KR101612581B1 - 촉매 변환기의 성능 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가솔린 차량의 내장형 촉매 변환기(3)의 성능을 진단하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 촉매는 차량의 배기 라인(1)에 장착되며, 상기 방법은 촉매 변환기(3)로부터 상류에 그리고 하류에 각각 배기 라인(1)에 2개의 산소 프로브(5, 6)를 배치하는 것, 그 신호(7, 6)를 분석하는 것, 그리고 촉매 변환기(3)의 수명의 제1 구간 동안 수동적 진단법을 행하기 위해 하류 프로브(6)의 신호(16)를 문턱값과 비교하고, 그 이후 촉매 변환기(3) 수명의 최종 구간 동안 촉매 변환기(3)의 산소 저장 용량을 측정함으로써 2개의 프로브(5, 6) 및 진단 자동화를 이용하여 촉매 변환기(3) 성능의 강제적 진단법을 수행하는 것인 방법에 관한 것이다.

Description

촉매 변환기의 성능 진단 방법{METHOD FOR DIAGNOSING THE PERFORMANCE OF A CATALYTIC CONVERTER}

본 발명의 분야는 가솔린 자동차의 촉매 변환기이며, 보다 구체적으로 이들 촉매 변환기의 내장형(onboard) 진단법이다.

촉매 변환기는 소음기의 상류에서 자동차의 배기 라인에 설치되는 구성요소이다. 이는 오염원 가스(HC, CO, NOx 등)의 배출을 저감시키도록 구성되는 필터이다. 보다 구체적으로, 이는, 촉매로 내측이 코팅되고 배기 가스가 통과하는 채널을 포함하는 세라믹 블록을 포함한다.

한동안 정부기관, 특히 유럽 연합의 정부기관은, 제작자로 하여금 높은 효율의 촉매 변환기를 설치하도록 하고 촉매 변환기가 에이징(aging) 됨에 따라 촉매 변환기의 성능을 진단하기 위한 내장형 진단 서비스를 제공하도록 강제하는 기준을 법제화하였다.

개입 없이 관찰을 수행하기 때문에 수동적 방법이라 불리는 진단 방법이 초기에 제안되었다. 이를 위해, 촉매 변환기의 상류 및 하류에서 배기 파이프에 각각 배치되는 2개의 산소 프로브를 구비한 시스템이 사용된다. 실제로는, 단지 하류 프로브로부터의 신호만이 관측된다. 산소 프로브는 배기 가스에 존재하는 산소 이온의 이동에 의해 발생되는 전압을 측정한다.

본 발명은 가솔린 자동차의 촉매 변환기의 내장형 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상류 프로브로부터의 신호는 사인곡선의 형상을 가지며, 엔진에 의해 취해진 혼합물의 농후도 조정을 반영하고, 이는 농후 단계(rich phase)와 희박 단계(lean phase)가 교대로 나타남으로써 진동한다. 이렇게 교대로 나타남으로써 촉매 변환기에 의해 배기 가스의 최적 변환을 달성하는 것이 가능해진다.

촉매 변환기를 최초로 사용할 때, 즉, 신규의 촉매 변환기일 때, 하류 프로브로부터의 신호는 사실상 평평한 신호이다. 점진적으로, 촉매 변환기가 에이징됨에 따라, 하류 프로브로부터의 신호는 또한 붕괴되고 변하며 점차로 증폭되어 사인곡선인 형태를 갖는다. 촉매 변환기의 서비스 수명의 종료점에서, 촉매는 더 이상 작용하지 않고, 하류 프로브로부터의 포스트 촉매 신호(post-catalytic signal)는 상류 프로브로부터의 신호와 사실상 동일하며, 단지 2개의 프로브 중 하나로부터 다른 하나까지 가스가 진행하기 위해 필요한 시간간격만큼 시간에 대해 시프트된다.

이러한 진단법은 진단된 촉매 변환기의 포스트 촉매 신호를 벤치마크용 촉매 변환기의 포스트 촉매 신호와 비교하는 것을 포함한다.

기준에서의 각각의 변화는 점점 낮은 탐지 문턱값을 부여한다.

수동적 진단 방법은 따라서 현재의 탐지 기준을 충족할 정도로 더 이상 충분히 정확하지 않다. 기준이 변함에 따라, 진단법도 또한 변경되며, 수동적 진단 방법은 가치가 하락하고, 강제적 방법(intrusive method)이라 불리는 방법으로 대체된다.

강제적 방법에 따르면, 상류 및 하류에서 2개의 산소 프로브를 계속 사용하고 그 각각의 신호를 비교하는 한편, 일련의 농후도 슬롯(richness slot)으로 산소 프로브를 자극함으로써 엔진의 작동, 이에 따른 강제적 정성자(qualifier)에서 작용한다. 각각의 자극은 특정 기간, 예컨대 3s 동안 엔진이 안정화된 이후에 더 많은 가솔린을 분사하는 것을 포함한다. 강제적 진단법은 산소 저장 능력(OSC; Oxygen Storage Capacity)을 측정하는 것에 기초한다.

정상 엔진 속도에서, 비율 Cr = {공기/(실제 연료)}/{공기/(이론당량비 연료)} = 1이다.

유발되는 자극은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상류 프로브로부터의 신호(Sa)에서, 이 경우 1보다 큰 Cr 비율을 갖는 제1 희박 슬롯(공기 과잉) 및 이 경우 1보다 작은 Cr 비율을 갖는 제2 농후 슬롯(연료 과잉)을 갖는 이중 농후도 슬롯이다. 신규 촉매 변환기일 때, 포스트 촉매 신호(Sp)는 상류 신호(Sa)의 슬롯과 실질적으로 동일하게 이중 농후도 슬롯을 재현하지만, Δt(n)의 시간 시프트를 나타낸다.

촉매 변환기의 유효 수명의 종료점에서, 농후도 슬롯 이외의 포스트 촉매 신호 부분은 또한 사인곡선이 되며 상류 신호(Sa) 부분과 사실상 동일한 반면, 자극은, 상류 신호(Sa) 부분과 실질상 동일하지만 Δt(n)보다 훨씬 작은 Δt(v)만큼 시간에 있어서 오프셋되는 이중 슬롯에 의해 포스트 촉매 신호(Sp)에서 반영된다.

이중 슬롯의 특징은 프로그램 가능한 진단 제어기의 소프트웨어에 의해 완벽하게 제어될 수 있기 때문에, 신호(Sa 및 Sp)의 곡선 중 사인곡선 부분과 달리, 강제적 진단 방법은 수동적 진단 방법보다 훨씬 더 정확하다. Δt(n)이 낮은 문턱값에 도달할 때, 경보가 발생된다.

본 출원인은 강제적 진단법의 역설적인 면을 구현한 이후에 그 발명을 제안하였다. 촉매 변환기의 기능은 오염원 가스의 배출을 저감시키는 것이다. 그러나, 강제적 진단법의 자극은 그 농후화 단계 및 희박화 단계와 함께 오염의 원인이 되며, 따라서 이는 촉매 변환기의 상태와 무관하다. 더욱이 이러한 역설은, 대부분 촉매 변환기가 신규 변환기이고 오염원을 방지할 때 자체로 나타난다.

이에 본 출원인은, 백워드 스텝(step backward)을 취하고 촉매 변환기의 서비스 수명의 제1 부분 동안 수동적 진단법을 다시 제안하기 위해, 그리고 후속하여 다시 규범적인 요건을 충족하고 촉매 변환기의 서비스 수명의 제2 부분 동안, 즉 오염 문제에 있어서 가장 중요한 부분 동안 강제적 진단법으로 넘어가기 위해, 높은 정확도를 요구하는 트렌드에 과감히 반대하였다.

드러난 역설 및 백워드 스텝의 대담함을 넘어, 본 출원인은, 기준이 점점 엄격해지기 때문에 제작자는 적어도 특정 시간 동안은 강력한 촉매 변환기를 출시해야만 한다는 사실을 본 발명의 기초로 함으로써 최종적으로 간단한 상식을 보여주었다. 이들 모두는 단지 본 발명의 진보성의 증거를 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명은 가솔린 차량의 내장형 촉매 변환기의 성능을 진단하는 방법에 관한 것으로서, 상기 촉매 변환기는 차량의 배기 라인에 장착되는 것인 방법에 있어서, 2개의 산소 프로브가 각각 촉매 변환기의 상류 및 하류에서 배기 라인에 배치되며, 그 신호는 분석되고, 하류 프로브의 신호는 촉매 변환기의 서비스 수명 중 제1 구간 동안 수동적 진단법을 행하기 위해 벤치마크 신호와 비교되며, 제1 구간을 지나 촉매 변환기의 서비스 수명 중 마지막 구간 동안에는 2개의 프로브의 도움을 받아 프로그램 가능한 진단 제어기에 의해 촉매 변환기의 산소 저장 용량을 측정함으로써 촉매 변환기의 성능에 대한 강제적 진단법이 행해지는 것인 방법에 관한 것이다.

유리하게는, 2개의 프로브로부터의 2개의 신호들 사이의 시간 시프트가 천이 문턱값보다 낮으면 수동적 진단법과 강제적 진단법 사이의 천이가 이루어지도록 사전에 결정되며, 상기 문턱값은 기준이 설정되어 있지 않기 때문에 자유롭게 결정된다.

바람직하게는, 천이 문턱값은, 예컨대 Euro 5의 현행 기준의 배출 레벨에 의해 결정된다.

본 발명에 따르면, 가솔린 자동차의 촉매 변환기의 내장형 진단 방법을 얻을 수 있다.

도 1은 가솔린 자동차의 엔진의 배기 라인을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 사실상 신규의 촉매 변환기와 관련된 프로브의 신호를 나타내는 그래프이다.
도 3은 이미 오래 사용된 것인 촉매 변환기에 대한 프로브로부터의 신호를 나타내는 그래프이다.

가솔린 자동차의 엔진의 배기 라인을 개략적으로 나타내는 도 1을 참고하면, 자동차의 배기 라인(1)은 파이프(2) 상의 촉매 변환기(3) 및 이 촉매 변환기(3) 하류의 소음기(4)를 포함한다. 산소 프로브(5, 6)는 각각 촉매 변환기(3)의 상류(5) 및 하류(6)에서 파이프(2) 상에 배치된다. 하류 프로브(6)(Sp)는 포스트 촉매 프로브(post-catalytic probe)이고, 상류 프로브(5)(Sa)는 프리 촉매 프로브(pre-catalytic probe)이다. 도 2는 사실상 신규 촉매 변환기와 관련된 프로브(Sa 및 Sp)의 신호에 대응된다. 강제적 진단 단계에서 프리 촉매 프로브(Sa)(5)로부터의 신호가 도 2에 도시되어 있다. 자극 이전에, 신호는 통상 번갈아 나타내는 농후 단계 및 희박 단계를 포함하는 사인 곡선(7)이다. 자극(8)은, 낮은 상태(10)에서의 슬롯이 후속하는, 높은 상태(9)에서의 슬롯에 의해 도시된다. 자극 이후에, 곡선은 그 사인곡선 형태를 다시 회복한다. 도 2b에 있어서, 포스트 촉매 프로브(Sp)(6)로부터의 신호의 곡선(16)은 자극(14) 전후에 사실상 평평하다. 포스트 촉매 프로브(6)로부터의 자극 슬롯(14)은 프리 촉매 프로브(5)로부터의 신호의 자극 슬롯과 실질상 동일하지만 Δt(n)만큼 시프트된다. 도 3a 및 도 3b는 2개의 프로브(5, 6)로부터의 신호(Sa, Sp)를 나타내지만, 촉매 변환기(3)는 이미 오래 사용된 것이다.

이들 도면의 곡선은 도 2a 및 도 2b의 곡선과 다음 측면에서 상이하다.

1) 자극 전후에, 포스트 촉매 프로브(6)로부터의 신호의 곡선은 프리 촉매 프로브(5)로부터의 신호의 곡선과 사실상 동일하다.

2) 포스트 촉매 프로브(6)로부터의 신호의 곡선(12)의 자극 슬롯(13)은 프리 촉매 프로브(5)로부터의 신호의 곡선의 자극 슬롯(14)에 비해 Δt(n)보다 훨씬 작은 Δt(v)만큼 시프트된다.

1 : 배기 라인
3 : 촉매 변환기
5, 6 : 산소 프로브
7, 16 : 신호

Claims (3)

1. 가솔린 차량의 내장형 촉매 변환기(3)의 성능을 진단하는 방법으로서, 상기 촉매 변환기는 차량의 배기 라인(1)에 장착되고, 2개의 산소 프로브(5, 6)가 각각 촉매 변환기(3)의 상류 및 하류에서 배기 라인(1)에 배치되며, 프로브의 신호(7, 16)가 분석되고, 하류 프로브(6)의 신호(16)는 촉매 변환기(3)의 서비스 수명 중 제1 구간 동안 수동적 진단법을 행하기 위해 벤치마크 신호와 비교되며, 제1 구간을 지나 촉매 변환기(3)의 서비스 수명 중 마지막 구간 동안에는 2개의 프로브(5, 6)의 도움을 받아 프로그램 가능한 진단 제어기에 의해 촉매 변환기(3)의 산소 저장 용량을 측정함으로써 촉매 변환기(3)의 성능에 대한 강제적 진단법이 행해지고,
   2개의 프로브(5, 6)의 2개의 신호들(7, 16) 사이의 시간 시프트가 천이 문턱값보다 낮으면 수동적 진단법과 강제적 진단법 사이의 천이가 이루어지도록 사전에 결정되는 것인 진단 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 천이 문턱값은 현행 기준의 배출 레벨에 의해 결정되는 것인 진단 방법.

Images