KR20010013517A

KR20010013517A - 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률을감시하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20010013517A
Application number: KR1019997011524A
Authority: KR
Inventors: 캄만우베; 로엑하랄드
Original assignee: 볼프강 후텐로커; 폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2001-02-26
Also published as: EP0991853B1; EP0991853A1; US6276128B1; CN1095029C; JP2002504972A; CN1261423A; WO1998059159A1; DE59805822D1; DE19726791A1

Abstract

본 발명은 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률을 감시하기 위한 방법에 관한 것이다. 이를 달성하기 위해, 주어진 시간 창 내에서 배기 가스 촉매로부터 하류에서 측정된 온도치에는 시간 간격(dt)이 더해진다. 시작 시간(tA)과 시간 간격(dt)은 그 중에서도 주어진 기간 동안 연료량 유동을 고려하면 내연 기관의 작동 모드에 따라 영향을 받는다. 곡선(25) 아래의 시간 간격(dt) 동안 발생하는 전체 값은 한계치와 비교되며, 주어진 차이값에 도달하면 오류 신호가 출력된다.

Description

내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률을 감시하기 위한 방법{METHOD FOR MONITORING THE CONVERSION RATE OF AN EXHAUST GAS CATALYTIC CONVERTER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

DE 44 33 988 A1은 촉매의 상류 및 하류 쪽에서 배기 가스 온도를 탐지하는 촉매 감시 방법을 개시하고 있다. 배기 가스로부터 촉매 재료로의 열 전달 속도를 상시적으로 산정하여 그로부터 촉매 온도 및 그 촉매 온도의 변화율을 산출한다. 그러한 열 전달 속도 및 촉매 온도의 변화율로부터 일정 시간에 대한 몫이 결정되는데, 그 일정 시간으로서는 내연 기관의 상온 시동으로부터 촉매가 배기 가스를 전환시키는 온도에 도달될 때까지의 시간이 선택된다. 그러한 몫의 시간에 따른 경과 추이에 의거하여 배기 가스 전환 온도에 도달될 때까지의 시간에 대한 추이를 산출한다. 배기 가스 전환 온도에 도달될 때까지 경과한 시간을 그 시간에 대한 한계치와 비교하여 한계치를 초과할 경우에는 오류 신호를 출력한다.

DE 42 11 092 A1에 개시된 방법은 온도 모델에 의거하여 촉매의 온도를 평가하는 것을 그 기초로 하고 있다. 그러한 방법에서는 배기 가스 전환 개시 온도에 도달된 후의 온도 모델 및 배기 가스 전환 시에 발생되는 열을 평가하여 아직까지도 촉매의 사용이 가능한지를 판정한다. 그 경우, 우선 촉매의 열 용량을 알고 있다고 가정함과 아울러 엔진에 공급된 열량을 평가하여 촉매의 온도 거동을 모사한다. 그것은 엔진에 공급된 연료량을 탐지함으로써, 그리고 촉매에 공급된 열 에너지의 분율을 계산함으로써 이루어진다. 그와 관련하여, 열 에너지의 분율은 엔진의 각각의 부하 상태 및 회전 속도에 따라 달라진다. 따라서, 비교적 작은 시간 단위를 기준으로 하여 연료량, 부하 및 회전 속도로부터 촉매에 공급된 열량을 탐지한다. 그러한 열량을 합산하여 방법을 시작한 때로부터 촉매가 수령한 총 열량을 얻는다. 또한, 촉매로부터 주위로 방출된 열량을 추가로 평가한다. 끝으로, 그러한 열량 모델에 의해 평가된 온도를 그 실제 온도와 비교한다. 차량의 주행 운전 중에도 적용될 수 있어야 하는 그러한 방법은 그 방법을 시작할 때에 촉매가 대략적으로 주위 온도로 있을 경우에만 시작된다. 방법을 시작한 때로부터 부하, 회전 속도, 연료 분사 시간, 기온, 기압 및 연료 옥탄가의 신호를 사용하여 온도 모델 블록에 의해 촉매 온도를 평가한다. 이어서, 촉매의 배기 가스 전환 온도가 이미 도달되었는지를 재차 점검한다.

본 발명은 내연 기관에 부속된 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률을 감시하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 바람직한 구성은 종속 청구항들로부터, 그리고 첨부 도면을 참조로 하여 이루어지는 본 발명의 실시예에 관한 이후의 상세한 설명으로부터 명확히 파악될 수 있을 것이다. 첨부 도면 중에서,

도 1은 내연 기관을 배기 가스 라인 및 전자 제어 장치와 함께 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2는 온도치의 시간에 따른 경과 추이를 나타낸 그래프이며,

도 3은 전자 제어 장치의 일부분의 개요를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 목적은 진단의 정확도가 향상되고 촉매의 코팅에 대한 의존성이 없으며 상온 시동 후의 내연 기관의 운전 형식과도 무관하게 되는 내연 기관의 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률을 감시하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

그러한 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성은 종속 청구항들에 개시되어 있다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 내연 기관의 상온 시동 후에 일정한 시간 대역 동안 배기 가스 촉매의 하류 쪽에 실제로 존재하는 온도치를 합산하여 그 합산치를 미리 정해진 한계치와 비교한다. 그러한 방법은 일정한 시간 대역 동안 양호한 촉매가 열악한 촉매보다 더 이른 시점에 배기 가스 전환 온도에 도달되어 시간 대역의 지속 시간 중에 열악한 촉매보다 더 높은 합산치를 보인다는 점에서 사용이 가능한 촉매와 사용이 불가능한 촉매가 서로 구별된다는 인식에 의거한 것이다.

그러한 방법은 전술된 양자의 촉매가 시간 대역에 도달되기 전과 시간 대역이 만료된 후에는 서로 확연하게 구별되지 않고, 그에 따라 평가를 위해서는 시간 대역을 정확하게 잡는 것이 극히 중요하다는 인식을 활용하고 있다. 또한, 시간 대역의 시작 시점부터 온도치가 누적되기 때문에, 그 시작 시점도 역시 중요하다. 내연 기관의 각각의 상온 시동 후에 그 내연 기관의 운전 형식에 의존하여 시간 대역의 시작을 결정할 수 있다. 즉, 내연 기관이 거의 정적으로 운전되는지 아니면 비교적 동적으로 운전되는지의 여부를 고려한다. 그러한 운전 형식은 배기 가스 중에 반입되는 열량에 상당한 영향을 미치는데, 궁극적으로 그 열량에 의해 배기 가스 전환 온도에 도달되는 시점이 결정된다. 그로 인해, 시간 대역의 시작 시점은 물론 시간 대역의 지속 시간도 역시 운전 형식에 의존하여 결정하게 된다.

바람직한 구성에서는 배기 가스 촉매의 상류 쪽에서의 배기 가스 온도를 제어 장치의 내부에 있는 배기 가스 온도 모델에 의해 계산할 수 있거나 아니면 선택적으로 온도 센서에 의해 직접 탐지할 수 있다.

내연 기관(1)은 분사 노즐(2), 스로틀 밸브(3)가 마련된 공기 유입구(4) 및 촉매(5)가 마련된 배기 가스 라인(6)을 구비한다.

엔진 제어 장치로서 형성된 전자 제어 장치(7)는 내연 기관(1)과 배기 가스 촉매(5)와의 사이에 설치된 제1 온도 센서(8)의 신호(U1) 및 촉매(5)의 하류 쪽에 설치된 제2 온도 센서(9)의 신호(U2)를 수신한다.

제어 장치(7)의 제어 블록(10)은 신호(U1) 및 스로틀 밸브 각도 신호(ADK)를 수신하여 분사 시간 신호(Ti) 및 점화 각도 신호(Zi)를 내연 기관(1)에 전달한다. 또한, 제어 장치(7)는 제2 온도 센서(9)의 신호(U2)를 공급받는 감시 블록(11)을 포함하는데, 그 감시 블록(11)은 제어 블록(10)과 소통되고 경우에 따라서는 고장 신호 표시등(12)을 작동시킨다. 그러한 감시 블록(11)에 관해서는 도 3과 연관하여 상세히 후술하기로 한다.

내연 기관의 작동 시에는 연료가 연료 펌프(13)에 의해 저장 용기(14)로부터 분사 노즐(2)로 공급된다.

감시 블록(11)은 상세하게는 도 3에 따른 바와 같이 배기 가스 온도 모델 블록(20), 촉매 온도 모델 블록(21), 수정 블록(22) 및 평가 블록(23)으로 이루어진다.

블록(20, 21)에 공급되는 입력량은 수온(TW), 기온(TL), 연료 질량류(MKS) 및 내연 기관 회전 속도(N)에 관한 각각의 신호와, 점화 각도 신호(Zi)와, 기타의 변량(P1, P2)과, 배기 가스 촉매(5)의 상류 쪽에서 실제로 탐지된 온도치(T_vKat) 및 그 촉매(5)의 하류 쪽에서 실제로 탐지된 온도치(T_nKat)를 각각 나타내는 신호(U1, U2)이다.

본 발명에 따른 방법은 다음과 같이 진행된다:

공지의 형식대로 냉각수 온도 및/또는 기온 또는 오일 온도 등의 값이 납득할 만한 값인지를 점검함으로써 내연 기관(1)의 상온 시동을 확인한다. 그러한 상온 시동을 확인한 후에 우선 전술된 파라미터를 사용하여 배기 가스 온도 모델 블록(20) 및 촉매 온도 모델 블록(21)에 의해 배기 가스 온도(TAB)를 평가하고 연이어 촉매 온도(TKA)를 평가한다. 그 경우, 배기 가스 온도 모델 블록(20)에서는 평가의 시작을 위해 "TAB"의 값이 수온(TW) 및 기온(TL)과 동일한 것으로 가정된다. 미리 정해진 시간 간격을 두고 이전에 산출된 "TAB"의 값을 계속적으로 온도 차이 값만큼 증가시키는데, 그를 위해 특히 제1 온도치(T_vKat)를 신호로 알려주는 변량(U1), 내연 기관(1)을 탑재한 자동차의 주행 속도의 1차 미분 계수, 회전 속도(N), 점화 각도 신호(Zi) 및 옥탄가의 형태의 연료 품질이 입력된다.

그에 의해 이미 명료해진 바와 같이, 그러한 배기 가스 온도 모델 블록(20)에 의해 평가되는 배기 가스 온도(TAB)는 주행 사이클, 즉 자동차의 운전 형식에 매우 현저하게 의존한다.

배기 가스 촉매(5)에 존재하는 촉매 온도(TKA)와 상호 관련시키기 위해, 촉매 온도 모델 블록(21)에서는 동시적으로 전술된 파라미터 및 배기 가스 온도(TAB)를 사용하여 촉매(5)의 기질의 반응 정면 구역의 온도가 평가된다. 출력에 있는 촉매 온도치(TKA)는 배기 가스 온도 모델 블록(20)의 출력과 마찬가지로 수정 블록(22)에 공급된다. 수정 블록(22)은 "TKA"의 값의 고려 하에 "TAB"의 값을 수정하여 온도 시작치(TST)를 생성한다.

그와 같이 상시적으로 갱신되는 시작치(TST)가 미리 주어진 온도 한계치(TSW)에 도달되면, 수정 블록(22)은 시작 신호(AS)를 발생시켜 평가 블록(23)에 공급한다.

온도 한계치(TSW)는 그 온도치에 도달되면 신품의 촉매(5)가 배기 가스를 전환시키기 시작하는 것으로 가정할 수 있는 실험적으로 산출된 온도치이다. 제어 장치(7)에 저장된 "TSW"의 값은 자동차에서 실제로 사용되어 노화된 촉매(5)를 고려한 크기로 적합하게 보충될 수 있다.

시작 신호(AS)가 평가 블록(23)에 도달되면, 합산 알고리즘이 작업을 시작하여 미리 정해진 시간 대역 동안 제2 온도 센서(9) 및 기타의 파라미터에 의해 촉매(5)의 하류 쪽에서 산출된 일정 수의 온도치(T_nKat)를 탐지한다.

미리 정해진 시간 간격을 두고 계속적으로 새로운 온도치(T_nKat)를 탐지하여 시간 대역의 지속 시간(dt) 동안 합산하여 합산치(THC)를 얻는다.

도 2는 온도 센서(9)에 의해 탐지된 배기 가스 온도치(T_nKat)의 시간(t)에 따른 경과 추이 및 촉매(5)의 상류 쪽에서의 배기 가스 온도(T)의 시간에 따른 경과 추이를 나타내고 있다.

도 2에서의 곡선 "25"는 풀 스케일의 기능 능력이 있는 신품의 촉매(5)에 대한 온도 경과 추이를 나타낸 것이다. 곡선 "26"은 이미 노화된 촉매(5)에 대한 상응하는 경과 추이를 나타낸 것이다. 그로부터 인지할 수 있는 바와 같이, 상온 시동 직후로부터 지속 시간(dt)에 걸쳐 연장되는 시간 대역의 시작 시점(tA)에 이를 때까지는 곡선(25, 26)의 경과 추이 사이에 확연한 차이가 나지 않는다. 즉, 그러한 시간 구간은 혹시 손상되었을 수도 있는 촉매를 확실하게 판별하는 데에는 적합하지 않다. 곡선 "28"은 촉매(5)의 상류 쪽에서의 배기 가스 온도(T), 즉 본 경우에는 배기 가스 온도(TAB)의 시간에 따른 경과 추이를 나타낸 것이다. 시작 시점(tA)으로부터 온도 한계치(TSW)에 도달됨에 따라 지속 시간(dt) 동안 온도치(T_nKat)를 합산하여 합산치(TT_nKat)를 얻는다.

내연 기관(1)을 첫 번째로 시동한 후에 각각의 사용된 촉매(5)에 의해 산출된 합산치(TT_nKat1)를 참조치로서 제어 장치(7)에 저장한다. 그것은 자동차가 정비 공장에 정차하고 있는 중에 진단의 목적으로 판독되어 사용된 촉매를 평가하는데 인용된다.

내연 기관(1)과 배기 가스 촉매(5)로 이루어진 조합체의 가행 수명 동안 그것의 배기 가스 전환 특성은 특히 배기 가스 전환에 필요한 온도가 상승될 정도로, 즉 유해 배기 가스 방출물이 증대될 정도로 악화된다. 도 2에 따른 곡선(26)은 그와 같이 노화된 촉매의 하류 쪽에서의 온도의 전형적인 경과 추이를 나타내고 있다. 시간 대역의 범위에서의 곡선 경로(26)의 하부의 면적에 해당하는 합산치(TT_nKat)는 곡선(25)의 상응하는 하부의 면적보다 현저히 더 작다.

수정 블록(22)이 정지 신호(ES)를 평가 블록(23)에 전달하면, 온도치(T_nKat)를 합산하는 것을 종료한다. 시간 대역의 종료 시점은 시작 시점(tA) 및 지속 시간(dt)에 의해 결정된다. 지속 시간(dt)은 다시 실험적으로 산출되어 미리 설정된 평균치(tM)와 내연 기관(1)의 파라미터에 의존하는 수정치(tK)로 이루어진다.

배기 가스 온도치(TAB), 촉매 온도치(TKA) 및 수정치(tK)를 산출하기 위해 인용되는 파라미터는 특히 자동차를 운전하는 주행 형식을 고려한 파라미터이다. 그에 의해, 개개의 주행 사이클은 규격화된 주행 사이클로 환원되어 그와 같이 규격화된 사이클들과 비교될 수 있다. 그러한 규격화된 사이클들은 세계의 여러 국가의 입법 기관에 의해 예컨대 FTP 사이클 또는 MVEG 사이클로서 규정되어 있다. 그와 같이 규정된 사이클은 정확히 정의된 시간 대비 속도 프로파일을 포함한다. 즉, 주행 사이클이 정확하게 미리 주어진다. 예컨대 시간 단위당 연료 질량류(MKS)와 같이 주행 사이클에 의존하는 파라미터는 시간 단위당 연료 질량류(MKS)의 값이 증가됨에 따라 지속 시간(dt)이 단축될 정도로 본 발명에 따른 방법에 현저한 영향을 미친다. 그것은 증가된 연료 질량류(MKS)에 의해 반입된 에너지가 촉매(5)를 신속하게 가열시킴으로 인해 도 2의 시간 대역의 범위에서의 곡선 경로(26)가 좌측으로 이동되어 최초의 지속 시간(dt)을 유지하면서도 확연히 구별되지 않는 종료 시점(tE) 이후의 곡선 경로(25, 26)의 부분이 보다 더 뚜렷하게 나타난다는 점에서 유리하다.

주행 사이클에 의존하는 파라미터는 예컨대 시간 단위당 연료 질량류(MKS)의 증가에 의해 시작 시점(tA)을 보다 더 이른 쪽으로 이동시켜 방법의 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.

평가 블록(23)에는 합산치((TT_nKat)에 대한 한계치(GTT)가 저장되어 있다. 그러한 한계치(GTT)는 예컨대 국가마다 특유하게 규정되고, 촉매(5)의 사용이 아직까지는 허용될 수 있는 것임을 나타내는 값일 수 있다. "TT_nKat"와 "GTT"를 비교한 결과 일정한 차이값(DT)이 나타나면, 오류 신호가 발생되고, 그 오류 신호는 첫 번째로 발생된 후 또는 수 차례 발생된 후에 고장 신호 표시등(12)을 작동시킨다.

전술된 방법은 바람직하게도 종래까지의 공지의 방법에 비해 양호한 진단 정확성을 제공하고, 촉매의 코팅에 의존하지도 않는다; 그뿐만 아니라 납으로 오염된 촉매도 인지할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 결정적으로 중요한 것은 시작 신호(AS)의 부여 및 지속 시간(dt)이다.

궁극적으로, 본 발명에 따른 방법은 배기 가스 촉매(5)의 하류 쪽에 존재하는 온도치(T_nKat)를 배기 가스 라인 중에 반입된 총 열량과 대비하여 비교한다. 그러한 실제 반입된 에너지는 주행 사이클에 의존하는 평가에 의해 규격화되고, 도 2에서 시간(t) 대신에 등가로 가로축에 표시될 수 있다. 그러한 방법은 시간 대역에서의 곡선 경로(25)의 하부의 면적 적분의 크기에 의해 기능 능력이 있는 촉매(5)를 확실하게 판별한다. 그러한 면적 적분이 크면 클수록, 배기 가스 전환률과 관련된 촉매(5)의 특성도 더욱 양호한 것이다. 그와 함께, 곡선 경로(25, 28) 사이의 교점의 위치가 낮은 것도 역시 기능 능력이 있는 촉매를 판별하는데 상관된다. 즉, 기능 능력이 있는 배기 가스 촉매(5)는 이미 노화된 촉매(도 2의 곡선 경로(26)를 참조)의 교점에 대해 아래쪽으로 상당한 간격을 두고 있다.

Claims

전자 제어 장치(7)를 구비한 내연 기관(1)용의 배기 가스 촉매(5)의 배기 가스 전환률을 감시하기 위한 방법으로서,

a) 내연 기관(1)을 상온에서 시동시키는 단계,

b) 배기 가스 촉매(5)의 상류 쪽에 유포된 배기 가스 온도치(TAB)를 산출하는 단계,

c) 상온 시동 후에 적어도 일정한 시간 대역 동안 배기 가스 촉매(5)의 하류 및 상류 쪽에 존재하는 배기 가스의 실제의 온도치(T_vKat,T_nKat)를 온도 센서(8, 9)에 의해 탐지하는 단계,

d) 적어도 일정한 시간 대역 동안 배기 가스 촉매(5)의 하류 쪽에 존재하는 실제의 온도치(T_nKat)를 합산하여 합산치(TT_nKat)를 얻는 단계,

e) 그 합산치(TT_nKat)를 한계 합산치(GTT)와 비교하는 단계, 및

f) e) 단계 하의 비교 결과 일정한 차이값(DHC)이 나타나면 오류 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제1항에 있어서, 내연 기관(1)과 배기 가스 촉매(5)를 함께 첫 번째로 시동할 때에 d) 단계에서 산출된 합산치(TT_nKat)를 참조치로서 저장하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, c) 단계에서 시간 대역의 시작을 위해 제어 장치(7)는

c1) 촉매 온도치(TKA)를 산출하고,

c2) 배기 가스 온도(TAB)를 촉매 온도치(TKA)에 의해 수정하여 온도 시작치(TST)를 얻는 과정을 반복하며,

c3) 온도 시작치(TST)가 미리 주어진 온도 한계치(TSW)에 도달되면 시작 시점(tA)의 시작 신호(AS)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제3항에 있어서, c1) 단계에서 산출된 촉매 온도치(TKA)를 제어 장치(7)의 촉매 온도 모델 블록(21)에서 평가하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 종료 시점(tE)에서 시간 대역을 종료시키기 위해 시작 시점(tA) 이후로 미리 설정된 평균치(tM)와 내연 기관(1)의 파라미터에 의존하는 수정치(tK)로 이루어진 지속 시간(dt)이 경과되면 정지 신호(ES)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
선행항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 내연 기관(1)의 파라미터로서 특히 연료 질량류(MKS)와 같이 주행 사이클에 의존하는 파라미터를 탐지하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제6항에 있어서, 시간 단위당 연료 질량류(MKS)의 값을 증가시킴으로써 지속 시간(dt)을 단축시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제3항 내지 제7항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 시간 단위당 연료 질량류(MKS)의 값을 증가시킴으로써 시작 시간(tA)을 보다 더 이른 쪽으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제1항에 있어서, b) 단계에서 배기 가스 온도치(TAB)를 제1 온도 센서(8)에 의해 실제의 온도치(T_vKat)로서 직접 탐지하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.
제1항에 있어서, b) 단계에서 배기 가스 온도치(TAB)를 제어 장치(7)의 배기 가스 온도 모델 블록(20)에서 내연 기관(1)의 파라미터에 의존하여 산출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 촉매의 배기 가스 전환률 감시 방법.