KR100412693B1

KR100412693B1 - 차량의 산소센서 히터 제어방법

Info

Publication number: KR100412693B1
Application number: KR10-2001-0061835A
Authority: KR
Inventors: 김제영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-10-08
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2003-12-31
Also published as: KR20030029355A

Abstract

차량의 산소센서 히터 제어방법이 개시된다. 개시된 차량의 산소센서 히터 제어방법은, (a) 차량의 시동 초기에 FLO 센서의 활성 가능 온도인 300℃ 부근까지의 온도 상승이 되도록 하는 단계와; (b) 클로즈 루프의 조기 진입 조건을 판단하고, 배기 시험 조건을 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)에서, 배기 시험 조건으로 판단되지 않는 경우, 듀포인트 완료 여부를 판단하는 단계와; (d) 상기 단계 (c)에서, 듀포인트 완료라고 판단되면, 히터 온도를 상승시켜 센서가 활성되도록 풀(full) 히팅으로 인가하는 단계와; (e) 풀 히팅 듀티에서 히터 제어 히팅 듀티까지 감소시켜 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 하는 단계와; (f) 주행조건과 배기가스 모델 온도를 이용하여 히팅 듀티를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 콜드 이미션 규제에 효과적으로 대응할 수 있는 이점이 있다.

Description

차량의 산소센서 히터 제어방법{METHOD OF CONTROLLING O2 SENSOR HEATER FOR VEHICLES}

본 발명은 차량의 산소센서 히터(O2 Sensor Heater) 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 FLO(Fast Light Off) 산소센서를 적용하여 공연비를 제어하기 위한 클로즈 루프(close-loop) 진입을 조기에 가능하도록 개선된 차량의 산소센서히터 제어방법에 관한 것이다.

차량에서 배기가스 저감을 위해서는 엔진 로 이미션(Engine Raw Emission) 저감과, 정화 효율이 높은 촉매의 적용 및 촉매의 빠른 활성이 필요하다. 이 중 주로 사용되는 3원 촉매의 경우 최대 정화 효율을 얻기 위한 엔진의 운전 공연비 밴드(band)가 있는데, 주로 이론 공연비 부근에서 운전될 때 최대의 정화 효율을 얻을 수 있다.

촉매의 정화 효율이 높은 공연비 밴드 내에서 연료량을 제어하기 위하여 일반적으로 이론 공연비 부근에서 반응하는 산소센서를 이용한 람다 클로즈 루프 컨트롤(Lambda Close-loop Control) 제어 방법을 쓰고 있다. 즉, 빠른 시간에 산소센서를 활성시켜 이론 공연비로 제어할 때 최대의 정화 효율을 얻을 수 있다. 이를 위해 일반적으로 산소센서의 활성시간을 단축하기 위해서 가열형(Heated Type) 산소센서를 쓰고 있다.

이 가열형 산소센서는 소자가 워터 스플래시(Water Splash)에 의한 손상(보통 듀포인트(Dew-point)를 통과하기 이전에 센서 소자 표면 온도가 350℃이상으로 유지될 경우 워터 스플래시에 의한 센서 크랙 손상을 입을 수 있음)을 입지 않도록 배기관 내의 워터가 모두 증발한 이후에 히터(Heater) 전압을 인가하고, 활성 온도에 도달하면 도 1에 도시된 바와 같이, 클로즈 루프에 진입하는 제어 방식을 쓰고 있다.

이 방식은 상온 조건에서는 듀포인트 통과 시간이 그다지 길지 않아 별 문제가 없으나, 배기관 내에 워터가 많이 존재하는 콜드(Cold) 조건의 경우 듀포인트를통과하기 위해서는 시동 후, 오랜 시간이 필요하고 이로 인해 클로즈 루프 진입 시점도 상대적으로 길어지게 된다.

그러나 지금까지는 콜드 시험 조건과 관련된 강력한 배기가스 규제가 없어 대응에는 큰 문제가 없었다.

그런데, 해가 거듭될수록 강화되는 배기 규제는 콜드(-7℃) 상태의 이미션 규제도 동시에 강화되어, 이제는 콜드 시동시에도 리치 혼합 웜업(Rich Mixture Warm-up)이 아닌 조기에 클로즈 루프를 진입시켜야 할 필요성이 대두되고 있다. 이를 위하여 산소센서의 활성 온도를 낮추고 (보통 700℃→300℃ 내외) 히터의 용량을 증대시켜 활성시간(Light-off Time)을 단축시킨 FLO(Fast Light Off) 센서가 개발되어 적용중에 있다.

이러한 FLO 센서 역시 상기한 워터 스플래시에 의한 센서 손상 문제는 동일하게 발생하므로 이의 방지를 위해서는 배기관 내에 워터가 존재하는 듀포인트 구간 내에서 센서의 소자 표면 온도(Tip-Temperature)를 제어하기 위한 새로운 로직(Logic) 및 센서 활성시 듀포인트가 지나기 이전에라도 클로즈 루프를 조기에 진입시킬 수 있는 로직의 변경이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 공연비를 제어하기 위한 클로즈 루프 진입을 조기에 가능하도록 하여 콜드 이미션 규제에 대응할 수 있도록 한 차량의 산소센서 히터 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법 및 클로즈 루프 진입을 개략적으로 나타내 보인 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트.

도 3은 본 발명에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법 및 클로즈 루프 진입을 개략적으로 나타내 보인 그래프.

도 4는 히터 제어 상태를 나타내 보인 블록도.

도 5는 듀포인트 구간 완료 확인을 나타내 보인 개략적인 그래프.

도 6은 산소센서 신호 출력 여부 확인을 나타내 보인 개략적인 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량의 산소센서 히터 제어방법은, (a) 차량의 시동 초기에 FLO 센서의 활성 가능 온도인 300℃ 부근까지의 온도 상승이 되도록 하는 단계와; (b) 클로즈 루프의 조기 진입 조건을 판단하고, 배기 시험 조건을 판단하는 단계와; (c) 상기 단계 (b)에서, 배기 시험 조건으로 판단되지 않는 경우, 듀포인트 완료 여부를 판단하는 단계와; (d) 상기 단계 (c)에서, 듀포인트 완료라고 판단되면, 히터 온도를 상승시켜 센서가 활성되도록 풀(full) 히팅으로 인가하는 단계와; (e) 풀 히팅 듀티에서 히터 제어 히팅 듀티까지 감소시켜 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 하는 단계와; (f) 주행조건과 배기가스 모델 온도를 이용하여 히팅 듀티를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법을 순차적으로 나타낸 플로차트가 개략적으로 도시되어 있고, 도 3에는 히터 제어 방식 및 클로즈 루프 진입 시점을 나타내 보인 개략적인 그래프가 도시되어 있다.

도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법은, FLO 산소센서를 적용하여 콜드 이미션 테스트 모드(Cold Emission Test Mode)에서 워터 스플래시(Water Splash)에 의한 손상 없이 산소센서를 활성시키고 이를 이용 클로즈 루프를 조기 진입시키기 위한 FLO 산소센서 히터 제어 로직 및 클로즈 루프조기 진입을 위한 클로징 조건(Closing Condition)과 관련된 로직을 개선한 것으로 우선, 차량의 시동 초기에 FLO 센서의 활성 가능 온도인 300℃ 부근까지의 온도 상승이 되도록 한다.(단계 110)

상기한 110 단계는 도 3에 도시된 바와 같이, LSH_POW_RISE(State) 상태로, 시동 직후 초기 히팅 상태이다. 이는 FLO 센서의 활성 가능 온도인 300℃ 부근까지 온도를 상승시키기 위한 것으로 시동시의 냉각수온 조건 및 흡기 온도 조건을 이용 히팅 듀티(Heating Duty) 및 히팅 듀레이션(Duration)을 결정한다.

이어서, 클로즈 루프의 조기 진입 조건을 판단하고, 배기 시험 조건을 판단한다.(단계 120)

상기 단계 120에서, 배기 시험 조건으로 판단되지 않는 경우, 듀포인트 완료 (Dew-Point End)여부를 판단한다.(단계 130)

상기 단계 130에서, 듀포인트 완료라고 판단되면, 히터 온도를 상승시켜 센서가 활성되도록 풀(full) 히팅으로 인가한다.(단계 140)

상기한 140 단계는 LSH_POW_MAX 상태로 후술하는 LSH_POW_RED 상태에서 듀포인트 구간 완료 비트(bit) 확인 후 일반적인 히터 제어 온도인 700℃ 내외로 상승시키기 위한 히팅 구간에 해당된다. 이는 냉각수온을 기준으로 한 히팅 듀레이션(Heating Duration) 및 초기 히팅 듀티인 리덕션 히팅 듀티(Reduction Heating Duty)로부터 시간에 따라 선형적으로 증가(Linear Increase)하는 히팅 듀티 제어 방법(최대 히팅 듀티로 제한)으로 단시간 내에 히터의 온도를 상승시켜 센서 활성을 가능하게 한다.

그리고 풀 히팅 듀티에서 히터 제어 히팅 듀티까지 감소시켜 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 한다.(단계 150)

상기 150 단계는 LSH_POW_FALL 상태로 상기한 LSH_POW_MAX 상태의 최대 히팅 듀티로부터 후술하는 LSH_POW_CTL 상태의 히터 제어 히팅 듀티까지 감소시키기 위한 구간에 해당된다. 이는 급격한 히팅 듀티의 변화를 막기 위하여 변화 한계(Change Limitation)를 도입하여 완만하게 감소시킨다.

그리고 이 LSH_POW_FALL 상태는 센서 활성이 완료된 상태이므로 센서 신호의 출력 여부를 나타내는 산소센서 레디니스 비트(Readiness bit) 확인 후 클로즈 루프 진입이 가능하다.

이어서, 주행조건과 배기가스 모델(model) 온도를 이용하여 히팅 듀티를 결정한다.(단계 160)

상기 160 단계는 도 3에 도시된 바와 같이, LSH_POW_CTL 상태로 가장 안정적인 신호 출력 특성을 보이는 센서 히터 온도(700℃ 내외)로 제어하기 위한 히터 제어 구간에 해당된다.

그리고 히터 온도를 결정하는 요인은 히터 인가 전압(히팅 듀티)에 의한 자체 히터 발열 및 배기 가스 온도에 의한 가열이 주된 변수이므로, 이 LSH_POW_CTL 상태에서의 히터 제어는 주행 조건(RPM 조건)과 차량의 OBD 모니터링에서 사용하는 배기 가스 모델 온도를 이용하여 히팅 듀티를 결정한다. 또한 히터 제어 동안의 히팅 듀티는 아래와 같이 표현할 수 있다. 즉, 히팅 듀티 = f(RPM, 배기 가스 모델 온도)

한편, 상기 단계 120에서 배기 시험 조건으로 판단되는 경우, 크랙 손상(crack damage) 온도 이하로 히터 온도를 제어하여 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 한다.(단계 121)

이어서, 듀포인트 완료 여부를 판단한다.(단계 122)

상기 단계 122에서 듀포인트 완료라고 판단되면 상기 단계 160을 수행토록 하고, 상기 듀포인트 완료가 되지 않았다고 판단되면 상기 단계 121을 재 수행토록 한다.

상기 단계 121은 도 3에 도시된 바와 같이, LSH_POW_CTRL에 해당되는 상태로 듀포인트 완료 이전에라도 산소센서 레디니스 비트만 확인되면 클로즈 루프를 조기 진입시키는 상태이다. 그리고 FLO 센서의 낮은 온도에서의 조기 활성 특성을 이용하기 위한 상태이다.

또한 센서 활성 온도와 센서 크랙 손상 온도 사이의 작은 온도 밴드(Band)(FLO 센서의 경우 약 50℃ 내외, 보다 진보된 FLO 센서의 경우 150℃까지 확보 가능)에서 히터 제어가 이루어져야 하므로 정밀한 히터 제어가 필요하다.

따라서 클로즈 루프 조기 진입이 요구되는 배기 시험 모델을 시동시 냉각수온으로 판단하여 불필요한 진입을 막는다. 작은 온도 밴드 내에서의 제어를 위해 소자의 온도 측정이 가능한 센서를 이용하여 냉각수온과 주행 조건(RPM, 로드(Load))에 대하여 온도 밴드 내에서 소자의 온도 유지가 가능하도록 히팅 듀티를 맵핑한다.

그리고 듀포인트 완료 시점까지의 제어로 시동 후 비교적 짧은 시간 내에 이루어지는 제어이므로 반응이 늦은 배기가스 온도 모델을 이용하기는 어려움이 있고, 주행 조건(RPM, 로드)에 의해 배기 가스의 온도 변화가 크게 나타나므로 냉각수온과 주행 조건의 테이블(Table)로 히팅 듀티를 구성하는 것이 타당하다.

다른 한편으로 상기 단계 130에서, 상기 듀포인트 완료가 되지 않았다고 판단되면, 리덕션 히팅 듀티(reduction heating duty)를 인가토록 하고, 상기 130단계를 재 수행토록 한다.(단계 131)

상기 단계 131은 LSH_POW_RED 상태로 클로즈 루프 조기 진입이 필요하지 않은 상태에서 센서의 크랙 손상을 막기 위하여 크랙 손상온도 이하로 센서 온도를 유지하기 위한 최소의 히팅 듀티를 인가하는 구간이다. 리덕션 히팅 듀티는 매핑에 의해 충분히 낮은 온도를 유지할 수 있도록 주어지고, LSH_POW_RED 상태는 폐루프에 의해 단계 130의 듀포인트 구간 완료가 확인될 때까지 계속된다.

그리고 상기 단계 130 및 122에서 듀포인트 구간 완료 확인 또는 여부는 도 5에 도시된 바와 같이, 배기관 내에 존재하는 워터가 배기가스에 의한 온도 상승으로 모두 증발하여 사라지는 시점으로 판단할 수 있다. 이는 모든 상태(State)에서의 듀포인트 완료 여부 확인시 사용한다.

또한 듀포인트를 얼마나 빠른 시간에 통과하느냐는 시동시 배기관의 워터 존재 여부 및 양, 그리고 이를 가열하여 증발시키는 배기가스 유량으로 판단할 수 있다. 이를 위하여 엔진 흡입 공기량을 시동 직후부터 적산하여 엔진 시동 조건(시동시 냉각수온, 시동시 흡입 공기 온도)에 따라 맵핑되어 있는 듀포인트 완료 시점의 공기량 적산치와 비교하여 듀포인트 구간 완료 확인 비트를 출력한다.

그리고 상기한 클로즈 루프 진입을 위한 센서 신호 출력 여부 확인은, 도 6에 도시된 바와 같이, 센서 신호가 중간 전압(Neutral Voltage)에 머물다가 센서 활성에 의해 린/리치(Lean/Rich) 기준 전압(Threshold Voltage)을 넘으면 센서가 활성된 것으로 판단, 클로즈 루프 진입 준비를 위한 산소센서 레디니스 비트를 출력한다. 이 로직은 모든 상태에서 센서 신호 출력 여부 확인에 사용한다. 또한 린/리치 기준 전방을 넘는 신호의 출력은 센서가 활성 완료되었다는 것을 의미하며 클로즈 루프 진입이 가능한 것을 의미한다.

한편, 도 3에서 LSH_OFF 상태는 엔진 정지 조건이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량의 산소센서 히터 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

종래에는 일반적인 산소센서가 적용됨으로 센서 활성 온도(약 700℃)가 높아 클로즈 루프 진입에 시간을 요하였으나, 본 발명에서는 FLO형 산소센서를 적용함으로써 저온(약 300℃ 이상)에서 활성이 가능하여 시동 후 빠른 시간 내에 클로즈 루프 진입이 가능하게 되었다.

그리고 듀포인트 제어에 있어서도 종래에는 소자의 크랙 손상을 막기 위하여 듀포인트 통과 이후 센서 활성 및 클로즈 루프 진입이 이루어져 클로즈 루프 진입에 시간을 요하였으나, 본 발명에서는 센서 활성 온도가 크랙 손상 온도 이하이므로 듀포인트 통과 이전에도 클로즈 루프 진입이 가능하여 클로즈 루프 조기 진입이 가능하게 되었다.

이와 같이 FLO 산소센서를 이용한 클로즈 루프 조기 진입이 가능하도록 하여 날로 강화되는 배기 규제 및 특히 콜드 이미션 규제에 효과적으로 대응 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

(a) 차량의 시동 초기에 FLO 센서의 활성 가능 온도인 300℃ 부근까지의 온도 상승이 되도록 하는 단계와;

(b) 클로즈 루프의 조기 진입 조건을 판단하고, 배기 시험 조건을 판단하는 단계와;

(c) 상기 단계 (b)에서, 배기 시험 조건으로 판단되지 않는 경우, 듀포인트 완료 여부를 판단하는 단계와;

(d) 상기 단계 (c)에서, 듀포인트 완료라고 판단되면, 히터 온도를 상승시켜 센서가 활성되도록 풀(full) 히팅으로 인가하는 단계와;

(e) 풀 히팅 듀티에서 히터 제어 히팅 듀티까지 감소시켜 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 하는 단계와;

(f) 주행조건과 배기가스 모델 온도를 이용하여 히팅 듀티를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 산소센서 히터 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (b)에서,

(ㄱ) 배기 시험 조건으로 판단되는 경우, 크랙 손상 온도 이하로 히터 온도를 제어하여 클로즈 루프 진입이 이루어지도록 하는 단계와;

(ㄴ) 듀포인트 완료 여부를 판단하는 단계와;

(ㄷ) 상기 단계 (ㄴ)에서 듀포인트 완료라고 판단되면 상기 단계 (f)를 수행토록 하는 단계;를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 차량의 산소센서 히터 제어방법.
제2항에 있어서, 상기 단계 (ㄴ)에서,

상기 듀포인트 완료가 되지 않았다고 판단되면 상기 단계 (ㄱ)을 재 수행토록 하는 것을 특징으로 하는 차량의 산소센서 히터 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (c)에서,

상기 듀포인트 완료가 되지 않았다고 판단되면, 리덕션 히팅 듀티를 인가토록 하고, 상기 단계 (c)를 재 수행토록 하는 단계를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 차량의 산소센서 히터 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (c)에서,

상기 듀포인트 완료 여부는, 차량의 배기관 내에 존재하는 워터(Water)가 배기가스에 의한 온도 상승으로 모두 증발하여 사라지는 시점으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 산소센서 히터 제어방법.