KR101806367B1 - 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법은, 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는지 판단하는 단계;와, 상기 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는 것으로 판단되면, 촉매온도가 사전에 설정된 한계온도 이상인지 판단하는 단계;와, 촉매온도가 한계온도 미만인 경우, 순간 스캐빈징 유량을 계산하는 단계:와, 상기 계산된 순간 스캐빈징 유량으로부터 촉매에 저장되는 산소량을 계산하고, 상기 계산된 저장 산소량을 누적하는 단계; 및 상기 촉매에 누적된 산소량과 목표 산소 저장량을 비교하여, (a) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 미만인 경우에는 현재의 엔진 운전상태를 유지하고, (b) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 이상인 경우에는 촉매 전단에서의 공연비가 농후하도록 하는 촉매 퍼지를 수행하는 단계;를 포함한다.

Description

스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법{Method for Catalyst purge control during scavenging}

본 발명은 스캐빈징시의 촉매 퍼지를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 촉매가 저장할 수 있는 최대 산소량에 대해 여유분을 고려한 목표 산소 저장량을 설정하고, 목표 산소 저장량을 기준으로 촉매 퍼지를 제어함으로써, 스캐빈징시에 수행되는 촉매 퍼지의 빈도나 시간을 줄일 수 있는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법에 관한 것이다.

스캐빈징(scavenging, 소기)은 실린더로 흡입되는 공기(신기)에 의해 실린더 내에 남아 있는 잔류가스(연소가스)가 배기 시스템으로 밀려나가는 작용 내지는 현상을 말하는 것으로서, 잔류가스가 제거된 만큼 신기가 더 흡입되므로 엔진의 출력이 향상되는 효과가 있다. 따라서, 가변 밸브타이밍 기구(VVT)를 적용한 엔진의 경우에는 특정 운전영역(저속, 고부하 영역)에서 밸브 오버랩이 커지는 방향으로 가변 제어를 함으로써 스캐빈징 효과가 커지게 한다.

스캐빈징 제어시의 문제는 잔류가스와 함께 연소되지 않은 공기도 배기 시스템으로 빠져나가게 되어 삼원촉매 전단에서의 공연비가 희박해지고, 이에 따라 촉매가 여분의 산소를 흡수하여 포화될 경우 더 이상 질소산화물(NOx)을 정화하는 것이 불가능해진다는 것이다.

촉매에 쌓인 산소를 제거하기 위해서는 의도적으로 농후한 공연비로 조절하여 촉매로 여분의 연료가 도달하도록 하고, 촉매에 저장된 산소가 미연소된 연료를 산화시키도록 함으로써 촉매에 쌓인 산소를 제거해야 한다. 이를 촉매 퍼지라 한다.

종래에는 스캐빈징 제어와 함께 실린더 기준으로 농후하게 연료를 분사하여 촉매 전단에서의 공연비(람다)를 1을 초과하는 농후한 값으로 조절함으로써 촉매 내에 산소가 저장되는 것을 스캐빈징 초기부터 방지하지만, 농후한 연료로 인해 미연소된 연료가 촉매에서 공기와 반응하여 고온을 발생시킴으로써 촉매에 손상을 줄 수 있다는 문제가 따른다.

이러한 촉매의 손상을 방지하기 위해 스캐빈징 중 촉매의 온도가 위험 수준에 이를 경우 밸브 오버랩을 줄여 스캐빈징 사용을 중단하지만, 스캐빈징의 중단은 엔진 출력의 향상 효과를 포기하는 것이 된다.

물론 질소산화물 정화를 통한 배기가스 규제의 만족과 이를 위한 촉매 보호의 우선순위가 엔진의 출력 향상보다 당연히 앞서지만, 가능한 운전 중에 촉매 퍼지가 수행되는 빈도나 시간을 줄임으로써 촉매 온도의 이상 상승을 방지하는 동시에 스캐빈징 사용 시간을 연장시키는 제어가 바람직하다 할 것이다.

일본공개특허공보 특개2013-113172호 (2013.06.10 공개)

본 발명은 종래의 스캐빈징 운전시의 촉매 퍼지 제어방법을 개선함으로써, 운전 중에 촉매 퍼지가 수행되는 빈도나 시간을 줄여 촉매 온도의 이상 상승을 방지하는 동시에 스캐빈징 사용 시간을 연장할 수 있는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법은, 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는지 판단하는 단계;와, 상기 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는 것으로 판단되면, 촉매온도가 사전에 설정된 한계온도 이상인지 판단하는 단계;와, 촉매온도가 한계온도 미만인 경우, 순간 스캐빈징 유량을 계산하는 단계:와, 상기 계산된 순간 스캐빈징 유량으로부터 촉매에 저장되는 산소량을 계산하고, 상기 계산된 저장 산소량을 누적하는 단계; 및 상기 촉매에 누적된 산소량과 목표 산소 저장량을 비교하여, (a) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 미만인 경우에는 현재의 엔진 운전상태를 유지하고, (b) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 이상인 경우에는 촉매 전단에서의 공연비가 농후하도록 하는 촉매 퍼지를 수행하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 목표 산소 저장량은 상기 촉매의 최대 산소 저장량 대비 70∼90% 범위 안에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 목표 산소 저장량은 상기 순간 스캐빈징 유량에 반비례하는 관계로 가변되어 설정될 수도 있다.

그리고, 상기 순간 스캐빈징 유량은 밸브 오버랩 크기, 상기 엔진의 회전수, 흡기압력과 배기압력의 비에 의해 계산된다.

그리고, 상기 촉매에 저장되는 산소량은 상기 순간 스캐빈징 유량과 상기 촉매 전단에서의 공연비를 통해 계산될 수 있다.

한편, 상기 촉매 퍼지는 상기 촉매에 저장된 산소량이 사전에 설정된 수준에 도달할 때까지 수행된다.

그리고, 상기 촉매온도가 한계온도 이상인 것으로 판단되는 경우에는 밸브 오버랩을 축소하는 제어를 수행하게 된다.

그리고, 밸브 오버랩 크기가 사전에 설정된 수준 이상이면서 흡기압력이 배기압력보다 높을 때, 상기 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는 것으로 판단할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법은 목표 산소 저장량을 설정하고 이에 따라 촉매에 누적되는 산소량을 계산하고 관리하기 때문에, 스캐빈징 운전을 하더라도 촉매 퍼지를 바로 진행하지 않고 가능한 오랜 시간 동안 촉매 퍼지를 지연시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 엔진 운전 중에 촉매 퍼지가 수행되는 빈도나 시간을 줄임으로써 촉매 온도의 이상 상승을 방지하는 동시에 스캐빈징 사용 시간을 연장함으로써 엔진의 출력 향상 효과를 종래보다 장시간 유지할 수 있다.

도 1은 촉매를 구비한 엔진을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법에 대한 순서도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부여할 것이며, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.

그리고, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되면서 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고도 이해되어야 할 것이다.

도 1은 촉매를 구비한 엔진을 개략적으로 도시한 도면이다.

인젝터(3)를 통해 엔진(1)의 실린더로 분사된 연료를 연소하기 위한 공기는 에어 클리너(4)를 거친 후 흡기 매니폴드(2)를 통해 각 실린더도 유입된다. 실린더 내에서 연소된 연료는 고온, 고압의 연소가스로 바뀌어 피스톤을 밀어내는 힘으로 작용한 후 배기 매니폴드(5)와 배기관(6)을 통해 배출되는데, 대기로 방출되기 이전에 촉매(7)를 거쳐 질소산화물 등의 유해 배기가스가 정화된다.

촉매(7) 전단에는 공연비 센서(8)가 배치되는데, 공연비 센서(8)를 통해 측정된 배기가스의 공연비에 기초하여 흡입 공기량 및/또는 연료 분사량이 피드백 제어되며, 이를 통해 촉매 전단에 도달하는 배기가스의 공연비(람다)를 조절할 수 있다. 또한 촉매 보호를 위해 촉매의 온도를 감시하는 온도센서(미도시)도 설치된다.

전술한 바와 같이, 가변 밸브타이밍 기구(VVT)를 적용한 엔진의 경우에는 특정 운전영역(저속, 고부하 영역)에서 밸브 오버랩이 커지는 방향으로 가변 제어를 함으로써 스캐빈징 효과가 커지게 한다.

스캐빈징은 실린더로 흡입되는 공기(신기)에 의해 실린더 내에 남아 있는 잔류가스(연소가스)가 배기 시스템으로 밀려나가게 하는 것으로서, 잔류가스가 제거된 만큼 신기가 더 흡입되므로 엔진의 출력이 향상되는 효과가 있다.

그렇지만, 과잉된 공기는 촉매에 도달하여 촉매에 쌓이게 되는데, 촉매에 쌓인 산소를 제거하기 위해서는 촉매 퍼지를 해야 하지만, 종래에는 스캐빈징 제어와 함께 촉매 전단에서의 공연비(람다)를 농후하게 하는 촉매 퍼지를 수행하여 왔다.

잦은 촉매 퍼지는 촉매 전단에서의 공연비를 의도적으로 농후하게 만들기 때문에 연비를 악화시키게 되며, 농후한 연료로 인해 미연소된 연료가 촉매에서 공기와 반응하여 온도를 상승시킴으로써 촉매가 한계온도에 다다르는 시간을 앞당기게 된다. 촉매온도를 한계값 이하로 유지하려면 결국 스캐빈징을 중지하여야 하는데, 이는 결국 엔진의 출력 증대를 포기하는 것이며, 이로 인해 엔진의 응답성능이 떨어지는 문제를 가져온다.

본 발명은 스캐빈징 중의 촉매 퍼지의 빈도와 시간을 종래에 비해 감소시킴으로써 스캐빈징의 유지 시간을 늘리기 위한 것이다. 촉매 퍼지의 빈도와 시간을 줄이면 이에 따라 연비가 개선되며, 스캐빈징의 유지 시간이 늘어남으로써 엔진의 출력 증대 효과를 길게 가져갈 수 있게 된다.

도 2는 이러한 효과를 가진 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법에 관한 일련의 단계를 도시한 순서도로서, 이를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법은, 먼저 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는지를 판단한다(S10). 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되지 않을 때에는 일반적인 공연비 제어를 하여 운전이 되기 때문에 잉여 산소가 촉매에 쌓이는 문제가 없어 촉매 퍼지가 필요 없다.

스캐빈징 영역에서 운전되는지 여부는 두 가지 요소로 판단할 수 있다. 하나는 흡기 밸브와 배기 밸브의 각 개방 시간이 서로 겹치는 밸브 오버랩 크기가 사전에 설정된 수준 이상이어야 한다. 밸브 오버랩 크기가 아주 작으면 스캐빈징 효과를 무시할 수 있다. 밸브 오버랩의 크기는 흡기/배기 밸브 캠의 리프트 프로파일과 상대적인 각도라는 기하학적 요소에 의해 계산이 가능하다.

다른 하나의 요소는 흡기압력이 배기압력보다 높아야 한다는 것이다. 스캐빈징은 실린더로 흡입되는 공기에 의해 실린더 내에 남아 있는 연소가스가 배기 시스템으로 밀려나가는 것이기 때문에 흡기압력이 배기압력보다 높아야 한다.

이런 두 가지 요건을 만족시키면 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전된다고 판단하고, 촉매온도가 사전에 설정된 한계온도 이상인지 판단한다(S20). 촉매가 손상되면 배기가스의 정화가 불가능해지므로, 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전될 때에는 촉매온도를 우선적으로 감시할 필요가 있다.

촉매온도가 사전에 설정된 한계온도(보통 950℃) 이상이라면 밸브 오버랩을 축소하거나 아예 스캐빈징 운전을 중지하여 촉매온도가 내려가도록 해야 한다(S40). 촉매온도가 안전한 수준으로 내려가면 본 발명의 촉매 퍼지 제어가 적용될 수 있다.

촉매온도가 한계온도 미만인 경우라면, 그 다음으로 순간 스캐빈징 유량을 계산한다(S30). 순간 스캐빈징 유량은 일정 시점에서의 스캐빈징 유량을 의미하는 것으로서, 짧은 시간 간격으로 반복하여 순간 스캐빈징 유량이 계산된다.

여기서, 순간 스캐빈징 유량은 밸브 오버랩 크기, 엔진의 회전수, 흡기압력과 배기압력의 비에 의해 계산된다.

밸브 오버랩 크기는 흡기 밸브와 배기 밸브가 동시에 열려있는 크기를 말하는데, 캠 축의 회전에 따라 밸브 오버랩 크기는 계속 변화한다. 밸브 오버랩 크기는 기하학적으로 결정되는 것이며, 일종의 스캐빈징 유로의 크기로 생각할 수 있다. 물론 밸브 오버랩 크기와 순간 스캐빈징 유량은 비례한다.

엔진의 회전수는 밸브 오버랩이 유지되는 절대시간을 결정하는 요소이다. 캠의 각도로 본다면 밸브 오버랩 크기는 일정할 수 있지만, 엔진의 회전수가 높을수록 밸브 오버랩이 유지되는 시간은 짧아진다. 따라서, 엔진의 회전수와 순간 스캐빈징 유량은 반비례하는 관계에 있다.

흡기압력과 배기압력의 비는 실린더 내의 공기를 배기 시스템으로 밀어내는 힘의 크기를 의미한다. 배기압력에 대한 흡기압력의 비가 높을수록 당연히 순간 스캐빈징 유량은 커진다.

위와 같은 방법으로 순간 스캐빈징 유량이 계산되면, 이로부터 촉매에 저장되는 산소량을 계산하고, 상기 계산된 저장 산소량을 누적하게 된다(S50).

순간 스캐빈징 유량이 계산되었다는 것은 배기 밸브로 빠져나간 공기의 양이 계산된 것이고, 그렇다면 공기 중에 약 21% 비율로 섞여 있는 산소의 양(질량)을 계산할 수 있다. 그리고, 각각의 순간 스캐빈징 유량에 대한 산소의 양이 계산되고 이를 적분하면 결국 촉매에 누적된 산소량을 계산할 수 있다.

다음으로, 촉매에 누적된 산소량은 목표 산소 저장량과 비교된다. 목표 산소 저장량은 촉매가 최대로 저장할 수 있는 최대 산소 저장량에 대해 여유분을 고려하여 이보다 낮은 값으로 설정되는 일종의 관리 목표치이다.

촉매가 완전히 산소로 포화되는 것을 방지하고, 촉매의 정화기능이 정상적으로 발휘되는 산소 저장량을 고려할 때, 목표 산소 저장량은 촉매의 최대 산소 저장량 대비 70∼90% 범위 안에서 설정될 수 있다.

비교 결과, 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 미만인 경우(S70)에는 촉매 퍼지가 불필요한 것이므로 현재의 엔진 운전상태를 유지한다(S90).

여기서 본 발명의 장점이 나타나는데, 본 발명은 목표 산소 저장량을 설정하고 이에 따라 촉매에 누적되는 산소량을 계산하고 관리하기 때문에, 스캐빈징 운전을 하더라도 촉매 퍼지를 바로 진행하지 않고 가능한 오랜 시간 동안 촉매 퍼지를 지연시킬 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 촉매 퍼지 제어방법은 엔진 운전 중에 촉매 퍼지가 수행되는 빈도나 시간을 줄임으로써 촉매 온도의 이상 상승을 방지하는 동시에 스캐빈징 사용 시간을 연장하여 엔진의 출력 향상을 도모할 수 있다.

만일, 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 이상인 경우(S60)에는 촉매 전단에서의 공연비가 농후하도록 하는 촉매 퍼지를 수행한다(S80).

촉매 퍼지는 촉매에 저장된 산소량이 사전에 설정된 수준, 예를 들면 촉매의 최대 산소 저장량 대비 30% 미만에 도달할 때까지 수행된다. 물론, 촉매 퍼지가 수행되는 동안에도 촉매온도가 사전에 설정된 한계온도에 다다르는지는 계속 감시되어야 한다.

그리고, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 목표 산소 저장량은 순간 스캐빈징 유량에 반비례하는 관계로 가변되어 설정될 수 있다. 즉, 목표 산소 저장량을 고정된 수준으로 유지하는 것이 아니라, 순간 스캐빈징 유량이 크면 촉매에 산소가 빨리 누적될 것임을 고려하여 목표 산소 저장량을 낮게 설정하고, 그 반대의 경우에는 목표 산소 저장량을 높게 설정하는 것이다. 이는 운전 조건에 따라 촉매가 순간적으로 산소로 포화되는 문제를 방지하기 위한 것인데, 이런 경우에도 목표 산소 저장량의 가변 범위는 촉매의 최대 산소 저장량 대비 70∼90% 범위 안에 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 본 발명의 실시형태에 따라서는, 촉매에 저장되는 산소량의 계산에 순간 스캐빈징 유량과 촉매 전단에서의 공연비를 함께 고려할 수 있다. 이는 순간 스캐빈징 유량에는 공기뿐만 아니라 실린더 안에 잔류하던 배기가스가 포함되어 있을 수 있으므로, 촉매 전단에서 측정되는 공연비를 통해 공기와 배기가스의 비율을 파악하여 촉매에 저장되는 산소량을 좀더 정확하게 계산하기 위한 것이다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재내용과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

1: 엔진 2: 흡기 매니폴드
3: 인젝터 4: 에어 클리너
5: 배기 매니폴드 6: 배기관
7: 촉매 8: 공연비 센서

Claims (8)

1. 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는지 판단하는 단계;
   상기 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는 것으로 판단되면, 촉매온도가 사전에 설정된 한계온도 이상인지 판단하는 단계;
   촉매온도가 한계온도 미만인 경우, 순간 스캐빈징 유량을 계산하는 단계:
   상기 계산된 순간 스캐빈징 유량으로부터 촉매에 저장되는 산소량을 계산하고, 상기 계산된 저장 산소량을 누적하는 단계; 및
   상기 촉매에 누적된 산소량과 목표 산소 저장량을 비교하여,
   (a) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 미만인 경우에는 현재의 엔진 운전상태를 유지하고,
   (b) 상기 촉매에 누적된 산소량이 목표 산소 저장량 이상인 경우에는 촉매 전단에서의 공연비가 농후하도록 하는 촉매 퍼지를 수행하는 단계;
   를 포함하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 목표 산소 저장량은 상기 촉매의 최대 산소 저장량 대비 70∼90% 범위 안에서 설정되는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 목표 산소 저장량은 상기 순간 스캐빈징 유량에 반비례하는 관계로 가변되는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 순간 스캐빈징 유량은 밸브 오버랩 크기, 상기 엔진의 회전수, 흡기압력과 배기압력의 비에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 촉매에 저장되는 산소량은 상기 순간 스캐빈징 유량과 상기 촉매 전단에서의 공연비를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 촉매 퍼지는 상기 촉매에 저장된 산소량이 사전에 설정된 수준에 도달할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 촉매온도가 한계온도 이상인 것으로 판단되는 경우에는 밸브 오버랩을 축소하는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
8. 제1항에 있어서,
   밸브 오버랩 크기가 사전에 설정된 수준 이상이면서 흡기압력이 배기압력보다 높을 때, 상기 엔진이 스캐빈징 영역에서 운전되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 스캐빈징시 촉매 퍼지 제어방법.
   

Images