KR20180090759A - 오토 엔진의 배기가스 내 미립자 필터의 가열 및 재생 방법 - Google Patents

오토 엔진의 배기가스 내 미립자 필터의 가열 및 재생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 오토 엔진(10)의 배기가스 흐름 내에서 촉매 컨버터(30)의 하류에 배치된 미립자 필터(26)의 가열 및 재생을 위한 방법에 관한 것으로, 상기 오토 엔진은 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이의 배기가스 흐름에 2차 공기를 공급하기 위한 장치(50)를 구비한다. 상기 방법은, 다른 배기가스 구성 성분인 산소에 대한, 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이에 배치된 람다 센서의 횡감도(transverse sensitivity)가 보상되는 것을 특징으로 한다. 또 다른 독립 청구항들은 오토 엔진, 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것이다.

Description

오토 엔진의 배기가스 내 미립자 필터의 가열 및 재생 방법{METHOD FOR HEATING AND REGENERATING A PARTICULATE FILTER IN AN EXHAUST GAS OF AN OTTO ENGINE}
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따르는, 오토 엔진의 배기가스 흐름 내에서 촉매 컨버터의 하류에 배치된 미립자 필터를 가열하고 재생하기 위한 방법에 관한 것이며, 오토 엔진은 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이의 배기가스 흐름으로 2차 공기를 공급하기 위한 장치를 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 장치를 포함하는, 청구항 제10항의 전제부에 따른 오토 엔진, 그리고 컴퓨터 프로그램 제품 및 컴퓨터 판독가능 매체에도 관한 것이다.
상기 방법 및 상기 오토 엔진은 그 자체로는 공지된 것으로 전제된다. 최근의 엔진 제어 시스템들에서는 배기가스 내의 산소 농도의 검출을 위해, 그리고 오토 엔진의 람다 제어를 위해 람다 센서가 이용된다. 이 경우, 광대역 람다 센서 및 이산 레벨 람다 센서(discrete-level lambda sensor)가 이용된다.
일반적으로, 광대역 람다 센서는, 농후하거나 희박한 람다 값이 정확하게 측정되어야 하는 곳에서, 또는 "람다 = 1" 근처의 범위 내에서 한정된 정확도로 측정하는 것으로도 충분한 곳에서 이용된다. 광대역 람다 센서는 넓은 공기비 범위를 초과하는 공기비 람다의 측정을 가능케 한다. 이산 레벨 람다 센서의 경우, 신호가 "람다 = 1"에서 급격하게 변동되며, 그에 따라 상기 범위에서의 작은 람다 변동이 큰 신호 변동을 야기한다. 그러므로 이산 레벨 람다 센서는, 배기가스 람다가 "람다 = 1" 근처의 범위에서 높은 정확도로 측정되어야 하는 곳에서 이용된다(보쉬, 자동차 기술 편람, 23판, 524쪽 참조).
광대역 람다 센서의 전형적인 적용 분야는, 촉매 컨버터의 상류에 배치된 람다 센서의 신호를 기반으로 하는 람다 제어, 그리고 촉매 컨버터의 진단 시 산소의 유입 및 유출의 밸런싱이다. 이산 레벨 람다 센서의 전형적인 적용 분야는, 이산 레벨 람다 센서가 촉매 컨버터의 하류에 배치되는 구성에서 매우 정확한 "람다 = 1" 제어, 그리고 촉매 컨버터의 진단 시 농후 배기가스 또는 희박 배기가스의 파과(breakthrough)의 검출이다.
현재의 엄격한 배출(emission) 및 온보드 진단 요건을 위한 가솔린 구동식 오토 엔진(예: SULEV)의 전형적인 배기가스 시스템은 광대역 람다 센서와; 이 람다 센서의 하류에 배치되는 제1 삼원 촉매 컨버터와; 제1 삼원 촉매 컨버터의 하류에 배치되는 이산 레벨 람다 센서와; 이 이산 레벨 람다 센서의 하류에 배치되어 모니터링되지 않는 제2 삼원 촉매 컨버터;를 포함한다. 향후의 훨씬 더 엄격해질 배출 및 진단 요건은, 제2 촉매 컨버터도 마찬가지로 모니터링될 뿐 아니라 테일 파이프(tail pipe) 배출물 내 미립자 농도도 제한되는 배기가스 시스템을 요구할 것으로 예측할 수 있다. 그러므로 제2 삼원 촉매 컨버터는 미립자 필터와 조합되어야 하거나, 사원 촉매 컨버터라고도 지칭되는 코팅된 미립자 필터로 대체되어야 한다.
향후의 배출 및 진단 요건의 충족을 위해, 특히 오토 엔진의 배기가스 흐름 내에서 삼원 촉매 컨버터 상류의 제1 람다 센서(광대역)와; 삼원 촉매 컨버터 하류의 제2 람다 센서(광대역 또는 이산 레벨)와; 미립자 필터, 바람직하게는 촉매 코팅된 미립자 필터와; 미립자 필터의 하류에 배치되는 제3 람다 센서(이산 레벨)를 포함하는 배기가스 시스템이 고려된다. 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이에서는 추가로, 제2 람다 센서의 상류 또는 하류에서 실시될 수 있는 2차 공기 공급이 제공된다. 상기 시스템에서 제2 람다 센서의 신호는 특히, 바람직하게 코팅된 미립자 필터의 최적의 작동을 위해 이용되어야 한다. 바람직하게 코팅된 미립자 필터의 최적의 작동은 작동 온도의 신속한 도달 및 신속한 재생을 특징으로 한다.
최적의 작동은, 제2 람다 센서의 장착 위치에서의 람다와 상기 제2 람다 센서의 신호 간에 명백한 상관관계가 있다는 점을 전제로 하는데, 그 이유는 그렇지 않을 경우 상기 신호를 기반으로 하는 공기비 람다의 제어 정확도가 충분하지 않고, 과도하게 높은 배출량 또는 미립자 필터의 손상이 발생할 수 있기 때문이다. 제2 람다 센서의 신호는 일반적으로 산소에 대한 제2 람다 센서의 상이한 민감도 및 다양한 배기가스 성분들(예: CO, CO2, H2, H2O, HC, NOx)에 대한 제2 람다 센서의 횡감도(transverse sensitivity)의 영향을 받으며, 배기가스 조성은 배기가스 람다가 동일하더라도 상이한 작동 조건들에서 달라질 수 있기 때문에, 상기 전제조건은 광대역 람다 센서의 경우뿐만 아니라 이산 레벨 람다 센서의 경우에서도 통상 충족되지 않는다.
본 발명은, 그 방법 양태들과 관련하여, 청구항 제1항의 특징부의 특징들에서, 그리고 그 장치 양태들과 관련해서는 청구항 제10항의 특징부의 특징들에서, 도입부에 언급한 선행 기술과 구분된다. 컴퓨터 프로그램 제품과 관련하여 본 발명은 청구항 제11항의 특징들을 가지며, 컴퓨터 프로그램 제품과 관련해서 본 발명은 청구항 제12항의 특징들을 갖는다.
이에 따라, 방법 양태들과 관련해서, 오토 엔진 및 2차 공기 공급용 장치는 미립자 필터의 가열을 위해, 촉매 컨버터의 배출구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기 내 제1 과잉 연료를 나타내는 공기비 람다의 제1 값이 조정되고, 미립자 필터의 유입구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기의 화학량론적 조성에 상응하는 공기비 람다의 제2 값이 조정되도록 구동되며; 오토 엔진 및 2차 공기 공급용 장치는 또한 미립자 필터의 재생을 위해, 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이에서 공기비 람다의 미리 정해진 값이 달성되고, 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이의 배기가스 흐름 내에 배치되어 배기가스 구성 성분으로서의 산소를 감지하는 람다 센서의 출력 신호들이 검출되고, 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도가 측정되도록 구동되며; 공기비 람다의 값은 검출된 출력 신호들에 따라, 그리고 추가로 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도에 따라 결정되어, 오토 엔진 및/또는 장치의 제어 시 고려된다.
상기 특징들을 통해, 제1 촉매 컨버터와 코팅된 미립자 필터 사이에서 2차 공기 공급이 실시되는 배기가스 시스템의 경우, 마찬가지로 제1 촉매 컨버터와 코팅된 미립자 필터 사이에 장착된 람다 센서의 신호가 공급되며, 이 신호는 배기가스 조성과 무관하게 미립자 필터의 최적의 작동을 허용한다.
현재 배기가스 조성과 무관하게 센서 신호와 센서 위치에서의 배기가스 람다 간의 명백한 상관관계가 성립되도록, 촉매 컨버터와 코팅된 미립자 필터 사이에 배치된 람다 센서의 출력 신호를 본 발명에 따라 보정함으로써, 특히 코팅된 미립자 필터는 자신의 작동 온도의 신속한 도달과 관련하여, 그리고 시간별로 필요한 재생과 관련하여, 특히 능동적인 2차 공기 공급 시, 최적으로 작동될 수 있다.
한 바람직한 실시예는, 오토 엔진 및 2차 공기 공급용 장치가 미립자 필터의 가열을 위해, 촉매 컨버터의 배출구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기 내에서의, 적어도 제1 과잉 연료보다 더 적은 제2 과잉 연료 또는 화학량론적 값을 나타내는 공기비 람다의 제3 값이 조정되고, 미립자 필터의 유입구에서 그곳의 배기가스 분위기 내 과잉 공기에 상응하는 공기비 람다의 제4 값이 조정되고, 촉매 컨버터와 미립자 필터 사이의 배기가스 흐름 내에 배치되어 배기가스 구성 성분으로서의 산소를 감지하는 람다 센서의 출력 신호들이 검출되고, 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도가 측정되도록, 구동되며; 공기비 람다의 결정은 검출된 출력 신호들에 따라, 그리고 추가로 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도에 따라 실시되는 것을 특징으로 한다. 상기 결정은, 바람직하게는 공기비 람다의 결정 시 람다 센서의 출력 신호에 미치는 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도의 영향이 보정되도록, 다시 말해 적어도 부분적으로 배제되도록 실시된다.
또 다른 한 바람직한 실시예는, 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도가 오토 엔진의 제어 장치 내에 제공되는 측정 변수들로부터 모델링되는 것을 특징으로 한다.
센서 위치에서 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도를 고려함으로써, 람다 센서의 출력 신호에서 결정되는 람다 값의 정확도가 증대된다. 람다 제어 및 다른 기능들, 특히, 제2 람다 센서의 측정된 람다를 기반으로 하는 미립자 필터의 가열 및 재생을 위한 기능들의 품질이 향상된다. 유해물질 배출이 감소하며, 과열로 인한 미립자 필터의 손상이 방지된다.
본원의 방법은 두 촉매 컨버터 사이에 제공된 광대역 람다 센서뿐만 아니라, 상대적으로 더 비용 효율적인 이산 레벨 람다 센서를 위해서도 적용될 수 있다.
2차 공기 공급이 제2 람다 센서의 하류 및 코팅된 미립자 필터의 상류에서 실시되는, 도입부에 언급한 유형의 배기가스 시스템의 경우, 제1 값 및 제3 값이 오토 엔진의 연소실 람다의 변동을 통해 조정되는 점이 바람직하다.
또한, 상기 배기가스 시스템의 경우, 제2 값 및 제 4 값이 배기가스 흐름으로의 2차 공기의 공급 변동을 통해 조정되는 점이 바람직하다.
또한, 상기 배기가스 시스템의 경우, 또 다른 배기가스 구성 성분들의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고, 촉매 컨버터의 배출구에서의 람다가 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서의 상이한 횡감도가 고려되는 점이 바람직하다(효과 1).
2차 공기 공급이 제2 람다 센서의 상류 및 제1 촉매 컨버터의 하류에서 실시되는, 도입부에 언급한 유형의 배기가스 시스템의 경우, 제1 값 및 제3 값의 조정이, 촉매 컨버터와 람다 센서 사이에서 2차 공기의 공급이 실시될 때 연소실 람다와 2차 공기 공급의 상호 매칭된 조정을 통해 실시되는 점이 바람직하다.
또한, 상기 배기가스 시스템들의 경우, 제2 값 및 제4 값이 배기가스 흐름으로의 2차 공기의 공급 변동을 통해 조정되는 점이 바람직하다.
또한, 상기 배기가스 시스템들의 경우, 또 다른 배기가스 구성 성분들의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고; 촉매 컨버터의 배출구에서의 람다가 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서의 상이한 횡감도가 고려되며(효과 1); 추가로 산소에 대한 람다 센서의 횡감도 및 람다 센서 내에서 실시되는 수소와 산소의 예비 촉매작용이 고려되는 점이 바람직하다(효과 2).
그 밖의 장점들은 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면들에 제시된다.
상기에 언급되고 하기에 더 설명될 본 발명의 특징들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 각각 명시된 조합 형태로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다른 조합 형태로 또는 단독으로도 사용될 수 있음은 자명하다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며, 이하의 설명에서보다 상세하게 설명된다. 이 경우, 상이한 도면에서의 동일한 도면 부호는 각각 동일하거나 적어도 기능적으로 비교 가능한 요소를 나타낸다. 도면들은 각각 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 제1 배기가스 시스템을 구비한 오토 엔진을 도시한 도면이다.
도 2는 제2 배기가스 시스템을 구비한 오토 엔진을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 실시예로서 흐름도를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 1에는 공기 공급 시스템(12), 제1 배기가스 시스템(14.1), 및 제어 장치(16)를 구비한 오토 엔진(10)이 도시되어 있다. 공기 공급 시스템(12) 내에는 공기 질량 센서(18)와, 공기 질량 센서(18) 하류에 배치된 스로틀 밸브(19)가 위치한다. 공기 공급 시스템(12)을 통해 오토 엔진(10) 내로 유동하는 공기는 오토 엔진(10)의 연소실(20) 내에서 가솔린과 혼합되고, 이러한 가솔린은 분사 밸브(22)를 통해 연소실(20) 내로 직접 또는 연소실의 흡입 밸브 상류에서 분사된다. 이렇게 얻어진 연소실 충전 연료는 점화 장치(24), 예를 들어 점화 플러그에 의해 점화되고 연소된다. 회전각 센서(25)는 오토 엔진(10)의 샤프트의 회전각을 검출하고, 이를 통해 제어 장치(16)가 샤프트의 사전 결정된 각도 위치에서 점화를 개시하도록 한다. 운전자 요구 센서(38)는 가속 페달 위치와, 이에 따른 운전자의 토크 요구를 검출하고, 토크 요구를 나타내는 신호를 제어 장치(16)에 전달한다.
제어 장치(16)는 입력 신호와(이러한 입력 신호 중에는 단지 예시로서만 언급되는 신호들과는 다른 신호들도 있음), 특히 오토 엔진이 요구된 토크를 생성하도록 하는, 오토 엔진의 액츄에이터를 위한 트리거링 신호를 형성한다. 연소로 인해 발생하는 배기가스는 제1 배기가스 시스템(14.1)을 통해 배출된다. 제어 장치(16)는 본 발명에 따른, 즉, 제10항의 내용을 포함하는 기계 판독가능한 형태의 컴퓨터 프로그램 제품(16.2)이 저장된 컴퓨터 판독가능 매체(16.1), 예를 들어 메모리 칩을 포함한다.
제1 배기가스 시스템(14.1)은 삼원 촉매 컨버터(30)와, 배기 가스 흐름 내에서 삼원 촉매 컨버터(30)의 하류에 배치되는 가솔린 미립자 필터(26)를 포함한다. 가솔린 미립자 필터(26)는 다공질 필터 재료로 이루어진 내부 벌집 구조를 가지며, 이러한 다공질 필터 재료는 배기 가스(28)에 의해 관류되며 배기 가스(28) 내에 함유된 미립자를 거른다.
이러한 미립자 필터는 미립자 필터 효과에 부가하여 삼원 촉매 컨버터의 효과도 갖도록 촉매 코팅된 필터 재료를 갖는 미립자 필터에 기초한다. 삼원 촉매 컨버터는 3가지 반응 경로로 3가지 배기가스 구성 성분, 즉 질소 산화물, 탄화 수소 및 일산화탄소를 변환하는 것으로 알려져 있다. 미립자 필터 효과는 4번째 경로이며, 이는 사원 촉매 컨버터라는 명칭의 기초가 된다. 하기에 미립자 필터가 언급되어 있다면, 이는 촉매 코팅된 필터 재료를 갖는 미립자 필터 뿐만 아니라 그러한 코팅이 제공되지 않은 미립자 필터도 의미한다.
미립자 필터(26)의 미립자 포집은 배기 가스(28)에 대한 유동 저항을 상승시키고, 따라서 가솔린 미립자 필터(26)에 대해 설정되는 차압을 상승시킨다. 차압은 예를 들어 차압 센서(29)로 측정되고, 그 출력 신호가 제어 장치로 전달되거나, 제어 장치 내에 존재하는 정보들(측정값 및/또는 제어 변수)로부터 연산 모델에 의해 차압이 계산된다. 제어 장치(16)로부터 알려진 배기 가스 질량 흐름과 차압을 토대로 유동 저항이 연산 또는 특성 곡선 액세스를 통해 도출된다. 삼원 촉매 컨버터(30)의 상류에서는 삼원 촉매 컨버터(30)의 직전에, 배기 가스에 노출된 전방 람다 센서(32)가 배치되어 있다. 미립자 필터(26)의 하류에서는 미립자 필터(26)의 직후에, 마찬가지로 배기 가스에 노출된 후방 람다 센서(34)가 배치되어 있다. 전방 람다 센서(32)는 바람직하게는 넓은 공기비 영역에 걸쳐 공기비 람다의 측정을 가능하게 하는 광대역 람다 센서이다. 후방 람다 센서(34)는 바람직하게는, 람다 센서의 신호가 급변하기 때문에 공기비 람다 = 1을 매우 정확하게 측정할 수 있는 소위 이산 레벨 람다 센서이다(보쉬, 자동차 기술 편람, 23판, 524쪽 참조).
제어 장치(16)에 의해 제어되는 2차 공기 공급용 장치(50), 예를 들어 2차 공기 펌프는, 오토 엔진이 제1 촉매 컨버터(30)에서의 오염 물질 변환에 불리한 과잉 공기로 작동될 필요없이, 미립자 필터(26)를 작동 준비 상태[예를 들어 촉매 코팅의 라이트 오프(light off) 온도]로 급속 가열하기 위한 충분한 공기중 산소를 제공하고, 미립자 필터의 효과적인 재생을 제공하기 위해, 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이의 공기를 제1 배기가스 시스템(14.1)으로 유입하도록 설계되고 배치된다. 제어 유닛(16)은 공기 질량 센서(18), 회전각 센서(25), 차압 센서(29), 전방 람다 센서(32), 후방 람다 센서(34), 그리고 선택적으로 존재하는, 미립자 필터의 온도를 검출하는 온도 센서(36)의 신호를 처리하며, 이로부터 스로틀 밸브(18)의 각도 위치의 설정과; 점화 장치(20)를 통한 점화의 개시와; 분사 밸브(22)를 통한 연료의 분사와; 2차 공기 펌프(50)의 트리거링;을 위한 트리거링 신호를 생성한다. 선택적으로 또는 부가적으로, 제어 장치(16)는 도시된 액츄에이터의 트리거링 또는 추가 액츄에이터나 다른 액츄에이터의 트리거링을 위한 다른 센서나 추가 센서의 신호들도 처리한다.
도 2에는 제2 배기가스 시스템(14.2)을 갖는 도 1의 장치가 도시된다. 두 배기가스 시스템들(14.1 및 14.2)은, 제2 람다 센서(34)가 제1 배기가스 시스템(14.1)의 경우에는 2차 공기 공급부의 입구(52) 상류에 배치되고, 제2 배기가스 시스템의 경우에는 2차 공기 공급부의 입구(52) 하류에 배치되는 점에서 상이하다. 그 외에는 두 배기가스 시스템(14.1 및 14.2)이 동일하다. 이 점에 있어서, 도 1의 설명은 도 2에도 적용된다. 두 배기가스 시스템에서는 공통적으로 2차 공기 공급이 촉매 컨버터(30)의 하류 및 미립자 필터(26)의 상류에서 실시된다.
미립자 필터(26)를 그의 작동 온도로 더 신속하게 가열하기 위해, 연소실 혼합물이 농후할 때 미립자 필터(26) 이전의 2차 공기 공급부를 통해, 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26)에서의 발열 반응이 야기된다. 이 경우, 불필요한 배출을 방지하기 위해, 미립자 필터(26) 이전에 평균 배기가스 람다 1이 가급적 정확하게 준수되어야 한다.
미립자 필터(26)의 온도가 충분히 높을 때, 과잉 산소에 의해 그을음 포집량(soot load)의 연소와 이로 인한 미립자 필터(26)의 재생이 달성된다. 이를 위해, 미립자 필터(26) 이전에는 정의된 희박한 람다가 유지되어야 한다. 이와 동시에 촉매 컨버터(30)에서의 최대한 양호한 변환을 보장하기 위해, 재생 중에 연소실 람다 1이 설정된다.
미립자 필터(26)의 가열을 위해, 촉매 컨버터(30)의 하류에는 농후한 배기가스 분위기, 예를 들어 0.9의 람다값이 설정되어야 한다. 이와 동시에, 미립자 필터(26)의 유입구에서는 화학량론적으로 조성된(람다 = 1) 배기가스 분위기가 조성되어야 한다.
미립자 필터(26)의 재생을 위해, 촉매 컨버터(30)의 바로 하류에서는 화학량론적으로 조성되거나(람다 = 1), 약간 농후한(예를 들어 람다 = 0.99) 배기가스 분위기가 조성되어야 한다. 이와 동시에, 미립자 필터(26)의 유입구에서는 희박하게 조성된(예를 들어 람다 = 1.1) 배기가스 분위기가 조성되어야 한다.
2차 공기 공급부가 제2 람다 센서(34)의 하류에 배치되는지(도 1의 제1 배기가스 시스템) 아니면 제2 람다 센서(34)의 상류에 배치되는지(도 2의 제2 배기가스 시스템)에 따라, 제2 람다 센서(34)는 여러 가지 과제를 수행한다.
제1 배기가스 시스템에서는, 제2 람다 센서에 의해 목표 람다가 촉매 컨버터(30)의 하류에서 폐회로 제어 방식으로 제어된다. 이러한 제어는 연소실 람다를 상응하게 설정한다. 2차 공기 펌프(50)는, 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26) 이전에 화학량론적 배기가스 조성(람다 = 1)이 설정되도록 제어 장치(16)에 의해 개회로 제어 방식으로 제어된다. 제2 배기가스 시스템에서, 제2 람다 센서(34)에 의해서는 목표 람다가, 코팅된 미립자 필터(26)의 바로 상류에서 폐회로 제어 방식으로 제어된다. 이러한 제어는 연소실 람다 뿐 아니라 2차 공기 공급도 상응하게 설정한다.
산소 농도를 정확하게 안내해야하는 각각의 과제를, 제2 람다 센서(34)는 제2 람다 센서(34)의 장착 위치에서 우세한 람다 실제값과 이러한 람다 센서(34)의 신호 사이에 명확한 상관관계가 존재할 때에만 충분히 정확하게 수행할 수 있다. 그러나 대개의 경우 그렇지 못하다. 제2 람다 센서(34)의 장착 위치에서의 배기가스 조성에 따라, 제2 람다 센서는 람다 실제값이 동일함에도 상이한 출력 신호들을 가질 수 있다.
예시적으로, 하기에는 이에 대한 가능한 원인으로 고려될 수 있는 두 가지 효과가 설명된다.
효과 1 : 삼원 촉매 컨버터 뒤에서는 람다가 일정하게 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소(H2)와 일산화탄소(CO) 사이의 비가 설정된다. 그 원인은, 배기가스 중의 HC와 O2로부터 생성된 물이 CO와 반응하여 H2와 CO2를 생성하고, 촉매 컨버터가 (지속적으로) 반응 평형 상태를 취할 수 없게 되는 수성 가스 전화 반응(water-gas-shift reaction)에 있다. 람다 = 1 또는 희박한 람다로부터 일정하게 농후한 람다로의 변경 이후에, 촉매 컨버터는 우선, 반응 평형 상태에 대략 상응하는 양의 H2를 공급한다. 그러나, 시간이 지남에 따라 제1 촉매 컨버터는 H2에 비해 명백히 너무 많은 CO를 공급하게 된다. H2와 CO에 대한 상이한 횡감도로 인해, 삼원 촉매 컨버터 뒤의 람다 센서는 차후에 제2 람다 센서의 장착 위치에서의 람다 실제값이 일정하더라도 시간에 따라 심하게 변동하는 신호를 출력한다.
효과 2 : 2차 공기 공급이 활성화되면, H2, CO, 및 O2에 대한 람다 센서의 상이한 횡감도에 대해, 센서 내에서 H2와 O2의 예비 촉매작용이 효과적이다. 존재하는 O2 중 소량만이 센서 내에서 촉매 변환될 수 있으므로, 이 비율은 존재하는 O2의 양에 크게 좌우된다. 이 경우에도, 배기가스 조성에 따라, 동일한 산소 농도에서 다른 배기가스 성분들의 영향 없이 나타날 수 있는 센서 신호와는 다른 센서 신호가 설정된다. 람다 센서의 이러한 횡감도로 인해, 출력 신호는 산소 농도에 좌우될 뿐만 아니라 또 다른 배기가스 성분들의 농도에도 좌우된다.
본 발명은 상기 효과 및 유사한 효과를 고려하여, 촉매 컨버터(30)와 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26) 사이에 장착된 제2 람다 센서(34)의 출력 신호를 상응하게 보정하는 것을 제공한다. 특히, 제어 장치에서 이용 가능한 변수들에 기초하여 제2 람다 센서(34)의 위치에서의 현재 배기 가스 조성 또는 개별 관련 배기가스 성분의 농도 및 이들 배기가스 성분들에 대한 상기 제2 람다 센서의 횡감도를 모델링하고, 이에 상응하게 람다 센서의 출력 신호를 보정하는 것이 제공된다.
2차 공기 공급이 제2 람다 센서(34)의 하류에서 실시되는 제1 배기가스 시스템의 경우에는 바람직하게, 촉매 컨버터(30) 뒤에서 람다가 농후하거나 약간 농후할 때 시간에 따라 변동하는 H2/CO 비와, H2와 CO에 대한 제2 람다 센서의 상이한 횡감도를 제1 효과로서 고려하는 것이 제공된다.
2차 공기 공급이 제2 람다 센서(34)의 상류에서 실시되는 배기가스 시스템의 경우에는 바람직하게, 제1 효과에 추가적으로 제2 효과로서 O2에 대한 람다 센서의 감도와, 제2 람다 센서에서의 H2와 O2의 예비 촉매작용을 고려하는 것이 제공된다.
도 3에는 본 발명에 따른 방법 또는 컴퓨터 프로그램 제품(16.2)의 실시예로서 흐름도가 도시되어 있다. 블록(100)은, 제어 장치(16)가 특히, 오토 엔진(10)이 필요한 토크를 생성하도록 하는 제어 변수를 결정하는, 오토 엔진(10)의 제어를 위한 메인 프로그램을 나타낸다.
이러한 메인 프로그램(100)으로부터, 접속된 센서들의 신호를 제어 장치(16)가 판독하는 단계 또는 부분 프로그램(102)이 반복적으로 달성된다. 단계(102)에서는 특히, 제2 람다 센서(34)의 출력 신호가 판독된다. 이러한 신호는 상이한 공기비 값을 결정하기 위한 기본값으로 사용된다.
단계(104)에서, 제어 장치(16)는 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도를 측정하며, 제2 람다 센서(34)의 출력 신호에 따라, 그리고 추가로 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도에 따라 공기비 람다를 결정한다. 이 경우, 바람직하게 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고; 촉매 컨버터의 배출구에서의 람다가 농후할 때(즉, 람다 1 또는 람다 3) 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서의 상이한 횡감도가 고려된다(제1 효과).
또한 바람직하게는, 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고; 촉매 컨버터의 배출구에서의 람다가 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서의 상이한 횡감도가 고려되며(제1 효과); 추가로 산소에 대한 람다 센서의 감도 및 상기 람다 센서에서 실시되는, 수소와 산소의 예비 촉매작용이 고려된다(제2 효과).
이러한 측정은, 예를 들어 DE 10 2012 221 549 A1호로부터 공지된 방법 또는 DE 10 2006 011 894 A1호로부터 공지된 방법에 따라 실시된다. DE 10 2012 221 549 A1호로부터 공지된 방법에서는, 예를 들어 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 탄화수소 또는 질소 산화물과 같은 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도가 제어 장치에 의해 연산 모델로부터 결정되거나, 제어 장치에서 이용 가능한 측정 변수에 기초하여 결정된다. 이어서, 배기가스 센서의 기준 특성 곡선을 이용하여 람다 센서의 출력 신호가 람다값으로 변환된다.
또 다른 배기가스 구성 성분으로서 수소의 농도를 측정하기 위한 DE 10 2006 011 894 A1호로부터 공지된 방법의 경우, 우선, 주로 산소에 민감한 람다 센서의 출력 신호가 화학량론적 배기가스 조성에 상응할 때, 상기 출력 신호가 시간 미분된다. 미분된 출력 신호는 하한값과 비교된다. 시간 미분된 출력 신호가 하한값을 초과하면 배기가스 내의 수소의 발생이 검출된다. 따라서, 다른 배기가스 구성 성분의 영향은 아직 미분되지 않은 출력 신호의 급격한 변화를 가져오고, 그에 따라 출력 신호의 비교적 큰 값의 시간 도함수를 유도한다고 가정된다. 미분된 출력 신호의 하한값 초과분은 적분된다. 따라서, 상기 적분은 출력 신호에 대한 다른 배기가스 성분의 영향을 나타낸다. 이러한 영향을 보정하여 보상하기 위해, 적분에 의해 얻어진 보정 신호가 출력 신호로부터 감산된다.
따라서, 혼합 가스의 조성에 좌우되는 보정을 통해 람다 센서의 출력 신호가 보정됨으로써 상기 고려가 수행된다.
보정을 통해, 람다 센서의 출력 신호를 왜곡하는 또 다른 배기가스 구성 성분의 영향이 적어도 부분적으로 배제되므로, 보정된 출력 신호는 람다 센서의 보정되지 않은 출력 신호보다 더 정확하게 실제 산소 농도를 지시한다.
보정된 출력 신호는 이어서 람다 센서의 수소 횡감도에 대해 보정된 출력 신호로서 추가 처리되며, 이 추가 처리는 예를 들어 람다 제어를 목적으로 실시된다.
람다 센서의 출력 신호에 기반하는 람다 제어는, 상이한 엔진 작동점들에서의 횡감도가 고려됨으로써 매우 정확해지고 신뢰성을 갖게 된다. 그럼으로써 바람직하지 못한 배기가스 성분의 과도하게 높은 배출량이 방지될 수 있다.
단계(106)에서는, 코팅된 미립자 필터의 재생이 시작되어야 하는지 혹은 이미 시작된 재생이 진행되어야 하는지가 검사된다. 검사 결과가 "아니오"인 경우, 방법은 단계(114)로 진행되고, 이 단계에서는 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26)의 온도가 상기 미립자 필터의 작동 준비에 필요한 최저 온도보다 높은지가 검사된다. 이 검사 결과가 "예"인 경우, 단계(115)에서 경우에 따라 계속 활성화되어 있던 미립자 필터의 가열이 비활성화되고, 방법은 블록(100)의 메인 프로그램으로 진행된다. 그에 반해, 미립자 필터의 온도가 너무 낮은 경우에는, 단계(114)로부터 단계(116)로 분기되고, 이 단계에서는 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26)의 가열이 개시되거나 지속된다. 상기 가열은 바람직하게 2차 공기 공급의 지원을 받아 실시된다. 상기 가열은, 반복되는 방법 절차에서 경우에 따라 단계(114)에서 실시된 질의에 대해 부정적인 대답이 나올 경우에 중단된다.
그에 반해, 단계(106)에서 실시된, 재생의 필요성에 대한 질의에서 긍정적인 답변이 나올 경우, 단계(108)에서 미립자 필터(26)의 온도 검사가 실시된다. 이 온도가 재생을 실시하기에 충분히 높다면, 단계(110)에서 재생이 개시되거나 이미 시작된 재생이 계속 진행된다. 상기 재생은 2차 공기 공급의 지원을 받아 실시된다. 이어서 방법은 단계(100)의 메인 프로그램으로 진행된다.
그에 반해, 단계(108)에서 실시된 미립자 필터의 온도 검사에서, 상기 온도가 재생을 개시하거나 계속 진행하기에 충분히 높지 않은 것으로 나타나면 프로그램은 단계(112)로 분기되며, 이 단계에서는 바람직하게 코팅된 미립자 필터(26)의 가열이 개시된다. 가열의 개시 후에는 방법이 단계(100)의 메인 프로그램으로 진행된다. 상기 가열은, 반복되는 방법 절차에서 예컨대 단계(106)에서 실시된 질의에 대해 부정적인 대답이 나올 경우에도, 또는 단계(108)에서의 온도 관련 질의에서 부정적인 대답이 나올 경우에도 중단된다. 가열 단계(112 및 116)는 이들 가열 단계의 수행과 관련하여, 예컨대 각각 공급되는 2차 공기량과 관련하여, 서로 차이가 날 수 있다.
한 번 시작된 재생은, 경우에 따라 단계(106)에서 실시된 질의에 대해 부정적인 대답이 나오면 중단된다.

Claims (12)

  1. 오토 엔진(10)의 배기가스 흐름 내에서 촉매 컨버터(30)의 하류에 배치된 미립자 필터(26)의 가열 및 재생을 위한 방법으로서, 상기 오토 엔진(10)은 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이의 배기가스 흐름에 2차 공기를 공급하기 위한 장치(50)를 포함하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법에 있어서,
    오토 엔진(10) 및 2차 공기 공급용 장치(50)는,
    - 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이에 공기비 람다의 미리 정해진 값이 달성되고,
    - 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이의 배기가스 흐름 내에 배치되어 배기가스 구성 성분으로서의 산소를 감지하는 람다 센서(34)의 출력 신호가 검출되고,
    - 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도가 측정되도록 제어되며;
    상기 공기비 람다의 값은 상기 검출된 출력 신호에 따라, 그리고 추가로 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도에 따라 결정되어, 오토 엔진(10) 및/또는 장치(50)의 제어 시 고려되는; 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  2. 제1항에 있어서, 오토 엔진(10) 및 2차 공기 공급용 장치(50)는 미립자 필터(26)의 가열을 위해, 촉매 컨버터(30)의 배출구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기 내 제1 과잉 연료를 나타내는 공기비 람다의 제1 값이 조정되고, 미립자 필터(26)의 유입구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기의 화학량론적 조성에 상응하는 공기비 람다의 제2 값이 조정되도록 구동되며,
    오토 엔진(10) 및 2차 공기 공급용 장치(50)는 또한 미립자 필터(26)의 재생을 위해, 촉매 컨버터(30)의 배출구에서 시간 평균 시 그곳의 배기가스 분위기 내에서의, 적어도 제1 과잉 연료보다 적은 제2 과잉 연료 또는 화학량론적 값을 나타내는 공기비 람다의 제3 값이 조정되고, 미립자 필터(26)의 유입구에서 그곳의 배기가스 분위기 내 과잉 공기에 상응하는 공기비 람다의 제4 값이 조정되도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도는 오토 엔진(10)의 제어 장치(16) 내에 제공되는 측정 변수들로부터 모델링되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 값 및 제3 값은, 람다 센서(34)와 미립자 필터(26) 사이의 배기가스 흐름으로의 2차 공기의 공급이 실시되는 제1 배기가스 시스템(14.1)에서 오토 엔진(10)의 연소실 람다의 변동을 통해 조정되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  5. 제4항에 있어서, 제2 값 및 제4 값은 배기가스 흐름 내로의 2차 공기의 공급 변동을 통해 조정되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고; 촉매 컨버터의 배출구에서의 람다가 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서(34)의 상이한 횡감도가 고려되는; 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 값 및 제3 값은, 촉매 컨버터(30)와 람다 센서(34) 사이의 배기가스 흐름으로의 2차 공기의 공급이 실시되는 제2 배기가스 시스템(14.2)에서 연소실 람다와 2차 공기 공급의 상호 매칭된 조정을 통해 조정되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제2 값 및 제4 값은 배기가스 흐름으로의 2차 공기의 공급 변동을 통해 조정되는 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 또 다른 배기가스 구성 성분의 농도로서 수소 및 일산화탄소의 농도가 측정되고; 촉매 컨버터(30)의 배출구에서의 람다가 농후할 때 시간에 따라 변동하는 수소 농도 대 일산화탄소 농도의 비와, 수소 및 일산화탄소에 대한 람다 센서(34)의 상이한 횡감도가 고려되며; 추가로 산소에 대한 람다 센서의 횡감도 및 상기 람다 센서에서 실시되는, 수소와 산소의 예비 촉매작용이 고려되는; 것을 특징으로 하는, 미립자 필터의 가열 및 재생 방법.
  10. 오토 엔진(10)의 배기가스 흐름 내에 배치된 촉매 컨버터(30)와; 촉매 컨버터(30)의 하류에 배치된 미립자 필터(26)와; 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이의 배기가스 흐름에 2차 공기를 공급하기 위한 장치(50)와; 촉매 컨버터(30)와 미립자 필터(26) 사이에 배치되어 산소를 감지하는 람다 센서(34);를 구비한 오토 엔진(10)에 있어서,
    제어 장치(16)는 제1항의 방법 또는 제2항 내지 제9항의 방법의 단계들을 실행하도록 설계된 것을 특징으로 하는, 오토 엔진(10).
  11. 제10항에 따른 장치로 하여금, 제1항의 방법 또는 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법의 단계들을 실행하게 하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  12. 제11항의 컴퓨터 프로그램 제품이 컴퓨터 판독 가능한 형태로 저장되어 있는 컴퓨터 판독가능 매체.
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