KR20160108363A - 배기가스 촉매 컨버터의 진단 방법 및 자동차 - Google Patents

배기가스 촉매 컨버터의 진단 방법 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내연 기관(12)의 배기가스 시스템(20) 내에 배치되며 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터(28)를 진단하기 위한 방법 및 자동차에 관한 것으로, 배기가스 시스템(20)은 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상류에 배치된 배기가스 센서(48) 및 배기가스 재순환 시스템(38)을 가지며, 배기가스 재순환 시스템은, 배기가스 촉매 컨버터(28) 하류에서 배기가스 시스템(20)의 배기가스 채널(24)로부터 배기가스의 적어도 일부를 추출하여 내연 기관(12)으로 공급하도록 구성된다. 상기 방법은, 내연 기관(12)의 점화 작동 중에 배기가스 센서(48)를 이용하여 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상류에서 배기가스 성분의 제1 농도(NOX1)를 측정하는 단계와, 내연 기관(12)의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드 중에 배기가스의 적어도 일부가 배기가스 재순환 시스템(38)을 통해 재순환되는 단계와, 내연 기관(12)의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드 중에 배기가스 센서(48)를 이용하여 배기가스 성분의 제2 농도(NOX2)를 측정하는 단계와, 배기가스 성분의 상기 제1 및 제2 농도(NOX1, NOX2)에 따라 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

배기가스 촉매 컨버터의 진단 방법 및 자동차{METHOD FOR DIAGNOSING AN EXHAUST GAS CATALYTIC CONVERTER, AND MOTOR VEHICLE}
본 발명은 자동차의 내연 기관의 배기가스 채널 내에 배치되고 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터, 특히 SCR 촉매 컨버터의 진단 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법의 실행을 위해 제공된 자동차에 관한 것이다.
항상 또는 일시적으로 희박 공기 연료 혼합기로 작동되는 내연 기관은 질소 산화물 NOx(주로 NO2 및 NO)를 생성하는데, 내연 기관은 NOx 저감 조치를 필요로 한다. 배기가스 내의 NOx 처리 전 배출을 감소시키기 위한 엔진 측 조치는, 내연 기관의 배기가스의 일부가 상기 내연 기관의 연소 공기 내로 재순환되는 배기가스 재순환(EGR)이다. 이를 통해 연소 온도가 하강하고, NOx 생성(NOx 처리 전 배출)이 감소한다. 그러나 배기가스 재순환만으로는 통상 규정된 NOx 한계값을 준수하기에 불충분하기 때문에, 추가로 NOx로부터 질소(N2)로의 촉매 환원을 통해 NOx 최종 배출을 감소시키는 능동적인 배기가스 후처리가 요구된다. 공지된 NOx 배기가스 후처리는 NOx 촉매 컨버터의 사용을 수반한다. 이들 촉매 컨버터는 희박 모드(λ > 1)에서 질소 산화물을 질산염 형태로 저장한다. 짧은 농후 주기(λ < 1) 동안 질소 산화물이 다시 탈착되어, 농후 배기가스 내 환원제의 존재하에 질소(N2)로 환원된다.
희박 연소 엔진의 배기가스 내 질소 산화물의 변환을 위한 다른 조치로서, 선택적 촉매 환원(SCR, selective catalytic reduction)의 원리에 따라 작동되는 촉매 컨버터 시스템의 사용이 공지되어 있다. 이 시스템은, 배기가스에 공급된 환원제, 통상 암모니아(NH3)의 존재하에, 선택적으로 희박 배기가스의 질소 산화물을 질소 및 물로 변환하는 하나 이상의 SCR 촉매 컨버터를 포함한다. 이 경우, 암모니아는 수용성 암모니아 용액으로부터 배기가스 흐름 내로 계량 공급될 수 있다. 그러나 통상적으로는 예를 들어 수용성 용액 또는 고체 펠릿 형태의 요소(urea)가 열분해 및 가수 분해 방식으로 전구체 화합물로부터 획득된다.
또한, 예를 들어 SCR 촉매 컨버터 또는 NOx 저장 촉매 컨버터와 같은 배기가스 촉매 컨버터의 기능성을 자가 진단 장치(OBD)를 이용하여 지속적으로 제어하는 것이 공지되어 있다. 이를 위해, 통상, 배기가스 성분의 농도를 배기가스 촉매 컨버터의 하류에서 측정하기 위해, 촉매 컨버터 하류에 연결된, 상응하는 배기가스 성분을 위한 배기가스 센서의 신호가 사용된다. 또한, 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 성분의 농도, 즉 엔진 측 처리 전 배출이 결정된다. 이는, 촉매 컨버터의 상류에 배치된 추가의 배기가스 센서를 이용하는 농도의 측정을 통해 수행될 수 있다. 그러나 통상 처리 전 배출의 산출은, 내연 기관의 현재 작동점에 기초하여 성분의 농도를 재현하는 저장된 특성맵을의 사용하여 모델화를 통해 수행된다. 성분의 변환과 관련된 배기가스 촉매 컨버터의 상태는 촉매 컨버터의 하류에서 측정된 농도와, 촉매 컨버터 이전의 모델화된 농도, 즉, 내연 기관의 처리 전 배출에 기초하여 도출된다. 배기가스 촉매 컨버터의 상태는 예를 들어 하기 방정식에 따라 효율(η)의 형태로 계산될 수 있으며, 하기 방정식에서 c2는 촉매 컨버터 이후에 측정된 배기가스 성분의 농도(또는 함량)를, 그리고 c1은 상기 성분과 관련된 내연 기관의 처리 전 배출을 의미한다.
Figure pct00001
따라서, 효율(η)은 0 내지 1의 값을 취할 수 있다. 완전한 촉매 변환을 야기하는(c2 = 0) 이상적으로 작용하는 촉매 컨버터는 1의 효율(η)을 갖는 반면, 완전 비활성 촉매 컨버터에서는 η = 0이다(c1 = c2).
DE 10 2010 042 442 A1에는 SCR 촉매 컨버터 및 저압(LP) 배기가스 재순환부를 갖는 배기가스 시스템이 설명되며, 이 배기가스 시스템을 이용하여, 배기가스 터보차저 및 SCR 촉매 컨버터의 터빈(저압 측)의 하류에서 배기가스 부분 유동이 추출되어, 배기가스 터보차저의 압축기(저압 측)의 상류에서 내연 기관의 연소 공기에 공급되는 것이 설명된다. 결정된 NOx 농도를 기초로 하여 내연 기관, 특히 EGR 율 또는 공연비를 제어하기 위해, 질소 산화물의 농도를 측정하는 NOx 센서가 배기가스 재순환 라인 내에 배치된다. 또한, 배기가스 재순환 라인은 압축기의 하류에서, 즉, 압축기의 고압 측에서 공기 라인 내로 합류하는 내연 기관의 공기 라인과 바이패스를 통해 연결된다. 오프셋 보정을 위해 NOx 센서의 오프셋을 결정하기 위해, 바이패스가 개방되고 이를 통해 배기가스 재순환 라인 내 유동 방향의 전환이 야기되기 때문에, NOx 센서에 신기(fresh air)가 공급된다. 여기서 SCR 촉매 컨버터의 진단은 기술하지 않는다.
DE 10 2010 050 413 A1에는 산화 촉매 컨버터, 입자 필터 및 SCR 촉매 컨버터를 포함하는 내연 기관의 배기가스 시스템이 공지되어 있으며, 선택적으로, 입자 필터는 SCR 촉매 코팅층을 포함하며, 별도의 SCR 촉매 컨버터가 제거될 수 있다. 또한, 내연 기관은 저압 EGR 라인이 입자 필터의 하류에서 분기되며 추가의 SCR 촉매 컨버터가 내재된 고압(HP) 및 저압(LP) EGR이 조합된 이중 충전을 이용한다.
DE 103 49 126 A1에는 각각 NOx 센서를 이용하여 촉매 컨버터의 상류 및 하류에서 또는 -전방 센서 대신에- NOx 처리 전 배출을 위한 수학적 모델을 이용하여, SCR 촉매 컨버터의 효율의 결정을 위한 상술된 방법이 설명된다. SCR 촉매 컨버터의 결정된 NOx 효율이 미리 결정된 기본 효율보다 낮게 하강할 경우, 침착된 탄화수소 및 그을음으로부터 촉매 컨버터의 재생이 수행된다.
배기가스 촉매 컨버터의 진단을 위한 상술된 두 개의 방법은 단점을 갖는다. 각각 하나의 배기가스 센서가 촉매 컨버터의 상류 및 하류에 배치되는 것은 비용 집약적인 장치 비용 증가를 나타낸다. 이에 반해, 유동 상류의 배기가스 센서가 상응하는 배기가스 성분의 처리 전 배출의 결정을 위한 수학적 모델로 대체될 경우, 사용된 수학적 모델의 피할 수 없는 부정확성 또는 비신뢰성으로 인해 진단 견고성이 저하될 수 있다. 또한, 상응하는 모델의 사용은 추가 비용과 관련된다.
본 발명의 과제는 높은 진단 견고성을 포함하며 동시에 적은 비용 지출을 수반하는 배기가스 촉매 컨버터의 진단 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항의 특징을 갖는 방법 및 자동차에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구성은 종속 청구항의 대상이다.
본 발명에 따른 방법은, 자동차의 내연 기관의 배기가스 시스템 내에 배치되며 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터의 진단에 관한 것이다. 배기가스 시스템 내에서 배기가스 촉매 컨버터의 상류에는 배기가스 센서가 배치된다. 또한, 배기가스 시스템은, 배기가스 촉매 컨버터 하류에서 배기가스 시스템의 배기가스 채널로부터 배기가스의 적어도 일부를 추출하여, 내연 기관, 정확하게는 내연 기관의 연소 공기로 공급하도록 구성된 배기가스 재순환 시스템을 갖는다. 본 발명에 따른 방법은,
- 스로틀이 열린 상태에서의 내연 기관의 작동 중에 배기가스 센서를 이용하여 배기가스 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 성분의 제1 농도를 측정하는 단계와,
- 스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관의 오버런 작동 중에 배기가스 재순환 시스템을 통해 배기가스의 적어도 일부가 재순환하는 단계와,
- 스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관의 오버런 작동 중에 배기가스 센서를 이용하여 배기가스 성분의 제2 농도를 측정하는 단계와,
- 배기가스 성분의 상기 제1 및 제2 농도에 따라 배기가스 촉매 컨버터의 상태를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 모니터링되는 배기가스 촉매 컨버터의 상류에 배치된 단지 하나의 단일 배기가스 센서를 이용하여, 촉매 컨버터의 상류의 배기가스 성분의 농도, 즉, 내연 기관의 처리 전 배출뿐만 아니라, 촉매 컨버터를 통과한 후의 배기가스 성분의 농도도 측정된다. 마지막으로 언급된 목적을 위해, 배기가스 혼합물에 가급적 영향을 덜 미치도록, 촉매 컨버터를 벗어난 배기가스가 EGR 시스템을 통해 내연 기관으로 재순환되며, 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드가 이용된다. 단일 배기가스 센서의 사용을 통해, 종래 기술에서 통상적인, 촉매 컨버터 후방의 제2 센서의 배치를 위한 추가 비용이 방지된다. 또한, 두 개의 센서들 사이에서 가능한 센서 편차가 단일 센서의 사용을 통해 보상된다. 또한, 상기 방법이 배기가스 성분의 엔진 측 처리 전 배출의 결정을 위한 수학적 모델을 이용하지 않기 때문에, 상기 유형의 모델의 부정확성을 통해 야기되는 불안정성이 제거된다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 매우 신뢰성이 있다.
본 발명의 범주 내에서, "배기가스 성분의 농도"라는 개념은 상기 성분에 대한 배기가스의 함량을 나타내는 값을 의미한다. 따라서, 이 개념은 배기가스 센서의 신호, 예를 들어 센서 전압 등을 포함한다. "스로틀 개방 상태에서의 작동"은, 내연 기관이 연료 공급 및 연소 하에 작동되는 작동 모드를 포함한다. 이에 반해, "스로틀 폐쇄 상태에서의 작동"은, 연료가 공급되지 않는 내연 기관의 작동 모드를 의미한다. 이러한 연료 차단은 특히, 자동차의 현재 운동 에너지가 요구된 토크보다 큰 오버런 위상에서, 다시 말해 내연 기관이 자동차에 의해 드래그되어, 회전 운동이 유지되는 경우(오버런 모드)에 수행된다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 배기가스 성분은 질소의 전체 산화물, 특히 NO, NO2 및 N2O를 포함하는 질소 산화물(NOx)을 포함한다. 이 경우에, 배기가스 촉매 컨버터는, 농후 배기가스 분위기, 즉, 미연소 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)와 같은 배기가스 내 환원제의 존재 하에 배기가스의 질소 산화물을 변환시킬 수 있는 NOx 촉매 컨버터이거나, 공급된 환원제의 존재 하에 희박 배기가스 분위기에서 질소 산화물을 선택적으로 변환시킬 수 있는 SCR 촉매 컨버터이다. 이 경우, 환원제는, 직접 또는 전구체 형태로, 특히 고체 또는 용액 형태의 요소 형태로 배기가스에 공급되는 특히 암모니아(NH3)를 포함한다. 배기가스 센서는 본 실시예에서, 배기가스 내의 질소 산화물을 검출하기 위해 구성된 NOx 센서이다. 본 발명은, 이러한 SCR 촉매 컨버터 시스템에서 특히 장점을 발휘하는데, 그 이유는 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 내로의 환원제 계량 공급이 촉매 컨버터 상태와 특히 조화되어야 하기 때문이다. 그렇지 않을 경우, 환원제의 과잉 계량 공급 또는 과소 계량 공급은 촉매 컨버터 후방에서 바람직하지 못한 환원제 중단 또는 충분하지 못한 NOx 변환을 야기한다. 또한, 상기 방법은 환원제 품질, 예를 들어 수용성 요소 용액 내의 요소의 농도를 결정하고, 계량 공급이 이에 적응되도록 하는데 사용된다.
바람직하게는, 자동차의 오버런 위상의 결정 후에 배기가스 성분의 제1 농도의 측정이 내연 기관의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드의 개시 이전에, 특히, 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드의 개시 직전에 수행된다. 이에 의해, 배기가스 성분의 제1 농도가 이미 측정된 동일한 배기가스 부피가 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드에서 측정된 제2 농도를 위해서도 사용되는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 방법의 정확도가 더 개선된다.
바람직하게는, 배기가스 성분의 제2 농도의 측정이 미리 결정된 대기 시간의 경과 후 내연 기관의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드 중에 수행된다. 이에 의해, EGR 라인이 충분히 정화되고, 경우에 따라 EGR 라인 내에 존재하는 다른 혼합물의 배기가스가 제거되는 것이 보장된다. 바람직하게 대기 시간은, 배기가스 성분의 제1 농도의 측정 이후의 배기가스 순환 시간에 적어도 상응하게 미리 결정된다. 이는, 배기가스가 다시 배기가스 센서의 측정점에 도달하기 전에, 제1 농도 측정 시에 배기가스 센서를 통과한 배기가스에, 그리고 내연 기관에, 배기가스 재순환 라인의 관류를 위한 시간이 충분히 제공되는 것을 보장한다. 다시 말하면, 농도의 제1 및 제2 측정 사이의 간격은, 배기가스가 다시 배기가스 센서에 도달하기 이전에, 바람직하게는 실제로, 배기가스가 배기가스 센서로부터 배기가스 촉매 컨버터, EGR 라인 및 내연 기관을 통해 완전한 순환을 위해 필요한 지속 시간에 상응한다.
특히 바람직하게는, 내연 기관의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드 중에, 전체 배기가스가 배기가스 재순환 시스템을 통해 재순환된다. 이에 의해, 재순환된 배기가스가 단시간에 변동 없이 배기가스 센서에 다시 도달하는 것이 달성된다. 이러한 방식으로, 자동차의 매우 짧은 오버런 위상이 또는 내연 기관의 짧은 오버런 작동이 배기가스 촉매 컨버터의 진단을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구성에서, 배기가스 채널은 EGR 라인의 분기점의 하류에 배기가스 차단 수단을 포함하며, 이 배기가스 차단 수단은 폐쇄 위치에서 배기가스 채널의 관류 단면을 감소시키거나 완전히 폐쇄할 수 있다. 배기가스 차단 수단은 예를 들어 배기가스 플랩, 바람직하게는 연속으로 조정 가능한 배기가스 플랩으로서 구성될 수 있다. 배기가스 재순환 시스템을 통한 배기가스 재순환은, 내연 기관의 스로틀 폐쇄 상태의 오버런 모드 중에, 바람직하게는 배기가스 차단 수단의 폐쇄를 통해 수행된다. 이러한 방식으로, 배기가스의 전반적으로 완전하고 빠른 재순환이 강제될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 자동차에 관한 것으로서, 상기 자동차는,
- 내연 기관과,
- 배기가스 채널과, 배기가스 채널 내에 배치되며 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터와, 배기가스 촉매 컨버터의 상류에 배치된, 배기가스 성분의 검출을 위한 배기가스 센서를 구비한 배기가스 시스템과,
- 배기가스 촉매 컨버터의 하류에서 배기가스의 적어도 일부를 배기가스 채널로부터 추출하여 내연 기관으로 공급하도록 제공된 배기가스 재순환 시스템과,
- 배기가스 촉매 컨버터의 진단 방법의 실행을 위해 구성된 진단 장치를 포함한다.
제어 장치는 특히 컴퓨터 판독 가능하고 상기 방법의 실행을 위한 알고리즘을 포함한다. 또한, 경우에 따라, 상기 제어 장치는 필요한 특성 곡선 및/또는 특성맵, 예를 들어 사용된 배기가스 센서의 특성 곡선을 포함한다.
또한, 바람직한 구성에서, 자동차는 EGR 라인의 분기점의 하류에 배치된, 이미 언급한 배기가스 차단 수단을 포함한다. 차단 수단은 배기가스 흐름의 전반적으로 완전한 그리고 빠른 재순환을 가능케 한다.
또한, 다른 구성에 따르면, 자동차는 배기가스 채널 내에 배치된 터빈을 구비한 배기가스 터보차저를 더 포함하며, 배기가스 재순환 시스템은 저압 배기가스 재순환 시스템으로서 구성되고, 즉, EGR 라인이 터빈의 하류(저압 측)에서 배기가스 채널로부터 분기된다.
본 출원에서 언급된 본 발명의 다양한 실시예가 개별적으로 다르게 구성되지 않는 한, 바람직하게 서로 조합될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구성에 따른 자동차의 배기가스 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구성에 따른 SCR 촉매 컨버터의 진단의 실행을 위한 흐름도를 도시한다.
이하, 본 발명이 SCR 촉매 컨버터의 진단의 예에서 설명된다. 그러나 본 발명은 마찬가지로 다른 배기가스 촉매 컨버터를 위해서도 사용될 수 있다.
도 1에는 전체적으로 도면 부호 10으로 자동차가 표시되며, 자동차는 적어도 일시적으로 희박 작동되는 내연 기관(12), 특히 트랙션 소스로서의 디젤 엔진을 통해 작동된다. 내연 기관(12)은 예를 들어 4개의 실린더를 포함하며, 이와는 다른 임의의 실린더 수도 가능하다.
내연 기관(12)은 공기 라인(14) 및 이에 연결되고 흡입 공기를 실린더에 공급하는 공기 매니폴드(16)를 통해 연소 공기를 공급받는다. 주변 공기로부터 흡입된 연소 공기는 공기 필터(18)를 통해 입자 성분이 정화된다.
또한, 자동차(10)는, 전체적으로 도면 부호 20으로 표시되고 내연 기관(12)의 배기가스의 촉매 작용식 후처리를 위한 본 발명에 따른 배기가스 시스템을 포함한다. 배기가스 시스템(20)은, 내연 기관(12)의 실린더의 개별 실린더 배출부와 전체 배기가스 채널(24)을 연결하는 배기가스 매니폴드(22)를 포함한다. 배기가스 채널(24)은 배기가스 도관 (도면 우측) 내에서 종단되고 배기가스 후처리를 위한 다양한 부품들을 포함한다.
도시된 예에서, 배기가스는 먼저 산화 촉매 컨버터(26)에 도달된다. 산화 촉매 컨버터는 배기가스 성분의 산화에 촉매 작용하는 촉매 코팅층으로 코팅된 촉매 컨버터 기재를 포함한다. 특히, 이는 미연소된 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)를 CO2 및 H2O로 변환하는데 적합하다. 또한, 산화 촉매 컨버터(26)의 촉매 코팅층은 NO2/NO 비를 증대시키기 위해, NO 및 N2O를 NO2로 산화시키도록 구성된다. 산화 촉매 컨버터(26)의 촉매 코팅층은 촉매 성분으로서, 특히 백금계 금속 Pt, Pd, Rh, Ru, Os 또는 Ir의 하나 이상의 원소 또는 이들의 조합, 특히 Pt 및/또는 Pd를 함유한다. 또한, 촉매 코팅층은, 큰 특수 표면을 갖는 기공성 세라믹 매트릭스를 포함하며 촉매 성분과 도핑된 예를 들어 제오라이트 기반의 워시코트를 포함한다. 산화 촉매 컨버터(26)의 기재는, 특히 복수의 관통 평행 유동 채널을 갖는 벌집 구조를 가진 세라믹 모노라이트 또는 금속 기재일 수 있다. 적합한 세라믹 재료는 산화 알루미늄, 코디어라이트, 멀라이트 및 실리콘 카바이드를 포함한다. 적합한 금속 기재는 예를 들어 스테인리스 강 또는 철-크롬 합금으로 제조된다.
산화 촉매 컨버터(26)의 하류에는 배기가스 촉매 컨버터, 여기서는 SCR 촉매 컨버터(28)가 배기가스 채널(24) 내에 배치된다. SCR 촉매 컨버터(28)는 산화 촉매 컨버터(26)와 마찬가지로, 금속 기반 또는 세라믹 기반, 바람직하게는 세라믹 기반의 촉매 컨버터 기재를 포함한다. 적합한 세라믹 또는 금속 재료는 산화 촉매 컨버터와 관련되어 언급된 것에 상응한다. 평행으로 관통하는 기재의 유동 채널의 내벽은 환원제의 선택적 사용 하에 질소 산화물로부터 질소로의 환원에 작용하는 SCR 촉매 코팅층으로 코팅된다. 코팅층은 다시, 큰 특수 표면(예를 들어 규산 알루미늄 기반 상의 제오라이트)을 갖는 기공성 세라믹 매트릭스 및 그 위에 분배되어 배치된 촉매 기재로 이루어진 워시코트를 포함한다. 적합한 SCR 촉매 기재는 특히 Fe, Cu, Va, Cr, Mo, W 및 이들의 조합과 같은 비귀금속을 포함한다. 이들은 제오라이트 상에 침착되고, 그리고/또는 제오라이트 금속은 이온 교환에 의해 부분적으로 상응하는 비귀금속으로 대체된다.
또한, 배기가스 시스템(20)은 환원제 계량 공급 장치(30)를 포함하며, 이를 이용하여, 환원제 또는 전구체 화합물이 환원제로부터 배기가스로 계량 공급된다. 예를 들어, 환원제는 노즐에 의해 SCR 촉매 컨버터(28)의 상류에서 배기가스 흐름 내로 제공된다. 환원제는 통상, 전구체 화합물 형태, 특히 요소 형태로 계량 공급되는 암모니아(NH3)이다. 바람직하게는, 요소는 수용성 용액 형태로 도시되지 않은 저장기로부터 공급되고 계량 공급된다. 계량 공급 장치(30) 하류에 놓인 혼합기(32) 내에서 요소가 가열된 배기가스와 혼합되고 열분해 및 가수 분해 방식으로 NH3 및 CO2로 분해된다. NH3가 SCR 촉매 컨버터(28)의 코팅층 내에 저장되어, 그곳에서 배기가스의 질소 산화물의 환원을 위해 사용된다. 계량 공급 장치(30)를 통한 환원제의 계량 공급은 통상, 도시되지 않은 제어부를 통해 수행되며, 제어부는 엔진(12)의 작동점에 따라, 특히 배기가스의 실제 NOx 농도에 따라 장치(30)를 제어한다.
배기가스 시스템(20)이 도 1과는 다르게, 다른 또는 추가의 배기가스 후처리 구성 부품, 특히 입자 배기가스 성분의 제거를 위한 입자 필터를 포함할 수 있다.
또한, 자동차(10)는, 예를 들어 샤프트를 통해, 공기 라인(14) 내에 배치된 압축기(36)와 연결되고 배기가스 채널(24) 내에 배치된 터빈(34)을 포함하는 배기가스 터보차저를 포함한다. 터빈(34)은, 압축기(36)를 구동시키고 흡입된 연소 공기를 압축하는 운동 에너지를 배기가스로부터 추출한다. 통상 압축기(36) 하류에는, 압축을 통해 생성된 열을 연소 공기로부터 추출하는 도시되지 않은 인터쿨러가 연결된다.
또한, 자동차(10)는 저압 배기가스 재순환부(LP-EGR)(38)를 포함한다. 저압 배기가스 재순환부는, 터빈(34)의 저압 측에서 그리고 SCR 촉매 컨버터(28)의 하류에서 배기가스의 부분 유동 또는 전체 유동을 배기가스 채널(24)로부터 추출하여, 압축기(36)의 저압 측에서 공기 라인(14) 내로 공급하는 배기가스 재순환 라인(40)을 포함한다. EGR 라인(40) 내에 배치된 EGR 냉각기(42)는, 가열되고 재순환된 배기가스의 냉각에 작용한다. 마찬가지로 EGR 라인(40) 내에 배치된 EGR 밸브(44)를 통해, EGR 율, 즉, 내연 기관(12)의 연소 공기 내의 재공급된 배기가스 부분이 제어될 수 있다. 통상, EGR 밸브(44)는 내연 기관(12)의 작동점에 따라 제어되며, 밸브(44)는 완전히 폐쇄된 위치(0의 EGR 율, EGR의 완전 비활성)와, 완전히 개방된 위치 사이에서 연속으로 제어될 수 있다.
배기가스 채널(24)로부터 EGR 밸브(40)의 분기점의 하류에는 배기가스 차단 수단(46)이 배치되며, 이 배기가스 차단 밸브는 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 바람직하게는 연속으로 조정될 수 있다. 배기가스 차단 수단(46)은 예를 들어 배기가스 플랩으로서 구성될 수 있다. 배기가스 차단 수단(46)은 그 폐쇄 위치에서 배기가스 라인(24)을 실제로 완전히 차단한다.
모든 배기가스 촉매 컨버터와 같이, SCR 촉매 컨버터(28)도 노후화에 따른 촉매 작용 활성의 악화를 겪는다. 이러한 이유에서, 촉매 작용 활성의 허용 불가능한 감소를 결정하기 위해, 그리고 환원제의 정확한 계량 공급을 보장하기 위해, SCR 촉매 컨버터(28)의 지속적인 진단이 요구된다. 본 발명에 따르면, SCR 촉매 컨버터(28)의 진단은 SCR 촉매 컨버터 상류에 배치된 NOx 센서(48)에 의해 수행된다. 바람직하게는, 센서(48)는 환원제 계량 공급 장치(30)의 상류에, 그리고 특히 바람직하게는, 산화 촉매 컨버터(26)의 상류에 배치된다. NOx 센서(46)의 엔진 측 배치에 의해, 엔진(12)의 냉간 시동 후에 작동성의 빠른 도달이 달성된다. NOx 센서(46)의 출력 신호(NOX1, NOX2)는 입력 변수로서 진단 장치(50) 내로 제공된다. 또한, 진단 장치(50)는 자동차(10) 및 내연 기관(12), 특히, 자동차 속도(v_Fzg) 및 운전자를 통해 가속 페달 작동 방식으로 요구된 희망 토크(M_w)의 실제 작동점에 관한 정보를 얻을 수 있다. 이들에 따라, 그리고 경우에 따라 다른 변수에 따라, SCR 촉매 컨버터(28)의 진단이 본 발명에 따른 방법에 따라 실행된다. 이러한 목적을 위해, 진단 장치는 제어 신호를 전송하는데(도 1에서 실선 화살표로 표시됨), 이 제어 신호를 이용하여, EGR 밸브(44), 배기가스 플랩(46) 및 내연 기관(12)으로의 연료 공급이 제어된다.
이하, SCR 촉매 컨버터(28)의 진단을 위한 본 발명에 따른 방법의 바람직한 진행이 도 2를 참조로 상세히 설명된다.
방법은 단계(S1)에서 개시되며, 오버런 위상이 제시되었는지, 즉, 자동차의 현재 운동 에너지가 실제로 운전자에 의해 요구된 토크(M_w)보다 큰지의 여부에 대해 자동차(10)의 작동점이 검사되는 단계(S2)로 진행된다. 자동차의 오버런 위상의 제시의 결정을 위해, 진단 장치(50)는 예를 들어 운전자에 의해 요구된 주행 토크(M_w) 및 실제 자동차 속도(V_Fzg)를 평가할 수 있다. 그러나 대안적으로, 진단 장치(50)는 통상의 엔진 제어부로부터 상응하는 오버런 위상 신호를 직접 획득할 수도 있다. 질의(S2)에서 자동차(10)의 오버런 위상이 확인되지 않을 경우, 방법은 중단되고 단계(S1)로 되돌아간다.
다른 경우에, 자동차의 오버런 위상이 인식될 경우, 방법은, 질소 산화물(NOX1)에 대한 배기가스의 제1 농도의 측정이 NOx 센서(48)에 의해 수행되는 단계(S3)로 진행한다. 이로써, 제1 NOx 농도(NOX1)는 점화된 작동 중에 SCR 촉매 컨버터(28)의 입구에 존재하는 내연 기관(12)의 NOx 처리 전 배출에 상응한다.
그 다음, 방법은, 내연 기관(10)의 연료 차단이 수행되는, 즉, 분사되는 연료량(KS)이 0으로 설정되는 단계(S4)로 진행한다. 동시에, 도 1에 도시되지 않은 내연 기관(12)의 공기 라인(14) 내의 스로틀 밸브가 개방되어 유지된다.
이어지는 단계(S5)에서, 배기가스 재순환이 LP-배기가스 재순환 시스템(38)을 통해 안내된다. 이러한 목적을 위해, 배기가스 플랩(AK)(46)이 폐쇄되고, EGR 라인(40)의 EGR 밸브(44)가 최대로 개방된다. EGR 라인(40)을 통해 재순환된 배기가스의 공급은 오버런 위상에서 자동차(10)에 의해 드래그되는 내연 기관(12)을 통해 수행된다.
이어지는 단계(S6, S7)는 타이머 함수에 상응한다. 이를 위해, 단계(S6)에서 시간 카운터(Δt)가 미리 결정된 증분(Δ)만큼 증가된다. 이어지는 질의(S7)에서, 시간 카운터(Δt)가 미리 결정된 대기 시간(T)에 도달되었는지의 여부가 검사된다. 적어도 대기 시간(T)은, 배기가스가 NOx 농도(NOX1)의 측정 이후 단계(S3)에서 NOx 센서(48)에 다시 도달할 때까지의 배기가스 순환 시간에 상응하도록 미리 결정된다. 시간 카운터(Δt)가 대기 시간(T)보다 작을 경우, 즉, 단계(S7)의 질의가 부정일 경우, 카운터(Δt)가 상응하게 높게 카운팅되도록, 방법은 단계(S6)로 돌아간다.
카운터(Δt)가 대기 시간(T)에 도달할 경우, 즉, 질의(S7)이 긍정일 경우, 방법은, NOx 센서(48)에 의해 배기가스의 NOx 농도의 새로운 측정이 수행되는 단계(S8)로 진행한다. 단계(S6, S7) 형태의 선행 대기 루프를 통해, 단계(S8)의 측정 시점에서 농도 측정이 이미 SCR 촉매 컨버터(28)를 관류한 배기가스 내의 센서(48)를 통해 수행되는 것이 보장된다. 바람직하게는, 단계(S8)에서의 측정은, 단계(S3) 내의 농도 측정의 기초를 이루는 동일한 배기가스 부피로 수행된다. 이로써, 단계(S8)에서 측정된 NOx 농도(NOX2)는 SCR 촉매 컨버터(28)의 하류에 존재하는 농도에 상응한다.
단계(S9)에서, 단계(S3, S8)에서 측정된 제1 NOx 농도(NOX1) 및 제2 NOx 농도(NOX2)의 함수로서 SCR 촉매 컨버터(28)의 상태의 결정이 수행된다. 예를 들어, 이하의 방정식에 따른 효율(η) 형태로 촉매 컨버터 상태가 결정될 수 있다.
Figure pct00002
이상적으로 온전한 SCR 시스템에서, NOx 농도(NOX2)는 오버런 위상 중에 거의 0이며, 효율(η)은 거의 1이다. 이에 반해, 완전히 비활성인 SCR 시스템에서 NOX2는 NOx 처리 전 배출(NOX1)의 레벨에 놓인다. 이 경우에, 효율(η)은 거의 0이다.
이어지는 질의 단계(S10)에서, 결정된 촉매 컨버터 상태(η)와 바람직한 임계값(ηsw)과의 비교가 수행된다. 손상된 SCR 촉매 컨버터(28)의 경우에, 질의(S10)에서 임계값보다 낮게 효율의 하회가 결정되고, 단계(S11)에서 에러 신호가 출력된다. 이에 반해, 결정된 효율이 사전 설정된 임계값보다 높을 경우, SCR 시스템은 만족스럽게 작동하며, 방법은 다시 시작점으로 복귀한다.
10: 자동차
12: 내연 기관
14: 공기 라인
16: 공기 매니폴드
18: 공기 필터
20: 배기가스 시스템
22: 배기가스 매니폴드
24: 배기가스 채널
26: 산화 촉매 컨버터
28: 배기가스 촉매 컨버터/SCR 촉매 컨버터
30: 환원제 계량 공급 장치
32: 혼합기
34: 터빈
36: 압축기
38: 저압 배기가스 재순환부
40: 배기가스 재순환 라인
42: EGR 냉각기
44: EGR 밸브
46: 배기가스 차단 수단
48: NOx 센서
50: 진단 장치
NOX1: 점화된 작동 중에 배기가스 성분의 제1 농도
NOX2: 비점화 작동 중에 배기가스 성분의 제2 농도
M_w: 요구된 주행 토크
V_Fzg: 자동차 속도
η: 촉매 컨버터 상태/촉매 컨버터 효율
ηsw: 임계값
Δt: 시간 카운터
Δ: 시간 증분

Claims (10)

  1. 자동차(10)의 내연 기관(12)의 배기가스 시스템(20) 내에 배치되며 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터(28)를 진단하는 방법으로서, 배기가스 시스템(20)은 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상류에 배치된 배기가스 센서(48) 및 배기가스 재순환 시스템(38)을 가지며, 배기가스 재순환 시스템은, 배기가스 촉매 컨버터(28) 하류에서 배기가스 시스템(20)의 배기가스 채널(24)로부터 배기가스의 적어도 일부를 추출하여 내연 기관(12)으로 공급하도록 구성되며, 상기 방법은,
    스로틀이 열린 상태에서 내연 기관(12)의 작동 중에 배기가스 센서(48)를 이용하여 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상류에서 배기가스 성분의 제1 농도(NOX1)를 측정하는 단계와,
    스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관(12)의 오버런 작동 중에 배기가스의 적어도 일부가 배기가스 재순환 시스템(38)을 통해 재순환되는 단계와,
    스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관(12)의 오버런 작동 중에 배기가스 센서(48)를 이용하여 배기가스 성분의 제2 농도(NOX2)를 측정하는 단계와,
    배기가스 성분의 상기 제1 및 제2 농도(NOX1, NOX2)에 따라 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상태를 결정하는 단계를 포함하는, 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서, 배기가스 성분은 질소 산화물(NOx)을 포함하고, 배기가스 촉매 컨버터(28)는 NOx 촉매 컨버터 또는 SCR 촉매 컨버터이며, 배기가스 센서(48)는 NOx 센서인 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서, 자동차(10)의 오버런 위상의 결정 후에 배기가스 성분의 제1 농도(NOX1)의 측정이 스로틀이 닫혀 있는 상태에서의 내연 기관(12)의 오버런 작동이 개시되기 전에 수행되는 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  4. 제1항에 있어서, 배기가스 성분의 제2 농도(NOX2)의 측정은 미리 결정된 대기 시간(T)의 경과 후 스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관(12)의 오버런 작동 중에 수행되는 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  5. 제4항에 있어서, 대기 시간(T)은 적어도, 배기가스 성분의 제1 농도(NOX1)의 측정 이후의 배기가스 순환 시간에 상응하게 미리 결정되는 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  6. 제1항에 있어서, 스로틀이 닫힌 상태에서 내연 기관(12)의 오버런 작동 중에, 전체 배기가스가 배기가스 재순환 시스템(38)을 통해 재순환되는 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  7. 제1항에 있어서, 배기가스 재순환 시스템(38)을 통한 배기가스의 재순환은 배기가스 재순환 시스템(38)의 배기가스 재순환 라인(40)의 분기점의 하류에 배치된 배기가스 차단 수단(46)의 폐쇄를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는, 진단 방법.
  8. 내연 기관(12)과,
    배기가스 채널(24)과; 배기가스 채널(24) 내에 배치되며 하나 이상의 배기가스 성분을 변환하기에 적합한 배기가스 촉매 컨버터(28)와; 배기가스 촉매 컨버터(28)의 상류에 배치된, 배기가스 성분을 검출하기 위한 배기가스 센서(48);를 구비한 배기가스 시스템(20)과,
    배기가스 촉매 컨버터(28)의 하류에서 배기가스 채널(24)로부터 배기가스의 적어도 일부를 추출하여 내연 기관(12)으로 공급하도록 구성된 배기가스 재순환 시스템(38)과,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 배기가스 촉매 컨버터(28)의 진단 방법을 실행하기 위해 구성된 진단 장치(50)를 포함하는 자동차(10).
  9. 제8항에 있어서, 배기가스 재순환 시스템(38)의 배기가스 재순환 라인(40)의 분기점의 하류에 배치되는 배기가스 차단 수단(46)을 더 포함하는 자동차.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 자동차는 배기가스 채널(24) 내에 배치된 터빈(34)을 구비한 배기가스 터보차저(34, 36)를 더 포함하며, 배기가스 재순환 시스템(38)은 저압 배기가스 재순환 시스템으로서 구성되는, 자동차.
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