KR101055834B1

KR101055834B1 - 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치

Info

Publication number: KR101055834B1
Application number: KR1020080116983A
Authority: KR
Inventors: 박일수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2011-08-09
Also published as: KR20100058238A

Abstract

본 발명은 2차 연료분사량 및 분사시기를 정확하게 계산함으로써 배기 악화를 방지할 수 있는 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치는, 엔진에서 발생된 배기가스를 외부로 배출하는 배기관로 상에 장착되어 있으며 연료를 2차적으로 분사하는 인젝터와, 설정된 조건의 만족 여부에 따라 질소 산화물을 흡착 또는 탈착하는 질소 산화물 흡장 촉매를 포함하는 내연기관에 장착되어 있으며, 배기가스의 산소량(q), 현재의 람다값(λ_cur), 목표 람다값(λ_tar)을 기초로 2차분사 연료 예측량(f)을 계산하는 연료 예측량 계산 수단; 현재의 기어 단수 및 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량을 기초로 2차분사 연료 기준량을 계산하는 연료 기준량 계산 수단; 상기 2차분사 연료 예측량과 2차분사 연료 기준량을 비교하는 비교 수단; 그리고 상기 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량보다 큰 경우 상기 인젝터의 2차 연료분사를 수행하는 2차분사 제어부;를 포함할 수 있다.

연료의 2차분사, Thermal Cracking, Steam Reforming, Partial Oxidation

Description

내연기관의 2차 연료분사 제어 장치{SYSTEM FOR CONTROLLING SECONDARY FUEL INJECTION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차 연료분사량 및 분사시기를 정확하게 계산함으로써 배기 악화를 방지할 수 있는 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리한다. 그리고 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매 담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기 가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.

상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 질소 산화물 흡장 촉매(De-NOx catalyst)가 있다. 질소 산화물 흡장 촉매는 배기 가 스가 린(lean)할 때 질소 산화물을 흡착하고 배기 가스 내의 산소 농도가 낮아지면 흡착된 질소 산화물을 탈착하여 배기가스 내에 포함된 탄화수소 또는 일산화 탄소를 산화시킴으로써 배기가스 내에 포함된 유해물질을 줄인다.

한편, 상기와 같은 질소 산화물 흡장 촉매가 장착된 내연기관의 경우, 질소 산화물 흡장 촉매에 흡착된 질소 산화물의 양이 많은 경우, 연료의 추가적인 분사를 통해 배기가스 내의 산소 농도를 임의적으로 낮춤으로써 질소 산화물을 탈착시킨다. 이를 질소 산화물 흡장 촉매의 재생이라고 한다.

이러한 질소 산화물 흡장 촉매의 재생을 위한 연료의 추가적인 분사는 크게 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 엔진 내에 추가적인 인젝터를 장착하여 연료의 추가분사를 수행하거나, 배기 관로 상에 추가적인 인젝터를 장착하여 연료의 추가분사를 수행하는 것이다. 여기에서는, 후자를 2차 연료분사라고 한다.

종래의 질소 산화물 흡장 촉매의 재생 방법으로는 주로 엔진에 장착된 인젝터를 통하여 연료를 추가적으로 분사하는 방식을 이용하였다. 따라서, 엔진에 장착된 인젝터를 통한 연료의 추가 분사 제어 방법에 대하여는 많은 연구 결과가 존재한다. 그러나, 상기 방법에 의하면 엔진에서 질소 산화물 흡장 촉매까지의 거리가 멀고 그 사이에 부가적인 촉매 및 장치들이 장착되어 있으므로 여러 가지 보정 팩터를 사용하게 되었으며, 이는 연료의 추가 분사 시점의 정확한 제어가 힘들게 하는 주요 요인이 되었다.

한편, 2차 연료분사를 통항 질소 산화물 흡장 촉매의 재생은 주기적으로 진행되었으며, 이 또한 연료의 추가 분사 시점이 정확하게 제어되지 못하였고, 연비 가 악화되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 질소 산화물 흡장 촉매를 포함하는 내연기관에서 2차 연료분사량 및 연료분사시기를 정확히 예측함으로써 배기 및 연비가 향상된 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치는, 엔진에서 발생된 배기가스를 외부로 배출하는 배기관로 상에 장착되어 있으며 연료를 2차적으로 분사하는 인젝터와, 설정된 조건의 만족 여부에 따라 질소 산화물을 흡착 또는 탈착하는 질소 산화물 흡장 촉매를 포함하는 내연기관에 장착되어 있으며, 배기가스의 산소량(q), 현재의 람다값(λ_cur), 목표 람다값(λ_tar)을 기초로 2차분사 연료 예측량(f)을 계산하는 연료 예측량 계산 수단; 현재의 기어 단수 및 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량을 기초로 2차분사 연료 기준량을 계산하는 연료 기준량 계산 수단; 상기 2차분사 연료 예측량과 2차분사 연료 기준량을 비교하는 비교 수단; 그리고 상기 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량보다 큰 경우 상기 인젝터의 2차 연료분사를 수행하는 2차분사 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 2차분사 연료 예측량(f)은, 의 식으로부터 계산될 수 있다.

상기 2차분사 연료 기준량은 현재의 기어 단수와 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량에 따라 미리 설정되어 있을 수 있다.

상기 인젝터의 2차 연료분사량은 상기 2차분사 연료 기준량과 상기 2차분사 연료 예측량의 차이에 따라 결정될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 질소 산화물 흡장 촉매를 포함하는 내연기관에서 2차 연료분사량 및 연료분사시기를 정확히 예측함으로써 배기 및 연비가 향상될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치가 설치되는 내연기관의 일 예를 보인 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치가 설치되는 내연기관은 엔진(10), 배기관로(20), 디젤 매연 필터(Diesel Particulate Filter; DPF)(30), 질소산화물 흡장 촉매(De-NOx Catalyst)(40), 그리고 제어부(50)를 포함한다.

엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계 적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(도시하지 않음)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 배기 매니폴드(16)에 연결되어 연소 과정에서 발생된 배기가스는 배기 매니폴드(16)에 모인 후 차량의 외부로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 제1인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.

여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그가 장착된다.

배기관로(20)는 상기 배기 매니폴드(16)에 연결되어 배기가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기관로(20) 상에는 디젤 매연 필터(30)와 질소산화물 흡장 촉매(40)가 장착되어 배기가스 내에 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 그리고 질소 산화물 등을 제거한다.

디젤 매연 필터(30)는 배기관로(20)를 통하여 배출되는 배기가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Materials; PM)을 포집한다. 또한, 상기 디젤 매연 필터(30)의 전단부에는 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)(32)가 코팅되어 배기가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시키며, 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킨다. 여기에서는, 디젤 산화 촉매(32)가 디젤 매연 필터(30)의 전당부에 코팅되어 있는 것을 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 디젤 산화 촉매(32)가 디젤 매연 필터(30)의 전 영역에 코팅되어 있을 수도 있고, 일정 영역에 많이 코팅되어 있을 수 있다.

한편, 상기 디젤 매연 필터(30)의 전단부와 후단부에는 차압센서(55)가 장착 되어 있다. 차압센서(55)는 상기 디젤 매연 필터(30)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다. 상기 제어부(50)는 상기 차압센서(55)에서 측정된 압력 차이가 설정값 이상인 경우 상기 디젤 매연 필터(30)를 재생하도록 제어할 수 있고, 이 경우 상기 제1인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 디젤 매연 필터(30) 내부에 포집된 수트(soot)를 연소시킬 수 있다.

상기 디젤 매연 필터(30)의 후방으로 상기 배기관로(20) 상에는 산소센서(60)와 제2인젝터(70)가 장착되어 있다.

산소센서(60)는 실제 공연비와 이론 공연비의 비율인 현재의 람다값(λ; 공기과잉률)을 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어부(50)에 전달한다.

제2인젝터(70)는 상기 제어부(50)에 전기적으로 연결되어 제어부(50)의 제어에 따라 배기관로(20) 내에 2차 연료분사를 수행한다.

질소산화물 흡장 촉매(40)는 상기 제2인젝터(70)의 후방으로 상기 배기관로(20) 상에 장착되어 설정된 조건의 만족 여부에 따라 질소산화물을 흡착 또는 탈착한다.

상기 질소산화물 흡장 촉매(40)의 전단부에는 디젤 연료분해 촉매(Diesel Fuel Cracking catalyst; DFC)(42)가 코팅되어 있으며, 그 후단부로 환원제 발생 촉매(41)가 코팅되어 있다.

상기 디젤 연료분해 촉매(42)는 연료를 촉매 반응을 통해 탄소원소의 체인 고리를 끊어 분해시킨다. 즉, 디젤 연료분해 촉매(42)는 연료를 분해하는 Thermal Cracking 기능을 통해 연료의 주성분인 탄화수소 화합물을 구성하는 탄소의 연결 고리를 끊어 분해하게 된다.

Thermal Cracking은 하기와 같은 절차를 거쳐 진행되게 된다.

C₁₆H₃₄ → 2n-C₈H17* → n-C₆H₁₃* → n-C₄H₉* → C₂H₅* → C₂H₄

C₁₆H₃₄ → 8C₂H₄ + H₂

여기서, *는 라디칼을 의미한다.

상기와 같이 분해된 연료는 상기 환원제 발생 촉매(41)에 의하여 하기의Steam Reforming 과정과 Partial Oxidation 과정을 거쳐 반응성이 큰 일산화탄소와 짧은 체인의 탄화수소 및 수소 등의 환원제로 변환된다.

Steam Reforming:

C₁₆H₃₄ + 16H₂O ↔ 16CO + 33H₂

Partial Oxidation:

C₁₆H₃₄ + 1/2O₂ → 8C₂H₄ + H₂O

C₁₆H₃₄ + 8O₂ → 16CO + 17H₂

상기 질소산화물 흡장 촉매(40)는 배기가스가 린(lean)할 때에는 배기가스 내의 질소산화물을 흡착시키고, 배기가스가 리치(rich)할 때에는 흡착된 질소산화물을 탈착시킨다. 이와 같이 탈착된 질소산화물은 일산화탄소 또는 탄화수소를 이산화탄소로 산화시킴과 동시에 자신은 질소기체로 환원된다.

또한, 상기 질소산화물 흡장 촉매(40)의 전방 또는 후방에는 질소 흡장량 센서(65)가 장착되어 질소산화물 흡장 촉매(40)에 흡착된 질소산화물의 양을 검출하고 이에 대한 신호를 제어부(50)에 전달한다. 한편, 질소 흡장량 센서(65)를 사용하는 대신, 실험값에 의하여 정해진 맵으로부터 질소산화물의 흡장량을 예측할 수도 있다.

제어부(50)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍된 것일 수 있다. 상기 제어부(50)는 각 센서들(60, 65)에서 검출된 신호들을 기초로 제2인젝터(70)에서 분사되는 2차 연료분사량 및 연료분사시기를 제어한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치의 구성 및 제어 흐름을 보인 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치는 검출부(100), 연료 예측량 계산 수단(200), 연료 기준량 계산 수단(300), 비교 수단(400), 그리고 2차분사 제어부(500)를 포함한다.

검출부(100)는 산소센서(60)와 질소 흡장량 센서(65)를 포함하며, 다음과 같 은 과정을 진행한다.

먼저, 산소센서(60)를 이용하여 배기가스의 산소량을 측정하고(S1), 현재의 람다값(λ_cur)을 측정하며(S2), 목표 람다값(λ_tar)을 읽어온다(S3).

배기가스의 산소량은 다음의 식에 의하여 계산되고, 현재의 람다값(λ_cur)은 산소센서(60)에서 측정되며, 목표 람다값(λ_tar)은 최적의 질소 산화물의 환원 반응률 및 황화수소 생성 방지 등을 고려하여 미리 설정되어 있다.

배기가스의 산소량 = 배기가스량 * 배기가스 내의 산소 비율

= (1 - 1/λ)/{1/0.21 + (1/λ)/3.045}

그 후, 현재 동기되어 있는 기어 단수를 읽어 오고(S4), 질소 산화물 흡장량을 측정한다(S5). 현재 동기되어 있는 기어 단수는 변속기 제어 유닛(도시하지 않음)으로부터 관련된 신호를 전달 받으며, 질소 산화물 흡장량은 질소 흡장량 센서(65)가 측정하거나 실험값에 의하여 정해진 맵으로부터 예측한다.

상기와 같이 제어 변수들이 측정되면, 연료 예측량 계산 수단(200)은 상기 배기가스의 산소량(q), 현재의 람다값(λ_cur), 그리고 목표 람다값(λ_tar)을 기초로 2차분사 연료 예측량(f)을 계산한다(S6).

또한, 연료 기준량 계산 수단(300)은 현재 동기되어 있는 기어 단수와 질소 산화물 흡장 촉매(40)에 흡장된 질소 산화물 흡장량을 기초로 2차분사 연료 기준량 을 계산한다. 상기 2차분사 연료 기준량은 현재의 기어 단수와 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량에 따라 미리 설정되어 있을 수 있다. [표 1]은 이러한 2차분사 연료 기준량의 일 예를 나타낸다.

[표 1] (단위: mg/s)

흡장량 기어 단수	50% 이하	50~70%	70% 이상
1	-	-	50
2	6	8	12
3	8	9	15
4	-	9	15
5	-	15	25
N(중립)	-	-	45

위의 표에서 '-'는 연료의 2차분사를 하지 않는 것을 의미한다.

2차분사 연료 예측량과 2차분사 연료 기준량이 계산되면, 비교 수단(400)이 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량보다 큰 지를 판단한다(S8).

만일 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량 이하라면, 연료의 2차분사를 하지 않는다.

만일 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량보다 크다면, 2차분사 제어부(500)는 제2인젝터(70)를 작동시켜 연료의 2차분사를 수행한다(S9).

한편, 상기 S1~S9 단계는 엔진(10)이 작동중인 경우에는 계속하여 반복적으로 수행된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims

엔진에서 발생된 배기가스를 외부로 배출하는 배기관로 상에 장착되어 있으며 연료를 2차적으로 분사하는 인젝터와, 설정된 조건의 만족 여부에 따라 질소 산화물을 흡착 또는 탈착하는 질소 산화물 흡장 촉매를 포함하는 내연기관에 있어서,

배기가스의 산소량(q), 현재의 람다값(λ_cur), 목표 람다값(λ_tar)을 기초로 2차분사 연료 예측량(f)을 계산하는 연료 예측량 계산 수단;

현재의 기어 단수 및 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량을 기초로 2차분사 연료 기준량을 계산하는 연료 기준량 계산 수단;

상기 2차분사 연료 예측량과 2차분사 연료 기준량을 비교하는 비교 수단; 그리고

상기 2차분사 연료 기준량이 2차분사 연료 예측량보다 큰 경우 상기 인젝터의 2차 연료분사를 수행하는 2차분사 제어부;

를 포함하는 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 2차분사 연료 기준량은 현재의 기어 단수와 질소 산화물 흡장 촉매에 흡장된 질소 산화물(NOx) 흡장량에 따라 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치.
제 1항에 있어서,

상기 인젝터의 2차 연료분사량은 상기 2차분사 연료 기준량과 상기 2차분사 연료 예측량의 차이에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 2차 연료분사 제어 장치.