KR20010102446A - 엔진의 저장 촉매 컨버터를 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

엔진의 저장 촉매 컨버터를 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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블루멘슈톡안드레아스
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클라우스 포스, 게오르그 뮐러
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Abstract

본 발명은, 산화 질소가 충전 및 제거되는 저장 촉매 컨버터를 갖는, 특히 차량용 엔진에 관한 것이다. 제어 장치에 의해 저장 촉매 컨버터(12')의 여러 노화 상태(점 13)가 측정 가능하다. 제어 장치에 의해 연속적인 노화 상태(점 13)로부터 사용 연료의 유황 비율이 측정 가능하다.

Description

엔진의 저장 촉매 컨버터를 작동시키기 위한 방법 {METHOD FOR OPERATING AN ACCUNMULATOR-TYPE CATALYTIC CONVERTER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
이런 방법, 이런 제어 유닛 및 엔진은 예를 들어 가솔린 직접 분사식 엔진에 적용되는 것으로 잘 알려져 있다. 여기서 연료는 균질 연소 작동에서는 흡입 단계 중에 그리고 층상 연소 작동에서는 압축 단계 중에 엔진의 연소실 안으로 분사된다. 균질 연소 작동은 보통 엔진에 큰 부하가 존재할 때 이용되는데 비해 층상 연소 작동은 부하가 없거나 적을 때 적용된다. 예를 들어 이런 직접 분사식 엔진은 필요로 하는 토크에 따라 두 연소 작동 방식 사이에서 전환된다.
특히, 층상 연소 작동을 실행하기 위해서, 생성되는 질소를 후속되는 균질 연소 작동 중에 삼원 촉매 컨버터에서 감소되도록 일정 시간 저장하기 위한 저장 촉매 컨버터를 필요로 한다. 이 저장 촉매 컨버터는 층상 연소 작동 중에 산화 질소로 채워지고 이는 균질 연소 작동 중 다시 방출된다. 이러한 충전과 방출은 유황으로 인한 저장 촉매 컨버터의 노화 및 동시에 이의 저장 성능의 감소를 야기시킨다. 이 유황으로 인한 노화 작용은 엔진 작동에 사용되는 연료에 포함된 유황 비율을 기초로 한다.
본 발명은 특히 저장 촉매 컨버터에 산화 질소가 채워지고 제거되며 사용되는 연료에 포함된 유황에 의해 저장 촉매의 저장 성능이 감소되는, 차량 엔진의 저장 촉매 컨버터를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 또한 이 발명은 특히 차량의 엔진과 차량을 위한 엔진의 제어 유닛에 관한 것이기도 하다.
도1은 본 발명에 따른 엔진의 일 실시예를 도시하는 개략적인 블록 선도이다.
도2는 엔진의 저장 촉매 컨버터의 노화 작용 나타내는 개략적인 블록 선도이다.
본 발명의 목적은 유황으로 인한 저장 촉매의 노화 작용을 더욱 잘 고려할 수 있는 엔진의 저장 촉매 컨버터의 작동 방법을 제공하는 것이다.
이런 목적은 본 발명에 따르는 위에 언급한 방법에서, 저장 촉매 컨버터의 여러 노화 상태가 측정되어 사용된 연료의 유황 비율을 연속되는 노화 상태로부터 계산함으로 달성된다. 위에 언급된 유형의 제어 유닛 및 엔진에서 이런 목적은 이에 상응되어 해결된다.
본 발명에 의해, 사용 연료의 유황 비율을 특별한 센서를 사용하지 않고 측정할 수 있는 가능성이 제공된다. 이것은 중대한 비용 절감을 의미한다. 측정된 유황 비율은 엔진 제어 및/또는 조절 시에 제어 유닛에 의해 재사용 가능하다. 이의 결과는 엔진의 작동이 전체적으로 좋아지는 것이다.
연속적인 노화 상태의 상승이 측정되어 이런 상승에 따라 유황 비율이 측정될 수 있으면 특히 유익하다. 이는 본 발명을 무엇보다 쉽고 빠르게 실행 할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 유익한 개선에 따르면, 두 재생 사이의 연료 소비와 하나의 재생에서의 유황 방출로부터 특정 연료의 특정한 유황 비율을 측정할 수 있다. 이런 방법으로, 해당되는 연속적 노화 상태의 상승과 연관되는 유황 비율을 계산할 수있다. 이러한 연관성을 이용하여 다른 상승에도 그에 각각 해당되는 유황 비율을 추측 할 수 있다.
본 발명의 유익한 개선에 따르면, 유황 재생의 시점이 유황 비율에 따라 결정될 수 있다. 이로 인해, 특히 가능한 적은 배기 가스 방출 하에서 엔진이 매우 정확히 제어 및/또는 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 유익한 개선은 유황 비율에 따른 재생의 강도가 계산되는 것이다. 여기서도 특히 배기 가스량과 연료 소비량에 대한 엔진의 제어 및/또는 조절이 개선된다.
특히 차량 엔진의 제어 유닛을 위한 제어 요소의 형태로서, 본 발명에 따르는 방법을 구현시키는 것은 매우 중요하다. 상기 제어 요소에는 계산기에 특히 마이크로프로세서에서 실행되고 본 발명에 적합한 방법을 수행할 수 있는 프로그램이 입력되어 있다. 이 경우에는 본 발명이 제어 요소에 입력되어 있는 프로그램이 실행되어, 상기 프로그램을 갖춘 제어 요소가 실행을 위해 프로그램이 필요한 작동 방법과 같이 이 발명을 나타낸다. 제어 요소로서는 예를 들어 롬(Read Only Memory)또는 플래시 메모리(Flash Memory)와 같은 전기적 저장 매체가 적용될 수 있다.
이 발명의 다른 특징, 적용 방법 그리고 장점들은 아래의 그림에 나타난 발명 실행의 예에 대한 설명에 나타나있다. 여기에 설명되고 표시된 특징들은 특허권과 그의 재귀에서의 요약을 상관없이 그리고 그들의 설명 또는 그림에서의 표현 또는 표시와 상관없이 각각 또는 상호 결합으로 이 발명의 대상이 된다.
도1에는 피스톤(2)이 실린더(3)에서 왕복 운동할 수 있는 차량의 엔진(1)이 도시되어 있다. 실린더(3)에는 피스톤(2), 흡기 밸브(5) 및 배기 밸브(6)로 제한된 연소실(4)이 갖추어져 있다. 흡기 밸브(5)는 흡입 파이프(7)와, 배기 밸브(6)는 배기 가스 파이프(8)와 연결되어 있다.
분사 밸브(9)와 점화 플러그(10)는 흡기 밸브(5)와 배기 밸브(6)의 영역 내에서 연소실(4) 내로 돌출된다. 연료는 분사 밸브(9)를 통해 연소실(4) 안으로 분사될 수 있다. 점화 플러그(10)에 의해 연소실(4) 내의 연료는 점화될 수 있다.
흡기 파이프(7)에는 흡기 파이프(7)에 공기를 공급하는 선회 가능한 드로틀 밸브(11)가 장착되어 있다. 공급된 공기량은 드로틀 밸브(11)의 각도에 따른다. 배기 가스 파이프(8)에는 연료의 연소에 의해 발생하는 배기 가스의 정화를 위한 촉매 컨버터(12)가 장착되어 있다.
촉매 컨버터(12)는 삼원 촉매 컨버터(12)와 결합된 저장 촉매 컨버터(12)이다. 그러므로 촉매 컨버터(12)는 산화 질소(NOx)를 중간에 저장할 수 있다.
제어 유닛(18)은 센서를 이용하여 측정한 엔진의 작동 변수를 나타내는 입력신호(19)에 의해 작동된다. 제어 유닛(18)은 액츄에이터 내지 조정기를 통해 엔진 작동에 영향을 미칠 수 있는 출력 신호(20)를 발생한다. 제어 유닛(18)은 무엇보다도 엔진(1)의 작동 변수를 조종 및/또는 조절하는 데에 사용된다. 그러기 위해서 제어 유닛(18)에는 조종 및/또는 조절을 실행하기 위한 프로그램이 입력되어 있는 저장 매체 특히 플래시 메모리를 갖춘 마이크로프로세서가 장착되어 있다.
엔진(1)의 균질 연소 작동이라고 불리는 제1 연소 작동에는 드로틀 밸브(11) 가 소정의 토크에 따라 부분적으로 열리거나 닫힌다. 연료는 피스톤(2)에 의해 야기되는 흡기 단계에 분사 밸브(9)를 통해 연소실(4) 안으로 분사된다. 드로틀 밸브(11)를 통해 동시에 흡입된 공기에 의해, 분사된 연료는 와류되어 연소실(4) 내에서 실질적으로 고르게 분산된다. 그 다음으로 연료/공기 혼합기는 압축 단계에서 압축되어 점화 플러그(10)에 의해 점화된다. 점화된 연료가 팽창됨으로서 피스톤(2)이 작동된다. 발생하는 토크는 균질 연소 작동에서 드로틀(11) 위치에 따른다. 적은 유해물 생성을 위해 연료/공기 혼합기는 람다 = 1 로 설정된다.
엔진(1)의 층상 연소 작동이라고 불리는 제2 연소 작동에서 드로틀 밸브(11)는 크게 개방된다. 연료는 피스톤(2)에 의해 야기되는 압축 단계에서 분사 밸브(9)를 통해 분사되고, 국부적으로 점화 플러그(10) 주위에 직접 그리고 점화 시점의 적당한 시간 전에 연소실(4) 내로 분사된다. 그러면 점화 플러그(10)에 의해 연료가 점화되어, 피스톤(2)은 이어지는 작동 과정 중에 연료의 팽창으로 인해 작동된다. 층상 연소 작동에서 발생하는 토크는 대부분 분사된 연료량에 따른다. 근본적으로 층상 연소 작동은 엔진(1)의 공회전 작동과 부분 부하 작동 시에 제공된다.
촉매 컨버터(12)의 저장 촉매 컨버터(12')는 층상 연소 작동 중 산화 질소가 채워진다. 이에 뒤따르는 균질 연소 작동 중에는 저장 촉매 컨버터(12')는 다시 비워지고 산화 질소는 삼원 촉매 컨버터(12'')에 의해 감소된다.
저장 촉매 컨버터(12')는 연속적으로 산화 질소를 충전 및 방출하며 유황을 흡수한다. 이는 저장 촉매 컨버터(12')의 저장 성능을 감소시키며, 이는 노화 작용이라고 표현된다.
도2에는 시간의 경과에 따라 노화된 저장 촉매 컨버터(12')가 도시되어 있다. 이 노화에 대한 값은 해당하는 진단 과정을 통해 제어 유닛(18)에 의해 결정될 수 있다. 이런 진단 과정은 예를 들어서 저장 촉매 컨버터(12') 이후의 NOx 배출 물질의 양을 기초로 할 수도 있다.
도2에는 이런 진단 과정의 실행과 이것의 결과인 노화값은 각각 점(13)으로 표시되어 있다. 이 점(13)들의 노화 상태는 선(14)으로 모두 연결되어 있다. 그러므로 선(14)은 노화 과정을 나타낸다.
제1 점(13')은 처음으로 노화 상태를 측정할 수 있는 저장 촉매 컨버터(12')의 진단의 최초의 실행을 나타낸다. 이에 뒤따르는 시점들에는 다른 노화 상태를 알 수 있는 추가의 진단들이 실행된다. 이러한 다른 노화 상태는 점점 커져 가는 값을 기초로 하여, 저장 촉매 컨버터(12')의 노화 작용에 대응하는 노화 과정을 발생한다. 위에서 말했듯이 저장 촉매 컨버터(12')의 노화 작용으로 인해 저장 성능이 감소된다.
점(13'')에서는 제어 유닛(18)에 의해 저장 촉매 컨버터(12')의 유황 재생이 실행되는 노화 상태에 이른다. 도2에서 유황 재생은 점선(15)으로 나타나 있으며 이는 엔진(1)의 농후 작동 상태와 동시에 높은 배기 가스 온도 하에서 달성될 수 있다. 이 재생 중에 유황은 저장 촉매 컨버터(12')에서 방출된다. 이는 저장 촉매 컨버터(12')를 대부분 초기 상태로 특히 초기 저장 성능으로 이끈다. 이것은 도2에서 저장 촉매 컨버터(12')의 초기 노화 상태와 동등한 점(13''')으로 표시되어 있다.
이어서, 각각 또 하나의 점(13) 및 선(14)을 표시하는 위에 언급한 진단 과정이 제어 유닛(18)에 의해 실행된다. 점(13'''')에는 선(15)에 따라 제어 유닛(18)에 의해 저장 촉매 컨버터(12')의 재생이 실행되며, 이는 점(13''''')으로 이어지고 초기의 저장 성능으로 되돌아가게 한다.
위에 설명되어 있듯이 노화는 저장 촉매 컨버터(12')에 쌓이는 유황 때문에 발생한다. 유황은 엔진(1)에서 사용되는 연료 또는 여기서 발생하는 배기 가스 내에 존재한다. 이러한 노화 작용는 가역성(reversible)이고 이미 설명한 재생으로 다시 돌이킬 수 있다.
가역성의 노화 작용 외에도 저장 촉매 컨버터(12')에는 비가역성 노화 작용도 있다. 이는 저장 촉매 컨버터(12')의 연속적인 추가 및 제거에 의해 발생하고 결국은 저장 촉매 컨버터(12')의 실제 자연적인 노화 작용인 것이다.
도2에는 자연적인 비가역성의 노화 작용이 선(16)으로 나타나 있다. 이 선은 점(13', 13''', 13'''''), 즉 저장 촉매 컨버터(12)가 유황 재생 직후에 보이는노화 상태를 연결 시킨 것이다.
도2에 나타난 선(16)은 점(13''''')으로부터 서서히 상승하기 시작한다. 선(16)의 상승은 선(14)의 상승보다 확실히 적다. 선(16)의 상승은 저장 촉매 컨버터(12)의 비가역성 저장 성능의 저하를 의미한다. 이는 유황 재생을 통한 저장 촉매 컨버터(12)의 재생, 즉 선(15)의 길이가 점점 짧아짐에서도 확인할 수 있다.
위에서 언급했듯이 증가하는 선(16)의 결과인 저장 촉매 컨버터(12')의 저장 성능의 감소가 비가역성이다. 이는 장기적으로 봐서 저장 용량이 0에 가까워진다는 결과를 갖는다. 그럴 때에는 저장 촉매 컨버터(12')가 교체되어야 한다.
이미 언급했듯이, 자연적이고 비가역성 노화 작용의 선(16)의 상승률이 유황이 원인이며 가역성 노화 작용의 선(14)의 상승률보다 낮다. 이런 상승률의 차이로 인해 제어 유닛(18)은 자연적이고 비가역성 노화 작용과 유황의 영향이 원인이며 가역성인 노화 작용과 구분될 수 있다.
역시 위에 언급 됐듯이 선(14)의 상승률은 저장 촉매(12)의 유황이 원인인 노화 작용을 의미한다. 이 상승률은 유황으로 인한 노화 작용을 발생시키는 연료의 유황 비율 기준이 된다. 그러므로 제어 유닛(18)은 선(14)을 통해서 사용된 연료의 유황 비율을 추측할 수 있다.
제어 유닛(18)은 저장 촉매 컨버터(12')의 서로 연속적인 두 재생 사이의 연료 소비를 측정한다. 이외에도 제어 유닛(18)은 어느 특정한 연료의 사용 시 저장 촉매(12')로부터 재생 중 분비되는 유황량을 측정한다. 이의 기준은 점(13'')과 점(13''') 사이의 차가 될 수 있다. 이 두 값으로 제어 유닛(18)은 사용된 연료의유황 비율을 계산한다. 주어진 수치로는 필요한 경우 한번의 측정으로도 충분하다.
제어 유닛(18)은 앞에서 계산된 유황 비율로 선(14)의 상승률이 형성되는 지를 측정한다. 이로써, 어느 특정한 연료의 유황 비율과 선(14)의 상승 사이의 관계가 제공된다. 예를 들어 다른 연료의 사용으로 유황 비율이 변경되면 선(14)의 상승률도 역시 변경된다. 이는 제어 유닛(18)에 이해 결정된다. 제어 유닛(18)은 선(14)의 변경된 상승률로부터 변경된 유황 비율을 추측할 수 있다.
그러므로, 제어 유닛(18)은 선(14)의 상승률을 이용하여 사용된 연료의 유황 비율을 측정할 수 있다.
제어 유닛(18)은 사용된 연료의 유황 비율 수치로 저장 촉매 컨버터(12')의 재생에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(18)에 재생 시점 및/또는 재생 정도, 특히 온도 및 사용된 재생 매체량이 연료의 유황 비율에 따라 결정될 수 있다.
특히 제어 유닛(18)은 저장 촉매 컨버터(12') 내의 유황 축적을 엔진(1)의 작동 중에 재현 또는 모델화할 수 있다. 측정된 유황 성분을 이용해서 제어 유닛(18)은 엔진(1)의 나머지 작동 변수를 근거로 어느 시점에도 그 시점에 저장 촉매 컨버터(12')에 축적된 유황량을 계산할 수 있다. 그것을 이용하여 제어 유닛(18)은 다음 재생의 시점 및 정도를 결정할 수 있다.

Claims (8)

  1. 저장 촉매 컨버터(12')에 산화 질소가 충전 및 제거되며, 저장 촉매 컨버터(12')의 저장 성능이 사용 연료에 포함된 유황에 의해 감소되는, 특히 차량 엔진(1)의 저장 촉매 컨버터를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    저장 촉매 컨버터(12')의 여러 노화 상태(점 13)가 측정되고, 연속되는 노화 상태(점 13)로부터 사용 연료의 유황 비율이 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연속되는 노화 상태(점 13)의 상승률이 측정되며, 유황 비율이 상기 상승률에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 특정 연료에 대한 특정 유황 비율은 두 재생 사이에서의 연료 소모율과 재생에 의한 유황 방출로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유황 재생 시점이 유황 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재생의 강도는 유황 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 계산 유닛(8), 특히 마이크로프로세서에서 실행 가능하며 청구항 제1항 내지 제5항을 실행하기 위해 적합한 프로그램이 저장된, 특히 차량 엔진(1)의 제어 장치(18)용 제어 요소, 특히 플래시 메모리.
  7. 산화 질소가 충전 및 제거되며 그 저장 성능이 사용 연료에 포함된 유황에 의해 감소되는 저장 촉매 컨버터(12')를 포함하는, 특히 차량 엔진(1)용 제어 장치에 있어서,
    제어 유닛(18)에 의해, 저장 촉매 컨버터(12')의 여러 노화 상태(점 13)가 측정되며, 연속적인 노화 상태(점 13)로부터 사용 연료의 유황 비율이 측정 가능한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  8. 산화 질소가 충전 및 제거되며 그 저장 성능이 사용 연료에 포함된 유황에 의해 감소되는 저장 촉매 컨버터(12')와 제어 유닛(18)을 포함하는, 특히 차량용 엔진에 있어서,
    제어 유닛(18)에 의해, 저장 촉매 컨버터(12')의 여러 노화 상태(점 13)가 측정되며, 연속적인 노화 상태(점 13)로부터 사용 연료의 유황 비율이 측정 가능한 것을 특징으로 하는 엔진.
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