KR101816426B1 - 촉매 히팅 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매컨버터의 상류 및 하류 측에 람다센서가 각각 설치된 촉매시스템의 촉매 히팅 구간을 제어하는 촉매 히팅 제어방법으로, 엔진의 시동이 온된 후에 배기가스 온도를 산출하는 단계; 산출된 배기가스 온도에 대응하여 촉매의 산소저장용량을 산출하는 단계; 산출된 산소저장용량을 기준값과 비교하여 촉매의 에이징 정도를 판정하는 단계; 및 판정된 촉매 에이징 정도에 따라 촉매 히팅구간의 시간을 서로 다르게 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

촉매 히팅 제어방법{METHOD FOR CATALYST HEATING CONTROL}
본 발명은 촉매 히팅 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 람다센서를 이용하여 산출된 배기가스의 온도를 통해 촉매의 에이징 정도를 판정하고, 촉매의 에이징 정도에 따라 적절한 촉매 히팅 구간의 시간을 결정함으로써 연비를 개선할 수 있는 촉매 히팅 제어방법에 관한 것이다.
엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 엔진, 촉매 등의 성능 개발에 매우 중요한 인자이다.
배기가스가 과도하게 높을 경우 엔진의 하드웨어 손상, 촉매 손상 등을 일으킬 수 있으며, 특히 터보차저가 장착된 엔진은 배기가스의 제어가 필요하다. 또한, 배기가스의 질량을 계산하고자 할 경우에는 배기가스의 온도가 필요하다.
이에 따라, 배기가스의 온도는 엔진의 하드웨어 보호 및 촉매의 활성화 등에 따른 엔진 성능을 제한하거나 연료분사를 제한하는 것에 이용되는 주요 인자로서, 엔진 제어에 필수적인 입력변수가 될 수 있다.
한편, 엔진에서 배출되는 배기가스는 촉매 커버터 등과 같은 정화장치를 거치면서 오염성분이 제거된 이후에 대기로 배출될 수 있다.
촉매 커버터에는 배기가스와 산화환원반응을 하는 촉매가 내장되으며, 이러한 촉매의 활성화를 하기 위하여 활성화 온도 이상이 되어야 한다.
그리고, 촉매의 LOT(Light-Off Temperature: 활성화 온도) 도달 시간을 단축하기 위한 촉매 히팅 제어(catalyst heating control)를 수행하고 있다.
하지만, 종래의 촉매히팅 제어방법은 촉매의 에이징 정도에 상관없이 동일한 촉매 히팅 구간의 제어 조건을 사용한다. 즉, 신품 촉매(fresh catalyst) 및 에이징 촉매(aging catalyst)의 구분없이 사용하고 있으므로 촉매의 에이징 정도에 따른 적절한 촉매히팅 제어가 이루어지지 못하고, 이로 인해 촉매의 에이징 정도에 따른 배기가스의 정화효율이 저하될 뿐만 아니라 연비가 악화되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 람다센서를 이용하여 산출된 배기가스의 온도를 통해 촉매의 에이징 정도를 판정하고, 촉매의 에이징 정도에 따라 적절한 촉매 히팅 구간의 시간을 결정함으로써 연비를 개선할 수 있는 촉매 히팅 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 촉매컨버터의 상류 및 하류 측에 람다센서가 각각 설치된 촉매시스템의 촉매 히팅 구간을 제어하는 촉매 히팅 제어방법으로,
배기가스 온도를 산출하는 단계;
산출된 배기가스 온도에 대응하여 촉매의 산소저장용량을 산출하는 단계;
산출된 산소저장용량을 기준값과 비교하여 촉매의 에이징 정도를 판정하는 단계; 및
판정된 촉매 에이징 정도에 따라 촉매 히팅구간의 시간을 서로 다르게 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 람다센서를 이용하여 산출된 배기가스의 온도를 통해 촉매의 에이징 정도를 판단하고, 촉매의 에이징 정도에 따라 적절한 촉매 히팅 구간을 결정함으로써 연비를 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 촉매 히팅 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 촉매 에이징의 정도에 따른 산소저장능력(OSC, Oxygen Storage Capacity)을 예시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1을 참조하면, 촉매시스템(1)은 배기경로(2)의 도중에 촉매 컨버터(3)가 설치될 수 있고, 촉매 컨버터(3)의 상류 및 하류 측에 람다센서(4)가 각각 설치될 수 있다.
촉매시스템(1) 상에서 배기가스 온도를 측정하기 위하여 배기가스 온도센서가 배기경로(2)에 별도로 장착될 수 있지만, 배기가스 온도센서는 고온의 배기가스를 견딜 수 있도록 구성됨에 따라 고가이고, 이에 현실적으로 배기가스 온도센서를 장착하지 않는 경우도 많이 있다.
이와 같이, 배기가스 온도센서를 장착하지 않은 경우에는 모델링에 의해 배기가스 온도를 산출할 수 있고, 그 산출된 배기가스의 온도를 차량의 엔진 제어 및 촉매 히팅 제어 등에 활용하고 있다.
모델링에 의한 배기가스 온도의 산출과정을 구체적으로 살펴보면, 차량의 개발 단계에서 실제 배기가스 온도센서를 장착한 상태에서, 엔진의 RPM 및 부하 등에 따른 배기가스 온도가 측정된 데이터를 평균하여 엔진의 RPM 및 부하 등에 따른 배기가스 온도의 모델값을 모델링할 수 있다. 그 이후에 차량의 양산단계에서 상술한 데이터를 차량의 ECU에 입력하고, 이에 차량의 ECU는 엔진의 RPM 및 부하 등에 따른 배기가스 온도의 모델값을 판단할 수 있다.
이러한 배기가스 온도의 모델값이 실제 차량에 적용될 경우에 배기가스의 경로 및 튜브 조건, 열전달에 의한 오차 등으로 인해 엔진의 다양한 조건(예컨대, 배기가스 온도가 더 높게 형성될 수 있는 조건)에 적합하지 못할 수도 있으므로 배기가스의 모델값에 대해 마진을 확보하여 엔진 하드웨어 소손 및 촉매 파손을 방지하는 안전 측면에서 제한적으로 사용될 수 있다.
이에, 본 발명은 배기가스 온도센서 대신에 람다센서(4)를 이용하여 배기가스의 온도를 산출할 수 있다.
람다센서(4)는 목적 가스의 유무에 따라 센서의 출력 신호가 크게 변화하는 출력 특성이 있는 가스 센서로서, 람다값을 측정할 수 있다. 람다센서(4)의 내부에는 히터가 내장되어 있으며, 배기가스 온도 변화에 따라 람다센서(4)의 온도가 변화하고, 이에 람다센서(4)의 히터의 저항값이 변할 수 있다.
람다센서(4)에는 람다센서(4)의 저항값을 모니터링하는 제어부(5)가 접속될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(5)는 엔진(10)을 제어하는 차량용 ECU일 수 있다. 이와 같이 제어부(5)가 차량용 ECU인 경우에는 제어부(5)는 일정 시간 동안 엔진(10)의 연료분사량을 증가시키도록 제어함으로써 촉매 컨버터(3)의 촉매가 활성화온도에 신속하게 도달하게 하는 촉매 히팅(catalyst heating control)를 실시할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 촉매 컨버터(5)의 내부에 히터가 내장된 구조일 경우, 제어부(5)는 촉매 컨버터(5)의 히터를 제어함으로 촉매 히텅제어를 실시하도록 구성될 수 있으며, 제어부(5)는 차량용 ECU와 별개로 구성될 수도 있다.
람다센서(4)는 일정한 활성화시간(A) 이내에 활성화되어야 정상작동할 수 있다. 예컨대, 활성화시간(A)은 이슬점(dew point)를 기준으로 6초일 수 있다.
람다센서(4)는 대략 800℃ 기준으로 히팅 제어되고, 람다센서(4)의 온도가 800℃ 일 경우에는 저항값이 100Ω정도가 될 수 있다. 배기가스의 온도가 800℃ 보다 낮을 경우에는 저항값은 100Ω 보다 작으며, 배기가스의 온도가 800℃ 보다 클 경우에는 저항값은 100Ω 보다 크게 이루어질 수 있다. 즉, 람다센서(4)의 저항값은 배기가스 온도에 반비례하여 변할 수 있다.
제어부(5)는 람다센서(4)의 저항값(B)을 인식할 수 있고, 람다센서(4)의 저항값(B)을 통해 람다센서(4)의 온도(Ts)를 인식할 수 있다.
그리고, 람다센서(4)의 열전달 관계식 등을 통해 람다센서(4)의 온도(Ts)로부터 배기가스 온도(Tg)를 산출할 수 있다.
한편, 람다센서(4)의 열전달 관계식은 아래의 [수학식 1], [수학식 2], [수학식 3] 등으로 예시될 수 있다.
Figure 112016074559124-pat00001
여기서,
Figure 112016074559124-pat00002
는 람다센서의 밀도(kg/m3)이고, Cps는 센서의 비열(J/kgK)이며, Vs는 람다센서의 체적(m3)이며, Ts는 람다센서의 온도(K)이고, hs는 배기가스와 람다센서 사이의 열전달계수(W/m2K)이며, As는 배기가스와 람다센서 사이의 열전달면적(m2)이며, Tg는 배기가스의 온도(K)이고, P는 람다센서에 입력되는 전원(W)이며, Asc는 열전도를 위한 람다센서의 단면적(m2)이고, ks는 람다센서의 열전도도(W/mK)이며, Ls는 배기파이프로의 열전도를 위한 람다센서의 길이(m)이고, Tw는 배기파이프의 온도(K)이다.
Figure 112016074559124-pat00003
여기서, P는 람다센서에 입력되는 전원(W)이고,
Figure 112016074559124-pat00004
는 듀티사이크(duty cycle)이며, I는 전류(A)이다.
[수학식 2]를 [수학식 1]에 대입하면 아래와 같이 [수학식 3]이 정리될 수 있다.
Figure 112016074559124-pat00005
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 촉매 히팅 제어방법을 도시한다.
도 2를 참조하면, 엔진의 시동이 온된(S1) 이후에 엔진이 주행상태가 된다(S2).
그 이후에, 람다센서(4)의 작동시간이 활성화시간(A) 이상인지를 판단함으로써 람다센서(4)가 활성화되었는지를 판단한다(S3).
람다센서(4)의 작동시간이 활성화시간(A) 이상이 되면 제어부(5)는 람다센서(4)의 저항값(B)을 인식하고(S4), 람다센서(4)의 저항값(B)을 통해 람다센서(4)의 온도(Ts)를 산출한다(S5).
람다센서(4)의 작동시간이 활성화시간(A) 미만이면 엔진의 RPM 및 부하 등에 따라 모델링된 배기가스 온도의 모델값으로부터 배기가스의 온도(Tg)를 산출할 수 있다(S3-1).
그리고, 람다센서(4)의 열전달 관계식 등을 통해 람다센서(4)의 온도(Ts)로부터 배기가스 온도(Tg)를 산출할 수 있다(S6).
산출된 배기가스 온도(Tg)가 산소저장용량(OSC, Oxygen Storage Capacity)을 변별하는 변별 기준온도(D) 보다 큰 지를 판단한다(S7). 예컨대, 기준온도(D)는 650℃일 수 있다.
배기가스 온도(Tg)가 변별 기준온도(D) 보다 큰 경우에는 신품 촉매의 산소저장용량과 에이징 촉매의 산소저장용량 사이에서 변별력이 없다. 이는 배기가스 온도(Tg)가 기준온도(D) 보다 큰 경우에는 신품 촉매의 산소저장용량의 분포와 에이징 촉매의 산소저장용량의 분포가 서로 중첩하는 부분이 많은 불규칙한 분포경향을 나타내기 때문이다.
이에 따라, 배기가스 온도(Tg)가 변별 기준온도(D) 보다 큰 것으로 판단되면, 촉매 히팅구간(Cataylst Heating period)의 시간을 제1설정시간(V)으로 결정한다(S8).
여기서, 제1설정시간(V)은 배기가스(Emission)의 규제법규를 만족하는 안전성을 확보할 수 있도록 에이징 촉매에 대한 촉매 히팅구간의 시간일 수 있다. 예컨대, 제1설정시간(V)은 50초일 수 있다.
그리고, 배기가스 온도(Tg)가 변별 기준온도(D) 보다 낮으면, 배기가스 온도(Tg)에 대응하여 촉매의 산소저장용량(Z)을 산출한다(S9).
산출된 산소저장용량(Z)을 하나 이상의 변곡값(C)과 비교하여 변곡값(C, inflection value) 보다 큰지를 판단한다(S10).
여기서, 변곡값(C)은 촉매의 에이징 정도에 따라 변화하는 산소저장용량(Z)의 급격한 변곡점(inflection point)에 해당하는 산소저장용량의 값을 나타낸다.
예컨대, 도 3에 예시된 바와 같이 변곡값(C)이 하나이고, 변곡값(C)이 1500mmg인 경우에, 산소저장용량(Z)이 변곡값(C) 보다 크면 신품 촉매(fresh catalyst)로 판정될 수 있고, 산소저장용량(Z)이 변곡값(C) 보다 작으면 에이징 촉매(aging catalyst)로 판정될 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 신품 촉매에 해당하는 영역(X)에서의 산소저장용량의 변화 경향(도 3의 FC 선 참조)과 에이징 촉매에 해당하는 영역(Y)에서 산소저장용량의 변화 경향(도 3의 AC 선 참조)이 서로 상이함을 알 수 있다.
한편, 도 3에는 신품 촉매에 해당하는 영역(X)에서의 산소저장용량의 변화(도 3의 FC선 참조) 경향이 FC선으로 간략하게 직선형태로 표시되고, 에이징 촉매에 해당하는 영역(Y)에서 산소저장용량의 변화 경향(도 3의 AC선 참조)이 AC선으로 간략하게 직선형태로 표시되어 있지만, 이러한 산소저장용량의 변화 경향은 단순한 직선 형태 이외에 보다 다양한 형태로 나타날 수도 있다.
산소저장용량(Z)이 변곡값(C) 보다 큰 것으로 판단되면, 제어부(5)는 촉매컨버터(3)의 촉매를 신품 촉매(fresh catalyst)로 판정하고(S11), 이에 따라 제어부(5)는 촉매 히팅 구간의 시간을 제2설정시간(W)으로 결정한다(S12).
여기서, 신품 촉매의 경우 산소저장용량이 높으므로 촉매의 활성화온도에 도달하는 시간이 상대적으로 짧을 수 있고, 이에 제2설정시간(W)은 제1설정시간(V)에 비해 상대적으로 짧게 설정될 수 있다. 예컨대, 제2설정시간(W)은 20초일 수 있다.
산소저장용량(Z)이 변곡값(C) 보다 작은 것으로 판단되면, 제어부(5)는 촉매컨버터(3)의 촉매를 에이징 촉매(aging catalyst)로 판정하고(S13), 이에 따라 제어부(5)는 촉매 히팅 구간의 시간을 제3설정시간(Y)으로 결정한다(S14).
여기서, 에이징 촉매의 경우 산소저장용량이 낮으므로 촉매의 활성화온도에 도달하는 시간이 상대적으로 길어질 수 있고, 이에 제3설정시간(S)은 제2설정시간(W)에 비해 상대적으로 길게 설정될 수 있다. 예컨대, 제3설정시간(S)은 50초일 수 있다. 또한, 제3설정시간(S)은 제1설정시간(V)과 동일하게 설정될 수도 있다.
한편, 도 3에는 하나의 변곡값(C)이 나타나는 것으로 예시되어 있지만, 촉매의 사양에 따라 2 이상의 변곡값이 나타날 수 있으며, 이에 따라 산소저장용량을 각 변곡값과 비교함으로써 촉매의 에이징 정도를 차량의 누적 마일리지에 따라 구분할 수 있고, 이를 통해 촉매의 에이징 정도에 따라 촉매 히팅구간의 시간을 보다 다양하게 설정할 수도 있다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
1: 촉매시스템
2: 배기경로
3: 촉매컨버터
4: 람다센서
5: 제어부
10: 엔진

Claims (9)

  1. 촉매컨버터의 상류 및 하류 측에 람다센서가 각각 설치된 촉매시스템의 촉매 히팅 구간을 제어하는 촉매 히팅 제어방법으로,
    배기가스 온도를 산출하는 단계;
    상기 배기가스 온도와 산소저장용량(OSC, Oxygen Storage Capacity)을 변별하는 변별 기준온도를 비교하고, 상기 배기가스 온도가 상기 변별 기준온도 보다 크면 촉매 히팅구간의 시간을 제1설정시간으로 결정하는 단계;
    산출된 배기가스 온도에 대응하여 촉매의 산소저장용량을 산출하는 단계;
    산출된 산소저장용량을 기준값과 비교하여 촉매의 에이징 정도를 판정하는 단계; 및
    판정된 촉매 에이징 정도에 따라 촉매 히팅구간의 시간을 서로 다르게 결정하는 단계;를 포함하는 촉매 히팅 제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스 온도가 변별 기준온도 보다 작으면 촉매의 산소저장용량을 산출하고,
    상기 산소저장용량이 변곡값 보다 크면 상기 촉매를 신품 촉매로 판정하여 촉매 히팅 구간의 시간을 제2설정시간으로 결정하며,
    상기 변곡값은 촉매의 에이징 정도에 따라 변화하는 산소저장용량의 급격한 변화지점에 해당하는 산소저장용량의 값인 촉매 히팅 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2설정시간은 상기 제1설정시간 보다 짧은 촉매 히팅 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 산소저장용량이 변곡값 보다 작으면 상기 촉매를 에이징 촉매로 판정하여 촉매 히팅 구간의 시간을 제3설정시간으로 결정하는 촉매 히팅 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3설정시간은 상기 제2설정시간 보다 길게 이루어지는 촉매 히팅제어방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    엔진의 시동이 온된 이후에 람다센서의 온도를 통해 배기가스 온도를 산출하는 촉매 히팅 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 람다센서의 작동시간이 활성화시간 이상이면 람다센서의 저항값을 인식하고, 상기 람다센서의 저항값을 통해 람다센서의 온도를 산출하는 촉매 히팅 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    람다센서의 열전달 관계식을 통해 상기 람다센서의 온도로부터 배기가스 온도를 산출하는 촉매 히팅 제어방법.
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