KR20200057782A - 내연기관을 동작시키는 방법 및 내연기관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관을 동작시키는 방법 및 내연기관에 관한 것이다. 내연기관의 배기 가스 시스템에는 람다 제어 기능이 있는 3방 촉매가 배치되고, 그 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서가 배열된다. 상기 3방 촉매의 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서에 의해 람다값과 NH3 값을 함께 측정하는 것을 통해 상기 3방 촉매의 상류의 람다 설정점 값이 결정된다. 이에 의해 상기 3방 촉매의 배출량 동향을 특히 정확히 모니터링하고 제어할 수 있다.

Description

내연기관을 동작시키는 방법 및 내연기관
본 발명은 람다 제어(lambda control) 기능이 있는 3방 촉매 변환기가 배열된 배기 시스템 분기에서 내연기관을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
내연기관의 배출량과 관련하여 점점 엄격한 요건이 적용되고 있다. 이것은 또한 CO 및 CmHn의 산화 및 NOx의 환원을 알려진 방식으로 서로 병렬로 수행하는 조절된 3방 촉매 변환기를 사용하는 것에 관한 것이다. 이를 위한 전제 조건은 일정한 화학량론적 연료비(람다 = 1)에 있다. 따라서 이러한 3방 촉매 변환기는 스파크 점화 엔진 및 람다 제어 기능이 있는 차량에서만 사용될 수 있다.
람다 제어 기능을 위한 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 탐침에 더하여, 3방 촉매 변환기의 하류의 람다 탐침이 촉매 변환기를 동작시키는 방법을 모니터링하는 데 사용된다. 대응하는 정확한 람다 제어 또는 촉매 변환기 모니터링은 NOx 및 CO2/HC 배출량을 모두 최소화하는 데 매우 중요하다.
언급된 바와 같이, 여기서 3방 촉매 변환기의 상류에 람다 탐침을 사용하고 3방 촉매 변환기의 하류에 람다 탐침을 사용하는 것이 알려져 있다. 촉매 변환기의 하류의 람다 제어는 여기서 람다 탐침의 전압 신호(이진 신호)에 대한 설정점 값(setpoint value)을 제시함으로써 구현된다. 예를 들어, 대역폭이 ±20㎷인 750㎷의 설정점 값이 제시된다. 이 범위 내에서, 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 촉매 변환기의 하류의 람다 탐침의 이진 신호에 의해 보정되지 않는다. 이 범위 밖에 있는 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 3방 촉매 변환기 하류의 측정 값과 설정점 값 사이의 전압차의 함수로서 정확히 보정된다. 측정된 값이 설정점 값 미만인 경우 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 농후(rich) 방향으로 줄어든다. 측정된 값이 설정점 값을 초과하는 경우 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 희박(lean) 방향으로 증가된다.
또한 NOx의 분해를 더 나은 방식으로 방지하기 위하여 (이진 센서의) 람다 탐침의 설정점 값을 예를 들어 750㎷를 초과하여 설정하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 비교적 높은 이진 전압이 있을 때, 전압 변화는 비교적 큰 람다 이동을 야기할 수 있고, 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값의 정확도는 탐침의 이진 전압값에 의해 더 이상 보장될 수 없다. 이것은 농후 방향으로 비교적 높은 람다 이동을 야기하여, 더 높은 HC 및 CO 배출을 초래할 수 있다. 따라서 알려진 절차는 부정확해질 수 있다.
본 발명은 3방 촉매 변환기의 배출량을 특히 정확히 제어할 수 있는 서두에 설명된 유형의 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 제시된 유형의 방법으로 본 발명에 따라
- 3방 촉매 변환기의 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서를 배열하는 단계;
- 상기 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값을 나타내는 전기 신호를 상기 NOx 센서에서 생성하는 단계;
- 상기 전기 신호의 임계값을 설정하고, 측정된 전기 신호가 상기 임계값 미만인 경우 상기 3방 촉매 변환기의 하류의 상기 전기 신호의 설정점 값과 상기 측정된 전기 신호 사이의 차이를 이용하여 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 결정하는 단계;
- 상기 측정된 전기 신호가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 NOx 센서의 NH3 설정점 값과 상기 NOx 센서의 측정된 NH3 신호 사이의 차이에 의해 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 결정하는 단계; 및
- 측정된 NH3 농도가 상기 NH3 설정점 값보다 높은 경우, 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 증가시키고, 상기 측정된 NH3 농도가 상기 NH3 설정점 값보다 낮은 경우 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 감소시키는 단계에 의해 달성된다.
본 발명에서, 배출량을 제어하는 데 중요한 람다 설정점 값은 3방 촉매 변환기의 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서에 의해 람다값과 NH3 값을 함께 측정하는 것에 의해 3방 촉매 변환기의 상류에서 결정되거나 설정된다. 상기 3방 촉매 변환기의 상류에서 이 람다 설정점 값을 정확히 설정함으로써, NOx 및 CO2/HC 배출량을 최소화하기 위해 상기 촉매 변환기의 하류의 람다를 정확히 규정된 범위 내로 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 람다값을 나타내고 예를 들어 650㎷로 설정되는, 전기 신호(이진 신호)의 임계값 미만에서, 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 람다값에 대한 전기 신호의 설정점 값과 측정된 람다값(이진 신호) 사이의 차이에 의해 결정된다. 그러나, 대응하는 람다 신호(이진 신호)의 임계값을 초과하는 경우, 즉 예를 들어, 650㎷를 초과하는 경우, 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 다른 방식으로 결정되는 데, 구체적으로 촉매 변환기 온도의 함수로서 예를 들어 10ppm으로 설정된 NOx 센서의 NH3 설정점 값과 NOx 센서의 측정된 NH3 신호 사이의 차이를 사용하여 결정된다. 따라서, 농후 혼합 상태에서 3방 촉매 변환기에 의해 NH3이 생성되는데 이 NH3 신호는 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값에 비해 매우 민감하기 때문에 3방 촉매 변환기의 하류에서 발생하는 NH3의 양이 제어 목적을 위해 본 발명에 따라 사용된다. NOx 센서에서 NH3을 측정할 수도 있다.
이 범위에서, 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 이제 상기 언급된 차이의 함수로서 변하는 데, 구체적으로 측정된 NH3 농도가 NH3 설정점 값보다 높은 경우 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값이 희박 쪽으로 증가된다. 이와 달리, 측정된 NH3 농도가 NH3 설정점 값보다 낮은 경우, 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 농후로 감소된다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, NH3 설정점 값은 적응되는 데, 이는 촉매 변환기의 노화로 인해 동일한 람다값을 갖는 3방 촉매 변환기에서도 수명에 걸쳐 NH3의 생성이 감소될 수 있고 NOx의 분해 가능성이 상승할 수 있기 때문이다. 여기서 NH3 설정점 값은 예를 들어 다음 방식으로 적응될 수 있다.
전기 신호의 설정점 값은 준-정적인 상태에서 실제 전압값으로부터 저전압값 방향으로 서서히 감소되고, 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 실제 신호와 전기 신호의 설정점 값 사이의 차이에 의해 조정된다. 감소 속도는 여기서 예를 들어 저전압 방향(예를 들어 400㎷)으로 초당 40㎷일 수 있다.
동시에, NOx 신호는 NOx 센서에 의해 측정될 수 있고, NH3 농도의 감소로 인해 최소값으로 연속적으로 감소될 수 있으며, 이어서 촉매 변환기를 통한 NOx 농도의 분해 가능성이 상대적으로 높은 것으로 인해 다시 증가되고, 여기서 NOx 신호의 최소값은 3방 촉매 변환기를 적응하는데 그리고 또한 진단하기 위해 사용될 수 있다. NH3 설정점 값은 여기서 최소값 및 차이(델타, 예를 들어 10ppm)에 해당한다. 새로운 촉매 변환기에서 최소값은 0이어야 한다.
최소값이 임계값, 예를 들어, (온도의 함수로서) 70ppm보다 높으면, 촉매 변환기는 결함이 있는 것으로 진단된다.
저농도에서 NOx 센서의 정확도를 증가시키기 위해, NOx 센서의 오프셋은 바람직하게는 연료 공급의 차단 또는 엔진 정지 동안 적응되며, 이 단계 동안 NOx 신호는 안정된 최소값에 도달할 때까지 연속적으로 관찰되고, 이 경우 NOx 출력 신호가 0이어야 하기 때문에 이 값은 NOx 신호 특성도(characteristic diagram)를 적응시키는 데 사용된다. NOx 신호 특성도는 여기서 NOx 센서의 전류와 NOx 농도 출력 신호 사이의 관계에 대응한다.
도 1은 스파크 점화 엔진의 배기 시스템 분기에서 3방 촉매 변환기의 하류에 배열된 람다 탐침이 통합된 NOx 센서의 이진 람다 신호 및 NOx 신호를 선도로 도시하는 도면.
이러한 맥락에서, 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값은 가로 좌표에 도시되어 있다. 세로 좌표는 ppm 단위의 NOx 신호, 및 ㎷ 단위의 이진 람다 센서 신호를 나타낸다.
람다 신호의 농후 영역에 750㎷의 람다 신호의 임계값이 제시된다. 이 임계값 미만, 즉 750㎷ 미만에서, 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 측정된 이진 신호과 이진 신호의 설정점 값 사이의 차이에 의해 결정된다. 750㎷의 이 임계값을 초과하면, 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 NOx 센서의 NH3 설정점 값(여기서는 10ppm으로 제시됨)과 NOx 센서의 측정된 NH3 신호 사이의 차이에 의해 결정된다. 측정된 NH3 농도가 NH3 설정점 값보다 높은 경우 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값이 희박으로 증가된다. 농도가 NH3 설정점 값보다 낮은 경우 람다 설정점 값은 농후로 감소된다.
따라서 3방 촉매 변환기의 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서를 사용하여 람다값과 NH 값을 함께 측정하는 것을 통해 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 특히 정확히 설정하는 것을 수행할 수 있다.
본 발명은 또한 람다 제어 기능이 있는 3방 촉매 변환기가 배열된 배기 시스템 분기에서의 내연기관으로서, 람다 탐침이 통합된 NOx 센서가 3방 촉매 변환기의 하류에 배열되고, 이 센서는 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값을 나타내는 전기 신호를 생성하고, 배기 가스 중 NH3 농도를 나타내는 NH3 신호를 생성하도록 설계되고, 이러한 신호를 제어 장치에 전달하도록 설계된 것을 특징으로 하는 내연기관에 관한 것이다.
내연기관에서, 3방 촉매 변환기의 하류에 배열된 NOx 센서는 바람직하게는 배기 가스 중 NOx 농도를 나타내는 NOx 신호를 생성하고 이 신호를 제어 장치에 전달하도록 설계된다.

Claims (7)

  1. 람다 제어 기능이 있는 3방 촉매 변환기가 배열된 배기 시스템 분기에서 내연기관을 동작시키는 방법으로서,
    - 상기 3방 촉매 변환기의 하류에 람다 탐침이 통합된 NOx 센서를 배열하는 단계;
    - 상기 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값을 나타내는 전기 신호를 상기 NOx 센서에서 생성하는 단계;
    - 상기 전기 신호의 임계값을 설정하고, 측정된 전기 신호가 상기 임계값보다 낮은 경우 상기 3방 촉매 변환기의 하류의 전기 신호의 설정점 값과 상기 측정된 전기 신호 사이의 차이를 이용하여 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 결정하는 단계;
    - 상기 측정된 전기 신호가 상기 임계값을 초과하는 경우, 상기 NOx 센서의 NH3 설정점 값과 상기 NOx 센서의 측정된 NH3 신호 사이의 차이에 의해 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 결정하는 단계; 및
    - 측정된 NH3 농도가 상기 NH3 설정점 값보다 높은 경우, 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 증가시키고, 상기 측정된 NH3 농도가 상기 NH3 설정점 값보다 낮은 경우 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값을 감소시키는 단계를 포함하는, 내연기관을 동작시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 NH3 설정점 값은 적응되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 동작시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 NH3 설정점 값을 적응시키기 위해, 상기 전기 신호의 설정점 값은 준-정적인 상태에서 실제 전압값으로부터 저전압값 방향으로 서서히 감소되고, 상기 3방 촉매 변환기의 상류의 람다 설정점 값은 상기 실제 신호와 전기 신호의 설정점 값 사이의 차이에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 동작시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 NOx 센서에 의해 동시에 NOx 신호가 측정되고, 상기 NH3 농도의 감소로 인해 최소값으로 연속적으로 감소되고, 이어서 상기 촉매 변환기를 통한 상기 NOx 농도의 분해 가능성이 비교적 높은 것으로 인해 다시 증가되고, 상기 NOx 신호의 최소값은 상기 3방 촉매 변환기를 적응시키는데 그리고 또한 진단하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 동작시키는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 NOx 센서의 오프셋은 연료 공급의 차단 또는 엔진 정지 동안 적응되고, 상기 단계 동안 상기 NOx 신호는 안정된 최소값에 도달할 때까지 연속적으로 관찰되고, 상기 값은 이 경우 상기 NOx 출력 신호가 0이어야 하기 때문에 NOx 신호 특성도를 적응시키는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 동작시키는 방법.
  6. 람다 제어 기능이 있는 3방 촉매 변환기가 배열된 배기 시스템 분기에서의 내연기관으로서,
    람다 탐침이 통합된 NOx 센서가 상기 3방 촉매 변환기의 하류에 배열되고, 상기 센서는 상기 3방 촉매 변환기의 하류의 람다값을 나타내는 전기 신호를 생성하고, 상기 배기 가스 중 NH3 농도를 나타내는 NH3 신호를 생성하도록 설계되고, 상기 신호를 제어 장치에 전달하도록 설계된 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제6항에 있어서, 상기 3방 촉매 변환기의 하류에 배열된 상기 NOx 센서는 상기 배기 가스 중 NOx 농도를 나타내는 NOx 신호를 생성하고 상기 신호를 상기 제어 장치에 전달하도록 설계된 것을 특징으로 하는 내연기관.
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