KR102312156B1 - 내연기관의 공연비 조정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 촉매 부분 체적부(26.1) 및 제2 촉매 부분 체적부(26.2)를 구비한 촉매 체적부(26)를 포함하는 내연기관(10)의 공연비를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. 제2 촉매 부분 체적부(26.2)는 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 하류에 위치한다. 촉매 체적부(26) 내에서 배기가스 성분의 실제 충전 레벨은 내연기관(10) 및 배기 시스템(14)의 작동 매개변수들로부터 계산 모델을 이용하여 계산되며, 공연비의 변동을 통해 공칭값으로 조정된다. 조정은 우선 제2 촉매 부분 체적부(26.2)에 대해 수행된 다음에 비로소 제1 촉매 부분 체적부(26.1)에 대해 수행된다.

Description

내연기관의 공연비 조정 방법
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따르는, 배기가스 성분을 저장할 수 있는 촉매 체적부(catalyst volume)를 구비한 배기 시스템을 포함하는 내연기관의 공연비를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 그 장치 양태들과 관련하여, 독립 장치 청구항의 전제부에 따르는 제어 장치에 관한 것이다.
상기 방법 및 상기 제어 장치는 각각 DE 103 39 063 A1호로부터 공지되어 있다. 공지된 방법의 경우, 배기가스 성분은 산소이다. 촉매 체적부 내에서 상기 배기가스 성분의 실제 충전 레벨은 내연기관 및 배기 시스템의 작동 매개변수들에서 계산 모델을 이용하여 계산되며, 공연비의 조정은 기결정 목표 충전 레벨에 대한 실제 충전 레벨의 편차에 따라 수행된다. 더 나아가, 상기 방법 및 상기 제어 장치는 본원 출원인의 DE 196 06 652 A1호로부터 공지되어 있다.
본원에서, 계산 모델은, 계산되는 출력 변수들이 실제 대상의 출력 변수들에 최대한 정확하게 상응하도록, 계산 모델로 모델링되는 실제 대상에도 작용하는 입력 변수들을 출력 변수들에 연결하는 알고리즘을 의미한다. 실제 대상은, 고려되는 경우에서, 예컨대 촉매 컨버터 또는 촉매 컨버터를 포함한 내연기관일 수 있으면서 입력 변수들과 출력 변수들 사이에 있는 전체의 물리적 구간이다.
오토 엔진에서 연료/공기 혼합기의 불완전 연소 시, 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O) 외에도, 여러 연소 생성물이 배출되며, 이들 연소 생성물 중에서 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NOx)는 법적으로 규제되어 있다. 자동차에 적용되는 배기가스 한계값들은 현 종래 기술에 따라 촉매 배기가스 후처리에 의해서만 준수될 수 있다. 삼원 촉매 컨버터의 사용을 통해, 전술한 유해물질 성분들이 질소, 이산화탄소 및 물로 변환될 수 있다.
HC, CO 및 NOx에 대해 동시에 높은 변환율은 삼원 촉매 컨버터의 경우 화학량론적 작동점(람다 = 1) 주변의 좁은 람다 범위, 이른바 변환 윈도우(conversion window)에서만 달성된다.
변환 윈도우에서 촉매 컨버터의 작동을 위해, 오늘날의 엔진 제어 시스템에서는 전형적으로, 삼원 촉매 컨버터의 상류 및 하류에 배치되는 람다 프로브들의 신호들을 기반으로 하는 람다 제어가 이용된다. 촉매 컨버터 상류에서의 람다 제어를 위해, 촉매 컨버터의 상류에서 람다 프로브에 의해 배기가스의 산소 함량이 측정된다. 상기 측정값에 따라서 제어는 파일럿 제어에서의 연료량을 보정한다. 파일럿 제어의 범주에서, 분사될 연료량의 기본값들은 예컨대 내연기관의 회전수 및 부하에 따라 기설정된다. 더욱 정확한 제어를 위해, 추가로, 촉매 컨버터의 하류에서 배기가스의 산소 함량이 추가 람다 프로브에 의해 검출된다. 상기 람다 프로브의 신호는 촉매 컨버터 상류의 람다 제어에 중첩되는 마스터 제어를 위해 이용된다. 촉매 컨버터의 하류에 배치되는 람다 프로브로서 일반적으로, 람다 = 1일 때 매우 가파른 특성곡선을 가지며 그로 인해 람다 = 1을 매우 정확하게 표시할 수 있는 이산 레벨 람다 프로브(discrete-level lambda probe)가 이용된다[Kraftfahrtechnisches Taschenbuch(자동차 공학 포켓북) 23판, 524쪽].
일반적으로 람다 = 1과의 작은 편차만을 보정하고 비교적 서서히 진행되는 마스터 제어에 추가로, 현재의 엔진 제어 시스템에는 일반적으로, 람다 = 1과의 큰 편차에 따라 람다 파일럿 제어의 형태로, 예컨대 코스팅 모드가 비활성화되는 단계들("촉매 컨버터 비움") 후에 변환 윈도우가 신속하게 다시 달성되게 하는 기능이 있다.
삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량으로 인해, 삼원 촉매 컨버터의 상류에서 농후 또는 희박 람다(rich or lean lambda)가 설정된 후에, 촉매 컨버터의 하류에서는 여전히 수 초에 걸쳐서 람다 = 1이 될 수 있다. 이처럼 산소를 일시적으로 저장하는 촉매 컨버터의 특성은, 촉매 컨버터의 상류에서 람다 = 1과의 단시간 편차를 보상하기 위해 이용된다. 촉매 컨버터의 상류에서 상대적으로 더 오랜 시간에 걸쳐 1이 아닌 람다가 존재한다면, 촉매 컨버터의 산소 저장 용량을 상회하는 즉시 촉매 컨버터의 하류에서도 동일한 람다가 설정된다. 이 시점에, 촉매 컨버터의 하류에서 이산 레벨 람다 프로브도 변환 윈도우의 이탈을 표시한다. 그러나 이런 시점까지, 촉매 컨버터 하류의 람다 프로브의 신호는 임박한 파과(breakthrough)를 지시하지 않으며, 그로 인해 상기 신호를 기반으로 하는 마스터 제어는, 연료 계량 공급이 더 이상 파과 전 적시에 반응할 수 없을 정도로 늦게서야 반응하는 경우가 많다. 그 결과, 테일 파이프 배출량(tail pipe emission)이 증가한다. 그러므로 현재의 제어 컨셉은, 촉매 컨버터의 하류에서 이산 레벨 람다 프로브의 전압에 따라 변환 윈도우의 이탈을 늦게서야 검출한다는 단점이 있다.
촉매 컨버터의 하류에 배치되는 람다 프로브의 신호를 기반으로 하는 삼원 촉매 컨버터의 제어에 대한 대안은 촉매 컨버터의 평균 산소 충전 레벨의 제어이다. 이 평균 충전 레벨은 측정될 수는 없지만, 도입부에 언급한 DE 103 39 063 A1호에 따라 계산을 통해 모델링될 수 있다.
특히 삼원 촉매 컨버터는 비선형 거동과, 시간에 따라 가변적인 모델 매개변수들을 갖는, 간단하게 모델링되지 않는 대상이다. 그러므로 모델링된 평균 충전 레벨은, 촉매 컨버터의 배출구에서 발생하는 배기가스 배출량에 관련된 배기가스 조성들뿐만 아니라, 동적 장애에 대한 반응을 위해 이용되는, 산소의 방출 및 수용을 위한 충전 레벨 리저브도 단지 조건부로만 반영한다. 산소의 방출과 관련하여 충전 레벨 리저브는 촉매 컨버터 내에 저장된 산소량이다. 산소의 수용과 관련하여 충전 레벨 리저브는 촉매 컨버터가 여전히 수용할 수 있는 산소의 양이다.
본 발명은 청구항 제1항 및 독립 장치 청구항의 특징부의 특징들을 통해 종래 기술과 구분된다.
본 발명에서는, 계산 모델에 의해, 제1 촉매 부분 체적부에 대해 배기가스 성분의 제1 실제 충전 레벨이 계산되며, 제2 촉매 부분 체적부에 대해 배기가스 성분의 제2 실제 충전 레벨이 계산된다. 이 경우, 제2 촉매 부분 체적부는, 내연기관의 배기가스 유량에서 제1 촉매 부분 체적부의 하류에 위치한다. 공연비의 조정은, 우선, 제2 공칭값에 대한 제2 실제 충전 레벨의 편차에 따라 수행되며, 그 후에 비로소 제1 공칭값에 대한 제1 실제 충전 레벨의 편차에 따른 공연비의 조정이 수행된다.
추가 설명들은 특히 배기가스 성분으로서의 산소 및 촉매 체적부로서의 삼원 촉매 컨버터에 관계된다. 그러나 이는 상기 조합으로 제한된다는 의미는 아니다. 촉매 컨버터는 예컨대 NOx 저장 촉매 컨버터 또는 SCR 촉매 컨버터일 수 있으며, 배기가스 성분으로서는 예컨대 탄화수소 또는 산화질소도 고려되나, 이것이 전부를 의미하지는 않는다. 또한, 촉매 체적부는 배기가스의 유동 경로에서 연달아 놓인 복수의 촉매 컨버터를 포함할 수도 있다.
이와 관련하여, 본 발명은, 촉매 체적부 내에 저장된 산소량의 개선된 제어로서, 변환 윈도우에서의 이탈이 적시에 검출되어 방지되게 하는 동시에, 동적 장애에 대해 기존 제어 컨셉들보다 더 균형있는 충전 레벨 리저브를 갖는 제어를 가능하게 한다.
본 발명은, 촉매 체적부 내에 저장된 산소량의 2개의 실제값의 계산으로 제한되지 않는다. 또한, 그러한 실제값이 2개보다 많이 계산될 수도 있으며, 각각 하나의 실제값이 하나의 촉매 부분 체적부에 관련된다. 이렇게, 부분 체적부가 n개이고, 각각의 촉매 부분 체적부 내에 저장된 산소량의 실제값이 그에 상응하게 n개인 경우, 촉매 체적부의 길이에 걸쳐서 연장되는 산소 충전 레벨 프로파일이 달성된다. 상기 일반화 시, 제1 촉매 부분 체적부는 n 번째 촉매 부분 체적부이고, 제2 촉매 부분 체적부는 (n+1) 번째 촉매 부분 체적부이다.
본 발명에서 충전 레벨 프로파일의 조정은, 더 높은 우선순위로 조정되는 후방 촉매 부분 체적부의 산소 충전 레벨에 의해, 촉매 컨버터의 배출구에서 최소 배출량이 달성될 수 있도록, 그리고 그 다음으로 수행되는 전방 촉매 부분 체적부의 산소 충전 레벨의 조정을 통해, 촉매 컨버터가 동적 장애를 완충하는데 이용될 수 있는 충전 레벨 리저브가 증가되도록 수행된다. 상기 충전 레벨 리저브는 방출 가능한 산소량 및 수용 가능한 산소량을 통해 결정된다.
촉매 컨버터의 2개 이상의 부분 체적부의 충전 레벨들의 고려에는, 변환 윈도우의 임박한 이탈이 촉매 컨버터 하류에 배치된 배기가스 프로브의 신호를 기반으로 하는 마스터 제어에서보다 더 이른 시점에, 그리고 전체 촉매 컨버터의 평균 목표 충전 레벨을 기반으로 하는 제어에서보다도 더 이른 시점에 검출될 수 있다는 장점이 있다.
그 결과, 적시에 수행되어 달성된 연료/공기 혼합기의 보정을 통해 변환 윈도우의 이탈이 저지될 수 있으며, 그럼으로써 유해물질 배출의 파과 현상이 종래 기술에서보다 더 대폭적으로 방지될 수 있다. 그 결과, 전체적으로, 테일 파이프 배출량의 감소가 달성된다. 더욱 엄격한 법적 요건들은 촉매 컨버터의 더 적은 비용으로 충족될 수 있다.
제안되는 컨셉에 의해, 상기에서 공지된 것으로서 기술된 마스터 제어의 과제들뿐만 아니라, 촉매 컨버터가 자신의 수용 한계까지 산소로 충전되었던 코스팅 모드 단계 후 충전 레벨 리저브를 조정하는 기능의 과제들, 또는 그에 필적하는 과제들도 충족된다. 충전 레벨 리저브의 조정 또는 코스팅 모드 단계 후 변환 윈도우의 신속한 재달성 및 필적하는 기능들은 단지, 초기에 정상 시보다 더 큰 제어 편차를 갖는 촉매 컨버터의 산소 충전 레벨들의 조정을 구현한다. 이런 표준화된 컨셉은 더 간단하게 다양한 내연기관들 및 배기 시스템들에 매칭될 수 있는 더 간단한 전체 기능을 유도한다.
바람직한 구현예는, 제2 공칭값이 순간 배기가스 배출량이 최소화되도록 기결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 제1 공칭값은, 충전 레벨 리저브가 촉매 체적부의 상류에서 발생하는 공연비의 변화에 대해 기결정 값을 취하도록 기결정된다.
추가로 바람직하게는, 제2 공칭값은 최대 산소 저장 용량 또는 제2 촉매 부분 체적부의 최대 충전 레벨의 25% 내지 35% 사이이다. 이는, NOx 변환에 대한 요건들이 HC 변환 및 CO 변환에 대한 요건들보다 더 엄격하다는 점과 연관된다.
또 다른 바람직한 구현예는, 충전 레벨들의 실제값들의 계산 시 배기가스 온도 및 배기가스 질량 유량이 고려되는 것을 특징으로 한다.
추가로 바람직하게는, 촉매 체적부는 삼원 촉매 컨버터이다. 촉매 체적부가 자신들 사이에 놓인 비촉매성 배기가스관 섹션에 의해 분리된 2개의 개별 삼원 촉매 컨버터, 예컨대 예비 촉매 컨버터(pre-catalyst) 및 이 예비 촉매 컨버터의 하류에 위치하는 주 촉매 컨버터를 포함한다.
또 다른 바람직한 구현예는, 배기가스 성분이 산소인 것을 특징으로 한다.
제어 장치의 구현예들과 관련하여 바람직하게는, 제어 장치가 본원 방법의 바람직한 구현예들 중 어느 하나에 따른 방법의 시퀀스를 제어하도록 구성된다.
또 다른 장점들은 본원 명세서 및 첨부한 도면들에 명시된다.
자명한 사실로서, 전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도, 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 도면들에 도시되며, 하기에 더 상세히 설명된다. 이 경우, 상이한 도면들에서 동일한 도면부호들은 각각 동일한 요소들, 또는 적어도 자신들의 기능에 따라 필적하는 요소들을 지칭한다. 도면들은 각각 개략적인 형태로 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 환경으로서 배기가스 시스템을 포함하는 내연기관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 실시예로서의 흐름도이다.
도 3은 우선 제2 촉매 부분 체적부 내의 충전 레벨을 조정하는 제어 전략에서 2개의 촉매 부분 체적부의 충전 레벨을 각각 퍼센트 단위로 나타낸 도표이다.
본 발명은 하기에서 삼원 촉매 컨버터의 예로 기술되지만, 다른 유형의 촉매 컨버터에도 적절하게 전용될 수 있다. 하기에서는 간소화 측면에서, 단일의 촉매 컨버터를 포함하는 배기 시스템이 가정된다. 그러나 본 발명은 복수의 촉매 컨버터를 포함하는 배기 시스템들에도 적절하게 전용될 수 있다. 이 경우, 하기에 기술되는 전방 및 후방 촉매 부분 체적부들이 복수의 촉매 컨버터에 걸쳐서 연장될 수 있거나, 상이한 촉매 컨버터들 내에 위치할 수 있다.
세부적으로 도 1에는, 공기 공급 시스템(12); 배기가스 시스템(14); 및 제어 장치(16);를 포함하는 내연기관(10)이 도시되어 있다. 공기 공급 시스템(12) 내에는 공기 유량계(18) 및 이 공기 유량계(18)의 하류에 배치된 스로틀 밸브(19)가 존재한다. 공기 공급 시스템(12)을 통해 내연기관(10) 내로 유입되는 공기는, 내연기관(10)의 연소실들(20) 내에서, 분사 밸브들(22)을 통해 연소실들(20) 내로 직접 분사되는 가솔린과 혼합된다. 그에 기인하는 연소실 충전량은 점화 장치들(24), 예컨대 점화 플러그들에 의해 점화되고 연소된다. 회전각 센서(25)는 내연기관(10)의 샤프트의 회전 각도를 검출하며, 그럼으로써 제어 장치(16)로 하여금 샤프트의 기결정 각도 위치들에서의 점화를 트리거하도록 허용한다. 연소에 기인하는 배기가스는 배기가스 시스템(14)을 통해 배출된다.
배기 시스템(14)은 촉매 체적부(26)를 포함한다. 촉매 체적부(26)는 예컨대 공지된 바와 같이 3개의 반응 경로에서 3개의 배기가스 성분, 즉, 산화질소, 탄화수소 및 일산화탄소를 변환하고 산소를 저장하는 작용을 하는 삼원 촉매 컨버터이다. 촉매 체적부(26)는 도시된 예에서 제1 촉매 부분 체적부(26.1)와 제2 촉매 부분 체적부(26.2)를 갖는다. 두 촉매 부분 체적부는 모두 배기가스(28)에 의해 관류된다. 제1 전방 촉매 부분 체적부(26.1)는 유동 방향으로 삼원 촉매 컨버터(26)의 전방 영역에 걸쳐서 연장된다. 제2 후방 촉매 부분 체적부(26.2)는 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 하류에서 촉매 체적부(26)의 후방 영역에 걸쳐서 연장된다. 자명한 사실로서, 전방 촉매 부분 체적부(26.1)의 상류와 후방 촉매 부분 체적부(26.2)의 하류에, 그리고 두 촉매 부분 체적부 사이에도 추가 촉매 부분 체적부들이 놓이며, 이들 추가 촉매 부분 체적부에 대해서도 필요 시 마찬가지로 각각의 충전 레벨이 모델링된다.
촉매 체적부(26)의 상류에서, 배기가스(28)에 노출되는 전방 배기가스 프로브(32)는 촉매 체적부(26) 직상류에 배치된다. 촉매 체적부(26)의 하류에서, 마찬가지로 배기가스에 노출되는 후방 배기가스 프로브(34)는 촉매 체적부(26) 직하류에 배치된다. 전방 배기가스 프로브(32)는, 바람직하게는 넓은 공기비 범위를 넘어 공기비(λ)의 측정을 허용하는 광대역 람다 프로브이다. 후방 배기가스 프로브(34)는 바람직하게, 상기 배기가스 프로브의 신호가 그곳에서 계단식으로 변화되기 때문에 공기비(λ = 1)가 특히 정확하게 측정될 수 있게 하는 이른바 이산 레벨 람다 프로브이다. 보쉬 자동차 공학 포켓북, 23판, 524쪽 참조.
도시된 실시예에서, 배기가스에 노출된 온도 센서(36)는 배기가스와 열적으로 접촉하도록 삼원 촉매 컨버터(26)에 배치되며, 상기 온도 센서는 촉매 체적부(26)의 온도를 검출한다.
제어 장치(16)는 공기 유량계(18), 회전각 센서(25), 전방 배기가스 프로브(32), 후방 배기가스 프로브(34) 및 온도 센서(36)의 신호들을 처리하며, 이 신호들을 토대로 스로틀 밸브(18)의 각도 위치의 조정, 점화 장치(24)를 통한 점화의 트리거링, 및 분사 밸브들(22)을 통한 연료의 분사를 위한 제어 신호들을 형성한다. 그 대안으로 또는 보충안으로, 제어 장치(16)는 도시된 액추에이터들, 또는 추가의, 또는 다른 액추에이터들의 제어를 위한 다른 또는 추가의 센서들의 신호들, 예컨대 가속 페달 위치를 검출하는 운전자 요청 인코더(40)의 신호도 처리한다. 연료 공급을 차단하는 코스팅 모드는 예컨대 가속 페달에서 발을 떼는 동작을 통해 트리거된다.
도 2의 흐름도에는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예가 도시되어 있다.
블록(100)은, 원하는 토크가 형성되도록, 예컨대 스로틀 밸브(19), 점화 장치(20) 및 분사 밸브들(22)이 제어되는, 내연기관(10)의 개루프 제어를 위한 주 프로그램(main program)을 나타낸다. 촉매 컨버터의 충전 레벨은 측정될 수 없기 때문에, 본 발명에 따라서 계산 모듈(16.1)을 이용하여, 촉매 체적부(26)의 2개 이상의 촉매 부분 체적부(26.1, 26.2) 내의 충전 레벨(바람직하게는 산소 충전 레벨)을 모델링한다. 계산 모듈(16.1)은 제어 장치(16) 내에서 실행되는 서브 프로그램(sub program)이다.
상기 모델링은, 단계(102)에서, 제1 촉매 부분 체적부(26.1)에 대해서뿐만 아니라 제2 촉매 부분 체적부(26.2)에 대해서도 수행된다. 촉매 체적부(26)의 유입구에서 산소 과량 및 산소 부족량의 질량 유량은, 제어 장치(16) 내에서 내연기관으로 공급되고 측정된 공기 질량과 이에 부합하게 계량 공급된 연료로부터 알게 된 배기가스 질량 유량과; 산소 농도를 검출하는 전방 배기가스 프로브(32)의 신호;의 곱으로 산출된다.
상기 과량의 기결정 분획량은 제1 촉매 부분 체적부(26.1) 내에 저장되며, 부족량의 기결정 분획량은 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨의 감소를 통해 보상된다. 상호 간에 다를 수 있는 기결정 분획량들은 촉매 체적부(26)의 온도; 배기가스 질량 유량; 및 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨;에 따라 결정된다. 각각 상보적인 분획량들은 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨의 변화량에 대한 입력 변수들이며, 그에 따라 마찬가지로 배기가스 질량 유량 및 촉매 컨버터(26)의 온도에 따라 결정된다.
제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨은 특히 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨에 따라 결정된다. 제1 촉매 부분 체적부의 충전 레벨이 더 커질수록, 예컨대 제1 촉매 부분 체적부(26.1)에 의해 계속 저장될 수 있는 순간 산소 과량의 분획량은 더 작아지고, 그에 상보적인, 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨의 계산을 위한 입력 변수를 형성하는 순간 산소 과량의 분획량은 더 커진다. 그러므로 촉매 컨버터(26)의 배출구에서 제2 촉매 부분 체적부(26.2) 내의 산소 충전 레벨의 전개에 있어서, 제2 촉매 부분 체적부의 상류에 위치하는 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 최대 산소 저장 능력과 관련하여 상기 제1 촉매 부분 체적부(26.1) 내 상대 산소 충전 레벨(% 단위) 및 상기 상대 충전 레벨의 전개도 결정적인 요소이다.
분획량들 및 최대 산소 저장 용량의 값들은 제어 장치(16) 내에 저장되며, 그럼으로써 제어 장치(16)는 기지의 배기가스 질량 유량; 촉매 컨버터(26)의 측정되거나 모델링된 온도; 및 분획량들에 대해 기결정되어 저장된 값들;로부터, 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨뿐만 아니라 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨도 계산할 수 있게 된다.
촉매 체적부가 최종적으로 어떤 방식으로 저장된 산소로 충전될 지, 또는 어떤 방식으로 저장된 산소가 촉매 체적부로부터 배출될 지는, 결정적으로 배기가스 온도 및 배기가스 질량 유량에 따라 결정된다. 배기가스 온도가 높고 배기가스 질량 유량이 낮으면, 촉매 체적부는 극단적인 경우 전방으로부터 후방으로 점진적으로 비워지거나 채워지며, 이는 제2 촉매 부분 체적부가 충전되거나 비워지기 전에 먼저 제1 촉매 부분 체적부(26.1)가 완전히 충전되거나 비워진다는 점을 의미한다. 배기가스 온도가 낮고 배기가스 질량 유량이 높으면, 촉매 컨버터는 극단적인 경우 전방 및 후방에서 동시에 충전되거나 비워진다.
단계(104)에서, 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨이 제2 충전 레벨에 대한 공칭값을 둘러싸는 기설정 간격 이내에 있는지의 여부가 점검된다. 기설정 간격 이내에 있지 않은 경우, 프로그램은 단계(106)로 분기되며, 이 단계에서는 공기비 람다에 대한 설정 변수가 제2 촉매 부분 체적부의 공칭값에 대한 그의 실제 충전 레벨의 편차의 함수로서 결정된다. 설정 변수는 예컨대 내연기관의 연소실들 내로 연료를 계량 공급하는 분사 밸브들을 위한 제어 신호에 대한 보정값이다. 산소 충전 레벨을 증대시키기 위해, 희박 연료/공기 혼합기(람다 > 1)가 설정된다. 산소 충전 레벨을 감소시키기 위해, 농후 연료/공기 혼합기(람다 < 1)가 설정된다.
이어서 본원의 방법은 주 프로그램(100)으로 복귀하며, 이 주 프로그램에서는 특히 보정된 제어 신호들이 생성되고 송출된다. 단계들 100 내지 106으로 이루어진 루프는, 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 실제 충전 레벨이 자신의 공칭값에 도달할 때까지 반복해서 실행된다. 이는 단계(104)에서 결정된다. 이 경우, 본원의 방법은 단계(104)로부터 단계(108)로 분기된다. 단계(108)에서는, 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨이 제1 충전 레벨에 대한 공칭값을 둘러싸는 기설정 간격 이내에 있는지의 여부가 점검된다. 기설정 간격 이내에 있지 않다면, 프로그램은 단계(110)로 분기되며, 이 단계에서는 공기비 람다에 대한 설정 변수가 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 공칭값에 대한 그의 실제 충전 레벨의 편차의 함수로서 결정된다.
설정 변수는 여기서도 예컨대 내연기관의 연소실들 내로 연료를 계량 공급하는 분사 밸브들을 위한 제어 신호에 대한 보정값이다. 산소 충전 레벨을 증대시키기 위해, 희박 연료/공기 혼합기(람다 > 1)가 설정된다. 산소 충전 레벨을 감소시키기 위해, 농후 연료/공기 혼합기(람다 < 1)가 설정된다.
이어서 본원의 방법은 주 프로그램(100)으로 복귀하며, 이 주 프로그램에서는 특히 보정된 제어 신호들이 생성되고 송출된다. 단계들 100 내지 104, 108 및 110으로 이루어진 루프는, 제1 촉매 부분 체적부의 실제 충전 레벨도 자신의 공칭값에 도달할 때까지 반복해서 실행된다. 이는 단계(108)에서 결정된다. 이 경우, 본원의 방법은 단계(108)로부터 보정값의 계산 없이 다시 주 프로그램(100)으로 분기된다.
도 3에는, 코스팅 모드 단계 후에 조정되는 상황에 대해 도 2의 흐름도에 상응하는 제어 전략이 도시되어 있다. 더욱 상세하게는, 도 3의 부분도들 a) 내지 e)에 각각, 순간 배기가스 배출량이 최소가 되도록, 우선 제2 촉매 부분 체적부(26.1) 내 충전 레벨을 조정하는데 이용되는 제어 전략에서 두 촉매 부분 체적부(26.1, 26.2)의 충전 레벨이 퍼센트 단위로 도시되어 있다. 이를 위해, 고려된 예에서 제2 촉매 부분 체적부의 충전 레벨은 우선 도 3a에 따른 100%에서부터 도 3d에 따른 50%로 감소한다. 100%의 초기 충전 레벨은 예컨대 연료 공급이 차단된 코스팅 모드 단계의 임박 시 도출된다.
충전 레벨의 감소는 삼원 촉매 컨버터(26)의 유입구에서 산소 부족을 보이는 농후 배기가스 분위기의 조정을 통해 수행된다. 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 실제값(100%)과 공칭값(50%)의 차로서 계산되는 제어 편차는 초기에 50%이다. 농후 배기가스 분위기는 내연기관의 연소실들 내로 충분히 많은 연료량의 분사를 통해 형성된다. 이 경우, 고려되는 예에서 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨은 도 3a에서 도 3d로 가면서 점차 영(0)으로 감소하고, 이는 전술한 이유들에서 바람직하지 못하다.
그러므로 차후에, 바람직하게는 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 충전 레벨의 실제값이 자신의 공칭값에 도달했다면, 추가 방법 단계에서, 삼원 촉매 컨버터(26)의 유입구에서 산소 과량을 갖는 희박 배기가스 분위기가 형성될 정도로, 내연기관(10)의 연소실들(20)로의 연료 계량 공급이 감소한다. 이를 위해, 제어는, 제1 촉매 부분 체적부(26.1) 내의 충전 레벨 공칭값에 대한 그의 실제값의 차로서 도출되는 제어 편차를 기반으로, 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 충전 레벨이 예컨대 최대 충전 레벨의 절반이 될 때까지, 다시 말해 50%가 될 때까지 수행된다. 그 결과, 촉매 체적부의 상류에서 발생할 수 있는 동적 람다 장애가 산소의 방출 또는 수용을 통해 보상될 수 있게 하는, 제1 촉매 부분 체적부(26.1) 내의 최대 충전 레벨 리저브가 달성된다.
상기 제어 전략은 하기의 관찰에 기초한다.
촉매 체적부의 하류에서의 순간 배기가스 조성에 있어서, 촉매 체적부의 배출구에서의 비교적 작은 후방 촉매 부분 체적부 내 산소 충전 레벨이 중요하다. 상기 촉매 부분 체적부가 산소를 저장할 뿐만 아니라 저장된 산소를 방출할 수도 있는 점에 한해, 변환될 배기가스 성분들의 환원뿐만 아니라 산화도 가능하며, 산소 및 다른 배기가스 성분들의 파과가 발생하지 않는다.
상기 접근법의 장점들은, 단지 촉매 체적부의 후방 촉매 부분 체적부 내의 산소 충전 레벨만의 제어가 수행되거나, 두 촉매 부분 체적부의 평균 산소 충전 레벨로의 제어가 함께 수행되는 다른 접근법들과 하기에서의 비교를 통해 분명해진다.
연료 공급이 차단되는 코스팅 모드 단계 후에 발생하는 상태가 고려된다. 요컨대 코스팅 모드 단계에서, 내연기관은 배기 시스템 내로 공기를 펌핑하였다. 이 경우, 촉매 체적부의 산소 충전 레벨은 우선 100%이다. 이 경우, 산화질소의 변환을 위해 필요한 추가 산소의 저장은 불가능하다. 저장된 산소는, 촉매 체적부가 최대한 빠르게 다시 자신의 완전한 변환 능력을 달성할 정도로 완전히 비워져야 한다. 이를 위해, 촉매 체적부의 상류에 농후 람다가 설정된다. 간소화를 위해, 배기가스 온도는 높고 배기가스 질량 유량은 낮음으로써 촉매 체적부의 산소 저장부가 점차로 전방에서부터 후방 방향으로 비워지고, 두 부분 체적부는 동일한 최대 산소 저장 능력을 보유하며, 목표 충전 레벨은 각각 촉매 컨버터의 최대 산소 저장 능력의 50%이다.
단지 후방 촉매 부분 체적부 내 산소 충전 레벨의 실제값에만 기반하는 제어의 경우, 50%의 제어 공칭값은 촉매 체적부에서 이미 전반적으로 산소가 비워진 경우에 비로소 달성되는데, 그 이유는 촉매 체적부가 먼저 완전히 비워져야 비로소 후방 촉매 부분 체적부 내 충전 레벨이 감소하기 때문이다. 그러므로 촉매 체적부로부터 산소의 완전 배출의 결과로서, 특히 이런 조건에서 농후 쪽으로 향하는 촉매 체적부의 상류에서의 람다의 동적 편차가 발생한다면, 농후 파과(rich breakthrough)의 우려가 있다.
전체 촉매 체적부의 평균 산소 충전 레벨의 제어 시, 촉매 체적부의 전방 반부가 완전히 비워지고 촉매 체적부의 후방 반부는 여전히 완전히 채워져 있으면, 즉시 50%의 제어 공칭값이 달성된다. 이 경우, 산소가 촉매 체적부로부터 충분히 완전 배출되지 않을 수도 있으며, 이는 NOx 배출량 증가를 초래할 수 있다.
전방 및 후방 촉매 부분 체적부 내에서 적어도 2개의 충전 레벨의 본 발명에 따른 조정은, 본 예시의 경우, 변환 윈도우 이내에 있도록 후방 촉매 부분 체적부의 충전 레벨을 조정할 수 있게 할 뿐 아니라, 농후 또는 희박 쪽으로 향하는 촉매 체적부 상류에서의 람다의 동적 편차에 대해 최대로 가능한 충전 레벨 리저브가 달성되도록 전방 촉매 부분 체적부의 충전 레벨도 조정할 수 있게 한다.
본 발명은, 코스팅 모드 이후에 발생하는 상황에서, 우선 후방 촉매 부분 체적부 내에서 산소가 저장되기도 하고 방출될 수도 있도록 상기 촉매 부분 체적부를 최대한 빠르게 비우는 방식으로, NOx 배출량을 최소화할 수 있다. 그러나 이 경우, 전방 촉매 부분 체적부가 완전히 비워진다. 그로 인해 농후 파과의 우려가 있다. 그러므로 본 발명에 따라, 이어서 농후 쪽으로뿐만 아니라 희박 쪽으로도 향하는 촉매 컨버터 상류에서의 람다의 동적 편차에 대해 충전 레벨 리저브가 존재할 정도로, 전방 촉매 부분 체적부가 다시 산소로 충전된다.
이 경우, 자명한 사실로서, 두 촉매 부분 체적부의 충전 레벨들은 결합되어 있어 상호 독립적으로 조정될 수 없다는 점을 고려해야 한다. 코스팅 모드 이후에 나타나는 상황에 관계된 상기 예시는, 너무 높은 충전 레벨의 방향으로 최대한 큰 초기 제어 편차를 갖는 극단적인 경우이다. 그러나 이는, 상대적으로 더 작은 제어 편차를 갖거나, 너무 낮은 충전 레벨 방향으로의 제어 편차를 갖는 상황들에도 적절하게 전용될 수 있다. 이는 마찬가지로 (예컨대 짧은 코스팅 모드 단계 후에) 개별 구역들의 충전 레벨만이 목표 충전 레벨과 상이한 상황에도 전용될 수 있다.
그러므로 가장 일반적인 형태에서는 하기 단계들을 거쳐 촉매 체적부의 충전 레벨 프로파일의 조정이 제공된다. 요컨대 후방 촉매 부분 체적부 내의 충전 레벨은, 순간 배기가스 배출량이 최소가 되도록 조정된다. 그런 후에 그 전방에 위치하는 하나 또는 복수의 촉매 부분 체적부의 충전 레벨은, 촉매 체적부 상류에서의 동적 람다 장애에 대해 충전 레벨 리저브가 최대가 되도록 조정된다. 충전 레벨 프로파일의 조정 시, 상이한 촉매 부분 체적부들의 충전 레벨들의 결합이 고려될 수 있다. 특히 이 경우, 촉매 온도 및 배기가스 질량 유량에 대한 상기 결합의 종속성이 고려될 수 있다. 촉매 부분 체적부들의 목표 충전 레벨들은 촉매 체적부 내의 실제 충전 레벨 분배에 동적으로 매칭될 수 있으며, 그럼으로써 최소의 순간 배기가스 배출량; 및 동적 장애에 대한 최대 충전 레벨 리저브;의 두가지 목표가 동시에 가급적 최적으로 충족된다. 동적 장애에 대한 충전 레벨 리저브가 현재 존재하지 않는 상황에서는 예컨대, 더 장기간에 걸쳐 더 적은 배기가스 배출량을 보장하기 위해, 상기 충전 레벨 리저브의 증가를 통해 단시간 더 높은 배기가스 배출량을 감수하는 점도 유의미할 수 있다.

Claims (10)

  1. 배기가스 성분을 저장할 수 있는 촉매 체적부(26)를 구비한 배기 시스템(14)을 포함하는 내연기관(10)의 공연비를 조정하기 위한 방법으로서, 상기 촉매 체적부(26) 내의 배기가스 성분의 실제 충전 레벨은 상기 내연기관(10) 및 상기 배기 시스템(14)의 작동 매개변수들로부터 계산 모델을 이용하여 계산되며, 공연비의 조정은 기결정 목표 충전 레벨에 대한 실제 충전 레벨의 편차에 따라 수행되는, 내연기관의 공연비 조정 방법에 있어서,
    상기 계산 모델은 제1 촉매 부분 체적부(26.1)에 대해 배기가스 성분의 제1 실제 충전 레벨을 계산하고, 제2 촉매 부분 체적부(26.2)에 대해 배기가스 성분의 제2 실제 충전 레벨을 계산하며, 상기 제2 촉매 부분 체적부(26.2)는, 내연기관(10)의 배기가스 유량에서 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 하류에 위치하고, 상기 공연비의 조정은, 우선 제2 공칭값에 대한 제2 실제 충전 레벨의 편차에 따라 수행되며, 그 후에 비로소 제1 공칭값에 대한 제1 실제 충전 레벨의 편차에 따른 공연비의 조정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 공칭값은 순간 배기가스 배출량이 최소가 되도록 기결정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 공칭값은, 충전 레벨 리저브가 상기 촉매 체적부의 상류에서 발생하는 공연비의 변화에 대해 기결정 값을 취하도록 기결정되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 공칭값의 크기는 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 최대 충전 레벨의 절반이며, 상기 제2 공칭값은 최대 산소 저장 용량 또는 제2 촉매 부분 체적부(26.2)의 최대 충전 레벨의 25% 내지 35% 사이인 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 충전 레벨들의 실제값들의 계산 시 배기가스 온도 및 배기가스 질량 유량이 고려되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 촉매 체적부(26)는 삼원 촉매 컨버터인 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 촉매 체적부(26)는, 자신들 사이에 놓인 비촉매성 배기가스관 섹션에 의해 분리된 2개의 개별 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배기가스 성분은 산소인 것을 특징으로 하는, 내연기관의 공연비 조정 방법.
  9. 배기가스 성분을 저장할 수 있는 촉매 체적부(26)를 구비한 배기 시스템(14)을 포함하는 내연기관(10)의 공연비를 조정하도록 구성된 제어 장치(16)로서, 계산 모델을 이용하여 내연기관(10) 및 배기 시스템(14)의 작동 매개변수들로부터 배기가스 성분의 실제 충전 레벨을 계산하고, 기결정 목표 충전 레벨에 대한 실제 충전 레벨의 편차에 따라 공연비를 조정하도록 구성된 제어 장치(16)에 있어서,
    상기 제어 장치(16)는, 계산 모델을 이용하여 제1 촉매 부분 체적부(26.1)에 대해 배기가스 성분의 제1 실제 충전 레벨을 계산하고, 제2 촉매 부분 체적부(26.2)에 대해 배기가스 성분의 제2 실제 충전 레벨을 계산하도록 구성되며, 상기 제2 촉매 부분 체적부(26.2)는, 내연기관(10)의 배기가스 유량에서 제1 촉매 부분 체적부(26.1)의 하류에 위치하고, 상기 제어 장치(16)는, 우선 제2 공칭값에 대한 제2 실제 충전 레벨의 편차에 따라 공연비를 조정하고, 그 후에 비로소 제1 공칭값에 대한 제1 실제 충전 레벨의 편차에 따라 공연비를 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 제어 장치(16).
  10. 제9항에 있어서, 제2항에 따른 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 제어 장치(16).
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