KR100667405B1 - 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법 - Google Patents

차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법에 관한 것으로서, (a) 전방 산소센서 및 후방 산소센서의 모니터링 개시조건을 만족하는지 판단하는 단계와; (b) 상기 (a)단계를 만족하는 경우, 연료가 소정 시간(T0) 이상 차단된 후 공급되었는지 판단하는 단계와; (c) 상기 (b)단계를 만족하는 경우, 소정 시간동안 연료량을 증량시켜 촉매의 린(lean)상태를 리치(rich)하게 전환하는 촉매 퍼지(catalyst purge) 기능을 실행하는 단계와; (d) 상기 (c)단계의 진행과 동시에, 상기 전방 산소센서 및 상기 후방 산소센서의 신호 최대값과, 공기량 적산치를 계산하는 단계와; (e) 상기 (d)단계에 이어, 상기 전방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V1)을 초과한지 판단하는 단계와; (f) 상기 (e)단계를 만족하는 경우, 상기 후방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V2) 미만인지 판단하는 단계와; (g) 상기 (e)단계의 판단조건을 만족하지 않는 경우, 상기 (c)단계로 리턴하여 상기 (c) 내지 (e)를 수행하는 단계와; (h) 상기 (f)단계를 만족하는 경우, 공기량 적산치가 설정치(M)를 초과한지 판단하는 단계와; (i) 상기 (h)단계를 만족하는 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방산소 센서의 에러를 표시하는 단계와; (j) 상기 (f)단계의 판단조건을 만족하지 않은 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방 산소센서가 정상임을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 린 투 리치(lean to rich) 구간(즉, 연료가 소정시간 차단된 후 다시 공급된 시기)에서 후방 산소센서의 고장여부를 판단하여 CARB의 요구사항에 의한 OBD(On-Board Diagnostics) 법규를 대응할 수 있다.
자동차, 산소센서, 촉매, 고장진단

Description

차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법{MONITORING METHOD OF REAR OXYGEN SENSOR FOR VEHICLE}
도 1은 종래의 차량의 후방 산소센서의 모니터링에 의해 연료량이 제어되는 원리를 설명하기 위한 그래프이고,
도 2는 본 발명에 따른 차량의 후방 산소센서 고장 모니터링 방법이 적용되는 시스템의 개략적인 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 엔진 본체 20 : 인젝터
70 : 전방 산소센서 80 : 후방 산소센서
95 : 표시부 100 : 전자제어유닛(ECU)
본 발명은, 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 촉매 퍼지 기능의 특성을 이용하여 후방 산소센서의 고장여부를 진단할 수 있는 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법에 관한 것이다.
OBD(On-Board Diagnostics) 시스템은 차량의 파워트레인 시스템(Power Train System) 중에서 배출가스에 영향을 주는 각종 부품 및 시스템에 대한 자기 고장진단 시스템이다. 이러한 OBD 시스템은 부품의 고장/비정상 작동으로 인해 배기가스가 규제치의 일정 수준을 초과하여 결함이 발생되는 경우 사전에 경고하여 대기오염을 억제시키기 위한 것으로서, 그 주요 기능 중 하나는 산소센서 모니터링이며, 이는 촉매변환장치의 전후에 각각 설치된 전방 산소센서 및 후방 산소센서의 기능 이상을 출력전압의 크기를 비교하여 판정하고 있다.
전방 산소센서 및 후방 산소센서는 배기가스의 린/리치(lean/rich) 상태를 판단하는 기능을 하는데, 특히 후방 산소센서는 촉매변환장치의 후방에 장착되어 최종 배기가스의 공연비를 감지하며, 전방 산소센서가 노후화됨에 따라 공연비가 시프트(shift)되는 특성을 보상하는 기능을 하게 된다.
이러한 산소센서의 신호에 따라 연료 분사량을 제어하는 연료량 피드백 제어를 수행하게 되는데, 그 원리를 도 1을 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 전자제어유닛(Electronic Control Unit, ECU)은 전방 산소센서 및 후방 산소센서로부터 신호를 입력받아 인젝터로 그 신호를 출력함으로써, 엔진의 연료량을 증가 또는 감소시키도록 제어한다.
전방 산소센서의 신호는 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 직접 영향을 받아 배기가스의 공연비 변화에 따라 스위칭(switching)되고, 후방 산소센서는 촉매변환장치의 후방에 위치하여 배기가스 공연비에 대한 촉매의 댐핑(damping)에 의해 도 1(a)처럼 비교적 완만한 결과를 보이게 된다.
전자제어유닛은 후방 산소센서에서 출력된 신호가 도 1(a)의 (Ⅰ)(Ⅲ)구간일 때에는 공연비가 농후(rich)하므로 도 1(b)의 (Ⅰ)(Ⅲ)처럼 엔진으로 공급되는 연료량을 감소시키도록 인젝터를 제어한다. 한편, 전자제어유닛은 연료가 차단(fuel cut off)되어 후방 산소센서의 출력된 신호가 도 1(a)의 (Ⅱ)와 같이 나타날 때에는 공연비가 희박(lean)하므로 도 1(b)의 (Ⅱ)처럼 엔진으로 공급되는 연료량을 증가시키도록 인젝터를 제어한다. 여기서, 도 2(b)에 나타난 바와 같이, 연료량이 (Ⅰ) -> (Ⅱ) 및 (Ⅱ) -> (Ⅲ) 구간으로 전환될 때 급속히 변하는 P-JUMP 구간이 있으며, 이 중 (Ⅱ) -> (Ⅲ) 구간으로 전환시 전자제어유닛은 연료량을 일정시간 더 분사시켜 P-JUMP를 딜레이하는 촉매 퍼지 (catalyst purge)기능을 수행하게 된다.
즉, 도 1(a)의 (Ⅱ)구간에서 연료가 차단되면 촉매에 다량의 공기가 들어가게 되어 그 후 주행을 시작하여 후방산소센서가 도 1(a)의 (Ⅲ)처럼 리치(rich)한 신호를 출력하더라도 촉매는 린(lean)한 상태가 유지되어 대기오염 물질인 NOx가 쉽게 발생할 수 있는 상황이 된다. 따라서, 연료가 차단된 후 다시 공급되는 시기(도 1(b)의 (Ⅱ) -> (Ⅲ))에 일정 시간 연료량을 리치(rich)하게 분사시킴으로써, 촉매의 린(lean)한 상태를 리치(rich)하게 전환하는 촉매 퍼지 기능을 작동하여 NOx의 발생률을 감소시킨다.
상기 기술한 바와 같이, 이론 공연비(λ=1) 부근에서 공연비가 제어되도록 후방 산소센서의 신호에 따라 연료량이 제어됨으로써, 엔진의 연소실에서 배출되는 유해 배기가스를 정화시키므로 후방 산소센서의 고장/오작동 여부를 판단하는 방법 이 중요하다.
이러한 종래의 후방 산소센서는 도 1(a)의 리치 투 린(rich to lean) 구간(즉, 연료가 계속 공급되다가 차단되는 시기, (Ⅰ) -> (Ⅱ))에서 후방 산소센서가 리치(rich)에서 린(lean)으로 정상적으로 변화되지 않는 경우 고장으로 진단하고 있다.
최근, OBD시스템의 규제가 강화됨에 따라 CARB(California Air Resource Bureau, 캘리포니아 대기자원국)에서 린 투 리치(lean to rich) 구간(즉, 연료가 소정시간 차단된 후 다시 공급된 시기, (Ⅱ) -> (Ⅲ))에서 후방 산소센서의 진단방법을 추가할 것을 요구하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 린 투 리치(lean to rich) 구간(즉, 연료가 소정시간 차단된 후 다시 공급된 시기)에서 후방 산소센서의 고장여부를 판단하여 CARB의 요구사항에 의한 OBD 법규를 대응할 수 있는 차량의 후방 산소센서 고장 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, (a) 전방 산소센서 및 후방 산소센서의 모니터링 개시조건을 만족하는지 판단하는 단계와; (b) 상기 (a)단계를 만족하는 경우, 연료가 소정 시간(T0) 이상 차단된 후 공급되었는지 판단하는 단계와; (c) 상기 (b)단계를 만족하는 경우, 소정 시간동안 연료량을 증량시켜 촉매의 린(lean)상태를 리치(rich)하게 전환하는 촉매 퍼지(catalyst purge) 기능을 실행하는 단계와; (d) 상기 (c)단계의 진행과 동시에, 상기 전방 산소센서 및 상기 후방 산소센서의 신호 최대값과, 공기량 적산치를 계산하는 단계와; (e) 상기 (d)단계에 이어, 상기 전방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V1)을 초과한지 판단하는 단계와; (f) 상기 (e)단계를 만족하는 경우, 상기 후방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V2) 미만인지 판단하는 단계와; (g) 상기 (e)단계의 판단조건을 만족하지 않는 경우, 상기 (c)단계로 리턴하여 상기 (c) 내지 (e)를 수행하는 단계와; (h) 상기 (f)단계를 만족하는 경우, 공기량 적산치가 설정치(M)를 초과한지 판단하는 단계와; (i) 상기 (h)단계를 만족하는 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방산소 센서의 에러를 표시하는 단계와; (j) 상기 (f)단계의 판단조건을 만족하지 않은 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방 산소센서가 정상임을 표시하는 단계에 의해 달성된다.
여기서, 상기 전방 산소센서 및 상기 후방 산소센서의 각 설정 전압값(V1, V2)은 대략 0.6V로 설정된 것이 바람직하다.
또한, 상기 공기량의 설정치(M)는 대략 2000g으로 설정된 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 차량의 후방 산소센서 고장 모니터링 방법이 적용되는 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 2를 통해 본 발명이 적 용되는 시스템의 개략적인 구성을 살펴보면, 전자제어유닛(Electronic Control Unit, 이하 ECU라고 함, 100)과, 촉매변환장치(5)의 전방 및 후방에 각각 장착되어 인젝터(20)를 통해 엔진본체(10)에서 토출된 연료와 흡기에 의해 생성된 배기가스의 신호를 ECU(100)에 출력하는 전방 산소센서(70) 및 후방 산소센서(80)와, 각 산소센서(70, 80)의 모니터링 개시조건에 기여하는 각종 센서(30, 40, 50, 60)와, ECU(100)로부터 판단된 후방 산소센서(80)의 고장여부를 사용자에게 알리기 위한 표시부(95)로 이루어진다.
이러한 구성에 의해, 후방 산소센서(80)의 고장을 모니터링하는 원리를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, ECU(100)는 각종 센서로(30, 40, 50, 60)부터의 수신된 신호를 분석하여 전방 산소센서(70) 및 후방 산소센서(80)의 모니터링 개시조건이 만족되는지 여부를 판단하게 된다(S1). 이 때, 산소센서(70, 80)의 모니터링 개시조건은 차속센서(30)에서 측정된 차속신호와, 엔진회전수 센서(40)에서 감지된 엔진RPM 신호와, 에어 플로우 센서(Air Flow Sensor, 이하 AFS라고 함, 50)에서 측정된 공기량 충진신호 및 트로틀 포지션 센서(Throttle position sensor, 이하 TPS라고 함, 60)에서 감지된 트로틀 위치신호에 따라 판단된다.
상기 산소센서(70, 80)의 모니터링 개시조건이 만족되면, 엔진본체(10)로 공급되는 연료가 소정 시간(T0) 이상 차단된 후 공급되었는지를 판단한다(S2). 이 때, 연료가 차단된 시간이 소정 시간(T0) 이상 지속되면 후방 산소센서(80)가 대략 0v 부근으로 떨어져 린(lean)한 신호를 출력하게 되고(도 1(a)의 Ⅱ), 그 후 엑셀페달을 밟아 주행을 지속함으로써 연료가 공급되면 후방 산소센서(80)의 신호가 점차 올라가 대략 5v까지 리치(rich)한 신호를 출력하게 된다(도 1(a)의 Ⅲ).
상기 (S2)단계의 조건이 만족되면, 연료가 차단된 후 공급되는 시기(도 1(b)의 Ⅱ->Ⅲ)에 촉매 퍼지(catalyst purge) 기능을 실행하여 소정 시간동안 연료량을 증량시킨다(S3). 이 때 촉매 퍼지 기능을 실행하는 이유는, 도 1(a)의 (Ⅱ)처럼 연료가 차단(fuel cut off)되면 촉매에 다량의 공기가 들어가게 되어 그 후 주행을 시작하여 후방 산소센서(80)가 도 1(a)의 (Ⅲ)처럼 리치(rich)한 신호를 출력하더라도 촉매는 유입된 공기에 의해 린(lean)한 상태가 유지되어 대기오염 물질인 NOx가 쉽게 발생할 수 있는 상황이 된다. 따라서, 연료가 차단된 후 다시 공급되는 시기(도 1(b)의 (Ⅱ) -> (Ⅲ))에 일정 시간 연료량을 리치(rich)하게 분사시킴으로써, 촉매의 린(lean)한 상태를 리치(rich)하게 전환하는 촉매 퍼지 기능을 작동하여 NOx의 발생률을 감소시킨다. 한편, 전방 산소센서(70) 및 후방 산소센서(80)의 신호 최대값과, AFS(50)에서 측정된 공기량 적산치를 계산한다(S4).
이와 같이, 촉매 퍼지 기능이 작동되면, 전방 산소센서(70)가 대략 5v 부근의 리치(rich)한 신호로 회복되고, 후방 산소센서(80) 역시 리치(rich)한 상태로 회복되어야 한다. 그러나, 후방 산소센서(80)가 고장난 경우에는 일정 시간이 지나도 대략 5v 부근의 리치(rich)한 신호를 발생시키지 못하므로 본 발명은 이러한 촉매 퍼지 기능의 특징을 이용하여 후방 산소센서(80)의 고장을 진단하는 점에 특징이 있다.
그 후, 상기 (S4)에서 계산된 전방 산소센서(70)의 신호 최대값이 설정 전압값(V1)을 초과하는지 판단하여(S5), 초과한 경우에는 이어서 후방 산소센서(80)의 신호 최대값이 설정 전압값(V2) 미만인지를 판단한다(S6). 그리고, 상기 (S5)단계의 조건을 만족하지 않는 경우에는 상기 (S3)단계로 리턴하여 상기 (S3) 내지 (S5)를 수행하도록 한다. 여기서, 전방 산소센서(70) 및 후방 산소센서(80)의 각 설정 전압값(V1)(V2)은 대략 0.6V로 설정된다.
상기 (S6)단계에서 전방 산소센서(70)는 리치(rich)한 상태로 회복되었는데도 후방 산소센서(80) 신호의 최대값이 대략 0.6V인 설정 전압값(V2) 미만(즉, 리치(rich)한 상태에 아직 도달되지 못한 상태)이라면, 후방 산소센서(80) 신호의 최대값이 미달되는 시간이 일정 시간 충분히 지났는지를 판단한다(S7). 이 때, 일정 시간을 판단하는 기준으로서, AFS(50)에서 측정된 공기량 적산치가 설정치(M)를 초과한지를 판단하여 공기량 적산치가 설정치(M)를 초과하면 일정 시간이 지난 것이고, 그렇지 않으면 일정 시간에 도달하지 못한 것으로 간주한다. 한편, 상기 (S6)단계에서 후방 산소센서(80) 신호의 최대값이 대략 0.6V인 설정 전압값(V2) 이상(즉, 리치(rich)로 회복된 상태)이라면 후방 산소센서(80)가 정상인 것으로 판단하여 촉매 퍼지 기능을 해제한 후(S10), 후방 산소센서(80)가 정상임을 표시부(95)에 표시한다(S11). 여기서, 공기량 설정치(M)은 대략 2000g으로 설정된다.
상기 (S7)단계에서 후방 산소센서(80)의 신호의 최대값이 충분한 시간 지났 음에도 대략 0.6V인 설정 전압값(V2)에 도달되지 못하면, 후방 산소센서(80)가 고장난 것으로 판단하여 촉매 퍼지기능을 해제시킨 후(S8), 사용자가 인식할 수 있도록 계기판 또는 스피커 등의 표시부(95)에 에러를 표시한 후 로직을 종료한다(S9).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 린 투 리치(lean to rich) 구간(즉, 연료가 소정시간 차단된 후 다시 공급된 시기)에 수행되는 촉매 퍼지 기능의 특성을 이용하여 후방 산소센서를 모니터링함으로써 후방 산소센서의 고장여부를 운전자에게 경고할 수 있는 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링방법을 제공한다. 따라서, CARB(California Air Resource Bureau, 캘리포니아 대기자원국)의 요구사항에 의한 OBD 법규를 대응할 수 있다.

Claims (3)

  1. (a) 전방 산소센서 및 후방 산소센서의 모니터링 개시조건을 만족하는지 판단하는 단계와;
    (b) 상기 (a)단계를 만족하는 경우, 연료가 소정 시간(T0) 이상 차단된 후 공급되었는지 판단하는 단계와;
    (c) 상기 (b)단계를 만족하는 경우, 소정 시간동안 연료량을 증량시켜 촉매의 린(lean)상태를 리치(rich)하게 전환하는 촉매 퍼지(catalyst purge) 기능을 실행하는 단계와;
    (d) 상기 (c)단계의 진행과 동시에, 상기 전방 산소센서 및 상기 후방 산소센서의 신호 최대값과, 공기량 적산치를 계산하는 단계와;
    (e) 상기 (d)단계에 이어, 상기 전방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V1)을 초과한지 판단하는 단계와;
    (f) 상기 (e)단계를 만족하는 경우, 상기 후방 산소센서의 신호 최대값이 설정 전압값(V2) 미만인지 판단하는 단계와;
    (g) 상기 (e)단계의 판단조건을 만족하지 않는 경우, 상기 (c)단계로 리턴하여 상기 (c) 내지 (e)를 수행하는 단계와;
    (h) 상기 (f)단계를 만족하는 경우, 공기량 적산치가 설정치(M)를 초과한지 판단하는 단계와;
    (i) 상기 (h)단계를 만족하는 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방산소 센서의 에러를 표시하는 단계와;
    (j) 상기 (f)단계의 판단조건을 만족하지 않은 경우, 촉매 퍼지 기능을 해제시킨 후, 상기 후방 산소센서가 정상임을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전방 산소센서 및 상기 후방 산소센서의 각 설정 전압값(V1, V2)은 대략 0.6V로 설정된 것을 특징으로 하는 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기량의 설정치(M)는 대략 2000g으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량의 후방 산소센서의 고장 모니터링 방법.
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