KR20210013711A - 오염 제어용 촉매 콘버터의 라이트오프 관리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가솔린 엔진의 배기 라인에 배치된 3 원 촉매 콘버터의 라이트 오프 관리 방법에 관한 것으로서, 상기 엔진은 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 제공된 실린더들을 포함한다. 본 발명에 따른 방법의 주 특징은 다음의 단계들을 포함하는 것이다: 촉매 콘버터로 공급되는 열의 양을 판단할 수 있게 하는, 배기 가스의 엔탈피(H)를 계산하는 단계; 촉매 콘버터의 라이트 오프를 신호하는 쓰레숄드 엔탈피 값(S)을 판단하는 단계; 엔탈피(H)의 계산된 값이 상기 쓰레숄드 엔탈피의 값(S)에 도달할 때 촉매 콘버터의 활성화를 정지시키는 단계.
Description
본 발명은 (가솔린으로 작동되는) 제어된 배기 유형의 내부 연소 엔진의 오염 제어 촉매의 라이트 오프(light-off)를 관리하는 방법에 관한 것이다. 이것은 그러한 엔진이 설치된 모터 차량에서 유리하게 이용된다.
오염 배출에서의 규정을 충족시키도록, 가솔린 엔진 시스템에서의 3 원 촉매(three way catalyst)는 의무적이 되었다. 사실상, 3 원 촉매는 3 가지 주 오염물을 처리할 수 있게 하는데, 즉, 미연소 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 질소 산화물(NOx)을 평균 98 % 보다 큰 효율로 처리할 수 있게 한다. 이제, 촉매는 소위 라이트 오프 온도(light off temperature)인 특정 온도에 도달할 때만 유효하게 된다.
냉간 시동 이후에 가능한 한 가장 이른 순간에 촉매의 활성화(MEA)를 허용하는 엔진 제어 전략이 있다. 이러한 전략은 신속한 예열(warm up)을 얻도록 엔진의 특정 설정 파라미터들을 적합화시키는 것으로 이루어지며, 엔진의 연소 효율 저하 때문에, 엔진 배기에서의 열 손실로 이어진다.
그러나, 이러한 제어 전략으로써는 예열하는 동안 촉매로 보내지는 칼로리의 수를 알 수는 없다. 만약 가열이 너무 일찍 정지된다면, 촉매는 충분히 뜨겁지 않으며 따라서 충분히 효율적이지 않다. 다른 한편으로, 만약 가열이 안전을 위해서 너무 오래 계속된다면, 그것은 연료 과소비로 반영되어, 엔진의 연소 효율은 너무 오래 저하되었다. 즉, 이러한 전략들은 촉매의 라이트-오프 온도(light-off temperature)에 도달되는 정확한 순간에 활성화 단계(activation phase)를 정지시키기에는 충분히 정확하지 않다.
일부 현재의 엔진 제어 전략은 평가자(estimator) 없이 개방 루프 모드(open loop mode)에서 활성화의 관리를 허용하는 현재 기술로부터 공지되어 있다.
예를 들어, 유럽 특허 EP-B1-0639708 은 내부 연소 엔진 제어 방법을 개시하는데, 이것은 촉매를 촉매의 작동 온도까지 급속히 가열하도록 이용된다. 엔진으로 공급되는 공기의 질량 유량은 연료 중량의 적합화와 함께 증가되며, 점화 각도는 지연 방향에서 가능한 한 멀리 오프셋된다. 이러한 수단은 엔진 토크를 보존하면서 배기 가스의 질량 유동(mass flow)을 증가시킬 수 있게 하고 따라서 배기 가스의 온도를 증가시킬 수 있게 한다; 이것은 배기 가스의 엔탈피 유동(enthalpy flow)에서의 증가에 해당하여, 촉매의 신속한 가열을 허용한다. 그럼에도 불구하고, 상기 방법은 정확성이 결여되어 있는데, 왜냐하면 공급되는 열량의 제어도 측정도 없기 때문이다.
이것은 다음과 같은 결과를 가져올 수 있다.
-촉매가 최적의 오염물 처리 온도에 도달해 있지 않으면서 활성화가 너무 일찍 정지된다. 이러한 경우에, 일시적으로 과도한 오염물 배출로 이어질 수 있다.
-또는 촉매가 특정 순간으로부터 최적의 오염물 처리 온도에 도달해 있으면서, 활성화가 너무 늦게 정지된다. 그러한 경우에, 연료 과소비로 이어질 수 있으며, 이것은 소망스럽지 않다.
본 발명의 목적은 개선된 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법은, 활성화(activation)를 정확하게 올바른 순간에 정지시키기 위하여, 촉매의 라이트 오프 온도에 정확하고 신뢰성 있게 도달할 수 있게 한다.
본 발명의 주제는 가솔린 엔진의 배기 라인(exhaust line)에 배치된 3 원 촉매(three-way catalyst)의 라이트 오프를 관리하는 방법으로서, 상기 엔진은 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 제공된 실린더들을 포함한다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 관리 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
-촉매로의 공급 양을 판단할 수 있게 하는, 배기 개스의 엔탈피(H)의 계산 단계,
- 촉매의 라이트-오프(light-off)를 신호하는 쓰레숄드 엔탈피 값(S)을 판단하는 단계,
-엔탈피의 계산된 값(H)이 상기 쓰레숄드 엔탈피 값(S)에 도달될 때 촉매의 활성화를 정지시키는 단계.
상기 방법의 원리는 배기 가스에 의해 공급되는 열량을 통해 촉매의 온도 상승 시간을 정확하게 제어하는 것이다. 이러한 방식으로, 촉매 활성화의 정지는 정확한 올바른 순간에 수행되고, 현재 방법에서 제안되는 것과 같이 임의의 활성화 정지 값을 설정함으로써 고정된 방식으로 수행되지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 배기 가스와 촉매 사이의 상호 작용에 포함된 물리 화학적 현상(physico-chemical phenomena)을 고려한, 최상의 가능한 접근 방식을 제안한다. 바람직스럽게는, 차량에 포함되고 상기 방법의 주 단계들을 수행할 수 있는 프로그램을 가진 컴퓨터에 의해 상기의 관리 방법이 구동된다.
유리하게는, 엔탈피의 계산은 다음의 시간 적분에 기초하여 수행되는데, 적분은 엔진이 시동될 때 시작된다.
ΔH = ∫Qech x Cp x Tavt x dt
여기에서:
Qech = 배기에서의 가스 질량 유량(mass flow rate of gas at the exhaust) [kg/h]
Cp = 배기 가스의 열 용량(heat capacity of the exhaust gases) [J/kg/K]
Tavt = 배기 밸브에서의 가스 온도(temperature of the gases at the exhaust valves) [K].
주목될 바로서, 배기 가스의 열 용량은 일정하고, 배기에서의 가스의 질량 유량 및 배기 밸브들에서의 가스의 온도는 적절한 센서들에 의해 측정될 수 있거나 또는 이전에 확립된 맵핑(mapping)으로부터 추론될 수 있는 2 개의 파라미터들이다.
예를 들어, 배기에서의 개스의 질량 유량은 유량계에 의하여 판단된다. 이것은 또한 알려진 바와 같이, 엔진의 가스 흡기 밸브의 개방 위치 및 압력 값과 엔진 흡기 매니폴드에서의 온도 값으로부터 추론될 수 있다.
바람직스럽게는, 배기 밸브들에서의 가스 온도는 카토그래픽 모델(cartographic model)로부터 도출된 평가자(estimator)에 의해 사전에 모델링되는데, 카토그래픽 모델은 엔진 속도 및 토크의 함수이고, 실린더에서의 연료 공기 비율(fuel-air ratio) 및 점화 진각(spark advance)에 의하여, 엔진 수온(T°)으로써 수정된다.
변형예로서, 배기 가스의 온도는 배기 밸브들에 인접하게 위치된 배기 회로의 지점에서의 배기 가스의 온도로부터 추론될 수 있으며, 예를 들어 엔진 배기 매니폴드의 지점에서의 배기 가스의 온도로부터 추론될 수 있다.
유리하게는, 쓰레숄드 엔탈피 값(S)은 시동시의 엔진 수온 및 촉매의 에이징 상태(state of ageing)의 함수이다. 이러한 방식으로, 시동시의 수온이 높을수록, 촉매를 가열하도록 추가될 필요가 있는 칼로리는 적어진다. 마찬가지로, 촉매가 새것일수록, 촉매를 라이트 오프 온도(light-off temperature)로 가져가는데 걸리는 시간은 짧아지는데, 왜냐하면 새로운 촉매의 라이트-오프 온도는 노후된 촉매의 라이트 오프 온도보다 낮기 때문이다.
유리하게는, 쓰레숄드 엔탈피 값(S)은 제 1 인자와 제 2 인자의 곱(product)으로서, 상기 제 1 인자는 엔진 시동시의 수온의 감소 함수(decreasing function)이고, 상기 제 2 인자는 0 에 인접한 양의 값(positive value)과 1 에 인접한 값 사이에 놓이고 촉매의 에이징 상태에 따른 것이다.
바람직스럽게는, 제 2 인자는 촉매가 새로운 것일 때 0 에 인접한 값을 향하는 경향이 있고 촉매가 매우 노후화되었을 때 1 에 인접한 값을 향하는 경향이 있다.
예를 들어, 촉매의 에이징 상태는, 상기 촉매의 상류측의 연료 공기비(fuel air ratio) 신호의 진폭에 대한, 촉매의 하류측의 연료-공기비의 신호의 진폭의 감쇠(damping)로부터 판단되며, 이것은 촉매의 산소 저장 용량(oxygen storage capacity)을 특징으로 하고, 또한 두문자(acronym)로서 OSC 로 지칭되기도 한다. 예를 들어 프랑스 출원 FR-A1-2981690 을 참조할 수 있으며, 이것은 3 원 촉매의 에이징 상태를 평가하는 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 관리 방법은 촉매의 활성화를 정지시키는 구체적이고 실제적인 해법을 제안함으로써, 만약 촉매의 라이트 오프 온도에 도달하기 전에 칼로리의 공급이 중단되었다면 매우 비효율적인 촉매가 되는 것을 회피하거나, 또는 만약 촉매가 이미 라이트 오프 온도에 도달하였을지라도 칼로리의 공급이 계속된다면 연료 과소비가 되는 것을 회피하는 장점을 부여한다. 결과적으로, 그러한 방법으로써, 시동할 때의 수온 및 촉매의 에이징 상태가 어떠하든 간에 촉매는 항상 효과적일 것이다.
본 발명에 따른 관리 방법의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명은 다음의 도면을 참조하여 아래에 주어진다:
도 1 은 시간의 함수로서의 촉매 온도에 대한 개략도로서, 특정의 운전 스타일 및 촉매의 에이징 상태를 4 가지 상이한 경우로 포함하는, 몇가지 양태에 따른 촉매의 활성화 정지(stoppage of activation)를 나타낸다.
도 1 은 시간의 함수로서의 촉매 온도에 대한 개략도로서, 특정의 운전 스타일 및 촉매의 에이징 상태를 4 가지 상이한 경우로 포함하는, 몇가지 양태에 따른 촉매의 활성화 정지(stoppage of activation)를 나타낸다.
본 발명에 따른 관리 방법의 원리는 촉매의 활성화를 정확히 올바른 순간에 정지시키도록 촉매에 보내지는 칼로리의 수 또는 열량을 평가하는 것으로 이루어진다. 이러한 관리 방법은 가솔린 엔진을 가진 차량에 매립된 컴퓨터에 의해 수행되는데, 상기 엔진은 적어도 하나의 흡기 밸브 및 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 설치된 실린더들을 포함한다.
따라서, 상기 방법은 다음의 배기 가스의 엔탈피 계산 단계, 촉매의 라이트 오프를 신호하는 쓰레숄드 엔탈피 값의 판단 단계, 촉매의 활성화를 정지시키는 단계를 포함한다.
상기 배기 가스의 엔탈피(H)의 계산 단계는, 촉매에 공급되는 열의 양을 판단할 수 있게 한다. 사실상, 촉매의 라이트 오프의 검출은 배기 가스의 엔탈피(H)를 모니터링함으로써 수행되는데, 이것은 다음의 시간 적분(time integral)에 의해 수행되고, 엔진이 시동될 때 적분이 시작된다:
ΔH = ∫Qech × Cp × Tavt × dt
여기에서,
Qech 는 배기에서의 가스의 질량 유량[kg/h]이다. 이러한 유량은 예를 들어 유량계에 의하여 측정될 수 있다.
Cp 는 배기 가스의 용량 [J/kg/K]이며, 이것은 일정하다.
Tavt 는 배기 밸브들에서의 가스 온도[K]이다. 이러한 온도는 카토그래픽 모델(cartographic model)로부터 도출된 평가자(estimator)에 의해 사전에 모델링될 수 있으며, 이것은 엔진의 수온(T°)에 의하여, 점화 진각(spark advance)에 의하여, 그리고 실린더 안의 연료 공기비(fuel-air ratio)에 의하여 수정된 토크 및 엔진 속도의 함수이다. 요약하면, 연료 공기비는 연료량을 공기량으로 나눈 비율이다. 따라서 밸브들에서의 가스의 이러한 온도는 운전자의 운전 스타일에 따르며, 이것은 예를 들어 스포츠 운전(sporty driving) 또는 유연한 운전(flexible driving)일 수 있다.
상기 촉매의 라이트 오프(light off)를 신호하는 쓰레숄드 엔탈피 값(threshold enthalpy value,S)의 판단 단계에 있어서, 쓰레숄드 엔탈피는 2 개 파라미터들의 함수로서, 상기 파라미터들은 시동할 때의 수온 및 촉매의 에이징 상태(state of ageing)이다. 따라서, 제한적이지 않은 예로서, 쓰레숄드 엔탈피(S)는:
엔진이 시동할 때의 수온의 감소 함수(decreasing function)의 제 1 인자와, 촉매의 노후 상태에 따라서 0 에 인접한 값과 1 에 같은 값 사이에 놓인 제 2 인자의 곱(product)와 같다. 따라서 시동할 때 수온이 높을수록 촉매를 가열하도록 더해져야만 하는 칼로리는 적어진다.
이러한 방식으로 촉매가 새로운 것일 때 상기 제 2 인자는 0 을 향하는 경향이 있고 촉매가 매우 노후된 것일 때 제 2 인자는 1 이다. 이것은 촉매가 새로운 것일수록, 상기 촉매를 가열하여 그것의 라이트-오프 온도로 가져가는데 소요되는 시간이 짧아진다는 사실을 반영한다. 촉매의 유효성 손실에 해당하는 촉매의 에이징은, 예를 들어, 촉매 상류측의 산소 프로브(oxygen probe)에 의해 측정되는 촉매의 상류측의 연료 공기비 신호의 진폭에 대한, 촉매의 하류측의 산소 프로브에 의해 측정되는, 촉매의 하류측의 연료-공기비 신호의 진폭의 감쇠(damping)로부터 판단될 수 있다. 예를 들어, 최대 산소 저장 용량의 계산(calculation of the maximum oxygen storage capacity)과 같은, 당업자에게 공지된 그 어떤 다른 진단 방법이라도 촉매의 에이징 상태를 판단하는데 이용될 수도 있다.
상기 촉매의 활성화를 정지시키는 단계는 계산된 엔탈피 값(H)이 쓰레숄드 엔탈피 값(S)에 도달할 때 이루어진다.
도 1 을 참조하면, 이것은 차량 운전의 주어진 유형에 대하여, 그리고 촉매의 에이징 상태(state of ageing)에 대하여, 상기 촉매의 활성화의 기간에 대한 함수로서 촉매의 온도 변화를 나타내는 것으로서, 곡선(1)은 스포츠 운전(sporty driving)에 관한 것이고 곡선(2)은 저속 운전에 관한 것이다. 스포츠 운전에 대응하는 온도는 저속 운전에 대응하는 온도 보다 급속하게 상승하는데, 왜냐하면 엔진의 배기에서 매우 큰 칼로리의 양이 배출되기 때문이다. 따라서, 동일한 촉매의 라이트-오프 온도에 대하여, 필요한 활성화 기간(activation period)은, 저속 운전의 경우에서보다 스포츠 운전의 경우에서 짧다.
또한, 도 1 의 도면의 세로 좌표축에서 알 수 있는 바와 같이, 새로운 촉매의 라이트-오프 온도(Tl-one)는 노후 촉매의 라이트 오프 온도(Tl-o,old)보다 낮다. 따라서, 동일한 운전 프로파일에 대하여, 필요한 활성화 기간은 노후 촉매의 경우에서 보다 새로운 촉매의 경우에서 짧다.
이러한 2 중 비교의 결과는 도 1 에 제시된 다음의 4 가지 경우 A, B, C, D 에 대응하는 활성화 기간들의 순위이다.
A 경우: 활성화 기간(tA); 스포츠 운전에 대한 새로운 촉매의 경우
B 경우: 활성화 기간(tB); A 경우에서와 동일한 스포츠 운전에 대한 노후 촉매의 경우
C 경우: 활성화 기간(tC); 저속 운전에 대한 A 경우에서와 같은 새로운 촉매의 경우
D 경우: 활성화 기간(tD); C 경우에서와 같은 저속 운전에 대한, A 경우에서와 같은 노후 촉매의 경우
다음의 부등식이 이루어지는 것이 밝혀졌다:
tA < tB 및 tC < tD (촉매의 에이징만의 효과)
tA < tC 및 tB < tD (운전 프로파일만의 효과)
또한, 촉매의 에이징은 운전 프로파일의 유형보다 활성화 기간에 더 큰 영향을 미친다는 것이 밝혀지며, 이것은 부등식: tB < tC 의 입증에 의해 반영됨으로써, 다음의 체계(hierarchy)가 입증된다.
tA < tB < tC < tD
비 제한적인 방식으로, 촉매의 이러한 가열을 형성하도록 상이한 유형들의 엔진 세팅 변경(modification)을 수행할 수 있다.
예를 들어, 매우 짧은 활성화에 대하여(예를 들어, A 경우), 아이들 오버스피드(idle overspeed)를 단순히 증가시킬 수 있다. 약간 긴 활성화에 대하여 (예를 들어, B 및 C 경우), 점화 진각(spark advance)을 저하시키는 것으로 이루어진 작동 지점들 전부에 걸쳐서 엔진의 특정 설정 모드(setting mode)를, 아이들링(idling)할 때만 발생되는 오버스피드(over-speed)의 증가에 더할 수 있다. 마지막으로, 만약 활성화가 더 오래일 것으로 예정된다면 (예를 들어, D 경우), 예를 들어 특정의 시간 이후에, 예를 들어 과소비 증가를 희생하여 실린더 안으로의 연료 주입을 지연시킴으로써, 엔진의 연소 효율을 더욱 저하시키도록 할 수 있다. 명백히, 본 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 활성화 기간에 따라서 또는 조합에 의하여, 다른 설정의 선택이 대안으로서 이루어질 수 있다.
Claims (8)
- 가솔린 엔진의 배기 라인에 배치된 3 원 촉매의 라이트 오프(light-off)를 관리하는 방법으로서, 상기 엔진은 적어도 하나의 배기 밸브가 각각 제공된 실린더들을 포함하고,
촉매로 공급되는 열량을 판단할 수 있게 하는, 배기 가스의 엔탈피(H)를 계산하는 단계;
촉매의 라이트 오프를 신호하는 쓰레숄드 엔탈피 값(threshold enthalpy value, S)의 판단 단계; 및
엔탈피(H)의 계산된 값이 상기 쓰레숄드 엔탈피 값(S)에 도달했을 때 촉매의 활성화를 정지시키는 단계;를 포함하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
엔탈피의 계산은 ΔH = ∫Qech × Cp × Tavt × dt 의 시간 적분(time integral)에 따라서 수행되고, 적분은 엔진이 시동될 때 시작되며,
여기에서,
Qech = 배기에서의 개스의 질량 유량[kg/h],
Cp = 배기 개스의 열 용량[J/kg/K],
Tavt = 배기 밸브들에서의 개스 온도[K]인 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법. - 제 2 항에 있어서, 배기에서의 가스의 질량 유량은 유량계(flow meter)에 의해 판단되는 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 배기 밸브들에서의 가스 온도는 토크 및 엔진 속도에 따른 카토그래픽 모델(cartographic model)로부터 추론된 평가자(estimator)에 의해 사전에 모델링(modelling)되며, 상기 카토그래픽 모델은 실린더에서의 공연비(fuel-air ratio) 및 진각(spark advance)에 의하여, 엔진 수온(engine water temperature T°)에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 쓰레숄드 엔탈피 값(S)은 시동시의 엔진 수온 및 촉매의 에이징 상태(state of ageing)의 함수인 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 쓰레숄드 엔탈피 값(S)은 엔진이 시동될 때의 수온의 감소 함수(decreasing function)인 제 1 인자와, 0 에 인접한 양의 값(positive value)과 1 에 인접한 값 사이에 놓이고 촉매의 에이징 상태에 따르는 제 2 인자의 곱(product)과 같은 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 제 2 인자는 촉매가 신규의 것일 때 0 에 인접한 값을 향하는 경향을 가지고, 촉매가 매우 노후한 것일 때 1 에 인접한 값을 향하는 경향을 가지는 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 촉매의 에이징 상태는, 촉매 상류측의 연료 공기비 신호(fuel-air ratio signal) 의 진폭에 대한 촉매 하류측의 연료 공기비 신호의 진폭의 감쇠(damping)로부터 판단되는 것을 특징으로 하는, 3 원 촉매의 라이트 오프를 관리하는 방법.
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