KR101480566B1 - 자동차의 촉매 열화도 진단 방법 - Google Patents

자동차의 촉매 열화도 진단 방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 가솔린 엔진의 촉매 퍼지 기능을 이용하여 촉매의 열화도를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 발명에 따른 자동차의 촉매 열화도 진단 방법은, 연료차단 기간 동안 촉매의 열화로 인하여 축소된 산소저장능력에 따른 촉매 퍼지 연료량을 적산하고, 상기 적산된 촉매 퍼지 연료량을 이용하여 상기 촉매 열화도를 진단하는 것을 개시한다.
촉매, 열화, 촉매퍼지, 가솔린 엔진

Description

자동차의 촉매 열화도 진단 방법 및 장치 {diagnosing method and apparatus of catalyst deterioration of a car}
이 발명은 자동차의 촉매 열화도 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가솔린 엔진의 촉매 퍼지 기능을 이용하여 촉매의 열화도를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재의 자동차용 원동기로 사용하는 가솔린 기관을 비롯한 내연기관은 연료를 실린더 안에서 연소시켜 이때 발생되는 열에너지를 동력으로 이용한다.
따라서, 자동차에서 배출되는 배기가스에는 연소에 따른 질소산화물(NOx), 불완전 연소로 인한 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC) 등 유해한 성분이 함유되어 있다. 이러한 배기가스에 의한 대기 오염은 오늘날 커다란 사회문제로 되어 있으며, 그에 대한 대책이 강구되고 있다.
이러한 배기가스에 대한 대책의 일환으로 자동차에는 배기가스 중의 유해성분을 정화하는 촉매가 설치되어 있다. 촉매는 배기가스가 리치할 경우 흡착되어 있는 산 소를 방출하여 배기가스 중의 유해물질을 산화시켜 배기가스를 저감시킨다.
촉매의 정상작동 여부를 판단하는 기본적인 방법은 촉매의 산소저장능력(OSC)이라는 특징을 이용하는 것이다.
도 1은 일반적인 촉매 열화도 진단 장치를 도시한 도면이다.
이 촉매 열화도 진단 장치는 촉매(11)의 전방에 설치되어 연소실에서 배출되는 배기가스 중에 포함되어 있는 산소농도를 검출하는 업스트림(upstream) 산소센서(12)와, 촉매(11)의 후방에 설치되어 촉매(11)에서 정화된 배기가스 중에 포함되어 있는 산소농도를 검출하는 다운스트림(downstream) 산소센서(13)와, 업스트림 산소센서(12)와 다운스트림 산소센서(13)의 신호를 이용하여 촉매 열화도를 계산하는 전자제어유닛(14)을 구비한다.
아울러, 촉매의 정화 효율을 향상시키기 위해서는 정밀한 공연비 제어가 필요한데, 전자제어유닛(14)은 업스트림 산소센서(12)와 다운스트림 산소센서(13)에서 출력되는 신호를 분석하여 현재의 연료량에 대한 린(Lean) 혹은 리치(Rich) 여부를 판정한 후 그에 따라 공연비를 제어한다.
전자제어유닛(14)은 자동차의 부분부하 운전조건 중 진단 기준을 만족하는 운전영역에서, 촉매의 전방에 설치된 업스트림 산소센서(12)와 촉매의 후방에 설치된 다운스트림 산소센서(13)의 출력값을 일정한 사이클(cycle)동안 비교하여 촉매의 열화도를 계산한다. 종래에 촉매 열화도 진단의 가장 큰 변수는 다운스트림 산소센서(13)의 출력값의 안정성이다.
도 2는 촉매 열화도에 따른 다운스트림 산소센서의 출력신호의 상관관계를 도시한 도면이다.
즉, 촉매 열화도가 클수록 촉매의 산소저장능력(OSC)이 축소되어 다운스트림 산소센서 출력값의 안정성이 떨어진다.
그러나 이러한 종래의 촉매 열화도 진단방법은 공연비 트림 학습의 영향 때문에 촉매 열화도를 정확하게 진단하기 곤란하다. 이 공연비 트림 학습은 촉매 열화도에 따른 방출시험(emission test) 편차를 축소하기 위한 것으로서, 이 공연비 트림 학습에 의해 목표 공연비가 엔진의 운전영역별로 달라지고 이에 따라 다운스트림 산소센서의 출력값이 영향을 받게 된다. 즉, 다운스트림 산소센서의 출력값의 안정성이 엔진의 운전영역별로 큰 편차를 나타낸다.
이러한 종래의 촉매 열화도 진단방법은 정상적인 촉매를 열화상태로 진단하여 엔진 경고등을 점등함으로써 고객의 불만을 야기할 수 있고, 열화된 촉매를 정상으로 진단하여 IN USE 법규 위반 상황을 야기할 수 있는 문제점이 있다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 목적은, 자동차 운전영역의 차이나 연소환경에 의한 영향을 받지 않고 촉매의 열화도를 정확하게 측정하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 자동차의 촉매 열화도 진단 방법은, 자동차의 촉매 열화도를 진단하는 방법에 있어서, 운전자로부터 가속페달의 답력이 발생하지 않고, 전자제어유닛에 의해 연료가 차단되는 연료 차단 기간 동안, 축소된 산소저장능력에 다른 촉매 퍼지 연료량을 적산하고, 촉매의 후방에 설치된 다운스트림 산소센서가 출력하는 출력값을 이용하여 엔진의 공연비를 제어하고 촉매 퍼지 구간에 분사된 누적 촉매 퍼지 연료량을 이용하여 상기 촉매 열화도를 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 누적 촉매 퍼지 연료량과 촉매 열화도가 반비례하는 것을 특징으로 한다.
이 발명에 따르면 촉매 퍼지 로직을 이용하여 촉매의 산소저장능력(OSC)을 계산하고 촉매의 열화도를 측정하기 때문에 자동차의 운전영역의 특성 차이 및 연소 환경에 의한 영향없이 자동차 촉매의 열화도를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 이 발명에 따른 자동차의 촉매 열화도 진단 방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 이 발명에서 활용하고자 하는 촉매 퍼지 기능을 설명하기 위하여 도시한 도면으로서, 다운스트림 산소센서에서 출력되는 신호를 이용하여 공연비를 제어하는 과정을 설명한다.
전자제어유닛은 다운스트림 산소센서의 출력값이 도 3 (a)의 (I)(III) 구간일 때에는 공연비가 리치(rich)하므로 도 3 (b)의 (I)(III)처럼 엔진으로 공급되는 연료량을 감소시키도록 인젝터를 제어한다. 한편, 운전자가 가속 의지가 없어 가속페달에서 발을 떼면 전자제어유닛은 연료가 차단(fuel cut off)되도록 제어하여 다운스트림 산소센서의 출력값이 도 3 (a)의 (II)와 같이 나타날 때에는 공연비가 린(lean)하므로 도 3 (b)의 (II)처럼 엔진으로 공급되는 연료량을 증가시키도록 인젝터를 제어한다.
여기서, 도 3 (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 이론 공연비 이상의 리치(rich)한 연료량을 일정시간 분사시켜 P-JUMP를 딜레이하는 촉매 퍼지(catalyst purge) 기능을 수행하게 된다.
즉, 도 3 (a)의 (Ⅱ)구간에서 연료가 차단되면 촉매에 다량의 공기가 들어가게 되는데, 그 후 주행을 시작하여 다운스트림 산소센서가 도 3 (a)의 (Ⅲ)처럼 리치(rich)한 신호를 출력하더라도 촉매는 린(lean)한 상태를 유지하여 대기오염 물질인 질소산화물(NOx)이 쉽게 발생할 수 있는 상황이 된다. 따라서, 연료가 차단된 후 다시 공급되는 시기(도 3 (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 질소산화물(NOx)의 발생률을 감소시킨다. 이 촉매 퍼지 기능이 수행되는 촉매 퍼지 구간에 분사되는 촉매 퍼지 연료량은 촉매에 저장된 산소량에 비례한다. 이 발명은 이러한 촉매 퍼지 연료량을 이용하여 촉매 열화도 를 진단한다.
도 4는 촉매 열화도에 따른 촉매 퍼지 구간을 도시한 그래프이다.
촉매 열화도가 작은 정상 촉매의 경우, 산소저장능력(OSC)이 우수하고 연료 차단(fuel cut) 기간 동안 촉매 내에 저장되는 산소량이 많다. 그렇기 때문에 연료 차단(fuel cut)된 후 촉매에 저장되어 있는 산소를 제거하기 위한 촉매 퍼지 연료량이 많다.
한편, 촉매의 열화가 진행됨에 따라 촉매의 산소저장능력(OSC)은 축소되고, 연료차단(fuel cut) 기간 동안 촉매 내에 저장될 수 있는 산소량도 축소된다. 그렇기 때문에 연료 차단(fuel cut) 후 촉매에 저장되어 있는 산소를 제거하기 위하여 수행되는 촉매 퍼지 연료량도 축소된다.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 자동차의 촉매 열화도 진단 방법을 도시한 동작 흐름도이다.
냉각수 온도와 촉매 온도가 각각 설정된 값을 초과하면(S51), 연료차단(flue cut)하고 연료차단 진입시간이 설정된 시간을 초과하면 촉매 퍼지 기능이 수행되는지 판단한다(S53).
촉매 퍼지 기능이 수행되면 촉매 퍼지 구간의 분사 연료량을 계산 및 적산한다(S54). 촉매 퍼지 기능이 종료되면(S55), 적산된 촉매 퍼지 연료량을 촉매 진단 테이블에 적용하여 촉매 진단 지수를 산출한다(S56). 즉, 촉매 퍼지 구간에 분사된 적산된 촉매 퍼지 연료량이 기 설정된 값보다 작으면 촉매가 열화된 것을 판단한다.
도 1은 일반적인 촉매 열화도 진단 장치를 도시한 도면,
도 2는 촉매 열화도에 따른 다운스트림 산소센서의 출력신호의 상관관계를 도시한 도면,
도 3은 이 발명에서 활용하고자 하는 촉매 퍼지 기능을 설명하기 위하여 도시한 도면,
도 4는 촉매 열화도에 따른 촉매 퍼지 구간을 도시한 그래프,
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 자동차의 촉매 열화도 진단 방법을 도시한 동작 흐름도이다

Claims (3)

  1. 자동차의 촉매 열화도를 진단하는 방법에 있어서,
    운전자로부터 가속페달의 답력이 발생하지 않고, 전자제어유닛에 의해 연료가 차단되는 연료 차단 기간 동안, 축소된 산소저장능력에 다른 촉매 퍼지 연료량을 적산하고,
    촉매의 후방에 설치된 다운스트림 산소센서가 출력하는 출력값을 이용하여 엔진의 공연비를 제어하고 촉매 퍼지 구간에 분사된 누적 촉매 퍼지 연료량을 이용하여 상기 촉매 열화도를 진단하는 것을 특징으로 하는 자동차의 촉매 열화도 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 누적 촉매 퍼지 연료량과 촉매 열화도가 반비례하는 것을 특징으로 하는 자동차의 촉매 열화도 진단 방법.
  3. 삭제
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