KR102084212B1 - 질소 산화물 트랩의 진단 방법 및 이와 결합된 엔진 - Google Patents

질소 산화물 트랩의 진단 방법 및 이와 결합된 엔진 Download PDF

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Abstract

자동차의 내연 엔진에 의해 방출되는 질소 산화물을 저장하도록 설계된 질소 산화물 트랩의 진단 방법으로서, 적어도 하기로 구성된 단계를 포함한다: - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 결정하는 단계; - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 결정하는 단계; - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)과 비교하는 단계; - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 비교하는 단계; 및 - 하기로부터 상기 트랩(12)의 상태에 대한 진단을 수립하는 단계: 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)보다 더 큰 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제1 진단 표준(C1); 및 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll) 사이에 포함되는 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제2 진단 표준(C2).

Description

질소 산화물 트랩의 진단 방법 및 이와 결합된 엔진{Method for diagnosing a nitrogen oxide trap and associated engine}
본 발명은 희박 연소(lean-burn) 모드에서 통상적으로 구동되는 내연 엔진, 특히 자동차에 구비된 디젤 엔진의 배기 장치에서의 오염 물질 방출의 후처리의 분야에 관한 것이다.
본 발명은 더욱 구체적으로 그러한 엔진의 배기 라인에 구비된 질소 산화물 (NOx) 트랩에 대한 온보드 진단 방법(onboard diagnosis method)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 수행하는 진단 장치에 관한 것이다.
오늘날의 엔진들은 통상적으로 화학양론적 비율 아래의 공기의 양에 대한 연료의 양의 비율을 의미하는 린(lean)을 구동시키기 때문에, 이들에 종종 촉매성 질소 산화물 (NOx) 트랩을 포함하는 배기 라인이 구비되어, 건강과 환경에 해로운 이 화학종의 대기 방출을 제한한다.
알려진 바와 같이, 그러한 트랩은 순차적으로 작동한다. 통상적인 엔진의 희박 연소 구동 중에, 상기 트랩은 특정 비율을 의미하는 특정 정도의 효율로, 엔진의 연소로부터 유래된 질소 산화물의 분자를 저장하고, 트랩에 붙잡히지 않고 트랩을 통과하는 분자들의 나머지는 대기로 직접적으로 방출된다.
제2 국면에서, 예를 들어, 트랩 내에 저장된 질소 산화물의 질량이 특정 역치에 도달하는 때, 엔진 컴퓨터는 작동의 농후 연소(rich-burn) 모드로의 엔진의 배치전환을 유발시키고, 여기서 농후 연소 모드는 화학양론적 조건에 비하여 공기에 대해 과량의 연료를 갖는 모드를 의미한다. 따라서, 트랩은 퍼지(purge)된다: 트랩 내에 저장된 NOx 분자는 엔진 배기 가스 내에 포함된 환원제(미연소된 탄화 수소 및 일산화탄소)의 작용 하에서 무해종으로 환원되고, 이는 외부 대기로 배출된다.
이들 트랩으로서, 이들이 구비된 자동차는 그 자동차가 운행되는 나라의 규정을 충족시킬 수 있다. 이들 규정은 배기 가스 내에 방출되는 다양한 양의 오염 물질에 대하여 최대 한계를 설정한다. 예를 들어, "Euro6"로서 지칭되는 유럽의 규정은, 디젤 엔진을 구비하고, 160,000 킬로미터 이하를 주행한 임의의 개인용 자동차가, 배기가스 중에서 킬로미터 당 단지 80 밀리그램의 NOx만을 방출할 것을 요구하고, 이러한 방출은 NEDC 사이클로 알려진 최대 자동차 호몰로게이션 사이클(homologation cycle)에 대해 측정된 NOx 방출의 총량의 킬로미터 당 평균으로 계산된다.
그러한 표준의 준수는 사이클 중의 엔진에 의해 방출된 NOx의 양 및 트랩의 평균 효율, 즉, 트랩이 NEDC 사이클에서 엔진이 린을 구동하는 국면 중에 평균적으로 저장할 수 있는 엔진에 의해 방출되는 NOx 분자의 백분율에 의존한다는 것이 전술한 내용으로부터 이해될 것이다. 전형적으로, 디젤 엔진의 경우, 160,000 킬로미터 표시에 도달하기 전에 표준에 의해 허용되는 수준의 2배를 방출하는 데, 만일 질소 산화물 트랩의 평균 효율이 여전히 50%보다 높다면, 상기 표준은 160,000 킬로미터 표시에 도달하기 전에 준수될 수 있다.
더욱이, OBD(배출가스 온보드 진단, On-Board Diagnostics) 표준은 자동차 제조사에게 자동차의 수명에 따른 오염 물질 방출 조절 장치의 효율을 모니터링할 것을 요구한다. 이들 자동차는, 구비된 질소 산화물 트랩이 결함이 있음을 검출할 수 있고, 이를 자동차의 운전자에게, 예를 들어, 지시 램프에 불이 들어오게 함으로써 그 자동차는 트랩을 교체하여 수리되는 것이 요구된다는 사실을 경고하는 진단을 실행해야만 한다.
이제까지의 강화된 규정에 따라, 질소 산화물 트랩은 잔류 평균 효율(residual mean efficiency)이 여전히 높은, 예를 들어 25%를 유지하는 때조차 결함이 있다고 간주된다. 즉, 그 이하로는 트랩이 결함이 있다고 선언되는 평균 효율은 오염 물질 규정을 정확히 충족할 수 있는 트랩의 평균 효율보다 더 낮지만, 그 효율에 매우 근접한다.
따라서, 질소 산화물 트랩의 평균 효율을 매우 정확하게 진단하는 것에 대한 요구가 있다. 더욱 구체적으로, 온보드 진단은 우수한 작업 순서의 트랩, 예를 들어, 평균 효율이 50%인 트랩을 의미하는 "탈NOx 한계(deNOx limit)"에서의 트랩, 및 예를 들어 평균 효율이 25%인 트랩을 의미하는 "OBD 한계(OBD limit)"에서의 트랩 간을 구별하는 것이 가능하도록 요구한다. 그러한 진단은 신뢰성을 요구하고, 이는 비검출(non-detection) (즉, 검출되지 않는 것으로 판단된 결함이 있는 트랩으 경우) 및 오검출(false detection) (즉, 검출되지 않았으나 검출된 것으로 판단된 트랩의 경우)의 위험을 피하는 것이 요구된다는 것을 의미한다. "탈NOx 한계" 트랩의 효율 바로 아래의 트랩의 효율의 검출은 엔진의 단순한 조절 또는 서비스를 요구하여 또다시 자동차가 순응하게(compliant) 할 수 있는 반면, "OBD 한계" 트랩의 효율 아래로 하락된 트랩의 효율의 검출은 완전한 트랩의 교체를 요구할 것이다.
질소 산화물의 효율을 평가하기 위해 소구된 다양한 진단 방법은 종래 기술에 알려져 있다. 예를 들어 공보 제FR2916017호는 퍼지 국면 중에 사용된 환원제의 양 및 트랩 내에 저장된 질소 산화물의 양으로부터 트랩을 진단하는 방법을 개시한다. 공보 제FR2940356호는 또한 퍼지 국면 중의 환원제의 유량(flow rate)의 함수로 트랩을 진단하는 방법을 개시한다.
그러나, 알려진 진단 방법들은 정확성이 부족하다. 더욱 구체적으로, 트랩의 퍼징 국면 중의 측정 또는 추정에 의존하는 방법은 매우 특정 시점에만, 즉, 초기 퍼지의 조건이 모두 충족되는 때, 예를 들어 트랩 내에 저장된 NOx의 질량이 역치에 도달하는 때에만 사용될 수 있다. 추가적으로, 이들은 퍼징의 효율, 즉, 반응의 수율에도 의존하고, 이에 의해 NOx는 배기 가스 내에 포함된 환원제에 의해 환원되고, 트랩 저장 효율에만 의존하는 것은 아니어서, 이로써 결과가 왜곡될 수 있다.
본 발명은 알려진 진단 방법의 결함을 극복하기 위해 제안된다. 이를 위하여, 본 발명은 자동차 내연 기관에 의해 방출되는 질소 산화물을 저장할 수 있는 질소 산화물 트랩을 진단하는 방법을 제안하고, 이는 적어도 하기에 존재하는 단계를 포함하는 것으로 특성 분석된다:
- 상기 트랩의 순간 효율을 결정하는 단계;
- 상기 트랩의 순간 효율을 제1 기준 트랩의 순간 효율과 비교하는 단계;
- 상기 트랩의 순간 효율을 제2 기준 트랩의 순간 효율과 비교하는 단계; 및
- 하기로부터 상기 트랩의 상태에 대한 진단을 수립하는 단계:
ㆍ 상기 트랩의 순간 효율이 상기 제1 기준 트랩의 순간 효율보다 더 큰 때의 상기 진단의 지속기간의 백분율과 동일한 제1 진단 표준; 및
ㆍ 상기 트랩의 순간 효율이 상기 제2 기준 트랩의 순간 효율과 상기 제1 기준 트랩의 순간 효율 사이에 포함되는 때의 상기 진단의 지속기간의 백분율과 동일한 제2 진단 표준.
본 발명은 또한 본 방법을 실행할 수 있는 진단 장치가 구비된 엔진을 제안한다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들이 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 비제한적인 실시예로부터 명백해질 것이다.
- 도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있는 진단 장치를 구비한 내연 엔진의 개략도이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 진단 방법의 다양한 단계들을 예시한다.
- 도 3은 다양한 엔진 작동 파라미터의 상태에 따른 트랩의 순간 효율, 및 "탈NOx 한계" 및 "OBD 한계"의 효율의 시간에 대한 변화를 도시한 그래프이다.
- 도 4는 본 방법의 진단 표준을 진단 역치와 비교한 단계를 도시한 개략도이다.
도 1은 희박 연소 내연 엔진(1), 예를 들어 디젤 엔진을 개략적으로 도시한다. 엔진(1)은 (도면에서 4개 존재하는) 실린더(2)를 포함하고, 이들 각각은 연료 레일(4)로부터 인젝터(3)에 의해 연료를 공급받고, 흡입 매니폴드(5)로부터 공기를 공급받는다.
제한하려는 의도 없이, 엔진(1)으로 도입되는 공기의 유량 Qadm은 상기 흡입 매니폴드(5)의 유입구에 위치된 유량계(6)에 의해 측정될 수 있다. 대안으로서(미도시), 이는 또한 질량 보존의 법칙을 사용하여 엔진(1)의 배기 장치상의 유량계를 사용하여 배기 가스 Qexh의 유량을 측정하고, 상기 실린더(2) 안으로 주입되는 연료의 유량 Qcarb에 이 가스 유량 Qexh을 더함으로써 추정될 수 있다.
실린더(2)에서의 연소로부터 유래된 연소 가스(burned gases)는 배기 매니폴드(7)를 통하여 배기 라인(8) 안으로 방출되고, 상기 배기 라인(8)은 배기 가스의 처리를 위한 촉매 장치(9), 배기 매니폴드(7)와 촉매 장치(9)를 연결하는 배기 다운파이프(exhaust downpipe, 10), 및 배기 가스가 촉매 장치(9)에 의해 처리된 이후 외부 대기로 방출되기 위해 통하는 배기 파이프(11)를 포함한다.
촉매 장치(9)는 질소 산화물 트랩(12)을 포함한다. 이는 또한, 배기 가스의 처리를 위한 추가 장치(13), 예를 들어 엔진(1)에서의 연소에 의해 방출되는 수트(soot)를 처리할 수 있는 과립형(particulate) 필터(13)를 포함할 수 있다. 질소 산화물 트랩(12)은 트랩(12)의 온도 θNT가 측정될 수 있도록 온도 프로브(14)를 구비한다. 두 개의 질소 산화물 센서(15, 16)가 각각 촉매 장치(9)의 (배기 가스의 흐름 방향의) 상류 및 하류에 탑재된다. 상류 질소 산화물 센서(15)는 연결 파이프(10)에 설치될 수 있고, 하류 질소 산화물 센서(16)는 배기 파이프(11) 상에 설치될 수 있다.
알려진 바와 같이, 엔진(1)의 작동은 컴퓨터(17)에 의해 좌우된다. 이는 특정 수의 센서, 및 적어도 유량계(6), 인젝터(3), 온도 프로브(14) 및 두 개의 상류 및 하류 NOx 센서(15, 16)를 포함하는 작동기(actuators)에 연결된다.
상기 컴퓨터(17)는 공기 유량 Qadm에 대해 주입된 연료의 유량 Qcarb를 조절함으로써 연료/공기 혼합물의 농후도(richness, r)를 결정한다. 농후도 r이 1 미만인 경우, 즉, 공기 유량 Qadm이 화학양론적 비율과 비교시 연료 유량 Qcarb에 대하여 과량인 경우, 트랩(12)은 엔진(1)에서의 연소로부터 유래된 질소 산화물 분자 중의 일부를 저장한다.
각각의 순간에, 상류 센서(15) 및 하류 센서(16)로써 각각 촉매 장치(9)의 유입구에서의 NOx 농도 [NOx]in 및 유출구에서의 NOx 농도 [NOx]out을 측정할 수 있다. 이들 두 센서(15, 16)로써 질소 산화물 트랩(12)의 순간 저장 효율 ε, 또는 순간 효율 ε를 추정하는 것이 가능하고, 이때 하기 수학식을 사용한다:
(수학식 1) ε= [NOx]in - [NOx]out/[NOx]in
대안으로서, 상류 질소 산화물 센서(15)는 생략될 수 있다. 만일 그러한 경우, 촉매 장치(9)의 유입구에서의 NOx 농도 [NOx]in은 엔진(1)의 작동 시점의 함수로 맵(map)으로부터 매 순간마다 추정될 수 있다. 그러한 작동 시점은 적어도 엔진(1)의 회전 속도 N, 예를 들어 운전자가 자동차의 스로틀 페달(throttle pedal)을 누르는 정도로부터 구해지는 토크 요구(torque demand) C, 및 엔진의 온도의 지표값 θmot, 예를 들어 오일 온도 또는 물 온도를 포함하는 다양한 파라미터에 의존한다. 엔진(1)의 작동 시점의 함수로 NOx 농도의 매핑(mapping)이 파라미터를 통한 스위핑(sweeping)에 의해 테스트 베드(test bed)에서 미리 수립될 수 있다. 이는 이후 엔진(1)의 컴퓨터(17)의 메모리에 저장된다. 자동차 작동 중에, 촉매 장치(9)의 유입구에서의 NOx 농도 [NOx]in은 엔진(1)의 현 작동 시점의 파라미터의 함수로 이 맵으로부터 결정된다.
예를 들어, 트랩(12) 내에 저장된 질소 산화물의 질량이 주어진 역치 또는 규칙적인 시간 간격에 도달하는 경우, 컴퓨터(17)는 엔진(1)이 1 보다 높은 농후도 r로, 즉, 공기 유량 Qair에 대해 과량의 연료 유량 Qcarb를 갖게끔 스위치 오버되도록 유도한다. NOx 분자는 트랩(12) 내에서 배기 가스 내에 포함된 환원제(미연소된 탄화수소)와 반응하고, 무해한 분자로 환원된다. 퍼지 작동을 충분히 길게 연장함으로써, 트랩(12)이 사실상 그것의 NOx의 저장량을 완전히 퍼지한다는 점이 보장된다.
트랩(12)의 순간 효율ε은 단 한번의 추정을 통해서 트랩(12)이 결함이 있는지 여부를 정확히 결정하는 것은 가능하지않는 데, 이는 상기 순간 효율이 일정하지 않기 때문이다. 이는 매 순간 t에서 하기에 의존한다:
- 트랩(12)의 온도 θNT;
- 트랩(12)을 통과한 배기 가스의 유량 Qexh;
- 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in;
- 농후도 r; 및
- 순간 t에서의 트랩(12) 내에 이미 저장되어 있는 질소 산화물의 질량 MNOx.
본 발명은, 충분히 긴 지속기간 T에 걸쳐, 이 트랩의 순간 효율 ε과 다음을 비교하고:
- 한편으로는, "탈NOx 한계" 트랩(18) (도 1에는 미도시됨)으로서 지칭되는, 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll; 및
- 다른 한편으로는, "OBD 한계" 트랩(19) (도 1에는 미도시됨)으로서 지칭되는, 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율 εOBD,
이후, 적어도 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll 보다 더 큰 때의 진단의 지속기간 T의 백분율로부터 진단을 수립함으로써, 상기 트랩(12)의 진단 결함을 제안한다.
"탈NOx 한계" 트랩(18)이 의미하는 것은, 규정에 의해 부과된 사이클에 대한 트랩의 평균 NOx 저장 효율이 자동차가 법적 역치(legal threshold)와 정확히 동일한 양의 NOx 를 방출하는 것을 허용하는 정도인 트랩이다. 예를 들어, "Euro6"로서 지칭되는 유럽 기준의 경우, 역치는 NEDC로서 지칭되는 사이클 전체에 대하여 킬로미터 당 단지 80 밀리그램의 NOx이다. 엔진의 연소가 상기 역치보다 2 배만큼 많은 NOx를 방출하는 엔진(1)의 경우, 제1 기준 트랩(18)은 50%의 평균 효율을 갖는다.
"OBD 한계" 트랩(19)은, 규정에 의해 부과된 동일한 사이클에 대한 트랩의 평균 효율이, 더 낮은 효율의 임의의 구성요소는 OBD 기준(온보드 진단을 나타내는 OBD)에 의한 결함이 있음이 선언되어야 하는 정도인 트랩을 의미한다. 이와 같은 제2 기준 트랩(19)의 평균 효율은, 예를 들어 25%로서, 제1 기준 트랩(18)의 평균 효율보다 낮지만, 이에 근접한다. 즉, OBD 기준은 0(zero)까지 하락된 바로 그 트랩의 효율보다 여전히 비교적 꽤 높은 잔류 효율(residual efficiency)을 갖는 트랩을 결함이 있는 것으로 간주한다. 결함이 있는 트랩(12), 즉, 제2 기준 트랩(19)보다 덜 효율적인 트랩은, 예를 들어 기기 패널상의 지시 램프에 불이 들어오게 함으로써, 그것이 교체될 수 있도록, 자동차의 운전자의 관심을 일으키는 것이 요구된다.
도 2는 본 발명에 따른 진단 방법으로서 사용된 트랩(12)의 순간 효율 ε을 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll 및 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율 εOBD와 비교하는 하나의 방법을 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 방법은 초기 단계(100)을 포함하고, 이 단계에서 트랩 온도 θNT의 함수로 두 개의 기준 트랩(18, 19) 각각의 효율 εpoll, εOBD, 그것을 통과하는 배기 가스의 유량 Qexh, 유입된 질소 산화물 농도 [NOx]in, 농후도 r, 및 포함된 질소 산화물의 질량 MNOx의 맵이 컴퓨터 17에 저장된다. 예를 들어, 기준 트랩(18, 19)은 신규 트랩(12)을 고온의 용광로 내에서 인위적으로 에이징(aging)시킴으로써 인위적으로 제조될 수 있다. 전형적으로 제1 기준 트랩(18) 또는 "탈NOx 한계" 트랩(18)은 약 900℃의 온도에서 용광로 내에 5 시간 동안 두고, 제2 기준 트랩(19) 또는 "OBD 한계" 트랩은 약 1200℃의 온도에서 용광로 내에 5 시간 동안 둔다. 상기 맵은 다음과 같고:
(맵 2) εpoll = εpoll (θNT; Qexh; [NOx]in; r; MNOx)
및
(맵 3) εOBD = εOBD (θNT; Qexh; [NOx]in; r; MNOx)
이는 컴퓨터(17)에서 최종적으로 이들을 저장하기 전에 이들 테스트 베드에서의 파라미터를 통한 스위핑에 의하여 구해질 수 있다.
더욱이, 이 초기 단계(100) 동안, 컴퓨터(17)의 부분을 형성하는 다양한 계수기(counters) 중에서 다음의 것들이 0으로 설정된다:
- 진단의 지속기간 t의 계수기;
- 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll보다 더 큰 때의 시간에 상응하는, 제1 지속기간 t1의 제1 계수기;
- 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll보다 더 낮지만, 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율 εOBD 보다 여전히 더 높게 유지되는 때의 시간에 상응하는, 제2 지속기간 t2의 제2 계수기;
- 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율 εOBD 보다 더 낮은 때의 시간에 상응하는, 제3 지속기간 t3의 제3 계수기; 및
- 트랩(12) 내에서 저장된 질소 산화물의 질량 MNOx의 계수기.
유리하게는, 진단 방법이 질소 산화물의 모든 저장량이 환원되기에 충분히 긴 퍼지 국면 후에 즉시 시작되는 경우, 질소 산화물의 질량은 확실하게 0으로 설정된다.
대안적으로 (도 2의 단계(100)에는 도시되지 않았지만), 트랩(12) 내에 포함된 질소 산화물의 질량 MNOx에 대한 값을 미리 결정된 제로가 아닌(non-zero) 값으로 설정하는 것 또한 가능하다. 예를 들어, 이 질량 MNOx은 최종 퍼지 국면의 끝과 초기 설정된 순간 사이에서 시간에 대한 적분, 또는 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물의 질량 유량 [QNOx]in 과 촉매 장치(9)의 유출구에서의 질소 산화물의 질량 유량 [QNOx]out간의 차이로서 계산된다.
트랩(12)으로 도입되는 유입 질소 산화물 [QNOx]in의 질량 유량(mass flow rate)은 생성된 배기 가스 유량 Qexh과 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물의 농도의 질량 유량 [QNOx]in와의 곱으로부터 계산될 수 있고, 이때 [QNOx]in은 상류 프로브(15)에 의해 측정된다. 트랩(12)에서 배출되는 유출 질소 산화물 [QNOx]out의 질량 유량은 생성된 배기 가스 유량 Qexh과 촉매 장치(9)의 유출구에서의 질소 산화물의 농도의 질량 유량 [QNOx]out와의 곱으로부터 계산될 수 있고, 이때 [QNOx]out 는 하류 프로브(16)에 의해 측정된다.
본 방법은 진단의 지속기간 t, 제1, 제2 및 제3의 지속기간 t1, t2 및 t3에 대한 계수기, 및 질량 계수기 MNOx를 측정하는 계수기가, 이후에 기술되는 바와 같은, 본 방법의 이후 단계에서 모두 결정되는 하나의 진단 시간 스텝 △t에 의해, 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3 , 및 질량 차이 △MNOx에 의해, 각각 실행되는 단계(110)를 포함한다.
본 방법은 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [QNOx]in, 촉매 장치(9)의 유출구에서의 질소 산화물 농도 [QNOx]out, 트랩(12)의 온도(θNT), 배기 가스 유량 Qexh, 및 농후도 r을 결정하는 단계(120)를 포함한다.
본 방법은 다음을 계산하는 단계(130)를 포함한다:
- 하기 수학식을 사용한 질소 산화물 트랩(12)의 순간 효율 ε:
(수학식 1) ε= ([NOx]in - [NOx]out)/[NOx]in; 및
- 하기 각각의 맵을 사용한 두 개의 기준 트랩(18, 19)의 순간 효율:
(맵 2) εpoll = εpoll (θNT; Qexh; [NOx]in; r; MNOx)
및
(맵 3) εOBD = εOBD (θNT; Qexh; [NOx]in; r; MNOx).
본 방법은 질소 산화물 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll보다 더 높은지 여부를 테스트하는 제1 테스트 단계(140)를 포함한다.
이러한 제1 테스트가 긍정적(positive)인 경우, 본 방법은 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3를 미리 결정하는 단계(150) 쪽으로 진행한다. 이 단계(150)에서, 제1 지속기간 차이 △t1에는 값 1을 할당하고, 나머지 2 개에는 값 0을 할당한다. 만일 상기 테스트가 부정적(negative)인 경우, 본 방법은 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율 εOBD보다 더 큰 지 여부를 테스트하는 제2 테스트 단계(160) 쪽으로 진행한다.
이러한 제2 테스트가 긍정적인 경우, 본 방법은 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3를 미리 결정하는 단계(170) 쪽으로 진행한다. 이 단계(170)에서, 제2 지속기간 차이 △t2에는 값 1을 할당하고, 나머지 2 개에는 값 0을 할당한다. 만일 상기 테스트가 부정적인 경우, 본 방법은 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3를 미리 결정하는 단계(180) 쪽으로 진행한다. 이 단계(180)에서, 제3 지속기간 차이 △t3에는 값 1을 할당하고, 나머지 2 개에는 값 0을 할당한다.
본 방법의 단계(190)는 진행 전에 시간 스텝 △t가 경과되도록 기다려서, 단계(200)에서 진단 방법의 지속기간 t, 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3 및 질소 산화물의 질량 차이 △MNO를 갱신한다. 시간 스텝 △t의 값은 진단 방법의 지속기간 t에 더해진다. 0 또는 1의 값이 단계(150, 170 또는 180)로부터 유래된, 제1, 제2 및 제3 지속기간 차이 △t1, △t2 및 △t3에 시간 스텝 △t의 값을 곱한다. 질소 산화물의 질량 차이는 하기 수학식을 사용하여 계산된다:
(수학식 4) DMNOx = Qexh ㆍ([NOx]in - [NOx]out)ㆍ△t
이후, 본 방법은 진단 방법의 지속기간 t를 미리 결정된 지속기간 T와 비교하는 제3 테스트 단계(210)를 포함한다. 진단 방법의 지속기간 t가 미리 결정된 기간 T에 도달하지 않는 한, 방법 루프는 제1, 제2 및 제3 지속기간 계수기 및 질량 계수기가 수행되는 단계(110)로 되돌아간다. 더욱 구체적으로는 하기와 같다:
- 제1 지속기간 차이 △t1은 제1 지속기간 t1에 더해지고;
- 제2 지속기간 차이 △t2는 제2 지속기간 t2에 더해지고;
- 제3 지속기간 차이 △t3은 제3 지속기간 t3에 더해지고;
- 질소 산화물의 질량 차이 DMNOx는 질소 산화물의 질량 MNOx에 더해진다.
진단 방법의 지속기간 t가 미리 결정된 지속기간 T에 도달하거나 또는 T를 초과하는 경우, 본 방법은 여러 지속기간 및 질량 계수기의 실행을 멈추고, 진단 표준을 결정하는 단계(220)를 계속한다.
단계(220)에서, 하기가 계산된다:
- 수학식: C1 = t1/t를 사용하여, 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll보다 더 큰 때의 진단의 지속기간의 백분율과 동일하게 계산되는, 제1 진단 표준 C1;
- 수학식: C2 = t2/t를 사용하여, 순간 효율 ε가 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율 εpoll보다는 더 낮지만, 제2 기준 트랩(18)의 순간 효율 εOBD보다는 더 높은 때의 진단의 지속기간의 백분율과 동일하게 계산되는, 제2 진단 표준 C2;
- 수학식: C3 = t3/t를 사용하여, 트랩(12)의 순간 효율 ε가 제2 기준 트랩(18)의 순간 효율 εOBD보다 더 낮은 때의 지속기간에 상응하는 제3 지속기간 t3의 제3 계수기.
여기에서 상기 진단의 지속기간(t)의 백분율은 각각 해당하는 상기 진단의 총 지속기간에 대비한 백분율이다
상기 3 개의 수학식에서, t는 단계(220)로 스위치 전에 진단의 지속기간에 대한 최종 값을 나타낸다. 이는, 미리 결정된 지속기간 T와 동일하거나, 또는 상기 지속기간과 기껏해야 하나의 시간 스텝 △t만큼 상이하다.
이후, 본 방법은 제1 진단 표준 C1과 제1 역치 S1을 비교하는 단계(230)를 포함한다. 바람직하게는, 제1 역치 S1은 실질적으로 0.7과 동일하다. 만일 제1 진단 표준 C1이 제1 역치 S1보다 더 크다면, 진단 방법은 단계(240)에서 트랩(12)이 신규 상태에 있다고 결정하고,이 단계는 이후 운전자에게 임의의 정보의 피드백을 주지는 않지만, 운전자의 자동차의 트랩(12)이 교체된 이후 교체 트랩(12)이 사실상 신규 상태이고 제조 요구사항을 준수한다는 것을 입증하기 위하여 전문가에게 유용할 수 있다
만일 제1 진단 표준 C1이 제1 역치 S1보다 더 작다면, 본 방법은 제1 진단 표준 C1을 제1 역치 S1보다 더 작은 제2 역치 S'1과 비교하는 단계(250) 쪽으로 진행된다. 바람직하게는, 제2 역치 S'1은 0.12와 실질적으로 동일하다. 만일 제1 진단 표준 C1이 제2 역치 S'1보다 더 크다면, 진단 방법은 단계(260)에서 트랩(12)가 적어도 "탈NOx 한계" 트랩(18)에 상당하는지, 즉, 자동차에서의 방출이 규정을 준수하는 지를 결정한다. 이 단계는 이후 운전자에게 임의의 정보의 피드백을 주지 않는다.
만일 제1 진단 표준 C1이 제2 역치 S'1보다 더 작다면, 본 방법은 제2 진단 표준 C2과 제3 역치 S2을 비교하는 단계(270)를 향하여 계속된다. 바람직하게는 제3 역치 S2은 0.5보다 더 크다. 만일 제2 진단 표준 C2가 제3 역치 S2보다 더 크다면, 진단 방법은 단계(280)에서 트랩(12)이 자동차로부터의 방출이 더이상 규정을 준수하지는 않지만, 트랩(12)의 잔류 효율은 아직 교체될 것이 요구되지는 않음을 의미하는, 적어도 "OBD 한계" 트랩(19)에 상당하는지를 결정한다. 정보는 운전자에게 예를 들어 자동차 기기 패널 상의 제1 지시 램프에 불이 들어오게 함으로써 전달되고, 이로써 그는 자동차를 체크하고 유지 운용(maintenance operation)을 수행할 수 있다.
만일 제2 진단 표준 C2가 제3 역치 S2보다 더 작다면, 진단 방법은 단계(290)에서 트랩(12)이 더 이상 "OBD" 표준을 준수하지 않음을, 즉, 그것은 성능저하 되었음을 결정한다. 그것의 잔류 효율은 더 이상 단순히 자동차 유지 운용을 고려할 수 있을 정도로 충분하지 않다. 정보는 운전자에게 예를 들어 자동차 기기 패널 상의 제2 지시 램프에 불이 들어오게 함 으로써 전달되고, 이로써 그는 결함이 있는 트랩(12)을 교체할 수 있다.
도 3에서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 효율을 나타내고, 제1 기준 트랩(18) 또는 "탈NOx 한계" 트랩(18)의 순간 효율 εpoll 및 제2 기준 트랩(19) 및 "OBD 한계" 트랩(19)의 효율 εOBD의 시간에 대한 변화를 도시한다.
이들 순간 효율 값은, 트랩의 온도 θNT, 유량 Qexh, 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in, 농후도 r 및 트랩(12)에 이미 저장되어 있는 질소 산화물의 질량 MNOx에 의해 할당된 다양한 연속하는 값에 따라서 자동차 운전 프로파일 및 엔진(1)의 작동 지점의 함수로 달라진다.
미리 결정된 지속기간 T를 아직은 초과하지 않는 지속기간 t의 값 각각에서, 트랩(12)의 효율의 값은 본 방법의 단계(130)에 따라 수학식 1을 사용하여 시간 스텝 △t로 결정된다. 이 값은 두 개의 기준 트랩(18, 19)의 효율값 εpoll, εOBD과 비교된다(본 방법의 단계(140 및 160)).
도 3에서, 두 개의 기준 트랩(18, 19)의 효율 εpoll, εOBD의 변화를 도시하는 두 개의 곡선은 트랩(12)의 효율 ε의 3 개의 영역 Z1, Z2 및 Z3의 범위를 정한다. 상기 문자 Z1은 트랩(12)의 효율 ε가 "탈NOx 한계" 트랩(18)보다 더 큰 영역을 나타낸다. 상기 문자 Z2는 트랩(12)의 효율 ε가 "OBD 한계" 트랩(19)의 효율 및 "탈NOx 한계" 트랩(18)의 효율 사이에 포함되는 영역을 나타낸다. 상기 문자 Z3는 트랩(12)의 효율 ε가 "OBD 한계" 트랩(19)의 효율보다 낮은 영역을 나타낸다. 예시로서의 도 3은 트랩(12)의 효율 ε가 영역 Z3에 있는 진단에서의 순간 t를 도시한다.
3 개의 진단 표준 C1, C2 및 C3는 트랩(12)의 효율 ε가 3 개의 영역 Z1, Z2 및 Z3에 들어가는 진단의 총 지속기간의 백분율에 해당한다.
도 4는 본 방법의 단계(230 내지 290)에서 수행되는 (도 2 참조) 본 방법의 첫 번째 두 개의 진단 표준 C1 및 C2를 역치 S1, S'1 및 S2와 비교하는 단계를 도시한다. 가로축은 제2 진단 표준 C2를 나타내고, 세로 축은 제1 진단 표준 C1을 나타낸다.
도 4는 다음의 값을 고려한다: S1 = 0.7 (즉, 제1 영역 Z1에 들어가는 진단 지속기간의 70%), S'1 = 0.12 (즉, 제1 영역 Z1에 들어가는 진단 지속기간의 12%), 및 S2 = 0.5 (즉, 제2 영역 Z2에 들어가는 진단 지속기간의 50%).
트랩(12)은 조건 C1 ≥ S1이 만족되는 경우에 신규가 선언된다(도 2의 본 방법의 단계(240)). 트랩(12)은 조건 S'1 ≤ C1 ≤ S1이 만족되는 경우에 "탈NOx 한계"에 있다고 선언된다(본 방법의 단계(260). 도 4에서, 인위적으로 제조된 몇몇 제1 기준 트랩(18)의 샘플의 제1 및 제2의 진단 표준 C1 및 C2의 값을 나타내는 지점의 영역은 타원형으로 나타내어진다.
트랩(12)은 제1 진단 표준 C1이 이미 조건 C1 < S'1을 만족하고, 그것의 제2 진단 표준 또한 조건 C2 ≥ S2를 만족하는 경우에 "OBD 한계"에 있다고 선언된다. 도 4에서, 인위적으로 제조된 몇몇 제2 기준 트랩(19)의 샘플의 제1 및 제2의 진단 표준 C1 및 C2의 값을 나타내는 지점의 영역은 타원형으로 나타내어진다. 마지막으로, 트랩(12)은 제1 진단 표준 C1이 이미 조건 C1 < S'1을 만족하고, 그것의 제2 진단 표준 또한 조건 C2 < S2를 만족하는 경우에 성능 저하되었음이 선언된다(본 방법의 단계 290).

Claims (16)

  1. 자동차 내연 엔진(1)에 의해 방출되는 질소 산화물을 저장할 수 있는 질소 산화물 트랩(12)의 진단 방법으로서, 적어도 하기에 존재하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법:
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 결정하는 단계;
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)과 비교하는 단계;
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 비교하는 단계; 및
    - 하기로부터 상기 트랩(12)의 상태에 대한 진단을 수립하는 단계:
    ㆍ 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)보다 더 큰 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제1 진단 표준(C1); 및
    ㆍ 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll) 사이에 포함되는 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제2 진단 표준(C2),
    여기에서 상기 진단의 지속기간(t)의 백분율은 각각 해당하는 상기 진단의 총 지속기간에 대비한 백분율이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랩(12)의 순간 효율(ε), 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll) 및 상기 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)이 상기 엔진(1)의 작동의 희박 연소(lean-burn) 국면 중에 결정되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진단을 수립하는 단계는 하기에 존재하는 단계들을 포함하는, 방법:
    - 상기 제1 진단 표준(C1)을 제1 미리 결정된 진단 역치(S1) 및 제2 미리 결정된 진단 역치(S'1)와 비교하는 단계; 및
    - 상기 제2 진단 표준(C2)을 제3 미리 결정된 진단 역치(S2)와 비교하는 단계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)은 상기 트랩(12)을 포함하는 촉매 장치(9)의 유입구 및 유출구에서의 질소 산화물 농도값 [NOx]in,[NOx]out으로부터 계산되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 촉매 장치(9)의 유출구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]out은 질소 산화물 센서(16)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in은 질소 산화물 센서(15)에 의해 측정되거나 또는 적어도 상기 엔진(1)의 속도(N), 상기 엔진(1)의 토크(C) 및 상기 엔진(1)의 온도의 지표값(θmot)을 포함하는 파라미터 세트의 함수로 맵(map)으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 두 개의 기준 트랩(18, 19)의 순간 효율 값(poll, εOBD)은, 적어도 상기 트랩의 온도(θNT), 상기 트랩을 통과하는 엔진 배기 가스의 유량(Qexh), 상기 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in, 상기 엔진(1)의 연료/공기 혼합물의 농후도(richness)(r) 및 트랩 내에 포함된 질소 산화물의 질량(MNOx)을 포함하는 파라미터 세트의 함수로 맵으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 진단 역치(S1)는 0.7과 동일한 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 진단 역치(S'1)는 0.12와 동일한 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 진단 역치(S2)는 0.5보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 자동차 내연 엔진(1)으로서,
    - 촉매 장치(9)에 포함되고, 질소 산화물을 저장하는 질소 산화물 트랩(12);
    - 상기 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in을 결정하는 수단(15);
    - 상기 촉매 장치(9)의 유출구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]out을 측정할 수 있고, 상기 촉매 장치(9)의 하류에 위치된 질소 산화물 센서(16); 및
    - 상기 트랩(12)의 상태에 관한 진단을 수립하는 수단;과 결합되고,
    상기 진단을 수립하는 수단은 하기를 위해 설계된 것을 특징으로 하는, 엔진:
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 결정하는 단계;
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)과 비교하는 단계;
    - 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 비교하는 단계; 및
    - 하기로부터 상기 트랩(12)의 상태에 대한 진단을 수립하는 단계:
    ㆍ 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll)보다 더 큰 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제1 진단 표준(C1); 및
    ㆍ 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)이 상기 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)과 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll) 사이에 포함되는 때의 진단의 지속기간(t)의 백분율과 동일한 제2 진단 표준(C2),
    여기에서 상기 진단의 지속기간(t)의 백분율은 각각 해당하는 상기 진단의 총 지속기간에 대비한 백분율이다
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진단을 수립하는 수단은 상기 엔진(1)의 작동의 희박 연소 국면 중의 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε), 상기 제1 기준 트랩(18)의 순간 효율(εpoll) 및 상기 제2 기준 트랩(19)의 순간 효율(εOBD)을 결정하는 단계를 위해 설계된 것을 특징으로 하는, 엔진.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 진단을 수립하는 수단은 하기를 위해 설계된 것을 특징으로 하는, 엔진:
    - 상기 제1 진단 표준(C1)을 제1 미리 결정된 진단 역치(S1) 및 제2 미리 결정된 진단 역치(S'1)와 비교하는 단계; 및
    - 상기 제2 진단 표준(C2)을 제3 미리 결정된 진단 역치(S2)와 비교하는 단계.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진단을 수립하는 수단은 촉매 장치(9)의 유입구 및 유출구에서의 질소 산화물 농도값 [NOx]in,[NOx]out의 함수로 상기 트랩(12)의 순간 효율(ε)을 계산하는 단계를 위해 설계된 것을 특징으로 하는, 엔진.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진단을 수립하는 수단은 적어도 상기 트랩의 온도(θNT), 상기 트랩을 통과하는 엔진 배기 가스의 유량(Qexh), 상기 촉매 장치(9)의 유입구에서의 질소 산화물 농도 [NOx]in, 상기 엔진(1)의 연료/공기 혼합물의 농후도(richness) 및 트랩 내에 포함된 질소 산화물의 질량(MNOx)을 포함하는 파라미터 세트의 함수로 맵으로부터 상기 두 개의 기준 트랩(18, 19)의 순간 효율 값(εpoll, εOBD)을 결정하는 단계를 위해 설계된 것을 특징으로 하는, 엔진.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 엔진은 상기 트랩(12)의 온도를 감지하는 온도 센서(14)와 결합된 것을 특징으로 하는, 엔진.
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