는 것이 아니라 엔진제어가 가열방식에 매칭되는 것이 바람직하다. 회전속도의 감소, 즉 촉매변환기내에서 배기 가스 유동량의 감소는, 한 단계로 또는 다수의 단계로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 단계는 유동량 감소가 온도상승을 일으키는 촉매변환기의 온도에 놓여야 한다. 이러한 상태는 촉매변환기내의 복잡한 화학적-물리적 반응으로 인해 저온시동 단계와 같은 과도 반응(transient event)에서도 나타날 수 있다. 촉매반응시 촉매변환기의 표면은 "반응준비 반응파트너(reaction-ready reaction partners)"로 포화되므로, 유동량 감소시 배기가스 흐름의 냉각작용이 감소되기는 하지만, 화학적 반응이 즉각 감소되지는 않는다. 장치마다의 이런 상이한 효과는 예컨대 저온시동 단계에서의 가열방식에 이용될 수 있다.
기본적으로, 전기가열의 접속 및 차단은 시간간격에 의해 정해질 수 있으나, 가열주기의 끝이 전기로 가열가능한 구역 바로 하부 구역에 접속된 촉매변환기의 부분에서 이루어지는 온도측정에 의해 정해지는 것이 바람직한데, 그 이유는 촉매변환기의 또다른 가열을 위해 상기 다음 구역의 온도가 중요하기 때문이다.
가열의 시작 및/또는 끝은, 예컨대 측정된 공기 및 연료량으로부터 내연기관에서 발생하는 열에너지를 검출하는 방식으로, 내연기관 제어 데이타를 참작해서 검출될 수 있으며, 예컨대 냉각수온도 및 외부온도와 같은 다른 측정값이 고려될 수 있다.
또다른 가능성은 가열시작 및 가열끝, 및 그에 따라 제공되는 가열방식이 미리 주어지고 내연기관이 상응하게 제어되는 것이다. 저온시동 단계의 처음 약 20초동안 엔진의 무부하 상태로 들어가는 것은 주행의 쾌적함 및 주행의 안전성을 전혀 고려하지 않기 때문에, 저온시동시 일정한 최소 회전속도 및 최대 회전속도 및 연료/공기 혼합비에 대한 일정값이 미리 주어지는 것이 중요할 수 있다.
유해물질 배출의 또다른 개선은 내연기관과 촉매변환기 사이에 바이패스 라인에 의해 우회될 수 있는 탄화수소 및/또는 일산화탄소용 흡착장치, 특히 제올라이트 몸체가 접속되는 방식으로 이루어질 수 있다. 변환에 충분한 높은 촉매변환기 온도에 도달하기 전에 배기가스가 흡착장치를 통해 안내됨으로써, 탄화수소의 대부분이 제올라이트 몸체에 흡착된다. 촉매변환에 필요한 온도에 도달하면, 배기가스가 흡착장치의 바이패스 라인을 통해 안내됨으로써, 배기가스의 변환에 의해 촉매변환기를 보다 신속히 가열한다. 자동차를 추가적으로 작동시킬 때, 즉, 배기가스가 흡착장치를 통해 흐르지 않을 때, 흡착장치가 가열됨으로써 흡착된 탄화수소가 다시 빠져나가 촉매변환기에서 유해하지 않은 성분으로 변환될 수 있다.
일반적으로, 위험한 작동상태 또는 손상을 피하기 위해, 과열에 대한 안전수단이 전기로 가열가능한 촉매변환기에 제공되어야 한다. 이것을 위해, 예컨대 내연기관에서의 점화 불량(misfiring)의 발생을 검출할 수 있는 공지된 온도센서 또는 다른 측정센서가 적합하다. 과열의 위험이 커질 때 먼저 촉매변환기의 가열이 차단되어야 한다. 실제로 엔진 제어부에서 연료/공기 혼합비의 변동, 오버런의 차단(turning off overrunning) 등과 같은 또 다른 조치가 필요하다.
도면에는 본 발명의 실시예 및 가열방식을 설명하기 위한 다이어그램이 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명이 상기 실시예에 국한되는 것은 아니다.
제 1도는 배기 시스템을 갖춘 엔진의 구성을 나타낸 개략도이고,
제 2도는 저온시동 단계동안 촉매변환기에서의 온도변동을 나타낸 다이어그램이다.
제 1도에는 엔진 제어장치(2) 및 배기가스 배출부(3)를 갖춘 내연기관(1)이 되시되어 있다. 배기가스 배출부(3)는 라인(4)을 통해 다수의 구역으로 구성된 촉매변환기(8,14,15,16)에 연결된다. 가장 전방의 구역(8)은 전기로 가열가능하고, 상기 가열은 가열제어부(9)에 의해 가열라인(10)을 통해 이루어진다. 가열가능한 구역(8) 하부에는 예비 촉매변환기(14)가 연결되며, 예비 촉매변환기(14) 하부에는 하나 또는 다수의 주촉매변환기(15,16)가 연결된다. 촉매변환기(8,14,15,16)의 개별구역은 라인섹션에 의해 연결된 개별 하우징내에 넣어질 수 있으며, 이것은 본 발명에서 중요하지 않다. 흐름채널의 직경, 구성 및 횡단면당 흐름채널의 수는 개별구역마다 다를 수 있다. 어떤 경우에도 공간적으로 좁은 배치가 바람직한데, 그 이유는 그로 인해 섹션 사이에서의 불필요한 열손실을 피할 수 있기 때문이다. 예비 촉매변환기(14)내의 온도센서(18)는 측정라인(12)을 통해 가열제어부(9)에 연결된다. 가열가능한 구역(8)에 있는 부가의 측정기기(17)는 측정라인(13)을 통해 마찬가지로 가열제어부(9)에 연결되고, 그 주변에서의 한계온도 초과를 검출할 수 있다. 엔진 제어장치(2)와 가열제어부(9) 사이에는 연결라인(11)이 배치되고, 제공되는 가열방식에 따라 데이타가 상기 연결라인(11)을 통해 한방향 또는 양방향으로 전송될 수 있다. 배기가스 라인(4)에 대해 평행하게, 저온시동 단계동안 탄화수소를 흡착하기 위한 흡착장치(5)가 측면 분기부(6)에 연결될 수 있다. 밸브 또는 플랩(7)은 흡착장치(5)를 통해, 또는 측면분기부(6)에 대한 바이패스 라인으로 사용되는 배기가스 라인(4)을 통해 배기가스가 유동하는 것을 제어한다.
제 2도는 다이어그램을 나타내며, 이 다이어그램에서는 X축에 시간(t)이 그리고 Y축에 온도(T)가 도시된다. 곡선 I은 저온시동 단계동안 전기 가열하지 않은 촉매변환기에서의 온도변동을 나타낸다. 곡선 Ⅱ은 시동직후 촉매변환기의 비교적 큰 부분을 전기로 가열할 때의 온도변동을 나타낸다. 곡선 Ⅲ은 본 발명에 따른 가열방식에서의 온도변동을 나타내며, 이 경우에는 촉매변환기의 비교적 작은 구역에 곡선 Ⅱ에서와 동일한 전력이 보다 짧은 시간간격동안 공급된다. 곡선 Ⅲ에서는 배기가스가 거의 동일한 온도변동률을 일으키는 곳에서는 전력이 소비되지 않으면서 곡선 Ⅱ에서보다 짧은 시간에 훨씬 더 높은 온도에 도달한다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 이용가능한 전력을 최상으로 이용해서 촉매변환기의 전기 가열이 이루어지기 때문에, 합리적인 비용으로 엄격한 배기가스 규정이 지켜질 수 있다.

Claims (19)

  1. 차량의 내연기관(1) 하부에 접속되며 전기적으로 신속히 가열되도록 적어도 짧은 구역(8)을 가지는 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)의 가열을 제어하는 방법에 있어서, 상기 내연기관(1)의 배기 가스에 포함되는 열에 의하여 발생되는 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)의 가열가능한 구역에서의 온도 변동률이 전기 가열에 의하여 얻어질 수 있는 온도 변동률보다 크지 않은 경우 상기 내연기관(1)의 시동 후 일정 지연시간이 지난 후에만 전기 가열되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 변환기의 가열을 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 가열 단계는 상기 내연기관(1)의 시동 후 3 내지 10초후에 시작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 가열 단계는 상기 내연기관(1)의 시동 후 5초후에 시작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계는 외부 온도, 엔진 온도 및 촉매의 온도중 하나 이상의 함수로서 시작되는 정확한 시점을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 외부 온도, 엔진 온도 및 촉매의 온도중의 하나 이상의 예비 결정된 한계치가 초과되거나 달성하지 못할 경우 상기 전기 가열이 수행되지 않는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 가열이 시작되기 전에, 높은 무부하 회전속도(rpm) 및 낮은 혼합으로 내연기관(1)을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 촉매 변환기의 적어도 가열가능한 구역(8)이 일산화 탄소 및 탄화 수소를 변환시키기 위해 충분히 높은 온도로 된 경우, 가열이 시작된 후 낮은 무부하 회전 속도 및 높은 혼합으로 내연기관(1)을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공정 중 하나 이상의 단계에서, 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서의 배기 가스 배출량을 변동시키고 무부하 회전 속도를 변동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 배출량 감소가 온도를 상승시키는 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서의 온도에서 상기 촉매 변환기에서의 배기 가스 배출량을 변동시키고 무부하 회전 속도를 변동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전기로 가열되는 구역(8)의 촉매 변환기(8, 14, 15, 16) 하부에서의 온도 측정에 의하여 촉매 변환을 위해 충분히 높은 온도의 달성을 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기로 가열되는 구역(8)의 촉매 변환기(8, 14, 15, 16) 하부에서의 예비 촉매 변환기(14)에서의 온도 측정에 의하여 촉매 변환을 위해 충분히 높은 온도의 달성을 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 내연기관(1)에서 발생되는 열 에너지를 확인하는 엔진 제어용 데이터를 고려함으로써, 가열의 정확한 시점 및 종점중의 하나 이상을 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 내연기관(1)에서 발생되는 열 에너지를 측정된 공기 및 연료 양으로부터 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 가열의 시점 및 종점 그리고 제공되는 열 에너지를 예비 결정하는 단계, 및 상기 촉매 변환을 위해 충분히 높은 온도가 달성되기 전에, 가장 작은 가능한 양의 오염물 및 가장 가능한 열을 발생시키기 위하여 상기 내연기관(1)을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 내연기관(1)과 촉매 변환기(8, 14, 15, 16) 사이에 탄화 수소와 일산화탄소중 적어도 하나를 위한 흡착 장치(5)를 연결하며, 상기 흡착 장치(5)를 우회하기 위한 바이패스 라인을 연결하는 단계, 및 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서 상기 변환을 위해 충분히 높은 온도에 달성하기 전에, 폐기 가스를 상기 바이패스 라인을 통하여 상기 흡착장치(5)에 순환시킨 후에만, 상기 흡착 장치(5)를 통하여 폐기 가스를 운반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 내연기관(1)과 상기 흡착 장치(5)로서의 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16) 사이에 지올라이트 몸체를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서 측정 센서가 과열의 위험을 표시하는 경우 가열이 중단되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 내연기관(1)에서 불량 점화가 발생하는 경우 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서 가열의 위험을 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 온도 센서(18)를 구비한 상기 촉매 변환기(8, 14, 15, 16)에서 과열의 위험을 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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