KR100777934B1 - 배기 가스 온도에 대한 상이한 요구 조건들의 코디네이션 및 상응하는 가열 또는 냉각 방법 - Google Patents

배기 가스 온도에 대한 상이한 요구 조건들의 코디네이션 및 상응하는 가열 또는 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법이 제시되며, 상기 방법에서는, 온도 요구에 따라 배기 가스 온도 상승, 배기 가스 온도 제한 또는 배기 가스 온도 강하를 위한 조치들이 실시될 수 있으며, 상기 온도 요구들은 우선 순위를 갖는데, 이때 부품 보호를 위해 온도 제한이 최고의 우선 순위를 갖고, 최종 온도 요구는 가열 조치 또는 냉각 조치들이 동시에 적용되지 않도록 가열 조치 또는 냉각 조치들에 의해 실시된다.
가열 조치, 냉각 조치, 점화의 지연 조절, 작동점, 모델화

Description

배기 가스 온도에 대한 상이한 요구 조건들의 코디네이션 및 상응하는 가열 또는 냉각 방법{Co-ordination of different requirements of the exhaust gas temperature and corresponding heating or cooling measures}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법에 관한 것이다.
내연 기관을 포함하는 자동차의 경우, 배기 가스 시스템 내의 부품의 열 과부하를 방지하기 위해, 배기 가스 분기(branch) 내의 촉매 변환기의 작동 온도에 이르거나 또는 상기 작동 온도를 유지하기 위해 또는 질소 산화물 저장 촉매 변환기를 저장된 황을 배출할 수 있을 정도의 높은 온도로 만들기 위해, 배기 가스 온도는 일정한 온도 범위로 유지되어야 한다.
배기 가스 분기 내의 촉매 변환기를 가열하기 위해, 점화 시점은 종종 지연된다. 이로써 연소는 더 이상 최적으로 진행되지 않는다. 모멘트가 동일하게 발생되는 경우, 배기 가스 온도는 더 높아진다.
배기 가스 시스템 내의 부품의 열 과부하는 일반적으로 하기의 조정에 의해 방지된다:
가장 지연된 점화각은 내연 기관의 작동점에 의존하여 제한된다. 상기 점화각은 예를 들어 엔진에 의한 촉매 변환기의 가열을 위해, 또는 신속한 제어기 조정을 위한 모멘트 지속(Vorhat)을 위해 최대 회전 모멘트 및 효율을 위한 최적의 점화각보다 더 지연될 수 있다.
상기 점화를 일시적으로 지연하기 위해서는 연소 한계만이 결정적이다. 계속해서 점화가 지연될 경우, 배기 매니폴드 내의 온도가 임계 온도에 아직 이르지 않는 점화각이 최대로 허용된다. 이러한 지연 한계는 내연 기관의 작동 상태에 의해서만 결정된다. 작동 상태는 예컨대 공기 충전, 엔진 출력 및 엔진 속도에 대한 값으로 규정된다.
상기 조정은 특히 부분 부하 범위와 관련된다. 조정은 부품 보호를 위한 수동적 제한으로서 간주될 수 있다.
열 과부하를 방지하기 위한 다른 조정 가능성은 배기 가스 시스템 내에서 모델화되거나 또는 측정된 온도에 의존하는 혼합기의 농후화이다.
상기 모델화된/측정된 배기 가스 시스템 내의 온도가 임계를 넘어서면, 농후 엔진 작동이 요구된다.
과잉 연료의 증발 엔탈피에 의해 배기 가스가 냉각된다. 이러한 조정은 특히 완전 부하에 가까운 작동점에 관련된다. 상기 조정은 능동적 조정으로서 간주될 수 있다.
시동 직후 가열 단계 동안, 점화각의 제한은 부품을 충분히 보호한다: 배기 가스 매니폴드는 아직 차갑다. 따라서, 배기 가스 온도가 단시간에 너무 높아질 때에도, 열적 손상은 감소될 수 있다. 질소 산화물-저장 촉매 변환기를 포함하는 희박 작동 엔진의 경우(예컨대 가솔린 직접 분사식 엔진), 질소 산화물 저장 촉매 변환기는 주기적으로 탈황되어야 한다. 이를 위해 질소 산화물 저장 촉매 변환기는 작동 동안 600℃ 이상의 온도로 가열되어야 한다. 부분 부하 범위에서 배기 가스 분기의 임계 온도가 도달될 수 있다.
이와 달리, 질소 산화물 저장 촉매 변환기가 200℃ 내지 450℃의 온도 범위 내에 있으면, 희박 엔진 작동만이 가능하다. 보통 상기 배기 가스 시스템은 상기 온도가 넓은 작동 범위에 걸쳐서 보장되도록 설계된다. 따라서 배기 가스 냉각을 위한 조치가 필요할 수 있다. 가장 간단한 변형예는, 배기 가스 분기에 공기를 유입시키고 대류를 통한 열손실을 높이는 데에 있다.
시동 직후의 가열 단계 동안 점화각의 제한은 부품을 충분히 보호한다: 배기 가스 매니폴드는 아직 차갑다. 따라서, 배기 가스 온도가 단시간에 너무 높아지면, 열 손상(themal damage)은 배제될 수 있다. 질소 산화물 저장 촉매 변환기의 탈황을 위해서, 상기 저장 촉매 변환기는 보통의 엔진 작동 중 600℃ 이상의 온도로 가열되어야 한다. 부분 부하시 배기 가스 분기 내의 임계 온도가 도달될 수 있다. 질소 산화물 저장 촉매 변환기를 위한 상기 냉각 조치를 통해, 상기 문제들이 더 심각해질 수 있다. 질소 산화물 저장 촉매 변환기의 상류에 배치된 부품들은 그 임계 온도에 근접할 수 있다.
종래의 개념에서, 배기 가스 온도의 제한을 목적으로 하는 부품 보호를 위한 조정 및, 배기 가스 온도의 상승을 목적으로 하는 촉매 변환기의 가열을 위한 조정은 서로 무관하다.
이는 가열 조치가, 배기 가스 냉각을 위한 조치를 야기시킬 수 있기 때문에 문제가 된다. 예컨대 지연 점화각으로 인해 공기 연료 혼합물이 농후화될 때, 임계 온도가 점화각의 제한으로 인해 얻어질 수 없는 경우 비효율이 발생한다. 또한, 방출은 불필요하게 악화된다.
질소 산화물 저장 촉매 변환기의 작동 온도를 넓은 작동 범위에 걸쳐 유지하기 위해, 다른 능동적 배기 가스 냉각 조치가 취해질 수 있다(밸브에 의한 배기 가스 분기로의 제어 가능한 유동, 열교환기에 의한 배기 가스의 우회). 상기 냉각 조치는 농후화를 불필요하게 할 수 있다.
본 발명의 목적은 배기 가스 가열 조치 및 배기 가스 냉각 조치에 기인한 비효율을 방지하는 데에 있다.
상기 목적은, 온도 요구에 따라 배기 가스 온도 상승, 배기 가스 온도 제한 또는 배기 가스 온도 강하를 위한 조치들이 실시될 수 있는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법에 있어서, 상기 온도 요구들은 우선 순위를 갖는데, 이때 부품 보호를 위한 온도 제한은 최고의 우선 순위를 갖고, 최종 온도 요구는 가열 조치 및 냉각 조치가 동시에 적용되지 않도록 가열 조치 또는 냉각 조치에 의해 실시된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 촉매 변환기의 탈황을 위한 온도 요구가 촉매 변환기의 정상 작동을 위한 온도 요구보다 더 높은 우선 순위를 갖는다.
다른 실시예는 점화의 지연 조절이 가열 조치인 것을 특징으로 하며, 가장 지연된 점화각은 내연 기관의 작동점에 의존하여 제한된다.
다른 실시예에 따라 작동 상태는 적어도, 공기 충전, 회전수 및/또는 엔진 출력에 대한 값에 의해 규정된다.
다른 실시예에서는 냉각 조치로서, 배기 가스 시스템 내에서 모델화되거나 또는 측정된 온도에 의존해서 혼합기가 농후화된다.
본 발명의 범주에서, 배기 가스 온도 및/또는 촉매 변환기의 온도는 측정될 수 있거나 또는 엔진의 작동값으로부터 모델화될 수 있다.
본 발명은 또한상기 실시예에 따른 방법을 실시하기 위한 전자 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 상이한 온도 요구들이 코디네이트된다(coordinated). 예컨대 하기의 이유로부터 온도 요구들이 나타난다:
질소 산화물 저장 촉매 변환기의 탈황을 위한 온도 상승의 요구.
부품 보호를 위한 온도 제한의 요구.
3원 촉매 변환기의 작동을 위한 온도 상승의 요구.
질소 산화물 저장 촉매 변환기의 작동을 위한 온도 상승 또는 온도 제한의 요구.
상기 온도 요구들은 본 발명에 따라 우선 순위를 갖는다: 부품 보호를 위한 온도 제한은 항상 보장되어야 한다. 이와 달리, 상기 질소 산화물 저장 촉매 변환기가 탈황되어야 하거나 또는 희박 작동이 필요하지 않은 경우에는, 질소 산화물 저장 촉매 변환기의 작동을 위한 상기 온도 요구들은 중요치 않다.
초종 온도 요구는 가열 조치 또는 냉각 조치에 의해 충족된다.
상기 코디네이션에 의해, 가열 조치와 냉각 조치가 동시에 적용되지 않는 것이 보장된다.
하기에서는 본 발명의 실시예가 도면에 의해 설명된다.
도 1은 본 발명의 기술적 환경을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 흐름도.
도 1에는 내연 기관의 실린더의 연소실(1)이 도시된다. 연소실로의 공기 유입은 유입 밸브(2)에 의해 제어된다. 공기는 흡입관(3)을 통해 흡입된다. 흡입 공기량은 스로틀 밸브(4)에 의해서 변동될 수 있으며, 상기 스로틀 밸브는 제어 장치(5)에 의해 제어된다. 상기 제어 장치에는 운전자의 회전 모멘트 요구에 대한, 즉 가속 페달(6)의 위치에 대한 신호, 속도 센서(7)로부터의 엔진 속도(n)에 대한 신호, 공기량 센서(8)로부터의 흡입된 공기량(ml)에 대한 신호, 배기 가스 센서(12)로부터의 배기 가스 조성 및/또는 배기 가스 온도에 대한 신호(Us)가 제공된다. 상기 배기 가스 센서(12)는 예컨대 람다 프로브(lambda probe)일 수 있으며, 상기 람다 프로브의 네른스트(Nernst) 전압은 배기 가스 내의 산소 함량을 나타내고 상기 람다 프로브의 내부 저항은 프로브 온도, 배기 가스 온도 및/또는 촉매 변환기 온도에 대한 척도로서 사용된다. 배기 가스는 적어도 하나의 촉매 변환기(15)를 통해서 안내되고, 상기 촉매 변환기 내에서는 배기 가스로부터 나온 유해 물질이 변환되고 및/또는 일시적으로 저장된다.
상기 입력 신호들 및 경우에 따라서 흡입 공기 온도 및 냉각제 온도 등과 같은 내연 기관의 다른 파라미터에 대한 다른 입력 신호들로부터, 상기 제어 장치(5)는 액츄에이터(actuator)(9)를 통해 스로틀 밸브각(α)을 조정하기 위해 그리고 엔진의 연소실 내로 연료를 도우징(조량)하는 연료 분사 밸브(10)를 제어하기 위해 출력 신호를 형성한다. 또한, 점화 장치(11)에 의한 점화의 트리거는 상기 제어 장치를 통해 제어된다.
상기 스로틀 밸브각(α) 및 분사 펄스폭(ti)은, 원하는 회전 모멘트, 배기 가스 조성물 및 배기 가스 온도를 구현하기 위한, 실질적으로 서로 매칭되는 조절값들이다. 상기 값들을 제어하기 위한 실질적인 다른 조절값은 피스톤 운동에 대한 점화각 위치이다. 회전 모멘트를 조정하기 위한 조절값을 결정하는 것은 DE 1 98 51 990의 대상이며, 상기 간행물은 본 발명의 내용에 포함된다.
또한, 제어 장치는 연소실 내의 연료 공기 혼합물이 효율적인 연소에 도달하기 위한 다른 기능들, 예컨대 도시되지 않은 배기 가스 재순환 및/또는 탱크 환기와 같은 기능들을 제어한다. 상기 연소로 인한 가스력(gas force)은 피스톤(13) 및 크랭크 샤프트(14)를 통해 회전 모멘트로 변환된다.
상기 기술적 환경에서 촉매 변환기 온도는 측정될 수 있거나(센서 16, 17) 또는 엔진의 작동값으로부터 모델화될 수 있다. 내연 기관의 배기 가스 매니폴드 내의 온도의 모델화는 예컨대 US 5 590 521에 공지되어 있다. 촉매 변환기 내 또는 앞의 위치와 달리, BDE 시스템에는 예비 촉매 변환기 뒤 그러나 질소 산화물 저장 촉매 변환기 앞의 위치가 더 선호된다. 따라서 온도 센서들의 위치는 도시된, 촉매 변환기 내 또는 앞의 위치에 국한되지 않는다. 따라서, 촉매 변환기 뒤의 위치도 사용된다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예로서 흐름도를 도시한다. 상위 엔진 제어 프로그램으로부터 도달되는 단계 2.1에서는 배기 가스 온도 또는 촉매 변환기 온도가 최대 허용 값(Tmax)과 비교된다. 상기 임계값 비교는 과열로부터 부품을 보호하는데 이용된다. 따라서 상기 임계값 비교는 가장 높은 우선 순위를 갖는다. 상기 배기 가스 온도 또는 촉매 변환기 온도가 최대 허용 값을 초과하면, 단계 2.5에서는 경우에 따라 활성화된 가열 조치의 비활성화 및 냉각 조치의 활성화가 이루어진다. 상기 냉각 조치의 필수적인 활성화에 대한 대안으로, 가열 조치의 비활성화 후, 부품 보호를 보장하기 위해서 추가 냉각 조치가 필요한지 여부 또는 가열 조치의 비활성화가 이미 충분한지 여부가 검사된다. 이러한 경우에 단계 2.6은 스킵되며(skipped), 엔진 제어를 위한 주프로그램으로 직접 재분기된다. 규정된 조건들의 충족 후, 예컨대 대시 시간 종료 후 상기 단계로부터 재차 단계 2.1로 분기된다. 단계 2.1에서의 질문이 부정이 되면, 단계 2.2에서는 상기에 언급된 우선 순위 기준에 따라 온도 목표값(Tsoll)이 결정된다. 이어서 단계 2.3에서는 측정에 의해 또는 작동 파라미터로부터 계산에 의해 온도 실제값(Tist)이 결정된다. 측정을 위해, 별도의 센서가 배기 가스 내에서 촉매 변환기 앞 또는 뒤 또는 촉매 변환기 내에 제공될 수 있다. 그러나 온도값은 예를 들어 온도에 의존하는, 배기 가스 프로브(12)의 내부 저항으로부터 얻어질 수도 있다. 단계 2.4는 목표 온도와 실제 온도를 비교하는데 이용된다. 실제 온도가 너무 높을 경우, 가열 조치가 활성화되었었다면 단계 2.5에서 상기 조치는 비활성화되며 단계 2.6에서는 하나 이상의 냉각 조치가 후속할 수 있다. 여기서도 목표 온도에 도달하기 위해, 가열 조치의 비활성화가 이미 충분했었는지 여부가 냉각 조치의 활성화 전에 검사될 수 있다. 단계 2.7은 상위 엔진 제어 프로그램으로의 복귀를 나타낸다. 이와 달리 단계 2.4에서 실제 온도(Tist)가 목표 온도(Tsoll)를 초과하지 않으면, 단계 2.8에서는 경우에 따라 냉각 조치가 비활성화되며 단계 2.9에서는 필요하다면 가열 조치가 활성화될 수 있다. 온도 목표값에 도달하기 위해, 냉각 조치의 비활성화가 이미 충분했다면, 가열 조치의 활성화는 중단될 수 있다. 어떤 경우에도 단계 2.7에서는 상위 엔진 제어 프로그램(메인프로그램)으로의 복귀가 이루어진다.
상기 방법에 의해, 예컨대 촉매 변환기의 탈황을 위한 온도 요구를 위해 하기의 과정이 이루어진다:
탈황을 위한 온도 요구가 생기면, 상기 요구 조건은 지연 점화(낮은 효율)에 의해 충족된다. 배기 가스 시스템 내의 온도가 임계값에 이르면, 상기 온도의 제한은 부품 보호를 위해 필요하다. 즉, 상기 제한을 위해 우선 점화 시점은 다시 최적으로 이동된다(개선된 효율). 이는 가열 조치의 비활성화에 어느 정도 상응한다. 활성 가열 조치가 더 이상 일어나지 않을 때에야(가장 유리한 효율), 활성 냉각 조치가 적용된다. 배기 가스 매니폴드의 공기 냉각을 제어할 수 있는 한, 상기 공기 냉각이 우선 적용된다(대안: 열 교환기를 통한 배기 가스의 우회). 최종 조치로서 공기 연료 혼합물이 농후화된다. 따라서 방출 및 연료 소비는 가능한 작게 유지될 수 있다.
상기 과정은 배기 가스 온도의 양호한 모델화를 전제로 한다. 최상의 결과는 배기 가스 온도를 직접 측정함으로써 얻어질 수 있다.

Claims (8)

  1. 온도 요구에 따라 배기 가스 온도 상승, 배기 가스 온도 제한 또는 배기 가스 온도 강하를 위한 조치들이 실시될 수 있는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법에 있어서,
    상기 온도 요구들은 우선 순위를 갖는데, 부품 보호를 위한 온도 제한이 최고의 우선 순위를 갖고, 최종 온도 요구는 가열 조치 및 냉각 조치가 동시에 적용되지 않도록 가열 조치만 또는 냉각 조치만에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 촉매 변환기의 탈황을 위한 온도 요구는 상기 촉매 변환기의 정상 작동을 위한 온도 요구보다 더 높은 우선 순위를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 가열 조치로서 점화의 지연 조절이 이루어지며, 가장 지연된 점화각은 내연 기관의 작동점에 의존해서 제한되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내연 기관의 작동점은 적어도 공기 충전, 회전수 또는 엔진 출력에 대한 값에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 냉각 조치로서, 상기 내연 기관의 배기 가스 시스템 내에서 모델화된 또는 측정된 온도에 의존해서, 공기-연료 혼합물의 농후화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스 온도 또는 촉매 변환기의 온도가 측정되거나 또는 엔진의 작동값으로부터 모델화되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 전자 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 가스 온도 및 촉매 변환기의 온도가 측정되거나 또는 엔진의 작동값으로부터 모델화되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 가스 온도 제어 방법.
KR1020027005642A 2000-09-04 2001-08-30 배기 가스 온도에 대한 상이한 요구 조건들의 코디네이션 및 상응하는 가열 또는 냉각 방법 KR100777934B1 (ko)

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