KR20070100863A - 내연기관의 배기가스 채널에 있는 촉매변환장치의 노화정도진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 배기가스 채널에 있는 촉매변환장치의 노화 정도를 진단하는 방법에 관한 것으로서, 촉매변환장치의 산소저장능력은 내연기관에 공급되는 농후 및 희박 혼합물 사이의 공기/연료 비율에서 급격한 변화가 방생할 때 OSC 방법에 따라 촉매변환장치의 상하류에 배열된 소모 가스 프로브의 신호에 의해 측정된다. 본 발명의 목적은 내연기관의 배기가스 채널에 배열된 촉매변환장치의 노화정도를 측정하는 방법을 제공하는 것으로서, 보다 정확하고 신뢰할 수 있는 방식으로 촉매변환장치의 노화정도를 확인하여 측정하는데 노력을 거의 들이지 않을 수 있다. 본 발명에 의하면, 촉매변환장치의 귀금속 소결의 정도와 OSC 측정방법으로부터 측정되는 각 산소저장능력으로부터의 워시코트 구조의 손상 정도를 측정할 수 있다. 상기 두 값을 조합하여, 촉매변환장치의 노화정도를 측정할 수 있다.

내연기관, 배기가스, 촉매변환장치, 노화정도

Description

내연기관의 배기가스 채널에 있는 촉매변환장치의 노화정도 진단방법{METHOD FOR DIAGNOSING THE DEGREE OF AGEING OF A CATALYST ARRANGED IN THE EXHAUST GAS CHANNEL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징에 따른 내연기관의 배기가스 채널에 있는 촉매변환장치(공해방지장치)의 노화정도의 진단방법에 관한 것이다.

법률은 자동차의 오염물질 배출을 점점 더 줄일 것을 요구하고 있다. 이와 관련하여, 촉매변환장치가 배기가스 제한수치를 고수하는데 요구되는 변환성능을 계속 갖추고 있는지 여부를 체크하기 위해, 자동차의 배기 시스템을 정확하게 작동시키는 성능이 계속 모니터되어야 한다. 자동차의 소위 온-보드 진단시스템(OBD)은 무엇보다도 오염물질에 대한 변환성능과 관련하여 배기가스 시스템이 작동하는 성능을 모니터한다.

현재의 최신 기술에 있어서, 배기가스의 품질은 오염물질을 직접 측정함으로써 확인될 수 없다. 따라서, 촉매변환장치의 변환능력을 나타내는 산소저장능력(OSC)을 측정하여야 한다. 따라서, 예를 들어, 촉매변환장치의 산소저장능력을 측정하는 방법은 독일특허공보 DE 42 11 116 A1, DE 199 53 601 C2, DE 198 01 626 A1, DE 103 05 452 A1에 공지되어 있다. 이 방법에서, 배기가스 센서는 배기가스 촉매변환장치의 전후에 놓여 있고, 각각 센서는 예를 들어 엔진 제어 장치와 같은 평가 장치에 연결되어 있다. 촉매변환장치의 산소저장능력을 측정하기 위해, 성분이 상이한 공기/연료 혼합물이 주기적으로 번갈아 가면서 내연기관에 공급되고, 따라서, 과잉 산소를 갖는 배기가스(희박(lean) 혼합물)와 산소가 부족한 배기가스(농후(rich) 혼합물)가 촉매변환장치에 공급된다. 만일 엔진이 희박 혼합물 방식으로 작동하면(λ>1), 화학량론에 상응하는 것보다 더 높은 O₂ 농도가 배기가스에 존재하게 된다. 촉매변환장치의 워시코트(washcoat) 내의 세륨은 이 과잉공급에 의해 +3 내지 +4 의 산화단계로부터 산화되고, 대응하는 O₂의 양은 세륨 산화물 격자로 만들어진다. 이런 식으로, 산소는 희박 혼합물 상태가 진행되는 동안 저장된다.

농후 혼합물 상태에서의 작동시(λ<1), 배기가스에는 CO와 탄화수소(HC)가 과잉공급된 상태가 된다. 주로 CO가 귀금속에서 흡수되고, 이로부터 워시코트 표면에서 반응성 세륨^{4 +}("과잉(spill-over)")까지 확산하고, 저장된 산소 원자와 반응하여 CO₂를 형성한다는 점에서, 저장된 O₂의 역반응이 일어난다. 세륨은 산화 단계 +3에 남겨져 있다.

촉매변환장치의 산소저장능력을 측정하기 위해서, 농후 혼합물 공급과 희박 혼합물 공급 사이의 갑작스런 변화가 엔진 제어 장치에 의해 생성되고, 이 변화의 진행에 이어서 촉매변환장치의 전후에 배치된 배기가스 센서(λ 센서)가 있다. 촉 매변환장치는 농후/희박 점프의 경우에 O₂를 저장하고, 희박/농후 점프의 경우에 O₂를 내보내고, 이렇게 할 때 농후 배기가스 내의 과잉 CO/HC를 분해하고, 촉매변환장치 이후의 반응은 촉매변환장치 다음에 오는 배기가스 센서에 의해 시간이 지연되면서 나타난다. O₂의 저장 또는 O₂의 배출은 각각 O₂ 저장장치가 완전히 채워지거나 비워질 때까지 계속해서 발생한다. 촉매 뒤의 점프 반응에서의 시간 지연은 따라서 촉매변환장치(OSC)의 산소저장능력의 측정이다. 바람직하게, λ=1 인 센서 전압의 통로는 각 경우에 점프 시간의 지점을 설정하는데 사용된다. 특정값으로의 산소저장능력의 감소는 촉매변환장치에 대한 허용할 수 없는 손상으로서 또한 따라서 보고되어야만 하는 에러로서 차량 전자장치에 의해 평가된다.

설명한 최신기술에 따른 촉매변환장치의 산소저장능력의 측정에 있어서, 이 방법은 촉매변환장치의 실제 상태의 정확도와 관련된 에러원(error sources)을 포함하는 것이 단점이다. 예를 들어, 촉매변환장치의 노화는 귀금속의 활동도가 저하되는 결과를 초래할 수 있지만, 산소저장능력이 감소되는 결과를 초래하지는 않는다. 오염물질 제한 값이 초과되는 경우가 발생할 수 있지만, 이것은 숨겨진 상태로 남아있고 어떤 에러 메시지가 주어지지 않을 수 있다.

반면, 산소저장능력을 크게 잃는 촉매변환장치가 있을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 충분히 계속 변환할 수 있다. 이 경우, 온-보드 진단 시스템에 의해 보고된 에러는 손상되지 않은 촉매변환장치를 대체하는 결과를 초래할 수 있는데, 이는 비효율적이다.

저장 촉매변환장치의 노화를 인식할 수 있는 방법은 독일 특허공보 DE 101 37 134 B4에 나와 있다. 이와 관련하여, 촉매변환장치의 노화를 인식하는 분석이 내연기관의 부분-하중 작동지점에서 측정되는 온도의 함수로서 수행된다. 온도는 촉매변환장치 내에서 또는 그 뒤에서 측정되고, 따라서 온도 또는 측정된 온도증가는 각각 촉매변환장치의 노화의 함수로서 달라진다. 노화때문에 감소했던 촉매변환장치의 변환능력이 작아질수록, 온도의 증가는 낮아진다. 따라서, 온도증가에 기초하여 촉매변환장치의 노화 상태와 관련하여 결론이 도출된다.

이러한 방법은 단점은 온도의 함수로서 촉매변환장치의 노화를 측정하는 것 또한 에러에 크게 영향을 받는다는 점이다. 촉매변환장치의 정확한 노화정도와 너무 이른 노화의 원인과 관련된 결과는 이 방법을 사용하여 수행될 수 없다. 또한, 촉매변환장치의 정확한 온도측정은 수행하기 어렵다.

본 발명은 내연기관의 배기가스 채널에 배치된 촉매변환장치의 노화정도를 측정하는 방법을 생성하는 것에 기초하고 있으며, 이에 의해 측정에 드는 노력을 줄이면서 촉배변환장치의 노화정도를 보다 정확하게 그리고 보다 신뢰성있게 평가할 수 있다.

이 작업은 청구항 1의 특징에 의해 본 발명에 따라 수행된다.

촉매변환장치의 귀금속의 소결(sintering) 정도를 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상 상태의 정도와 연결시킴으로써, 촉매변환장치의 노화정도에 대한 신뢰성 있는 값을 측정할 수 있고, 이들은 측정에 거의 노력을 들이지 않으면서 각각 촉매변환장치의 산소저장능력으로부터 측정된다.

촉매변환장치의 오염물질의 제한값이 초과될 가능성과 관련된 그리고 촉매변환장치의 실제 노화정도의 부정확한 해석과 관련된 에러원인은 가능한 한 최대로 피할 수 있다.

이하 본 발명은 실시예를 이용하여 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

내연기관에 공급되는 공기/연료 비율의 농후/희박 점프(rich/lean jump)의 경우와 희박/농후 점프(lean/rich jump)의 경우에, 촉매변환장치의 전후에 배치된 배기가스 센서(λ 센서)의 신호를 평가함으로써, 촉매변환장치의 산소저장능력의 측정(OSC 측정)이 이루어질 수 있다. 이와 관련하여, O₂ 저장 및 O₂ 배출에 대한 촉매변환장치의 상이한 메커니즘 때문에 촉매변환장치가 노화되는 동안 희박/농후 OSC는 농후/희박 OSC보다 훨씬 강력하게 감소하는 것을 볼 수 있었다.

농후/희박 OSC의 경우 O₂ 저장 장치의 충전이 직접 경계면 가스상태/워시코트에 의해 발생하기 때문에, 농후/희박 OSC는 노화에 대해 상당히 안정적이다. 즉, 귀금속이 이미 소결 때문에 많은 변환 성능을 상실한 경우에도 거의 일정하게 유지된다. 고온이 워시코트 구조에 손상를 가하면, 농후/희박 OSC만 떨어진다.

반면에 희박/농후 OSC의 경우, 저장된 산소(O^{2 -})와의 CO의 반응 속도는 귀금 속으로부터 전체 워시코트에 분포되어 있는 세륨^{4 +} 까지의 확산 공정에 의해 충분히 측정된다. 이 확산의 경우에 극복되어야 할 평균 거리는 귀금속 입자 사이의 평균 거리에 비례한다. 이것이 노화 때문에 크게 소결되었다면, 이들 사이의 평균 거리는 귀금속의 전체양이 더 적은 입자와 더 큰 입자로 집중되기 때문에 분명히 더 크게 될 것이다. 그 결과, 금속 입자로부터 전체 워시코트 표면에 저장된 산소로의 CO 확산은 훨씬 더 길어지고, 반응 CO + 2Ce^{4 +} + O^{2 -} → CO₂ + 2Ce^{3 +} 는 더 느려진다. CO 반응의 이러한 감속(slow-down) 때문에, 촉매변환장치 이후의 CO 농도는 "실제 OSC"에 의해 예상되는 것보다 훨씬 더 빨리 증가한다. 희박/농후 점프 후에, O₂ 저장 장치가 완전히 비워지기 전에 λ=1 지점에 이미 도달된다. 다음 농후/희박 점프가 발생할 때까지, 나머지 산소는 천천히 반응을 끝낸다. 이 점프 후에, 저장 장치는 완전히 다시 채워지고, 완전한 농후/희박 OSC가 측정된다.

설명된 조건은 희박/농후 OSC의 감소는 귀금속의 소결을 직접 측정한 것이고 따라서 촉매변환장치에 대한 것이라는 것을 보여준다. 그러나, 산소저장능력은 또한 온도의 함수이므로, 희박/농후 OSC 의 절대값은 직접 온-보드 진단 시스템에 대해 사용될 수 없다.

본 발명에 따르면, 촉매변환장치의 귀금속의 소결 정도는, 갑작스럽게 희박 혼합물로부터 농후 혼합물로 변화되는 경우의 현재 산소저장능력의 지수(quotient)와, 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로 갑작스럽게 변화되는 경우의 촉매변환장치의 현재 산소저장능력의 지수로부터 측정된다. 촉매변환장치의 "잔여" 변환능력의 측정으로서, 지수 R_EmKat는 다음과 같다:

이러한 측정에 의해, 귀금속 소결의 정도는 명확하게 다음과 같이 표현된다.

Ems_Kat = 1 - R_EmKat

이것은 주로 노화된 촉매변환장치의 활동상태의 손실을 초래한다.

촉매변환장치가 교체되어야만 하는 R_EmKat의 한계값이 어디에 놓일지는 촉매변환장치의 형태에 따라 달라지며, 또한 차량의 전반적인 형태에 따라 달라진다. 따라서, 모든 경우에 있어서, 항상 수행되는 오랜시간 동안 실험을 하면서 측정되어야 한다.

워시코트 손상도 또한 발생할 수 있기 때문에, 농후/희박 OSC가 줄어들게하는 특정 상황에서, 워시코트 구조의 손상 상태는 부가적인 기준으로 측정된다. 이것은 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로의 갑작스런 변화가 있는 경우의 촉매변환장치의 현재 산소저장능력의 지수와 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로의 갑작스런 변화가 있는 경우의 스트레스가 없는 촉매변환장치의 산소저장능력의 지수로부터 측정된다. 촉매변환장치의 "잔여" OSC의 측정으로서, 지수 R_OSCKat는 다음과 같다:

이러한 측정에 의해, 워시코트 손상의 정도는 명확하게 다음과 같이 표현된다.

WCS_Kat = 1 - R_OSCKat

이와 관련하여, 새로운 촉매변환장치의 산소저장능력은 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로 갑작스럽게 변하는 경우에 측정된다. 이값은 제어장치의 메모리에, 바람직하게는 내연기관의 엔진 제어장치에 저장되고, 워시코트 구조의 현재의 손상 상태의 정도와 촉매변환장치의 노화정도를 측정하기 위해 메모리로부터 불러올 수 있다.

촉매변환장치의 노화정도를 측정하기 위해, 촉매변환장치의 귀금속 소결의 측정도는 OR 논리 또는 어떤 다른 논리나 수학관계에 의해 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상 상태의 측정도와 연결된다.

촉매변환장치의 귀금속 소결의 정도로부터의 그리고 워시코트 구조의 손상 상태의 측정도로부터의 적절한 합 또는 곱을 형성하는 것은, 촉매변환장치의 노화정도를 측정하는 데에 특히 바람직하다는 것이 입증되었다. 촉매변환장치(Alt_Kat)의 노화정도는 예를 들어 다음과 같이 된다:

변형 1: Alt_Kat = Ems_Kat + Wcs_Kat

변형 2: Alt_Kat = 1 - R_EmKat X Wcs_Kat

풀어서 쓰면 결과는 다음과 같다:

변형1:

변형 2:

아직 오염물질로 채워지지 않았고 완전한 변환 성능을 갖고 있는 새로운 촉매변환장치의 경우 Alt_Kat = 0 이고, 금속 소결의 경우와 워시코트 손상의 경우 모두에 있어서 진행 중인 성능으로 증가한다.

모든 촉매변환장치에 있어서 일반적인 촉매변환장치의 노화의 허용되는 정도의 쓰레스홀드 값은 알려진 방식으로 장시간의 실험에 의해 측정되고, 제어장치의 메모리에 저장된다. 실제로 측정되는 촉매변환장치의 노화정도는 메모리의 쓰레스홀드 값과 비교되고, 따라서 허용되는 쓰레스홀드 값이 초과되는 경우 촉매변환장치를 대체할 필요에 대한 기준으로서 역할을 수행한다. 실제로 측정된 촉매변환장치의 노화의 정도는 또한 계기판(dashboard)의 디스플레이부로 제어장치에 의해 표시될 수 있다.

이러한 방법으로 측정된 노화의 정도는 최신기술에서 설명되는 방법에 의해 있을 수 있는 것보다 더 신뢰할 수 있는 촉매변환장치의 노화를 평가하는 값을 현저하게 제공한다. 본 발명에 의한 해결방법의 또 다른 이점은 노화의 상태를 측정하는데 필요한 측정 노력이 더 증가되지 않는다는 사실에 있다.

Claims (9)

1. 농후 혼합물과 희박 혼합물 사이에서 내연기관에 공급되는 공기/연료 비율이 갑작스럽게 변하는 경우 촉매변환장치의 전후에 배치된 배기가스 센서의 신호에 의해 촉매변환장치의 산소저장능력이 측정되는, 내연기관의 배기가스 채널에 배치된 촉매변환장치의 노화정도를 진단하는 방법에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 귀금속 소결에 기인하는 변환 활동도에 대한 손상과 상기 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상상태는 각 경우에 측정되는 산소저장능력으로부터 측정되고, 상기 촉매변환장치의 노화정도는 두 밸브를 연결함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변환 활동도에 대한 손상과 이 손상에 의한 상기 촉매변환장치의 귀금속 소결의 정도는, 희박 혼합물로부터 농후 혼합물로 갑작스럽게 변하는 경우의 촉매변환장치의 현재 산소저장능력의 지수와 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로 갑작스럽게 변하는 경우의 촉매변환장치의 현재 산소저장능력의 지수로부터 측정되고, 이 지수는 1을 기준으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 워시코트의 손상 상태의 정도는, 농후 혼합물로부터 희 박 혼합물로 갑작스럽게 변하는 경우의 촉매변환장치의 현재 산소저장능력의 지수와 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로 갑작스럽게 변하는 경우의 스트레스를 받지 않은 촉매변환장치의 산소저장능력의 지수로부터 측정되고, 이 지수는 1을 기준으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 노화정도(Alt_Kat)는 상기 촉매변환장치의 귀금속 소결의 정도와, 공식

   

   에 의한 상기 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상상태의 정도의 합으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 노화정도(Alt_Kat)는 촉매변환장치의 귀금속 소결에 기인하는 변환 활동도에 대한 손상과 공식

   

   에 의한 상기 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상상태의 곱으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 노화정도의 쓰레스홀드 값이 초과되었다는 사실은 상기 촉매변환장치를 교체할 필요에 대한 기준으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   이용되는 새로운 촉매변환장치의 산소저장능력은 농후 혼합물로부터 희박 혼합물로 갑작스럽게 변화되는 경우에 측정되고, 현재 워시코트의 손상 상태의 정도와 촉매변환장치의 노화정도를 각각 측정하는 제어장치의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 귀금속 소결의 정도를 상기 촉매변환장치의 워시코트 구조의 손상 상태의 정도와 연결시키는 것은 OR 논리 또는 어떤 필요한 다른 논리 또는 수학 관계식에 의해 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매변환장치의 노화정도는 제어장치에 의해 표시되는 것을 특징으로 하는 방법.