KR100437998B1 - 엔진의 배기정화장치 - Google Patents

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Abstract

컨트롤러(6)는 실제 특성에 따른 고속성분과 저속성분을 별개로 촉매(3)의 산소흡수량을 연산한다. 산소흡수량이 소정의 목표치가 되도록 엔진(1)의 목표 공연비가 연산되며, 엔진(1)의 공연비 제어가 실행된다. 배기 공연비와 촉매 온도 등에 따른 흡수/방출률 설정을 이용하여 산소흡수량이 연산된다. 이와 같이, 촉매의 산소흡수량은 촉매 온도 편차를 수반하는 흡수/방출률의 편차에 관계 없이 정확하게 연산될 수 있으며, 실제 산소흡수량은 높은 수준의 정확도로 제어될 수 있다.

Description

엔진의 배기정화장치{ENGINE EXHAUST PURIFICATION DEVICE}
1997년 일본국 특개평 9-228873호에는 삼원촉매에 흡수된 산소량(이하, "산소흡수량")을 엔진의 흡입공기량과 촉매로 유입하는 배기의 공연비에 기초해 추정 연산하며, 촉매의 산소흡수량이 일정하도록 엔진의 공연비 제어를 수행하는 기술이 개시되어 있다.
삼원촉매의 NOx(이산화질소), CO 및 HC(탄화수소) 전환 효율을 최대로 유지하기 위해서, 촉매 분위기는 이론공연비로 유지되어야 한다. 촉매의 산소흡수량을 일정하게 유지하면, 촉매로 유입하는 배기의 공연비가 일시적으로 희박하여도 배기중의 산소가 촉매에 흡수되며, 역으로, 촉매로 유입하는 배기의 공연비가 일시적으로 풍부하여도 촉매에 흡수된 산소가 방출되기 때문에, 촉매 분위기를 실질적으로 이론공연비로 유지할 수 있다.
따라서, 이러한 형태의 제어를 실행하는 엔진의 배기정화장치에 있어서, 높은 수준으로 촉매의 전환 효율을 유지하기 위해 산소흡수량의 정확한 연산이 필요하며, 이 산소흡수량의 각종 연산 방법이 제안되고 있다.
그러나, 종래 기술에 있어서, 엔진 운전 상태에서의 촉매 특성의 편차를 고려하지 않고 산소흡수량이 연산되므로, 예컨대 촉매 온도의 편차에 의한 산소흡수량에 의한 연산 결과에 오차가 발생한다. 그 결과, 공연비 제어의 정확도가 증가하고 배기 배출이 악화되는 우려가 있었다. 또, 촉매가 악화될 때, 최대 산소흡수량이 감소에 의해, 목표량이 적정치에서 상대적으로 변화하여, 촉매의 전환 효율이 떨어지므로, 시간이 지남에 따라 배기 효율이 감소한다.
본 발명은 촉매를 구비한 엔진의 배기정화장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 엔진의 배기정화장치의 개략도이다.
도 2는 촉매의 산소 방출 특성을 도시하는 도면이다.
도 3은 촉매의 산소흡수량을 연산하기 위한 루틴을 도시하는 순서도이다.
도 4는 촉매로 유입하는 배기의 산소 과부족량을 연산하기 위한 서브루틴을 도시하는 순서도이다.
도 5는 고속성분의 산소방출률을 연산하기 위한 서브루틴을 도시하는 순서도이다.
도 6은 산소흡수량의 고속성분을 연산하기 위한 서브루틴을 도시하는 순서도이다.
도 7은 산소흡수량의 저속성분을 연산하기 위한 서브루틴을 도시하는 순서도이다.
도 8은 리셋조건을 판정하기 위한 루틴을 도시하는 순서도이다.
도 9는 연산된 산소흡수량의 리셋을 실행하기 위한 루틴을 도시하는 순서도이다.
도 10은 산소흡수량에 기초한 목표 공연비를 연산하기 위한 루틴을 도시하는 순서도이다.
도 11은 산소흡수량이 일정 제어될 때 후방 산소센서 출력과 고속성분이 변하는 것을 도시하는 도면이다.
도 12는 운전 상태에 따라 촉매 흡수/방출률을 셋팅하는 루틴을 상세히 도시하는 순서도이다.
도 13은 촉매 온도와 산소 흡수/방출률 사이의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 14는 촉매의 산소흡수량과 산소흡착률 사이의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 15는 촉매의 산소흡수량과 산소배기율 사이의 관계를 도시하는 특성도이다.
도 16은 촉매 온도에 따른 흡수/방출률을 고려하는 산소흡수량의 연산 결과를, 흡수/방출률이 일정한 경우와 비교할 때의 도면이다.
도 17은 산소흡수량에 따른 흡수/방출률을 고려하는 산소흡수량의 연산 결과를, 흡수/방출률이 일정한 경우와 비교할 때의 도면이다.
도 18은 촉매 악화를 판정하는 루틴을 상세히 도시하는 순서도이다.
도 19는 상기 악화 판정 루틴에 의한 처리 결과를 도시하는 도면이다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하고, 촉매의 높은 전환 효율을 유지하는 엔진의 배기정화장치를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 엔진 배기관에 설치된 촉매, 상기 촉매로 유입하는 배기 특성을 검출하는 센서, 및 엔진 운전 상태에 따라 촉매의 산소흡수/방출률을 설정하고, 상기 검출된 배기 특성과 산소흡수/방출률을 이용하여 촉매의 산소흡수량을 연산하고, 연산된 산소흡수량에 기초해, 상기 촉매의 산소흡수량이 소정의 목표치가 되도록 엔진의 목표 공연비를 연산하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 구비하는 엔진의 배기정화장치를 제공한다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 배기정화장치의 개략 구성을 도시하고, 불꽃점화식 엔진(1)의 배기관(2)에는 촉매(3)와, 전방 광범위 공연비 센서(4)(이하, 전방 A/F 센서라 함), 후방산소센서(5) 및 컨트롤러(6)가 설치되어 있다.
트로틀(8), 및 이 트로틀(8)에 의해 조정된 흡기량을 검출하는 기류 미터(9)가 엔진(1)의 흡기관(7)에 설치되어 있다. 또한, 엔진(1)의 회전수를 검출하는 크랭크 각도 센서(12)가 설치되어 있다.
촉매(3)는 삼원 촉매 기능을 갖는 촉매이다. 이 촉매(3)는 촉매 분위기가 이론 공연비에 있을 때 최대 효율로 NOx, HC 및 CO를 정화한다. 촉매(3)의 촉매 담체는 산화세륨과 같은 산소흡수물질로 코팅되며, 촉매(3)는 유입하는 배기의 공연비에 따라 산소를 흡수 또는 방출하는 기능(이하, 산소흡수기능이라 함)을 갖고 있다.
여기서, 촉매(3)의 산소흡수량은 촉매(3)의 귀금속(Pt, Rh, Pd)에 의해 흡수 및 방출되는 고속성분(HO2)과, 촉매(3)의 산소흡수물질에 의해 흡수 및 방출되는저속성분(LO2)으로 분할될 수 있다. 저속성분(LO2)은 고속성분(HO2)보다 산소의 흡수량과 방출량이 큰 것을 나타내지만, 흡수/방출률은 고속성분(HO2)보다 느리다.
또, 이 고속성분(HO2)과 저속성분(LO2)은 다음과 같은 특성을 갖고 있다.
- 산소 흡수시에는, 고속성분(HO2)이 우선하여 산소를 흡수하고, 고속성분(HO2)이 최대 용량(H02MAX)에 도달하여 산소를 더 이상 흡수할 수 없는 상태가 되면 저속성분(L02)으로 산소를 흡수하기 시작한다.
- 산소 방출시에는, 고속성분(H02)에 대한 저속성분(LO2)의 비(LO2/HO2)가 소정치 미만의 경우, 즉 고속성분이 비교적 큰 경우에는 고속성분(HO2)에서 우선하여 산소를 방출하고, 고속성분(H02)에 대한 저속성분(LO2)의 비가 소정치 이상의 경우, 즉 고속성분(HO2)에 대한 저속성분(LO2)의 비가 변화하지 않도록 고속성분(HO2) 및 저속성분(LO2)의 양쪽에서 산소를 방출한다.
도 2는 촉매의 산소 흡수/방출 특성을 도시한다. 종축은 고속성분(HO2)의 방출량을 도시하고 횡축은 저속성분(LO2)의 방출량을 도시한다. 세 개의 다른 양이 효과적으로 동일한 방출 시작점(X1, X2, X3)에서 실험적으로 방출되면, 방출 최종점은 (X'1, X'2, X'3)이고 방출 완료시 고속성분에 대한 저속성분의 비는 일정하다.
그 결과, 산소가 방출을 시작할 때, 고속성분이 감소하도록 고속성분에서 산소가 방출되고, 고속성분에 대한 저속성분의 비가 소정의 비에 도달할 때, 이 비는 변화하지 않고, 즉 도면에 도시한 직선(L)으로 이동하면서 산소가 방출되는 것을 나타낸다. 여기서, 저속성분은 고속성분(1)에 대해 5 에서 15 이지만, 바람직하게는 대략 10 이다. 방출 시작점이 직선(L) 아래 영역에 놓일 때에도 동일 특성이 얻어진다.
방출 시작점이 직선(L)의 좌측 영역(도면에서 Y)에 놓일 때, 시작점과 최종점(Y')을 연결하는 직선을 따라 산소가 효과적으로 방출된다.
도 1로 되돌아가면, 촉매(3)의 상류에 설치된 전방 A/F 센서(4)가 촉매(3)로 유입하는 배기의 공연비에 따라 전압을 출력한다. 촉매(3)의 하류에 설치된 후방 산소 센서(5)는 촉매(3) 하류의 배기 공연비가 시작치로서 이론공연비에 대해 풍부하거나 희박한지 여부를 검출한다. 즉, 여기서는 촉매(3)의 하류에 저렴한 산소센서를 설치하지만, 계속적으로 공연비를 검출할 수 있는 A/F 센서를 대신 설치하여도 좋다.
또, 엔진(1)에는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수온센서(10)가 장착되어 있고, 검출된 냉각수 온도는 엔진(1)의 운전상태를 판정하는데 이용되고, 촉매(3)의 촉매온도를 추정하는데 이용될 수 있다.
컨트롤러(6)는 RAM, ROM, I/O 인터페이스 등으로 구성된 마이크로프로세서이며, 기류미터(9), 전방 A/F 센서(4) 및 냉각수온센서(10)의 출력에 기초해, 촉매(3)의 산소흡수량(고속성분(H02) 및 저속성분(LO2))을 연산한다.
연산한 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 소정량(예컨대, 고속성분의 최대용량(HO2MAX)의 절반)보다도 클 때에는 엔진(1)의 공연비를 풍부하게 변화시켜 촉매(3)로 유입하는 배기의 공연비를 풍부하게 하여 고속성분(HO2)을 컨트롤러(6)가 감소시킨다. 역으로, 고속성분(HO2)이 소정량보다 작을 때, 컨트롤러(6)는 엔진(1)의 공연비를 희박하게 하여, 촉매(3)로 유입하는 배기의 공연비를 희박하게 하고 고속성분(HO2)을 증대시키고 산소흡수량의 고속성분(HO2)을 일정하게 유지시킨다.
연산오차에 의해 연산되는 산소흡수량과 실제의 산소흡수량과의 사이에 차이가 발생하므로 이 경우 컨트롤러(6)는 촉매(3) 하류의 배기 공연비에 기초해 소정의 타이밍으로 산소흡수량의 연산치의 리셋팅을 행하고, 실제의 산소흡수량과의 차이를 보정한다.
구체적으로는, 후방 산소센서(5)의 출력에 기초해 촉매(3) 하류의 공연비가 희박하다고 판정된 경우에는, 적어도 고속성분(HO2)은 최대로 되어 있다고 판정하고, 이 경우 고속성분(HO2)을 최대 용량에 리셋팅한다. 또, 후방 산소센서(5)에 의해 촉매(3) 하류의 공연비가 풍부하다고 판정된 경우에는, 고속성분(HO2) 뿐만 아니라 저속성분(LO2)으로부터 산소방출이 더 이상 행해지지 않기 때문에, 고속성분(HO2) 및 저속성분(LO2)을 최소용량으로 리셋팅한다.
이하, 컨트롤러(6)가 행하는 제어에 관해서 상세히 설명한다.
우선, 산소흡수량의 연산에 관해서 설명하고, 그 후에, 산소흡수량 연산치의 리셋팅, 산소흡수량에 기초한 엔진(1)의 공연비 제어에 관해서 설명한다.
도 3에 도시한 루틴에 의하면, 우선, 스텝(S1)에서 엔진(1)의 각종 운전 파라미터로서, 냉각수온센서(10), 크랭크 각도 센서(12) 및 기류미터(9)의 출력이 판독되고, 스텝(S2)에서, 촉매(3)의 온도(TCAT)가 이에 기초해 추정된다. 그리고, 스텝(S3)에서, 추정된 촉매온도(TCAT)와 촉매활성온도(TACTo), 예컨대 300℃를 비교하는 것에 의해 촉매(3)가 활성화되었는지 여부가 판정된다.
촉매활성온도(TACTo)에 도달하였다고 판정된 경우에는 촉매(3)의 산소흡수량의 연산을 행하는 스텝(S4)으로 진행한다. 촉매활성온도(TACTo)에 도달하지 않았다고 판정된 경우에는, 촉매(3)는 산소의 흡수/방출작용을 행하지 않고 처리를 종료한다.
스텝(S4)에는, 산소과부족량(O2IN)을 연산하기 위한 서브루틴(도 4)이 실행되어, 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소과부족량이 연산되고, 스텝(S5)에는, 산소흡수량의 고속성분의 산소방출률(A)을 연산하기 위한 서브루틴(도 5)이 실행되어, 고속성분의 산소방출률(A)이 연산된다.
또한, 스텝(S6)에는, 산소흡수량의 고속성분(H02)을 연산하기 위한 서브루틴(도 6)이 실행되어, 이 스텝에서 산소과부족량(O2IN)과 고속성분의 산소방출률(A)에 기초한 고속성분(HO2) 및 고속성분(HO2)에서 흡수되지 않고 저속성분(LO2)으로 넘치는 오버플로워 산소량(OVERFLOW)이 연산된다.
스텝(S7)에는, 스텝(S6)에서 연산된 오버플로워 산소량(OVERFLOW)에 기초해 촉매(3)로 유입하는 배기중의 산소과부족량(O2IN)이 전부 고속성분(HO2)에서 흡수되는지 여부를 판단한다. 그리고, 산소과부족량(O2IN)이 고속성분에서 완전히 흡수된 경우(즉, OVERFLOW=0)에는 처리를 종료하지만, 그렇지 않은 경우에는 스텝(S8)으로 진행해 저속성분(L02)을 연산하기 위한 서브루틴(도 7)이 실행되어, 고속성분(HO2)에서 넘치는 오버플로워 산소량(OVERFLOW)에 기초해 저속성분(LO2)이 연산된다.
또, 여기서는 촉매온도(TCAT)를 엔진(1)의 냉각수온, 엔진부하, 엔진회전수로부터 추정하도록 하고 있지만, 도 1에 도시한 바와 같이 촉매(3)에 온도센서(11)를 부착하고, 촉매(3)의 온도를 직접 측정하여도 좋다.
촉매온도(TCAT)가 활성온도(TACTo)보다도 낮을 때, 산소흡수량을 연산하지 않지만, 스텝(S3)을 없애고, 촉매온도(TCAT)의 영향을 고속성분의 산소방출률(A) 또는 저속성분의 산소흡수/방출률(B)에 이후에 기술하는 바와 같이 반영하여도 좋다.
다음에, 스텝(S4) 내지 스텝(S6) 및 스텝(S8)에서 실행되는 서브루틴을 설명한다.
도 4는, 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소과부족량(O2IN)을 연산하기 위한 서브루틴의 내용을 도시한다. 이 서브루틴에는, 촉매(3) 상류의 배기의 공연비와 엔진(1)의 흡입공기량에 기초해 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소과부족량(O2IN)이 연산된다.
먼저, 스텝(S11)에서, 전방 A/F 센서(4) 출력과 기류미터(9)의 출력이 판독된다.
다음에, 스텝(S12)에서, 소정의 변환 테이블을 이용하여 전방 A/F 센서(4) 출력을, 촉매(3)로 유입하는 배기의 과부족 산소농도(FO2)로 변환한다. 여기서, 과부족 산소농도(FO2)는 이론공연비에서의 산소농도에 기초한 상대적인 농도로, 배기공연비가 이론공연비와 같으면 그 농도는 제로이고, 이론공연비보다 풍부하면 음(negative), 이론공연비 보다 희박하면 양(positive)이 된다.
스텝(S13)에서, 기류미터(9) 출력을 소정의 변환 테이블을 이용하여 흡입공기량(Q)으로 변환하고, 스텝(S14)에서는 흡입공기량(Q)에 과부족 산소농도(FO2)를 곱해 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소 과부족량(O2IN)을 연산한다.
과부족 산소농도(FO2)가 상기 특성을 갖기 때문에, 과부족 산소량(O2IN)은, 촉매(3)로 유입하는 배기가 이론공연비일 때 제로이고, 풍부할 때 음(-)이고, 희박할 때 양(+)이다.
도 5는, 산소흡수량의 고속성분의 산소방출률(A)을 연산하기 위한 서브루틴의 내용을 도시한다. 이 서브루틴에는 고속성분(H02)의 산소방출률(A)이 저속성분(L02)의 영향을 받기 때문에, 저속성분(L02)에 따라 고속성분의 산소방출률(A)이 연산된다.
먼저, 스텝(S21)에서, 고속성분에 대한 저속성분의 비(L02/H02)가 소정치(AR), 예컨대 AR=10 보다 작은지 여부가 판정된다. 판정 결과, 비(L02/H02)가 소정치(AR) 보다 작다고 판정된 경우, 즉, 고속성분(H02)이 저속성분(L02)에 비해 비교적 큰 경우에는 스텝(S22)으로 진행하고, 고속성분(H02)에서 산소가 우선하여 방출되어 고속성분의 산소방출률(A)이 1.0 으로 셋팅된다.
이에 대해, 비(L02/H02)가 소정치(AR) 보다 크다고 판정된 경우에는, 고속성분(H02)에 대한 저속성분(L02)의 비가 변화하지 않도록 고속성분(H02) 및 저속성분(L02)에서 산소가 방출되기 때문에, 스텝(S23)으로 진행해 고속성분의 산소방출률(A)의 비(L02/H02)가 변화하지 않도록 연산된다.
도 6은 산소흡수량의 고속성분(HO2)을 연산하기 위한 서브루틴을 도시한다.이 서브루틴에서, 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소과부족량(O2IN)과 고속성분의 산소방출률(A)에 기초한 고속성분(HO2)의 연산이 행해진다.
먼저, 스텝(S31)에서 산소과부족량(O2IN)의 값을 기초로 고속성분(HO2)이 산소를 흡수하거나, 또는 방출하는지 여부를 판정한다.
그 결과, 촉매(3)로 유입하는 배기의 공연비가 희박하고 산소 과부족량(O2IN)이 제로 보다 큰 경우, 고속성분(HO2)이 산소를 흡수한다고 판정하여 스텝(S32)으로 진행하며, 다음 식(1)으로부터 고속성분(HO2)이 연산된다.
HO2 = HO2z + O2IN (1)
여기서, HO2z = 바로 이전의 고속성분(HO2)의 값이다.
한편, 산소과부족량(O2IN)이 제로 이하일 때, 고속성분이 방출되고, 루틴은 스텝(S33)으로 진행하며, 고속성분(HO2)이 다음 식(2)으로 연산된다.
HO2 = HO2z + O2IN x A (2)
여기서, A = 고속성분(HO2)의 산소방출률이다.
스텝(S34), 스텝(S35)에서, 고속성분의 최대용량(HO2MAX)이 연산된 고속성분(HO2)을 초과하는지 여부를 판정하거나, 또는 최소용량(HO2MIN)이 0 이하 인지 여부를 판정한다.
고속성분(HO2)이 최대용량(HO2MAX) 보다 큰 경우, 루틴은 스텝(S36)으로 진행하며, 고속성분(HO2)에 흡수되지 않고 촉매로 유출하는 오버플로워 산소량(초과량)(OVERFLOW)이 다음 식(3)으로 연산된다.
OVERFLOW = HO2 - HO2MAX (3)
이 경우 고속성분(HO2)이 최대용량(HO2MAX)으로 제한된다.
고속성분(HO2)이 최소용량(HO2MIN) 보다 작은 경우, 루틴은 스텝(S37)으로 진행하고, 고속성분(H02)에 흡수되지 않고 넘치는 오버플로워 산소량(부족량) (OVERFLOW)이 다음 식(4)으로 연산된다.
OVERFLOW = HO2 - HO2MIN (4)
이 경우 고속성분(HO2)이 최소용량(HO2MIN)으로 제한된다. 또, 여기서 최소용량(HO2MIN)으로 제로가 주어지므로, 고속성분(HO2)을 전부 방출한 상태에서 부족한 산소량이 음(-)의 오버플로워 산소량으로 연산된다.
또, 고속성분(HO2)이 최대용량(HO2MAX)과 최소용량(HO2MIN) 사이에 있을 때에는, 촉매(3)로 유입하는 배기의 산소과부족량(O2IN)은 전부 고속성분(H02)에 흡수되기 때문에, 오버플로워 산소량(OVERFLOW)이 0으로 설정된다.
여기서, 고속성분(HO2)이 최대용량(HO2MAX) 이상 혹은 최소용량(HO2MIN) 이하로 되어 고속성분(H02)에서 넘치는 오버플로워 산소량(OVERFLOW)이 저속성분(LO2)에 흡수된다.
도 7은 산소흡수량의 저속성분(LO2)을 연산하기 위한 서브루틴을 도시한다. 이 서브루틴에서, 고속성분(HO2)에서 넘치는 오버플로워 산소량(OVERFLOW)에 기초해 저속성분(LO2)이 연산된다.
이 서브루틴에 의하면, 스텝(S41)에서는 저속성분(L02)이 다음 식(5)으로 연산된다.
LO2 = LO2z + OVERFLOW x B (5)
단, LO2z = 저속성분(LO2)의 바로 이전치, 및 B = 저속성분의 산소 흡수/방출률이다.
여기서, 저속성분의 산소 흡수/방출률(B)은 1 이하의 양의 값으로 설정되어 있지만, 실제로는 흡수와 방출이 다른 특성을 갖는다. 또, 실제의 흡수/방출률은 촉매온도(TCAT), 저속성분(LO2) 등의 영향을 받기 때문에, 흡수율과 방출률을 각각 분리하여 가변되게 설정하여도 좋다. 이 경우, 오버플로워 산소량(OVERFLOW)이 양일 때, 산소가 과도하고, 이 때의 산소흡수율은, 예컨대 촉매온도(TCAT)가 높은 만큼, 또 저속성분(LO2)이 작은 만큼 큰 값으로 설정된다. 또, 오버플로워 산소량(OVERFLOW)이 음일 때, 산소가 부족하고, 이때의 산소방출률은, 예컨대 촉매온도(TCAT)가 높은 만큼, 또 저속성분(LO2)이 큰 만큼 큰 값으로 설정된다.
스텝(S42)(S43)에서, 고속성분(HO2)의 연산시와 동일하게, 연산된 저속성분(LO2)이 그 최대용량(LO2MAX)을 초과하거나, 또는 최소용량(LO02MIN)이하, 예컨대 제로 이하가 되는지 여부를 판정한다.
그 결과, 최대용량(LO2MAX)을 초과한 경우에는 스텝(S44)으로 진행하고, 저속성분(LO2)에서 넘치는 산소과부족량(O2OUT)이 다음 식(6)으로 연산된다.
LO2OUT = LO2 - LO2MAX (6)
저속성분(LO2)이 최대용량(LO2MAX)으로 제한된다. 산소과부족량(O2OUT)은 그대로 촉매(3) 하류로 유출한다.
한편, 저속용량(LO2)이 최소용량 이하인 경우에는 스텝(S45)으로 진행하고, 저속성분(L02)이 최소용량(LO2MIN)으로 제한된다.
다음에, 컨트롤러(6)가 행하는 산소흡수량의 연산치의 리셋팅에 관해서 설명한다. 소정의 조건하에서 산소흡수량의 연산치를 리셋팅하는 것에 의해, 여기까지 축적된 연산 오차가 해소되어, 산소흡수량의 연산 정밀도가 개선될 수 있다.
도 8은 리셋팅 조건을 판정하기 위한 루틴을 상세히 도시한다. 이 루틴은, 촉매(3) 하류에 배기 공연비에서 산소흡수량(고속성분(H02) 및 저속성분(LO2))의 리셋팅 조건이 성립하는지 여부를 판정하고, 플래그(Frich) 및 플래그(Flean)의 세팅을 행하는 것이다.
먼저, 스텝(S51)에서, 촉매(3) 하류의 배기 공연비를 검출하는 후방 산소센서(5)의 출력이 판독된다. 그리고, 스텝(S52)에서, 후방 산소센서 출력(RO2)이 희박 판정 시작치(LDT)와 비교되고, 스텝(S53)에서는, 후방 산소센서 출력(RO2)이 풍부 판정 시작치(RDT)와 비교된다.
이들 비교 결과, 후방 산소센서 출력(RO2)이 희박 판정 시작치(LDT) 보다 작은 경우에는 루틴은 스텝(S54)으로 진행해 플래그(Flean)를 산소흡수량의 희박 리셋팅 조건이 성립한 것을 지시하는 "1" 으로 셋팅한다. 한편, 후방 산소 센서 출력(RO2)이 풍부 판정 시작치(RDT)를 상회한 경우에는 루틴은 스텝(S55)으로 진행해 플래그(Frich)를 산소흡수량의 풍부 리셋팅 조건이 성립한 것을 지시하는 "1" 으로 셋팅한다.
후방 산소센서 출력(RO2)이 희박 판정 시작치(LDT)와 풍부 판정 시작치(RDT)의 사이에 있을 때에는 스텝(S56)으로 진행해, 플래그(Flean) 및 플래그(Frich)를 희박 리셋팅 조건, 풍부 리셋팅 조건이 불성립한 것을 지시하는 "0"으로 셋팅한다.
도 9는 산소흡수량의 리셋팅를 행하기 위한 루틴을 도시한다.
이에 따르면, 스텝(S61)(S62)에서, 플래그(Flean) 및 플래그(Frich)의 값의 변화에 기초해 희박 리셋팅 조건 혹은 풍부 리셋팅 조건이 성립하는지 여부를 판단한다.
플래그(Flean)가 "0" 에서 "1" 으로 변화해, 희박 리셋팅 조건이 성립하였다고 판정된 경우에는 스텝(S63)으로 진행해, 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 최대용량(H02MAX)으로 리셋팅된다. 이 때, 저속성분(LO2)의 리셋팅은 실행되지 않는다. 한편, 플래그(Frich)가 "0" 에서 "1" 로 변화해, 풍부한 리셋팅 조건이 성립하였다고 판정된 경우에는 스텝(S64)으로 진행해, 산소흡수량의 고속성분(HO2) 및 저속성분(LO2)이 각각 최소용량(HO2MIN)(LO2MIN)으로 리셋팅된다.
이와 같은 조건에서 리셋팅을 실행하는 이유는, 저속성분(LO2)의 산소흡수율이 느리기 때문에, 고속성분(HO2)이 최대용량에 도달하면 저속성분(LO2)은 최대용량에 도달하지 않아도 산소가 촉매 하류에 넘치기 때문에, 촉매 하류의 배기 공연비가 희박하게 된 시점에는 적어도 고속성분(HO2)은 최대용량에 도달하였다고 간주한다.
또, 촉매 하류의 배기 공연비가 풍부하게 된 시점에는, 느리게 방출되는 저속성분(LO2)에서도 산소가 방출되지 않는다. 따라서, 이 경우 고속성분(HO2)과 저속성분(LO2) 모두 산소를 거의 흡수하지 않고 최소용량으로 된다고 간주한다.
다음에, 컨트롤러(6)에 의해 실행된 공연비 제어(산소흡수량 일정 제어)에 관해서 설명한다.
도 10은 산소흡수량에 기초한 목표 공연비를 연산하는 루틴의 내용을 도시한다.
이에 의하면, 스텝(S71)에서, 현재 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 판독된다. 스텝(S72)에서, 현재의 고속성분(HO2)과 이 고속성분의 목표치(TGH02) 사이의 편차(DH02(=촉매(3)가 필요한 산소과부족량))가 연산된다. 고속성분의 목표치 (TGH02)는, 예컨대 고속성분의 최대용량(HO2MAX)의 절반으로 셋팅된다.
스텝(S73)에서, 연산된 편차(DH02)가 공연비 등가치(equivaltnet value)로 변환되며, 엔진(1)의 목표 공연비(T-A/F)가 셋팅된다.
따라서, 이 루틴에 따르면, 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 목표량 이하일 때, 엔진(1)의 목표 공연비가 희박하게 설정되며, 산소흡수량(고속성분(HO2))이 증가된다. 한편, 고속성분(HO2)이 목표량을 초과할 때, 엔진(1)의 목표 공연비가 풍부하게 설정되며, 산소흡수량(고속성분(HO2))이 감소된다.
다음에, 상기 제어에 의해 실행된 전체 작용에 관해서 설명한다.
본 발명에 따른 배기정화장치에 있어서, 엔진(1)이 시동될 때 촉매(3)의 산소흡수량의 연산을 실행하고, 촉매(3)의 전환 효율을 최대로 유지하기 위해 촉매(3)의 산소흡수량이 일정하게 엔진(1)의 공연비 제어를 실행한다.
촉매(3)의 산소흡수량은 촉매(3)로 유입하는 배기 가스의 공연비와 흡입공기량에 기초해 컨트롤러(6)에 의해 추정되지만, 산소흡수량의 연산은 이들 성분의 실제의 특성에 맞게 고속성분(HO2)과 저속성분(LO2)으로 분할 연산된다.
구체적으로, 산소 흡수시, 고속성분(HO2)이 우선적으로 흡수되고, 산소가 고속성분(HO2)으로 더 이상 흡수되지 않을 때 저속성분(LO2)이 흡수되기 시작한다는 가정하에서 연산이 실행된다. 또한, 산소 방출시, 저속성분(LO2)과 고속성분(HO2)의 비(LO2/HO2)가 소정의 시작치(AR) 보다 작은 경우 고속성분(HO2)에서 산소가 우선적으로 방출된다는 가정하에서 연산이 실행된다. 비(LO2/HO2)가 소정의 시작치(AR)에 도달할 때, 이 비(LO2/HO2)가 일정하게 유지하도록 저속성분(LO2)과 고속성분(HO2) 모두에서 산소가 방출된다고 가정한다.
연산된 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 목표치 보다 클 때에는, 컨트롤러(6)는 엔진(1)의 공연비를 풍부하도록 제어함으로써 고속성분을 감소시키고, 목표치 보다 작을 때에는 공연비를 희박하도록 제어함으로써 고속성분(HO2)을 증대시킨다.
그 결과, 산소흡수량의 고속성분(HO2)은 목표치로 유지된다. 이처럼, 촉매(3)로 유입하는 배기의 공연비가 이론공연비에서 벗어나도, 응답성이 높은 고속성분(HO2)으로 바로 산소가 흡수 혹은 방출되어 진다. 이와 같이, 촉매 분위기가 이론공연비로 보정되어, 촉매(3)의 전환 효율이 최대로 유지된다.
게다가, 연산 오차가 누적되면 연산된 산소흡수량이 실제의 산소흡수량으로부터 벗어나지만, 촉매(3) 하류의 배기가 풍부 혹은 희박하게 된 타이밍에서 산소흡수량(고속성분(HO2) 및 저속성분(LO2))의 리셋팅이 실행되어, 연산치와 실제의 산소흡수량과의 차이가 보정된다.
도 11은 상기 산소흡수량 일정 제어를 실행할 때의 고속성분(HO2)의 변화 상태를 도시한 것이다.
이 경우, 시각(t1)에서, 후방 산소 센서(5)의 출력이 희박 판정 시작치보다작게 되어 희박리셋팅조건이 성립하기 때문에, 고속성분(HO2)은 최대용량(HO2MAX)으로 리셋팅된다. 단, 이 때 저속성분(LO2)은 최대일 필요가 없기 때문에 저속성분(LO2)의 리셋팅은 실행되지 않으므로, 도시하지 않는다.
시각(t2, t3)에서, 후방 산소 센서(5)의 출력이 풍부 판정 시작치 보다 크게 되어 풍부 리셋팅 조건이 성립하기 때문에, 산소흡수량의 고속성분(HO2)이 최소용량(즉, =0)으로 리셋팅된다. 이 때 또한 저속성분(LO2)도 최소용량으로 리셋팅되므로, 저속성분(LO2)은 도시하지 않는다.
이와 같이, 촉매(3) 하류의 배기 공연비가 풍부 혹은 희박하게 된 타이밍에서 산소흡수량의 연산치의 리셋팅이 실행되며, 실제 산소흡수량과의 차이가 보정되기 때문에, 촉매의 산소흡수량의 연산 정확도가 추가로 개선되고, 일정한 산소흡수량을 유지하기 위한 공연비 제어의 정확도가 증대되며, 촉매의 변환 효율이 고수준으로 유지된다.
전술의 내용은 본 발명에 의해 가정된 공연비 제어의 실시예이다. 또한, 본 발명에 따르면, 촉매 온도에 따라 촉매의 흡수/방출률을 적절하게 셋팅하고 최대 산소흡수량을 학습함으로써 배기정화성능이 추가로 개선되며, 촉매 악화를 정확하게 검출할 수 있다. 이후 설명에서, 이 점은 도 12 및 후속 도면을 참조로 설명한다.
도 12에 도시한 프로세스에 있어서, 촉매(3)의 온도가 먼저 스텝(S81)에서 검출된다. 이 촉매 온도로서, 전술한 도 3의 프로세스에서 추정된 촉매온도(TCAT)가 사용될 수 있거나, 또는 온도센서(11)에 의해 직접 검출될 수도 있다. 다음에,스텝(S82)에서의 이 촉매 온도에 기초한 산소흡수량의 연산에 사용되는 흡수/방출률을 보정하기 위한 프로세스가 실행된다. 산소흡수/방출률은 예컨대 도 13에 도시한 촉매 온도의 상승으로 증가하는 특성을 갖고 있다. 즉, 새로운 흡수/방출률은 촉매 온도에 대한 도 13에 도시한 특성으로 흡수/방출률이 주어지는 배열표에 의해 설정된다.
다음에, 스텝(S83)에서 본 산소흡수량(연산치)에 따라 흡수/방출률을 추가로 보정한다. 도 14의 실시예에 의해 도시한 바와 같이 산소흡수량의 증가로 흡착률이 감소하며, 도 15에 도시한 바와 같이 산소흡수량의 증가로 방출률이 증가한다. 즉, 최종 흡수/방출률은 산소흡수량에 따라 도 14 및 도 15에 도시한 특성을 갖는 흡착률 또는 배기율을 갖도록 설정된 배열표에 의해 판정된다.
이와 같이, 산소흡수량이 스텝(S84)에서 최종 흡수/방출률에 기초해 연산된다. 이를 도 3 및 도 5에 도시한 연산 처리과정이다. 도 16은 촉매 온도에 따른 흡수/방출률 편차를 고려하는 산소흡수량의 연산 결과를 비교하는 도면이며, 흡수/방출률이 일정하다는 가정하에서 연산을 실행한다. 도 17은 산소흡수량에 따른 흡수/방출률을 고려하는 산소흡수량의 연산 결과를 비교하는 유사 도면이며, 흡수/방출률이 일정하다는 가정하에서 연산을 실행한다. 흡수/방출률의 편차에 대응하는 이 연산을 실행함에 의해, 산소흡수량은 높은 정밀도로 추정될 수 있다.
다음에, 촉매(3)의 악화를 판정하고 스텝(S85)에서 촉매(3)의 최대 산소흡수량을 학습하기 위한 서브루틴을 실행한다. 이 서브루틴의 상세한 것은 도 18에 도시하며, 이 프로세스를 실행할 때의 도면이 도 19에 도시되어 있다.
이 프로세스에서, 악화 판정의 허용 조건을 먼저 스텝(S91)에서 판정한다. 이는 예컨대 촉매(3)가 활성 상태에 있는지 여부를 수온 또는 촉매온도 등에 기초해 판단하는 프로세스로서, 촉매가 활성상태에 있을 때, 악화판정이 허가되고, 스텝(S92)에서 다음의 악화판정영역조건의 판정으로 이행한다. 악화판정영역조건은, 예컨대 엔진회전수, 연료분사량, 차속, 공연비 제어상태 등이며, 이들에서 판정된 운전 상태가 설정된 조건 내에 있는지 여부를 판정한다. 이에 의해, 감속시의 연료 차단과 같은 악화 판정에 부적절한 운전 조건을 배제하여, 적절한 악화 판정을 실행할 수 있다. 상기 악화판정허가조건, 악화판정영역조건을 모두 만족할 때에는 다음의 스텝(S93)의 악화 판정 및 이후의 학습 프로세스를 시작한다. 이들 조건을 만족하지 않으면, 본 프로세스는 종료된다.
촉매의 악화 판정에서, 우선 최대 산소흡수량(HO2MAX1)을 연산한다. 이 연산 방법은 임의의 방법일 수 있다. 예컨대, 촉매(3)가 풍부한 분위기에 놓일 때, 산소흡수량은 0이고 목표 공연비가 희박하게 되어, 촉매(3)의 배기 공연비가 풍부함에서 희박함으로 전환할 때까지 촉매(3)로 유입하는 산소량은 전방 A/F 센서(4)와 후방 산소센서(5)로부터의 신호를 이용하여 적분하여 실제 최대 산소흡수량을 연산한다. 이 과정은 또한 도 8 및 도 9에 도시한 산소흡수량의 리셋 프로세스를 이용하여 실행하여도 좋다.
다음에, 이 최대 산소흡수량의 연산 결과가 수렴하는 것을 대기한 후, 스텝(S94)(S95)에서 상술한 바와 같이 연산한 최대 산소흡수량(HO2MAX1)을 그 판정 기준치와 비교한다. 이 비교에 있어서, 최대 산소흡수량(HO2MAX1)이 판정 기준치보다도 크면, 악화는 거의 없는 것으로, 이 때의 최대 산소흡수량(HO2MAX1)의 값은 스텝(S96)에서까지의 최대 산소흡수량(HO2MAX)으로 갱신한다. 즉, 이와 같이 최대 산소흡수량(HO2MAX)을 갱신함에 의해, 이에 기초한 산소흡수량의 제어 목표량은 항상 적절하게 설정되며, 양호한 배기정화성능이 얻어진다.
한편, 스텝(S95)의 판정에 있어서, 최대 산소흡수량(HO2MAX1)이 판정 기준치 이하라고 판정된 때에는, 스텝(S97)에서 촉매(3)가 악화한 것으로 악화 판정 결과를 기억한다. 이 악화 판정 결과는, 예컨대 차량의 자기 진단장치에 기억된다. 선택적으로, 모니터 램프 등에 의해 운전자에게 실시간으로 경고하여도 좋다.
상기 발명에 따라, 촉매(3)로 유입하는 배기의 특성(예컨대, 배기 공연비 또는 산소 농도)과 흡수/방출률을 기초로 촉매(3)의 산소흡수량이 연산되며, 실제 산소흡수량은 촉매(3)의 귀금속에 의해 고속으로 산소가 흡수/방출되며, 촉매(3)의 산화세륨과 같은 산소흡수물질에 의해 저속으로 산소가 흡착/배출되는 특성의 차원에서 별개로 연산된다. 엔진의 목표 공연비는 이 연산 결과를 기초로 연산되므로, 예컨대, 산소흡수량의 고속성분은 목표치(예컨대, 고속성분의 최대 용량의 절반)이며, 엔진 공연비 제어가 실행된다.
한편, 상기 산소흡수량 연산시, 촉매(3) 온도 또는 산소흡수량에 의해 영향을 받는 흡수/방출률을 고려하므로, 흡수/방출률의 요동에 관계 없이 산소흡수량을 정확하게 추정할 수 있고, 공연비 제어에 의한 산소흡수량을 제어하는 정확도가 개선되며, 배기 정화 성능을 추가로 향상할 수 있다.
또한, 산소흡수량의 최대치가 학습되므로, 연속적으로 갱신되는 정확한 최대산소흡수량에 기초한 산소흡수량을 적절하게 설정할 수 있다. 배기 공연비는 배기 공연비의 소정의 편차, 예컨대 소정의 풍부한 판정치에서 희박한 판정치까지 촉매(3)로 유입하는 산소량과, 소정의 풍부한 판정치에서 희박한 판정치까지 촉매(3)에서 유출하는 산소량을 모니터함으로써 알 수 있다. 배기 공연비의 편차에 민감한 고속성분의 최대치를 학습함으로써, 공연비 제어의 진폭이 작을 때에도 촉매(3)의 악화가 높은 정확도로 판정될 수 있고, 이 배기정화장치에 사용되는 최대 산소흡수량과 별도로 악화를 판정하기 위한 검출 파라미터를 처리할 필요가 없으므로, 악화를 판정하는 프로그램은 간단할 수 있다.
2000년 2월 24일자로 출원된 일본국 특허 출원 번호 제2000-47943호의 내용이 참고로 인용된다.
독점권과 특권을 청구하는 본 발명의 실시예가 정의된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 배기정화장치는 촉매의 악화에 의한 촉매의 전환 효율의 감소를 해결하는 배기정화장치로써 이용가능하다.

Claims (9)

  1. 엔진 배기관(2)에 설치된 촉매(3),
    상기 촉매(3)로 유입하는 배기가스의 공연비 또는 산소농도를 검출하는 A/F 센서(4), 및
    엔진 운전 상태에 따라 촉매(3)의 산소흡수/방출률을 설정하고,
    상기 검출된 배기가스의 공연비 또는 산소농도와 산소흡수/방출률을 이용하여 촉매(3)의 산소흡수량을 연산하고,
    연산된 산소흡수량에 기초해, 상기 촉매(3)의 산소흡수량이 소정의 목표치가 되도록 엔진의 목표 공연비를 연산하도록 프로그램된 마이크로프로세서(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(6)는, 엔진 운전 상태로서 촉매(3)의 온도를 검출하며, 이 검출된 온도에 따라 산소흡수/방출률을 설정하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(6)는, 엔진 운전 상태로서 촉매(3)의 산소흡수량에 따라 산소흡수/방출률을 설정하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(6)는, 흡수/방출률이 빠른 고속성분과 흡수방출속도가 고속성분보다도 느린 저속성분으로 분리하여 촉매(3)의 산소흡수량을 연산하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(6)는, 적어도 고속성분의 최대 산소흡수량을 학습하며, 이 학습된 최대 산소흡수량이 기준치 이하일 때 촉매(3)가 악화되었다고 판정하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서(6)는, 촉매(3)에서의 배기의 공연비가 소정의 편차를 실행하는 동안 촉매(3)로 유입하는 산소량과 촉매(3)로부터 유출하는 산소량에 기초하여 최대 산소흡수량을 연산하도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서(4)는 배기가스의 공연비 또는 산소농도를 배기 특성으로 검출하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  8. 엔진 배기관(2)에 설치된 촉매(3)와,
    상기 촉매(3)로 유입하는 배기가스의 공연비 또는 산소농도를 연속적으로 검출하는 검출수단(4)과,
    엔진 운전 상태에 따라 촉매의 산소흡수/방출률을 설정하는 수단(6)과,
    상기 검출된 배기가스의 공연비 또는 산소농도와 산소흡수/방출률을 이용하여 촉매(3)의 산소흡수량을 연산하는 수단(6)과,
    연산된 산소흡수량에 기초해, 상기 촉매(3)의 산소흡수량이 소정의 목표치가 되도록 엔진의 목표 공연비를 연산하는 수단(6)을 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기정화장치.
  9. 엔진의 배기관에 촉매를 갖는 엔진의 목표 공연비 연산 방법에 있어서,
    엔진 운전 상태에 따라 촉매(3)의 산소흡수/방출률을 설정하는 단계와,
    상기 검출된 배기가스의 공연비 또는 산소농도와 산소흡수/방출률을 이용하여 촉매(3)의 산소흡수량을 연산하는 단계와,
    연산된 산소흡수량에 기초해, 상기 촉매(3)의 산소흡수량이 소정의 목표치가 되도록 엔진의 목표 공연비를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진의 목표 공연비 연산 방법.
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