KR20020072561A - 특히 차량의 내연 기관의 작동 방법 - Google Patents

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안드레아스 코링
홀거 벨만
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료가 제 1 작동 모드로 흡입 단계동안, 그리고 제 2 작동 모드로 압축 단계동안 연소실(4)에 직접 분사되어 연소될 수 있는, 특히 차량용 내연 기관(1)에 관한 것이다. 연소시 발생하는 배기 가스가 촉매 컨버터(12)에 공급될 수 있다. 제어 장치(18)에 의해 제 2 작동 모드에서 연소에 이어 추가로 연료가 분사될 수 있다. 마찬가지로 제어 장치(18)에 의해 촉매 컨버터(12) 이내 또는 하류에 있는 배기 가스의 온도가 측정되어 한계값과 비교될 수 있다.

Description

특히 차량의 내연 기관의 작동 방법 {Method for operating an internal combustion engine, in particular, of a motor vehicle}
상기 방식의 방법, 상기 방식의 제어 장치 및 상기 방식의 내연 기관은 예컨대 소위 벤진-직접 분사에 공지되어 있다. 거기서 연료가 균일 모드로 흡입 단계 동안 또는 층상 급기 모드로 압축 단계 동안 내연 기관의 연소실에 분사된다. 균일 모드는 바람직하게 내연 기관의 완전 부하 작동용으로 제공되는 반면, 층상 급기 모드는 무부하 작동 및 부분 작동용으로 적합하다. 예컨대 요구된 토크에 따라 상기 방식의 직접 분사 내연 기관에서 상기 작동 모드 사이가 전환된다.
특히 층상 급기 모드의 실행을 위해, 발생하는 질소 산화물을 저장 촉매 컨버터에 일시 저장할 수 있는 촉매 컨버터가 존재함으로써, 이어지는 균일 모드동안 질소 산화물이 감소된다. 상기 저장 촉매 컨버터에 층상 급기 모드에서는 질소 산화물이 충전되고, 균일 모드에서는 다시 방전된다. 이러한 충전 및 방전 그리고이와 결부된 질소 산화물의 질소와 산소로의 컨버팅은 촉매 컨버터의 노화를 야기한다.
본 발명은 연료가 제 1 작동 모드로 흡입 단계동안, 그리고 제 2 작동 모드로 압축 단계동안 연소실에 직접 분사되어 연소되고, 연소시 발생하는 배기 가스가 촉매 컨버터에 공급되는, 특히 차량용 내연 기관에 관한 것이다. 또한 본 발명은 특히 차량의 내연 기관용 제어 장치 및 특히 차량용 내연 기관에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 내연 기관의 실시예의 개략도이고.
도 2는 도 1의 내연 기관에서의 온도 상승의 개략적인 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 목적은, 저장 촉매 컨버터의 노화를 검출할 수 있는, 내연 기관의 저장 촉매 컨버터의 작동 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 서두에 언급된 방식의 방법에서 본 발명에 따라, 제 2 작동 모드에서 연소에 이어 추가 연료가 분사됨으로써, 그리고 촉매 컨버터 이내 또는 하류에 있는 배기 가스의 온도가 측정되어 한계값과 비교됨으로써 달성된다. 상기 목적은 각각 서두에 언급된 방식의 제어 장치 및 내연 기관에서 상응하게 달성된다.
내연 기관에서 발생하는 배기 가스는 촉매 컨버터에서 컨버팅되는 유독 성분을 함유한다. 이 경우 특히 불연소 탄화수소 및 일산화탄소가 다루어진다. 상기 유독 성분의 컨버팅은 발생하는 배기 가스의 온도 상승을 야기한다. 그러나 이러한 온도 상승은 노화된 촉매 컨버터에서 감소된 컨버팅 능력으로 인해 감소된다. 따라서 기본적으로 발생하는 온도 상승은 촉매 컨버터의 노화에 대한 척도로서 사용될 수 있다.
상기 온도 상승은 추가 분사 연료 없이 스스로 이루어진다. 그러나 이러한 경우 온도 상승은 특히 노화된 촉매 컨버터에서 감소됨으로써, 이것은 촉매 컨버터의 노화의 확실한 측정을 허용하지 않는다.
추가 연료 분사에 의해, 추가 컨버팅 및 배기 가스의 추가 온도 상승이 달성된다. 이것은 촉매 컨버터의 노화 상태의 확실하고 신뢰할 만한 측정을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 개선예에서 온도 상승이 측정되어, 새로운 촉매 컨버터에서 측정되었던 온도 상승과 비교되고, 그 차이가 높은 한계값과 비교된다. 따라서 간단한 방식으로 노화된 촉매 컨버터를 검출할 수 있게 된다.
유사한 바람직한 방법으로 온도 상승이 측정되어 모델링된 온도 상승과 비교되고, 그 차이가 높은 한계값과 비교된다.
본 발명의 바람직한 추가 개선예에서 최대 온도가 측정되어 낮은 한계값과 비교된다. 이것은 본 발명의 구현을 위한 매우 간단하고 신속하게 실행되는 가능성을 나타낸다.
추가로 분사된 연료가 점화되지 않는 것이 매우 바람직하다. 따라서 불연소 연료가 불연소 탄화수소 또는 일산화탄소 형태로 배기 가스관 및 촉매 컨버터에 도달되어 거기서 상승된 온도를 야기한다.
본 발명에 따른 방법이 내연 기관, 특히 차량의 제어 장치용으로 제공된 제어 엘리먼트의 형태로 구현되는 것이 매우 바람직하다. 이 경우 제어 엘리먼트에 계산 장치, 특히 마이크로 프로세서에서 진행되고 본 발명에 따른 방법을 실행시키는데 적합한 프로그램이 저장된다. 또한 이러한 경우 본 발명은 제어 엘리먼트에 저장된 프로그램에 의해 구현됨으로써, 프로그램이 제공된 상기 제어 엘리먼트는 방법의 실행을 위해 상기 프로그램이 적합하게 사용되는 방법과 동일한 방법으로 본 발명을 나타낸다. 제어 엘리먼트로서 특히, 예컨대 리드-온리-메모리 또는 플래쉬-메모리와 같은 전기 메모리 매체가 사용된다.
본 발명의 추가 특징, 용도 가능성 및 장점은 도면에 도시된 하기의 본 발명의 실시예의 기술에서 나타난다. 이 경우 기술된 또는 도시된 모든 특징은 청구항에서 상기 특징들의 요약 또는 그의 인용예와는 무관하게, 그리고 설명부 또는 도면에서 상기 특징들의 실시예 또는 표시와는 무관하게, 스스로 또는 임의적으로 조합되어 본 발명의 대상을 형성한다.
도 1에서 피스톤(2)이 실린더(3) 내에서 이리 저리 이동될 수 있는 차량의 내연 기관(1)이 도시된다. 실린더(3)에 연소실(4)이 제공되고, 상기 연소실은 특히 피스톤(2), 유입 밸브(5) 및 배출 밸브(6)에 의해 제한된다. 유입 밸브(5)에 흡입관(7)이 결합되고, 배출 밸브(6)에 배기 가스관(8)이 결합된다.
유입 밸브(5) 및 배출 밸브(6)의 영역에서 분사 밸브(9) 및 점화 플러그(10)가 연소실(4)내로 돌출한다. 분사 밸브(9)를 통해 연료가 연소실(4) 내로 분사될 수 있다. 점화 플러그(10)에 의해 연료가 분사실(4) 내에서 점화될 수 있다.
흡입관(7) 내에 회전 가능한 스로틀 밸브(11)가 제공되고, 상기 스로틀 밸브를 통해 흡입관(7)에 공기가 공급될 수 있다. 공급된 공기의 양은 스로틀밸브(11)의 각 위치에 따라 좌우된다. 배기 가스관(8) 내에 촉매 컨버터(12)가 제공되고, 상기 촉매 컨버터는 연료의 연소에 의해 생성되는 배기 가스의 정화를 위해 사용된다.
본 실시예에서 촉매 컨버터(12)로서, 저장 촉매 컨버터(12'')와 조합된 쓰리 웨이(three-way) 촉매 컨버터(12')가 다루어진다. 또한 촉매 컨버터의 다른 형태 및/또는 조합이 고려될 수 있다. 따라서 프리(pre)- 및 메인(main)- 촉매 컨버터 등이 제공될 수 있다.
촉매 컨버터(12)는 내연 기관(1)에 의해 발생된 배기 가스의 유독 성분의 처리 특히 컨버팅을 위해 적합하다는 것이 중요하다.
촉매 컨버터(12)에 온도 센서(13)가 제공된다. 대안적 또는 추가적으로 촉매 컨버터(12)의 바로 뒤에 있는 배기 가스관에 온도 센서(14)가 제공된다.
제어 장치(18)는 센서에 의해 측정된 내연 기관(1)의 작동 변수를 나타내는 입력 신호(19)에 의해 작동된다. 제어 장치(18)는 출력 신호(20)를 발생시키고, 상기 출력 신호에 의해 액추에이터 또는 레귤레이터를 통해 내연 기관(1)의 특성이 영향을 받을 수 있게 된다. 특히 제어 장치(18)는 내연 기관(1)의 작동 변수를 제어 및/또는 조절하기 위해 제공된다. 이러한 목적을 위해, 제어 장치(18)에 마이크로 프로세서가 제공되고, 상기 마이크로 프로세서는 메모리 매체, 특히 플래쉬-메모리에서 상기 제어 및/또는 조절을 시행하는데 적합한 프로그램을 저장한다.
제 1 작동 모드, 즉 소위 내연 기관(1)의 균일 모드에서, 스로틀 밸브(11)는 소정의 토크에 따라 부분적으로 개방되거나 또는 폐쇄된다. 연료는 피스톤(2)에의해 야기된 흡입 단계동안 분사 밸브(9)로부터 연소실(4) 내에 분사된다. 동시에 스로틀 밸브(11)를 통해 흡입된 공기에 의해 분사된 연료가 와류되고, 따라서 연소실(4) 내에서 실질적으로 균일하게 분포된다. 따라서 연료/공기-혼합물이 압축 단계동안 압축되어 점화 플러그(10)에 의해 점화된다. 점화된 연료의 팽창에 의해, 피스톤(2)이 구동된다. 발생하는 토크는 균일 모드에서 특히 스로틀 밸브(11)의 위치에 따라 좌우된다. 유해 성분이 적게 발생된다는 점과 관련하여, 연료/공기-혼합물은 가급적 람다가 1로 세팅된다.
제 2 작동 모드, 소위 내연 기관(1)의 층상 급기 모드에서 스로틀 밸브(11)는 활짝 개방된다. 연료가 피스톤(2)에 의해 야기된 압축 단계동안 분사 밸브(9)로부터 연소실(4)로 분사되고, 더 정확하게 말하자면 공간적으로는 점화 플러그(10)의 주변에 직접 분사되고, 시간적으로는 점화 시점 이전에 적합한 간격을 두고 분사된다. 이제 점화 플러그(10)에 의해 연료가 점화됨으로써, 피스톤(2)은 이어지는 작동 단계에서 점화된 연료의 팽창에 의해 구동된다. 발생하는 토크는 층상 급기 모드에서 광범위하게 분사된 연료량에 따라 좌우된다. 실질적으로 층상 급기 모드는 내연 기관(1)의 무부하 작동 및 부분 부하 작동용으로 제공된다.
촉매 컨버터(12)의 저장 촉매 컨버터(12'')에는 층상 급기 모드동안 질소 산화물이 충전된다. 이어지는 균질 모드에서 저장 촉매 컨버터(12'')는 다시 방전되고, 질소 산화물은 쓰리 웨이촉매 컨버터(12')에 의해 환원된다.
저장 촉매 컨버터(12'')는 연속하는 질소 산화물의 충전 및 방전이 이루어지는 동안 서서히 유황을 수용한다. 이로 인해 저장 촉매 컨버터(12'')의 저장력이감소되고, 이것은 하기에서 노화로 표기된다. 배기 가스로부터 특히 질소와 산소로의 지속적인 컨버팅은 쓰리 웨이 촉매 컨버터(12')에서 컨버팅 능력의 감소 및 노화를 야기한다.
쓰리 웨이 촉매 컨버터(12')에서 배기 가스의 컨버팅은 열이 발생하는 발열성 반응을 나타낸다. 이로 인해 촉매 컨버터(12)에 의해 관류되는 배기 가스의 온도의 상승이 일어난다. 이러한 온도 상승은 온도 센서(13) 및/또는 온도 센서(14)에 의해 측정된다. 동시에 발열성 반응에 의해 촉매 컨버터(12) 자체 온도의 상승 도 이루어지고, 이것은 대안적 또는 추가적으로 온도 센서(13)에 의해, 경우에 따라 온도 센서(14)에 의해서도 측정된다.
그러나 발열성 반응에 의해 야기된 온도 상승은 확실하게 검출될 만큼 충분히 크지는 않다.
이러한 이유로 제어 장치(18)에 의해 내연 기관(1)의 층상 급기 모드에서 이어지는 연소시 추가로 연료가 연소실(4) 내에 분사된다. 그러나 상기 연료는 점화되지 않는다. 이로 인해 연료가 연소되지 않고 배기 가스관(8) 및 촉매 컨버터(12)에 도달한다. 거기서 존재하는 산소 및 거기서 발생하는 높은 온도에 의해 배기 가스관(8) 및 촉매 컨버터(12) 내에서 연료가 산소에 반응한다. 이로 인해 배기 가스관(8) 및 촉매 컨버터(12) 내의 배기 가스의 온도가 상승된다.
마찬가지로 배기 가스관(8)에 존재하는, 상승된 온도를 가진 배기 가스가 촉매 컨버터(12)에 도달한다. 거기서 추가 분사에 의해 발생된 배기 가스의 컨버팅에 의해 추가 온도 상승이 발생한다. 이것은 전체적으로 촉매 컨버터(12)에 의한배기 가스의 컨버팅으로 인한 더 큰 온도 상승을 제공한다.
추가로 촉매 컨버터(12)내에 유입된 배기 가스의 높은 온도도 마찬가지로 컨버팅으로 인한 촉매 컨버터(12)내의 배기 가스의 큰 온도 상승을 야기한다.
따라서 연료의 추가 분사에 의해 이어지는 연소시 층상 급기 모드에서 전체적으로 촉매 컨버터(12)내의 배기 가스의 컨버팅에 의한 배기 가스의 큰 온도 상승이 달성된다.
쓰리 웨이 촉매 컨버터(12')의 노화로 인해, 쓰리 웨이 촉매 컨버터(12')내 배기 가스의 컨버팅 능력이 감소된다. 이것은 촉매 컨버턴(12)내 연료와 산소의 반응의 감소 및 이로 인해 발생하는 온도 상승의 감소를 야기한다. 마찬가지로 감소된 컨버팅 능력은 컨버팅에 의해 야기된 발열성 반응의 감소 및 이로 인해 발생하는 온도 상승의 감소를 야기한다.
제어 장치(18)에 의해 실제로 측정된 온도 상승은 내연 기관(1)의 작동동안 모니터링된다. 이것은 실제 온도 상승이 새로운 쓰리 웨이 촉매 컨버터(12') 또는 새로운 촉매 컨버터(12)에서 측정된 온도 상승과 비교됨으로써 이루어질 수 있다. 대안적 또는 추가적으로 실제 온도 상승은 결함있는 쓰리 웨이 촉매 컨버터(12') 또는 촉매 컨버터(12)에서 측정된 온도 상승과 비교될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로 이것은 마찬가지로 실제 온도 상승이 모델링된 온도 상승과 비교됨으로써 이루어질 수 있다.
새로운 촉매 컨버터(12)와의 비교시 새로운 촉매 컨버터(12)의 온도 상승에 대한 실제 측정 온도 상승의 차이는 점점 더 커진다. 새로운 촉매 컨버터(12)의온도 상승에 대한 실제 온도 상승의 차이가 높은 한계값을 초과하면, 촉매 컨버터(12)가 충분한 배기 가스 정화의 관점에서 더 이상 감수될 수 없는 노화에 도달된다는 것이 제어 장치(18)에 의해 추론된다. 이와 관련하여 제어 장치(18)는 예컨대 운전자 또는 워크 스테이션에 의해 검출될 수 있고, 그리고 촉매 컨버터(12)의 필요한 교체를 디스플레이하는 신호를 발생시킨다.
결함있는 촉매 컨버터(12)와의 비교시 결함있는 촉매 컨버터(12)의 온도 상승에 대한 실제 측정 온도 상승의 차이가 점점 더 작아짐으로써, 상기 차이는 관련 낮은 한계값과 비교되고, 상기 낮은 한계값에 도달하면 촉매 컨버터(12)는 교체되어야만 한다.
모델링된 온도 상승의 사용시 실제 온도 상승에 대한 차이가 마찬가지로 점점 더 커짐으로써, 차이는 관련 높은 한계값과 비교되고, 상기 높은 한계값에 도달하면 촉매 컨버터(12)는 교체되어야만 한다.
대안적 또는 추가적으로 비교에서 절대 온도가 기초가 될 수 있다. 이것은 도 2에 도시된다.
도 2에서 촉매 컨버터(12)로부터 배출된 배기 가스의 온도는 시간에 따라 도시된다. 시점(t1)까지 내연 기관(1)이 층상 급기 모드로 작동된다. 대략 시점(t1)에서 추가 분사가 달성된 연소에 이어서 이루어진다. 이러한 추가 분사 및 이로 인해 발생한 촉매 컨버터(12)에 의해 생성된 배기 가스의 추가 컨버팅은 배기 가스의 추가 온도 상승을 야기한다.
추가 분사에 의한 추가 온도 상승은 온도 센서(13) 및/또는 온도 센서(14)에의해 측정된 최대 온도와 동일한 의미를 가진다. 상기 최대 온도는 촉매 컨버터(12)의 노화로 인해 서서히 감소된다.
촉매 컨버터(12)가 여전히 노화되지 않고, 따라서 촉매 컨버터(12)가 여전히 충분한 컨버팅 능력을 가지고 있음으로써, 낮은 한계값(15)을 초과하는 최대 온도가 야기된다. 이것은 도 2에서 도면 부호 16에 의해 특징지워진다.
그러나 촉매 컨버터(12)가 더 이상 충분한 컨버팅 능력을 가지지 않는다면, 즉 촉매 컨버터(12)가 노화되어 마멸된다면, 한계값(15)이 더 이상 초과되지 않는다. 이것은 도 2에서 도면 부호 17에 의해 특징지워진다.
시점(t2)에서부터 내연 기관(1)은 다시 제어 장치(18)에 의해 층상 급기 모드로 작동된다.
본 방법은 이어서 내연 기관(1)의 작동동안 사용될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로 상기 방법이 특히 촉매 컨버터(12)의 노화의 진단을 위해 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 연료가 제 1 작동 모드로 흡입 단계동안, 그리고 제 2 작동 모드로 압축 단계동안 연소실(4)에 직접 분사되어 연소되고,
    연소시 발생하는 배기 가스가 촉매 컨버터(12)에 공급되는,
    특히 차량용 내연 기관(1)의 작동의 방법에 있어서,
    제 2 작동 모드에서 연소에 이어 추가로 연료가 분사되고,
    상기 촉매 컨버터(12) 이내 또는 하류에 있는 배기 가스의 온도가 측정되어 한계값과 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    온도 상승이 측정되어, 새로운 또는 결함있는 촉매 컨버터(12)에서 측정되었던 온도 상승과 비교되고,
    그 차이가 높은 또는 낮은 한계값과 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    온도 상승이 측정되어, 모델링된 온도 상승과 비교되고,
    그 차이가 높은 한계값과 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 온도가 측정되어 낮은 한계값(15)과 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로 분사된 연료가 점화되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법이 상기 촉매 컨버터(12)의 진단을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 특히 차량의 내연 기관(1)의 제어 장치(18)용 제어 엘리먼트, 특히 플래쉬-메모리에 계산 장치, 특히 마이크로 프로세서에서 진행하며 청구항 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는데 적합한 프로그램이 저장되는 제어 엘리먼트.
  8. 내연 기관(1)에서 연료가 제 1 작동 모드로 흡입 단계동안 그리고 제 2 작동 모드로 압축 단계동안 연소실(4)에 직접 분사되어 연소될 수 있고.
    연소시 발생하는 배기 가스가 촉매 컨버터(12)에 공급될 수 있는
    특히 차량용 내연 기관(1)용 제어 장치(18)에 있어서,
    상기 제어 장치(18)에 의해 제 2 작동 모드에서 연소에 이어 추가로 연료가분사될 수 있고,
    상기 제어 장치(18)에 의해 상기 촉매 컨버터(12) 이내 또는 하류에 있는 배기 가스의 온도가 측정되어 한계값과 비교될 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 연료가 제 1 작동 모드로 흡입 단계동안 그리고 제 2 작동 모드로 압축 단계동안 연소실(4)에 직접 분사되어 연소될 수 있고.
    연소시 발생하는 배기 가스가 촉매 컨버터(12)에 공급될 수 있고,
    제어 장치(18)를 포함하는,
    특히 차량용 내연 기관(1)에 있어서,
    상기 제어 장치(18)에 의해 제 2 작동 모드에서 연소에 이어 추가로 연료가 분사될 수 있고,
    상기 제어 장치(18)에 의해 상기 촉매 컨버터(12) 이내 또는 하류에 있는 배기 가스의 온도가 측정되어 한계값과 비교될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
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