KR20130089205A

KR20130089205A - 내연 기관의 배출 제어 시스템

Info

Publication number: KR20130089205A
Application number: KR1020130011211A
Authority: KR
Inventors: 고스케 나카노; 신고 나카타; 미키야스 마츠오카
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-08-09
Also published as: KR101442391B1; US20130192210A1; DE102013201455A1; CN103244294B; JP2013177882A; US8899014B2; CN103244294A; JP5884701B2

Abstract

엔진의 배출 제어 시스템은 촉매와, 배출 가스의 유동 방향에서 상기 촉매의 하류에 설치된 배출 가스 센서를 포함한다. 배출 가스 센서는 한 쌍의 전극들과 상기 전극들 사이에 배치된 고체 전해질체를 포함하는 센서 소자를 포함한다. 상기 배출 제어 시스템은, 상기 전극들 사이에 정전류를 인가함으로써 상기 배출 가스 센서의 출력 특성을 변경하는 정전류 공급부, 급유 정지 제어 후 농후 방향 제어를 실행하는 농후 방향 제어부, 및 농후 방향 제어시, 농후 응답성 제어를 실행하는 특성 제어부를 더 포함한다. 농후 방향 제어에서, 배출 가스의 공연비는 더 농후해진다. 농후 응답성 제어에서, 상기 정전류 공급부는 농후 가스에 대한 배출 가스 센서의 검출 응답성을 높인다.

Description

내연 기관의 배출 제어 시스템{EMISSION CONTROL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 배출 가스를 정화하기 위해 사용되는 촉매와 상기 배출 가스의 유동 방향에서 상기 촉매의 하류에 배열된 배출 가스 센서를 포함하는 내연 기관의 배출 제어 시스템에 관한 것이다.

통상적으로, 배출 가스를 정화하기 위해 사용되는 촉매의 촉매 변환 효율을 향상시키기 위한 목적으로서, 내연 기관의 배출 제어 시스템은 배출 가스의 유동 방향에서 촉매의 상류와 하류에 각각 배치된 배출 가스 센서들(예컨대, 공연비 센서 및 산소 센서)을 포함한다. 상기 배출 가스 센서들은 배출 가스의 공연비를 검출하거나, 배출 가스가 농후인지 희박인지의 여부를 검출한다.

배출 가스의 공연비가 농후에서 희박으로 또는 희박에서 농후로 변할 때, 산소 센서와 같은 배출 가스 센서의 출력 변화가 배출 가스의 실제 공연비의 변화보다 뒤처질 수 있다. 따라서, 배출 가스 센서는 검출 응답성 면에서 개선할 여지가 있다.

예컨대, 특허 문헌 1(미국 특허 제4,741,817호에 대응하는 일본 특공평 제8-20414호)에 개시된 바와 같이, 검출 응답성을 높이기 위해, 산소 센서와 같은 가스 센서의 내부에 적어도 하나의 보조 전기화학 전지가 합체된다.

특허 문헌 2(일본 특개평 제2000-054826호)에 개시된 바와 같이, 내연 기관의 연료 분사가 정지되는 급유 정지 제어 후, 즉, 연료 분사 재개 후, 배출 가스를 정화하기 위해 사용되는 삼원 촉매와 같은 촉매가, 촉매에 저장되는 산소량(즉, 촉매에 흡착되는 산소량)이 상대적으로 많아지는 희박 상태로 될 수 있다. 따라서, 특허 문헌 2의 배출 제어 기기에서는 배출 가스의 공연비가 농후하게 제어되는 농후 방향 제어가 급유 정지 제어 후에 실행된다. 이에 따라, 촉매가 희박 상태로 되는 것을 제한할 수 있다. 즉, 촉매에 저장되는 산소량을 줄일 수 있다.

특허 문헌 1에서는, 보조 전기화학 전지가 필연적으로 가스 센서의 내부에 합체된다. 따라서, 보조 전기화학 전지를 구비하지 않는 일반적인 가스 센서에 보조 전기화학 전지가 합체되는 경우, 일반적인 가스 센서의 구조를 크게 변경할 필요가 있다. 실용화를 위해서, 가스 센서의 설계 변경이 필요하며, 가스 센서의 제조 비용이 상승할 수 있다.

본 발명자들은, 촉매의 NOx 변환 효율의 저하를 검출하기 위해, 희박 가스에 대한 배출 가스 센서의 응답성(희박 응답성)이 높아지도록 촉매의 하류에 배치된 배출 가스 센서의 출력 특성을 변경하는 시스템을 연구한다. 특허 문헌 2에 개시된 배출 제어 기기에서는, 촉매의 하류에 배치된 배출 가스 센서의 출력이 농후 한계치를 초과할 때, 농후 방향 제어가 종료될 수 있다. 이 경우, 농후 방향 제어시 배출 가스 센서의 희박 응답성을 높이기 위한 제어가 실행되면, 희박 응답성을 높이기 위한 제어시 농후 가스에 대한 배출 가스 센서의 응답성(농후 응답성)이 상대적으로 낮기 때문에, 배출 가스 센서의 출력이 농후 한계치를 초과하는 시점이 지연될 수 있다. 따라서, 농후 방향 제어의 종료가 지연될 수 있으며, 이에 따라, CO, HC의 배출량이 많아질 수 있다. 그 결과, 배출 가스가 악화될 수 있다.

본 발명의 목적은, 설계를 대폭 변경하거나 비용의 증가 없이 배출 가스 센서의 출력 특성을 변경할 수 있고, 급유 정지 제어 후 실행되는 농후 방향 제어로 인한 배출 가스의 악화를 제한할 수 있는, 내연 기관의 배출 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 양태에 따라, 내연 기관의 배출 제어 시스템은 촉매, 배출 가스 센서, 정전류 공급부, 농후 방향 제어부 및 특성 제어부를 포함한다. 상기 촉매는 엔진으로부터 배출되는 배출 가스의 정화를 위해 사용된다. 상기 배출 가스 센서는 배출 가스의 공연비를 검출하거나, 배출 가스가 농후인지 희박인지의 여부를 검출하기 위해, 배출 가스의 유동 방향에서 상기 촉매의 하류에 설치된다. 상기 배출 가스 센서는 한 쌍의 전극들과 상기 한 쌍의 전극들 사이에 배치된 고체 전해질체를 포함하는 센서 소자를 포함한다. 상기 정전류 공급부는 상기 한 쌍의 전극들 사이에 정전류를 인가함으로써 상기 배출 가스 센서의 출력 특성을 변경한다. 상기 농후 방향 제어부는, 엔진의 연료 분사가 정지되는 급유 정지 제어의 종료 후, 상기 촉매로 흐르는 배출 가스의 공연비가 통상의 운전 조건에 기초하여 설정된 목표 공연비보다 더 농후해지는 농후 방향 제어를 실행한다. 상기 특성 제어부는, 농후 방향 제어시, 농후 가스에 대한 배출 가스 센서의 검출 응답성을 높이도록 상기 정전류 공급부가 제어되는 농후 응답성 제어를 실행한다.

이에 따라, 상기 배출 가스 센서의 출력 특성이 상기 한 쌍의 전극들 사이에 정전류를 인가함으로써 변경될 수 있다. 이 경우, 상기 배출 가스 센서의 내부에 보조 전기화학 전지 등을 합체할 필요가 없다. 따라서, 설계를 대폭 변경하거나 비용의 증가 없이, 상기 배출 가스 센서의 출력 특성을 변경할 수 있다. 또한, 급유 정지 제어 후 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량을 줄일 수 있으며, 배출 가스의 악화를 제한할 수 있다.

이하의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부 도면들로부터, 본 발명을, 그 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들과 함께, 가장 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배출 제어 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 배출 제어 시스템의 센서 소자의 단면, 정전류 회로 및 마이크로컴퓨터를 나타낸 개략도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 센서 소자의 기전력과 배출 가스의 공연비(공연 당량비(λ))의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4a는, 제 1 실시예에 따라, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때, 센서 소자 주변의 배출 가스 성분들의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4b는, 제 1 실시예에 따라, 실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때, 센서 소자 주변의 배출 가스 성분들의 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는, 제 1 실시예에 따라, 센서 소자에 정전류가 인가되지 않는 경우, 실제 공연비의 변경에 따른 센서 출력의 거동을 나타낸 타임 차트이다.
도 6a는, 제 1 실시예에 따라, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때, 센서 소자 주변의 배출 가스 성분들의 상태와, 센서 소자의 희박 응답성이 높아질 때, 센서 소자에서의 전류 방향을 나타낸 개략도이다.
도 6b는, 제 1 실시예에 따라, 실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때, 센서 소자 주변의 배출 가스 성분들의 상태와, 센서 소자의 농후 응답성이 높아질 때, 센서 소자에서의 전류 방향을 나타낸 개략도이다.
도 7은 제 1 실시예에 따른 센서 소자의 기전력과 배출 가스의 공연비(공연 당량비(λ))의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 제 1 실시예에 따른 배출 저감 제어(emission reduction control)에서 차속, 급유 정지 플래그의 상태, 산소 센서 출력, 상류 공연비, 저장되는 산소량, 조건 플래그의 상태, 실행 플래그의 상태, 정전류 및 HC 및 CO 배출량의 변화들을 나타낸 타임 차트이다.
도 9는 제 1 실시예에 따른 배출 저감 제어의 루틴을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배출 저감 제어의 루틴을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배출 제어 시스템의 배출 저감 제어에서 차속, 급유 정지 플래그의 상태, 상류 공연비, 저장되는 산소량, 조건 플래그의 상태, 실행 플래그의 상태, 정전류 및 HC 및 CO 배출량의 변화들을 나타낸 타임 차트이다.
도 12는 제 3 실시예에 따른 배출 제어 시스템의 상류 촉매에 저장되는 산소량의 추정 방법의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 제 3 실시예에 따른 배출 저감 제어의 루틴을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다. 실시예들에서, 선행 실시예에서 설명된 사항에 대응하는 부분에는 동일한 참조 번호가 부여될 수 있으며, 그 부분에 대한 불필요한 설명은 생략할 수 있다. 구성의 일부만을 일 실시예에서 설명하는 경우, 구성의 다른 부분들에 대해 다른 선행 실시예가 적용될 수 있다. 부품들이 조합될 수 있는 것으로 명시적으로 설명하지 않은 경우에도, 부품들은 조합될 수 있다. 실시예들이 조합될 수 있는 것으로 명시적으로 설명하지 않은 경우에도, 조합이 해롭지 않다면, 실시예들은 부분적으로 조합될 수 있다.

(제 1 실시예)

도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 대해 설명하기로 한다. 먼저, 도 1에 기초하여, 본 실시예의 배출 제어 시스템(1)을 설명하기로 한다.

배출 제어 시스템(1)은 엔진(11)(내연 기관), 상기 엔진(11)으로 흡인되는 흡기 기류가 통과하는 흡기관(12), 상기 흡기관(12)에 설치된 스로틀 밸브(13), 및 상기 흡기관(12)에 설치된 스로틀 센서(14)를 포함한다. 상기 스로틀 밸브(13)의 개도(스로틀 개도)는 모터 등에 의해 조절되며, 상기 스로틀 센서(14)는 스로틀 밸브(13)의 스로틀 개도를 검출한다. 상기 엔진(11)은 실린더들 속으로 또는 실린더들의 흡기 포트들 속으로 연료를 분사하기 위해 엔진(11)의 실린더들에 각각 부착된 연료 분사 밸브(15)들과, 상기 실린더들에 대해 각각 인접하여 엔진(11)의 실린더 헤드에 설치된 점화 플러그(16)들을 포함한다. 상기 점화 플러그(16)들은 실린더들 내에서 공기/연료 혼합물을 점화하기 위한 전기 스파크를 발생시킨다.

상기 배출 제어 시스템(1)은 엔진(11)으로부터 방출된 배출 가스가 통과하는 배기관(17), 상기 배기관(17)에 설치된 상류 촉매(18), 상기 배기관(17)에서 배출 가스의 유동 방향으로 상기 상류 촉매(18)의 하류에 배열된 하류 촉매(19), 상기 배기관(17)에서 배출 가스의 유동 방향으로 상기 상류 촉매(18)의 상류에 배열된 A/F 센서(20)(선형 A/F 센서, 상류 가스 센서), 및 상기 배기관(17)에서 배출 가스의 유동 방향으로 상기 상류 촉매(18)의 하류에 배열된, 즉, 상기 상류 촉매(18)와 상기 하류 촉매(19) 사이에 배열된, 산소 센서(21)(O₂ 센서, 하류 가스 센서)를 더 포함한다. 상기 상류 촉매(18)와 상기 하류 촉매(19)는, 예컨대, 배출 가스에 포함된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소 산화물(NOx) 등의 물질들을 정화하는 삼원 촉매들이다. 상기 A/F 센서(20)는 배출 가스의 공연비에 따른 선형 신호를 출력한다. 상기 산소 센서(21)는 배출 가스의 공연비가 이론 공연비보다 높거나 낮은지의 여부에 따라, 즉, 공연비가 희박인지 농후인지의 여부에 따라 변경되는 전압을 출력한다. 공연비가 이론 공연비보다 높을 경우, 공연비가 희박하다라고 말할 수 있다. 공연비가 이론 공연비보다 낮을 경우, 공연비가 농후하다라고 말할 수 있다. 상기 산소 가스 센서(21)는 배출 가스의 공연비를 검출하거나 배출 가스가 농후인지 희박인지의 여부를 검출하는 배출 가스 센서의 예로서 사용될 수 있다.

아울러, 상기 배출 제어 시스템(1)은, 엔진(11)의 크랭크샤프트의 미리 정해진 회전각(즉, 크랭크각)마다 펄스 신호를 출력하는 크랭크 센서(22), 엔진(11)으로 흡인되는 흡입 공기량을 검출하는 흡기 센서(23), 및 엔진(11)의 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(24)를 포함하는 다양한 센서들을 포함한다. 크랭크샤프트의 회전각과 엔진(11)의 회전 속도는 크랭크 센서(22)로부터 출력되는 신호에 기초하여 결정된다.

전술한 다양한 센서들의 출력들은 전자 제어 유닛(ECU)(25)에 입력된다. 상기 ECU(25)는 도 2에 도시된 마이크로컴퓨터(26)를 포함하며, 마이크로컴퓨터에 내장된 롬(ROM)에 저장되어 있는 다양한 엔진 제어 프로그램들을 실행함으로써, ECU(25)는, 예컨대, 엔진(11)의 운전 상태에 기초하여, 연료 분사량, 점화 시기 및 스로틀 개도(흡입 공기량)를 제어한다.

미리 정해진 피드백 조건이 만족되면, ECU(25)는 메인 피드백 제어와 서브 피드백 제어를 실행한다. 메인 피드백 제어에서는, A/F 센서(20)(상류 가스 센서)의 출력에 기초하여 공연비(연료 분사량)가 보정됨으로써, 상류 촉매(18)의 상류를 흐르는 배출 가스의 공연비가 목표 공연비가 된다. 서브 피드백 제어에서는, ECU(25)가 산소 센서(21)(하류 가스 센서)의 출력에 기초하여 목표 공연비를 보정함으로써, 상류 촉매(18)의 하류를 흐르는 배출 가스의 공연비가 제어 목표값(예컨대, 이론 공연비)이 되거나, 상기 ECU(25)가 메인 피드백 제어에서의 보정량이나 연료 분사량을 수정한다.

다음으로, 도 2에 기초하여, 상기 산소 센서(21)에 대해 설명하기로 한다. 상기 산소 센서(21)는 컵 형상을 가진 센서 소자(31)를 포함한다. 상기 센서 소자(31)는 하우징 또는 소자 케이스 내에 수용되며, 엔진(11)에 연결된 배기관(17) 내에 배열된다.

상기 센서 소자(31)는 도 2에 도시된 바와 같이 컵 형상의 단면을 가지며, 고체 전해질층(32)(고체 전해질체), 상기 고체 전해질층(32)의 외주변에 설치된 배기 전극층(33), 및 상기 고체 전해질층(32)의 내주변에 설치된 대기 전극층(34)을 포함한다. 상기 고체 전해질층(32)은, 예컨대, 산소 이온 전도성을 가진 산화물 소결체로 제조되며, 상기 산화물 소결체는 ZrO₂, HfO₂, ThO₂ 또는 Bi₂O₃와 같은 용매에 CaO, MgO, Y₂O₃ 또는 Yb₂O₃와 같은 용질이 안정제로서 용해된 고용체이다. 상기 전극층(33, 34)들은 플래티늄과 같이 촉매 활성이 높은 귀금속으로 제조되며, 화학 도금 처리에 의해 다공질로 덮인다. 이 전극층(33, 34)들은 서로 반대인 한 쌍의 전극들(센서 전극들)의 예로서 사용된다. 상기 고체 전해질층(32)은 당해 고체 전해질층(32)에 의해 둘러싸인 대기실(35)을 가지며, 상기 대기실(35) 내에는 히터(36)가 수용된다. 상기 히터(36)는 센서 소자(31)를 활성화하기에 충분한 가열 용량을 가지므로, 상기 히터(36)에 의해 발생되는 열 에너지에 의해 센서 소자(31) 전체가 가열된다. 상기 산소 센서(21)의 활성 온도는, 예컨대, 대략 350℃ 내지 400℃이다. 상기 대기실(35)은 대기로부터 그 내부로 공기를 도입함으로써, 대기실(35) 내의 산소 농도가 미리 정해진 정도로 유지되도록 한다.

배출 가스는 상기 센서 소자(31)의 고체 전해질층(32)의 외측에서 흐른다. 즉, 상기 배기 전극층(33)이 배출 가스에 노출된다. 대기로부터 센서 소자(31)로 도입되는 공기는 고체 전해질층(32)의 내측에 포획된다. 즉, 대기 전극층(34)이 도입 가스에 노출된다. 따라서, 배출 가스와 도입 가스 간의 산소 농도(산소 분압)의 차이에 따라 전극층(33, 34)들 사이에 기전력이 발생하게 된다. 상기 센서 소자(31)는 배출 가스의 공연비가 농후인지 희박인지의 여부에 따라 변화하는 기전력을 발생시킨다. 따라서, 상기 산소 센서(21)는 배출 가스의 산소 농도(즉, 공연비)에 따른 기전력의 신호를 출력한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 센서 소자(31)는 배출 가스의 공연비가 이론 공연비보다 더 높은지 낮은지의 여부에 따라, 즉, 배출 가스의 공연비가 희박인지 농후인지의 여부에 따라 변화하는 기전력을 발생시킨다. 여기서, 배출 가스의 공연비가 이론 공연비와 동일한 경우, 공연 당량비(λ)는 1이다. 상기 센서 소자(31)는, 공연 당량비(λ)가 1이 되는 이론 공연비 부근에서 당해 센서 소자(31)에 의해 발생되는 기전력이 급변하는, 특성을 갖는다. 상기 센서 소자(31)는 공연비가 농후일 때 농후 기전력을 발생시키고, 상기 센서 소자(31)는 공연비가 희박일 때 상기 농후 기전력과는 전압값이 다른 희박 기전력을 발생시킨다. 예컨대, 농후 기전력은 대략 0.9V이고, 희박 기전력은 대략 0V이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 센서 소자(31)의 배기 전극층(33)은 접지되며, 대기 전극층(34)은 마이크로컴퓨터(26)에 연결된다. 상기 센서 소자(31)가 배출 가스의 공연비(즉, 산소 농도)에 따라 기전력을 발생시킬 때, 발생된 기전력에 대응하는 검출 신호가 마이크로컴퓨터(26)로 출력된다. 상기 마이크로컴퓨터(26)는, 예컨대, ECU(25) 내에 설치되며, 검출 신호에 기초하여 배출 가스의 공연비를 산출한다. 상기 마이크로컴퓨터(26)는 전술한 다양한 센서들의 검출 결과들에 기초하여 흡입 공기량 또는 엔진(11)의 회전 속도를 산출할 수 있다.

엔진(11)이 운전될 때, 배출 가스의 실제 공연비가 농후와 희박으로 반복적으로 변화될 수 있다. 그러한 경우, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 낮으면, 엔진(11)의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 엔진(11)의 고부하 운전시, 배출 가스의 NOx량이 의도한 것보다 많아질 수 있다.

배출 가스의 실제 공연비가 농후에서 희박으로 또는 희박에서 농후로 변하는 경우에서의 산소 센서(21)의 검출 응답성에 대해 설명하기로 한다. 엔진(11)으로부터 배출되는 배출 가스의 실제 공연비, 즉, 상류 촉매(18)의 하류에서 흐르는 배출 가스의 실제 공연비가 농후에서 희박으로 또는 희박에서 농후로 변할 때, 배출 가스의 성분 조성이 변한다. 실제 공연비가 변하기 직전에 산소 센서(21)의 주변을 흐르는 배출 가스의 성분들이 실제 공연비가 변한 직후에도 상기 산소 센서(21) 부근에 잔류할 수 있다. 여기서, 산소 센서(21)의 출력은 실제 공연비의 변화에 따라 변화한다. 따라서, 산소 센서(21) 부근에 잔류한 성분들로 인하여 산소 센서(21)의 출력 변화가 지연될 수 있다. 즉, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 낮아질 수 있다. 구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경된 직후, HC와 같은 농후 성분이 배기 전극층(33) 부근에 잔류하며, NOx와 같은 희박 성분의 반응을 방해한다. 그 결과, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 낮아질 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이 실제 공연비가 희박에서 농후로 변한 직후, NOx와 같은 희박 성분이 배기 전극층(33) 부근에 잔류하며, HC와 같은 농후 성분의 반응을 방해한다. 이 경우에도, 실제 공연비가 희박에서 농후로 변화할 때, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 낮아질 수 있다.

도 5를 참조하여, 센서 소자(31)에 후술하는 정전류(Ics)가 인가되지 않는 경우에서의 산소 센서(21)의 출력 변화에 대해 설명하기로 한다. 실제 공연비가 농후와 희박으로 변경될 때, 산소 센서(21)의 출력(센서 출력)은 실제 공연비의 변화에 따라 농후 기전력(예컨대, 0.9V)과 희박 기전력(예컨대, 0V)으로 변한다. 이 경우, 센서 출력의 변화는 실제 공연비의 변화보다 뒤처진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때, 산소 센서(21)의 센서 출력은 실제 공연비의 변화보다 시간(TD1)만큼 늦게 변한다. 실제 공연비가 희박에서 농후로 변할 때, 산소 센서(21)의 센서 출력은 실제 공연비의 변화보다 시간(TD2)만큼 늦게 변한다.

제 1 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 대기 전극층(34)에 정전류 회로(27)가 연결되며, 상기 정전류 회로(27)는 전극층(33, 34)들 사이에 정전류를 공급하는 정전류 공급부의 예로서 사용될 수 있다. 정전류 회로(27)가 마이크로컴퓨터(26)에 의해 제어되는 정전류(Ics)를 한 쌍의 센서 전극(즉, 배기 전극층(33)과 대기 전극층(34))에 공급함으로써, 정전류(Ics)가 상기 한 쌍의 센서 전극 사이에서 미리 정해진 방향으로 흐르게 된다. 이에 따라, 정전류 회로(27)가 산소 센서(21)의 출력 특성을 변경함으로써, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 변하게 된다. 마이크로컴퓨터(26)는 한 쌍의 센서 전극 사이에서 흐르게 될 정전류(Ics)의 흐름 방향과 유량을 결정하며, 마이크로컴퓨터(26)는 미리 정해진 흐름 방향과 미리 정해진 유량으로 정전류(Ics)가 흐르도록 정전류 회로(27)를 제어한다.

상기 정전류 회로(27)는 대기 전극층(34)에 대하여 양의 값 또는 음의 값의 정전류(Ics)를 공급하며, 정전류(Ics)를 가변적으로 조절할 수 있다. 즉, 마이크로컴퓨터(26)는 펄스 폭 변조 제어(PMW 제어)에 의해 정전류(Ics)를 가변적으로 제어한다. 정전류 회로(27)에서, 정전류(Ics)는 마이크로컴퓨터(26)로부터 출력되는 듀티 사이클(duty-cycle) 신호에 따라 조절되며, 조절된 정전류(Ics)가 한 쌍의 센서 전극에 공급되어 한 쌍의 센서 전극(즉, 배기 전극층(33)과 대기 전극층(34)) 사이로 흐르게 된다.

본 실시예에서, 배기 전극층(33)에서 대기 전극층(34)으로 흐르는 정전류(Ics)는 음의 정전류(-Ics)로 규정되고, 대기 전극층(34)에서 배기 전극층(33)으로 흐르는 정전류(Ics)는 양의 정전류(+Ics)로 규정된다.

실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때 산소 센서(21)의 검출 응답성이 높아지는 경우, 즉, 산소 센서(21)의 희박 감도가 높아지는 경우, 정전류 회로(27)로부터 음의 정전류(-Ics)가 출력됨으로써, 도 6a에 도시된 바와 같이, 고체 전해질층(32)을 통해 대기 전극층(34)에서 배기 전극층(33)으로 산소가 공급된다. 대기 전극층(34)에서 배기 전극층(33)으로의 산소 공급은 배기 전극층(33) 주변에 존재(잔류)하는 농후 성분(예컨대, HC)의 산화 반응을 촉진한다. 따라서, 배기 전극층(33) 주변으로부터 농후 성분을 신속하게 제거할 수 있다. 이에 따라, 희박 성분(예컨대, NOx)이 배기 전극층(33)에서 반응하기 쉽게 되고, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 높아질 수 있다.

실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때 산소 센서(21)의 검출 응답성이 높아지는 경우, 즉, 산소 센서(21)의 농후 감도가 높아지는 경우, 정전류 회로(27)로부터 양의 정전류(+Ics)가 출력됨으로써, 도 6b에 도시된 바와 같이, 고체 전해질층(32)을 통해 배기 전극층(33)에서 대기 전극층(34)으로 산소가 공급된다. 배기 전극층(33)에서 대기 전극층(34)으로의 산소 공급은 배기 전극층(33) 주변에 존재(잔류)하는 희박 성분(예컨대, NOx)의 환원 반응을 촉진한다. 따라서, 배기 전극층(33) 주변으로부터 희박 성분을 신속하게 제거할 수 있다. 이에 따라, 농후 성분(예컨대, HC)이 배기 전극층(33)에서 반응하기 쉽게 되고, 실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때, 산소 센서(21)의 검출 응답성이 높아질 수 있다.

도 7은 산소 센서(21)의 출력 특성(기전력 특성)을 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 곡선(a)은 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때 검출 응답성(희박 감도)이 높아지는 경우의 산소 센서(21)의 출력 특성 선이다. 도 7에 도시된 곡선(b)은 실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때 검출 응답성(농후 감도)이 높아지는 경우의 산소 센서(21)의 출력 특성 선이다. 도 7에 도시된 곡선(c)은 도 3에 도시된 것과 동일한 출력 특성 선이다.

전술한 바와 같이, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때 검출 응답성(희박 감도)이 높아지는 경우, 전극층(33, 34)들 사이에 음의 정전류(-Ics)가 흐름으로써, 도 6a에 도시된 바와 같이, 고체 전해질층(32)을 통해 대기 전극층(34)에서 배기 전극층(33)으로 산소가 공급된다. 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 출력 특성 선(a)은 실제 공연비에서 출력 특성 선(c)의 농후 측에 위치하게 되며, 기전력에서 출력 특성 선(c)의 감소 측에 위치하게 된다. 따라서, 실제 공연비가 이론 공연비보다 낮은 농후 영역 내에 있는 경우에도, 실제 공연비가 이론 공연비 근방에 있을 때 산소 센서(21)는 희박 기전력을 출력한다. 따라서, 산소 센서(21)의 출력 특성과 관련하여, 실제 공연비가 농후에서 희박으로 변경될 때 산소 센서(21)의 검출 응답성(희박 감도)이 높아진다.

실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때 검출 응답성(농후 감도)이 높아지는 경우, 전극층(33, 34)들 사이에 양의 정전류(+Ics)가 흐름으로써, 도 6b에 도시된 바와 같이, 고체 전해질층(32)을 통해 배기 전극층(33)에서 대기 전극층(34)으로 산소가 공급된다. 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 출력 특성 선(b)은 실제 공연비에서 출력 특성 선(c)의 희박 측에 위치하게 되며, 기전력에서 출력 특성 선(c)의 증가 측에 위치하게 된다. 따라서, 실제 공연비가 이론 공연비보다 높은 공연비 영역인 희박 영역 내에 있는 경우에도, 실제 공연비가 이론 공연비 근방에 있을 때 산소 센서(21)는 농후 기전력을 출력한다. 따라서, 산소 센서(21)의 출력 특성과 관련하여, 실제 공연비가 희박에서 농후로 변경될 때 산소 센서(21)의 검출 응답성(농후 감도)이 높아진다.

제 1 실시예에서, 통상 운전시 상류 촉매(18)의 NOx 정화율의 저하를 신속하게 검출하기 위해, 산소 센서(21)의 희박 감도가 높아지도록, 즉, 산소 센서(21)의 희박 응답성이 높아지도록 정전류 회로(27)가 제어되는 희박 응답성 제어(희박 RSP 제어)가 실행된다. 구체적으로, 음의 정전류(-Ics)를 출력하도록 정전류 회로(27)가 제어됨으로써, 대기 전극층(34)이 배기 전극층(33)에 대해 산소를 공급한다. 산소 센서(21)의 희박 응답성은 이론 공연비보다 희박한(즉, 높은) 실제 공연비를 가진 배출 가스인 희박 가스에 대한 산소 센서(21)의 검출 응답성이다.

제 1 실시예에서, 상기 ECU(25)(또는 마이크로컴퓨터(26))는 도 9에 도시된 배출 저감 제어의 루틴을 실행한다. 배출 저감 제어에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 급유 정지 제어 후에 농후 방향 제어(NOx 저감 제어)가 실행된다. 농후 방향 제어에서, 상류 촉매(18)의 상류를 흐르는 배출 가스의 공연비(상류 공연비)가 통상의 운전 조건에 기초하여 설정된 목표 공연비보다 더 농후해지도록(낮아지도록) 제어된다. 급유 정지 제어에서, 엔진(11)의 연료 분사가 정지된다. 농후 방향 제어의 개시 후, 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치보다 더 높아지면, 농후 방향 제어가 종료된다. 아울러, 배출 저감 제어에서, 농후 방향 제어시 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록 정전류 회로(27)가 제어되는 농후 응답성 제어(농후 RSP 제어)가 실행된다. 산소 센서(21)의 농후 응답성은 이론 공연비보다 농후한(즉, 낮은) 실제 공연비를 가진 배출 가스인 농후 가스에 대한 산소 센서(21)의 검출 응답성이다. 구체적으로, 농후 RSP 제어에서, 양의 정전류(+Ics)를 출력하도록 정전류 회로(27)가 제어됨으로써, 배기 전극층(33)이 대기 전극층(34)에 대해 산소를 공급한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 엔진(11)의 운전시 급유 정지 제어의 미리 정해진 실행 조건이 만족된 후, 급유 정지 플래그가 시간(t1)에서 턴 온된다. 급유 정지 플래그가 턴 온되면, 엔진(11)의 연료 분사를 정지시키기 위한 급유 정지 제어가 실행된다. 그 후, 시간(t3)에서, 급유 정지 제어의 실행 조건이 만족되지 않으면, 급유 정지 플래그가 턴 오프되며, 이에 따라, 급유 정지 제어가 종료된다. 즉, 엔진(11)의 연료 분사가 시간(t3)에서 재개된다.

급유 정지 제어의 종료 후, 즉, 연료 분사 재개 후, 상류 촉매(18)는 당해 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량(저장되는 O₂량), 즉, 흡착되는 산소량이 상대적으로 많아지는 희박 상태가 될 수 있다. 상류 촉매(18)의 희박 상태에서, 상류 촉매(18)의 NOx 변환 효율이 저하될 수 있다. 상류 촉매(18)의 희박 상태로 인한 촉매 변환 효율의 저하를 제한하기 위해, 즉, 상류 촉매(18)에 흡착되는 산소량을 줄이기 위해, 농후 방향 제어가 실행된다. 구체적으로, 급유 정지 제어시 농후 방향 제어의 실행 조건(농후 방향 조건)이 만족되었는지의 여부가 결정된다. 농후 방향 조건이 만족되면, 도 8에 도시된 바와 같이 시간(t2)에서 조건 플래그가 턴 온된다. 그리고, 급유 정지 제어가 완료되면, 시간(t3)에서 실행 플래그가 턴 온됨으로써, 농후 방향 제어가 실행된다. 농후 방향 제어에서는, 상류 촉매(18)의 상류를 흐르는 배출 가스의 공연비가 통상의 운전 조건에 기초하여 설정된 목표 공연비보다 더 농후해지도록(즉, 낮아지도록) 제어된다. 농후 방향 제어에서 상류 촉매(18)로 흐르는 배출 가스의 공연비가 농후해질(즉, 낮아질) 수 있기 때문에, 상류 촉매(18)가 희박 상태로 되는 것을 제한할 수 있다. 즉, 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량을 줄일 수 있다.

농후 방향 제어의 개시 후, 산소 센서(21)의 출력이 시간(t4)에서 미리 정해진 농후 한계치를 초과하게 된다. 상기 미리 정해진 농후 한계치는, 예컨대, 이론 공연비 또는 그보다 약간 더 농후한 값에 대응한다. 시간(t4)에서, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료된 것으로 결정되며, 이에 따라, 농후 방향 제어가 종료된다.

한편, 도 8에 두꺼운 쇄선들로 나타낸 비교예에서는, 농후 RSP 제어를 실행하지 않고 농후 방향 제어시 희박 RSP 제어가 계속 실행된다. 희박 RSP 제어에서는 산소 센서(21)의 농후 응답성이 상대적으로 낮기 때문에, 비교예에서는 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과하는 시점(즉, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료되는 시점)이 지연된다. 따라서, 농후 방향 제어의 종료 시점이 지연되며, 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량이 많아질 수 있다. 그 결과, 비교예에서는 배출 가스가 악화될 수 있다.

도 8에 두꺼운 실선들로 나타낸 제 1 실시예에서는, 급유 정지 제어시 농후 방향 조건이 만족되며, 시간(t2)에서 조건 플래그가 턴 온된다. 따라서, 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록 정전류 회로(27)를 제어하는 농후 RSP 제어가 시간(t2)에서 실행된다. 예컨대, 정전류 회로(27)가 정전류(Ics)의 인가를 정지하도록 제어될 수 있다. 즉, 정전류(Ics)가 제로로 설정될 수 있다. 대안적으로, 산소 센서(21)의 농후 응답성을 향상시키기 위해, 산소 센서(21)의 농후 감도가 높아지도록 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경시키도록 정전류 회로(27)가 제어될 수 있다. 즉, 농후 RSP 제어의 개시 전에 희박 RSP 제어가 실행되는 경우, 예컨대, 정전류(Ics)의 인가를 정지하거나(즉, 정전류(Ics)를 제로로 설정하거나) 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경시킴으로써, 농후 RSP 제어에서 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아질 수 있다.

이에 따라, 농후 방향 제어의 개시 후 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과하는 시점이 지연되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료된 것으로 결정되는 시점이 지연되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 농후 방향 제어가 상대적으로 조기에 종료될 수 있다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 비교예에서보다 본 실시예에서는, 급유 정지 제어 후 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량을 줄일 수 있으며, 배출 가스의 악화를 제한할 수 있다.

도 9를 참조하여, ECU(25)(또는 마이크로컴퓨터(26))에 의해 실행되는 배출 저감 제어의 루틴을 설명하기로 한다.

도 9에 도시된 배출 저감 제어의 루틴은 ECU(25)가 턴 온된 상태에서 미리 정해진 주기로 반복적으로 실행되며, 희박 방향 제어부 및 특성 제어부의 예로서 사용될 수 있다. 배출 저감 제어가 개시되면, 단계(101)에서, 급유 정지 제어가 실행되었는지의 여부가 먼저 결정된다. 단계(101)에서 급유 정지 제어가 실행되지 않은 것으로 결정되는 경우, 다른 어떠한 제어 동작을 행하지 않고 배출 저감 제어의 루틴이 종료된다.

단계(101)에서 급유 정지 제어가 실행된 것으로 결정되면, 단계(102)에서, 농후 방향 조건이 만족되었는지의 여부가 결정된다. 여기서, 상기 농후 방향 조건은 다음과 같은 조건들((1) 내지 (3))을 포함한다.

(1) 상류 촉매(18)의 예열(warm-up)이 완료될 것.

(2) 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량(검출값 또는 추정값)이 미리 정해진 값과 동일하거나 그보다 더 많거나, 또는 급유 정지 제어가 미리 정해진 기간 또는 그 이상의 기간 동안 실행될 것.

(3) 엔진(11) 정지 요구가 제공되지 않을 것.

전술한 모든 조건들((1) 내지 (3))이 만족되면, 농후 방향 조건이 만족된다. 그러나, 전술한 모든 조건들((1) 내지 (3)) 중 어느 하나가 만족되지 않으면, 농후 방향 조건은 만족되지 않는다.

단계(102)에서 농후 방향 조건이 만족되지 않은 것으로 결정되는 경우, 다른 어떠한 제어 동작을 행하지 않고 배출 저감 제어의 루틴이 종료된다.

단계(102)에서 농후 방향 조건이 만족되는 것으로 결정되면, 조건 플래그가 턴 온되고, 단계(103)의 제어 동작이 실행된다. 단계(103)에서, 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록 정전류 회로(27)를 제어하기 위해 농후 RSP 제어가 실행된다. 예컨대, 정전류(Ics)의 인가를 정지하도록 정전류 회로(27)가 제어된다(즉, 정전류(Ics)를 제로로 설정하도록 정전류 회로(27)가 제어된다). 대안적으로, 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록, 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경시키도록 정전류 회로(27)가 제어될 수 있다. 이 경우, 배기 전극층(33)에서 대기 전극층(34)으로 산소가 공급되도록, 정전류(양의 정전류(+Ics))를 인가하도록 정전류 회로(27)가 제어된다.

단계(103)의 제어 동작 후, 단계(104)에서 급유 정지 제어가 종료되었는지의 여부가 결정된다. 단계(104)에서 급유 정지 제어가 종료되지 않은 것으로 결정되는 경우, 단계(102)의 제어 동작이 실행된다. 단계(104)에서 급유 정지 제어가 종료된 것으로 결정되는 경우(즉, 연료 분사가 재개된 경우), 단계(105)의 제어 동작이 실행된다. 단계(105)에서, 실행 플래그가 턴 온되며, 상류 촉매(18)의 상류를 흐르는 배출 가스의 공연비(상류 공연비)가 통상의 운전 조건에 기초하여 설정된 목표 공연비보다 더 농후해지도록(즉, 낮아지도록) 제어되는 농후 방향 제어가 실행된다. 농후 방향 제어에서 상류 촉매(18)로 흐르는 배출 가스의 공연비가 농후해질(즉, 낮아질) 수 있기 때문에, 상류 촉매(18)가 희박 상태로 되는 것을 제한할 수 있다. 즉, 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량을 줄일 수 있다.

다음 단계(106)에서, 산소 센서(21)의 출력이, 예컨대, 이론 공연비 또는 그보다 약간 더 농후한 값에 대응하는 미리 정해진 농후 한계치를 초과하는지의 여부가 결정된다. 단계(106)에서 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치와 동일하거나 그보다 더 낮은 것으로 결정되면, 단계(104)의 제어 동작이 실행된다. 단계(106)에서 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치보다 더 높은 것으로 결정되면, 단계(107)의 제어 동작이 실행된다. 단계(107)에서, 농후 방향 제어와 농후 RSP 제어가 종료된다. 즉, 산소 센서(21)의 희박 응답성이 높아지도록, 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경시키도록 정전류 회로(27)가 제어되는 희박 RSP 제어가 실행된다. 단계(105)의 제어 동작을 실행하는 ECU(25)(마이크로컴퓨터(26))의 제어부는 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어를 실행하는 농후 방향 제어부의 예로서 사용될 수 있다. 단계(103)의 제어 동작을 실행하는 ECU(25)(마이크로컴퓨터(26))의 제어부는 농후 방향 제어시 농후 RSP 제어를 실행하는 특성 제어부의 예로서 사용될 수 있다.

전술한 제 1 실시예에서는, 산소 센서(21)의 외부에 배치된 정전류 회로(27)가 한 쌍의 센서 전극(33, 34)들 사이에 정전류(Ics)를 인가한다. 따라서, 산소 센서(21)의 출력 특성이 변경될 수 있으며, 산소 센서(21)의 농후 응답성 또는 희박 응답성이 높아질 수 있다. 더욱이, 산소 센서(21)의 내부에 보조 전기화학 전지 등을 합체할 필요가 없다. 따라서, 설계를 대폭 변경하거나 비용의 증가 없이, 산소 센서(21)의 출력 특성을 변경할 수 있다.

상기 배출 제어 시스템(1)에서는, 전술한 바와 같이, 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과할 때까지 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어가 계속 실행된다. 상기 배출 제어 시스템(1)에서 농후 RSP 제어가 실행될 수 있으며, 농후 방향 제어시 산소 센서(21)의 농후 응답성을 높이도록 농후 RSP 제어에서 정전류 회로(27)가 제어된다. 이에 따라, 농후 방향 제어의 개시 후 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과하는 시점(상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료된 것으로 결정되는 시점)이 지연되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 농후 방향 제어의 종료 시점이 상대적으로 조기에 만들어질 수 있다. 그 결과, 급유 정지 제어 후 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량을 줄일 수 있으며, 배출 가스의 악화를 제한할 수 있다.

제 1 실시예에서는, 급유 정지 제어시 농후 방향 조건이 만족되는 시점에 농후 RSP 제어가 개시된다. 따라서, 농후 방향 제어가 개시되기 전에 농후 RSP 제어가 개시될 수 있다.

(제 2 실시예)

도 10을 참조하여, 제 2 실시예에 대해 설명하기로 한다. 제 1 실시예의 구성 요소와 실질적으로 동일한 제 2 실시예의 구성 요소에 대한 설명은 생략하거나 간략화하며, 제 1 실시예와 상이한 구성 요소들에 대해서만 제 2 실시예에서 주로 설명하기로 한다.

제 1 실시예에서는, 급유 정지 제어시 농후 방향 제어의 실행 조건(농후 방향 조건)이 만족되었을 때, 농후 RSP 제어가 개시된다. 제 2 실시예에서는, ECU(25)(또는 마이크로컴퓨터(26))가 도 10에 도시된 배출 저감 제어의 루틴을 실행하며, 농후 방향 제어가 개시된 후 초기에(in an early period) 농후 RSP 제어가 개시된다.

도 10에 도시된 배출 저감 제어의 루틴에서, 단계(201)에서, 급유 정지 제어가 실행되었는지의 여부가 먼저 결정된다. 단계(201)에서 급유 정지 제어가 실행된 것으로 결정되는 경우, 단계(202)에서 급유 정지 제어가 종료되었는지의 여부가 결정된다. 단계(202)에서 급유 정지 제어가 종료된 것으로 결정되는 경우, 즉, 엔진(11)의 연료 분사가 재개된 것으로 결정되는 경우, 단계(203)에서 농후 방향 제어의 실행 조건(농후 방향 조건)이 만족되었는지의 여부가 결정된다. 제 2 실시예의 농후 방향 조건은 도 9에 도시된 단계(102)를 설명하며 개시한 제 1 실시예의 농후 방향 조건과 동일하다.

단계(203)에서 농후 방향 조건이 만족되는 것으로 결정되면, 단계(204)에서 농후 방향 제어가 실행된다. 농후 방향 제어에서는 상류 촉매(18)로 흐르는 배출 가스의 공연비가 농후해진다(즉, 낮아진다). 따라서, 상류 촉매(18)가 희박 상태로 되는 것을 제한할 수 있다. 즉, 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량을 줄일 수 있다.

다음 단계(205)에서, 농후 방향 제어가 미리 정해진 기간 또는 그 이상의 기간 동안 실행되었는지의 여부가 결정된다. 농후 방향 제어가 미리 정해진 기간 또는 그 이상의 기간 동안 실행되지 않은 것으로 결정되면, 단계(203)의 제어 동작이 실행된다. 농후 방향 제어가 미리 정해진 기간 또는 그 이상의 기간 동안 실행된 것으로 결정되면, 단계(206)에서 농후 RSP 제어가 실행된다. 구체적으로, 농후 RSP 제어에서는, 정전류(Ics)의 인가를 정지하도록 정전류 회로(27)가 제어된다. 대안적으로, 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록, 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경시키도록 정전류 회로(27)가 제어될 수 있다.

다음 단계(207)에서, 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과하는지의 여부가 결정된다. 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치와 동일하거나 그보다 낮은 것으로 결정되면, 단계(206)의 제어 동작이 실행된다. 단계(206)에서 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치보다 높은 것으로 결정되면, 단계(208)에서, 농후 방향 제어와 농후 RSP 제어가 종료된다. 단계(204)의 제어 동작을 실행하는 ECU(25)(마이크로컴퓨터(26))의 제어부는 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어를 실행하는 농후 방향 제어부의 예로서 사용될 수 있다. 단계(206)의 제어 동작을 실행하는 ECU(25)(마이크로컴퓨터(26))의 제어부는 농후 방향 제어시 농후 RSP 제어를 실행하는 특성 제어부의 예로서 사용될 수 있다.

전술한 제 2 실시예에서는, 농후 방향 제어가 개시된 후 초기에 농후 RSP 제어가 개시된다. 즉, 농후 방향 제어가 미리 정해진 기간 또는 그 이상의 기간 동안 실행된 후 농후 RSP 제어가 개시된다. 따라서, 농후 방향 제어가 실제로 개시되었음을 인지한 후에, 농후 RSP 제어를 개시할 수 있다.

(제 3 실시예)

도 11 내지 도 13을 참조하여, 제 3 실시예에 대해 설명하기로 한다. 제 1 실시예의 구성 요소와 실질적으로 동일한 제 3 실시예의 구성 요소에 대한 설명은 생략하거나 간략화하며, 제 1 실시예와 상이한 구성 요소들에 대해서만 제 3 실시예에서 주로 설명하기로 한다.

제 1 실시예에서는, 농후 방향 제어의 개시 후, 산소 센서(21)의 출력이 미리 정해진 농후 한계치를 초과할 때, 농후 방향 제어가 종료된다. 제 3 실시예에서는, 배출 제어 시스템(1)의 ECU(25)(또는 마이크로컴퓨터(26))가 도 13에 도시된 배출 저감 제어의 루틴을 실행하며, 상류 촉매(18)에 저장되는 산소의 추정량(추정 산소량)이 미리 정해진 기준 한계치(기준 한계치)와 동일하게 될 때, 농후 방향 제어가 종료된다.

구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 시간(t1)에서 급유 정지 제어가 실행되며, 이 때, 엔진(11)의 운전 상태에서 미리 정해진 급유 정지 조건의 만족으로 인해 급유 정지 플래그가 턴 온된다. 그 후, 급유 정지 제어가 종료되고, 시간(t3)에서 엔진(11)의 연료 분사가 재개되며, 이 때, 미리 정해진 급유 정지 조건의 불만족으로 인해 급유 정지 플래그가 턴 오프된다.

급유 정지 제어의 종료 후, 상류 촉매(18)는 당해 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량이 상대적으로 많아지는 희박 상태가 될 수 있다. 상류 촉매(18)의 희박 상태에서, NOx에 대한 상류 촉매(18)의 촉매 변환 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 농후 방향 제어를 실행함으로써, 상류 촉매(18)가 희박 상태로 되는 것을 제한할 수 있다. 즉, 저장되는 산소량을 줄일 수 있다. 구체적으로, 급유 정지 제어시 농후 방향 제어의 실행 조건(농후 방향 조건)이 만족되었는지의 여부가 결정된다. 농후 방향 조건이 만족되면, 도 11에 도시된 바와 같이 시간(t2)에서 조건 플래그가 턴 온된다. 그리고, 급유 정지 제어가 완료되면, 시간(t3)에서 실행 플래그가 턴 온됨으로써, 농후 방향 제어가 실행된다.

농후 방향 제어의 개시 후, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료된 것으로 결정되며, 시간(t4)에서 농후 방향 제어가 종료되며, 이 때, 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량(추정 저장 산소량)이 미리 정해진 기준 한계치(예컨대, 목표 저장 산소량(목표 산소량))와 동일하게 된다.

여기서, 도 12를 참조하여, 상류 촉매(18)에 저장되는 산소량의 추정 방법의 예에 대해 설명하기로 한다. 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 산소량은, A/F 센서(20)(상류 가스 센서)의 출력(A/F 센서 출력), 산소 센서(21)(하류 가스 센서)의 출력(산소 센서 출력), 엔진(11)의 운전 조건들(예컨대, 엔진 회전 속도, 엔진 부하 및 냉각수 온도), 배출 가스 온도 및 상류 촉매(18)의 온도에 기초한, 맵, 수식 등을 이용하여 산출된다. 추정 저장 산소량의 산출에 사용되는 맵, 수식 등은 실험 데이터 또는 설계 데이터에 기초하여 개발되며, ECU(25)(또는 마이크로컴퓨터(26))의 롬 등에 저장된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어가 실행되며, 산소 센서(21)의 출력이 시간(Ta)에서 미리 정해진 농후 한계치를 초과한다. 시간(Ta)에서, 상류 촉매(18)에 실제로 저장되는 산소량이 감소하여 목표 저장 산소량(예컨대, 최대 저장 산소량(최대 산소량)의 30 내지 40%)이 된 것으로 결정되며, 시간(Ta)에서의 추정 저장 산소량이 목표 저장 산소량으로서 사용되도록 상기 추정 저장 산소량이 학습 보정된다. 구체적으로, 추정 저장 산소량과 목표 저장 산소량의 편차가 보정량(에러)으로서 학습되고, 학습된 보정량을 이용하여 추정 저장 산소량이 보정된다.

학습된 보정량은 백업 램(backup RAM)과 같은 비휘발성 메모리에 저장되며, 추정 저장 산소량을 산출할 때, 상기 저장 학습된 보정량이 사용된다. 이 경우, 예컨대, 맵, 수식 등을 이용하여 산출된 상기 추정 저장 산소량이 학습된 보정량으로 보정된다. 대안적으로, 상기 맵, 수식 등이 학습된 보정량으로 보정될 수 있으며, 추정 저장 산소량의 산출에 사용될 수 있다.

도 11에 두꺼운 쇄선들로 나타낸 비교예(비교예)에서는, 산소 센서(21)의 희박 응답성이 높아지도록 정전류(Ics)가 인가되는 희박 RSP 제어가, 농후 RSP 제어를 실행하지 않고, 농후 방향 제어시 계속 실행된다. 희박 RSP 제어에서는 산소 센서(21)의 농후 응답성이 상대적으로 낮기 때문에, 농후 방향 제어의 개시 후 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치와 동일해지는 시점(즉, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료되는 시점)이 지연될 수 있으며, 농후 방향 제어의 종료 시점이 지연될 수 있다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량이 많아질 수 있다. 그 결과, 비교예에서는 배출 가스가 악화될 수 있다.

도 11에 두꺼운 실선들로 나타낸 제 3 실시예에서는, 시간(t2)에서 농후 RSP 제어가 실행되며, 이 때, 급유 정지 제어시 농후 방향 조건의 만족으로 인해 조건 플래그가 턴 온된다. 따라서, 농후 방향 제어의 개시 후 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치와 동일해지는 시점(즉, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료되는 시점)이 지연되는 것을 방지할 수 있으며, 농후 방향 제어의 종료 시점이 비교예에서보다 제 3 실시예에서 더 조기에 만들어질 수 있다. 그 결과, 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량을 줄일 수 있으며, 배출 가스의 악화를 제한할 수 있다.

도 13에 도시된 제 3 실시예의 배출 저감 제어의 루틴은 단계(106a)의 제어 동작을 제외하고 도 9에 도시된 제 1 실시예의 배출 저감 제어의 루틴과 동일하다. 즉, 제 1 실시예의 단계(106)의 제어 동작이 제 3 실시예의 단계(106a)의 제어 동작으로 대체된다.

도 13에 도시된 배출 저감 제어의 루틴에서, (단계(101 내지 103)들에서) 급유 정지 제어시 농후 방향 조건이 만족되었는지의 여부가 결정되며, 농후 방향 조건이 만족되었으면, 농후 RSP 제어가 실행된다. 그 후, (단계(104 및 105)들에서) 급유 정지 제어가 종료되었는지의 여부가 결정되며, 급유 정지 제어가 종료된 것으로 결정되면, 농후 방향 제어가 실행된다(즉, 엔진(11)의 연료 분사가 재개된 것으로 결정되면, 농후 방향 제어가 실행된다).

다음 단계(106a)에서, 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치(기준 한계치)와 동일하거나 그보다 더 낮은지의 여부가 결정된다. 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치(기준 한계치)보다 더 높은 것으로 결정되면, 단계(105)의 제어 동작이 실행된다. 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치와 동일하거나 그보다 더 낮은 것으로 결정되면, 단계(107)에서, 농후 방향 제어와 농후 RSP 제어가 종료된다.

전술한 제 3 실시예에서는, 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치가 될 때까지, 급유 정지 제어의 종료 후, 농후 방향 제어가 실행된다. 아울러, 농후 방향 제어시 농후 RSP 제어가 실행된다. 따라서, 상류 촉매(18)에 저장되는 추정 저장 산소량이 미리 정해진 기준 한계치와 동일해지는 시점(즉, 상류 촉매(18)의 희박 상태 제한이 완료되는 시점)이 지연되는 것을 방지할 수 있으며, 농후 방향 제어의 종료 시점이 조기에 만들어질 수 있다. 그 결과, 급유 정지 제어의 종료 후 농후 방향 제어에서 발생되는 CO 또는 HC(농후 성분)의 배출량을 줄일 수 있으며, 배출 가스의 악화를 제한할 수 있다.

전술한 제 3 실시예에서는, 급유 정지 제어시 농후 방향 조건이 만족되었을 때, 농후 RSP 제어가 실행을 개시하게 된다. 대안적으로, 농후 방향 제어의 개시 후 초기에 농후 RSP 제어가 실행을 개시할 수 있다.

첨부 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들과 연관하여 본 발명을 충분히 설명하였으나, 다양한 변경들과 변형들이 당업자들에게 명백해질 수 있음을 이해하여야 한다.

전술한 제 1 내지 제 3 실시예들에서는, 농후 RSP 제어가 개시되기 전에 희박 RSP 제어가 실행된다. 즉, 농후 RSP 제어가 개시되기 전에, 산소 센서(21)의 희박 응답성이 높아지도록 정전류 회로(27)가 정전류(Ics)를 인가한다. 정전류 회로(27)는 농후 RSP 제어가 개시되기 전에 정전류(Ics)의 인가를 정지할 수 있으며(즉, 정전류(Ics)는 0임), 정전류 회로(27)는 농후 RSP 제어에서 산소 센서(21)의 농후 응답성이 높아지도록 정전류(Ics)를 인가할 수 있다.

전술한 제 1 및 제 2 실시예들에서는, 농후 방향 제어시 농후 RSP 제어가 실행된다. 대안적으로, 산소 센서(21)의 출력의 미리 정해진 농후 한계치가, 농후 RSP 제어를 실행하지 않고, 이론 공연비보다 희박하게(즉, 높게) 설정될 수 있다.

전술한 제 1 내지 제 3 실시예들에서는, 정전류 회로(27)가 산소 센서(21)(센서 소자(31))의 대기 전극층(34)에 연결된다. 그러나, 예컨대, 정전류 회로(27)가 산소 센서(21)(센서 소자(31))의 배기 전극층(33)에 연결되거나, 정전류 회로(27)가 대기 전극층(34)과 배기 전극층(33) 모두에 연결될 수 있다.

전술한 제 1 내지 제 3 실시예들에서, 본 발명은 컵 형상의 센서 소자(31)를 가진 산소 센서(21)를 포함한 배출 제어 시스템(1)에 적용된다. 그러나, 예컨대, 본 발명은 적층 구조를 구비한 센서 소자를 가진 산소 센서를 포함한 배출 제어 시스템에 적용될 수 있다.

전술한 제 1 내지 제 3 실시예들에서, 본 발명은 산소 센서(21)가 배출 가스의 유동 방향에서 상류 촉매(18)의 하류에 설치되는 배출 제어 시스템(1)에 적용된다. 그러나, 본 발명은 상류 촉매(18) 또는 산소 센서(21)에 한정되지 않는다. 본 발명은 산소 센서 또는 공연비 센서와 같은 배출 가스 센서가 배출 가스의 유동 방향에서 배출 가스의 정화를 위한 촉매의 하류에 설치되는 배출 제어 시스템에 적용될 수 있다.

추가적인 장점들과 변형들이 당업자들에게 쉽게 떠오를 것이다. 따라서, 광의적인 용어로 된 본 발명은 도시되고 설명된 구체적인 세부 사항들, 대표적인 장치 및 예시적인 예들로 한정되지 않는다.

Claims

내연 기관의 배출 제어 시스템이며,
엔진으로부터 배출되는 배출 가스의 정화를 위해 사용되는 촉매(18);
배출 가스의 공연비를 검출하거나 배출 가스가 농후인지 희박인지의 여부를 검출하기 위해, 배출 가스의 유동 방향에서 상기 촉매(18)의 하류에 설치되며, 한 쌍의 전극(33, 34)들과 상기 한 쌍의 전극(33, 34)들 사이에 배치된 고체 전해질체(32)를 포함하는 센서 소자(31)를 포함한 배출 가스 센서(21);
상기 한 쌍의 전극(33, 34)들 사이에 정전류(Ics)를 인가함으로써 상기 배출 가스 센서(21)의 출력 특성을 변경하는 정전류 공급부(27);
상기 엔진(11)의 연료 분사가 정지되는 급유 정지 제어의 종료 후, 상기 촉매(18)로 흐르는 배출 가스의 공연비가 통상의 운전 조건에 기초하여 설정된 통상의 목표 공연비보다 더 농후해지는 농후 방향 제어를 실행하는 농후 방향 제어부(105, 204); 및
농후 방향 제어시, 농후 가스에 대한 배출 가스 센서(21)의 검출 응답성을 높이도록 상기 정전류 공급부(27)가 제어되는 농후 응답성 제어를 실행하는 특성 제어부(103, 206)를 포함하는,
내연 기관의 배출 제어 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 특성 제어부(103, 206)는, 농후 응답성 제어가 개시되기 전에, 희박 가스에 대한 배출 가스 센서(21)의 검출 응답성을 높이기 위해, 상기 한 쌍의 전극(33, 34)들에 대해 정전류(Ics)를 인가하고 상기 정전류(Ics)의 흐름 방향을 설정하도록, 상기 정전류 공급부(27)를 제어하며,
상기 특성 제어부(103, 206)는, 농후 응답성 제어가 개시되기 전에, 희박 가스에 대한 배출 가스 센서(21)의 검출 응답성이 높아졌을 때, 농후 가스에 대한 배출 가스 센서(21)의 검출 응답성을 높이기 위해, 농후 응답성 제어에서, 상기 정전류(Ics)를 제로로 설정하거나, 상기 정전류(Ics)의 흐름 방향을 변경하도록, 상기 정전류 공급부(27)를 제어하는,
내연 기관의 배출 제어 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 특성 제어부(103, 206)는, 급유 정지 제어시 농후 방향 제어의 실행 조건이 만족되었을 때, 농후 응답성 제어를 개시하는,
내연 기관의 배출 제어 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 특성 제어부(103, 206)는 농후 방향 제어가 개시된 후 초기에 농후 응답성 제어를 개시하는,
내연 기관의 배출 제어 시스템.