KR101405180B1 - 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 전방과 후방을 연결하는 바이 패스 라인 및 선택적으로 배기가스가 상기 촉매 컨버터를 우회하여 배출되도록 상기 촉매컨버터 전방에 구비된 바이 패스 밸브를 포함한다.
촉매, 촉매 손상 방지 장치, 배기가스,

Description

촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법{DAMAGE PREVENTING DEVICE FOR CATALYST AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 차단시 배기 가스가 촉매 컨버터를 우회하여 배출되도록 함으로써 촉매의 손상을 방지하고, 정화 효율을 높일 수 있는 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
최근 연비를 개선키 위해 엔진의 운전 상태에 따라 연료 차단(Fuel Cut) 구간을 늘리려는 노력이 계속되어 왔다.
그러나, 이러한 연료 차단(Fuel Cut) 구간이 늘어날수록 질소산화물(NOx Emission)이 증가하게 되고, Fuel Cut구간에서 공기가 촉매에 직접 공급 됨으로써, 촉매의 열화에 영향을 미쳐 촉매에 손상이 가는 경우가 종종 발생하게 된다.
질소산화물의 증가 이유는 촉매에 희박연료 공급 시 (Lean 상태) 산소저장물질(Oxygen Storage Capacity, 이하 OSC)이 산소를 흡착하는 량 및 시간에 한계가 있으며, 정상적인 촉매는 Slightly lean 상태에서 6~10초가량 산소를 흡착하고, 이후에는 산소를 더 이상 흡착할 수 없게 되기 때문이다.
Fuel Cut 구간 이후 다시 정상 운행상태로 돌아왔을 때, Lean/Rich 상태가 반복되며 배기가스가 촉매에 공급이 되지만, OSC물질에 산소가 포화 흡착된 상태로, 촉매는 Lean 상태, 즉, HC/CO만 산화시키는 상태가 되어, NOx가 환원되는 Rich 상태에 도달하는데 시간이 걸림으로써, 질소산화물(NOx Emission)이 증가하게 된다.
즉, 일반적인 삼원촉매 반응에서 촉매장치에서의 정화 반응은,
Lean 상태에서,
HC/CO + O2 반응, 즉 산화반응을 하고, OSC가 O2 를 일부 포집하며, 잉여 HC/CO 는 HC/CO + NOx 환원반응을 통해 정화된다.
RICH 상태에서,
HC/CO + NOx 반응, 즉, 환원반응을 하고, OSC가 O2 를 배출하며, 잉여 HC/CO 는 HC/CO + O2 반응, 즉 산화반응을 통해 정화된다.
도3은 공연비에 따른 배기 가스의 정화효율을 나타낸 그래프로, 가로선은 이상적인 공연비(A/R ratio)에 대한 실제 입력되는 공연비의 비를 무차원화한 값이다.
실제 엔진의 작동은 위의 두 가지 상태 (Lean/Rich)가 계속 반복되어, 산화/환원작용이 동시에 일어나게 된다.
즉, 도3에 도시된 바와 같이, RICH 상태가 지속될 경우, NOx 는 환원이 계속 이루어 지나, HC/CO를 산화시킬 산소가 부족하여 HC/CO 과다 배출되고, LEAN 상태 가 지속될 경우, HC/CO는 산화가 계속 이루어 지나, NOx 를 환원시킬 HC/CO가 부족하게 되어 NOx 과다 배출된다.
여기서, 상기 OSC는 촉매가 LEAN 상태에서 산소를 포집하고 있으면서, NOx 가 HC/CO와 더 잘 반응할 수 있도록 도와주고, 촉매가 RICH 상태에서는 산소를 배출하여 HC/CO가 O2 와 잘 반응할 수 있도록 도와준다.
FUEL CUT구간은 공기가 100% 촉매로 들어가므로, 촉매에 LEAN 상태가 지속되며, OSC물질은 LEAN 상태에서 산소를 흡착할 수 있는 한계가 있어 OSC물질이 산소를 100% 흡착한 상태에서는 NOx환원 작용이 어렵고, 이를 보상키 위해서는 FUEL CUT 직후에 공연비를 강제적으로 강하 (ENRICHMENT) 시켜주어야 하며, 이는 연비에 악영향을 미친다.
또한, 촉매가 녹는 현상이 자주 발견되는데, 이는 촉매장치가 1400℃이상 고온에 노출되었을 경우 촉매 담체가 융화되고, 촉매 컨버터가 막혀 가속성능 저하 또는 시동 불량 등이 일어나거나, 녹은 촉매 덩어리가 엔진으로 역류하여 엔진 파손에까지 이를 수 있다.
이러한 현상은 연소실 실화 (miss firing)로 미연소 가스가 그대로 촉매로 공급되어, lean 상태에서 촉매에서 발화가 발생되어 생길 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 촉매의 손상을 방지하고, 정화 효율을 높일 수 있는 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 촉매 손상 방지 장치는 촉매 컨버터, 상기 촉매 컨버터의 전방과 후방을 연결하는 바이 패스 라인 및 선택적으로 배기가스가 상기 촉매 컨버터를 우회하여 배출되도록 상기 촉매컨버터 전방에 구비된 바이 패스 밸브를 포함할 수 있다.
상기 촉매 손상 방지 장치는, ECU, 상기 촉매 컨버터 전방에 위치하는 전방 산소 센서 및 상기 촉매 컨버터 후방에 위치하는 후방 산소 센서를 더 포함하되, 상기 ECU는 연료 공급 차단 신호, 상기 전방 산소 센서 및 상기 후방 산소 센서에서 입력되는 신호를 기준으로 상기 바이 패스 밸브를 선택적으로 열고, 상기 촉매 컨버터를 차단할 수 있다.
상기 ECU는 연료 공급 차단 신호가 발생하면, 설정된 시간 동안 지연된 이후에 상기 바이 패스 밸브를 선택적으로 차단할 수 있다.
상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 손상 방지 제어방법은 연료 차단 신호 검출 단계, 설정된 시간 지연 후 촉매 컨버터를 우회하여 배기 가스가 배출되도록 바이 패스 밸브를 열고, 상기 촉매 컨버터를 차단하는 단계, 연료 공급 신호 검출 단계 및 상기 바이 패스 밸브를 여는 단계를 포함할 수 있다.
상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간으로 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 촉매 손상 방지 장치 및 그 제어방법에 의하면, 촉매의 손상을 방지할 수 있고, 정화 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 촉매 손상 방지 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 손상 방지 장치(10)는 촉매 컨버터(20), 상기 촉매 컨버터(20)의 전방과 후방을 연결하는 바이 패스 라인(30) 및 선택적으로 배기가스가 상기 촉매 컨버터(10)를 우회하여 배출되도록 상기 촉매컨버터(10) 전방에 구비된 바이 패스 밸브(40)를 포함할 수 있다.
상기 촉매 손상 방지 장치(10)는, ECU, 상기 촉매 컨버터(20) 전방에 위치하는 전방 산소 센서(50) 및 상기 촉매 컨버터(20) 후방에 위치하는 후방 산소 센서(60)를 더 포함하며, 상기 ECU는 연료 공급 차단 신호, 상기 전방 산소 센서(50) 및 상기 후방 산소 센서(60)에서 입력되는 신호를 기준으로 상기 바이 패스 밸브(40)를 선택적으로 열고, 상기 촉매 컨버터(20)를 차단할 수 있다.
일반적인 엔진 운전 상태에서 상기 ECU는 미도시한 엔진 작동 상태 검출 센서, 즉, 가속 페달 검출 센서, 엔진 회전수 센서, 엔진 오일 온도 센서, 차속 센서 등으로부터 엔진의 작동 상태를 검출하고, 또한 전방 산소 센서(50) 및 상기 후방 산소 센서(60)에서 입력되는 신호를 기준으로 공연비를 제어한다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 ECU의 제어를 통해 RICH/LEAN 상태를 반복하여 배기가스의 정화 효율을 극대화 하며 이러한 RICH/LEAN 상태를 반복은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 전방 산소 센서(50)는 엔진에서 배출되는 배기가스의 산소함유량을 검출하게 되고, 상기 후방 산소 센서(60)는 상기 촉매 컨버터(20)에서 정화된 배기가스의 산소함유량을 검출하며, 상기 ECU는 상기 후방 산소 센서(60)에서 검출되는 배기가스의 산소함유량이 일정한 범위로 유지되도록 제어하게 된다.
상기 ECU가 엔진의 동작 상태를 판단하여 정속 상태 등 연료를 차단(FUEL CUT)하는 신호를 발생하게 되면, 이후 설정된 시간만큼 지연 후에 상기 바이 패스 밸브(40)를 차단하게 된다.
상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간으로 할 수 있다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 촉매 손상 방지 제어방법을 도시한 플로우챠트이다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매 손상 방지 제어방법은 연료 차단 신호 검출 단계(S10), 설정된 시간 지연 후(S20) 촉매 컨버터를 우회하여 배기 가스가 배출되도록 바이 패스 밸브를 열고, 상기 촉매 컨버터를 차단하는 단계(S30), 연료 공급 신호 검출 단계(S40) 및 상기 바이 패스 밸브를 닫고 상기 촉매 컨버터를 여는 단계(S50)를 포함한다.
상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간으로 할 수 있다.
즉, 상기 설정된 시간 동안 지연시켜 상기 촉매 컨버터(20)에 구비된 OSC가 일정한 양의 산소를 흡착하게 되고, 이후에 상기 바이 패스 밸브(40)를 열고 상기 촉매 컨버터(20)를 차단하여 공기가 상기 촉매 컨버터(20)로 유입되는 것을 방지한다.
이때, 상기 바이 패스 라인(30)을 통과하는 배기가스는 연료가 공급되지도 않고 연소도 일어나지 않은 공기 상태로, 그대로 대기로 배출된다.
다시 차량 상태에 따라 연료가 공급되면(Fuel open), 상기 바이 패스 밸브(40)가 닫혀 정상적인 정화과정을 거치게 되며, 산소가 OSC에 포화된 상태가 아니기 때문에 일반적인 촉매 컨버터 장치와 같이 공연비를 강제적으로 강하 (ENRICHMENT)할 필요가 없고 연료 절약이 가능하다.
또한, lean 상태의 공기가 우회하여 배출되므로, 연소실 실화 (miss firing)에 의해 lean 상태에서 촉매에서 발화되는 현상을 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 촉매 손상 방지 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 촉매 손상 방지 제어방법을 도시한 플로우챠트이다.
도3은 공연비에 따른 배기 가스의 정화효율을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 촉매 손상 방지 장치 20: 촉매 컨버터
30: 바이 패스 라인 40: 바이 패스 밸브
50: 전방 산소 센서 60: 후방 산소 센서

Claims (6)

  1. 촉매 컨버터;
    상기 촉매 컨버터의 전방과 후방을 연결하는 바이 패스 라인; 및
    선택적으로 배기가스가 상기 촉매 컨버터를 우회하여 배출되도록 상기 촉매컨버터 전방에 구비된 바이 패스 밸브;
    를 포함하며,
    상기 촉매 손상 방지 장치는,
    ECU;
    상기 촉매 컨버터 전방에 위치하는 전방 산소 센서; 및
    상기 촉매 컨버터 후방에 위치하는 후방 산소 센서;
    를 더 포함하되,
    상기 ECU는 연료 공급 차단 신호, 상기 전방 산소 센서 및 상기 후방 산소 센서에서 입력되는 신호를 기준으로 상기 바이 패스 밸브를 선택적으로 열고, 상기 촉매 컨버터를 차단하되,
    상기 ECU는 연료 공급 차단 신호가 발생하면, 설정된 시간 동안 지연된 이후에 상기 바이 패스 밸브를 선택적으로 열고 상기 촉매 컨버터를 차단하는 것을 특징으로 하는 촉매 손상 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간인 것을 특징으로 하는 촉매 손상 방지 장치.
  5. 제1항에 따른 촉매 손상 방지 장치의 제어방법에 있어서,
    연료 차단 신호 검출 단계;
    설정된 시간 지연 후 촉매 컨버터를 우회하여 배기 가스가 배출되도록 바이 패스 밸브를 열고 상기 촉매 컨버터를 차단하는 단계;
    연료 공급 신호 검출 단계; 및
    상기 바이 패스 밸브를 닫고 상기 촉매 컨버터를 여는 단계;
    를 포함하는 촉매 손상 방지 제어방법.
  6. 제5항에서,
    상기 설정된 시간은 촉매 용량과 산소 저장 성능에 따른 산소 저장 시간 학습치를 촉매에 공기 공급시의 산소 저장 시간으로 환산한 시간으로 하는 촉매 손상 방지 제어방법.
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