KR19990078356A

KR19990078356A - 촉매 온도 제어를 위한 방법과 장치

Info

Publication number: KR19990078356A
Application number: KR1019990010766A
Authority: KR
Inventors: 하미드 세르바티 비
Original assignee: 크리스티안 반겔; 헤라우스 일렉트로-나이트 인터내셔날 엔. 브이
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 1999-10-25
Also published as: JPH11324659A; BR9902023A; US6202406B1; EP0947683A3; EP0947683A2

Abstract

내연 엔진의 배기 경로에 위치되며 촉매 변환 장치로부터의 탄화수소 방출 총량을 최소화시키기 위한 장치는 촉매 온도를 나타내는 출력 신호를 연속적으로 발생시키기 위하여 촉매 변환 장치에 결합된 온도 센서와, 온도 센서로부터 출력 신호를 수신하고 1초이내의 응답 시간을 갖도록 출력 신호를 향상시키는 제어기를 포함한다. 제어기는 촉매 온도가 촉매 변환 장치 라이트오프 온도 (light-off temperature) 보다 낮을때 촉매 온도를 빠르게 상승시키기 위하여 엔진의 하나 또는 그 이상의 동작 파라미터를 조절하고, 촉매 온도가 촉매 변환 장치 라이트오프 온도보다 클때 촉매 변환 장치로부터 출력되는 탄화수소 방출율을 최소화시키기 위하여 엔진의 하나 또는 그이상의 동작 파라미터를 조절한다.

Description

촉매 온도 제어를 위한 방법과 장치{Method and Apparatus for Catalyst Temperature Control}

본 출원은 발명의 명칭이 "자동차에서 촉매 진단 기능과 후부 배기관 가스방출의 감소를 위한 적응 폐쇄 루프 촉매 온도 제어" 인, 1998년 3월 30일에 출원된 미국 가출원 제 60/079,880 호와, 발명의 명칭이 "ULEV 를 위한 진단과 촉매 라이트오프 제어를 위한 폐쇄 루프 촉매 온도 피드백" 인, 1998년 10월 16일에 출원된 미국 가출원 제 60/104,493 호의 이점을 청구하는 것이다.

훨씬 더 엄격한 자동차 배기 방출 기준에 부합하기 위하여 많은 새로운 기술들이 개발되고 있으며, 이미 존재하는 기술들은 개량되고 있다. 자동차 배기 방출을 감소시키기 위한 두가지 일반적인 개발 영역은 (1) 배기 방출을 발생시키는 엔진을 감소시키는 것과 (2) 배기 방출을 발생시키는 엔진의 후처리를 최적화하는것이다. 배기 후처리는 일반적으로 엔진 배기 경로에 하나 또는 그이상의 촉매 변환 장치를 포함한다.

개선의 여지가 많은 한 영역은 상온 시동 주기, 즉, 엔진이 시동할때로부터 촉매 라이트오프 (light-off)가 발생할때까지의 주기동안, 방출을 감소시키는 것이다. 상온 시동 주기동안, 배기 탄화수소 (HC) 의 방출량은 많으며, 배기 후처리 시스템의 성능은 낮다. 상온 시동 주기는 현재의 (OEM) 방출 제어 방법에서 거의 30-60 초간 지속되고, 자동차 엔진 시스템의 방출의 값을 구하기 위하여 사용되는 연방 테스트 방법 FTP75 에서 전체 측정된 배기관 HC 배기 방출의 80% 까지로 측정된다.

엔진 성능을 최적화하기 위하여 일반적으로 제어되는 3가지 주요 엔진 동작 파라미터는 공기, 연료, 즉, 공기-연료(A/F) 비율, 및 연소 타이밍이다. 유사하게, 3종 촉매의 변환 효율을 최적화하기 위하여 제어될 필요가 있는 3가지 주요 엔진 동작 파라미터는 공기, 연료, 즉, A/F 비율 및, 촉매 에너지 (온도) 이다. 엔진 A/F 비율의 제어와 연소를 포함한 방출 제어 방법은 만족스러운 운전능력의 한계내에서 수행되어야하며, 그럼으로써 제어 선택의 범위가 제한된다.

자동차 후부 배기관 방출은 일반적으로 엔진 배기 경로내에 설치된 산소 센서로부터의 피드백에 의하여 엔진 공기와 연료의 폐쇄 루프 제어에 의해서 최소화된다. 산소 센서는 엔진 배기 가스에서 과잉 산소를 측정하고 그 결과의 센서 출력 신호는 각각의 기통 사고에 대비하여 엔진 연료 주입 주기를 바로잡기위하여 사용된다. (산소 센서 출력 신호로부터 계산된) 엔진 A/F 비율을 바탕으로 엔진 배기로부터 촉매가 들어가는 배기 가스 농도가 계산된다. 부가적으로, A/F 비율과 배기 가스 온도의 함수로서 촉매 에너지(온도)를 예보하는 한정 컴퓨터 모델이 있다. 그러므로, 산소 센서가 동작할때, 방출 제어 과정의 전체 최적화가 수행될 수 있다.

그러나, 엔진 배기에서 과잉 산소를 감지할때 주로 기준이 되는 방출 제어에는 한계가 있다. 첫째, 상온 시동 주기동안 산소 센서가 아직 동작하지 않기 때문에, 산소 센서로부터의 피드백이 없다. 둘째, 현재, 상온 촉매 동작을 위한 신뢰성있는 배기 가스 온도 모델이 없다. 이용가능한 촉매 에너지 모델은 뜨겁고, 안정되며, 안정 상태의 조건과 추측된 촉매 경년(aging) 조건으로 제한된다. 그러므로, 방출 제어는 효과적인 개방 루프이고 상온 시동 조건하에서 많은 부적당한 추측에 바탕을 두고 있다. 또한, 촉매 에너지의 직접적인 측정이 불충분하므로, 전체적인 방출 제어는 촉매 에너지 모델이 매우 제한된 조건하에서만 정확하기 때문에 부적당하다.

전체 탄화수소 방출은 촉매 라이트오프를 더 빠르게 함으로서 감소된다는 것은 충분히 이해될 것이다. 그러나, A/F 비율, 연소 타이밍등을 조절함으로써 촉매 가열을 증가시키는 것은 일반적으로 더 높은 배기 방출 비율로 귀결된다. 화학량 (stoichiometric) A/F 비율 제어는 배기 방출 비율을 감소시키는 것에 더 적당하며 최대 촉매 가열에는 적당하지 않다. 전체 방출을 감소시키는 것은 촉매 라이트오프가 발생할때 최대 촉매 가열로부터 화학량 제어까지의 시프팅 제어 방법을 필요로 한다.

촉매 온도를 직접 측정하고 촉매 온도를 부가적인 엔진 제어 변수로서 사용하는 것은 정확한 개방 루프 방출 제어 방법에서 가능한 것보다 상온 시동 주기동안 더 적극적인 촉매 가열 기능을 성취하기 위하여 엔진 동작 파라미터를 안전하게 조정하도록 한다. 실험적 데이터는 전체 후부 배기관 방출이 엔진 배기 가스 HC 방출의 발생율을 정확하게 감소시키는 것과 비교되는 상온 시동 주기동안 촉매의 최대 가열의 방법을 사용하여 감소될 수 있다는 것을 보여준다.

바람직하지 못한 배기 방출을 감소시키는 것에 더하여, 더 현대적인 자동차 방출 제어 시스템은 후부 배기관 HC 방출을 감시하고 바람직하지 못한 방출의 한계값이 초과되면 자동차내의 기능장애 표시기를 동작시킬 필요가 있다. 더 현대적인 방출 제어 시스템은 또한 초과 방출의 원인을 기능 장애 성분으로 분리시키는 것이 요구된다.

로우 방출 자동차 (LEV) 와 울트라 로우 방출 자동차 (ULEV) 레벨에서 후부 배기관 방출 증가의 주요 원인은 촉매 라이트오프 성능의 저하이다. 촉매 변환 장치의 성능을 진단하기 위한 최근의 접근 방법은 촉매 변환 장치의 가열된 산소 저장 능력을 결정하기 위하여 전촉매와 후촉매 산소 센서를 사용하는 것이다. 그러나, 산소 저장 능력의 측정은 촉매의 임계 라이트오프 성능을 고려한 신뢰성있는 정보를 제공하지 않는다. 다른 접근은 촉매 변환 장치 입구와 출구 온도사이의 차이를 감시함으로써 촉매 변환 장치에서 방열 활동을 측정하는 것이다. 이러한 접근은 다중 온도 센서를 필요로 하며, 적당한 기능 변환 장치로부터 기능 장애 변환 장치를 구별하기 위하여 넓은 가변 조건하에서 작은 온도 차이의 설명을 필요로 한다.

만족스러운 기능 장애 촉매는 촉매로부터 방열 에너지의 방출로 인한 촉매 라이트오프에 따른 온도 상승 비율에서의 증가를 보여준다. 도 1 은 라이트오프 주기동안 전형적인 촉매 온도 도표를 보여준다. 상온 시동 주기동안 일정한 비율로 촉매를 가열하기 위하여 엔진 동작 파라미터를 조정함으로써, 촉매가 소정 목표 온도를 성취하기 위하여 선택하는 시간을 측정함으로써 저하된 촉매 HC 변환을 결정하는 것이 가능하다는 것을 실험을 통하여 알 수 있었다. 촉매를 일정한 비율로 가열하는 것은 촉매 라이트오프에 우선하여 촉매의 최대 가열과 일치한다. 본 발명은 누적 배기관 HC 방출을 감소시키는 것과 동시에 촉매 변환 장치에서 촉매의 온도를 측정하기 위하여 단 하나의 온도 센서를 사용하여 촉매 성능을 정확하게 결정하기 위하여 제공되는 부가적인 방출 제어 변수로서 촉매 온도의 사용과 관련된 상온 시동 주기동안 일정한 비율의 최대 촉매 가열의 에너지 제어 및 최적화 (ECO) 방법을 사용한다.

도 1 은 촉매 라이트오프 주기동안 촉매 온도 대 시간의 도면.

도 2 는 촉매 온도 제어 장치의 제 1 바람직한 실시예의 개략적 블록도.

도 3 은 소형 열전쌍 모델의 개략적 블록도.

도 4 는 OEM 과 ECO 촉매 온도 제어 방법을 위한 배기관 가스와 내연 엔진 배기에서 시간에 대한 누적 HC 방출의 도면.

도 5 는 도 4 에서 사용된 OEM 및 ECO 촉매 온도 제어 방법을 위한 시간에 대한 촉매 온도와 촉매 변환 장치 HC 효율의 도면.

도 6 은 도 2 의 촉매 온도 제어 장치의 제 1 바람직한 실시예를 사용하여 촉매 변환 장치로부터 배기 방출의 총량을 최소화시키기 위한 제 1 바람직한 방법의 기능 유선도.

도 7 은 라이트오프 주기에 대해 측정된 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매 변환 장치 HC 효율의 도면.

도 8 은 촉매 변환 장치 동작의 안정상태 주기에 대해 측정된 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매 변환 장치 HC 효율의 도면.

도 9 는 ECO 및 OEM 엔진 제어 방법에 따라 가열될때 100,000 마일 촉매 온도의 도면.

도 10 은 ECO 엔진 제어 방법에 따라 가열될때 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매의 도면.

도 11 은 안정상태 조건하에서 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매의 도면.

도 12 는 도 2 의 촉매 온도 제어 장치의 제 2 바람직한 실시예에 따라서 촉매 변환 장치의 HC 변환 효율을 진단하는 것과 동시에 촉매 변환 장치로부터의 전체 HC 방출을 최소화시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 바람직한 방법들의 작동 유선도.

간단히 말하면, 본 발명은 내연 엔진의 배기 경로에서 촉매 변환 장치로부터 탄화수소 방출의 총량을 최소화시키기 위한 장치를 포함하며, 이 촉매 변환 장치는 라이트오프 온도를 가진 촉매를 포함한다. 상기 장치는 촉매 온도를 나타내는 출력 신호를 연속적으로 발생시키기 위하여 촉매 변환 장치와 결합된 온도 센서와; 상기 온도 센서로부터 출력 신호를 수신하고, 1초이하의 응답 시간을 갖도록 출력 신호를 향상시키며, 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하고 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 클때 촉매 변환 장치로부터 출력된 탄화수소 방출의 비율을 최소화시키도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하기 위한 제어기를 포함한다.

본 발명은 또한 내연 엔진의 배기 경로에 위치된 촉매 변환 장치로부터 방출된 탄화수소의 총량을 최소화시키는 방법을 포함하며, 이 촉매 변환 장치는 라이트오프 온도를 가진 촉매와 온도 센서를 포함한다. 상기 방법은 온도 센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 한 촉매 온도를 연속적으로 결정하는 단계와, 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계 및, 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때 엔진의 배기에서 충분한 화학량 조건을 성취하기 위하여 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계를 포함한다.

본 발명은 라이트오프 주기동안 촉매 온도를 측정함으써 촉매을 포함하는 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 장치를 더 포함한다. 이 장치는 촉매 온도를 나타내는 제 1 출력 신호를 연속적으로 발생시키는 촉매 변환 장치에 결합된 온도 센서와; 온도 센서로부터 제 1 출력 신호를 수신하고, 1초이하의 응답 시간을 갖도록 출력 신호를 향상시키며, 상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 이 제어기는 라이트오프 주기동안 촉매 온도에서의 변화를 바탕으로 촉매 변환 장치 탄화수소 효율을 나타내는 제 2 출력 신호를 발생시킨다.

본 발명은 또한 라이트오프 주기동안 촉매의 온도를 측정한 것을 바탕으로, 내연 엔진의 배기 경로에 위치된, 촉매를 포함하는 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 방법을 포함하며, 이 촉매 변환 장치는 라이트오프 온도를 가진 촉매와 온도 센서를 포함한다. 이 방법은 상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위한 엔진의 동작 파라미터를 조절하는 단계와, 온도 센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 촉매의 온도를 연속적으로 결정하는 단계와; 촉매 온도의 변화율을 계산하는 단계, 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때의 제 1 시간 주기동안 촉매 온도의 변화율과 촉매 온도가 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때의 제 2 시간 주기동안 촉매 온도의 변화을 비교하는 단계 및; 제 2 시간 주기동안의 촉매 온도의 변화율이 제 1 시간 주기동안의 촉매 온도의 변화율과 같거나 적어도 소정값만큼 그보다 작으면 저하된 탄화수소 변환 효율을 가진 촉매 변환 장치를 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 라이트오프 주기동안 촉매 변환 장치에서 촉매의 온도를 측정함으로서 내연 엔진의 배기 경로에 위치된 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 방법을 또한 포함한다. 본 방법은 촉매 변환 장치에 결합된 온도센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 촉매 변환 장치의 온도를 연속적으로 결정하는 단계; 상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위하여 엔진의 동작 파라미터를 조절하는 단계; 촉매 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간을 측정하는 단계 및; 촉매 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간 주기가 소정값보다 크면 저하된 탄화수소 변환 효율을 가진 촉매 변환 장치를 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 내연 엔진의 배기 경로에 위치된 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 동시에, 라이트오프 온도를 가진 촉매를 포함하는 촉매 변환 장치로부터의 전체 탄화수소 방출을 최소화하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 촉매 변환 장치에 연결된 온도 센서로부터의 제 1 출력 신호를 바탕으로 촉매의 온도를 연속적으로 결정하는 단계와, 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매를 충분히 일정하게 가열하여 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계와, 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때 엔진의 연소에서 충분한 화학량 조건을 성취하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계와, 촉매의 순간 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간을 측정하는 단계 및, 촉매 온도가 소정 목표 온도를 초과하는데에 필요한 시간 주기가 소정 값이상이면 저하된 탄화수소 변환 효율을 나타내는 제 2 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예들의 하기의 상세한 설명은 물론, 상술한 요약은 첨부된 도면과 함께 이해하면 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 설명하기 위하여, 현재 바람직한 실시예들이 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 여기에서 지정된 배치 및 수단으로 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.

본 발명은 촉매 변환 장치에서 촉매의 온도를 측정하고 엔진 동작의 촉매 라이트오프 주기동안 엔진 제어 파라미터를 수정하기 위하여 촉매의 알려진 특성과 관련된 촉매 온도를 사용함으로써 내연 엔진의 배기 경로에서 촉매 변환장치로부터 전체 탄화수소 방출을 최소화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 또한 촉매 온도 측정에 대해 수행되는 계산에 의해서 촉매의 탄화수소 변환 효율의 저하를 동시에 진단하기 위한 수단을 제공한다.

도면에 대하여 상세하게 설명하면, 촉매 변환 장치 (16) 로부터 나온 탄화수소 (HC) 방출의 총량을 최소화시키기 위한 촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 1 바람직한 실시예의 개략적인 블록도인, 도 2 에 도시된 성분과 같은 성분에는 같은 참조번호가 사용된다.

촉매 변환 장치 (16) 의 입력은 배기관 (14) 에 의해 내연 엔진 (12) 에 연결되어 있다. 촉매 변환 장치 (16) 의 출력은 후부 배기관 (18) 에 연결되어 있다. 온도 제어 장치 (10) 는 또한 엔진 (12) 의 동작을 제어하는 엔진 제어 (24) 를 활성화시키고, 방출 제어 부품의 기능불량을 자동차 조작자에게 보여주기 위하여 기능불량 표시광 (28) 을 활성화시키기 위하여, 엔진 센서 (26), 산소 센서 (32) 및 온도 센서 (20) 로부터의 신호들를 수신하는 제어기 (22) 를 포함하는 방출 제어 부품들을 포함한다. 내연 엔진 (12), 배기관 (14), 촉매 변환 장치 (16), 후부 배기관 (18) 및 방출 제어 부품은 일반적으로 자동차에 관련된 것으로 도시된다. 그러나, 본 발명은 자동차에 사용하는 것으로 한정되지않으며, 다른 형태의 자동차와 다른 형태의 내연 엔진 구동 기계에도 일반적으로 사용되는 것으로 관련 기술 분야의 당업자들에게 알려져 있다.

촉매 변환 장치 (16) 는 관련 기술분야의 당업자들에게 알려진 형태의 촉매를 포함하는데, 촉매 변환 장치 (16) 의 입력에 공급되는 배기 가스중에서 H₂, HC, CO 및 NO_X의 가스 종류들이 더 양호한 가스 종류 (즉, CO₂, H₂O 및 N₂) 로 변환되며 이 가스들이 촉매 변환 장치 (16) 로부터 나와서 후부 배기관 (18) 으로 이동하여 후부 배기관 가스로서 대기중에 배출된다. 상술한 촉매 변환 공정은 촉매 변환 공정을 거치지 않은 동일한 촉매와 비교하여 촉매 온도의 증가로 귀결되는 촉매의 방열 반응을 수반한다. 탄화수소가 더 양호한 가스 종류로 변환되는 효율은 식 1 로 표시되는 바와 같이, 촉매 변환 장치 (16) 의 탄화수소 변환 효율로 불린다.

% HC 효율 = (1 - 후부 배기관내에 존재하는 HC/엔진 배기내에 존재하는 HC )*100

(1)

촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 1 바람직한 실시예에서, 촉매 변환 장치 (16) 내의 촉매는 라이트오프 온도, 즉, 배기 가스 방출 성분의 변환이 시작되는 온도를 특징으로 한다. 일반적인 촉매 변환 장치에서, 촉매의 라이트오프 온도는 150 에서 450 ℃ 의 범위이다. 촉매 변환 장치의 라이트오프 온도는 각각의 형태의 촉매 변환 장치에서 구별되며, 특정한 촉매 변환 장치에 대해서 일반적으로 촉매 변환 장치에 입력되는 엔진 배기 가스의 공기-연료(A/F) 비율의 함수이다. 촉매 라이트오프 온도에 대한 A/F 비율과 관련된 촉매 변환 장치 촉매의 모델들은 그 기술이 잘 알려져 있으므로, 본 발명의 완전한 이해를 위하여 설명할 필요는 없다.

촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 1 바람직한 실시예에서, 촉매의 온도를 감지하고, 순간 촉매 온도에 비례하거나 이 온도를 나타내는 전기적 출력 신호 (21) 를 연속적으로 발생시키기 위하여 촉매 변환 장치 (16) 와 결합하거나 이와 연결되는 하나의 온도 센서 (20) 가 제공된다. 이 제 1 실시예에서, 온도 센서 (20) 는 0 에서 1,000℃ 의 온도 감지 범위에 걸쳐 저항의 실제 선형 변화를 제공하는, 헤리우스 센서-나이트 모델 (Heraeus Sensor-Nite Model) 번호 TS200 EGTS 플라티늄 저항 온도 탐지기 (RTD) 센서이다. 바람직한 실시예에서, 이 온도 센서는 앞면으로부터 약 1 인치 아래에 일반적으로 촉매의 중앙에 설치된다. 관련 기술분야의 당업자들에게 알려진 바와 같이, 온도 센서 (20) 는 촉매내의 다른 위치에 놓여질 수 있으며, 적당한 정확성, 안정성 및 신뢰성을 가진 다른 제조자로부터 다른 형태의 온도 센서가 본 발명의 이론과 범위내에서, 촉매 온도 센서 (20) 로 사용될 수 있다.

촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 1 바람직한 실시예는 또한 온도 센서 (20) 로부터 온도 출력 신호 (21) 를 수신하고, 바람직하게 1초이하로 향상된 응답 시간을 제공하도록 센서 출력 신호 (21) 를 처리하기 위한 제어기 (22) 를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 온도 센서 (20) 는 초당 11 미터의 가스 속도에서 300 ℃ 단계 변화에 대하여 약 5+/-0.1 초의 응답 시간을 갖는다. 제어기 (22) 는 소형 열전쌍 (도 2 에는 도시되지 않음) 의 실험상의 소프트웨어 모델에 센서 출력 신호 (21) 를 공급함으로서 RTD 온도 센서 (20) 의 응답 시간을 향상시킨다. 온도 센서 (21) 의 결과적인 유효 응답 시간은 약 1 초이다. 관련 기술분야의 당업자들에게 알려진 바와 같이, 효과적인 센서 출력의 상승 시간이 더 빨라질수록, 엔진 (12) 의 제어는 더 신뢰성있게 될 것이다. 그러나, 본 발명은 효과적인 센서 상승 시간이 1초로 제한되는 것은 아니다. 임의의 효과적인 센서 상승 시간의 선택은 특정 엔진에 대한 만족스러운 제어역학과 조화되며, 촉매는 본 발명의 이론과 범위내에 있는 것이다.

이제 도 3 과 관련하여, 제어기 (22) 내의 소프트웨어에서 실시되는 바와 같이 소형 열전쌍 모델 (48) 의 작동 블록도가 도시되어 있다. 사용시에, 온도 센서 출력 신호 (21) 는 신호 (21) 가 초당 약 100 샘플의 비율로 샘플링되는 제어기 (22) 에서 아날로그-대-디지탈 변환 장치 (도시되지 않음) 에 먼저 공급된다. 샘플링된 신호 (300) 는 그후에 소형 열전쌍 모델 (48) 에 공급되며, 로우패스 필터 기능을 제공하는 장치 지연 피드백 소자 (62) 를 가진 순환 필터 (50) 내에서 먼저 처리된다. 순환 필터 출력 (302) 은 그후에 노이즈 탐지기 (52) 와 제 1 비례 정수-차분 (PID1) 제어기 요소 (54) 에 공급된다. 노이즈 탐지기 (52) 는 노이즈 픽업 또는 기능 장애로 인한 비물리적 신호들을 제거함으로써 이러한 신호들이 소형 열전쌍 모델 (48) 의 출력 (312) 을 손상시키는 것을 방지하기 위하여, 초당 200 ℃ 정도를 초과하는 비율에서 변화하는 신호를 탐지한다. 노이즈 탐지기 (52) 로부터의 출력 (304) 은 제 2 비례 정수-차분 (PID2) 제어기 요소 (56) 에 공급된다.

PID2 (56) 의 출력 (306) 은 합산기 (58) 내의 PID1 (57) 의 출력 (308) 에 합산된다. PID1 (54) 와 PID2 (56) 은 제어 이론 분야의 당업자들에게 잘 알려진 제어기 요소이며, 조절가능한 위상 리드, 레그 및 게인을 제공하며, 엔진 (12) 의 제어 (24) 와 함께 상호작용할때 촉매 온도 제어 장치 (10) 에 대한 제어 안정성을 제공하도록 조절된다. 합산기 (58) 의 출력 (310) 은 다항 예보 필터 (60) 에 공급된다. 다항 예보 필터 (60) 는 300 ℃ 단계의 온도에 대해 500 ㎲ 응답을 가진 온도 센서에 맞추어 설계된다. 다항 예보 필터로 센서 응답을 디자인하는 것은 관련 기술 분야의 당업자들에게 잘 알려져 있는 것이므로, 본 발명의 완전한 이해를 위하여 상세히 설명할 필요는 없다.

제 1 바람직한 실시예에서, 제어기 (22) 는 소형 열전쌍 모델 (48) 의 출력 (312) 을 기준으로 엔진 (12) 의 동작 파라미터를 조절하기 위하여 엔진 제어 (24) 를 활성화시킨다. 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도보다 낮을때, 제어기 (22) 는 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도보다 빠르게 상승하는 방식으로 엔진 (12) 의 동작을 변화시키기 위하여 엔진 제어 (24) 를 조절한다. 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도보다 클때, 제어기 (22) 는 후부 배기관 (18) 으로부터의 HC 방출의 비율을 최소화시키는 방식으로 엔진 (12) 의 동작을 변화시키기 위하여 엔진 제어 (24) 를 조절한다. 바람직하게는 제어기 (22) 는 마이크로프로세서를 포함한다. 마이크로프로세서는 여기에 상술된 바와 같은 계산과 기능을 수행하기 위한 별도의 처리 소자이거나, 존재하는 엔진 제어 장치 (도시되지 않음) 의 일부일 수 있다. 마이크로프로세서는 바람직하게는 일반적으로 잘 알려지고 상업적으로 사용가능하며, 한정된 단계 세트들을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 통합한다. 자동차에서 사용되는 이러한 마이크로프로세서는 잘 알려져 있으므로, 그에 대한 다른 설명은 본 발명의 완전한 이해를 위하여 필요하지 않다. 마이크로프로세서는 관련된 메모리 (도시되지 않음) 로부터의 명령 및 데이터와, 스로틀 밸브 개구 센서, 흡입구 공기 센서, 엔진 회전 속도 센서, 크랭크 시프트 위치 센서, 산소 센서 (32) 및 온도 센서 (20) 를 포함하는 다양한 엔진 센서 (26) 로부터의 데이터를 수신하고; 수학적 계산을 수행하며; 결과 데이터를 관련 된 메모리에 저장하며; 내연 엔진 (12) 의 동작을 위하여, 엔진 스로틀 밸브, 연료 주입 밸브, 연소 타이밍, 배기 가스 복귀 밸브, 2차 공기 펌프 및 측관 공기 유입 밸브를 포함하는 다양한 엔진 제어 (24) 를 활성화시킴으로서 엔진 동작 파라미터를 조절하는 것과 관련된 제어 기능을 수행할 수 있다고 말할 수 있다. 다른 엔진 센서와 엔진 제어들이 사용될 수도 있으며, 제어기 (22) 는 마이크로프로세서일 필요는 없다는 것은 관련 기술 분야의 당업자들에게 알려져 있다. 아날로그 요소와 디지탈 논리 요소의 결합물, 아날로그 요소 또는 디지탈 논리 요소의 결합물과 같은 제어기 (22) 기능을 수행하기 위한 다른 수단들은 대규모 집적 회로로서 실행가능하였으며, 실행 순열 조합 및 순차 논리가 본 발명의 이론과 범위내에서 제어기 (22) 로서 사용될 수 있었다.

촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 1 바람직한 실시예는 또한 촉매가 소정 한계 동작 레벨이하에서 작용하고 있는 것을 엔진 조작자에게 나타내기 위하여, 선 (38) 에 의하여 제어기 (22) 에 접속되는, "기능 장애 표시광" 또는 "MIL" 로 알려진, 디스플레이 또는 표시기 (28) 를 더 포함한다. 표시기 (28) 는 바람직하게는, 불이 켜지거나 발광될때 촉매가 효율적으로 작용하지 않는지 교체될 필요가 있는지를 자동차 조작자에게 알리는 자동차 계기판의 광 또는 LED 이다. 본 발명의 이론과 범위내에서, 조작자에게 경고하기 위하여 청각적 경고를 포함하여, 다른 수단들이 사용될 수 있다는 것은 관련 기술분야의 당업자들에게 알려져 있다.

자동차 후부 배기관 탄화수소 (HC) 가스 방출의 80% 이상은 상온 자동차 시동에 따르는 처음 몇분동안 방출된다는 것은 잘 알려져 있다. 종래에, 상온 시동 주기동안 즉, 엔진이 시동하는 시간과 촉매 변환 장치가 라이트오프 온도에 도달하는 시간사이의 주기동안 후부 배기관 HC 가스의 감소는 엔진 가동성과 일치할 수 있을 정도로 불충분하도록 엔진 공기/연료 비율을 조절함으로써, 엔진 HC 연소 방출의 비율을 감소시키는 것에 집중되어 왔다. 공기/연료 비율을 증가시키는 것이 엔진 HC 연소 가스 방출 비율을 감소시키는 동안, 부족한 공기/연료 비율은 수용가능한 엔진 동작을 위한 비교적 향상된 연소 타이밍을 요구하며, 그럼으로써, 엔진의 열 출력을 감소시키고, 촉매 변환 장치가 라이트오프 온도에 도달하는 시간을 증가시킨다.

상온 주기 엔진 HC 연소 방출 비율을 최소화시키기 위한 대안은 엔진 연소의 열 비율을 증가시킴으로서 촉매 변환 장치 라이트오프 온도에 도달하는 데에 필요한 시간을 감소시키는 것이다. 도 4 는 4,000 마일 경년(aged) 촉매에 대하여 누적 연소 가스 (곡선 1) 와 후부 배기관 가스 (곡선 2) HC 방출의 비교를 그램 대 시간으로 도시하고 있으며, 이것은 엔진 제어의 누적 연소 가스 (곡선 3) 와 후부 배기관 (곡선 4) HC 방출에 대하여 비교된 상온 시동주기동안 부족한 A/F 비율 (λ=1.0, 연소=5 도 ATDC) 을 제공하는 원래 장비 제작자 엔진 방법 (여기서 OEM 엔진 제어 방법으로 언급됨) 과, 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도에 도달하는 시간을 최소화하는 충분한 A/F 비율 (λ=0.9, 연소=5도 ATDC) 을 제공하는 본 발명 (여기서 ECO 엔진 제어 방법으로 언급됨) 에 따른 새로운 최적화 방법을 사용한다. 누적 후부 배기관 가스 HC 방출에서의 감소는 OEM 과 ECO 방법에 대하여 누적 후부 배기관 방출을 각각 표시한 TPHC(GOEM) (곡선 2)와 TPHC (GECO)(곡선 4) 로 명칭되는 도 4 의 곡선들을 비교하여 알 수 있다. 도 4 에 도시된 누적 후부 배기관 가스 HC 방출 감소의 결과는 OEM 및 ECO 엔진 제어 방법에 대하여, 촉매 대 시간의 HC 효율과 촉매 온도를 표시한, 도 5 에 도시된 바와 같이, 촉매 라이트오프 온도에 도달하는 시간의 감소와 직접적으로 관련이 될 수 있다.

도 6 은 내연 엔진 (12) 의 배출 경로에 위치된 촉매 변환 장치 (16) 로부터 방출된 탄화수소의 총량을 최소화하기 위하여 도 2 의 장치 (10) 를 사용하는 제 1 바람직한 방법을 도시하며, 촉매 변환 장치 (16) 는 온도 센서 (20) 를 포함하며, 라이트오프 온도를 갖는다. 엔진을 시동 (단계 100) 시킨후에, 촉매 온도는 촉매 변환 장치 (16) 에 설치되는 온도 센서 (20) 에 의해 연속적으로 측정된다.(단계 101) 제어기 (22) 에 공급되는 온도 센서 (20) 의 출력 (21) 은 상기에 설명된 바와 같이, 소형 열전쌍 모델 (48) 에 의하여 향상되며, 촉매 변환 장치 라이트오프 온도 (단계 202) 와 비교되어 촉매의 온도가 라이트오프 온도보다 낮은지를 결정한다. 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮으면, 제어기 (22) 는 ECO 방법을 사용하여, 엔진 연소 타이밍, A/F 비율 및 엔진 측관 공기를 포함하는 적어도 하나의 엔진 동작 파라미터를 조절함으로써, 엔진이 배출 가스의 최대 가열에 대하여 동작하도록 한다. (단계 103)

도 5 에 도시된 바와 같이, OEM 제어 방법 (곡선 1) 에서, 상온 시동 주기동안 촉매 변환 장치 온도 상승은 엔진이 아이들(idle)상태일때 초당 약 10 ℃ 이고, 엔진에 부하가 걸리면 초당 약 20 ℃ 라는 것이 일반적으로 알려져 있다. 상온 시동 주기동안 일반적으로 알려진 엔진 동작 조건의 전범위에 대하여 초당 약 20 ℃ 의 바람직한 온도 상승을 성취하기 위하여, OEM 방법에서보다 ECO 방법에서 연소는 더 크게 지연된다.

ECO 제어 방법에서, 촉매 가열은 상온 시동 주기동안 감소된 HC 방출비율에 대해 우선적이다. 그와 같이, 상온 시동 주기동안, 연소 지연은 바람직하게는 약 20 도 ATDC 로 설정되며, 만족스러운 엔진 동작을 성취하기 위하여 아이들 상태에서 충분한 A/F 비율과 높은 측관 공기 유출을 수반한다. 부하가 걸린 조건에서, 엔진 부하가 연소가 더이상 지연될 필요없이 바람직하게 높은 배기 온도를 생성시키기 때문에, 연소 지연은 감소되고 아이들 측관 공기유출은 낮아진다. ECO 방법 (도 5, 곡선 2) 으로 동작한 결과는 초당 20 ℃ 에 가까운 충분히 일정하게 높은 비율에서 촉매 변환 장치 (16) 를 가열하는 것이다.

ECO 방법에서, 촉매 변환 장치 16 (T_C) 의 온도가 촉매 라이트오프 온도 (T_L) 와 같거나 그보다 크게 되면(단계 102), 엔진 제어 (24) 는 제어기 (22) 에 의해서 조절되어 블록 (104) 에 도시된 바와 같이, 엔진 연소 가스에서의 화학량 조건을 성취한다. 따라서, 촉매 라이트오프 온도가 한계이상이 될때, A/F 비율은 부족하게 되며, 스파크 지연은 감소되고, 아이들 측관 공기유출이 감소되어, 엔진 배기 HC 가스 방출 비율을 최소화하기 위하여, 엔진은 OEM 방법에서의 동작 방식과 같거나 유사한 방식으로 동작한다.

로우 방출 (LEV) 또는 울트라-로우 방출 자동차 (ULEV) 레벨에서 후부 배기관 가스 HC 방출 증가의 주요한 원인은 촉매 라이트오프 성능의 저하로 알려져 있다. 도 7 및 8 은 각각 4000 마일 경년 (곡선 1), 100000 마일 경년 (곡선 2) 및, 촉매 라이트오프 주기 (도 7) (즉, 촉매 라이트오프에 근접한 시간 주기) 동안과 안정상태 조건 (도 8) 동안 측정된 소위 OBD 촉매들 (곡선 3) 의 촉매 HC 효율을 각각 도시한다. (OBD 촉매는 받아들일 수 없는 성능의 한계에 있다고 평가되는 촉매이다.) OBD 와 4000/100,000 마일 촉매들사이의 HC 변환 효율에서의 차이는 라이트오프 주기동안 크지만, 안정 상태동작동안에는 매우 작다는 것에 주목해야 한다. 이와 같이, 라이트오프 주기동안 행해진 방열 (촉매 온도) 측정을 바탕으로 촉매 저하를 검출하는 방법은 안정 상태 촉매 상태동안 행해진 방열 측정을 바탕으로 촉매 저하를 검출하는 방법보다 더 큰 신뢰성을 가질 수 있다.

주지된 바와 같이, 소망하는 후부 배기관 HC 방출을 최소화시키기 위한 ECO 방법의 주요 목적은 배기 가스 가열을 제어하여 상온 시동 주기동안 최대 촉매 가열 비율을 성취하는 것이다. 배기 가스 가열 비율을 촉매 라이트오프 주기동안 운전 사이클과 무관하게 충분히 일정하게 제어하는 것은 소정 시간 주기에 걸쳐 촉매 온도에서의 변화를 측정하여, 촉매 저하를 신뢰성있게 표시하도록 한다.

도 9 는 가속을 완화시키기 위하여 (시간 ＞ 20초) 엔진 동작이 아이들 상태(0 에서 20초까지의 시간 주기)로부터 변화하는 ECO 및 OEM 엔진 제어 방법들 모두에 대한 촉매 온도 대 시간의 곡선을 도시하고 있다. ECO 방법에서의 촉매 온도 상승의 비율은 상기에 설명된 바와 같이 초당 약 20℃ 로 충분히 일정하다는 것에 주목해야 한다. 또한, 곡선의 적어도 일부에서는, OEM 방법이 ECO 방법보다 더 개선된 연소 및 더 부족한 A/F 비율을 사용하는 경향이 있더라도, OEM 방법의 촉매 온도 상승 비율은 또한 자동차가 가속되는 동안 초당 20℃ 의 범위이내라는 것에 또한 주목해야 한다. 부하가 걸린 상태에서 OEM 방법의 초당 20℃의 온도 특성은 또한, 부하가 걸린 상태에서 배기 가스 가열 비율을 결정할때 엔진 부하가 엔진 제어 설정을 지배한다는 증거이다. 도 9 로부터 ECO 방법은 촉매 라이트오프 주기동안 배기 가열 비율을 운전 사이클과 무관하게 일정하게 높은 값으로 정상화시키기 위한 조정 방법이라고 결론지을 수 있다.

도 10 은 촉매 라이트오프 주기동안 ECO 방법을 촉매 진단에 적용한 것을 도시한다. 도 10 에는 엔진 상온 시동으로부터 라이트오프 주기동안 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매의 온도가 시간의 함수로 표시되어 있다. 저하된 OBD 촉매는 촉매 온도 응답의 두가지 특성에 의하여 4000 마일과 100,000 마일 (만족스럽게 작용함) 로부터 구별될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 첫째, 4000 마일과 100,000 마일 촉매의 온도는 촉매 라이트오프 온도이하에서 촉매 온도 상승 비율과 비교되는 촉매 라이트오프 온도 이상의 촉매 온도에서 더 높은 비율로 증가한다. 이러한 효과는 만족스럽게 동작하는 촉매에서 라이트오프 온도이상에서 발생하는 촉매 방열 반응으로 인한 것이다. 둘째, 소정 촉매 목표 온도(즉, 측정된 촉매에 대하여 약 450℃) 를 성취하기 위하여 필요한 시간은 만족스럽게 동작하는 촉매에서보다 저하된 OBD 촉매에서 휠씬 더 길다.

도 2 의 촉매 온도 제어 장치 (10) 는 제 2 바람직한 실시예로서 라이트오프 주기동안 촉매 온도를 측정함으로써 촉매 변환 장치 (16) 의 HC 효율의 저하를 진단하기 위하여 만들어진 것이다. 상기에 설명된 바와 같이, 촉매 온도 제어 장치 (10) 는 촉매 온도를 나타내는 온도 출력 신호 (21) 를 연속적으로 발생시키기 위하여 촉매 변환 장치 (16) 와 결합되는 온도 센서 (20) 와; 라이트오프 주기동안 촉매의 가열을 제어하며, 온도 센서 (20) 로부터 출력 신호 (20) 를 수신하고, 라이트오프 주기동안 촉매 온도에서의 변화를 바탕으로 촉매 변환 장치 HC 효율을 나타내는 표시기 신호를 발생시키는 제어기 (22) 를 포함한다. 촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 2 바람직한 실시예는 제 1 바람직한 실시예와 같은 성분들을 포함하며, 제어기 (22) 에서 수행되는 컴퓨터 프로그램 단계들이 다르다는 것만 제 1 바람직한 실시예와 다르다.

촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 2 바람직한 실시예에서, 제어기 (22) 는 촉매가 라이트오프 주기동안 충분히 일정한 비율로 가열되도록 한다. 제어기 (22) 에서의 컴퓨터 프로그램은 상온 시동 주기동안 가속을 완화시키기 위하여 아이들 상태로부터 엔진 (12) 동작 상태의 범위에 걸쳐 충분히 일정한 촉매 가열 비율을 유지할 수 있도록 촉매 라이트오프 주기동안 프로그래밍된 개방 루프 A/F 비율에서 연소 타이밍과 아이들 측관 공기유출을 제어하기 위하여 상기에 설명된 바와 같이 ECO 방법을 실행시킨다.

이제 도 10 과 관련하여, 4000/100,000 마일 촉매가 만족스럽게 작용할때, 촉매 라이트오프 온도보다 높은 촉매 온도에서의 촉매 온도의 변화율이 촉매 라이트오프 온도보다 낮은 촉매 온도에서의 촉매 라이트오프 온도의 변화율보다 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 적절하게 작용하는 촉매에서 발생하는 방열 반응의 결과이다. 또한, 도 10 에서, OBD 촉매의 온도 변화율이 촉매 라이트오프 온도이상에서 충분히 감소한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 촉매 변환 장치 HC 효율이 저하되는 지를 결정할때, 제어기 (22) 의 제 2 바람직한 실시예는 촉매가 촉매 라이트오프 온도에 도달할때로부터 시작하는 소정 제 1 시간 주기동안 측정되는 촉매 온도의 변화율이 상온 시동 주기동안 발생하는 제 2 시간 주기동안 측정되는 촉매 온도의 변화율을 바탕으로 한 값보다 작을 때 촉매 변환 장치 (16) 의 저하된 상태를 표시하는 표시기 신호 (38) 를 발생시킨다. 촉매 온도 제어 장치 (10) 의 제 2 바람직한 실시예에서, 제어기 (22) 는 촉매 변환 장치 (16) 의 저하 또는 기능불량을 자동차 사용자에게 알리기 위하여 MIL 표시기 (28) 에 표시 신호 (38) 를 제공한다.

다시 도 10 과 관련하여, ECO 엔진 제어 방법으로 동작할때, OBD 촉매 온도는 4000/100,000 마일 촉매의 촉매 온도보다 현저하게 낮은 비율로 안정 상태 촉매 온도 (도 11 에 표시되어 있음) 를 향하여 증가한다. 따라서, 촉매 온도 제어 장치의 제 2 바람직한 실시예는 촉매 온도가 소정값보다 큰 소정 목표 온도 (도 10 의 사각형 영역으로서 약 450℃로 나타나 있음) 를 초과하는 데에 필요한 시간을 바탕으로 표시기 출력 신호 (38) 를 발생시킬 수 있다. 이 경우에, 목표 온도는 정상적으로 작용하는 촉매의 라이트오프 온도와 안정 상태 촉매 온도사이의 중간으로 선택되며, 각각의 촉매 변환 장치 형태에 대하여 특정적일 것이다.

이제 도 11 과 관련하여, FTP75 의 안정 상태 부분동안, 4000 마일, 100,000 마일 및 OBD 촉매의 도표가 도시된다. 도 11 은 OBD 와 4000/100,000 마일 촉매사이의 평균 온도 차이가 약 50℃ 라는 것을 보여준다. 안정 상태에서, OBD 와 4000/100,000 마일 촉매사이의 측정된 온도 차이는 촉매의 안정 상태 HC 효율을 감시하기 위한 고감도 신호를 제공한다. 이러한 결과를 바탕으로 촉매 HC 변환 효율의 저하를 진단하기 위한 기술은 다양한 안정 운전 상태에서의 촉매 온도의 실험에 의해 얻어진 도표를 사용하여 각각의 운전 조건에 대하여 최소 온도차의 한계를 설정하는 것이다. 촉매 변환 장치의 안정 상태 배기 가스 온도 모델을 바탕으로 계산된 소정 엔진 연소 온도와 실제 측정된 촉매 온도를 또한 비교할 수 있다. 저하된 촉매 변환 장치와 저하되지 않은 촉매 변환 장치사이의 안정 상태 온도에서의 차이는 HC 효율 진단 기능의 신뢰성을 더욱 증가시키기 위하여 안정 상태 촉매 성능 측정을 제공한다.

도 12 에는 라이트오프 주기동안 촉매의 온도를 측정한 것을 바탕으로 내연 엔진 (12) 의 배기에 연결되는, 촉매를 포함하는 촉매 변환 장치 (16) 의 HC 효율의 저하를 진단하는 제 1 바람직한 방법이 도시되어 있으며, 이 촉매 변환 장치 (16) 는 라이트오프 온도를 가진 촉매와 온도 센서 (20) 를 포함한다. 엔진 (12) 을 시동시킨 후에(단계 200), 촉매 온도 (T_C) 는 온도 센서 (20) 에 의해서 연속적으로 측정된다.(단계 201) 온도 센서 출력 (21) 은 제어기 (22) 에 공급되며, 각각의 촉매 온도 측정은 제어기 (22) 메모리에 저장되며, 예상된 촉매 라이트오프 온도 (T_L) 와 비교되어 (단계 202) 촉매의 온도가 예상된 라이트오프 온도보다 작은지를 결정한다. 촉매 온도가 예상된 라이트 오프 온도보다 작으면 (즉, 상온 시동 주기를 나타냄), 엔진 제어 (24) 가 조절되어 촉매의 가열을 제어하기 위하여 엔진 동작 파라미터를 변경한다.(단계 203) 더구나, 엔진 (12) 연소 타이밍, A/F 비율 및 측관 공기는 ECO 방법을 실행시키기 위하여 상기 설명된 바와 같이 조절되어 완화 가속을 통하여 아이들 상태로부터 엔진 동작 상태의 범위에 걸쳐서 촉매 온도의 충분히 일정한 비율의 상승을 성취한다. 일반적으로, 엔진이 상온 시동 주기동안 아이들 상태에서 소망하는 충분히 일정한 가열 비율을 성취할때 연소 타이밍은 약 20 도 ATDC 로 조절된다. 촉매 온도가 예상된 촉매 라이트오프 온도와 같거나 이 온도를 초과할때 (단계 204) 엔진 제어 (26) 는 OEM 방법에 따라서 화학량 조건 (단계 205) 에 대하여 조절된다. 정상 상태에서, 촉매 온도는 안정 상태 온도를 향하여 계속해서 증가한다. (도 11) 촉매 온도가 예상된 라이트오프 온도와 약 100 ℃의 소정 온도의 합에 도달할때,(단계 206) 촉매 온도가 예상된 라이트오프 온도보다 작을때의 시간 주기와 촉매 온도가 예상된 촉매 온도와 같거나 그보다 클때의 시간 주기동안 촉매 온도의 변화율 (R1, R2) 은 라이트오프 주기동안 행해지고 저장된 온도 측정으로부터 제어기 (22) 에 의하여 결정된다.(단계 207) 온도의 변화율은 비교되고(단계 208), 촉매 온도가 예상된 라이트오프 온도와 같거나 그보다 큰 시간 주기동안 변화율이 촉매 온도가 예상된 라이트오프 온도보다 작을때의 시간주기에 대한 온도 변화율보다 크지 않다면,(단계 209) 제어기 (22) 는 표시 신호 (38) 를 MIL 에 출력하여 촉매 변환 장치의 저하 또는 고장을 사용자에게 가시적으로 표시해 준다. (단계 213)

일반적으로, 촉매 온도는 촉매 변환 장치의 각각의 특정 형태에 대해 특유한 소정 목표 온도 (T_T) 를 초과하여 계속해서 증가한다. 제 2 바람직한 방법에서, 도 2 에 도시된 제 2 바람직한 장치 (10) 를 사용하여, 엔진 (12) 이 시동될때로부터 촉매 온도가 목표 온도를 초과할때 (단계 210) 까지의 경과 시간 (t_e) 이 제어기 (22) 에 의해서 계산된다 (단계 211) 그와 같이, 경과된 시간은 제어기 (22) 내에 저장된 소정값 (t_p) 과 비교된다. (단계 212) 이 시간이 소정값을 초과하면, 제어기 (22) 는 표시 신호 (38) 를 MIL 에 출력하여 촉매 변환 장치 저하 또는 고장을 사용자에게 가시적으로 표시해 준다. (단계 213)

대체적으로, 또는 제 2 바람직한 방법에 더하여, 촉매 온도는 그후의 약 15초 주기동안, 약 125 ℃ (즉, 응축 온도보다 약간 더 높은 촉매 온도) 에 도달하는 시간에 걸쳐 대수적으로 평균치가 구해진다. 촉매 온도의 대수적인 평균치가 소정값보다 작다면, 제어기 (22) 는 표시기 신호 (38) 를 MIL 에 출력하여 촉매 변환 장치의 사용자에게 저하 또는 고장을 가시적으로 표시해준다. (단계 213)

엔진 (12) 이 계속해서 동작하면, 촉매 온도는 촉매 온도가 특정 형태의 촉매 변환 장치의 안정 상태 온도 특성과 특정 엔진 동작 상태에 도달할 때까지 계속해서 상승할 것이다. (단계 218) 제 3 바람직한 방법에서, 촉매 안정상태 온도는 제어기 (22) 에 의해서 측정되고 (단계 217) 소정 한계와 비교된다. (단계 218) 안정상태 촉매 온도가 특정 운전 상태에 대하여 소정 한계보다 작으면, 제어기 (24) 는 표시 신호 (38) 를 MIL (28) 에 출력하여 촉매 변환 장치 저하 또는 고장을 사용자에게 가시적으로 표시해준다.(단계 213)

촉매 온도가 단계 (202) 에서 라이트오프 온도보다 크면, 엔진 촉매는 이전의 공정으로 인하여 아직까지 가열되어 있다는 표시이다. 이 경우에, 엔진 (12) 은 엔진 배기중의 화학량 조건이 조절된다. (단계 214) 그 다음에 촉매 온도는 이 온도가 목표 온도를 초과하는지를 결정하기 위하여 계속해서 측정된다.(단계 215) 촉매 온도가 목표 온도를 초과하면, 촉매 저하를 진단하기 위한 제 3 바람직한 방법은 상기에 설명된 바와 같이 동작된다.

저하된 HC 효율의 진단이 촉매 온도의 변화율 또는, 소정 온도 또는 안정상태에서의 촉매 온도에 도달하는 시간의 평가를 바탕으로 한 측정에 의하여 성취될 수 있다는 것은 관련 기술 분야의 당업자들에게 알려져 있다. 부가적으로, 이러한 상술된 측정 평가는 관련 기술 분야의 당업자들에게 일반적으로 알려져 있는 바와 같이, 병합될 수 있으며, 저하된 촉매 HC 효율을 더욱 신뢰성있게 표시한다.

상기 설명된 실시예는 관련 기술 분야의 당업자들에 의해서 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않은 범위내에서 변화될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 상기의 특정 실시예로 제한되는 것은 아니며, 첨부된 청구항에 한정된 본 발명의 이론과 범위내에서 변경이 가능한 것으로 이해해야 할 것이다.

본 발명은 내연 엔진의 배기 경로에서 촉매 변환 장치의 HC 효율을 진단하고, 동시에 촉매 변환 장치에 위치된 하나의 온도 센서만을 사용하는 촉매 변환 장치로부터 전체 HC 방출을 최소화시키기 위한 방법 및 장치를 제공한다. ECO 방법으로 명명되는 이 방법은 첫째 촉매 온도가 초당 20℃ 에 달하는 비율로 상승하도록 충분한 가열 출력을 제공하며, 둘째 가속을 완화시키기 위하여 엔진 아이들 상태로부터 엔진 동작 상태에 걸친 범위동안 촉매 온도 상승의 비율이 충분히 일정하게 유지되도록 하기 위하여, 상온 시동 주기동안 엔진 동작 파라미터를 조절한다. 실험적인 증거에 의하여 라이트오프 주기동안 HC 효율 진단과 HC 방출의 감소에 대하여 촉매 온도 측정의 효율성이 입증되었다.

Claims

내연 엔진의 배기 경로에서 라이트오프 온도를 가진 촉매를 포함하는 촉매 변환 장치로부터 탄화수소 방출의 총량을 최소화시키는 장치에 있어서,

상기 촉매 온도를 나타내는 출력 신호를 연속적으로 발생시키기 위하여 상기 촉매 변환 장치에 결합되는 온도 센서와;

상기 온도 센서로부터의 출력 신호를 수신하고, 1초이내의 응답시간을 갖도록 상기 출력 신호를 향상시키며, 상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하기 위하여, 상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 클때 촉매 변환 장치로부터 나오는 탄화수소 방출의 비율을 최소화시키도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 이 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 충분히 지연시키기 위하여 엔진의 연소 타이밍을 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 엔진이 아이들 상태일때 상기 연소 타이밍을 약 20 도 ATDC 로 조절하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 촉매 온도는 이 촉매 온도가 촉매 라이트오프 온도보다 낮을때 적어도 하나의 동작 파라미터에 응답하여 초당 약 20℃의 비율로 상승하는 것을 특징으로 하는 장치.
내연 엔진의 배기 경로에 위치되며, 라이트오프 온도를 가진 촉매와 온도 센서를 포함하는 촉매 변환 장치로부터 방출된 탄화수소의 총량을 최소화시키는 방법에 있어서,

상기 온도 센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 촉매 온도를 연속적으로 결정하는 단계;

상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 상기 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계 및;

상기 촉매 온도가 상기 촉매 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때 엔진의 배기에서 충분한 화학량 조건을 성취하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 촉매 온도가 상기 촉매 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 상기 엔진의 연소 타이밍은 충분히 지연되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 연소 타이밍은 상기 엔진이 아이들 상태일때 약 20 도 ATDC 로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 촉매 온도는 상기 촉매 온도가 상기 촉매 라이트오프 온도보다 낮을때 적어도 하나의 동작 파라미터에 응답하여 초당 약 20℃ 의 비율로 상승하는 것을 특징으로 하는 방법.
라이트오프 주기동안 촉매 온도를 측정함으로써 촉매를 포함하는 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 장치에 있어서,

상기 촉매 온도를 나타내는 제 1 출력 신호를 연속적으로 발생시키기 위하여 상기 촉매 변환 장치에 결합된 온도 센서와;

상기 온도 센서로부터 제 1 출력 신호를 수신하고, 1초이하의 응답 시간을 갖도록 상기 출력 신호를 향상시키며, 상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위하여, 라이트오프 주기동안 상기 촉매 온도에서의 변화를 바탕으로 촉매 변환 장치 탄화수소 효율을 나타내는 제 2 출력 신호를 발생시키는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 상온 시동 주기동안 촉매의 가열이 충분히 일정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 제어기는 엔진 연소 타이밍, 공기/연료 비율, 2차 공기 및 측관 공기중의 적어도 하나를 조절하여 상기 상온 시동 주기동안 촉매 가열의 충분히 일정한 비율을 유지시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 촉매는 라이트오프 온도를 가지며, 상기 제어기는 라이트오프 온도보다 큰 온도에서 측정된 촉매 온도를 바탕으로 한 촉매 온도의 제 1 변화율과, 상온 시동 주기동안 측정된 촉매 온도의 제 2 변화율로 이루어진 비율이 소정값과 같거나 그보다 작을때, 상기 제 2 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 촉매 온도가 소정 온도를 초과하는 데에 필요한 시간이 소정값보다 클때 상기 제 2 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 촉매 온도는 상기 촉매 온도가 약 125℃ 와 같을때로부터 그후 약 15초동안의 시간 주기에 걸쳐 대수적으로 평균치가 구해지며, 상기 제어기는 상기 대수적으로 평균치가 구해진 촉매 온도값이 소정값보다 작을때 제 2 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 제 2 출력 신호를 수신하고 사용자에게 가시적인 표시를 제공하기 위한 표시기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
라이트오프 주기동안 상기 촉매의 온도를 측정한 것을 바탕으로, 내연 엔진의 배기 경로에 위치되며, 라이트오프 온도를 가진 촉매와 온도 센서를 포함하는 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 방법에 있어서,

상기 상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위하여 엔진의 동작 파라미터를 조절하는 단계;

상기 온도 센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 촉매의 온도를 연속적으로 결정하는 단계;

상기 촉매 온도의 변화율을 계산하는 단계;

상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때의 제 1 시간주기동안의 촉매 온도의 변화율과 상기 촉매 온도가 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때의 제 2 시간 주기동안의 촉매 온도의 변화율을 비교하는 단계; 및

상기 제 2 시간주기동안 촉매 온도의 변화율이 제 1 시간주기동안의 촉매 온도의 변화율과 같거나 그보다 적어도 소정값만큼 작으면 촉매 변환 장치가 저하된 탄화수소 변환 효율을 가진 것을 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 촉매는 충분히 일정한 비율로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 엔진 연소 타이밍, 공기/연료 비율 및 측관 공기중의 적어도 하나는 상기 상온 시동 주기동안 엔진 동작 상태의 범위에 걸쳐 충분히 일정한 비율의 가열을 유지하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 연소 타이밍은 엔진이 아이들 상태일때 약 20 도 ATDC 로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
라이트오프 주기동안 촉매 변환 장치에서 라이트오프 온도를 가진 촉매의 온도를 측정함으로써 내연 엔진의 배기 경로에 위치된 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하는 방법에 있어서,

상기 촉매 변환 장치에 결합된 온도 센서로부터의 출력 신호를 바탕으로 촉매 변환 장치의 온도를 연속적으로 결정하는 단계;

상온 시동 주기동안 촉매의 가열을 제어하기 위하여 상기 엔진의 동작 파라미터를 조절하는 단계;

상기 촉매 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간 주기를 측정하는 단계 및;

상기 촉매 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간 주기가 소정값보다 크면 촉매 변환 장치가 저하된 탄화수소 변환 효율을 가진 것을 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 촉매는 충분히 일정한 비율로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 21 항에 있어서,

상기 엔진 연소 타이밍, 공기/연료 비율 및 측관 공기중의 적어도 하나는 상기 상온 시동 주기동안 엔진 동작 상태의 범위에 걸쳐 촉매의 가열을 충분히 일정한 비율로 유지하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 연소 타이밍은 상기 엔진이 아이들 상태일때 약 20 도 ATDC 로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
내연 엔진의 배기 경로에서 촉매 변환 장치의 탄화수소 변환 효율의 저하를 진단하고 동시에 라이트오프 온도를 가진 촉매를 포함하는 상기 촉매 변환 장치로부터의 전체 탄화수소 방출을 최소화시키는 방법에 있어서,

상기 촉매 변환 장치에 결합된 온도 센서로부터의 제 1 출력 신호를 바탕으로 촉매의 온도를 연속적으로 결정하는 단계;

상기 촉매 온도가 라이트오프 온도보다 낮을때 촉매 온도가 빠르게 상승하도록 촉매를 충분히 일정하게 가열시키기 위하여 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계;

상기 촉매 온도가 상기 촉매 라이트오프 온도와 같거나 그보다 클때 엔진의 배기중에서 충분한 화학량 조건을 성취하도록 엔진의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조절하는 단계;

상기 촉매의 순간 온도가 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간을 측정하는 단계 및;

상기 촉매 온도가 상기 소정 목표 온도를 초과하는 데에 필요한 시간 주기가 소정값보다 크면 저하된 탄화수소 변환 효율을 나타내는 제 2 출력 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 24 항에 있어서,

상기 엔진 연소 타이밍, 공기/연료 비율 및 측관 공기중의 적어도 하나는 상기 상온 시동 주기동안 엔진 동작 조건의 범위에 걸쳐 충분히 일정한 가열 비율을 유지하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 연소 타이밍은 상기 엔진이 아이들 상태일때 상기 상온 시동 주기동안 약 20 도 ATDC 로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.