KR20010027779A - 촉매 및 산소 센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법 - Google Patents

촉매 및 산소 센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법에 관한 것이다. 모델링 방법은 엔진이 점화되도록 키 온한 후에, 테이블(Tm, Ta)에 따라서 초기 촉매 온도를 모델링하는 단계와; 엔진의 작동이 시작되었을 때, 스로틀 밸브의 개방 유무를 판단하는 단계와; 스로틀 밸브가 개방되었을 때, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 스로틀 밸브 개방 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계와; 스로틀 밸브가 개방되지 않았을 때 연료 공급량의 유무를 감지하여, 연료 공급량의 유무에 따라서, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 연료 공급 및 차단 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계를 포함하며; 테이블(Tm, Ta)은 점화가 온되었을 때 계산되는 외기 온도(Ta)와 엔진 수온(Tm)에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(rpm,Ma)은 운전중에 계산되는 엔진 회전수와 흡입공기량에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(Vs)은 주행풍을 고려하기 위한 차속에 따른 온도 보정값 테이블이다.

Description

촉매 및 산소 센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법{Method for modeling a temperature in an exhaustion system for diagnosing a catalyst and oxygen sensor}
본 발명은 자동차의 배기계에 관한 것이고, 보다 상세하게는 배기계에 사용되는 촉매 및 산소(O2) 센서의 상태를 진단하여 촉매 및 O2센서의 상태를 정확히 판단할 수 있는 배기계 온도를 모델링하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에서 발생되는 대기 오염 물질은 배기관으로부터의 배출 가스와 그 외의 부위에서 배출되는 블로바이 가스 및 증발 가스로 분류된다. 배출 가스 중에는 CO, HC, NOx가 함유되고, 또한 블로바이 가스와 증발 가스의 대부분은 HC이다.
한편, 자동차 배기 가스로 인한 환경 오염을 방지하기 위하여, 자동차 배출 가스 규제가 강화되고 있으며, 배출 가스 대책 시스템은 크게 나누어 연소 제어 방식과 3원 촉매 방식으로 분류될 수 있다. 연소 제어 방식은 엔진 모디피케이션(EM)을 추체로 하여 이것에 배기 재순환(EGR)을 가하여 질소 산화물(NOx)을 감소시키고, 더욱이 잔여의 CO, HC를 산화 촉매 또는 배기 매니폴드로 2차 공기를 분사하여 정화하는 방식이다. 공연비와 점화 시기의 최적 제어에 의해 운전성이나 연료 경제성의 유지도 행하고 있다.
3원 촉매 방식은 O2센서와 촉매의 내구성 유지 및 공연비를 제어하는 전자 제어 기술의 진보가 그 실용화를 가능하게 했으며, 현재는 엔진의 성능의 희생이 적은 3원 촉매 방식이 주류를 이루고 있다.
EGR은 배기 가스의 일부를 배기계에서 다시 엔진의 흡기계로 되돌려 혼합기에 가하는 것이며, EGR을 함으로써 연소 혼합기 중에 불활성 가스(H2, O, N2, CO2)의 비율이 증가하고 연소 온도가 내려가게 되어 NOx의 발생의 억제된다. 도한 적정량의 EGR은 펌프 손실의 저감 및 연소 가스 온도 저하에 의한 냉각액으로의 방열 손실의 저감, 작동 가스량, 조성의 변화에 의한 비열비의 증대에 따른 사이크 효율 향상 등의 효과가 있기 때문에 점화시기를 적당히 선택하면 오히려 열효율은 개선된다.
그러나, 너무 다량의 EGR을 행하면, 연소의 안정도가 악화되고, HC 레벨이 증대하여 연비도 악화된다. 따라서, 달성 목표 NOx 레벨과 엔진의 안정도가 양립하는 EGR율의 범위에서 EGR 유량을 제어할 필요가 있다.
EGR에 사용되는 O2센서는 공연비 센서라고도 불리며, 이론적 공연비를 중심으로 출력 전압이 급격히 변화되는 것을 이용하여 피드백의 기준 신호를 공급해 주는 역할을 한다. 산화 지르코니아를 사이에 둔 백금 표면을 이용하여 배기 가스 중에 함유된 산소와 대기 중의 산소 농도 차이를 비교하여 기전력이 발생된다. 대략 혼합기가 농후하면 0.9V, 희박하면 0.1V의 기전력이 발생되어 컴퓨터에 입력하면 농후할 때는 약간 희박하게 제어되고 EGR 밸브를 작동시켜 배기 가스 일부를 피드백시킨다. 최적의 작동 온도는 300℃이며, 600℃가 최적 상태이고, 850℃ 이상이 되면 기능이 저하된다.
한편, 배기 가스를 정화하는 촉매의 진단은 촉매 전후에 제공되는 O2센서의 신호의 진폭비를 계산하여 촉매의 열화 정도를 판단하고, 또한 O2센서의 고장 유무는 단순히 전기적인 단선, 단락의 문제와, 전기적인 고장외에 센서의 기능 불량(전기적으로는 문제가 없으나 센서가 피독 또는 열화(열화되어 정상적인 기능을 할 수 없을 때)에 대한 고장 진단 방법이 제안되었다.
그러나, 이러한 것은 엔진의 시동 후에, 충분히 워밍업되지 않았을 때(O2센서가 활성화 되지 않았을 때) 오진단(정상 또는 고장이라고 판정하는)하는 경우가 있으며, 엔진이 장시간 동안 공회전하거나 내리막길에서 장시간 타력 주행할 때, 진단 변수들의 정도가 떨어짐으로써 오진단하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 다수의 입력 신호에 의거하여, 촉매, 촉매의 전후에 설치되는 O2센서와 같은 자동차의 배기계의 온도를 모델링하여 워밍업 전에는 촉매 및 O2센서의 고장 진단을 중단함으로써, 진단의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법을 수행하기 위한 제어 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법을 수행하는 흐름도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 전자 제어 장치
상기된 바와 같은 목적은, 엔진이 점화되도록 키 온한 후에, 테이블(Tm, Ta)에 따라서 초기 촉매 온도를 모델링하는 단계와; 엔진의 작동이 시작되었을 때, 스로틀 밸브의 개방 유무를 판단하는 단계와; 상기 스로틀 밸브가 개방되었을 때, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 스로틀 밸브 개방 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계와; 스로틀 밸브가 개방되지 않았을 때 연료 공급량의 유무를 감지하여, 연료 공급량의 유무에 따라서, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 연료 공급 및 차단 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계를 포함하며; 테이블(Tm, Ta)은 점화가 온되었을 때 계산되는 외기 온도(Ta)와 엔진 수온(Tm)에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(rpm,Ma)은 운전중에 계산되는 엔진 회전수와 흡입공기량에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(Vs)은 주행풍을 고려하기 위한 차속에 따른 온도 보정값 테이블인 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법에 의하여 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법을 수행하기 위한 제어 시스템의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전자 제어 장치(1)에는 자동차의 각종 센서에 의하여 감지된 외기온(Ta), 엔진으로 흡입 입되는 공기량(Ma), 스로틀 밸브의 개도(TPS), 엔진수온(Tm), 엔진 회전수(rpm), 차속(Vs), 및 엔진으로 공급되는 연료 공급량(Mf)이 입력된다.
전자 제어 장치(1)는 상기된 바와 같은 다양한 입력 신호에 따라서, 도 2에 도시된 바와 같은 순서에 따라서 촉매, 촉매 전방 및 후방의 O2센서에 대한 온도를 모델링한다.
도 2는 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법을 수행하는 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, S1 단계에서, 엔진이 점화되도록 키 온하였는지 판단하고, 키 온되었으면, 테이블(Tm, Ta)에 따라서 초기 촉매 온도가 모델링된다(S2). 테이블(Tm, Ta)은 점화가 온되었을 때 계산되는 외기 온도(Ta)와 엔진 수온(Tm)에 따른 촉매 온도 테이블이다.
이러한 상태에서, 엔진의 작동이 시작되었을 때(S3), S4단계에서, 스로틀 밸브 개도(TPS)의 상태가 체크되며, 스로틀 밸브가 개방되었을 때, 즉 센가 0보다 클 때, 촉매의 온도 모델링(TC1), 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TAC1) 및 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TBC1)이 수행된다(S6).
TC1 = TC(n-1) + α1{(테이블(rpm,Ma) + 테이블(Vs) + 테이블(Tm,Ta)},
TAC1 = TAC(n-1) + (1-β1)ㆍTC1
TBC1 = TBC(n-1) +(1- γ1)ㆍTC1이다.
여기에서, 테이블(rpm,Ma)은 운전중에 계산되는 엔진 회전수와 흡입공기량에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(Vs)은 주행풍을 고려하기 위한 차속에 따른 온도 보정값 테이블이다.
또한, α1은 운전중에 촉매온도 계산을 위한 적분 상수로서 온도 증가 인자이며, β1은 운전중에 촉매 전방 온도 계산을 위한 적분 상수로서 온도 증가 인자이며, γ1 운전중에 촉매 후방 온도 계산을 위한 적분 상수로서 온도 증가 인자이다.
한편, 단계 S4에서, 스로틀 밸브가 개방되지 않았을 때, 연료 공급량(Mf)의 유무를 감지하며(S5), 연료 공급량의 유무에 따른 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링한다. 즉, S5 단계에서, 연료 공급량(Mf)이 있는 경우에, 바꾸어 말하면 연료 공급량(Mf)이 0보다 클 때, 촉매의 온도 모델링(TC2), 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TAC2) 및 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TBC2)이 수행된다(S7).
TC2 = TC(n-1) + α2{(테이블(rpm,Ma) + 테이블(Vs) + 테이블(Tm,Ta)},
TAC2 = TAC(n-1) + (1-β2)ㆍTC2
TBC2 = TBC(n-1) +(1- γ2)ㆍTC2이다.
여기에서, α2는 스로틀 밸브가 닫혔으나 연료가 공급되는 경우의 촉매의 적분 상수이며, β2는 스로틀 밸브가 닫혔으나 연료가 공급되는 경우의 촉매 전방의 적분 상수이며, γ2는 스로틀 밸브가 닫혔으나 연료가 공급되는 경우의 촉매 후방의 적분 상수이다.
그러나, S5 단계에서, 연료 공급량(Mf)이 없는 경우에, 바꾸어 말하면 연료 공급량(Mf)이 0보다 작을 때, 촉매의 온도 모델링(TC3), 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TAC3) 및 촉매의 전방에 위치되는 O2센서의 온도 모델링(TBC3)이 수행된다(S8).
TC3 = TC(n-1) + α3{(테이블(rpm,Ma) + 테이블(Vs) + 테이블(Tm,Ta)},
TAC3 = TAC(n-1) + (1-β3)ㆍTC2
TBC3 = TBC(n-1) +(1- γ3)ㆍTC2이다.
여기에서, α3은 스로틀 밸브가 닫혔으며 연료의 공급이 차단된 경우의 촉매의 적분 상수이며, β3는 스로틀 밸브가 닫혔으며 연료의 공급이 차단된 경우의 촉매 전방의 적분 상수이며, γ3는 스로틀 밸브가 닫혔으며 연료의 공급이 차단된 경우의 촉매 후방의 적분 상수이다.
상기된 바와 같은 본 발명에 따른 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법에 의하면, 외기온, 흡입 공기량, 스로틀 밸브의 개도, 시동시 엔진수온, 연료공급중단신호 등과 같은 다수의 입력 신호에 의거하여, 촉매, 촉매의 전후에 설치되는 O2센서와 같은 자동차의 배기계의 온도가 모델링되어 워밍업 전에는 촉매 및 O2센서의 고장 진단을 중단함으로써, 진단의 신뢰도가 향상될 수 있다.

Claims (1)

  1. 엔진이 점화되도록 키 온한 후에, 테이블(Tm, Ta)에 따라서 초기 촉매 온도를 모델링하는 단계와;
    엔진의 작동이 시작되었을 때, 스로틀 밸브의 개방 유무를 판단하는 단계와;
    상기 스로틀 밸브가 개방되었을 때, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 스로틀 밸브 개방 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계와;
    스로틀 밸브가 개방되지 않았을 때 연료 공급량의 유무를 감지하여, 연료 공급량의 유무에 따라서, 테이블(rpm,Ma) 및 테이블(Vs)과 각각의 연료 공급 및 차단 적분 상수를 이용하여 촉매 온도 모델링 및 촉매 전후의 O2센서의 온도를 모델링하는 단계를 포함하며;
    테이블(Tm, Ta)은 점화가 온되었을 때 계산되는 외기 온도(Ta)와 엔진 수온(Tm)에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(rpm,Ma)은 운전중에 계산되는 엔진 회전수와 흡입공기량에 따른 촉매 온도 테이블이며, 테이블(Vs)은 주행풍을 고려하기 위한 차속에 따른 온도 보정값 테이블인 것을 특징으로 하는 촉매 및 O2센서의 진단을 위한 배기계 온도 모델링 방법.
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