KR20020068062A - 내연 기관의 저장 촉매 변환기 작동 방법 - Google Patents

내연 기관의 저장 촉매 변환기 작동 방법 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 저장 촉매 변환기가 제공된, 특히 자동차용 내연 기관에 관한 것이며, 상기 저장 촉매 변환기에는 질소 산화물이 부가 및 해제될 수 있다. 제어 장치를 통해, 저장 촉매 변환기의 다수의 노화 상태(점 13)가 검출될 수 있다. 상기 제어 장치를 통해, 노화 상태(점 13)로부터 가역 노화 곡선(14) 및 비가역 노화 곡선(16)이 검출될 수 있다.

Description

내연 기관의 저장 촉매 변환기 작동 방법{Method for operating a storage catalyst of an internal combustion engine}
상기와 같은 방법, 상기와 같은 제어 장치 및 상기와 같은 내연 기관은 예컨대 소위 가솔린 직접 분사식에 공지되어 있다. 상기의 경우 연료는 흡입 행정중 균일 작동으로, 압축 행정중 층상 작동으로 내연 기관의 연소실로 분사된다. 상기 균일 작동은 바람직하게는 내연 기관의 완전 부하 작동을 위해 제공되는 반면, 층상 작동은 공회전 작동 및 부분 부하 작동을 위해 제공된다. 예컨대 요구되는 회전 모멘트에 따라, 상기와 같은 직접 분사식 내연 기관에서는 소위 작동 모드 사이가 전환된다.
특히 층상 작동을 실시하기 위해서, 저장 촉매 변환기가 요구되며, 발생된 질소 산화물은 상기 저장 촉매 변환기에 의해 일시 저장될 수 있는데 이는 후속하는 균일 작동 중 3 방향 촉매 변환기에서 질소 산화물을 감소시키기 위함이다. 상기 저장 촉매 변환기에는 층상 작동시에 질소 산화물이 부가되며 균일 작동시에는다시 배기된다. 상기의 부가 및 배기는 저장 촉매 변환기를 노화시키므로 상기 변환기의 저장 능력을 감소시킨다.
본 발명은 질소 산화물이 부가 및 해제되는 저장 촉매 변환기를 구비한, 특히 자동차 내연 기관의 저장 촉매 변환기 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명은 마찬가지로 자동차의 내연 기관용 제어 장치 및 자동차용 내연 기관에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 내연 기관의 저장 촉매 변환기의 노화를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은, 내연 기관의 저장 촉매 변환기 작동 방법을 구성하고자 하는 것이며, 상기 방법에 의해 저장 촉매 변환기의 노화가 검출될 수 있다.
상기 과제는 서두에 언급된 방식의 방법에서 본 발명에 따라, 저장 촉매 변환기의 다수의 노화 상태가 검출됨으로써, 상기 노화 상태로부터 가역 노화 곡선 및 비가역 노화 곡선이 검출됨으로써 해결된다. 제어 장치 및, 서두에 언급된 각각의 방식의 내연 기관에서, 상기 과제는 상응되게 해결된다.
가역 노화 곡선은 저장 촉매 변환기의 저장 능력이 유황에 따라 감소되는 것에 관한 것이다. 유황은 예컨대 연료 또는 적어도, 내연 기관의 배기 가스 내에 포함될 수 있다. 비가역 노화 곡선은, 저장 촉매 변환기의 사용에 따른 저장 능력의 자연적 감소에 관한 것이다. 상응하게 긴 작동 수명 후, 저장 촉매 변환기의 열부하에 의해 저장 능력은 특히 감소된다.
가역 및 비가역 노화 곡선이 검출됨으로써, 저장 촉매 변환기의 재생이 가능한지 또는 저장 촉매 변환기가 실제로 사용되는지의 여부는 제어 장치에 의해 정확히 구별될 수 있다. 따라서, 아직 재생 가능한 저장 촉매 변환기에서 결함이 검출되어 교체되는 것은 줄어들 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에서, 가역 노화 곡선은 저장 촉매 변환기의 두 재생 사이에서 연속된 노화 상태로부터 검출된다. 또한 비가역 노화 곡선은 저장 촉매 변환기의 재생 후 각각 노화 상태로부터 검출된다. 이로써 단순한 방법으로, 다양한 노화 곡선들이 서로 구별될 수 있다.
특히 가역 및 비가역 노화 곡선을 구별하기 위해서는, 가역 노화 곡선의 기울기가 비가역 노화 곡선의 기울기와 비교되는 것이 바람직하다. 가역 노화 곡선의 기울기는, 비가역 노화 곡선의 기울기 보다 더 크다. 이로써 양 노화 곡선은 확실하게 구별될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 프리세팅 가능한 가역 노화 상태에 도달된 후 저장 촉매 변환기는 재생된다. 이로써 저장 촉매 변환기가 가역 노화에 의해 교체되는 것이 아니라, 단지 재생만 되는 것이 보장된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 저장 촉매 변환기는 프리세팅 가능한 비가역 노화 상태에 도달된 후 결함으로서 검출된다. 이로써 저장 촉매 변환기는, 상기 변환기가 더 이상 재생될 수 없거나 또는 아주 적게만 재생될 수 있을 때에야 비로소 결함으로서 검출된다. 저장 촉매 변환기의 교체는, 비가역 노화 곡선이 프리세팅 가능한 임계값에 도달될 때까지 방지된다.
본 발명에 따른 방법을 제어 소자의 형태로 구현하는 것은 특히 중요하며, 상기 제어 소자는 특히 자동차의 내연 기관의 제어 장치에 제공된다. 상기 제어 소자 상에는, 계산 장치, 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행될 수 있으며 본 발명에 따른 방법을 실시하기에 적합한 프로그램이 저장된다. 상기의 경우 본 발명은 제어 소자 상에 저장된 프로그램을 통해 구현되므로, 상기 프로그램은 상기 프로그램이 제공된 제어 소자와 함께, 상기 방법과 동일한 방식으로 본 발명을 나타내며, 상기 방법을 구현하기 위해서는 상기 프로그램이 적합하다. 제어 소자로는 특히 판독 전용 메모리 또는 플래시 메모리와 같은 전기적 기억 매체가 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징들, 사용 가능성 및 장점은 도면에 도시된 본 발명의 하기의 실시예의 상세한 설명에 나타난다. 설명된 또는 도시된 모든 특징들은 단독으로 또는 임의의 결합 형태로, 본 발명의 청구항 내의 내용과 무관하게 또는 인용예 및 상세한 설명 또는 도면의 설명과 무관하게, 본 발명의 대상을 형성한다.
도 1에는 피스톤(2)이 실린더(3) 내에서 왕복 운동할 수 있는, 자동차의 내연 기관(1)이 도시된다. 실린더(3)에는 특히 피스톤(2), 유입 밸브(5) 및 유출 밸브(6)를 통해 제한되는 연소실(4)이 제공된다. 상기 유입 밸브(5)와 흡입관(7)이, 유출 밸브(6)와는 배기관(8)이 커플링된다.
상기 유입 밸브(5) 및 유출 밸브(6)의 영역에서는 분사 밸브(9) 및 점화 플러그(10)가 연소실(4)로 돌출한다. 연료는 분사 밸브(9)에 의해 연소실(4)로 분사될 수 있다. 점화 플러그(10)에 의해, 연료는 연소실(4)에서 점화될 수 있다.
상기 흡입관(7)에는 회전 가능한 스로틀 밸브(11)가 형성되며, 상기 스로틀밸브에 의해 흡입관(7)에는 공기가 공급될 수 있다. 공급된 공기량은 스로틀 밸브(11)의 각위치에 따른다. 배기관(8)에는 촉매 변환기(12)가 형성되며, 상기 변환기는 연료의 연소를 통해 발생된 배기 가스를 정화하기 위해 사용된다.
상기 촉매 변환기(12)에서는 3 방향 촉매 변환기(12'')와 통합되는 저장 촉매 변환기(12')가 중요하다. 이로써 촉매 변환기(12)는 무엇보다도, 질소 산화물(NOx)을 일시 저장하기 위해 제공된다.
제어 장치(18)는, 센서에 의해서 측정된 내연 기관(1)의 작동값을 나타내는 입력 신호(19)를 수신한다. 상기 제어 장치(18)는 출력 신호(20)를 발생시키며, 상기 출력 신호에 의해, 액추에이터 또는 조절기를 거쳐 내연 기관(1)의 특성은 영향을 받을 수 있다. 무엇보다도 상기 제어 장치(18)는, 내연 기관(1)의 작동값을 제어 및/또는 조절하기 위해 제공된다. 상기의 목적으로 제어 장치(18)에는, 기억 매체, 특히 플래시 메모리 내에 프로그램을 저장하는 마이크로 프로세서가 제공되며, 상기 프로그램은 제어 및/또는 조절을 실행하기에 적합하다.
제 1 작동 모드, 소위 내연 기관(1)의 균일 작동에서 스로틀 밸브(11)는 요구되는 회전 모멘트에 따라 부분적으로 개폐된다. 연료는 피스톤(2)을 통해 야기된 흡입 행정중 분사 밸브(9)에 의해 연소실(4)로 분사된다. 동시에 스로틀 밸브(11)에 의해 흡입된 공기를 통해, 분사된 연료는 난류되므로 연소실(4) 내에서 실제로 균일하게 배분된다. 그 후 연료/공기 혼합물은 점화 플러그(10)에 의해 점화가 일어나도록 압축 행정중 압축된다. 점화된 연료가 팽창됨으로써, 피스톤(2)이 구동된다. 발생된 회전 모멘트는 균일 작동시 무엇보다도 스로틀 밸브(11)의위치에 따라 좌우된다. 오염 물질이 적게 발생되는 것과 관련하여, 연료/공기 혼합물은 가능한 한 람다가 동일한 Eins로 세팅된다.
제 2 작동 모드, 소위 내연 기관(1)의 층상 작동시 스로틀 밸브(11)는 더 넓게 개방된다. 연료는 피스톤(2)을 통해 야기된 압축 행정중 분사 밸브(9)에 의해 연소실(4)로 분사되며, 장소적으로는 점화 플러그(10)의 직접적인 주변이고 시간적으로는 점화 시점 전의 적절한 간격이다. 점화 플러그(10)에 의해 연료가 점화되므로 피스톤(2)은 이제 후속될 작동 행정시 점화된 연료가 팽창됨으로써 구동된다. 발생된 회전 모멘트는 층상 작동시, 분사된 연료량에 따라 광범위하게 좌우된다. 실제로 내연 기관(1)의 공회전 작동 및 부분 부하 작동을 위한 층상 작동이 제공된다.
상기 촉매 변환기(12)의 저장 촉매 변환기(12')에는 층상 작동중 질소 산화물이 부가된다. 이는 후속하는 균일 작동시 저장 촉매 변환기(12')에서 다시 해제되며 3 방향 촉매 변환기(12')에 의해 감소된다.
상기 저장 촉매 변환기(12')는 질소 산화물이 연속해서 부가 및 해제되는 동안 유황을 흡수한다. 이는 저장 촉매 변환기(12')의 저장 능력을 제한하며 이는 하기에서 노화로서 제시된다.
도 2에는 시간에 따른 저장 촉매 변환기(12')의 노화가 도시된다. 상기 노화에 대한 값은 상응하는 진단 방법을 통해 제어 장치(18)에 의해 검출될 수 있다. 상기와 같은 진단 방법은 예컨대 저장 촉매 변환기(12')에 따라 질소 산화물-배출을 측정하는 것을 기초로 할 수 있다.
도 2에는 상기의 진단 방법의 실행 및 이로부터 결과되는 노화의 값이 각각 점(13)으로 도시된다. 점(13)의 노화 상태들은 연속된 선(14)를 통해 서로 연결된다. 상기 선(14)는 노화 곡선을 도시한다.
제 1 점(13')은 저장 촉매 변환기(12')의 첫 번째 진단 실행을 나타내며, 상기 진단 실행에 의해 제 1 노화 상태가 검출된다. 후속되는 시점에서는 또 다른 진단들이 실행되고 상기 진단들로부터 또 다른 노화 상태가 얻어진다. 상기의 또 다른 노화 상태들은, 계속 커지는 그 값에 의해 노화 곡선을 나타내며 상기 곡선은 저장 촉매 변환기(12')의 노화에 상응한다. 이미 언급된 바와 같이, 상기 노화를 통해 저장 촉매 변환기(12')의 저장 능력은 감소된다.
점(13'')에서는 노화 상태에 도달되며, 상기 노화 상태를 근거로 하여 제어 장치(18)에 의해서 저장 촉매 변환기(12')의 유황은 재생된다. 상기 유황 재생은 도 2에서 파선(15)으로 도시되며, 예컨대 내연 기관(1)의 농후 작동 상태를 통해서 동시에 높은 배기 가스 온도에 이를 수 있다. 재생시, 유황은 저장 촉매 변환기(12')로부터 배출된다. 이는 저장 촉매 변환기(12')를 그 초기 상태, 특히 그 초기 저장 능력으로 되돌린다. 이는 도 2에서 점(13''')으로 도시되며, 상기 점은 저장 촉매 변환기(12')의 초기 노화 상태에 상응한다.
그 후 상기 제어 장치(18)에 의해, 앞서 언급된 진단 방법이 새로이 실행되며, 상기 진단 방법은 각각 또 다른 점(13) 및 또 다른 선(14)을 이끌어 낸다. 점(13'''')에서는 선(15)에 상응하게 제어 장치(18)에 의해 저장 촉매 변환기(12')의 재생이 새롭게 실행되며, 상기 재생은 재차 점(13''''')으로 가며 및 이로써 상기 변환기의 초기 저장 능력에 이른다.
설명한 바와 같이, 종래에 논의된 노화는 저장 촉매 변환기(12') 내에 유황이 있음으로써 발생한다. 유황은 내연 기관(1)에 공급된 연료 또는 이로부터 발생된 배기 가스 내에 있을 수 있다. 상기 노화는 가역이며 설명된 재생을 통해 다시 광범위하게 제거될 수 있다.
전술한 가역 노화에 부가적으로, 저장 촉매 변환기(12')는 비가역 노화의 영향도 받는다. 비가역 노화는 저장 촉매 변환기(12')의 지속적인 부가 및 해제에 의해 발생되며 저장 촉매 변환기(12')의 자연적 노화를 나타낸다.
도 2에는 비가역인 자연적 노화가 선(16)으로 도시된다. 상기 선(16)은 점(13', 13''', 13''''' 등)으로부터 얻어지며, 즉 저장 촉매 변환기(12')가 유황 재생 후 바로 포함하는 노화 상태로부터 항상 얻어진다.
도 2에 제시된 바와 같이, 선(16)은 점(13''''')으로부터 천천히 상승한다. 선(16)의 기울기는 선(14)의 기울기 보다 실제적으로 작다. 선(16)의 기울기는, 항상 작게 유지되는 저장 촉매 변환기(12')의 저장 능력과 동일하다. 이는 유황 재생을 통한 저장 촉매 변환기(12')의 저장 능력의 복귀, 및 결국 선(15)의 길이가 계속적으로 적어지는 것에도 나타난다.
언급된 바와 같이, 상승하는 선(16)으로부터 얻어지는 저장 촉매 변환기(12')의 저장 능력의 손실은 비가역이다. 이는, 저장 능력이 장기간 0을 향해 가도록 한다. 이 경우 저장 촉매 변환기(12')는 교체되어야 한다.
마찬가지로 언급된 바와 같이, 비가역인 자연적 노화의 선(16)의 기울기는실제로 유황에 따라 좌우되는 가역 노화의 선(14)의 기울기 보다 작다. 상기의 상이한 기울기를 통해, 제어 장치(18)는 비가역인 자연적 노화를 유황에 따라 좌우되는 가역 노화와 구별할 수 있다.
상기 제어 장치(18)에는 임계값(17)이 저장되며, 상기 임계값은 예컨대 점(13'', 13'''', 등), 즉 재생 바로 직전에 존재하는 노화 상태에 따라 프리세팅될 수 있다. 선(16)이 임계값(17)에 도달하면, 저장 촉매 변환기(12')가 더 이상 사용될 수 없다는 것이 제어 장치(18)에 의해 검출된다. 이는 내연 기관(1)의 사용자 또는 공장에, 제어 장치(18)에 의해 표시된다.
상기 선(14, 16)이 제어 장치(18)에 의해 구별됨으로써, 가역 노화에 의한 저장 촉매 변환기(12')의 결함 정보는 선(14) 중 하나의 선 점(13)이 임계값(17)을 넘어설 때 피해진다.

Claims (10)

  1. 특히 자동차의 내연 기관(1)의 저장 촉매 변환기(12')를 작동하기 위한 방법으로서, 저장 촉매 변환기(12')에는 질소 산화물이 부가 및 해제되는 방법에 있어서,
    상기 저장 촉매 변환기(12')의 다수의 노화 상태(점 13)들이 검출되며, 상기 노화 상태(점 13)로부터 가역 노화 곡선(선 14) 및 비가역 노화 곡선(선 16)이 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가역 노화 곡선(선 14)은 저장 촉매 변환기(12')의 두 재생 사이에서 연속된 노화 상태(점 13)로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 비가역 노화 곡선(선 16)은 저장 촉매 변환기(12')의 유황 재생 후의 노화 상태(점 13''', 13''''', 등)로부터 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 가역 및 비가역 노화 곡선을 구별하기 위해, 가역 노화 곡선(선 14)의 기울기가 비가역 노화 곡선(선 16)의 기울기와 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노화 상태(점 13)는 저장 촉매 변환기(12')에 따른 질소 산화물 배출에 따라 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 촉매 변환기(12')는 프리세팅 가능한 가역 노화 상태(점 13'', 13'''', 등)에 도달된 후 재생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 촉매 변환기(12')는 프리세팅 가능한 비가역 노화 상태(임계값 17)에 도달된 후 결함으로서 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 특히 자동차의 내연 기관(1)의 제어 장치(18)용 제어 소자, 특히 플래시 메모리로서, 상기 제어 소자에는 프로그램이 저장되며, 상기 프로그램은 계산 장치, 특히 마이크로 프로세서 상에서 실행될 수 있으며 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기에 적합한 제어 소자.
  9. 특히 자동차의 내연 기관(1)용 제어 장치(18)로서 상기 내연 기관(1)은 질소 산화물이 부가 및 해제될 수 있는 저장 촉매 변환기(12')를 포함하는 제어 장치에있어서,
    상기 제어 장치(18)를 통해 저장 촉매 변환기(12')의 다수의 노화 상태(점 13)가 검출될 수 있으며, 상기 제어 장치(18)를 통해 노화 상태(점 13)로부터 가역 노화 곡선(선 14) 및 비가역 노화 곡선(선 16)이 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  10. 질소 산화물이 부가 및 해제될 수 있는 저장 촉매 변환기(12') 및 제어 장치(18)를 구비한 자동차용 내연 기관(1)에 있어서,
    상기 제어 장치(18)를 통해 저장 촉매 변환기(12')의 다수의 노화 상태(점 13)가 검출될 수 있으며, 상기 제어 장치(18)를 통해 노화 상태(점 13)로부터 가역 노화 곡선(선 14) 및 비가역 노화 곡선(선 14) 및 비가역 노화 곡선(선 16)이 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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