KR100507507B1 - 내연기관의 2차 공기제어방법 - Google Patents

Abstract

고 RPM과 고부하로 갈수록 배기계통과 촉매를 보호하기 위하여 과농으로 맵핑되어 있는 것을 인위적으로 순간적인 희박 분위기를 조성하여 줌으로써, 배기가스 정화율을 향상시켜 배기가스 규제에 대응할 수 있도록 한 내연기관의 2차 공기 제어방법을 제공할 목적으로;

내연기관 흡기계통의 흡입공기를 배기계통의 삼원 촉매 상류측에 2차 공기를 공급할 수 있도록 관로가 형성되고, 이의 2차 공기 관로상에 엔진제어유닛의 제어에 따라 관로를 개폐하는 유량 제어밸브가 배치되는 내연기관의 2차 공기 제어장치를 제어함에 있어서,

상기 엔진제어유닛은 산소센서의 정보(람다:공연비)와 배기가스의 온도에 따라 유량 제어밸브를 제어하여 린 스파이크 제어를 실시하되, 상기 산소센서에서 검출된 람다값(λ)이 1 보다 작거나 동일 상태에서 다수로 설정된 배기온도 범위가 다수로 설정된 기준시간 중 어느 한 기준시간을 유지하는 경우 해당 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지는 내연기관의 2차 공기 제어방법을 제공한다.

Description

내연기관의 2차 공기제어방법{METHOLD OF CONTROLLING SECONDARY AIR SUPPLYING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 2차 공기제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린 엔진 배기계통의 배기 온도에 따라 배기 계통에 2차 공기를 공급함으로써, 배기가스 정화 효율을 극대화 시킬 수 있도록 한 내연기관의 2차 공기 제어방법에 관한 것이다.

예컨대, 가솔린 엔진의 배기계통에 적용되는 삼원 촉매는 귀금속인 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)이 사용되고 있으며, 특히 CCC(Close Catalytic Converter)화 되어가면서 내열성이 필요해 Pt계열에서 Pd계열로 전환되고 있는 추세인데, 상기 Pd 촉매는 엔진 오일 성분의 피독{Poisoning(P, Pb, Zn, Mn, Mg등)}에 약하고, 특히, 연료 성분의 피독(S등)에 약한 것이 현실이다.

특히 Pd-only 촉매나, Pd/Rh(Pd 비율이 높은 경우)촉매의 경우, 열화되면서 본래의 활성이 급격하게 감소하는 경우가 많은데, 일반적인 활성온도(예:400℃ 이상)일 때의 특성을 살펴보면, 도 4에서와 같이, HC(탄화수소) 및 CO(일산화탄소)는 산소가 많은 분위기{람다(λ)가 1 이상}에서 산화반응이 용이하게 일어나서 각각 H2O, CO2로 분해되게 된다.

반대로 NOx(질소산화물)는 산소가 적은 분위기{람다(λ)가 1 이하}에서 환원반응이 일어나면서 NOx가 질소와 산소로 분해되는데, 일반적인 Pd/Rh 또는 Pd-only촉매의 경우는 상기와 같은 특성의 경우가 정상적이라고 할 수 있지만, 촉매의 마일리지가 증가됨에 따라 촉매가 점점 열화되면서 비정상적으로 NOx가 산소가 적은 분위기{람다(λ)가 1 이하}임에도 불구하고, 점점 정화율이 감소하는 경향이 Pd/Rh, Pd-only 촉매에서 발견되고 있다.

보다 구체적으로 열화된 Pd계열 촉매의 람다값에 따른 신품 및 열화품 촉매의 NOx 정화율 변화특성을 살펴보면, 도5에서와 같이 신품의 경우에는 과농일 경우, 점점 NOx 정화율이 증가하고, 희박으로 갈수록 NOx 정화율이 감소하는 일반 법칙에 따르고 있다.

그러나, 열화품의 경우는 과농으로 갈수록 점점 NOx 정화율이 감소하고, 희박으로 갈수록 또 NOx 정화율이 점점 감소하며, 최대 정화율을 나타낸 람다값은 약간 희박쪽인 1.005 정도 부근으로 그 원인은 약간의 희박인 경우 희박에 의해서 피독의 원인(HC 피독 또는 S피독)이 제거되기 때문이다.

또한, 희박의 정도가 심해지면, 피독의 원인은 제거가 되지만, 원래 NOx의 활성은 희박 조건에서 낮아지게 되므로, 전체적인 활성은 감소하게 되며, 이에따라 상기와 같이 약간 희박인 경우를 유지하면 피독의 원인도 제거되고, 본래의 삼원 활성도 유지하게 되므로 최대의 NOx 정화율을 얻게 된다.

그리고 HC 피독은 환원 분위기(과농)에서는 더욱 심해지고, 산화분위기(희박)에서는 제거되므로, 희박조건에서 HC를 제거하는 것이 유리하며, 황 피독의 경우, 산화 분위기(희박)의 300℃ 이상에서 황 피독이 제거되지만, 환원 분위기(과농)에서는 900℃ 이상의 고열을 필요로 하므로 엔진의 조건상에서는 매우 어려움이 있다.

보다 구체적으로 SO2 피독에 관한 특성을 살펴보면, 도 6에서와 같이, 800℃ 이상에서는 농후(rich)/ 희박(lean)에 상관없이 S 피독이 모두 제거됨을 알 수 있으며, 특히 희박 분위기에서는 비교적 저온(700℃이하)에서 황피독이 제거됨을 알 수 있다.

본 발명자는 상기의 피독 특성을 예의 연구한 결과, 일정온도 이상의 희박 분위기를 짧은 시간 동안 만들어 주면 S 피독과 HC 피독이 동시에 제거되고, NOx 정화율을 그대로 유지할 수 있다는 것을 인식하여 본 발명을 제안하게 되었다.

따라서 본 발명은 고 RPM과 고부하로 갈수록 배기계통과 촉매를 보호하기 위하여 과농으로 맵핑되어 있는 것을 인위적으로 순간적인 희박 분위기를 조성하여 줌으로써, 배기가스 정화율을 향상시켜 배기가스 규제에 대응할 수 있도록 한 내연기관의 2차 공기 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은, 내연기관 흡기계통의 흡입공기를 배기계통의 삼원 촉매 상류측에 2차 공기를 공급할 수 있도록 관로가 형성되고, 이의 2차 공기 관로상에 엔진제어유닛의 제어에 따라 관로를 개폐하는 유량 제어밸브가 배치되는 내연기관의 2차 공기 제어장치를 제어함에 있어서,

상기 엔진제어유닛은 산소센서의 정보(람다:공연비)와 배기가스의 온도에 따라 유량 제어밸브를 제어하여 린 스파이크 제어를 실시하되,

상기 산소센서에서 검출된 람다값(λ)이 1 보다 작거나 동일 상태에서 다수로 설정된 배기온도 범위가 다수로 설정된 기준시간 중 어느 한 기준시간을 유지하는 경우 해당 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지는 내연기관의 2차 공기 제어방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 2차 공기 제어방법을 실현할 수 있는 2차 공기 제어시스템의 개략적인 구성도로서, 내연기관(2)은 흡기계통(4)과 배기계통(6)을 구비하고 있다.

상기 흡기계통(4)은 유입되는 공기를 정화하는 에어 클리너(8), 흡입 공기량을 검출하는 에어 플로워 센서(10), 흡입 공기를 제어하는 스로틀 밸브(12)를 포함하는 스로틀 보디(14), 흡입 공기를 일시적으로 저장하였다가 공급하는 서어지 탱크(16), 서어지 탱크(16)와 내연기관을 연결하는 흡기 매니폴드(18)등을 구비하여 이루어진다.

그리고 배기 계통(6)은 기관에서 배출되는 배기가 유통되는 배기 매니폴드(20), 배기가스를 정화하는 촉매를 구비하는 촉매장치(22), 배기 가스의 소음 및 냉각작용을 하는 소음장치(24)를 구비하여 이루어진다.

이러한 내연기관에 있어서, 본 발명은 상기 흡기계통(4)의 에어 클리너(8)와 배기 매니폴더(18) 사이에 상기 촉매장치(22)에 2차 공기를 공급할 수 있는 2차 공기 관로(26)를 배치하였다.

그리고 상기 2차 공기관로(26)상에는 흡기계통(4)측으로부터 배기계통(6)측으로 에어펌프(28), 첵 밸브(30), 유량제어밸브(32)를 배치하였다.

상기 에어펌프(28)와 유량 제어밸브(32)는 엔진제어유닛(ECU)에 접속되어 제어되며, 상기 엔진제어유닛(ECU)은 엔진 운전에 필요한 여러 정보를 검출하는 검출수단(34)에 접속되어 있다.

이에따라 상기 흡기계통(4)을 통해 흡입공기가 연료와 함께 공급되어 내연기관(2)의 연소실내에서 연소되어 배기 매니폴드(20)를 통해 배출되면 촉매장치(22)를 통해 정화되어 배출되는데, 이때 정화효율을 향상시키기 위하여 내연기관(2)의 운전 상태에 따라 2차 공기를 공급하게 된다.

이와같이 2차 공기를 공급함에 있어서, 본 발명은 S 피독 및 HC 피독이 이루어지는 대략 800℃ 이하의 환원(과농) 분위기에서 2차 공기를 공급함으로써, 고온 분위기에서 순간적인 산화(희박) 분위기로 만들어 주어 S 피독 및 HC 피독을 자연스럽게 제거함과 동시에 NOx 활성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

이를 위하여 엔진제어유닛(ECU)에서는 검출수단으로부터 산소센서의 정보, 수온센서의 정보, 엔진의 회전수 정보, 부스터 압력 정보등 다양한 정보를 검출하여 이들 정보에 따라 2차 공기를 제어하게 되는데, 본 발명에서는 배기계통에 배치되어 배기가스의 산소 농도를 검출하는 산소센서의 정보(과농/희박 신호 = 람다 신호)와, 배기 매니폴드에 배치되어 있는 배기가스 온도 센서(열전대)에서 검출되는 정보에 의하여 2차 공기를 제어하여 촉매장치(22)의 상류측에 공급할 수 있도록 하였다.

즉, 도 2는 본 발명에 의한 2차 공기 제어방법에 대한 작동 흐름도로서, 전자제어유닛(ECU)에서는 검출수단(34)의 산소센서와 배기가스 온도센서로부터 입력되는 정보를 검출한다(S100).

상기 S100 단계에서 검출된 정보를 비교 판단하여 배기가스의 온도가 제1 기준온도(T1 : 대략 300℃) 이하(제1 범위)라고 판단되면(S101), 2차 공기를 공급하더라도 NOx의 정화율이 향상되지 않으므로 린 스파이크(lean spike)를 실시하지 않고 현 상태를 유지하고(S111) 종료한다.

그리고 산소센서에서 검출된 신호가 람다값(λ) ≤ 1 인 상태가 제1 기준시간(t1: 15 sec) 이상 유지하고 있는 상태에서 배기가스가 제1 기준온도(T1 : 대략 300℃)와 제2 기준온도(T2 : 대략 450℃) 범위(제2 범위)내에 있다고 판단되면(S102), 고 RPM 및 고부하 상태가 아니고 배기가스의 유속도가 느린 상태이므로 제1 기준시간(t1) 마다 1회 유량제어밸브(32)를 개방하는 린 스파이크(lean spike) 제어를 실시한다(S112).

그러면, 순간적으로 2차 공기가 제1 기준시간 마다 배기 매니폴드에 유입되어 배기가스 온도를 낮추어줌으로써, 산소센서에서 측정되는 람다값은 NOx 정화율이 최대가 되도록 유지되는 것이다.

그리고 상기 S100 단계에서 검출된 신호를 비교 분석하여 산소센서에서 검출된 신호가 람다값(λ) ≤ 1 인 상태가 제2 기준시간(t2: 10 sec) 이상 유지하고 있는 상태에서 배기가스가 제2 기준온도(T2 : 대략 450℃)와 제3 기준온도(T3 : 대략 600℃) 범위(제3 범위)내에 있다고 판단되면(S103), 고 RPM 및 고부하 상태가 시작되고 배기가스 속도 및 그 양이 증가하므로 상기 제1 기준시간(t1) 보다 짧은 제2 기준시간 마다 1회 유량제어밸브(32)를 개방하는 린 스파이크(lean spike) 제어를 실시한다(S113).

그러면, 순간적으로 2차 공기가 제2 기준시간 마다 배기 매니폴드에 유입되어 배기가스 온도를 낮추어 줌으로써, 산소센서에서 측정되는 람다값은 NOx 정화율이 최대가 되도록 유지되는 것이다.

그리고 상기 S100 단계에서 검출된 신호를 비교 분석하여 산소센서에서 검출된 신호가 람다값(λ) ≤ 1 인 상태가 제3 기준시간(t3: 7 sec) 이상 유지하고 있는 상태에서 배기가스가 제3 기준온도(T3 : 대략 600℃)와 제4 기준온도(T4 : 대략 800℃) 범위(제4 범위)내에 있다고 판단되면(S104), 상기 제2 기준시간(t2) 보다 짧은 제3 기준시간 마다 1회 유량제어밸브(32)를 개방하는 린 스파이크(lean spike) 제어를 실시한다(S114).

그러면, 순간적으로 2차 공기가 제3 기준시간 마다 배기 매니폴드에 유입되어 배기가스 온도를 순간적으로 낮추어 줌으로써, 산소센서에서 측정되는 람다값은 NOx 정화율이 최대가 되도록 유지되는 것이다.

그리고 상기 S100 단계에서 검출된 신호를 비교 분석하여 배기온도 센서에서 검출되는 배기가스의 온도가 제4 기준온도( 대략 800℃) 이상(제5 범위)으로 판단되면(S105), 이의 조건에서는 농후/희박 분위기에 상관없이 피독 제거 조건이 되는 바, 린 스파이크(lean spike)를 실시하지 않고 현 상태를 유지하고(S115) 종료한다.

상기에서 제1,2,3 기준시간과 제1,2,3,4 기준온도를 한정하고 있으나, 이의 값은 적용 차량등 여러 조건에 따라 달라질 수 있음은 물론이며, 상기 기준시간이 배기온도가 상승할수록 짧아지는 것은 람다값을 유지하기 위하여는 2차 공기가 빈번하게 공급되어야 희박 분위기로 조성되기 때문이다.

또한, 상기 S111, S112, S113, S114, S115 단계의 제어 과정에서 S100 단계에서의 검출값이 달라지는 경우에는 새로운 검출값에 따라 린 스파이크 제어를 실시하게 됨은 물론이다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 제어방법에 대한 효과를 파악하기 위한 실험을 실시한 일 예를 살펴보면 도 3에서와 같다.

도3의 그래프는 상온에서 450℃로 온도를 올렸을 때 란다와 NOx 정화율 변화를 나타낸것으로서, 촉매는 Pd-only 촉매이다.

먼저, 초기 0 ~ 200 sec는 상온에서 450℃로 온도를 올리는 과정이고, 람다가 1 근처에서 온도가 450℃로 상승하자 NOx 정화율은 최대 95%까지 증가하였다.

그러나 람다가 1근처(약간 농후)에서 장시간 유지되자 시간이 지남에 따라 NOx 정화율이 80% 정도로 약 15% 정도 낮아졌으며, 이는 HC, S 피독에 기인한 것으로 판단된다.

그리고 1000sec 부근에서 2차 공기를 주기적이고, 순간적으로 유입시킨 결과 람다값은 약 1.0025 정도로 측정되고, 이때의 NOx 정화율이 증가하여 초기의 최대 정화율이 95%에 가까운 값을 나타내었다.

이러한 점에서 볼 때, 주기적이고 순간적인 2차 공기의 유입으로 배기가스 분위기를 산화(희박) 분위기로 만들고, 이의 산화 분위기에서 HC, S 피독을 제거함으로써, NOx 정화율이 최초의 최대값으로 회복시킬 수 있음을 알 수 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 고 RPM과 고부하로 갈수록 배기계통과 촉매를 보호하기 위하여 과농으로 맵핑되어 있는 것을 인위적으로 순간적인 희박 분위기를 조성하여 줌으로써, HC, S 피독을 제거함과 동시에 배기가스 정화율을 향상시켜 배기가스 규제에 대응할 수 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명이 적용되는 2차 공기공급시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 공기 제어방법의 흐름도.

도 3은 본 발명의 효과를 파악하기 위한 실험 결과 그래프.

도 4는 일반적인 삼원촉매의 특성도.

도 5는 Pd 계열 촉매의 신품과 열화품에 대한 질소 산화물 정화효율 특성도.

도6은 황 피독 및 황 피독 제거 맵(열역학 기준)이다.

Claims (6)

1. 내연기관 흡기계통의 흡입공기를 배기계통의 삼원 촉매 상류측에 2차 공기를 공급할 수 있도록 관로가 형성되고, 이의 2차 공기 관로상에 엔진제어유닛의 제어에 따라 관로를 개폐하는 유량 제어밸브가 배치되는 내연기관의 2차 공기 제어장치를 제어함에 있어서,

   상기 엔진제어유닛은 산소센서의 정보(람다:공연비)와 배기가스의 온도에 따라 유량 제어밸브를 제어하여 린 스파이크 제어를 실시하되,

   상기 산소센서에서 검출된 람다값(λ)이 1 보다 작거나 동일 상태에서 다수로 설정된 배기온도 범위가 다수로 설정된 기준시간 중 어느 한 기준시간을 유지하는 경우 해당 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지도록 함을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 배기 온도는 제1, 2, 3, 4 기준온도로 설정되어 제1 기준온도이하의 제1 범위, 제1 기준온도와 제2 기준온도 사이의 제2 범위, 제2 기준온도와 제3 기준온도 사이의 제3 범위, 제3 기준온도와 제4 기준온도 사이의 제4 범위, 제4 기준온도 이상의 제5 범위로 분리하여 그 온도 범위에 따라 각각 다른 기준시간으로 주기적이고 순간적인 유량 제어밸브의 개방제어가 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유량 제어밸브를 제어하는 기준시간은 배기가스의 기준온도가 상승할수록 짧아지게 설정함을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.
4. 내연기관 흡기계통의 흡입공기를 배기계통의 삼원 촉매 상류측에 2차 공기를 공급할 수 있도록 관로가 형성되고, 이의 2차 공기 관로상에 엔진제어유닛의 제어에 따라 관로를 개폐하는 유량 제어밸브가 배치되는 내연기관의 2차 공기 제어장치를 제어함에 있어서,

   상기 엔진제어유닛은 산소센서의 정보(람다:공연비)와 배기가스의 온도에 따라 유량 제어밸브를 제어하여 린 스파이크 제어가 이루어지도록 하되,

   상기 산소센서에서 검출된 람다값(λ)이 1 보다 작거나 동일 상태에서 배기온도가 제1 기준온도 이하를 유지하는 경우 공지의 에어플로우 제어가 이루어지도록 하는 제1 단계와;

   상기 제1 단계에서 제1 기준시간 동안 배기온도가 상기 제1 기준온도와 제2 기준온도 범위내에 있으면, 상기 제1 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지는 제2 단계와;

   상기 제1 단계에서 제2 기준시간 동안 배기온도가 상기 제2 기준온도와 제3 기준온도 범위내에 있으면, 상기 제2 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지는 제3 단계와;

   상기 제1 단계에서 제3 기준시간 동안 배기온도가 상기 제3 기준온도와 제4 기준온도 범위내에 있으면, 상기 제3 기준시간을 주기로 순간적인 린 스파이크 제어가 이루어지는 제4 단계와;

   상기 제1 단계에서 배기온도가 상기 제4 기준온도 이상이면, 공지의 에어플로우 제어가 이루어지도록 하는 제5 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.
5. 제4항에 있어서, 기준시간은 제1 기준시간 〉제2 기준시간 〉제3 기준시간 으로 설정됨을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.
6. 제4항에 있어서, 배기온도는 제1 기준온도〈 제2 기준온도〈 제3 기준온도〈 제4 기준온도로 설정됨을 특징으로 하는 내연기관의 2차 공기 제어방법.