KR101734713B1

KR101734713B1 - 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법과 삼원촉매제어시스템 및 차량

Info

Publication number: KR101734713B1
Application number: KR1020150175687A
Authority: KR
Inventors: 이상민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-05-24
Also published as: US20170167345A1; DE102016219936A1; US9896988B2

Abstract

본 발명의 삼원촉매 제어방법은 O2 퍼지맵(20-1)을 구비한 컨트롤러(10)로 제어되고, 상기 컨트롤러(10)는 삼원촉매(20)의 O2퍼지제어 수행이 OSC(Oxygen Storage Capacity)(20-1)의 OSC 산소증가조건아 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하는 반면 상기 OSC 산소증가조건인 경우 상기 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 상기 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하며, 상기 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과된 경우 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD(On Board Diagnosis) O2퍼지시간을 적용함으로써 산소제거에 의한 NOx 환원 향상이 미약한 신품이 O2폐루프 제어시간을 열화품보다 짧거나 같게 적용할 수 있고, 특히 신품이 우선적으로 고려된 O2 폐루프제어로 운영되는 삼원촉매제어시스템이 차량에 적용됨으로써 Fuel-Cut 후 소모되는 연료량 축소로 연비 개선이 이루어지는 특징을 구현한다.

Description

연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법과 삼원촉매제어시스템 및 차량{Three Way Catalytic Control Method and System for Decreasing Fuel Consumption and Vehicle thereof}

본 발명은 삼원촉매 제어에 관한 것으로, 특히 삼원촉매의 O2 퍼지제어로 기존 제어 대비 연료소모저감이 이루어지는 삼원촉매 제어방법과 삼원촉매제어시스템 및 차량에 관한 것이다.

일반적으로 배기가스 및 환경규제는 NOx(질소산화물) 및 CO/HC 등의 오염규제물질저감을 요구함으로써 차량에는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), CPF(Catalyzed Particulate Filter), SCR(Selective Catalyst Reduction), TWC(Three Way Catalyst)과 같은 촉매가 적용된다.

특히, 삼원촉매는 귀금속(예, Pt/Rh, Pd/Rh, Pt/Pd/Rh계)를 적용하여 CO, HC의 산화와 NOx 환원을 동시에 할 수 있으면서 산소저장용량물질(Oxygen Storage Capacity, 이하 OSC)이 추가되어 CO, HC, NOx의 정화 성능을 높여 줌으로써 가솔린 엔진에 유용하다.

일례로, 가솔린 엔진에 적용된 삼원촉매는 OSC의 산소농도함량으로 촉매의 열화정도를 통상 신품, 열화품, OBD(On Board Diagnosis)평가품으로 판단 및 분류하고, 산소센서(이하 O2센서)의 산소 검출량과 연계된 O2폐루프(Closed-loop)제어됨으로써 OSC의 고 산소농도함량 조건으로 CO, HC의 산화성능을 증대하고 반면 OSC의 저 산소농도함량 조건으로 NOx의 환원성능을 향상한다.

여기서, 상기 신품은 높은 귀금속 활성으로 OSC의 산소 저장량이 높은 상태인 사용하지 않은 삼원촉매를 의미하고, 상기 열화품은 촉매의 열화가 일어난 사용된 삼원촉매를 의미하며, 상기 OBD는 OBD 설정값으로 정의된 OSC의 산소 저장량이 OBD 모니터링으로 검출되는 장기간 사용된 불량상태의 삼원촉매를 의미한다. 그러므로, OSC의 산소 저장량은 신품 > 열화품 > OBD평가품의 순으로 높아지고, O2퍼지제어시간도 신품 > 열화품 > OBD평가품의 순으로 길어진다. 여기서, ">"는 부등호로서 두 값의 크기관계를 나타낸다.

그리고, 삼원촉매의 O2 퍼지제어는 가솔린 엔진의 Fuel-Cut 이후 NOx 정화 성능 증대를 구현하기 위해 이론 공연비 이하(람다 <1)로 제어하는 것을 말하며, 삼원촉매 후단에 장착된 O2센서의 변화를 통해 제어를 수행하게 된다. 통상, Fuel-Cut은 연비적인 개선을 위해 감속 구간 등에서 수행된다.

일본특개 2014-062497(2014.4.10)

하지만, 삼원촉매의 O2 퍼지제어는 O2센서의 산소 검출량을 기준으로 수행하는 것으로, O2센서에 의해 제어되는 O2퍼지제어시간은 삼원촉매의 최적 배기가스 정화 성능이 반영되지 않는 제어시간을 사용할 수밖에 없다.

일례로, 삼원촉매의 특성은 신품인 경우 귀금속의 활성이 좋아 OSC의 산소 저장량이 높다 하더라도 귀금속 반응을 통해 NOx 를 충분히 제거할 수 있는 상태이다. 그러므로, O2 퍼지제어시간을 열화품보다 신품에서 길게 가져가는 제어방식은 NOx 환원에 기여하는 바가 거의 없이 단순히 신품의 OSC에 저장된 산소가 제거되는 시간만 증가함을 의미할 뿐이다.

특히, O2 퍼지제어는 연소실 분위기를 이론 공연비 (람다=1) 상태에서 연료가 과다한 RICH (람다<1)상태로 전환하여 연료소모량을 증가시켜준다. 그러므로, 신품을 적용한 가솔린 엔진 차량에서 O2 퍼지제어시간의 증가는 연료 소모량 증가로 이어짐으로써 O2퍼지제어가 Fuel-Cut에 반하는 연비 저하를 가져오고, 연비 저하는 강화된 환경규제요구충족을 어렵게 할 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 O2퍼지제어가 OSC 설정량에 기반되어 계산된 시간으로 수행되는 신품과 촉매 열화를 고려한 O2센서 검출량에 기반되어 계산된 시간으로 수행되는 열화품으로 구분함으로써 산소제거에 의한 NOx 환원 향상이 미약한 신품이 O2폐루프 제어시간을 열화품보다 짧거나 같게 적용할 수 있고, 특히 신품이 우선적으로 고려된 O2 퍼지제어로 삼원촉매제어시스템이 운영됨으로써 Fuel-Cut 후 소모되는 연료량 축소로 연비 개선이 이루어지는 차량을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법은 (A) 삼원촉매의 O2퍼지제어 수행조건이 검출되면, 상기 삼원촉매의 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 OSC 산소증가조건이 컨트롤러에 의해 판단되는 단계; (B) 상기 OSC 산소증가조건이 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하고, 반면 상기 OSC 산소증가조건인 경우 상기 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 상기 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하여 상기 O2퍼지제어가 상기 컨트롤러에 의해 실행되는 단계; (C) 상기 O2퍼지제어중 상기 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과되면, 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD(On Board Diagnosis)O2퍼지시간을 적용하여 상기 O2퍼지제어가 상기 컨트롤러에 의해 실행되는 단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 OSC 산소증가조건은 상기 산소센서가 상기 삼원촉매의 후단쪽에 구비되어 발생하는 신호주기변화나 온도센서가 상기 삼원촉매에 구비되어 검출 또는 예측되는 촉매온도를 통해 촉매온도가 일정온도를 초과하는 빈도수를 계산하여 판단한다.

바람직한 실시예로서, 상기 OSC 산소설정초기값(A)은 상기 삼원촉매의 OBD모니터링을 위한 OBD반영 OSC 산소설정량보다 크면서 상기 산화촉매의 열화에 의한 열화품 OSC 산소저장량보다 작은 값이다.

바람직한 실시예로서, 상기 OSC 산소증가량은, (b-1) 상기 OSC 산소증가조건에 따른 열화반영 O2퍼지시간(x)을 검출하며, (b-2) 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)이 적용된 OSC 산소증가량(B)을 계산하고, (b-3) 상기 OSC 산소증가량(B)이 적용된 현재 OSC 산소 저장값(K)을 계산하며, (b-4) 상기 삼원촉매의 열화 정도를 나타낸 신품의 신품 O2퍼지시간(a), 열화품의 열화품 O2퍼지시간(b), OBD평가품의 OBD O2퍼지시간(c) 중 상기 열화품의 열화품 OSC 산소 저장값(D)과 상기 현재 OSC 산소 저장값(K)을 비교하고, (b-5) 상기 열화품 OSC 산소 저장값(D)보다 작은 경우 상기 현재 OSC 산소 저장값(K)을 이용해 상기 계산 O2퍼지시간이 계산되며, (b-5) 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)이 상기 열화품 O2퍼지시간(b)보다 크면서 상기 신품 O2퍼지시간(a)보다 작은 조건이 충족되지 않거나 또는 상기 현재 OSC 산소 저장값(K)이 상기 열화품 OSC 산소 저장값(D)보다 커 상기 열화품 OSC 산소 저장값(D)으로 적용되면, 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)은 상기 OBD O2퍼지시간(c)과 비교된 후 상기 열화 O2퍼지시간이나 상기 OBD O2퍼지시간을 적용한다.

바람직한 실시예로서, 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)은 상기 신품 O2퍼지시간(a)보다 작으면서 상기 열화품 O2퍼지시간(b)보다 큰 값이다. 상기 OSC 산소증가량(B)은 B로 정의되고, B = (x-b) / (a-b) * A이며, 상기 a는 상기 신품 O2퍼지시간, 상기 b는 상기 열화품 O2퍼지시간, 상기 A는 OSC 산소설정초기값이다. 상기 현재 OSC 산소 저장값(K)은 상기 OSC 산소설정 초기값(A)과 상기 OSC 산소증가량(B)을 더한 값이다. 상기 현재 OSC 산소 저장값(K)은 상기 열화품 OSC 산소 저장값(D)보다 큰 경우 상기 열화품 OSC 산소 저장값(D)으로 적용된다. 상기 열화 O2퍼지시간은 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)이 상기 OBD O2퍼지시간(c)보다 크면서 상기 OBD O2퍼지시간(b)보다 작은 조건 충족시 적용된다.

바람직한 실시예로서, 상기 계산 O2퍼지시간은 상기 열화 O2퍼지시간보다 작거나 동일하고, 상기 열화 O2퍼지시간은 상기 OBD O2퍼지시간(c)보다 길다. 상기 O2퍼지제어의 실행은 엔진의 Fuel-Cut 이후 엔진 아이들에서 이루어진다. 상기 OBD O2퍼지시간이 적용되면, 경고등을 점등한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삼원촉매제어시스템은 삼원촉매의 O2퍼지제어 수행이 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 OSC 산소증가조건아 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하는 반면 상기 OSC 산소증가조건인 경우 상기 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 상기 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하며, 상기 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과된 경우 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD O2퍼지시간을 적용하는 O2 퍼지맵을 구비하고, 상기 O2 퍼지맵은 상기 삼화촉매의 열화정도에 따른 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 산소저장 정보가 맵 데이터로 구축된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량은 삼원촉매의 O2퍼지제어 수행이 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 OSC 산소증가조건아 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하는 반면 상기 OSC 산소증가조건인 경우 상기 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 상기 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하며, 상기 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과된 경우 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD O2퍼지시간을 적용하는 삼원촉매제어시스템을 포함하고; 상기 삼원촉매제어시스템이 엔진에서 나온 배기가스가 흐르는 배기파이프와 연계된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 엔진은 가솔린 엔진이다.

이러한 본 발명은 삼원촉매의 O2 퍼지제어가 삼원촉매의 화학적 특성을 반영하여 우수한 성능을 갖는 신품의 삼원촉매에 대한 O2 퍼지제어시간이 열화품보다 짧거나 같게 가져감으로써 삼원촉매제어시스템 및 차량은 다음과 같은 장점 및 효과를 구현한다.

첫째, O2 퍼지제어가 신품의 삼원촉매에 대한 무의미한 산소 제거를 수행하지 않음으로써 O2 퍼지제어 효율성이 높아진다. 둘째, 신품의 삼원촉매에 저장된 OSC 산소저장량이 O2 퍼지제어로 감소하지 않음으로써 삼원촉매 성능이 보다 오래 유지된다. 셋째, O2 퍼지제어가 기존 대비 제어시간 단축으로 연료소모량을 줄여 준다. 넷째, O2 퍼지제어에 의한 연료 소모량 축소로 신품 삼원촉매를 적용한 가솔린 엔진 차량은 Fuel-Cut에 의한 연비 개선과 함께 O2 퍼지제어에 의한 연비개선을 구현한다. 다섯째, 차량의 연비개선이 Fuel-Cut과 O2 퍼지제어로 향상됨으로써 차량이 강화된 환경규제요구를 보다 용이하게 충족한다. 여섯째, 차량의 강화된 환경규제 충족으로 상품성 향상 및 시장 우위를 점유할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어가 구현되는 차량의 삼원촉매제어시스템의 블록구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 삼원촉매제어시스템이 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어로 동작되는 작동예이고, 도 4는 본 발명에 따른 엔진의 Fuel-Cut 후 신품 삼원촉매에 대한 O2퍼지제어시간의 단축상태를 나타낸 선도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법의 순서도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 가솔린 엔진 차량의 Fuel-Cut 후 수행되는 삼원촉매 제어방법은 삼원촉매의 OSC의 산소저장량이 신품 > 열화품 > OBD평가품의 순으로 높아짐을 고려함으로써 O2 퍼지제어를 O2센서를 연계하지 않은 신품 적용모드와 O2센서를 연계한 열화품 적용모드 및 OBD모니터링에 의한 OBD평가품 적용모드로 구분되고, 이를 통해 O2퍼지제어시간이 열화품 > 신품 > OBD평가품 또는 열화품 = 신품 > OBD평가품의 순으로 길게 적용함으로써 신품의 삼원촉매의 우수한 화학적 특성이 반영됨에 그 특징이 있다. 여기서, ">","="는 부등호로서 두 값의 크기관계를 나타낸다.

한편, 도 2는 차량에 적용된 삼원촉매제어시스템의 블록 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 삼원촉매제어시스템(1)은 컨트롤러(10), OSC(Oxygen Storage Capacity)(20-1)를 갖추고 가솔린 엔진(100)에서 배출된 배기가스가 흐르는 배기파이프(200)에 설치된 삼원촉매(20), 센서(30-1,30-2,30-3), OSC(20-1)의 산소저장량이 OBD(On Board Diagnosis) 설정값으로 저하되는지 모니터링하는 OBD(40), 경고등(50)을 포함한다.

구체적으로, 상기 컨트롤러(10)는 O2 퍼지맵(10-1)을 포함한다. 특히, 상기 컨트롤러(10)는 엔진상태검출센서(100-1)에서 검출된 엔진(100)의 각종 정보(연소실로 유입되는 흡입 공기량, 냉각수 온도, 흡/배기밸브 타이밍, 피스톤 상/하사점, 엔진 오일압, 엔진 RPM(Revolution Per Minute), Fuel-Cut 진입 및 종료...)를 입력데이터로 취급한다. 또한, 상기 컨트롤러(10)는 OSC(20-1)의 산소저장량 모니터링을 통해 OBD 설정값으로 저하를 검출하는 OBD(40)의 정보를 입력데이터로 취급할 수 있다. 그러므로, 상기 컨트롤러(10)는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)일 수 있다.

구체적으로, 상기 O2 퍼지맵(10-1)은 OSC(20-1)의 산소저장용량을 OSC 산소설정초기값과 열화진행에 따른 열화품 OSC 산소저장량 및 OBD모니터링을 위한 OBD반영 OSC 산소저장설정량으로 구분된 맵을 구축하고, 컨트롤러(10)와 연계된다. 특히, 상기 O2 퍼지맵(10-1)은 OSC(20-1)의 산소저장량 모니터링을 통해 OBD 설정값으로 저하를 검출하는 OBD(40)의 정보를 입력데이터로 취급할 수 있다.

구체적으로, 상기 센서(30-1,30-2,30-3)는 삼원촉매(20)의 전단에서 삼원촉매(20)로 유입되는 배기가스내 산소를 검출하는 촉매전단 산소센서(30-1), 삼원촉매(20)의 후단에서 삼원촉매(20)에서 배출되는 배기가스내 산소를 검출하는 촉매후단 산소센서(30-2), 삼원촉매(20)의 온도를 검출하는 촉매 온도센서(30-3)로 구성된다. 상기 촉매전단/후단 산소센서(30-1,30-2) 및 상기 촉매 온도센서(30-3)의 검출값은 O2 퍼지맵(10-1) 또는 컨트롤러(10)의 입력 데이터로 제공된다. 특히, 상기 촉매 온도센서(30-3)는 적용되지 않는 대신 엔진 운전 조건별 사전에 측정된 삼원촉매온도를 차량 운행 시 예측 촉매 온도로 사용되는 O2 퍼지맵(10-1)의 예측온도적용 맵이 적용될 수 있다. 이는, 가솔린 엔진에는 기본적으로 온도 센서가 적용되지 않음에 기인한다.

구체적으로, 상기 경고등(50)은 OBD(40)에서 검출한 OBD설정값을 입력데이터로 하는 O2 퍼지맵(10-1) 또는 컨트롤러(10)의 제어로 온(On)됨으로써 OSC(20-1)의 산소저장 상태를 운전자에게 경고한다. 이를 위해, 상기 경고등(50)은 램프나 LED(Light-Emitting Diode)를 적용한다.

이하, 도 1의 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법의 실시예를 도 3 및 도 4를 참조로 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 제어는 O2 퍼지맵(10-1)과 연계된 컨트롤러(10)로 수행되며, 상기 컨트롤러(10)는 엔진 ECU(Electronic Control Unit)을 적용한다. 특히, 센서 신호 및 검출값은 촉매전단/후단 산소센서(30-1,30-2)일 수 있으나 촉매후단 산소센서(30-2)를 적용한다.

S1은 차량의 운전상태가 특정한 상태에 진입되었는지를 컨트롤러(10)가 인식하는 단계이다. 도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 엔진상태검출센서(100-1)에서 검출된 엔진(100)의 각종 정보를 입력데이터로 함으로써 차량의 특정운전상태 진입을 판단한다. 이 경우, 상기 특정운전상태는 촉매후단 산소센서(30-2)의 신호변화를 비교하기 쉬운 운전 조건인 Fuel-Cut 이후의 엔진 아이들 조건이다. 그 결과, 컨트롤러(10)는 S100의 시간단축모드, S200의 시간증가모드, S300의 열화품 시간모드, S400의 OBD 시간모드를 구분하기 위한 절차를 수행한다.

S10은 삼원촉매(20)의 열화를 컨트롤러(10)가 판단하는 단계이다. 도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 후단 산소센서(30-2)에 의한 삼원촉매(20)의 후단 산소농도 검출값과 검출 횟수를 이용한 산소센서적용방식 및 엔진 운전 조건별 사전에 측정된 삼원촉매온도가 차량 운행 시 예측 촉매 온도로 사용되는 예측온도적용방식 또는 촉매 온도센서(30-3)에 의한 삼원촉매(20)의 내부 온도 검출값과 검출 횟수를 이용한 온도센서적용방식으로 구분하고, 상기 산소센서적용방식과 상기 예측온도적용방식 또는 상기 온도센서적용방식중 하나라도 조건을 충족할 때 현 시점에서 삼원촉매(20)의 열화를 판단한다. 특히, 본 실시예에서는 가솔린 엔진에 기본적으로 온도 센서가 적용되지 않음을 고려하여 상기 온도센서적용방식보단 상기 예측온도적용방식이 우선적으로 적용된다.

일례로, 상기 산소센서적용방식에서는 컨트롤러(10)가 후단 산소센서(30-2)의 신호주기변화가 짧아지는지 체크한다. 이러한 이유는 촉매후단 산소센서(30-2)는 삼원촉매(20)의 열화 시 신호주기가 신품 대비 짧아지기 때문이다. 상기 온도센서적용방식에서는 컨트롤러(10)가 촉매 온도센서(30-3)의 검출값이 일정 온도 이상을 초과한 시간의 빈도를 체크하거나 또는 상기 예측온도적용방식에서는 컨트롤러(10)가 일정 예측 온도 이상을 초과한 시간의 빈도를 체크한다. 이러한 이유는 삼원촉매(20)의 온도가 약 950도 이상인 경우 촉매 열화를 반영하기 때문이다.

S20은 S10에서 삼원촉매(20)의 열화가 판단되지 않은 경우로서, 이 경우 컨트롤러(10)는 현재 OSC 산소저장값(K)을 OSC 산소설정초기값(A)으로 적용하여 S100의 시간단축모드로 진입된다. 반면, S10에서 삼원촉매(20)의 열화가 판단된 경우 컨트롤러(10)는 S30으로 전환한다.

S30은 삼원촉매(20)의 열화정도가 초기상태인지를 컨트롤러(10)가 판단하는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(10)는 열화반영 O2퍼지시간(x)과 신품 O2퍼지시간(a)과 열화품 O2퍼지시간(b)을 이용하고, b < x < a의 관계식을 적용함으로써 초기상태여부를 판단한다. 여기서, 상기 "<"는 크기 관계를 나타내는 부등호이다. 도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 O2 퍼지맵(10-1)에서 a,b,x의 각 값들을 가져와 서로 비교함으로써 초기상태판단을 수행한다. 여기서, 상기 신품 O2퍼지시간(a)은 신품에 대하여 기 설정된 O2퍼지시간을 의미하고, 상기 열화품 O2퍼지시간(b)은 열화품에 대하여 기 설정된 O2퍼지시간을 의미하며, 상기 열화반영 O2퍼지시간(x)은 열화정도에 대하여 기 설정된 O2퍼지시간을 의미하고, 모두 기 설정되어 O2 퍼지맵(10-1)에 맵으로 구축된다.

S30에서 열화반영 O2퍼지시간(x)이 신품 O2퍼지시간(a)과 열화품 O2퍼지시간(b)의 사이에 존재하는 경우 컨트롤러(10)는 S200의 시간증가모드를 위한 전처리절차(S40내지 S80)로 전환하는 반면 그렇치 않은 경우 S90으로 전환한다.

상기 전처리절차(S40내지 S80)는 다음과 같다.

S40은 OSC(20-1)의 OSC 산소증가량(B)을 컨트롤러(10)가 산출하는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(10)는 열화반영 O2퍼지시간(x), 신품 O2퍼지시간(a), 열화품 O2퍼지시간(b), OSC 산소설정 초기값(A)을 이용하고, B = (x-b) / (a-b) * A의 관계식을 적용한다. 그러므로, OSC 산소증가량(B)은 열화반영 O2퍼지시간(x)에서 열화품 O2퍼지시간(b)의 차를 신품 O2퍼지시간(a)과 열화품 O2퍼지시간(b)의 차를 OSC 산소설정 초기값(A)으로 곱한 값으로 나누어줌으로써 계산된다.

S50은 OSC(20-1)의 현재 OSC 산소 저장값(K)을 컨트롤러(10)가 산출하는 단계이다. 이를 위해, 상기 컨트롤러(10)는 OSC 산소설정 초기값(A)과 OSC 산소증가량(B)을 이용하고, K = A + B의 관계식을 적용한다. 그러므로, 현재 OSC 산소 저장값(K)는 OSC 산소설정 초기값(A)과 OSC 산소증가량(B)을 합하여 계산된다.

S60은 OSC(20-1)의 현재 OSC 산소 저장값(K)으로 신품과 열화품을 컨트롤러(10)가 구분하는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(10)는 현재 OSC 산소 저장값(K)과 열화품 OSC 산소 저장값(D)을 이용하고, K > D의 관계식을 적용한다. 여기서, 상기 "<"는 크기 관계를 나타내는 부등호이다.

S70은 현재 OSC 산소 저장값(K)이 열화품 OSC 산소 저장값(D)보다 작은 경우로서, 이 경우 컨트롤러(10)는 현재 OSC 산소 저장값(K)을 OSC 산소설정 초기값(A)과 OSC 산소증가량(B)의 합으로 설정한 다음 K = A +B를 가지고 S100의 신품 시간증가모드로 전환한다.

S80은 현재 OSC 산소 저장값(K)이 열화품 OSC 산소 저장값(D)보다 큰 경우로서, 이 경우 컨트롤러(10)는 현재 OSC 산소 저장값(K)을 열화품 OSC 산소 저장값(D)으로 설정한 다음 K=D를 저장하고 S90으로 전환한다.

S90은 S30에서 b < x < a의 조건 미충족이나 S80의 K = D인 경우 삼원촉매(20)의 열화 심화를 컨트롤러(10)가 판단하는 단계이다. 이를 위해, 컨트롤러(10)는 열화반영 O2퍼지시간(x), 열화품 O2퍼지시간(b), OBD반영 O2퍼지시간(c)을 이용하고, c < x < b의 관계식을 적용함으로써 중증상태여부를 판단한다. 여기서, 상기 "<"는 크기 관계를 나타내는 부등호이다. 도 3을 참조하면, 컨트롤러(10)는 O2 퍼지맵(10-1)에 맵으로 구축된 b,c,x의 각 값들을 가져와 서로 비교함으로써 초기상태판단을 수행한다. 여기서, 상기 OBD반영 O2퍼지시간(c)은 OBD(40)에서 모니터링되도록 OSC(20-1)의 OSC 산소저장량을 OBD 설정값으로 구분하여 적용되는 O2퍼지시간을 의미하며, 기 설정되어 O2 퍼지맵(10-1)에 맵으로 구축된다.

S90의 결과는 S300의 열화품 시간모드와 S300의 OBD 시간모드로 구분된다.

한편, S100은 컨트롤러(10)가 S20의 K = A의 조건을 적용하여 삼원촉매(20)의 O2퍼지제어를 수행하는 시간단축모드이다. 이 경우, 상기 OSC 산소설정초기값(A)은 삼원촉매(20)의 OBD모니터링을 위한 OBD반영 OSC 산소설정량보다 크면서 산화촉매(20)의 열화에 의한 열화품 OSC 산소저장량보다 작은 값을 갖는다. 이러한 이유는 일반적으로 '신품'촉매의 경우 귀금속의 활성이 좋아 OSC의 산소저장량이 높다 하더라도 귀금속 반응을 통해 NOx 를 충분히 제거할 수 있는 상태임에 기인된다.

구체적으로, 상기 시간단축모드로 진입한 컨트롤러(10)는 S110과 같이 설정된 O2퍼지시간을 적용하고, 상기 설정된 O2퍼지시간으로 S500의 O2퍼지제어를 수행한다. 상기 시간단축모드의 결과는 도 4를 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, Fuel-Cut 구간(E)의 이후에 시작되는 O2퍼지구간(F)이 1020초와 1030초의 10초 구간에서 약 6초 정도로 수행됨을 알 수 있다.

그러므로, O2퍼지시간은 열화품 > 신품 > OBD 평가품의 순으로 길게 적용함으로써 삼원촉매(20)의 화학적 특성이 우수한 신품이 열화품보다 짧게 되고, 이는 열화품 대비 과도한 O2퍼지제어는 단순히 삼원 촉매 내 OSC(20-1)에 저장된 산소를 제거하는 의미일 뿐 NOx 환원에 기여하는 바가 크지 않은 단점을 제거함과 동시에 짧은 O2 퍼지 제어에 의한 엔진(100)의 연비향상을 가져갈 수 있다.

한편, S200은 컨트롤러(10)가 S70의 K = A + B의 조건을 적용하여 삼원촉매(20)의 O2퍼지제어를 수행하는 시간증가모드이다. 이 경우, O2퍼지시간의 증가정도는 Fuel-cut 이후 엔진 아이들 운전 조건에서 촉매후단 산소센서(30-2)의 짧아진 신호변화 비율만큼 OSC 산소저장량 증가분을 반영하여 증가될 수 있고, 고온조건에서 심화되는 삼원촉매(20)의 열화도 비율만큼 OSC 산소저장량 증가분을 반영하여 O2퍼지시간을 증가 시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 시간증가모드로 진입한 컨트롤러(10)는 S210과 같이 삼원촉매(20)의 온도와 엔진(100)의 흡입 공기량에 기반한 OSC 산소 소모량을 계산하고, 계산된 OSC 산소 소모량을 적용하여 삼원촉매(20)의 O2퍼지시간을 계산한 다음, 상기 계산된 O2퍼지시간으로 S500의 O2퍼지제어를 수행한다. 그 결과, 상기 O2퍼지제어시간은 시간단축모드에 비해 보다 길어질 수 있다. 하지만, 상기 O2퍼지제어시간은 열화품 > 신품 > OBD 평가품 또는 열화품 = 신품 > OBD 평가품의 순으로 길게 적용함으로써 시간단축모드 시 연비향상보다 못하더라도 여전히 연비향상을 가져갈 수 있다. 특히, 상기 시간증가모드는 차량의 주행거리 증가에 따른 삼원촉매(20)의 열화심화가 진행될수록 O2퍼지 제어시간이 늘어나게 되며, 일정 시간 이후에는 계산된 OSC량에 의한 O2퍼지시간과 촉매후단 산소센서(30-2))의 변화에 의한 O2퍼지시간과 동일하게 되는 S300의 열화품 시간모드로 전환된다.

한편, S300의 열화품 시간모드는 S90에서 열화반영 O2퍼지시간(x)이 OBD반영 O2퍼지시간(c)보다 크면서 열화품 O2퍼지시간(b)보다 작은 조건을 충족하는 경우이다. 상기 열화품 시간모드로 진입한 컨트롤러(10)는 S310과 같이 산소센서의 검출값을 적용하여 OSC 소모량 계산을 하고, 계산된 OSC 산소 소모량을 적용하여 삼원촉매(20)의 O2퍼지시간을 계산한 다음, 상기 계산된 O2퍼지시간으로 S500의 O2퍼지제어를 수행한다.

한편, S400의 OBD 시간모드는 S90에서 열화반영 O2퍼지시간(x)이 OBD반영 O2퍼지시간(c)보다 크면서 열화품 O2퍼지시간(b)보다 작은 조건을 충족하지 않는 경우이다.

구체적으로, 상기 OBD 시간모드로 진입한 컨트롤러(10)는 S410과 같이 경고등(50)을 점등하여 삼원촉매(20)의 상태를 운전자에게 알려주고, OBD반영 O2퍼지시간(c)을 적용하여 S500의 O2퍼지제어를 수행한다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 삼원촉매 제어방법은 O2 퍼지맵(20-1)을 구비한 컨트롤러(10)로 제어되고, 컨트롤러(10)는 삼원촉매(20)의 O2퍼지제어 수행이 OSC(20-1)의 OSC 산소증가조건아 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하는 반면 OSC 산소증가조건인 경우 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하며, 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과된 경우 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD O2퍼지시간을 적용함으로써 산소제거에 의한 NOx 환원 향상이 미약한 신품이 O2퍼지제어시간을 열화품보다 짧거나 같게 적용할 수 있고, 특히 신품이 우선적으로 고려된 O2퍼지제어시간으로 운영되는 삼원촉매제어시스템이 차량에 적용됨으로써 Fuel-Cut 후 소모되는 연료량 축소로 연비 개선이 이루어진다.

1 : 삼원촉매제어시스템 10 : 컨트롤러
10-1 : O2 퍼지맵 20 : 삼원촉매
20-1 : OSC(Oxygen Storage Capacity)
30-1,30-2 : 촉매전,후단 산소센서
30-3 : 촉매 온도센서 40 : OBD(On Board Diagnosis)
50 : 경고등 100 : 엔진
100-1 : 엔진상태검출센서
200 : 배기파이프

Claims

(A) 삼원촉매의 O2퍼지제어 수행조건이 검출되면, 상기 삼원촉매의 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 OSC 산소증가조건이 컨트롤러에 의해 판단되는 단계;
(B) 상기 OSC 산소증가조건이 아닌 경우 OSC 산소설정초기값(A)이 적용된 설정 O2퍼지시간을 적용하고, 반면 상기 OSC 산소증가조건인 경우 상기 OSC 산소설정초기값(A)에 OSC 산소증가량이 적용되어 상기 설정 O2퍼지시간보다 긴 계산 O2퍼지시간을 적용하여 상기 O2퍼지제어가 상기 컨트롤러에 의해 실행되는 단계;
(C) 상기 O2퍼지제어중 상기 계산 O2퍼지시간의 증가량이 열화 O2퍼지시간과 같거나 초과되면, 산소센서에 기반된 열화 O2퍼지시간을 적용하거나 OBD(On Board Diagnosis) O2퍼지시간을 적용하여 상기 O2퍼지제어가 상기 컨트롤러에 의해 실행되는 단계;
로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 OSC 산소증가조건은 상기 산소센서가 상기 삼원촉매의 후단쪽에 구비되어 발생하는 신호주기변화나 온도센서가 상기 삼원촉매에 구비되어 검출하는 촉매온도의 일정온도초과 빈도수 또는 엔진 운전 조건별로 사전에 측정된 삼원촉매온도에 근거한 예측촉매온도가 예측하는 촉매온도의 일정온도를 초과 빈도수로 판단되는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 OSC 산소설정초기값은 상기 삼원촉매의 OBD모니터링을 위한 OBD반영 OSC 산소설정량보다 크면서 상기 삼원촉매의 열화에 의한 열화품 OSC 산소저장량보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 OSC 산소증가량은, (b-1) 상기 OSC 산소증가조건에 따른 열화반영 O2퍼지시간을 검출하며, (b-2) 상기 열화반영 O2퍼지시간이 적용된 OSC 산소증가량을 계산하고, (b-3) 상기 OSC 산소증가량이 적용된 현재 OSC 산소 저장값을 계산하며, (b-4) 상기 삼원촉매의 열화 정도를 나타낸 신품의 신품 O2퍼지시간, 열화품의 열화품 O2퍼지시간, OBD(On Board Diagnosis)평가품의 OBD O2퍼지시간 중 상기 열화품의 열화품 OSC 산소 저장값과 상기 현재 OSC 산소 저장값을 비교하고, (b-5) 상기 열화품 OSC 산소 저장값보다 작은 경우 상기 현재 OSC 산소 저장값을 이용해 상기 계산 O2퍼지시간이 계산되는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 열화반영 O2퍼지시간은 상기 신품 O2퍼지시간보다 작으면서 상기 열화품 O2퍼지시간보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 OSC 산소증가량은 B로 정의되고, B = (x-b) / (a-b) * A이며, 상기 a는 상기 신품 O2퍼지시간, 상기 b는 상기 열화품 O2퍼지시간, 상기 A는 OSC 산소설정초기값인 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 현재 OSC 산소 저장값은 상기 OSC 산소설정 초기값과 상기 OSC 산소증가량을 더한 값인 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 4에 있어서, 상기 현재 OSC 산소 저장값은 상기 열화품 OSC 산소 저장값보다 큰 경우 상기 열화품 OSC 산소 저장값으로 적용되는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 4에 있어서, (b-5) 상기 열화반영 O2퍼지시간이 상기 열화품 O2퍼지시간보다 크면서 상기 신품 O2퍼지시간보다 작은 조건이 충족되지 않거나 또는 상기 현재 OSC 산소 저장값이 상기 열화품 OSC 산소 저장값보다 커 상기 열화품 OSC 산소 저장값으로 적용되면, 상기 열화반영 O2퍼지시간은 상기 OBD O2퍼지시간과 비교된 후 상기 열화 O2퍼지시간이나 상기 OBD O2퍼지시간을 적용하는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 9에 있어서, 상기 열화 O2퍼지시간은 상기 열화반영 O2퍼지시간이 상기 OBD O2퍼지시간보다 크면서 상기 OBD O2퍼지시간보다 작은 조건 충족시 적용되는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 계산 O2퍼지시간은 상기 열화 O2퍼지시간보다 작거나 동일하고, 상기 열화 O2퍼지시간은 상기 OBD O2퍼지시간(c)보다 긴 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 O2퍼지제어의 실행은 엔진의 Fuel-Cut 이후 엔진 아이들에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
청구항 1에 있어서, 상기 OBD O2퍼지시간이 적용되면, 경고등을 점등하는 것을 특징으로 하는 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법.
삼화촉매의 열화정도에 따른 OSC(Oxygen Storage Capacity)의 산소저장 정보가 맵 데이터로 구축된 O2 퍼지맵;
청구항 1내지 청구항 13중 어느 한 항에 의한 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법의 수행 시 상기 O2 퍼지맵이 적용되는 것을 특징으로 하는 삼원촉매제어시스템.
청구항 1내지 청구항 13중 어느 한 항에 의한 연료소모저감을 위한 삼원촉매 제어방법이 수행되는 삼원촉매제어시스템이 엔진에서 나온 배기가스가 흐르는 배기파이프와 연계된 것을 특징으로 하는 차량.
청구항 15에 있어서, 상기 엔진은 가솔린 엔진인 것을 특징으로 하는 차량.