KR20180065024A - 내연 엔진의 배기 가스 처리 - Google Patents

내연 엔진의 배기 가스 처리 Download PDF

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미카엘 니엔호프
폴 로데츠
홍 장
하오 첸
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

내연 엔진은 촉매 변환기 및 입자 필터에 의해 처리될 수 있는 배기 가스를 이용 가능하게 한다. 상기 입자 필터의 입자 부하(210)를 결정하는 방법은 산소에 대한 상기 촉매 변환기의 저장 용량(205)을 결정하는 단계(230); 및 제어기(170)에서 결정된 저장 용량(215)에 기초하여 상기 입자 필터의 입자 부하(220)를 결정하는 단계(235)를 포함한다.

Description

내연 엔진의 배기 가스 처리
본 발명은 내연 엔진의 배기 가스를 처리하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내연 엔진의 배기 가스 스트림 내의 입자 필터에 관한 것이다.
예를 들어 자동차를 구동하도록 구성된 내연 엔진, 특히 왕복 피스톤 엔진은 연료와 산소의 혼합물을 연소시킨다. 이러한 상황에서, 배기 가스가 생성되고 이 배기 가스는 배출되는 오염 물질을 줄이기 위해 촉매 변환기에서 처리된다. 촉매 변환기를 효율적으로 동작시키기 위해, 배기 가스 내 산소 함량이 결정되고, 내연 엔진은 미리 결정된 연소 공기 비(람다, λ)가 설정되는 방식으로 제어된다. 배기 가스를 더욱더 정화하기 위해, 배기 가스 내 입자들, 주로 그을음을 흡수하도록 구성된 입자 필터가 추가적으로 제공될 수 있다. 특히, 증가된 온도의 배기 가스 또는 배기 가스 내에 잔류하는 특정 양의 잔류 산소를 포함할 수 있는 미리 결정된 조건 하에서, 입자 필터가 재생(regenerate)되고 여기서 입자들이 연소된다.
예를 들어, 단기 동작 모드에서만 내연 엔진이 사용되는 경우, 필요한 조건은 자동적으로 일어나지 않아서, 내연 엔진의 동작점을 변화시키는 것에 의해 입자 필터를 재생하는 것이 능동적으로 유발되어야 한다. 재생에 대한 여기(excitation)가 일어나지 않으면, 그을음 부하가 높을 때, 자연적인 재생이 일어날 수 있으며, 이 동안 과도하게 높은 온도 및 높은 온도 구배가 입자 필터에서 발생할 수 있다. 이것은 필터 재료를 용융시킬 수 있거나 또는 필터 재료에 높은 기계적 응력을 야기할 수 있다. 이들 두 효과는 필터를 돌이킬 수 없게 손상시킬 수 있다.
입자 필터의 재생을 작동시키기 위해, 입자들에 의한 부하가 보통 모델에 기초하여 결정되고, 이에 대응하여 이 부하가 미리 결정된 값을 초과하기 전에 재생하는 일이 유발된다. 이 모델은 예를 들어 엔진 속력, 엔진 부하 또는 추가적인 파라미터들에 기초하여 결정될 수 있다. 그러나 입자 필터의 입자 부하는 이러한 방식으로 측정되는 것이 아니라 대신 추적만 되기 때문에 실제 조건은 결정된 조건으로부터 벗어날 수 있다. 내연 엔진의 실제 입자 배출은 수명에 걸쳐 또는 결함으로 인해 변할 수 있으며 그 결과 상당히 부정확한 입자 부하가 결정될 수 있다.
본 발명의 목적은 개별 입자 필터의 입자 부하를 개선된 방식으로 결정하는 것이다. 본 발명은 독립 청구항의 주제에 의해 본 목적을 달성한다. 종속 청구항은 다시 바람직한 실시예를 제시한다.
내연 엔진은 촉매 변환기 및 입자 필터에 의해 처리될 수 있는 배기 가스를 이용 가능하게 한다. 상기 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법은 산소에 대한 상기 촉매 변환기의 저장 용량을 결정하는 단계; 및 결정된 저장 용량에 기초하여 상기 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 입자 부하는, 상기 촉매 변환기의 산소 저장 용량에 기초하여, 그리고 만약 적절하다면, 다른 파라미터들, 예를 들어, 배기 가스의 온도 또는 배기 가스의 공간 속도에 기초하여 결정될 수 있는 것으로 인식되어 왔다. 상기 촉매 변환기의 산소 저장 용량은 보통, 예를 들어, 모든 구동 사이클 전에 또는 동안 정기적으로 결정된다. 이것은 상기 촉매 변환기 또는 산소 센서(람다 탐침)의 영역에서 결함을 진단하기 위해 필요할 수 있다. 따라서 상기 입자 필터의 입자 부하는 거의 비용 없이 그리고 보통 추가적인 센서를 사용하지 않고 결정될 수 있다. 결정된 입자 부하는 존재하는 개별 입자 필터와 관련되어서, 그 결과 내연 엔진의 노화, 부품들 중 하나의 부품, 예를 들어, 분사기의 결함 또는 다른 결함의 영향이 본 방법의 결정 정밀도에 영향을 미치지 않거나, 단지 약간만 영향을 미친다.
특히, 여기서 디젤 엔진에 비해 압력 차에 기초하여 입자 부하를 결정하는 것은 압력 차가 낮은 것으로 인해 매우 어렵게만 가능하거나 또는 전혀 가능하지 않기 때문에 상기 방법이 스파크 점화 엔진에 사용하기에 적합하다.
일 실시예에서, 상기 촉매 변환기의 산소 저장 용량은, 제1 단계에서, 만약 적절하다면, 상기 촉매 변환기에 저장된 산소를 감소시키기 위해 과잉 연료에서 상기 내연 엔진을 동작시키는 단계; 및 제2 단계에서, 상기 촉매 변환기에 산소의 저장을 허용하기 위해 과잉 산소에서 상기 내연 엔진을 동작시키는 단계; 및 상기 제2 단계 동안 상기 촉매 변환기의 상류 및 하류의 상기 배기 가스의 산소 함량에 기초하여 상기 저장 용량을 결정하는 단계를 포함한다. 이러한 방법 단계들을 구현하기 위해, 상기 촉매 변환기의 상류에 있는 제1 람다 탐침 및 하류에 있는 제2 람다 탐침만으로도 본질적으로 충분하다. 산소 저장 용량을 결정하는 것이 쉽고 빠르게 수행될 수 있다.
컴퓨터 프로그램 제품은 이 컴퓨터 프로그램 제품이 처리 장치 상에서 실행되거나 컴퓨터 판독 가능 데이터 캐리어 상에 저장될 때 설명된 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함한다.
촉매 변환기를 갖는 내연 엔진의 배기 가스를 위한 입자 필터를 위한 제어 장치는 산소에 대한 상기 촉매 변환기의 저장 용량에 기초하여 상기 입자 필터의 입자 부하를 결정하기 위한 처리 장치를 포함하며, 상기 처리 장치는 결정된 입자 부하가 미리 결정된 임계 값을 초과하는 경우 상기 입자 필터의 재생을 유발하도록 구성된다.
상기 처리 장치는, 특히, 예를 들어, 전술한 컴퓨터 프로그램 제품에 의해, 상기 설명된 방법을 수행하도록 바람직하게 구성된 프로그래밍 가능한 마이크로 컴퓨터를 포함할 수 있다. 상기 입자 필터를 재생하는 것은 대응하는 메시지를 내연 엔진용 제어 장치에 이용 가능하게 함으로써 유발될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 상기 입자 필터 및 상기 내연 엔진용 제어 장치는 서로 통합되어서, 상기 입자 필터를 재생하는 일이 직접 유발되거나 직접 작동될 수 있다.
상기 입자 필터의 재생을 수행하기 위해, 특히 상기 내연 엔진은 배기 가스의 온도가 상승되고 및/또는 내연 엔진이 과잉 산소에서 동작되는 방식으로 작동될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 분사된 연료의 양은 내연 엔진이 유입하는 공기 질량의 함수로서 영향을 받을 수 있다. 추가적인 실시예에서, 유입 밸브 또는 유출 밸브에 대한 제어 시간, 점화 시간 또는 내연 엔진의 다른 동작 파라미터들은 배기 가스 온도를 높이거나 및/또는 배기 가스가 미리 결정된 양의 산소를 포함하는 것을 보장하기 위해 변할 수 있다.
내연 엔진을 제어하기 위한 시스템은 상기 내연 엔진의 배기 가스를 위한 입자 필터 및 촉매 변환기, 상기 촉매 변환기의 상류에서 배기 가스의 산소 함량을 결정하기 위한 제1 산소 센서(람다 탐침), 상기 촉매 변환기의 하류에서 배기 가스의 산소 함량을 결정하기 위한 제2 산소 센서(람다 탐침), 결정된 산소 함량들 중 하나의 산소 함량의 함수로서 내연 엔진의 연소 공기 비를 제어하기 위한 제1 제어 장치, 및 전술한 제2 제어 장치를 포함한다.
상기 촉매 변환기 및 상기 입자 필터는 서로 통합되어 구현되는 것이 특히 바람직하다. 상기 촉매 변환기는 3방(three-way) 촉매 변환기를 포함하는 것이 바람직하고, 용어 4방 촉매 변환기도 또한 상기 입자 필터와 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 내연 엔진을 제어하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 도면; 및
도 2는 도 1의 시스템의 촉매 변환기의 산소 저장 용량과 입자 필터의 입자 부하 사이의 관계를 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 내연 엔진(105)을 제어하기 위한 시스템(100)을 도시한다. 내연 엔진(105)은 바람직하게는 자동차를 구동하도록 구성되고, 보다 바람직하게는 스파크 점화 엔진으로 구현된다. 제1 제어 장치(110)는 내연 엔진(105), 특히 내연 엔진(105)의 동작점을 제어하도록 구성된다. 이를 위해, 내연 엔진(105)의 상이한 부품들, 예를 들어, 연소 챔버(120) 내로 미리 결정된 양의 연료를 분사하기 위한 분사기(115); 연소 챔버(120) 내의 연료와 산소의 혼합물을 미리 결정된 시간에 점화하기 위한 점화 장치(125); 연소 챔버(120) 내로 공기의 유입 시간에 영향을 주는 유입 조절 수단(130); 연소 챔버(120)로부터 배기 가스의 유출 시간에 영향을 주기 위한 유출 조절 수단(135); 및 만약 적절하다면, 또한 다른 부품들에 영향을 줄 수도 있다. 제어하는 것은, 내연 엔진(105)에서 측정된 값들, 예를 들어, 출력 샤프트(140)의 회전 속력, 내연 엔진(105)의 부품의 온도, 또는 내연 엔진(105) 또는 내연 엔진(120)에 유입되는 공기의 질량에 기초하여 수행될 수 있다.
연소 챔버(120)로 유입된 공기에 포함된 연료와 산소가 연소하는 동안, 배기 가스(145)가 생성되고, 이 배기 가스는 시스템(100)에 의해 처리되고, 특히 정화될 수 있다. 시스템(100)은, 특히, 바람직하게는 3방 촉매 변환기로서 구현되는 촉매 변환기(150), 및 도시된 실시예에서 촉매 변환기(150)와 통합되어 구현된 입자 필터(155)를 포함한다. 다른 실시예에서, 촉매 변환기(150) 및 입자 필터(155)는 또한 예를 들어 배기 가스(145)의 유동 방향에 대해 직렬로 연결될 수 있다. 시스템(100)은 또한 촉매 변환기(150)의 상류에 제1 산소 센서(160), 및 촉매 변환기(150) 하류에 제2 산소 센서(165)를 포함한다. 또한, 입자 필터(155)의 입자 부하를 결정하도록 구성된 제2 제어 장치(170)가 제공된다. 거기에 축적된 입자들은 내연 엔진(105)으로부터 배기 가스(145)의 스트림으로부터 흡수된다. 제2 제어 장치(170)는 바람직하게는 하나 이상의 센서 및/또는 제1 제어 장치(110)에 연결되어, 촉매 변환기(150)의 산소 저장 용량 및 바람직하게는 또한 배기 가스(145)의 온도 또는 배기 가스(145)의 공간 속도에 대한 값을 제공받는다. 이 온도는 배기 가스 전달 시스템 내의 상이한 위치들에 장착될 수 있는 전용 온도 센서(175)에 의해 검출되거나, 또는 온도 센서(175)에 기초하여 또는 모델에 기초하여 결정하는 것에 의해 온도를 결정할 수 있는 제1 제어 장치(110)로부터 획득될 수 있다. 배기 가스(145) 흐름의 공간 속도는 바람직하게는 또한 제1 제어 장치(110)에 의해 결정되고 나서 제2 제어 장치(110)에 이용 가능하게 된다.
촉매 변환기(150)의 산소 저장 용량은 바람직하게는, 제1 단계에서, 만약 적절하다면, 촉매 변환기(150)에 저장된 산소를 감소시키기 위해 과잉 연료(λ< 1)에서 내연 엔진(105)을 동작시키고, 이후 제2 단계에서, 촉매 변환기(150)에 산소의 저장을 허용하기 위해 과잉 산소(λ< 1)에서 내연 엔진(105)을 동작시키고, 제2 단계 동안 촉매 변환기(150)의 상류 및 하류의 배기 가스(145)의 산소 함량에 기초하여 산소에 대한 촉매 변환기(150)의 저장 용량을 결정하는 것에 의해 결정된다. 이들 단계는 대안적으로 제1 제어 장치(110) 또는 제2 제어 장치(170)에 의해 수행될 수 있으며, 이를 위해 산소 센서(160 및 165)가 이에 대응하여 제1 제어 장치(110) 또는 제2 제어 장치(170)에 연결된다. 또한, 제1 제어 장치(110)는 산소 센서(160, 165)에 의해 결정된 산소량들 중 적어도 하나의 산소량의 함수로서 내연 엔진(105)의 동작 상태를 제어하는 것이 바람직하다.
입자 필터(155)를 통해 배기 가스(145) 스트림으로부터 입자를 저장하는 것은 입자 필터(155)의 입자 부하의 함수이며, 추가적으로 배기 가스(145) 스트림의 온도 및/또는 공간 속도에 의존할 수 있다. 제2 제어 장치(170)는, 입자 필터(155)의 입자 부하를 결정하고 이 입자 부하를 미리 결정된 임계 값과 비교하도록 구성되는 것이 바람직하다. 결정된 부하가 임계 값을 초과하는 경우, 배기 가스(145)가 증가된 온도를 갖고 및/또는 미리 결정된 양의 잔류 산소가 배기 가스(145) 스트림에 위치되는 방식으로 특히 내연 엔진(105)의 동작점을 변화시키는 것에 의해 입자 필터(145)를 재생하는 것이 유발될 수 있다. 재생을 실행하는 것은 대안적으로 제1 제어 장치(110) 또는 제2 제어 장치(170)에 의해 제어될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 제어 장치(110) 및 170)들은 서로 통합되어 구현된다.
도 2는 도 1의 시스템(100)의 촉매 변환기(150)의 산소 저장 용량과 입자 필터(155)의 입자 부하 사이의 정성적 관계를 도시한다. 시간 프로파일은 수평 방향으로 도시된다. 산소 저장 용량(205) 및 입자 부하(210)는 서로 상이한 세로좌표 축들에서 수직 방향으로 도시된다. 제1 프로파일(215)은 파선으로 도시되고 촉매 변환기(150)의 산소 저장 용량(205)과 관련되며, 제2 프로파일(220)은 일점쇄선으로 도시되고 입자 필터(155)의 입자 부하(210)의 프로파일과 관련된다. 더 나은 도시를 위해, 도 2의 프로파일(215, 220)들은 수직으로 오프셋되어 도시된다.
방법(225)에서, 촉매 변환기(150)의 산소 저장 용량(205)은 시간(t1)에서 제1 단계(230)에서 결정된다. 또한, 배기 가스(145)의 온도 및/또는 그 공간 속도가 결정될 수 있다. 제2 단계(235)에서, 입자 필터(155)의 입자 부하(210)가 제1 단계(230)에서 획득된 정보에 기초하여 제2 제어 장치(170)에 의해 결정된다. 결정하는 것은, 예를 들어, 특성 다이어그램에 의해 수행될 수 있고, 여기서 특성 다이어그램의 개별 값들은 미리 실험적으로 또는 분석적으로 결정된다. 또 다른 실시예에서, 입자 부하(210)는, 예를 들어, 산소 저장 용량(205)에 기초하여 그리고 만약 적절하다면 배기 가스(145) 스트림의 온도 및/또는 공간 속도에 기초하여, 예를 들어, 만약 적절하다면, 미리 결정된 다중 파라미터 함수를 사용하여, 분석적으로 결정된다. 이 함수는 특히 다항식으로 제시될 수 있다. 입자 부하(210)를 결정하는 다른 실시예들도 제시된 파라미터들에 기초하여 가능하다.
100: 시스템 105: 내연 엔진
110: 제1 제어 장치 115: 분사기
120: 연소 챔버 125: 점화 장치
130: 유입 조절 수단 135: 유출 조절 수단
140: 출력 샤프트 150: 촉매 변환기
155: 입자 필터 160: 제1 산소 센서
165: 제2 산소 센서 170: 제2 제어 장치
175: 온도 센서 205: 산소 저장 용량
210: 입자 부하
215: 산소 저장 용량의 프로파일 220: 입자 부하의 프로파일
225: 방법
230: 산소 저장 용량을 결정하는 제1 단계
235: 입자 부하를 결정하는 제2 단계

Claims (10)

  1. 촉매 변환기(150)를 갖는 내연 엔진(105)의 배기 가스(145)를 위한 입자 필터(155)의 입자 부하를 결정하는 방법(225)으로서,
    - 산소에 대한 상기 촉매 변환기(150)의 저장 용량(205)을 결정하는 단계(230); 및
    - 결정된 저장 용량(205)에 기초하여 상기 입자 필터(155)의 입자 부하(210)를 결정하는 단계(235)를 포함하는, 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법(225).
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자 부하(210)는 또한 상기 배기 가스(145)의 온도에 기초하여 결정되는, 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법(225).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자 부하(210)는 또한 상기 배기 가스(145)의 공간 속도에 기초하여 결정되는, 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법(225).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 엔진(105)은 스파크 점화 엔진인, 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법(225).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소에 대한 상기 촉매 변환기(150)의 저장 용량을 결정하는 단계(230)는,
    - 제1 단계에서, 만약 적절하다면, 상기 촉매 변환기(150)에 저장된 산소를 감소시키기 위해 과잉 연료에서 상기 내연 엔진(105)을 동작시키는 단계;
    - 제2 단계에서, 상기 촉매 변환기(150)에 산소의 저장을 허용하기 위해 과잉 산소에서 상기 내연 엔진(105)을 동작시키는 단계; 및
    - 상기 제2 단계 동안, 상기 촉매 변환기(150)의 상류 및 하류의 상기 배기 가스(145)의 산소 함량에 기초하여 상기 저장 용량을 결정하는 단계를 포함하는, 입자 필터의 입자 부하를 결정하는 방법(225).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법(225)을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 처리 장치 상에서 실행되거나 컴퓨터 판독 가능 데이터 캐리어 상에 저장된, 컴퓨터 프로그램 제품.
  7. 촉매 변환기(150)를 갖는 내연 엔진(105)의 배기 가스를 위한 입자 필터(155)를 위한 제어 장치(170)로서,
    - 산소에 대한 상기 촉매 변환기(150)의 저장 용량(205)에 기초하여 상기 입자 필터(155)의 입자 부하(210)를 결정하기 위한 처리 장치(170)를 포함하되,
    - 결정된 입자 부하(210)가 미리 결정된 임계 값을 초과하는 경우 상기 처리 장치(170)는 상기 입자 필터(155)의 재생을 유발하도록 구성된, 제어 장치(170).
  8. 제7항에 있어서, 상기 재생은 상기 배기 가스(145)의 온도를 높이기 위해 및/또는 과잉 산소에서 상기 내연 엔진(105)을 동작시키기 위해 상기 내연 엔진(105)을 작동시키는 것을 포함하는, 제어 장치(170).
  9. 내연 엔진(105)을 제어하기 위한 시스템으로서,
    - 상기 내연 엔진(105)의 배기 가스(145)를 위한 입자 필터(155) 및 촉매 변환기(150);
    - 상기 촉매 변환기(150)의 상류에서 상기 배기 가스(145)의 산소 함량을 결정하기 위한 제1 산소 센서(160);
    - 상기 촉매 변환기(150)의 하류에서 상기 배기 가스(145)의 산소 함량을 결정하기 위한 제2 산소 센서(165);
    - 결정된 산소 함량들 중 하나의 산소 함량의 함수로서 상기 내연 엔진(105)의 연소 공기 비를 제어하기 위한 제1 제어 장치(110); 및
    - 제7항 또는 제8항에 따른 제2 제어 장치(170)를 포함하는, 내연 엔진을 제어하기 위한 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 촉매 변환기(150)와 상기 입자 필터(155)는 서로 통합되어 구현된, 내연 엔진을 제어하기 위한 시스템.
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