KR20200072617A - 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법에 관한 것으로, 주행 중 구동휠로의 엔진 동력 전달이 차단되는 모터 구동 시작 단계와, 엔진의 RPM이 아이들 수준으로 감소되는 RPM 제어 단계를 포함하며, 주행 중 필요에 따라 엔진이 아이들 수준으로 회전하다가 정지되므로, 배출가스 저감 장치 내부에서 미연가스가 발화되거나, 포집되었던 배출물질의 산화가 방지되며, 이에 따라, 배출물질 저감 장치의 내부 온도가 급격히 상승하는 것이 방지되고, 배출물질 저감 장치의 열부하가 감소되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법을 제공한다.

Description

하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법{Catalytic thermal load reduction method of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 주행 중 엔진 정지시에 촉매의 과도한 온도 상승 및 열화를 방지하는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법에 관한 것이다.
연소가스에는 탄화수소, 황산화물, 질소산화물 등의 배출물질이 포함된다. 이러한 배출물질들은 대기 오염물질로 규정된 바, 차에서 대기로 배출되는 배출물질의 양은 규정치 보다 적어야만 한다. 배출물질 저감 장치로써, 배기파이프에 삼원촉매, 산화촉매, SCR, LNT, DPF 등이 장착되고 있다. 이러한 배출물질 저감 장치들은, 특정 배출물질을 포집한 뒤, 고속 주행시 배기가스 온도 및 배기파이프 온도 증가에 따른 내부 온도 상승에 의해 배출물질을 처리하거나, 포집된 배출물질에 화학물질을 공급함으로써 배출물질을 처리한다.
그러나, 엔진에서 연소되지 못한 미연가스가 배출물질 저감 장치에 유입될 경우, 배출물질 저감 장치 내부 열이 높은 바, 배출물질 저감 장치 내부에서 발화될 여지가 높다. 이에 따라, 배출물질 저감 장치가 녹거나, 배출물질 저감 장치를 지지하는 담체(Substrate)가 녹아, 배출물질 저감 장치에 막힘, 파손 등이 발생될 여지가 있다.
한편, 하이브리드 차는, 저속에서는 모터 구동력에 의해 주행하고, 고속에서는 엔진 구동력에 의해 주행 한다. 하이브리드 차는, 주행 상태에 따라, 엔진이 빈번히 정지되고 재시동 된다.
엔진 정지시, 미연가스 또는 산소가 많은 가스가 배출물질 저감 장치에 도달할 가능성이 높다. 미연가스가 배출물질 저감 장치에 도달하게 되면, 앞서 설명한 바와 같이, 미연가스가 발화될 수 있다. 산소가 많은 가스가 배출물질 저감 장치에 도달하게 되면, 배출물질 저감 장치에 포집되었던 배출물질이 산소와 반응해 산화될 수 있다.
이러한 경우, 배출물질 저감 장치 내부 온도는 상승하게 된다. 반면에, 엔진이 정지된 상태이므로, 배출물질 저감 장치 내부에서의 배기가스 유동은 존재치 않는다. 이에 따라, 배출물질 저감 장치 내부 열은 외부로 방출되지 못하고 배기가스가 지속적으로 유동할 때에 비하여 상대적으로 긴 시간 동안 배출물질 저감 장치 내부에 존재하게 된다.
배출물질 저감 장치 내부에 장시간 열이 존재할 경우, 아래 수학식 1로 표현되는 아레니우스 모형에 따라 배출물질 저감 장치의 열부하가 급격히 증대된다. 아래 수학식 1에서 T는 촉매 노출 온도, t는 노출 시간, R은 촉매열 반응계수(상수)이다. 도 1에 수학식 1로 표현되는 아레니우스 모형이 그래프로 표현되었다.
Figure pat00001
한편, 배출물질 저감 장치에는 열부하에 의해 손상될 가능성이 높은 귀금속이 포함되는 바, 하이브리드 차에 장착되는 배출물질 저감 장치의 배기 정화 효율을 목표 수명 동안 유지하기 위해서는, 귀금속의 양을 일반 내연 기관 차량에 장착되는 배출물질 저감 장치에 장착되는 귀금속의 양에 비해 증가시킬 수 밖에 없다. 또한, 열부하를 견디기 위해서, 배출물질 저감 장치의 크기를 증대시킬 필요가 있으며, 재질을 변경해야 할 수도 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1550631호(2015.09.01.)
이에 상기와 같은 점을 감안해 발명된 본 발명의 목적은, 하이브리드 차량 주행 중 엔진이 정지하더라도, 배출물질 저감 장치의 내부 온도가 급격히 상승하는 것을 방지함으로써, 배출물질 저감 장치의 열부하를 감소시키는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 배출물질 저감 장치 내부에서의 미연가스 발화를 방지하고, 배출물질 저감 장치를 지지하는 담체가 녹는 것을 방지할 수 있는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법은, 배출물질 저감 장치의 온도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 온도 판단 단계와, 주행 속도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 차속 판단 단계와, 엔진이 정지될 필요가 있는지 판단하는 주행 상태 판단 단계와, 주행 중 구동휠로의 엔진 동력 전달이 차단되는 모터 구동 시작 단계와, 엔진의 RPM이 아이들 수준으로 감소되도록 강제적으로 제어되는 RPM 제어 단계와, 엔진으로의 연료공급이 차단되는 모터 구동 단계를 포함한다.
또한, 온도 판단 단계에서, 배출물질 저감 장치의 온도가 임계치 이하이면, HEV 주행 모드가 구현될 수 있다.
또한, 차속 판단 단계에서, 주행 속도가 임계치 이하이거나 엔진 RPM이 임계치 이하이면, HEV 주행 모드가 구현될 수 있다.
또한, 주행 상태 판단 단계에서, 엔진이 정지될 필요가 없다고 판단되면, HEV 주행 모드가 구현될 수 있다.
또한, 주행 상태 판단 단계에서, 차량이 하향 경사 주행 중일 경우 엔진이 정지될 필요가 있다고 판단할 수 있다.
또한, RPM 제어 단계에서, 엔진 회전에 의해 모터와 연결된 배터리가 충전될 수 있다.
또한, RPM 제어 단계에서, 엔진에 분사되는 연료의 양이 지속적으로 감소될 수 있다.
또한, RPM 제어 단계에서, 엔진의 RPM이 특정치 이상일 경우 임계시간 동안 상대적으로 연료량이 많은 농후한 상태를 유지하고, 임계시간 이후, 미리 정해진 임의 시간 동안 엔진의 RPM을 특정치로 유지할 수 있다.
또한, 특정치는 엔진이 아이들 상태일 때의 RPM일 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법에 따르면, 주행 중 필요에 따라 엔진이 아이들 수준으로 작동하다가 정지될 수 있도록 RPM이 강제적으로 제어되므로, 배출물질 저감 장치 내부에서 미연가스가 발화되거나, 포집되었던 배출물질이 산소와 반응되는 것이 방지되며, 이에 따라, 배출물질 저감 장치의 내부 온도가 급격히 상승하는 것이 방지되고, 배출물질 저감 장치의 열부하가 감소된다.
또한, 배출물질 저감 장치 내부에서의 미연가스 발화가 방지되므로, 배출물질 저감 장치가 녹거나, 배출물질 저감 장치를 지지하는 담체가 녹는 것이 방지된다.
도 1은 아레니우스 모형에 따른 노출온과 열부하의 관계를 표현한 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법의 절차도이고,
도 3은 컨트롤 유닛, 엔진 및 모터의 상관관계를 나타낸 블럭도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법을 설명한다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법은, 차량이 미리 준비된 HEV 주행 모드에 따라 주행하는 HEV 주행 단계(S60)와, 배출물질 저감 장치(610)의 온도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 온도 판단 단계(S70)와, 주행 속도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 차속 판단 단계(S80)와, 엔진(200)이 정지될 필요가 있는지 판단하는 주행 상태 판단 단계(S90)와, 주행 중 구동휠(500)로의 엔진(200) 동력 전달이 차단되는 모터 구동 시작 단계(S100)와, 엔진(200)의 RPM이 아이들 수준으로 감소되는 RPM 제어 단계(S200)와, 엔진(200)으로의 연료 공급이 차단되는 모터 구동 단계(S300)를 포함한다.
HEV 주행 단계(S60)에서는, 미리 준비된 HEV 주행 모드에 따라 차량이 주행된다. HEV 주행 모드는, 차량에 장착된 컨트롤 유닛(100)에 의해 구현된다. 컨트롤유닛은 주행 속도, 주행 환경에 따라, 모터(300) 구동 또는 엔진(200) 구동을 적절히 변경하며, 구동휠(500)에 구동력을 제공한다.
온도 판단 단계(S70)에서 컨트롤 유닛(100)은, 배출물질 저감 장치(610)의 온도가 임계치 이하이면, 미연가스가 배출물질 저감 장치(610)에서 연소되거나, 산소가 농후한 배기가스가 배출물질 저감 장치(610)에 도달하더라도, 배출물질 저감 장치(610)의 온도 상승이 미약해 배출물질 저감 장치(610)가 열화되거나, 배출물질 저감 장치(610)를 고정하는 담체가 녹거나, 파손되지 않을 것으로 판단한다. 따라서, 온도 판단 단계(S70)에서 컨트롤 유닛(100)은, 배출물질 저감 장치(610)의 온도가 임계치 이하로 판단되면, RPM 제어 단계(S200) 또는 모터 구동 단계(S300) 수행 없이, HEV 주행 단계(S60)를 수행하고, HEV 주행 모드에 따라 엔진(200)을 정지시킨다. 이때, 배출물질 저감 장치(610) 온도의 임계치는 섭씨 700도 이다.
차속 판단 단계(S80)에서 컨트롤 유닛(100)은, 주행 속도가 임계치 이하이거나 엔진(200) RPM이 임계치 이하이면, 연소실에 공급된 연료의 양이 적어 연소실에 존재하던 혼합가스가 배출물질 저감 장치(610)에 도달하더라도, 미연소된 혼합가스의 연소열이 상대적으로 작아 배출물질 저감 장치(610)의 내부 온도 상승이 미약하거나, 미연소된 혼합가스가 발화되지 않을 것으로 판단하며, 피스톤 펌핑에 의한 흡기의 양이 적어 클린한 흡기가 배출물질 저감 장치(610)에 도달하더라도, 배출물질 저감 장치(610)에 포집된 배출물질이 산소와 반응해 발생되는 열이 미약한 것으로 판단한다. 따라서, 차속 판단 단계(S80)에서 컨트롤 유닛(100)은, 주행 속도가 임계치 이하이거나, 엔진(200) RPM이 임계치 이하로 판단되면, RPM 제어 단계(S200) 또는 모터 구동 단계(S300) 수행 없이, HEV 주행 단계(S60)를 수행하고, HEV 주행 모드에 따라 주행 상태에 맞춰 엔진(200)을 정지시킨다. 이때, 주행 속도의 임계치는 시속 80킬로 미터이며, 엔진(200) RPM의 임계치는 2000 RPM이다.
주행 상태 판단 단계(S90)에서 컨트롤 유닛(100)은, 엔진(200)이 정지될 필요가 없다고 판단되면, HEV 주행 단계(S60)를 수행한다. 주행 상태에 따라, 모터(300)의 구동력 및 엔진(200)의 구동력을 선택적으로 구동휠(500)에 전달하는 HEV 주행 모드를 구현한다. 주행 상태 판단 단계(S90)에서 컨트롤 유닛(100)은, 차량이 하향 경사 주행 중일 경우를 엔진(200)이 정지될 필요가 있다고 판단한다. 컨트롤 유닛(100)은, 차량이 상향 경사 주행하거나, 페달 조작에 의해 가속해야할 경우를 엔진(200)이 정지될 필요가 없다고 판단한다.
모터 구동 시작 단계(S100)에서, 컨트롤 유닛(100)은, 엔진(200)에서 구동휠(500)로 전달되던 구동력을 차단하고, 모터(300)에서 발생된 구동력을 구동휠(500)로 전달시킨다. 이러한 구동원 변경은, 토크컨버터, 클러치, 변속기 등의 구동전달장치(400) 작동을 통해 구현될 수 있다.
RPM 제어 단계(S200)에서, 컨트롤 유닛(100)은, 운전석에 장착된 페달 조작에 따라, 모터(300)를 작동시킨다. 이와 동시에, 컨트롤 유닛(100)은, 엔진(200)의 RPM이 아이들 수준으로 감소되도록 강제적으로 제어한다. 모터 구동 시작 단계(S100) 이후, RPM 제어 단계(S200)가 수행됨에 따라 엔진(200)이 급격히 정지되지 않게 되므로, 연소실에 존재하던 혼합가스가 연소되지 않은 상태로 배기되지 않으며, 피스톤 펌핑에 의한 클린한 흡기가 배기되지 않게 된다.
이에 따라, 배기파이프(600)에 장착된 배출물질 저감 장치(610)에는 이론 공연비에 해당하는 미연가스 또는 산소 농도가 높은 공기가 도달하지 않게 된다. 배출물질 저감 장치(610) 내부에서 미연가스가 연소되거나, 포집되었던 배출물질이 산소와 반응되지 않는다. 그러므로, 배출물질 저감 장치(610) 내부온도가 상승되는 것이 방지될 뿐만 아니라, 높은 온도를 장시간 유지하는 것이 방지된다.
모터 구동 단계(S300)에서 컨트롤 유닛(100)은, 엔진(200)으로의 연료 공급을 차단시키고, 스로틀 밸브의 제어를 멈춘다. 크랭크 축 회전, 피스톤 상하 왕복, 캠축 회전 등에 의해 발생되는 마찰력에 의해 엔진(200) 회전은 정지된다. 컨트롤 유닛(100)은 모터 구동 단계(S300) 이후에, HEV 주행 단계(S60)를 수행해 HEV 주행 모드에 따라 엔진(200)을 재시동할 수 있다.
일 예에 따르면, RPM 제어 단계(S200)에서, 엔진(200) 회전에 의해 발생된 동력에 의해 모터(300)와 연결된 배터리가 충전된다. RPM 제어 단계(S200)에서, 엔진(200)에 분사되는 연료의 양은 지속적으로 감소된다. 컨트롤 유닛(100)은, 흡기파이프에 장착된 스로틀 밸브의 개도량 조절과, 엔진(200)에 장착된 연료분사 유닛의 연료 분사량을 조절해, 연소실에서 발생된 혼합가스를 농후하거나 희박하도록 조절한다. 혼합가스가 농후할 경우, 배출물질 저감 장치(610)에 도달한 배기가스에 포함된 산소의 양이 작은 바, 미연가스가 연소되거나 포집된 배출물질이 산소와 반응할 확률이 감소된다. 또한, 배출물질 저감 장치(610)에 포집된 배출물질의 양을 컨트롤 유닛(100)이 산출할 수 있는 경우, 혼합가스를 희박하게 발생시킴으로써, 배출물질 저감 장치(610)에 추가적으로 포집될 배출물질을 줄일 수 있다.
다른 일 예에 따르면, RPM 제어 단계(S200)에서, 엔진(200)의 RPM이 아이들 상태 이상일 경우 임계시간 동안 상대적으로 연료량이 많은 농후한 상태를 유지하고, 임계시간 이후, 미리 정해진 임의 시간 동안 엔진(200)의 RPM을 아이들 상태로 유지한다.
임계시간 동안 혼합가스가 농후한 상태로 유지되므로, 배출물질 저감 장치(610)에 도달한 배기가스의 산소 농도는 상대적으로 작다. 이에 따라, 배출물질 저감 장치(610)에서 미연가스 발화가 방지될 뿐만 아니라, 배출물질 저감 장치(610)의 온도가 낮아진다. 이후, 아이들 상태의 RPM을 유지하게 되므로, 배출물질 저감 장치(610)에 존재하던 상대적으로 농후한 배기가스는 배출물질 저감 장치(610) 후단으로 이동된다.
이 경우, 컨트롤 유닛(100)은, 배출물질 저감 장치(610)에 포집된 배출물질의 양을 감안해, 혼합가스의 혼합비를 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 배기파이프(600)에 장착된 복수개의 배출물질 저감 장치(610)의 배치 순서를 감안해 혼합가스의 혼합비를 적절히 조절하는 것이 바람직하다. 임계시간 및 임의 시간은 실험을 통해 미리 정해진 값으로, 표 또는 맵으로 컨트롤 유닛(100)에 제공된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예의 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법에 따르면, 주행 중 필요에 따라 엔진(200)이 아이들 수준으로 작동하다가 정지될 수 있도록 RPM이 강제적으로 제어되므로, 배출물질 저감 장치(610) 내부에서 미연가스가 발화되거나, 포집되었던 배출물질의 산화가 방지된다. 결과적으로, 배출물질 저감 장치(610)의 내부 온도가 급격히 상승하는 것이 방지되고, 배출물질 저감 장치(610)의 열부하가 감소된다. 또한, 배출물질 저감 장치(610) 내부에서의 미연가스 발화가 방지되므로, 배출물질 저감 장치(610)가 녹거나, 배출물질 저감 장치(610)를 지지하는 담체가 녹는 것이 방지된다.
S60: HEV 주행 단계 S70: 온도 판단 단계
S80: 차속 판단 단계 S90: 주행 상태 판단 단계
S100: 모터 구동 시작 단계 S200: RPM 제어 단계
S300: 모터 구동 단계
100: 컨트롤 유닛 200: 엔진
300: 모터 400: 구동전달장치
500: 구동휠 600: 배기파이프
610: 배출물질 저감 장치

Claims (9)

  1. 배출물질 저감 장치의 온도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 온도 판단 단계;
    주행 속도가 임계치를 초과하였는지 판단하는 차속 판단 단계;
    상기 엔진이 정지될 필요가 있는지 판단하는 주행 상태 판단 단계;
    주행 중 구동휠로의 엔진 동력 전달이 차단되는 모터 구동 시작 단계;
    상기 엔진의 RPM이 아이들 수준으로 감소되도록 강제적으로 제어되는 RPM 제어 단계;
    상기 엔진으로의 연료공급이 차단되는 모터 구동 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 판단 단계에서, 상기 배출물질 저감 장치의 온도가 임계치 이하이면, HEV 주행 모드가 구현되는 HEV 주행 단계가 수행되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차속 판단 단계에서, 상기 주행 속도가 임계치 이하이거나 상기 엔진 RPM이 임계치 이하이면, HEV 주행 모드가 구현되는 HEV 주행 단계가 수행되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주행 상태 판단 단계에서, 상기 엔진이 정지될 필요가 없다고 판단되면, HEV 주행 모드가 구현되는 HEV 주행 단계가 수행되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주행 상태 판단 단계에서, 차량이 하향 경사 주행 중일 경우 상기 엔진이 정지될 필요가 있다고 판단하는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 RPM 제어 단계에서, 상기 엔진 회전에 의해 모터와 연결된 배터리가 충전되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 RPM 제어 단계에서, 상기 엔진에 분사되는 연료의 양이 지속적으로 감소되는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 RPM 제어 단계에서, 상기 엔진의 RPM이 특정치 이상일 경우 임계시간 동안 상대적으로 연료량이 많은 농후한 상태를 유지하고,
    상기 임계시간 이후, 미리 정해진 임의 시간 동안 상기 엔진의 RPM을 특정치로 유지하는 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 특정치는 상기 엔진이 아이들 상태일 때의 RPM인 하이브리드 차량의 촉매 열부하 저감 방법.
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