KR101683988B1 - 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축천연가스 엔진의 후단 및 삼원촉매(TWC)의 후단에 각각 제1 산소센서 및 제2 산소센서가 설치된 압축천연가스 차량의 공연비를 제어하는 방법으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 상기 제1 산소센서 및 제2 산소센서의 출력전압을 통하여 상기 압축천연가스 엔진 및 삼원촉매의 정상 여부를 판단함과 동시에, 삼원촉매의 노화 여부를 판단하여 상기 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

압축천연가스 엔진 공연비 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING AIR FUEL RATIO OF CNG ENGINE}
본 발명은 압축천연가스 엔진의 공연비 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압축천연가스 엔진의 공연비를 제어하여, 압축천연가스 엔진에 사용되는 삼원촉매가 최대 활성을 갖도록 함으로써, 배기가스의 정화효율을 향상시키고 삼원촉매의 수명을 향상시킬 수 있는 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법에 과한 것이다.
천연가스 자동차는 연료 공급방식에 따라 CNG와 LNG로 구분할 수 있으며 CNG는 고압용기에 약 200기압으로 압축된 가스를 저장하여 사용하며 LNG는 -130℃ 내외의 초저온 연료를 자동차 연료로 공급한다.
CNG(Compressed Natural Gas ; 압축천연가스)는 넓게는 천연으로 지중에서 산출하는 가스를 말하지만, 보통 탄화수소를 주성분으로 하는 가연성가스를 가리킨다.
CNG의 종류로는 유전지대에서 나오는 유전가스, 탄전지대에서 나오는 탄전가스, 석유나 석탄의 성인과는 관계없이 물에 녹아 존재하는 수용성가스로 대별된다. 탄전가스, 수용성 가스는 메탄을 주성분으로 하고, 이산화탄소, 산소, 질소 등을 함유하지만 상온에서는 가압하여도 액화하지 않으므로 드라이 가스라고 하며, 유전가스는 메탄 외에 프로판, 부탄 등을 함유하고 가압하면 상온에서 액화하므로 웨트가스라고 불린다.
이러한, CNG를 차량의 연료로 사용할 경우에 가격이 싸고 경제성이 뛰어나며 혼합기가 가스 상태로 공기와 혼합되어 실린더로 들어감으로써 그 상태가 균일하고 이론 공기혼합비에 가까운 값에서 완전 연소되기 때문에 연소의 효율이 높으며 엔진이 조용할 뿐만 아니라, 연소속도가 가솔린보다 느리고 옥탄가가 높으므로 노킹현상이 없다는 장점이 있다.
또한, CNG 엔진은 경제성이 뛰어나며 연료비, 엔진오일 주입비, 엔진수명 등이 가솔린에 비해 탁월하며, 비점이 낮기 때문에 실린더 내에서 완전히 기화되어 오일을 묽게 만들지 않으며, 카본이 잘 생기지 않는다.
또한, 첨가제를 사용하지 않으므로 카본이나 회분에 의해 오일을 더럽히는 일이 없고 유황성분이 거의 없어 배기가스로 인한 금속 부식현상이 일어나지 않는다.
그래서, 대기오염이 적고 위생적이며 유독성 물질인 CO의 함량이 적어 배기가스의 냄새가 거의 없고 연기도 거의 없다는 장점이 있다.
그러나, 천연가스 자동차의 장점은 미연 메탄(CH4) 배출로 인해 상당부분 상쇄되고 있다. 메탄은 잠재적인 온실가스 물질로서 수명이 매우 길고 이산화탄소보다 그 효과가 매우 크다.
이러한, 압축천연가스 엔진에는 삼원촉매(TWC)를 적용하여 배기가스를 정화시키고 있으나, 압축천연가스의 연료 특성상 리치(Rich) 조건에서는 일산화탄소, 메탄 및 질소산화물 등의 오염물질이 정상적으로 제거되나 린(Lean) 영역 즉, 람다(Lambda, λ)가 1.02 이상인 경우, 삼원촉매의 성능이 저하된다.
도 1은 저귀금속 삼원촉매의 노화에 따른 공연비와 정화성능과의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 2는 고귀금속 삼원촉매의 노화에 따른 공연비와 정화성능과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 삼원촉매는 초기 공연비 즉,람다가 1.00에서 최대 활성을 보이나, 노화함에 따라 람다가 0.99에서 최대 활성을 나타낸다.
따라서, 유럽에서 시행되고 있는 유로 6와 같은 강화된 배출규제에 대응할 수 있도록, 촉매가 항시 최대 활성을 나타내어 배기가스의 정화효율을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
종래, 엔진의 배기파이프와 삼원촉매 변환장치의 후단에 산소센서를 각각 장착하여, 산소센서에서 검출된 배기가스에 따라 엔진의 공연비를 제어하는 배기가스의 정화효율을 향상시키는 장치에 대해서는 "차량의 엔진 공연비 제어장치 (20-1999-0025889)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.
그러나, 촉매가 노화됨에 따라 성능이 저하되는 문제에 대해서는 전혀 고려되지 않아, 촉매 노화에 따라 배기가스의 정화효율이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
공개실용신안 20-1999-0025889 (1999. 07. 15.)
본 발명은 압축천연가스 엔진에 설치된 삼원촉매의 수명을 증가시키면서, 압축천연가스 엔진의 배기가스 정화효율을 향상시킬 수 있는 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법을 제공한다.
또한, 삼원촉매의 노화여부 및 교체시기 판단이 용이한 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법을 제공한다.
본 발명은 압축천연가스 엔진의 후단 및 삼원촉매(TWC)의 후단에 각각 제1 산소센서 및 제2 산소센서가 설치된 압축천연가스 차량의 공연비를 제어하는 방법으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 상기 제1 산소센서 및 제2 산소센서의 출력전압을 통하여 상기 압축천연가스 엔진 및 삼원촉매의 정상 여부를 판단함과 동시에, 삼원촉매의 노화 여부를 판단하여 상기 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 상기 제1 산소센서의 출력전압을 측정하는 단계; 상기 제1 산소센서의 출력전압과 사전에 설정된 제1 기준값을 비교하여 상기 압축천연가스 엔진의 정상 작동여부를 판단하는 단계; 상기 제2 산소센서의 출력전압을 측정하는 단계; 상기 제2 산소센서의 출력전압이 사전에 설정된 기준범위와 비교하여 상기 삼원촉매의 정상 여부를 판단하는 단계; 상기 제2 산소센서의 출력전압을 사전에 설정된 제2 기준값과 비교하여 상기 삼원촉매의 노화 여부를 판단하는 단계; 및 상기 삼원촉매의 노화 여부에 따라 상기 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 산소센서는 Linear 타입 산소센서이고, 상기 제2 산소센서는 Binary 타입 산소센서를 사용하는 것이 바람직하다.
천연가스 엔진이 0.95 ~1.05 범위의 람다 값으로 운전되는 경우, 압축천연가스 엔진의 정상 여부를 판단하는 과정에서, 상기 제1 기준 범위는 -2mV ~ 0.5mV이고, 상기 제1 산소센서의 출력전압이 상기 제1 기준 범위 미만이나 이상인 경우, 압축천연가스 엔진에 이상이 발생되었다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 삼원촉매의 정상 여부를 판단하는 단계에서, 상기 기준범위는 0.75V~0.87V이고, 상기 제2 산소센서의 출력전압이 상기 기준범위에 포함되는 경우, 상기 삼원촉매가 정상이라고 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 삼원촉매의 노화 여부를 판단하는 단계에서, 상기 제2 기준 범위는 0.67V ~ 0.75V이고, 상기 제2 산소센서의 출력전압이 상기 기준범위에 포함되는 경우, 상기 삼원촉매가 노화되었다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 공연비를 조절하는 단계는, 상기 제2 기준 범위는 0.67V ~ 0.75V이고, 상기 제2 산소센서의 출력전압이 상기 기준범위에 포함되는 경우, 상기 압축천연가스 엔진의 공연비가 0.99가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1,2 산소센서의 출력전압을 통하여 압축천연가스 엔진 및 삼원촉매의 이상 여부를 용이하게 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 삼원촉매의 노화가 진행되어 배기가스의 정화효율이 저하되면, 삼원촉매가 최대 활성을 갖도록 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절함으로써, 삼원촉매의 수명 및 정화효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 삼원촉매의 교체시기 판단을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 저귀금속 삼원촉매의 노화에 따른 공연비와 정화성능과의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 2는 고귀금속 삼원촉매의 노화에 따른 공연비와 정화성능과의 관계를 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 2 산소센서의 배치를 보여주는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법을 도시한 흐름도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 산소센서 및 제2 산소센서의 람다 값에 따른 출력전압 변화를 나타낸 도면이고,
도 6는 정상 삼원촉매 및 이상이 발생된 삼원촉매의 전후단 람다 값의 거동을 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되거나, 당업자에게 자명하다고 판단되는 내용은 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1, 2 산소센서의 배치를 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 산소센서(30)는 압축천연가스 엔진(10)의 후단에 배치되며, 제2 산소센서(40)는 삼원촉매(TWC, 20)의 후단에 각각 배치된다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 제1, 2 산소센서(30, 40)의 출력전압을 측정함으로써, 압축천연가스 엔진(10) 및 삼원촉매(20)의 이상 발생여부를 용이하게 판단할 수 있으며 이상 여부 판단하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 삼원촉매(20)의 노화여부를 판단하고, 삼원촉매(20)에 노화가 발생된 경우 노화된 삼원촉매(20)가 최대 활성을 갖도록 압축천연가스 엔진(10)의 공연비를 조절하여 배기가스 정화효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 제1 산소센서(30)의 출력전압을 측정하는 단계, 압축천연가스 엔진(10)의 정상 여부를 판단하는 단계, 제2 산소센서(40)의 출력전압을 측정하는 단계, 삼원촉매(20)의 정상 여부를 판단하는 단계, 삼원촉매(20)의 노화 여부를 판단하는 단계 및 삼원촉매(20)의 노화 여부에 따라 압축천연가스 엔진(10)의 공연비를 조절하는 단계를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 산소센서 및 제2 산소센서의 람다 값에 따른 출력전압 변화를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 산소센서(30)는 Linear 타입 산소센서를 사용하고, 제2 산소센서(40)는 Binary 타입 산소센서를 사용하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, Binary 타입 산소센서는 일반적으로 압축천연가스 엔진(10)에 사용되는 삼원촉매(20)의 최대활성을 나타내는 공연비 즉, 람다값 1.00을 기준으로 그 출력전압이 급변하여 삼원촉매(20)의 노화 여부 판단이 용이할 수 있기 때문이다.
Linear 타입 산소센서인 제1 산소센서(30)의 출력전압이 제어부(50)로 전송되면, 압축천연가스 엔진(10)의 정상 여부를 판단하는 단계는 제어부(50)에 사전에 설정된 제1 기준값과 제1 산소센서(30)의 출력전압을 비교하여 압축천연가스 엔진(10)의 정상작동 여부를 판단한다.
이때, 제1 기준 범위는 -2mV ~ 0.5mV이며, 압축천연가스 엔진(10)에 이상이 발생되어 후단에서의 제1 산소센서(30)의 출력전압이 제1 기준 범위 미만이나 이상인 경우, 압축천연가스 엔진(10)에 이상이 발생되었다고 판단하고 작업을 종료하고, 압축천연가스 엔진(10)의 유지 및 보수를 실시한다.
제1 산소센서(30)의 출력전압이 제1 기준값 이상으로 측정되어 압축천연가스 엔진(10)이 정상이라고 판단되면, 제2 산소센서(40)의 출력전압을 측정한다.
제2 산소센서(40)의 출력전압이 제어부(50)에 입력되면 삼원촉매(20)의 정상 여부를 판단하는 단계에서, 제어부(50)는 사전에 설정된 기준범위와 제2 산소센서(40)의 출력전압을 비교하여 삼원촉매(20)의 정상여부를 판단하게 된다.
도 6(a)는 정상 삼원촉매의 전후단 람다 값의 거동을 보여주는 도면이며, 도 6(b)는 이상이 발생된 삼원촉매의 전후단 람다 값의 거동을 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 정상 삼원촉매(20)의 경우 삼원촉매(20)의 전단의 람다 값은 일정 진폭을 나타내며 삼원촉매(20)를 통과한 이후 그 진폭이 감소되지만, 삼원촉매(20)에 이상이 발생되어 정화 기능을 상실하는 경우 삼원촉매(20)의 전단 및 후단에서의 람다 값은 동일한 거동을 나타나게 된다.
즉, 제어부(50)는 제2 산소센서(40)의 출력전압이 기준범위를 초과하되면, 촉매로서의 기능을 상실하였다고 판단하게 된다.
이때, 기준범위는 0.75 ~ 0.87V 이며, Binary 타입 산소센서인 제2 산소센서(40)의 출력전압이 기준범위인 경우 삼원촉매(20)가 정상적으로 배기가스를 정화하고 있는 것으로 판단하고, 람다 값이 1.00으로 운전되도록 압축천연가스 엔진(10)의 공연비를 유지한다.
그러나, 제2 산소센서(40)의 출력전압이 0.87V 이상, 0.75V 이하로 기준범위 내에 포함되는 경우, 삼원촉매(20)는 람다 값이 1.00으로 운전되는 압축천연가스 엔진(10)의 배기가스를 정상적으로 정화시키지 못하는 이상상태로 판단하게 된다.
삼원촉매(20)가 이상상태라 판단되면, 삼원촉매(20)의 노화 여부를 판단하는 단계에서, 제어부(50)는 제2 산소센서(40)의 출력값과 사전에 설정된 제2 기준값을 비교하여 삼원촉매(20)의 노화 여부를 판단하게 된다.
이때, 제어부(50)에 설정되는 제2 기준 범위는 0.67V ~ 0.75V 이며, 제어부는 제2 산소센서(40)의 출력전압이 기준 범위에 있는 경우, 삼원촉매(20)에 노화가 발생되었다고 판단하고, 0.5V ~ 0.67V인 경우, 삼원촉매(20)가 불량 또는 수명이 다한 것으로 판단하고 삼원촉매(20) 교체를 실시한다.
삼원촉매(20)가 노화되었다고 판단되면, 제어부(50)는 압축천연가스 엔진(10)의 람다 값이 0.99가 되도록, 압축천연가스 엔진(10)에 작동신호를 전송하여 공연비를 조절하게 된다.
이에, 종래 삼원촉매(20)의 노화가 진행되면 촉매로서 기능을 상실하였다고 판단하여 단순히 삼원촉매(20)를 교체한 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법은 노화된 삼원촉매(20)가 최대활성을 갖도록 함으로써, 삼원촉매(20)의 수명을 증가시키면서 배기가스의 정화효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 압축천연가스 엔진 20: 삼원촉매
30: 제1 산소센서 40: 제2 산소센서
50: 제어부

Claims (7)

  1. 압축천연가스 엔진의 후단 및 삼원촉매(TWC)의 후단에 각각 제1 산소센서 및 제2 산소센서가 설치된 압축천연가스 차량의 공연비를 제어하는 방법으로써,
    상기 제1 산소센서 및 제2 산소센서의 출력전압을 통하여 상기 압축천연가스 엔진 및 삼원촉매의 정상 여부를 판단함과 동시에, 삼원촉매의 노화 여부를 판단하여 상기 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1 산소센서의 출력전압을 측정하는 단계;
    상기 제1 산소센서의 출력전압과 사전에 설정된 제1 기준값을 비교하여 상기 압축천연가스 엔진의 정상 여부를 판단하는 단계;
    상기 제2 산소센서의 출력전압을 측정하는 단계;
    상기 제2 산소센서의 출력전압이 사전에 설정된 기준범위와 비교하여 상기 삼원촉매의 정상 여부를 판단하는 단계;
    상기 제2 산소센서의 출력전압을 사전에 설정된 제2 기준값과 비교하여 상기 삼원촉매의 노화 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 삼원촉매의 노화 여부에 따라 상기 압축천연가스 엔진의 공연비를 조절하는 단계;를 포함하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 산소센서는 Linear 타입 산소센서이고, 상기 제2 산소센서는 Binary 타입 산소센서를 사용하는 것을 특징으로 하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압축천연가스 엔진의 정상 여부를 판단하는 과정에서,
    상기 제1 기준 범위는 -2mV ~ 0.5mV이고, 상기 제1 산소센서의 출력전압이 상기 제1 기준 범위 미만이나 이상인 경우, 압축천연가스 엔진에 이상이 발생되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 삼원촉매의 정상 여부를 판단하는 단계에서,
    상기 기준범위는 0.75 ~ 0.87V이고, 상기 제2 산소센서의 출력전압이 상기 기준범위에 포함되는 경우, 상기 삼원촉매가 정상이라고 판단하는 것을 특징으로 하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 삼원촉매의 노화 여부를 판단하는 단계에서,
    상기 제2 기준 범위는 0.67V ~ 0.75V 이며, 제어부는 제2 산소센서의 출력전압이 기준 범위에 있는 경우, 상기 삼원촉매가 노화되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공연비를 조절하는 단계는,
    상기 삼원촉매가 노화되었다고 판단되면, 상기 압축천연가스 엔진의 공연비가 0.99가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는, 압축천연가스 엔진 공연비 제어방법.
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