KR19990007272A

KR19990007272A - 촉매 감시장치

Info

Publication number: KR19990007272A
Application number: KR1019980023833A
Authority: KR
Inventors: 조셉 알 그리핀
Original assignee: 크리스 방겔; 헤레우스 일렉트로-나이트 인터내셔널 앤. 브이.
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-01-25
Also published as: BR9802215A; US5896743A; EP0887522A1; JPH1181995A

Abstract

내연기관에서 촉매감시장치는 엔진과 촉매사이에 위치된 저항식의 산소센서와 대체로 촉매에 위치된 온도센서를 포함한다. 이 산소센서는 엔진배기의 산소농도를 측정하고 온도센서는 촉매의 온도를 감시하고 촉매의 라이트오프시간을 검출한다. 산소센서의 저항크기는 측정되어 미리 결정된 한계치에 비교된다. 이 촉매라이트오프시간은 미리 결정된 시간값에 비교된다. 또한 촉매의 수명온도 프로파일은 생성되어 미리 결정된 한계온도수준에 비교된다. 이 비교결과들을 촉매가 효율적으로 작용하는지를 설정하기 위하여 사용된다.

Description

촉매 감시장치

본 발명은 촉매를 감시하는 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다. 그중에서도 특히 본 발명은 촉매수명온도 프로파일과 오염도측정에 바탕을 둔 자동차용 촉매제의 효율을 측정하는 장치에 관한 것이다.

자동차용 촉매제들의 효율성은 대상차량이 배기가스허용치를 초과할 때 그것을 표시하기 위하여 공지되어야 한다. 법규들이 더욱 엄격하여짐에 따라 배기가스허용치를 낮추며, 촉매의 효율성을 결정하기 위한 정확도가 향상되어야 한다. 현재 촉매의 효율은 촉매 전후에 위치된 두 개의 산소센서들을 사용하여 측정된다. 그리고 배기가스의 산소함유량 차이가 촉매의 산소저장용량을 결정하기 위하여 측정되며, 이것은 촉매의 효율과 관련된다. 비록 이러한 시스템이 현재 촉매의 효율을 측정하기에 충분하지만 더욱 엄격한 배출규정들이 향상된 센서의 분해능과 향상된 시스템 정확도를 요구할 것이다.

촉매는 이상적인 상태하에서 무기한적으로 기능을 할수 있는 수동장치이다. 이 촉매는 두 개의 중요한 에이징(aging) 요인들 즉 열적에이징과 오염에이징을 갖는다. 또한 촉매의 최적인 효율을 제공하기 위하여 자동차 관리시스템의 람다제어 주파수는 임계치 이상으로 유지되어야 한다. 만약 온도, 시간, 람다 그리고 오염의 변수들이 촉매수명 이상으로 기록되면 촉매의 효율은 매우 높은 정확도로 예측될 수 있다.

본 발명은 촉매에서 효율의 감소가 주로 배가가스오염에 의한 촉매의 열적에이징과 포이즈링(poisoning)에 의하여 초래되어 지는 것을 인식한다. 정확한 배기가스 온도센서를 사용하므로써 촉매가 미리 결정된 한계온도 이상에서 작동되는 시간이 촉매가 한계온도를 너머 얼마나 멀리 그리고 얼마나 길게 작동하는가에 따라 기록되고 가중될 수도 있다. 이러한 장치는 수명온도 프로파일을 만들기 위하여 사용될 수도 있다. 공지된 촉매의 열적에이징 특성을 기초로하여 촉매의 효율은 촉매의 측정된 수명온도 프로파일을 이것의 공지된 열적에이징 특성과 비교함으로써 정확하게 결정될 수 있다.

간략하게 말하면 본 발명은 내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하기 위한 감시장치이다. 첫번째의 선호되는 실시예에서 이 감시장치는 엔진과 촉매 사이에 있는 배기경로에 위치된 엔진에서 배출하는 산소농도를 감지하는 저항식의 산소센서를 포함한다. 온도센서는 촉매온도를 보통 연속적으로 모니터링하기 위하여 대체로 촉매에 위치된다. 온도센서로부터 촉매온도를 수취하고 수명온도 프로파일과 촉매 라이트 오프(light off) 시간을 생성시키기 위한 수단이 제공된다. 첫번째 비교 측정기는 센서의 저항크기를 미리 결정된 한계치와 비교한다. 두번째 비교측정기는 촉매 라이트 오프 시간을 수취하고 이 촉매 라이트 오프 시간을 미리 결정된 라이트 오프 시간값과 비교한다. 세번째 비교측정기는 수명온도 프로파일을 수취하고 이 온도프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일을 한계 임계값에 비교한다.

두번째의 선호되는 실시예에서 감시장치는 엔진과 촉매사이에 있는 배출경로에 위치된 저항식의 산소센서와 촉매온도를 모니터링 하기 위하여 대체로 촉매에 위치된 온도센서를 포함한다. 산소센서는 엔진에서 배출되는 산소농도를 감지하고 공기/연로(A/F) 제어주파수를 측정한다. 1차 비교측정기는 A/F 제어주파수를 수취하고 이 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F 제어주파수 한계 임계값에 비교한다. 수명 온도프로파일과 촉매 라이트 오프 시간을 생성시키기 위한 온도센서에 연결되는 장치가 제공된다. 2차 비교측정기는 확정된 촉매 라이트 오프 시간을 수취하고 이것을 미리 결정된 시간값에 비교하며 3차 비교측정기는 수명온도 프로파일을 수취하고 이것을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계값과 비교한다.

세번째 실시예에서 감시장치는 엔진과 촉매 사이에 있는 배출경로에 위치된 1차의 전위 차식 산소센서와 대체로 촉매에 위치된 온도센서를 포함한다. 1차 산소센서는 첫번째의 촉매 오염측정을 제공한다. 온도센서는 촉매의 온도를 모니터한다. 촉매온도를 수취하고 수명온도 프로파일과 촉매 라이트 오프 시간을 생성시키기 위한 장치가 제공된다. 2차 전위차식 산소센서가 촉매로부터 하류의 배출경로에 위치된다. 2차 산소센서는 두번째의 촉매오염의 측정을 제고하며 공기/연료(A/F) 제어신호를 생성시킨다. 1차 비교측정기는 발생된 촉매 라이트 오프 시간을 수취하고 이것을 미리 결정된 시간값에 비교한다. 2차 비교측정기는 수명온도 프로파일을 수취하고 이것을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계값과 비교한다. 3차 비교측정기는 A/F 제어신호를 수취하고 이것을 미리 결정된 A/F 제어신호 한계 임계값에 비교한다.

마지막으로 본 발명은 온도센서로써 촉매의 온도를 모니터링하는 단계들을 포함하는 내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하고, 촉매의 수명온도 프로파일을 생성시키며, 이 수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계값과 비교하는 방법을 제공하는 것이다.

발명의 선호되는 실시예들의 이어지는 상세한설명 뿐만 아니라 앞서말한 요약부는 첨부된 도면들을 참조하여 읽을때 보다 잘 이해될 것이다. 발명의 예증을 위하여 현재 선호되어지는 도면들의 실시예들로서 나타내어 진다. 그러나 본 발명이 도시된 바로 그 장치와 수단들로 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 또한 내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하는 방법을 제공한다. 첫번째의 선호되는 실시예에서 본 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

엔진과 촉매 사이에 있는 배기경로에 위치된 산소센서로 엔진배기의 농도를 측정하기 ;

산소센서의 저항크기를 측정하기 ;

저항크기를 미리 결정된 한계 임계값에 비교하기 ;

대체로 촉매에 위치된 온도센서로 촉매의 온도 감지하기 ;

감지된 촉매온도로 촉매의 라이트 오프 시간 결정하기 ;

감지된 라이트 오프 시간을 미리 결정된 라이트 오프 시간 임계값과 비교하기 ;

측정된 촉매온도로 수명온도 프로파일 생성시키기 ;

수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계값과 비교하기.

두번째의 선호되는 실시예에서 본 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

엔진과 촉매 사이의 배기경로에 위치된 산소센서로 엔진 배기가스의 농도 측정하기 ;

산소센서의 공기/연료(A/F) 제어주파수 모니터링하기 ;

모니터된 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F제어 주파수 한계 임계값에 비교하기 ;

대체로 촉매에 위치된 온도센서로 촉매의 온도 감지하기 ;

감지된 촉매온도를 이용하여 촉매의 라이트 오프 시간 결정하기 ;

감지된 라이트 오프 시간을 미리결정된 라이트 오프 시간 임계값과 비교시키기 ;

측정된 촉매온도로 수명온도 프로파일 생성시키기 ;

수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계값과 비교시키기

세번째 실시예에서 본 방법은 아래의 단계들을 포함한다 :

대체로 촉매에 위치된 온도센서로 촉매온도를 감지하기 ;

감지된 촉매온도를 이용하여 촉매 라이트 오프 시간 결정하기 ;

결정된 라이트 오프 시간을 미리 결정된 라이트 오프 시간 임계값과 비교하기 ;

감지된 촉매온도로 수명온도 프로파일 생성시키기 ;

수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계값과 비교시키기 ;

촉매로부터 하류의 배기경로에 위치된 전위차식의 산소센서에 의하여 생성된 공기/연료(A/F) 제어신호를 측정하기 ;

A/F 제어신호를 미리 결정된 A/F 제어신호 한계 임계값에 비교하기.

도면들에서 동일한 번호들을 전체에 걸쳐 동일한 요소들을 표시하게 사용된다.

도 1은 본 발명에 따르는 촉매감시장치의 첫번째 실시예를 나타내는 블록 구성도이고;

도 2는 산소센서 저항 대 람다값의 그래프를 나타내며;

도 3은 도 1에 보여진 촉매감시장치의 더욱 자세한 블록구성도이고;

도 4는 도 1의 촉매감시장치로써 촉매효율을 모니터링하는 첫번째 방법의 흐름도를 나타내며;

도 5는 온도에이징 시험시간 대 촉매효율의 그래프를 나타내고;

도 6은 촉매수명온도 프로파일을 생성시키기 위한 공정흐름도를 나타내며;

도 7은 도 1의 촉매감시장치로써 촉매효율을 모니터링하는 두번째 방법의 흐름도를 나타내고;

도 8은 본 발명에 따르는 촉매감시장치의 두번째 선호되는 실시예의 블록구성도를 나타내며;

도 9는 도 8의 촉매감시장치로써 촉매효율을 모니터링하는 대체방법의 흐름도를 나타낸다.

도 1에는 내연기관(11)의 배기경로에 위치된 촉매의 성능을 모니터링하고 효율을 측정하기 위한 촉매 감시장치(10)의 첫번째 선호되는 실시예의 블록구성도가 나타난다. 엔진(11)과 본 발명은 여기서 자동차류에 관련하여 설명된다. 그러나 본 발명이 자동차류에 국한되지 않고 다른 운반차량류 및/또는 엔진구동기계류로써 사용될수도 있는 것이 선행기술의 일반적인 숙련자들에게는 분명할 것이다. 엔진(11)은 엔진 칸막이벽에 있는 배기분기관에 위치된 촉매(15)를 가지는 제 1의 촉매컨버터(14)와 자동차의 바닥아래에 위치된 2차의 촉매(17)를 가지는 제 2의 촉매컨버터(16)를 일반적으로 포함하는 배기경로(12)를 갖는다.

이 촉매감시장치(10)는 엔진(11)과 1차촉매(15) 사이의 배기경로(12)에 위치된 저항식산소센서(18)와 대체로 1차촉매(15)에 위치된 온도센서(20)를 포함한다. 각각의 센서들(18,20)은 바람직하게 마이크로프로세서(22) 또는 다른 컴퓨터에 직접 또는 간접으로 연결된다. 아 마이크로프로세서(22)는 아래에 기술되는 바와같이 연산 및 기능들을 수행하기 위하여 독립된 공정요소일 수도 있거나 또는(도면에는 나타나지 않은) 엔진제어유니트의 일부일 수도 있다. 이 마이크로프로세서(22)는 바람직하게 잘 알려지고 보통 상업적으로 이용 가능한 형태의 것이다. 자동차에서 사용되는 이러한 마이크로프로세서들은 잘 알려져 있으므로 이것의 설명은 발명의 완전한 이해를 위하여는 필요치 않다. 이 마이크로프로세서는(도면에 나타나지 않는) 연관된 메모리와 센서들(18,20)로부터 데이터들을 수취하고 기계적인 연산들을 수행하여 이 연관된 메모리에 최종의 데이터들을 저장할 수 있는 것을 말하는 것으로 충분하다.

이 촉매감시장치(10)는 또한 1차촉매(14)가 미리 결정된 한계 작동수준 아래에서 기능을 수행하는 것을 표시하기 위하여 이 마이크로프로세서(22)에 연결된 오작동 표시등 또는 MIL로서 알려지는 디스플레이 또는 표시기(24)를 포함할 수도 있다. 바람직하게 이 표시기(24)는 불이 켜지거나 또는 발광될때 운전자에게 촉매(15)가 더이상 효율적으로 기능을 하지 못하며 교체되어질 필요가 있다는 것을 알려주는 자동차 대쉬보드상의 라이트 또는 LED 이다.

산소센서(18)는 센서저항을 측정하기 위하여 제공되며, 이 센서저항은 엔진배기가스의 산소농도와 공기/연료(A/F)비(람다)의 함수적인 관계에 있다. 촉매(15)의 포이즈링(poisoning)은 촉매(15)를 모니터링하는 산소센서(18)의 특성변화를 통하여 측정될 수 있다. 이러한 오염효과는 람다값에서 변화하기 위한 산소센서(18)의 증가된 반응시간, 촉매전의 산소센서와 촉매다음의 산소센서 사이의 람다 오프셋의 크기 그리고 저항식 산소센서의 증가된 강한 저항을 포함하는 여러개의 특성들에 관련될 수 있다. 이 산소센서(18)는 바람직하게 센서저항신호와 히터저항신호를 제공한다. 이러한 저항식 산소센서들은 종래기술에서 보통의 숙련자들에게 공지되어 있고 보통 상업적으로 이용 가능하다. 예를들면, 헤라우스 센서-나이트(Heraeus Senor-Nite)로부터 이용 가능한 헤라우스 람다 프로브 브이알(Heraeus Lambcla probe VR)이 적합한 센서이다.

발명에 따라 촉매(15)의 효율은 결정되고 촉매 오작동 표시등(즉 디스플레이(24))은 촉매 라이트 오프 시간, 수명온도 프로파일 그리고(람다 제어 주파수를 포함하는) 산소센서(18)로부터 얻어지는 오염측정을 바탕으로하여 작동된다. 만약 촉매 오염측정이 저항식 산소센서를 사용하여 증가된 저항과 반응시간으로부터 얻어진다면, 촉매(15)와 산소센서(18)를 위한 람다제어기능과 탑재된 진단기능들은 하나의 산소센서와 하나의 배기가스온도센서로써 달성될 수 있으며, 이로인하여 자동차 관리시스템의 이득비 비용을 최적화한다. 촉매앞 산소센서의 제어지점을 조정하기 위하여 촉매 다음의 산소센서를 사용하는 기능은 저항식 산소센서로써는 요구되지 않는다. 이것은 비록 오염물이 저항특성을 높게 하지만 안정한 람다제어지점을 제공하는 저항식 산소센서의 체적 저항효과 때문이다.

도 2에서 촉매오염측정치는 산소센서(18)를 사용하여 계산될 수 있다. 배기가스오염이 산소센서(18)에 미치는 방식과 유사한 방식으로 촉매에 영향을 미친다. 즉 배기가스오염은 이들의 피막층들로 활성인 촉매사이트들을 가로 막는다. 결과적으로 산소센서의 특성변화는 촉매에서의 오염수준에 연관될 수 있다. 도 2에서 그래프는 수직축이 센서저항수평축이 람다저항을 나타낸다. 배기가스오염은 센서의 강한특성을 수직방향으로 위로 이동시킨다. 이 이동의 크기는 촉매(15)와 산소센서(18)의 배기가스오염과 연관된다.

다시 도1에서 온도센서(20)는 촉매(15)의 온도를 모니터링하기 위하여 제공된다. 이 온도센서(20)는 라이트 오프 시간이 감지되게 한다. 예를들어 자동차의 점화가 개시될때(도면에는 나타나지 않은) 타이머가 초기화될 수 있다. 그다음 온도센서(20)에 의하여 측정되는 촉매(15) 온도가 약 300℃에 도달하면 이 타이머는 정지되고 이 값은 아래에 설명되는 바와같이 그다음 연산들을 수행하기 위하여 이용되거나 또는 연관된 메모리에 저장된다.

바람직하게 온도센서(20)는 일반적으로 제 1 촉매(15)의 온도를 연속하여 모니터 한다. 적합한 온도센서는 헤라우스 센서-나이트(Heraeus Sensor-Nite)사로부터 입수가능한 헤라우스 Pt 100이며, 이것은 촉매의 온도를 표시하는 전기신호를 제공한다. 비록 산소센서(18)와 온도센서(20)는 제 1 촉매 컨버터(14)를 모니터링하게 도시되지만 센서들(18,20)은 제 2 촉매 컨버터(16)를 모니터링하게 위치되어 질 수 있는 것으로 종래의 일반적인 숙련자들에게 이해되어져야 할 것이다. 또한 복합의 온도 및 산소센서들이 그이상의 데이터들을 제공하기 위하여 사용될 수 있으며, 이러한 데이터들은 본 발명의 새로운 방법에 따라 분석될 수 있다.

바람직하게 마이크로프로세서(22)는 산소센서(18)와 온도센서(20)로 부터 전기신호들을 받고 아래에 더욱 상세하게 설명되어지는 바와같이 각각의 신호들을 처리한다. 그러나 다른 전기회로요소들이 여기서 설명된 연산들을 수행하기 위하여 사용될 수 있는 것이 종래의 숙련자들에 이해되어져야 할것이다. 예를들어 계수기들, 타이머들 그리고 플립-플롭(flip-flop)과 같은 불연속 논리장치들이 사용될 수 있다.

도 3과 도 4를 참조하여 촉매(15)를 모니터링하고 촉매(15)의 작동효율을 예측하는 방법이 기술된다. 도 3은 촉매감시장치(10)의 단순화된 블록 구성도이고 도 4는 1차촉매(15)의 효율을 측정하는 첫번째의 선호되는 방법의 흐름도이다. 이 방법은 상기된 산소 및 온도센서들(18,20)과 마이크로프로세서(22)를 사용하여 수행된다. 종래의 기술 숙련자들에 의해 이해되어지는 바와같이 이 마이크로프로세서(22)는 명령들, 루틴들(routines), 프로그램들 그리고 데이터를 저장하기 위한 공간들을 포함하는 연관 메모리(23)에 연결되거나 또는 이것을 포함하며, 이것은 프로세서(22)가 이것의 의도된 목적을 따라 기능을 수행하도록 한다. 이 연관된 메모리(23)는 아래에 설명되는 바와같이 측정된 값들이 비교되는 미리 결정된 한계값들과 같은 매개변수 데이터들을 저장시키기 위해 역시 사용된다. 이 여관된 메모리(23)는 PROM, EPROM, EEPROM, 플래쉬 메모리 등을 포함하는 RAM 및/또는 ROM으로 이루어 질 수도 있다.

첫 번째 단계(32)에서 촉매(15) 라이트 오프시간이 감지된다. 상기된 바와같이 이 라이트 오프시간은 엔진의 점화가 개시된 시점에서 이 촉매(15) 온도가 약 300℃에 도달된 시점까지의 시간 길이 이다. 배출시험 주기에서 대략 80%의 배기가스가 초기 45초 동안에 발생한다. 촉매가 비활성화되는 시점의 길이는 촉매의 평균효율을 감소시킨다. 따라서 일정하고 최소화된 라이트 오프시간을 유지시키는 것이 필요하다. 이 한계값은 바라는 평균 효율비 아래에서 작동하는 촉매를 표시한다.

촉매라이트 오프 시간의 불연속적인 측정은 바람직하게 배기가스 온도센서(20)로써 각각의 냉각 개시 동안에 측정되고 개시시점에서 그리고 경과시간은 엔진이 작동유지되기 때문에 엔진 냉각제 온도에 대한 한계시간에 비교된다. 이 촉매라이트 오프시간은 엔진점화개시 시점에서 타이머(40)의(소프트웨어 타이머 또는 하드웨어 타이머) 개시에 의하여 결정되며, 그다음 오도센서(20)에 의하여 측정됨에 따라 이 촉매(15) 온도가 약 300℃에 도달될 때 이 타이머(40)를 정지시킨다. 이 타이머 값은 그다음 예를들어 비교기(42)를 사용하거나 또는 마이크로프로세서(22)로 비교 기능을 수행시킴으로써 메모리(23) 또는 레지스터에 저장된 것으로부터 얻어지는 미리결정된 라이트 오프 한계값에 비교된다. 만약 감지된 촉매라이트 오프시간은 비교기(42)에 의하여 결정됨에 따라 미리 결정된 라이트 오프 한계값 보다 더 크다면, 이 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다. 미리 결정된 한계값을 초과하는 촉매라이트 오프 시간은 바라는 효율비 아래에서 작동하는 촉매를 나타낸다. 현재 선호되는 실시예에서 미리 결정된 촉매 라이트오프시간 한계값은 약 20초(± 약 10초) 이다.

만약 이 라이트오프시간이 허용 매겨변수들 내에 있다면, 단계(34)는 수행된다. 단계(34)에서 산소센서(18)에 의하여 측정된 강한 저항의 크기는 제 2 비교자(44)를 사용하거나 또는 마이크로프로세서(22) 내의 비교 기능을 수행시킴에 의하여 메모리(23)로부터 얻은 미리결정된 한계치에 비교된다. 초기값(즉 새로운 상태에서)으로부터 증가된 강한 저항은 촉매(15)상의 오염효과를 표시하고 산소센서(18) 저항회로를 가로지르는 증가된 전압의 강하에 의하여 측정된다. 즉, 강한 저항은 촉매(15)의 배기가스 오염수준에 관련되며, 이것은 촉매(15)에서 활성인 촉매위치의 표면영역을 감소시킨다. 미리 결정된 한계값을 초과하는 강한 저항은 바라는 효율비 아래에서 작동하는 촉매(15)를 나타낸다. 만약 측정된 강한 저항의 크기가 미리 결정된 저항 한계치 이상이면, 제 2 비교기(44)에 의하여 결정됨에 따라 이 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다. 현재의 선호되는 실시예에서 이 미리 결정된 저항 한계값은 약 20Kohms(±25%) 이다.

만약 이 강한 저항이 허용 매개변수들 내에 있다면 그다음 단계(36)이 수행된다. 단계(36)에서 촉매(14)의 수명온도 프로파일은 미리 결정된 온도 프로파일 한계치에 비교된다. 이 수명온도 프로파일은 아래에 설명되어지는 바와같이 촉매온도가 미리 결정된 한계치를 초과하는 시간길이의 측정이고 온도센서(20)와 계수기(46)를 사용하여 발생된다.

도 5에 있어서, 촉매의 각 형태는 촉매효율을 결정하기 위하여 사용될 수 있는 열 에이징 프로파일을 갖는다 도 5는 촉매열 에이징 프로파일이며, 이것은 촉매효율(%)대 고온에이징시간(시간)을 나타내는 그래프이다. 첫 번째 그래프선(50)은 800℃에서 작동하는 촉매를 나타내고 두 번째 그래프선(52)은 950℃에서 작동하는 촉매를 나타낸다. 도 5에서 명백해지는 바와같이 촉매효율은 촉매가 더 높은온도에서 작동될 때 더욱 급격히 감소된다. 예를들어 약 190 시간의 시험후에 800℃에서(선분(5)) 시험된 촉매는 약 95% 효율로 작동되며, 반면 950℃에서(선분(52)) 시험된 촉매는 단지 약 87% 효율로 작동된다. 물론 미리 결정된 수명온도 프로파일 한계값은 바라는/요구되는 효율과 촉매의 조성에 따라 변화될 것이라는 것이 종래기술의 숙련자들에 의하여 이해될 것이다.

도 6에는 촉매수명온도 프로파일을 발생시키기 위한 절차를 나타낸다. 단계(60)로 개시되면 촉매온도는 일반적으로 온도센서(20)로써 연속하여 측정되고 첫 번째의 미리 결정된 온도값에 보통 연속적으로 비교된다. 본 예에서 첫 번째의 미리 결정된 온도값은 약 800℃이다. 만약 온도가 첫 번째의 미리 결정된 온도값 보다 더 크다면 단계(62)로 실행된다. 만약 그렇지 않다면 이 공정절차는 계속하여 온도를 모니터하고 이 온도를 첫 번째의 미리 결정된 온도값에 비교한다. 단계(62)에서 온도 프로파일 계수기(46)가 가능하거나 또는 작동된다. 즉 프로파일 계수기 논리는 축적된 저장값이 갱신될 수 있게(도 3 참조) 가능하여 진다. 이 온도는 그다음 평가되고 미리 결정된 시간 유니트에 대한 시간크기를 기본으로하여 이 계수기(46)는 증가된다. 예를들어 만약 이 온도가 미리 결정된 시간 유니트에 대하여 첫 번째의 미리 결정된 범위(예컨데 800∼849℃) 내에 있다면 계수기(46)는 한단계 증가된다(단계(64)). 만약 이 온도가 미리 결정된 시간 유니트에 대하여 두 번째의 미리 결정된 범위(예컨데 850∼899℃) 내에 있다면, 이 계수기(46)는 두단계 증가된다(단계(66)). 만약 이 온도가 미리 결정된 시간 유니트에 대하여 세 번째의 미리 결저된 범위(에컨데 900∼949℃) 내에 있다면, 이 계수기(46)는 세단계 증가된다(단계(68)). 만약 이 온도가 미리 결저된 시간 유니트에 대하여 네 번째의 미리 결정된 범위(예컨데 950∼999℃) 내에 있다면, 이 계수기(46)는 네단계 증가된다(단계(70)).

만약 이 온도가 미리 결정된 시간 유니트에 대하여 상한값(예컨데 1000℃)보다 더 높다면 이 계수기(46)ms 다섯단계 증가된다(단계 (72)). 또한 단계(72)에서 디스플레이(24)(도 1과 도 3)는 촉매(15)가 안전하지 못한 온도에서 작동되는 것을 표시하기 위하여 역시 동작될 수 있다. 단계(72)에서 이 시스템(10)은 온도보호바업으로 촉매를 초기화 시키기 위하여 신호를 부가적으로 작동시킬 수도 있다. 단계(74)에서 현재의 계수기 값이 수명온도 프로파일 한계값에 비교된다. 만약 계수기 값이 한계값보다 더 크다면 디스플레이(24)는 작동된다(단계(74)). 만약 그렇지 않다면 공정절차의 루프는 단계(60)로 복귀한다. 이 공정절차는 일반적으로 연속하여 수행되며, 계수기(46)는 증가되고 현재의 계수기 값은 시간의 모든 미리 결정된 유니트에 대하여 한 번씩 갱신된다. 예를들어, 현재의 선호되는 실시예에서 이 계수기(46)는 분당 한 번씩 갱신된다. 온도프로파일의 해상능은 계수기(46)가 증가되는 온도범위들을 변화시킴으로써 및/또는 보다 크거나 또는 보다 작은 온도범위들을 가지거나 또는 시간 유니트를 변경시킴으로써 수정될 수 있다는 것이 종래기술의 숙련자들에 의해 이해될 것이다.

도 3과 도 4에서 미리 결정된 한계값을 초과하는 수명온도 프로파일은 바라는 효율비 아래에서 작동하는 촉매를 나타낸다. 단계(36)는 촉매(15)의 수명온도 프로파일을 밀 결정된 온도 프로파일 한계값에 비교시킨다. 이 수명온도 프로파일은 앞에서 설명된 바와같이 계수기(46)를 사용하여 생성된다. 계수기(46)의 현재값은 레지스터(48)에 저장된다. 레지스터(48)에 저장된 현재값은 제 3의 비교기(54)를 사용하여 미리 결정된 수명 한계값에 비교된다. 만약 레지스터(48)에 저장된 값이 미리 결정된 수명온도 프로파일 한계값보다 크다면 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다. 만약 그렇지 않다면 단계(39)에서 표시되는 바와같이 촉매(15)가 효율적으로 작동되는 것이 결정된다.

도 7에는 촉매(15)의 효율을 모니터링하는 대체적인 실시예가 도시된다. 이러한 대체적인 실시예는 도 4를 참조하여 설명된 실시예와 유사하고 촉매 라이트오프시간(단계(32))을 모니터링하고 촉매수명온도 프로파일(단계(36))을 생성하는 단계들을 포함한다. 그러나 A/F 제어주파수를 모니터링하는 새로운 단계 즉 단계(56)는 산소센서(18)의 강한 저항을 모니터링하는 단계(단계(34))로 대체된다.

단계(56)에서 촉매(15)의 A/F 제어주파수는 산소센서(18)를 사용하여 모니터된다. 이 A/F 제어주파수는 이것이 강하거나 또는 약한 배기가스의 바라는 체적보다 더 큰 발전으로 인하여 촉매효율에 직접적인 효과를 가지기 때문에 촉매효율의 유용한 측정이 된다. 또한 주어진 엔진 속도/부하 지점에서의 A/F 제어주파수는 배기가스 오염이 A/F 값에서 산소센서가 변화하는 반응시간을 느리게하기 때문에 촉매에서 배기가스 오염수준을 나타낸다. 촉매를 저하시키는 오염물들은 역시 산소센서도 저하시킨다.

따라서 만약 단계(32)에서 라이트오프시간이 허용매개변수들 내로 되어지게 결정되면 단계(56)가 수행된다. 단계(56)에서 산소센서(18)에 의하여 측정된 A/F 제어주파수는 비교기(58)를 사용하여 메모리(23)로부터 얻어진 미리 결정된 A/F 제어주파수 한계값에 비교된다(도 3). 앞에서 설명된 바와같이 A/F 제어 주파수의 증가는 촉매(15)상에서의 오염효과를 나타낸다. 만약 측정된 A/F 제어주파수의 크기가 미리 결정된 A/F 제어주파수 한계값보다 크다면 비교기(58)에 의하여 결정됨어짐에 따라 그다음 이 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다. 현재의 선호되는 실시예에서 미리 결정된 A/F제어주파수 한계값은 약 3Hz 이다. 그러나 종래기술의 숙련자들에 의하여 이해되어지는 바와같이 이러한 값을 극히 적용의 상세한것이고 측정동안에 엔진의 동작지점에 따른다.

본 발명에 따라 촉매(15)의 효율은 두 개의 상기한 방법들을 조합시킴에 의하여 역시 측정될 수 있다. 즉 촉매 감시장치는 촉매라이트 오프시간(단계(32))을 모니터링하고, 강한 저항을 모니터링하며 (단계(34)), 촉매 수명온도 프로파일을 생성시키고(단계(36)) 그리고 A/F 제어주파수를 모니터링함(단계(56))으로써 촉매효율을 결정할 수 있다. 또한 모든 단계들 또는 단지 단계들의 부분이 촉매효율을 예측하기 위하여 수행될 수도 있다.

도 8에는 2차촉매 감시장치(80) 일부분의 개략적인 블록 구성도를 나타낸다. 이 촉매감시장치(80)는 내연소기관(11)의 배기경로(12)에 위치되고 바람직하게 1차촉매 컨버터(14)의 촉매(15) 효율을 모니터한다. 이 촉매감시장치(80)는 촉매(15)로부터 상류에 위치된 1차 산소센서(82), 촉매(15)의 하류에 위치된 2차 산소센서(84) 그리고 대체로 촉매(15)에 위치된 온도센서(86)를 포함한다. 각각의 센서들(82,84,86)은 바람직하게 마이크로프로세서(22)(도 1참조)에 연결되며, 이것은 각각의 센서들(82,84,86)로부터 받은 데이터들을 처리한다. 앞서와 같이 이 마이크로프로세서(22)는 엔진 제어유니트의 부분이거나 또는 독립된 처리요소 일 수도 있다. 또한 발명의 범위를 벗어나지 않게 종래기술의 숙련자들에게 공지되는 바와같이 디지탈신호 처리기 또는 불연속로직과 같은 다른전자장비들이 이 마이크로프로세서(22)와 대체될 수 있다. 이 마이크로프로세서(22)는 바람직하게 프로그램들과 데이터들을 저장시키는(도면에는 나타나지 않는) 램(RAM) 및/또는 롬(ROM)과 같은 연관된 저장장치에 연결되거나 또는 이러한 저장장치를 포함한다. 이 촉매감시장치(80)는 또한 바람직하게 오작동과 같은 촉매(15)와 연관된 정보를 표시하기 위하여 디스플레이 또는 표시기(24)에 연결된다(도 1).

1차 그리고 2차 산소센서들(82,84)은 바람직하게 전위차식의 산소센서들이다. 1차 산소센서(82)는 주요 A/F 제어신호를 제공하고 2차 산소센서(84)는 2차차적 A/F 제어신호를 제공한다. 또한 각각의 산소센서(82,84)는 촉매오염측정신호를 제공한다. 이러한 전위차식 산소센서들은 종래기술의 숙련자들에게 알려져 있고 보통 상업적으로 구입가능하다. 예를들어 헤라우스 센서 나이트(Heraeus Sensor-Nite)사의 헤라우스 람다 프로브 지(Heraeus Lambda Probe Z)가 적합한 전위차식 센서이다.

고체 지르코니아 전해물을 기본으로한 것들과 같은 전위차식 센서들은 센서전극의 공기 참조면에 대하여 배기면의 전극상에서의 더 낮은 산소분압으로 인한 전위차이 때문에 0∼1Volt의 신호를 발생시킨다. 반대로 스트론튬 티타네이트(strontium titante) 의 체적 저항재료를 기본으로한 센서와 같은 저항식 센서들은 산소압이 없는 것과 비교하여 전기저항(전도도)에서 단계의 변화를 만든다. 본 실시예에서는 전위차식 센서가 두 전위차 센서 2차 A/F 제어법과 관련 제어신호의 존재로 인한 유리한 점을 취하므로 선호된다.

온도센서(86)는 촉매(15)의 온도를 바람직하게 보통 연속으로 모니터하고 마이크로프로세서(22)에 온도신호를 제공한다. 이 온도신호는 앞서 기술한 바와같이 촉매라이트 오프시간을 감지하고 촉매수명온도 프로파일을 생성시키기 위하여 사용될 수 있다.

도 9에는 감시장치(80)를 사용하여 촉매(15)의 효율을 측정하는 방법이 도시된다. 이 방법은 촉매(15)의 효율을 측정/예측하기 위하여 촉매라이트 오프시간, 촉매수명온도 프로파일 그리고 2차 A/F 제어신호를 모니터 한다. 단계(90)의 개시로써 촉매(15) 라이트 오프 시간이 감지된다. 이 라이트 오프 시간은 각각의 냉각개시동안에 이 온도센서(86)로써 바람직하게 측정되고 엔진(11)이 지속하여 동작되기 때문에 개시 시점과 경과 시점에서 엔진 냉각제 온도에 대한 한계 시간에 비교된다. 만약 감지된 촉매 라이트 오프 시간이 미리 결정된 라이트 오프 한계값 보다 더 크다면 이 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다.

만약 라이트 오프 시간이 허용변수들 내에 있다면 이 수명온도 프로파일은 단계(92)에서 점검된다. 이 수명온도 프로파일은 미리 결정된 한계 임계치에 비교된다. 만약 이 수명온도 프로파일이 미리 결정된 수명온도 프로파일 한계 임계치 보다 더 크다면 이 표시기(24)는 단계(38)에서 작동된다.

만약 수명온도 프로파일이 수명온도 프로파일 한계 임계치 보다 더 크지 않다면 제 2 산소센서(84)에 의하여 발생된 2차 A/F 제어신호는 미리 결정된 2차 A/F 제어 한계 임계치에 비교된다. 만약 2 차 A/F 제어신호가 미리 결정된 2차 A/F 제어 한계 임계치 보다 더 크다면 이 라이트는 단계(38)에서 켜진다. 만약 그렇지 않다면 단계(39)에서 표시되는 바와같이 촉매(15)가 특정한 효율변수들 내에서 작동되는 것이 결정된다.

여기서 설명된 방법들 및 장치의 수정이 디젤엔진과 린번(lean burn) 가솔린 엔진의 적용에서 촉매감시기능을 제공하기 위하여 역시 사용될 수 있는 것이 종래기술의 숙련자들에게 분명하여 질 것이다. 또한 이것의 광범위한 발명개념을 벗어나지 않게 상기한 실시예들에 대한 변경이 이루어질 수 있는 것이 종래기술의 숙련자들에 의하여 인정될 것이다. 따라서 본 발명은 명기된 특정의 실시예들에 제한되지 않고 청구항들에 의하여 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에서 수정을 수용하게 의도되는 것으로 인식된다.

본 발명은 촉매가 작동되고 촉매 수명온도 프로파일을 생성시키는 곳의 온도를 측정함으로써 촉매성능을 예보하는 정확한 수단을 제공하는 것이다. 촉매온도 프로파일은 촉매가 효율적으로 기능을 수행하는 것을 그만둘때를 예측하기 위하여 사용된다. 일단 촉매온도 프로파일이 미리 결정된 한계치를 초과하면 표시장치는 촉매가 미리 결정된 효율수준으로 더이상 작동하지 않는 다는 것을 표시하기 위하여 작동된다. 이 온도 프로파일 예측법은 촉매 라이트 오프 시간, 공기/연료(A/F) 제어주파수, 배기가스오염측정 그리고 다른 구성요소 진단값들과 같은 부가적인 측정데이터들을 사용하여 역시 수행될 수도 있다. 여기서 사용되는 촉매 라이트 오프 시간은 엔진 점화크랭크와 약 300℃에 달하는 촉매온도 사이의 시간길이를 언급하는 것이다.

Claims

엔진배기의 산소농도를 검출하는 엔진과 촉매 사이의 배기경로에 위치된 저항식 산소센서;

일반적으로 촉매온도를 연속하여 모니터링하기 위하여 대체로 촉매에 위치된 온도센서;

온도센서로부터 촉매온도를 수취하고 수명온도 프로파일과 촉매 라이트 오프시간을 발생시키기 위한 수단;

검출된 산소농도의 크기를 미리 결정된 한계치에 비교시키기 위한 1차 비교기

촉매라이트 오프시간을 수취하고 촉매라이트 오프시간을 미리 결정된 라이트오프 시간값에 비교시키기 위한 2차 비교기; 그리고

수명온도 프로파일을 수취하고 이 온도프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계값에 비교시키기 위한 3차 비교기를 포함하는 내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하기 위한 감시장치.
제 1항에 있어서,

촉매가 미리 결정된 한계 작동수준 아래에서 기능을 하는 것을 표시하기 위한 1차, 2차 그리고 3차 비교기들 중의 적어도 하나에 연결된 표시기를 마찬가지로 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 1항에 있어서,

산소센서의 공기/연료(A/F) 제어주파수를 감시하기 위한 수단과 이 측정된 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F 제어 주파수 한계 임계값에 비교시키기 위한 4차 비교기를 계속 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 3항에 있어서,

1차, 2차, 3차 그리고 4차 비교기들 중의 적어도 하나에 연결된 표시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 3항에 있어서,

수명온도 프로파일 발생장치는 촉매온도가 미리 결정된 온도임계값위인 시간의 각각 미리 결정된 단위에 대하여 증가되는 계수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 5항에 있어서,

시간의 단위는 약 1분이고 미리 결정된 온도임계는 약 800℃인 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 5항에 있어서,

계수기는 촉매온도가 1차의 미리 결정된 온도범위 내에 있는 시간의 각 미리 결정된 단위에 대하여 하나씩 증가되는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 7항에 있어서,

이 계수기는 촉매온도가 2차의 미리 결정된 온도범위 내에 있는 시간의 각각 미리 결정된 단위에 대하여 둘씩 증가되는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 8항에 있어서,

이 계수기는 촉매온도가 3차의 미리 결정된 온도범위 내에 있는 시간의 각각 미리 결정된 단위에 대하여 세 개씩 증가되는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 5항에 있어서,

세 번째 비교기는 이 계수값을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계치에 비교하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하기 위한 감시장치에 있어서,

엔진과 촉매 사이의 배기경로에 위치하여 엔진배기의 산소농도를 검출하는 저항식의 산소센서;

산소센서의 공기/연료(A/F) 제어주파수를 위하여 검출된 산소농도를 수취하는 측정수단;

A/F 제어주파수를 수취하고 이 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F 제어 주파수 한계임계치에 비교하기 위한 1차 비교기;

촉매온도를 감시하기 위하여 대체로 촉매에 위치된 온도센서

수명온도 프로파일과 촉매라이트 오프시간을 생성시키기 위하여 온도센서에 연결된 장치;

검출된 촉매라이트 오프시간을 수취하고 이 촉매라이트 오프시간을 미리 결정된 사진값에 비교시키기 위한 2차 비교기;

수명온도 프로파일을 수취하고 이 수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계임계치와 비교시키기 위한 3차 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 11항에 있어서,

촉매가 미리 결정된 한계 작동수준 아래에서 작용하는 가를 표시하기 위하여 1차, 2차 그리고 2차 비교기들 중 적어도 하나에 연결된 표시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하는데 있어서,

아래의 단계들 :

엔진과 촉매 사이에 있는 배기경로에 위치된 산소센서로 엔진배기의 농도를 측정하기 ;

산소센서의 저항크기를 측정하기 ;

저항크기를 미리 결정된 한계 임계값에 비교하기 ;

대체로 촉매에 위치된 온도센서로 촉매의 온도 감지하기 ;

감지된 촉매온도로 촉매의 라이트 오프 시간 결정하기 ;

감지된 라이트 오프 시간을 미리 결정된 라이트 오프 시간 임계값과 비교하기 ;

측정된 촉매온도로 수명온도 프로파일 생성시키기 ;

수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계값과 비교하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,

각각의 임계치를 초과하는 세 개의 비교값들 중의 어느것에 대하여 표시신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,

산소센서의 공기/연료(A/F) 제어주파수를 감시하고 이 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F 제어주파수 한계임계치에 비교하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,

각각의 임계치를 초과하는 네 개의 비교값들 중의 어느것에 반응하는 표시신호를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
내연기관의 하류에 있는 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하는 방법에 있어서,

엔진과 촉매 사이의 배기경로에 위치된 산소센서로 엔진 배기가스의 농도 측정하기 ;

산소센서의 공기/연료(A/F) 제어주파수 모니터링하기 ;

모니터된 A/F 제어주파수를 미리 결정된 A/F제어 주파수 한계 임계값에 비교하기 ;

대체로 촉매에 위치된 온도센서로 촉매의 온도 감지하기 ;

감지된 촉매온도를 이용하여 촉매의 라이트 오프 시간 결정하기 ;

감지된 라이트 오프 시간을 미리결정된 라이트 오프 시간 임계값과 비교시키기 ;

측정된 촉매온도로 수명온도 프로파일 생성시키기 ;

수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계값과 비교시키기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17항에 있어서,

각각의 임계를 초과하는 세 개의 비교값들 중의 어느것에 반응하여 표시신호를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하기 위한 장치에 있어서,

엔진과 촉매사이의 배기경로에 위치된 1차촉매 오염측정을 제공하는 1차의 전위차식 산소센서;

촉매온도를 감시하기 위하여 대체로 촉매에 위치된 온도센서;

촉매온도를 수취하고 수명온도 프로파일과 촉매라이트오프시간을 생성시키기 위한 수단;

촉매로부터 하류의 배기경로에 위치된 2차촉매 오염측정을 제공하고 공기/연료(A/F) 제어신호를 발생시키는 2차 전위차식 산소센서

검출된 촉매라이트오프시간을 수취하고 이 촉매라이트오프시간을 미리 결정된 시간값에 비교하는 1차 비교기;

수명온도 프로파일을 수취하고 이 수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계치와 비교하는 2차 비교기;

A/F 제어신호를 수취하고 이 A/F 제어신호를 미리 결정된 A/F 제어신호 한계 임계치에 비교하는 3차 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 19항에 있어서,

촉매가 미리 결정된 한계 작동수준 아래에서 작용하는 가를 표시하기 위하여 1차, 2차 그리고 3차 비교기들 중의 적어도 하나에 연결된 표시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 감시장치.
제 19항에 있어서,

1차, 2차 그리고 3차 비교기들은 마이크로프로세서와 함께 수행되는 것을 특징으로 하는 감시장치.
내연기관 하류의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하는 방법에 있어서,

대체로 촉매에 위치된 온도센서로써 촉매온도를 검출하기;

검출된 촉매온도로부터 촉매라이트오프시간 결정하기;

이 결정된 라이트오프시간을 미리 결정된 라이트오프시간 임계치와 비교하기;

수명온도 프로파일을 검출된 촉매온도로서 생성하기;

수명온도프로파일을 미리 결정된 온도 프로파일 한계 임계치와 비교하기;

촉매하류의 배기경로에 위치된 전위차식 산소센서에 의하여 발생된 공기/연료(A/F) 제어신호를 측정하기 ; 그리고

이 A/F 제어신호를 미리 결정된 A/F 제어신호 한계 임계치에 비교하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항에 있어서,

각각의 임계치를 초과하는 세 개의 비교값들 중의 어느것에 반응하여 표시신호를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
내연기관의 배기경로에 위치된 촉매의 효율을 측정하는 방법에 있어서,

온도센서로써 촉매의 온도를 감시하고;

촉매의 수명온도 프로파일을 생성시키고; 그리고

이 수명온도 프로파일을 미리 결정된 온도프로파일 한계 임계치와 비교하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.