KR100482050B1 - 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법 - Google Patents

Abstract

실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진에서 약희박 성층 운전을 활용하여 2단계 연소(Two Stage Combustion)기간을 단축하고 이로인한 촉매의 빠른 워밍업으로 삼원 촉매에서 배기가스의 정화율을 증대시킬 목적으로;

실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진에 전원이 인가되어 배기가스 저감 모드 수행이 이루어지면, 2단계 연소 제어 신호를 소정의 제1 설정시간동안 출력하는 단계와; 상기 단계에서 제1 설정시간이 경과되면 소정의 값을 갖는 희박 혼합기 성층 연소 제어신호를 소정의 제2 설정시간 동안 출력하는 단계와; 상기 단계에서 제2 설정시간이 경과되면, 통산의 연료분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간동안 출력하고 종료하는 단계로 이루어져 있어서, 냉시동시 일산화탄소(CO)를 이용한 촉매의 빠른 워밍업으로 산원촉매에서 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 정화율을 증대시켜 배기가스 발생을 저감할 수 있다. 또한 린 산화질소(Lean NOx) 촉매의 온도도 빨리 상승 시켜서 대폭적으로 산화질소(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있으며, 잉여의 일산화탄소(CO)에 의한 산화질소(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있다.그리고, 일반적으로 촉매의 조기 가열을 위하여 전열 촉매을 사용하지 않음에 따라 차량의 경량화 및 원가절감의 효과를 누릴 수 있다.

Description

차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법{METHOD FOR EXHAUST GAS REDUCTION CONTROLLING AFTER COLD-START OF ENGINE IN VEHICLE}

본 발명은 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 가솔린 직접분사 엔진(GDI : GASOLINE DIRECT INJECTION)의 냉시동시 발생되는 배기가스(NOx)를 저감할 수 있는 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 배기가스 발생을 저감하는 선택환원형 NOx 촉매의 경우 저온에서도 일산화탄소(CO) 산화특성이 우수하며, 이의 특성을 냉시동에서 활용한다.

그러나 촉매에서 일산화탄소(CO) 산화(정화)를 위해서는 상기 촉매의 온도가 최소 온도인 약 320℃에 도달해야 한다.

따라서, 종래 가솔린 직접분사 엔진의 경우는 냉시동시 촉매의 온도를 빠르게 워밍업 시키기 위하여 기존 흡기 포트에 연료를 분사하는 MPI 엔진과 달리 실린더 내에 연료를 직접 분사하는데 있어서, 분사되는 연료를 2회로 나누어 분사한다.

즉, 압축고장에 연료를 분사하고(약 80CA BTDC), 팽창과정에서 연료를 한번 더 분사(약 50CA ATDC)하여 준다.

상기에서와 같이 연료를 2회로 분사할 때, 나누는 연료량인 분할 펙터(Split Factor)는 가열 요구(Heating Demand)에 의존하기 때문에 대부분의 연료는 성층 연소를 위하여 압축과정의 후반에 먼저 분사되고, 이 때의 혼합기는 희박하며, TDC 근처에서 연소가 시작되며 팽창 과정의 초기에 연호가 완료된다.

추가적으로 연료가 팽찰과정 후반에 분사되며 이때의 혼합기는 잔류가스와 함께 거의 이론 공연비가 된다. 이 때에 주연소의 기연가스는 고온이며 주변에는 많은 양의 공기가 남아 있다.

팽창과정의 고온의 연소가스의 열에 의하여 추가로 분사된 연료가 연소되며 이러한 연소는 배기 과정에도 계속되어서 촉매의 온도를 일찍 상승시킨다.

따라서, 배기가스 배출상태를 시험하기 위한 모드 운전에서 냉시동 후 아이들에서 상기한 2단계 연소(Two Stage Combustion)가 수행되며, 배기 온도는 급속히 오름에 따라, 냉시동시 삼원 촉매를 빨리 워밍업하고 황산염(Sulfate)을 제거한다.

그러나, 상기한 종래의 방법은 냉시동시 촉매의 온도 상승에는 효과적이나 배기 과정에 연료를 분사하여 동력에는 기여하지 못하고 배기가스 온도만 상승시키므로 연료소비가 증가하는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진에서 약희박 성층 운전을 활용하여 2단계 연소(Two Stage Combustion)기간을 단축하고 이로인한 촉매의 빠른 워밍업으로 삼원 촉매에서 배기가스의 정화율을 증대시킬 수 있는 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

차량에 전원이 인가되어 배기가스 모드 수행이 이루어지면, 2단계 연소 제어 신호를 소정의 제1 설정시간동안 출력하는 단계와;

상기 단계에서 제1 설정시간이 경과되면 소정의 값을 갖는 희박 혼합기 성층 연소 제어신호를 소정의 제2 설정시간 동안 출력하는 단계와;

상기 단계에서 제2 설정시간이 경과되면, 통산의 연료분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간동안 출력하고 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 차량용 엔진의 엔진 제어 장치 구성 블록도에 관한 것으로서, 차량 동작상태 검출장치(100)는 차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 신호를 검출한다.

엔진 제어 장치(200)는 상기 차량 동작상태 검출장치(100)인가되는 신호를 입력받아 차량에 전원이 인가되어 배기가스 모드 수행이 이루어지면, 2단계 연소 제어 신호를 소정의 제1 설정시간동안 출력하고, 상기에서 제1 설정시간이 경과되면 희박 혼합기 성층 연소 제어신호를 소정의 제2 설정시간 동안 출력한 다음, 상기 제2 설정시간이 경과되면, 통산의 연료분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간동안 출력하고 메인 루틴으로 리턴한다.

구동장치(300)는 엔진 제어 장치(200)에서 출력되는 제어신호에 동기되어 엔진으로 분사되는 연료 분사 시간을 조절한다.

상기에서, 차량 동작상태 검출장치(100)는 운전자의 가속페달 조작상태에 따라 연동하는 스로틀 밸브의 개도량 변화를 검출하는 스로틀 밸브 개도량 검출부(110)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 엔진의 회전수 변화를 검출하는 엔진 회전수 검출부(120)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 냉각수온의 변화를 검출하는 냉각수온 검출부(130)와;

차량의 동작상태 변화에 따라 가변되는 차속의 변화를 검출하는 차속 검출부(140)로 이루어져 있다.

상기한 구성으로 이루어진 차량 엔진의 엔진 제어 방법을 첨부한 도2를 참조하여 설명한다.

배기가스 규제 규정에 의한 배기가스 발생상태를 시험하기 위한 모드에서 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진(GDI : GASOLINE DIRECT INJECTION)에 전원이 인가되어 시동 온 되면, 차량 주행상태 검출 장치(100)는 차량 주행상태에 따라 가변되는 스로틀 밸브 개도, 엔진 회전수, 냉각수온 및 차속 등을 검출한다.

이에 엔진 제어 장치(200)는 상기 차량 동작상태 검출장치(100)로 소정의 제어신호를 출력하면, 상기 차량 주행상태 검출 장치(100)는 상기 엔진 제어 장치(200)에서 출력되는 소정의 제어신호에 의해 동기되어 검출된 스로틀 밸브 개도, 엔진 회전수, 냉각수온 및 차속 등을 출력한다.

엔진 제어 장치(200)는 상기 차량 동작상태 검출장치(100)로부터 출력되는 스로틀 밸브 개도, 엔진 회전수, 냉각수온 및 차속 등을 입력받아, 짧은 시간인 소정의 제1 설정시간(예 : 5sec) 동안 연료를 2단계로 나누어 분사하기 위한 2단계 연소 제어신호를 출력한다(S100 ~ S130).

따라서, 상기 제1 설정시간(예 : 5sec) 동안 연료를 2단계로 나누어 분사하기 위한 2단계 연소 제어신호 출력에 따라 운전을 수행한 후, 엔진 제어 장치(200)는 소정의 제2 설정시간(예 : 45sec) 동안 소정의 값을 갖는 희박 혼합기 성층 연소 제어신호를 출력한다(S140 ~ S160).

상기에서 소정의 값을 갖는 희박 혼합기 성층 연소 방법은 압축과정 후반부에 초희박이 아닌 약간 희박한 공연비에 해당하는 연료를 분사하여 스파크 플러그(미도시) 주위에 형성되는 농후한 성층 혼합기는 흡입 과정에서 분사하는 이론 공연비 균일 혼합기 연소보다 더 농후하여 스파크 플러그 주위에서 연소할 때, 일산화탄소(CO)가 많이 발생한다.

또한 스파크 플러그 이외의 주변의 잉여의 산소(O2)는 혼합기의 불균일, 기회손실 등에 의하여 연소되지 않고 그냥 배출되어서 촉매에 많이 공급된다.

즉, 연료를 압축하는 과정에 분사하는 이론 공연비 성층연소의 경우 흡기 과정에 분사하는 균일 혼합기 연소보다 개기계로 배출되는 배기가스 중에 약 1% 정도 일산화탄소(CO) 농도가 많다.

따라서, 촉매에서의 일산화탄소(CO) 산화는 탄화수소(HC)와는 다르게, 즉시 시작되며, 산화에 의하여 촉매의 온도를 증가시킨다.

이 때, 탄화수소(HC)도 촉매에서 일산화탄소(CO) 산화 과정에서 동시에 산화된다.

이로 인해, 촉매의 온도는 상승하게 된다.

상기에서 촉매의 온도 상승에 따른 촉매 워밍업이 완료되면, 엔진 제어 장치(200)는 기 설정된 연료분사 프로그램에 따라 제어하여 통상의 연료 분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간 동안 출력하고 종료한다(S170 ~ S190).

또한, 상기에서 기 설정된 연료분사 프로그램에 따라 제어하여 통상의 연료 분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간 동안 출력하고 있는 중, 엔진 시동이 커지면, 모든 연료분사 제어 동작을 종료한다.

상기에서 제1, 2, 3 설정시간은 배기가스 규제 규정에 의한 배기가스 발생상태를 시험하기 위한 모드에 따라 각각 다르게 설정할 수 있다.

이로써, 냉시동시 엔진이 시동되면, 일산화탄소(CO)를 이용한 촉매의 빠른 워밍업으로 산원촉매에서 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 정화율을 증대시켜 배기가스 발생을 저감할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진에서 약희박 성층 운전을 활용하여 2단계 연소(Two Stage Combustion)기간을 단축하고 이로인한 촉매의 빠른 워밍업으로 삼원 촉매에서 배기가스의 정화율을 증대시킴으로써, 냉시동시 일산화탄소(CO)를 이용한 촉매의 빠른 워밍업으로 산원촉매에서 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 정화율을 증대시켜 배기가스 발생을 저감할 수 있다.

또한 린 산화질소(Lean NOx) 촉매의 온도도 빨리 상승 시켜서 대폭적으로 산화질소(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있으며, 잉여의 일산화탄소(CO)에 의한 산화질소(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있다.

그리고, 일반적으로 촉매의 조기 가열을 위하여 전열 촉매을 사용하지 않음에 따라 차량의 경량화 및 원가절감의 효과를 누릴 수 있다.

도 1은 본 발명에 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 장치 구성 블록도 이고,

도 2는 본 발명에 적용되는 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법 동작 순서도 이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 차량 동작상태 검출장치 110 : 스로틀 밸브 개도 검출부

120 : 엔진 회전수 검출부 130 : 냉각수온 검출부

140 : 차속 검출부 200 : 엔진 제어 장치

300 : 구동장치

Claims (2)

1. 실린더 내에 연료를 직접 분사하는 엔진에 전원이 인가되어 배기가스 저감 모드 수행이 이루어지면, 차량의 스로틀 밸브 개도, 엔진 회전수, 냉각수온 및 차속에 따라 연료를 두 단계로 나누어 분사하기 위한 2단계 연소 제어 신호를 소정의 제1 설정시간동안 출력하는 단계;

   상기 단계에서 제1 설정시간이 경과되면, 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 증대를 통해 촉매의 온도상승을 위한 소정의 값을 갖는 희박 혼합기 성층 연소 제어신호를 소정의 제2 설정시간 동안 출력하는 단계; 및

   상기 단계에서 제2 설정시간이 경과되면, 기 설정된 연료분사 프로그램에 따른 연료분사 제어신호를 소정의 제3 설정시간동안 출력하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1,2 및 3 설정 시간은 배기가스 규제 규정에 의한 배기가스 발생상태를 시험하기 위한 모드에 따라 각각 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 차량용 엔진의 배기가스 저감 제어 방법.