KR20060090663A - 터보과급 엔진용 촉매 변환기의 입구 하류부의 온도를결정하기 위한 방법 - Google Patents

터보과급 엔진용 촉매 변환기의 입구 하류부의 온도를결정하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보과급기 터빈의 상류부 온도를 결정하는 단계, 엔진 작동 매개변수로부터 보정값을 계산하는 단계, 및 터보과급기 터빈의 상류부 온도로부터 보정값을 감산함으로써 터보과급기의 터빈의 하류부 온도를 결정하는 단계를 포함하는, 터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈이 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법에 관한 것이다.

Description

터보과급 엔진용 촉매 변환기의 입구 하류부의 온도를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING A TEMPERATURE DOWNSTREAM THE ENTRY OF A CATALYTIC CONVERTER FOR A TURBOCHARGED ENGINE}
본 발명은 터보과급 엔진의 촉매 변환기로의 입구 앞의 온도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
촉매 변환기가 조립된 엔진에서 촉매 변환기가 파손되지 않도록 촉매 변환기의 온도를 아는 것이 중요하다. 이러한 온도는 다양한 기능, 즉 촉매 및 상류부의 산소 탐침 보호, 상류부 산소 탐침이 준비되었는지 탐지, 상류부 산소 탐침 가열 및 촉매 가열을 위해 중요하다.
일부 엔진에는, 이러한 4가지 기능, 또는 4가지 기능 중 적어도 일부가 존재하지 않는다. 다른 엔진에서, 이러한 기능은 개방 루프에서 조절된다. 또한 이러한 기능들의 제어가 촉매 변환기로의 입구의 온도로서 매우 정밀하지 않는 매개변수를 고려하는 것이 알려져 있다.
무과급 엔진(normally aspirated engine)에서, 촉매 변환기의 입구 및 출구에서의 온도를 모델링하는 것이 실시되고 있다. 엔진으로부터 나오는 엔진 배기의 온도는 또한 도표에 의해 알려져 있다.
따라서 본 발명의 목적은 촉매 변환기로 들어가는 배출 가스의 온도, 즉 터보과급기의 하류부의 온도가 촉매 변확기가 조립된 터보과급 엔진에서 확실하게 결정될 수 있는 방법에 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 터보과급엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스의 온도를 결정하는 방법이 제안되는데, 이 방법은
- 터보과급기 터빈의 상류부 온도를 결정하는 단계,
- 엔진 작동 매개변수로부터 보정값(corrective term)을 계산하는 단계, 및
터보과급기의 터빈의 상류부 온도로부터 보정값을 감산함으로써 터보과급기의 터빈의 상류부 온도를 결정하는 단계를 포함한다.
이러한 방법은 결정하기에 매우 간단한 것이지만 논증된 바와 같이, 이러한 방법을 이용하여 결정된 온도는 이러한 방법을 확인하기 위해 온도 탐침을 이용하여 기록된 온도와 많이 또는 적게 일치한다.
터보과급기의 터빈의 상류부 온도는 온도 탐침을 이용하여 결정될 수 있지만 대응하는 엔진의 비용을 최소화하기 위해 모델링에 의해 얻는 것이 바람직하다. 본 기술분야의 기술자는 이러한 온도의 모델링 방법을 알고 있으며 이러한 모델링은 이미 터보과급기가 과열되는 것을 방지하기 위해 이미 이용되고 있다. 이러한 모델링은 예를 들면 엔진 제어 및 관리 장치에 조립된 전자 장치에 의해 수행된다. 그때 보정값은 동일한 전자 장치에 의해 계산되는 것이 유용할 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 보정값은 먼저 엔진 속도 및 엔진을 통과하는 공기의 매스 공기 유량의 함수로서 온도 변화가 주어지는 미리결정된 곡선으로부터 이러한 온도 변화에 단열 압축 인자(adiabatic compression factor)를 곱함으로써 얻어진다.
단열 압축 인자는 유용하게는 엔진 배출 압력, 엔진 배출 압력과 외부 압력 사이의 차이 및 터보과급기의 폐기물 게이트의 개방으로부터 선택된 하나 이상의 물리적 양에 종속한다. 실제로, 하나의 양만이 우수한 결과를 산출하기에 충분하다. 그리고나서 엔진 속도 및 매스 공기 유량에 따른 온도 변화를 주는 3차원 곡선을 형성하도록, 이러한 엔진 속도 및 매스 공기 유량은 예를 들면 단열 압축 인자가 종속되는 양/양들을 일정하게 유지하기 위해 변화된다.
본 발명의 상세함 및 장점이 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 상세한 설명으로부터 더 명백하게 된다.
도 1은 터보과급 엔진의 구조를 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 방법이 작동하는 방식을 설명하는 다이어그램이다.
도 1은 터보과급 엔진에 대한 공기 공급 및 배출 시스템을 도시하는 도면이다. 이러한 시스템은 엔진으로 신선한 공기를 공급하고 이 엔진내에는 하나 이상의 피스톤(2)이 실린더(4)내에서 운동한다. 신선한 공기는 유입 밸브(6)에 의해 조절되는 개구를 경유하여 실린더(4)로 들어간다. 밸브(8)는 실린더(4)로부터 연소 가스를 배출하기 위해 제공된다.
도시된 공기 공급 시스템은, 상류부로부터 하류부 방향으로, 공기 입구(10), 매스 공기 유량계(12), 터보과급기(14), 인터쿨러로서 알려진 챔버(16), 실런더로 공급된 공기가 통과하는 파이프 내에 위치하여 이러한 파이프를 통한 공기의 유동을 위한 단면을 변경시킬 수 있는 버터플라이 밸브(18), 일반적으로 입구 매니폴드(20)로서 알려진 것을 포함한다. 입구 밸브(6)는 입구 매니폴드(20)와 직접 소통된다.
배출 밸브(8)는 배출 파이프(22)와 직접 소통된다. 도면을 간단히 하기 위해, 이러한 배기 파이프(22)는 실린더로부터 나오는 부분 및 터보과급기(14)에서만 도시하였다. 터보과급기는 샤프트에 의해 연결되는 두 개의 터빈을 포함한다. 제 1 터빈은 배기 파이프에 위치설정되고 터빈의 회전은 배출 밸브(8)를 경유하여 실린더(4)로부터 나오는 연소 가스에 의해 구동된다. 앞에서 언급된 제 2 터빈은 엔진 공기 공급원에 위치설정되어 인터쿨러(16)에서 공기를 가압한다. 종래 방식으로, 터보 과급기 폐기물 게이트(24)는 배출 파이프(22)에 위치설정된 터빈이 짧게 순환되도록 한다.
터보과급기로부터 나오면, 배출 가스는 개방 공기로 배출되기 전에 촉매 변환기(26)를 통과한다.
본 명세서에서 후술되는 방법은 배출 가스가 촉매 변환기(26)로 들어갈 때 배출 가스의 온도를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 서두에서 언급된 바와 같이, 이러한 온도의 정보는 촉매 변환기(26)의 작동에 대해 중요하다. 이러한 촉매 변환기(26)는 공기 공급 시스템에 의해 실린더(4)로 보내진 연료/공기 혼합물의 부화 (richness)를 제어하도록 엔진 관리 장치에 정보를 제공하는 상류부 산소 탐침(도시안됨)을 포함한다. 촉매 변환기(26)의 상류부 및 터보과급기(14)의 하류부의 온도의 정보는 촉매 및 상류부 산소 탐침이 매우 높은 온도로부터 보호되도록 한다. 과도하게 높은 에너지가 탐지되면, 실린더(4)로부터 나오는 배출 가스의 온도를 감소시키기 위해 엔진 공급원을 변경할 수 있다. 또한 역으로 정확히 작동할 수 있도록 촉매 및 이에 대응하는 상류부 산소 탐침이 상대적으로 높은 온도가 되는 것이 필요하다. 따라서 촉매 변환기(26)로의 입구에서의 온도의 정보는 상류부의 온도 탐침이 준비되어 있는지 여부 및 이에 따라 공급되는 정보가 고려되어야 하는지 여부를 결정하는 것이 가능게 된다. 또한 온도가 충분히 높지 않은 촉매 및 상류부 산소 탐침이 가열되는 것을 예상할 수 있다.
본 기술분야의 기술자에게는 무과급 엔진 또는 터보과급 엔진에서 실린더(4)로부터 출구에서의 배출 파이프의 온도를 모델링하는 것이 알려져 있다. 이러한 온도를 결정하기 위해 다수의 매개변수가 이용되는데, 이 매개변수는 엔진 속도, 매스 공기 유량, 실린더로 전달되는 연료/공기 혼합물의 부화, 점화 진각 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 터보과급기의 상류부의 (모델링된) 온도로부터 촉매 변화기(26)에 대한 입구, 즉 터보과급기로부터의 출구에서의 온도를 계산할 것을 제안한다. 이를 수행하기 위해, 터보과급기 앞의 온도로부터 온도를 결정하는 기본적인 도표로부터 배출 압력 및/또는 터보과급기 폐기물 게이트(24)의 개방과 같은 매개변수에 종속하는 단열 압축 인자에 의해 곱해진 엔진을 통과하는 공기의 매스 공기 유량 및 엔진 속도에 종속하는 도표를 추출하는 것을 제안한다.
도 2는 촉매 변환기(26)로의 입구에서 터보과급기(14)의 하류부의 온도가 본 발명에 따라 결정되는 방법을 설명하는 다이어그램이다.
이러한 도 2는 제 1 윈도우(first window; 28)에서 개략적으로 도시된 3차원 곡선을 보여준다. 기준 직교 프레임은 또한 이러한 윈도우에 개략적으로 도시되어 있다. 개략적으로 도시된 곡선은 엔진 속도(N) 및 유량계(12)에 의해 측정된 매스 공기 유량(MAF)으로부터 결정된 온도 변화(TC)를 제공한다. 따라서, 기존 프레임의 하나의 축선은 엔진 속도(N)에 대응되고, 제 2 축선은 매스 공기 유량(MAF)에 대응되며, 제 3 축선은 온도 변화 값(TC)을 나타낸다.
윈도우(28) 아래에는 곡선 및 두 개의 기준 직교 프레임을 나타내는 제 2 윈도우(30)가 있다. 횡축선은 하나의 매개변수에 대응되고 종축선은 곱 인자(α)에 대응된다. 횡축선을 따른 매개변수는 실린더(4)로부터의 출구에서 배출 파이프(22)에서 측정된 배출 압력(PE)일 수 있다. 이는 동일하게 이러한 배출 압력(PE)과 엔진 외부의 대기 압력 사이의 압력 차이일 수 있다. 마지막으로 터보과급기 폐기물 게이트(24)의 개방(각도 또는 퍼센트로서)일 수 있다.
촉매 변환기(26)의 상류부의 배기 파이프(22)에서의 온도는 값 T상류부를 적용하는 것이 고려된다. 또한, 터보과급기(14)의 하류부에서 온도는 값 T하류부를 적용한다. 따라서 △T = T상류부 -T하류부.
본 발명에 따라, △T = α·TC가 고려된다.
따라서, △T = T상류부 -T하류부.
윈도우(28)에서 개략적으로 도시되는 도표를 생산하기 위해, 윈도우(30)의 매개변수(WG, PE, Patm-PE)가 일정하게 유지된다. 엔진 속도 및 엔진을 통한 매스 공기 유량은 동시에 변화되어 온도 변화(TC)를 얻는다. 도 2는 윈도우(28)의 지도상의 두 지점의 형성을 개략적으로 도시한다. 이러한 지점은 두 개의 값(MAF, N)에 값(MAF0, N0 및 MAF1 및 N1)을 각각 적용할 때, 값(TC0 및 TC1)을 산출한다. 결정된 값(TC0 및 TC1)은 값(WG0)에 대응하는 터보과급기 폐기물 게이트(24) 개방에 대응한다.
일단 이러한 지도가 제조되면, 윈도우(30)에서의 곡선이 제조된다. 이를 위해, 매개변수(WG)의 곡선이 변화한다. 도 2는 윈도우(30)에서의 곡선 상의 지점이 WG1 및 WG2의 WG 값으로 얻는 방법을 보여준다. 그리고나서, 계수(α1 및 α2)가 각각 산출된다.
터보과급 엔진에서 촉매 변환기(26)에 대한 입구에서 곡선을 결정하기 위해, 터보과급기(14)의 상류부의 온도가 공지된 방식으로 우선적으로 결정된다. 이러한 기능은 이미 알려져 있어 어떤 엔진에서 수행된다. 유량계(12)에 의해 측정된 매스 공기 유량(MAF) 및 엔진 속도(N)의 함수로서, 값 TC가 결정될 것이 요구된다. 또한, 선택된 변수 WG, PE, 또는 Patm -PE에 따라, 대응하는 곡선은 보정 인자(α)를 결정하기 위해 이용되는 것이 필요하다. α로 계수 TC를 곱함으로써 △T가 산출되 어, 보정값이 값 T하류부를 즉시 결정하기 위해 이용될 수 있다.
이러한 방법은 엔진에서 확인되며 촉매 변환기(26)에 대한 입구에서, 터보과급기의 하류부의 온도를 매우 정확히 산출한다. 따라서 이러한 방식으로 센서를 이용하지 않고 정확하게 이러한 온도를 결정하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 온도를 이용하기 위해 부가의 전자 수단을 이용을 필요가 없다. 차량이 터보과급기의 상류부 온도를 결정하기 위한 수단이 구비될 때, 이러한 동일 수단은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 이러한 터보과급기의 하류부 온도를 결정할 수 있다. 따라서 촉매 변환기(26)로의 입구에서 이러한 온도를 결정하는 것과 관련된 부가 비용은 매우 낮으며 동시에 촉매 및 구비되는 상류부 산소 탐침의 수명이 연장되는 큰 장점이 있다.
촉매 변환기(26)로의 입구에서의 온도를 결정함으로써 얻을 수 있는 장점을 더 설명하기 위해, 수치적 예가 아래 제시된다. 터보과급기에 들어가는 배출 가스의 온도가 약 1000℃를 초과하지 않아야 한다는 것이 일반적으로 고려된다. 상류부 산소 탐침에 관한 한, 온도가 약 750℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 1000℃에 가까운 온도, 예를 들면 950℃의 온도가 터보과급기(14)의 배출 터빈의 상류부에서 얻어지면, 850℃ 만큼 높을 수 있는 온도가 터보과급기의 하류부에서 발견된다. 산소 탐침이 터보과급기 터빈에 근접한 경우, 촉매 변환기(26)로의 입구에서의 온도를 낮추기 위해, 연소된 혼합물의 부화(연료)를 유발시키는 것이 필요하다. 종래 기술의 엔진에서, 터빈을 보호하기 위한 부화는 수행하지 않았으며 이는 1000℃의 값의 제한이 이루어지지 않았기 때문이다.
본 발명은 비제한적인 예로서 본 명세서에서 설명되는 방법의 실시예에 제한되지 않는다. 또한 다음의 청구범위와 관련한 모든 변형예는 기술분야의 기술자에 의해 발명될 수 있다.

Claims (7)

  1. 터보과급 엔진에서 터보과급기(14) 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법에 있어서,
    상기 터보과급기(14) 터빈의 상류부 온도를 결정하는 단계,
    엔진 작동 매개변수로부터 보정값을 계산하는 단계, 및
    상기 터보과급기(14) 터빈의 상류부 온도로부터 상기 보정값을 감산함으로써 상기 터보과급기(14) 터빈의 하류부 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터보과급기(14) 터빈의 상류부 온도가 모델링에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 모델링은 엔진 관리 및 제어 장치에 조립되는 전자 장치에 의해 수행되 는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보정값은 상기 모델링을 수행하는 전자 장치에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보정값은 먼저 상기 엔진을 통과하는 공기의 매스 공기 유량(MAF) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 온도 변화(TC)가 주어지는 미리 결정된 곡선으로부터 얻은 다음 상기 온도 변화(TC)를 단열 팽창 인자(α)로 곱함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단열 팽창 인자(α)는 엔진 배출 압력(PE), 상기 엔진 배출 압력과 외 부 압력 사이의 차이 및 상기 터보과급기(24)의 폐기물 게이트의 개방(WG)을 포함하는 세트로부터 선택된 하나 이상의 물리적 양에 종속되는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 매스 공기 유량(MAF) 및 상기 엔진 속도(N)에 따른 상기 온도 변화가 주어지는 3차원 곡선을 형성하도록, 상기 엔진 속도(N) 및 상기 매스 공기 유량(MAF)이 변화하여 상기 단열 팽창 인자(α)가 종속하는 양/양들을 일정하게 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는,
    터보과급 엔진에서 터보과급기 터빈의 하류부 배출 가스 온도를 결정하는 방법.
KR1020067004569A 2003-09-05 2004-08-18 터보과급 엔진용 촉매 변환기의 입구 하류부의 온도를결정하기 위한 방법 KR20060090663A (ko)

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