KR20180067308A - 차량의 냉시동시 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

차량의 냉시동시 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법은, 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스를 정화하는 촉매의 활성화 제어 방법으로서, 냉시동 구간인지 여부를 판단하는 단계와, 온도 센서를 이용하여 상기 촉매의 열화 수준을 계산하는 단계, 및 상기 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시키는 단계를 포함한다.

Description

차량의 냉시동시 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING CATALYST ACTIVATION WHEN COLD START OF VEHICLE}
본 발명은 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시키는 차량의 냉시동시 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기 가스 중에는 인체에 유해한 CO, HC 및 NOx 등의 성분이 다량으로 함유되어 있어 이를 그대로 대기로 방출하는 경우 대기오염을 유발하게 된다.
이에, 차량에는 배기 가스 중의 유해 물질을 정화하기 위한 배기 가스 후처리 시스템이 구비되는 바, 배기 가스 후처리 시스템은 배기 파이프의 도중에 촉매 장치를 설치하여 배기 가스 중의 유해 성분을 촉매 작용으로 정화한다.
한편, 촉매 장치가 정화기능을 발휘하기 위해서는 촉매의 활성화가 이루어져야 하는데 촉매가 제기능을 발휘하기 위한 활성화 온도는 대략 300 ~ 400℃ 이상에 도달해야하는 것으로 알려져 있다.
그러나, 엔진의 시동 초기 냉간 상태에서는 배기 가스의 온도가 낮고 냉각수의 온도가 낮기 때문에, 촉매가 촉매가 가열되어 활성화 온도에 도달하기까지에는 어느 정도 시간이 걸리게 된다.
따라서, 차량의 냉간 시동 상태 하에서는 촉매 장치가 제기능을 발휘하지 못해 촉매 장치에 의해 정화 처리되지 않은 배기 가스가 대량으로 배출되므로 대기오염의 중요한 요인이 되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치 및 방법은 촉매 열화 정도에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 촉매 온도를 증가시켜 촉매 성능을 확보하기 위한 촉매 활성화 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법은, 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스를 정화하는 촉매의 활성화 제어 방법으로서, 냉시동 구간인지 여부를 판단하는 단계와, 온도 센서를 이용하여 상기 촉매의 열화 수준을 계산하는 단계, 및 상기 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시키는 단계를 포함한다.
상기 촉매 열화 수준은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식1]
촉매 열화 수준 = Σexp(R/Ti) x ti
여기서, R은 촉매열반응계수이고, Ti는 촉매 중간 온도이며, ti는 시간이다.
상기 촉매 열화 수준이 높을수록 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킬 수 있다.
상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써 배기가스 온도가 증가될 수 있다.
상기 점화 타이밍 지각 수준은 상기 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킬 수 있다.
상기 냉시동 구간은 엔진 아이들(idle) 구간 및 부분 부하(part-load) 구간일 수 있다.
상기 촉매는 삼원촉매(TWC, three way catalyst)일 수 있다.
상기 차량은 가솔린 차량을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치는, 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계와, 상기 배기계에 촉매를 공급하는 촉매 컨버터(catalyst converter), 및 냉시동 구간인지 여부를 판단하고, 온도 센서를 이용하여 상기 촉매의 열화 수준을 계산하여 상기 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시키는 제어부를 포함한다.
상기 촉매 열화 수준은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식1]
촉매 열화 수준 = Σexp(R/Ti) x ti
여기서, R은 촉매열반응계수이고, Ti는 촉매 중간 온도이며, ti는 시간이다.
상기 제어부는 상기 촉매 열화 수준이 높을수록 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써 배기가스 온도를 증가시킬 수 있다.
상기 제어부는 점화 타이밍 지각 수준을 상기 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킬 수 있다.
상기 냉시동 구간은 엔진 아이들 구간 및 부분 부하 구간일 수 있다.
상기 촉매 컨버터는 삼원촉매를 포함할 수 있다.
상기 차량은 가솔린 차량을 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법 및 장치에 의해서, 삼원촉매(TWC, three way catalyst)와 같은 촉매의 열화 특성을 반영하여 점화 타이밍 지각 수준을 변경시킴으로써, 촉매의 배기가스 정화 성능을 개선시킬 수 있다.
특히, 냉시동시 점화 타이밍 지각 수준을 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킴으로써, 충분한 촉매 온도 확보로 인해 배기가스 배출(EM slip)을 억제(또는 최소화)할 수 있다. 이와 동시에 연비 손실의 최소화를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법에서, 점화 타이밍 수준을 지각시켜 배기가스 온도를 증가시키는 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법에서, 시간에 따른 촉매 열화 수준 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치 및 방법에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 장치는 배기계(120)와, 촉매 컨버터(130)와, 온도 센서(132)와, 제어부(140)를 포함한다.
배기계(120)는 엔진(110)에서 발생한 배기가스를 배출하며, 촉매 컨버터(130)는 배기계(120)에 촉매를 공급한다. 촉매 컨버터(130)에는 촉매 온도를 센싱하는 온도 센서(132)가 구비된다.
엔진(110)은 가솔린을 원료로 하는 CVVT(Continuous Variable Valve Timing), DOHC(Double Over Head Camshaft), CVT(Continuous Valve Timing), GDI(Gasoline Direct Injection), MPI(Multi Point Injection) 엔진 등이 될 수 있다. 물론, 이러한 가솔린 엔진 외에도, 디젤을 연료로 하는 엔진, 가스를 연료로 하는 엔진 등에도 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있다.
배기계(120)는 일반적으로 엔진에서 발생한 배출 가스를 배출하는 배기 머플러가 되나, 이외에도 매니폴드, 촉매기 등으로 구성될 수 있다.
촉매 컨버터(130)는 배기 가스와 산화 환원 반응을 하는 촉매(미도시)와 이 촉매를 히팅(가열)하는 히터(미도시) 등을 포함하여 구성된다. 촉매 컨버터(130)는 삼원촉매(TWC, three way catalyst)를 포함할 수 있다.
제어부(140)는 냉시동 구간인지 여부를 판단하고, 온도 센서(132)로부터 검출된 촉매 온도를 이용하여 촉매의 열화 수준을 계산한다.
마일리지가 증가함에 따라 촉매의 성능은 점차적으로 저하되는데, 이를 촉매의 열화라고 하며, 화학적 비활성화, 열적 비활성화에 의해 이러한 촉매 열화가 발생될 수 있다. 특히, 가솔린 촉매의 경우 열화의 주된 원인은 고온 노출에 의한 열적 열화이며, 열화에 의해 활성화 온도(LOT; Light-Off Temperature) 상승 및 변환(conversion) 효율성 감소로 나타난다.
제어부(140)는 촉매 열화 수준에 따라 점화 타이밍(spark ignition timing) 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시킨다.
제어부(140)는 촉매 열화 수준이 높을수록 점화 타이밍 지각 수준을 증가시키며, 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써 배기가스 온도를 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부(140)는 점화 타이밍 지각 수준을 엔진의 최대 토크(torque)가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법에서, 점화 타이밍 수준을 지각시켜 배기가스 온도를 증가시키는 예를 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법에서, 시간에 따른 촉매 열화 수준 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법은 우선, 냉시동 구간인지 여부를 판단한다(S201). 냉시동 구간은 엔진 아이들(idle) 구간 및 부분 부하(part-load) 구간일 수 있다.
냉시동 구간에는 배기가스 온도가 낮아 엔진에서 나오는 배출 가스들이 촉매 컨버터에서 정화가 되지 않아 배출 가스 정화가 이루어지기 어렵다. 냉시동 구간에서 히팅 기간을 최소화하여 엔진 배출 가스 중 일산화탄소 및 탄화수소의 배출을 줄이고, 부분 부하 구간에서 히팅을 구현하여 촉매 컨버터에서의 배출 가스 정화 성능을 높일 수 있다.
그 후, 온도 센서를 이용하여 촉매의 열화 수준을 계산한다(S202).
촉매 열화 수준은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식1]
촉매 열화 수준 = Σexp(R/Ti) x ti
여기서, R은 촉매열반응계수이고, Ti는 촉매 중간 온도이며, ti는 시간이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마일리지(ti, damage time)가 증가할수록 촉매의 성능(촉매 활성)은 점차 낮아지며, 이는 촉매의 열화 수준을 나타낸다.
그 후, 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시킨다(S203).
촉매 열화 수준이 높을수록 점화 타이밍 지각 수준을 증가시키며, 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써, 배기가스 온도가 상승된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 차량 시동 후 따라 배기가스 온도가 상승하며 촉매 활성화 온도에 다다르기까지 소정의 시간이 소요된다. 촉매 열화 수준이 높을수록 점화 타이밍 지각 수준을 증가시켜 배기온도가 더욱 상승하도록 할 수 있다. 이 때, 점화 타이밍 지각 수준을 엔진의 최대 토크(torque)가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킬수록 토크가 감소하고 배기가스 온도가 더욱 상승할 수 있다. 배기가스의 온도를 상승시킴으로써, 촉매가 활성화되는 데에 필요한 온도를 확보할 수 있다.
이와 같이, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 활성화 제어 방법 및 장치에 의해서, 삼원촉매(TWC, Three Way Catalyst)와 같은 촉매의 열화 특성을 반영하여, 점화 타이밍 지각 수준을 변경시킴으로써, 촉매의 배기가스 정화 성능을 개선시킬 수 있다.
특히, 냉시동시 점화 타이밍 지각 수준을 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시킴으로써, 충분한 촉매 온도 확보로 인해 배기가스 배출(EM slip)을 억제(또는 최소화)할 수 있다. 이와 동시에 연비 손실의 최소화를 가능하게 할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
110: 엔진
120: 배기계
130: 촉매 컨버터
132: 온도 센서
140: 제어부

Claims (16)

  1. 차량의 엔진에서 배출되는 배기가스를 정화하는 촉매의 활성화 제어 방법으로서,
    냉시동 구간인지 여부를 판단하는 단계;
    온도 센서를 이용하여 상기 촉매의 열화 수준을 계산하는 단계; 및
    상기 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시키는 단계를 포함하는 촉매 활성화 제어 방법.
  2. 제 1 항에서,
    상기 촉매 열화 수준은 하기 수학식 1에 의해 계산되는 촉매 활성화 제어 방법.
    [수학식1]
    촉매 열화 수준 = Σexp(R/Ti) x ti
    (여기서, R은 촉매열반응계수이고, Ti는 촉매 중간 온도이며, ti는 시간이다.)
  3. 제 1 항에서,
    상기 촉매 열화 수준이 높을수록 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시키는 촉매 활성화 제어 방법.
  4. 제 3 항에서,
    상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써 배기가스 온도가 증가되는 촉매 활성화 제어 방법.
  5. 제 3 항에서,
    상기 점화 타이밍 지각 수준은 상기 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시키는 촉매 활성화 제어 방법.
  6. 제 1 항에서,
    상기 냉시동 구간은 엔진 아이들(idle) 구간 및 부분 부하(part-load) 구간인 촉매 활성화 제어 방법.
  7. 제 1 항에서,
    상기 촉매는 삼원촉매(TWC, three way catalyst)인 촉매 활성화 제어 방법.
  8. 제 1 항에서,
    상기 차량은 가솔린 차량을 포함하는 촉매 활성화 제어 방법.
  9. 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계;
    상기 배기계에 촉매를 공급하는 촉매 컨버터(catalyst converter); 및
    냉시동 구간인지 여부를 판단하고, 온도 센서를 이용하여 상기 촉매의 열화 수준을 계산하여 상기 촉매의 열화 수준에 따라 점화 타이밍 지각 수준을 변화시켜 배기가스 온도를 상승시키는 제어부를 포함하는 촉매 활성화 제어 장치.
  10. 제 9 항에서,
    상기 촉매 열화 수준은 하기 수학식 1에 의해 계산되는 촉매 활성화 제어 장치.
    [수학식1]
    촉매 열화 수준 = Σexp(R/Ti) x ti
    (여기서, R은 촉매열반응계수이고, Ti는 촉매 중간 온도이며, ti는 시간이다.)
  11. 제 9 항에서,
    상기 제어부는 상기 촉매 열화 수준이 높을수록 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시키는 촉매 활성화 제어 장치.
  12. 제 11 항에서,
    상기 제어부는 상기 점화 타이밍 지각 수준을 증가시킴으로써 배기가스 온도를 증가시키는 촉매 활성화 제어 장치.
  13. 제 11 항에서,
    상기 제어부는 점화 타이밍 지각 수준을 상기 엔진의 최대 토크가 나타나는 시점보다 이후로 증가시키는 촉매 활성화 제어 장치.
  14. 제 9 항에서,
    상기 냉시동 구간은 엔진 아이들 구간 및 부분 부하 구간인 촉매 활성화 제어 장치.
  15. 제 9 항에서,
    상기 촉매 컨버터는 삼원촉매를 포함하는 촉매 활성화 제어 장치.
  16. 제 9 항에서,
    상기 차량은 가솔린 차량을 포함하는 촉매 활성화 제어 장치.
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