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KR100879326B1 - 내연기관용 배기정화장치 및 배기정화방법 - Google Patents

내연기관용 배기정화장치 및 배기정화방법 Download PDF

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KR100879326B1
KR100879326B1 KR1020067018438A KR20067018438A KR100879326B1 KR 100879326 B1 KR100879326 B1 KR 100879326B1 KR 1020067018438 A KR1020067018438 A KR 1020067018438A KR 20067018438 A KR20067018438 A KR 20067018438A KR 100879326 B1 KR100879326 B1 KR 100879326B1
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유키히사 야마모토
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명에 따른 차량의 내연기관용 배기정화장치에 있어서는, 연료를 배기정화촉매에 공급하기 위한 가열제어가 실행되어 촉매층 온도를 높이게 된다. 상기 가열제어는, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되는 경우에 보류된다. 상기 가열제어 동안 상기 배기정화촉매들의 비활성화로 인한 악영향을 신뢰성 있게 피할 수 있다.

Description

내연기관용 배기정화장치 및 배기정화방법{EXHAUST PURIFYING APPARATUS AND EXHAUST PURIFYING METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 차량의 내연기관용 배기정화장치 및 배기정화방법에 관한 것으로, 상기 장치는 연료를 촉매에 부가하여 배기정화촉매의 온도를 높이기 위한 가열제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
일본특허공개공보 제5-44434호에 개시된 바와 같이, 차량의 내연기관에 적용되는 통상적인 배기정화장치는 배기시스템에 위치한 배기정화촉매를 포함한다. 상기 배기정화촉매는 배기가스에 함유된 입자상물질(PM) 및 질소산화물(NOx)을 포획하는 기능을 한다.
이러한 배기정화장치는 엔진의 작동 상태에 기초하여 배기정화촉매 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정한다. 축적된 입자상물질의 양이 허용가능한 값보다 적지 않으면, 상기 장치는 그 성능이 입자상물질의 막힘으로 인하여 저하된 촉매를 재생하도록 가열제어를 수행한다. 상기 가열제어에 있어서, 상기 장치는 연료를 배기정화촉매에 공급하여 상기 촉매를 가열시키고, 이 열을 이용하여 상기 배기정화촉매 내에 축적된 입자상물질을 연소 및 제거하게 된다.
가열제어를 수행하는 것은 다음과 같은 문제점들을 야기하는 것으로 알려져 있다. 즉, 엔진의 작동 상태에 따라, 배기온도가 감소되고, 이는 촉매를 비활성화한다. 이는 촉매에 공급되는 연료의 산화를 방해한다. 비활성화된 상태로 배기정화촉매로의 연료공급이 계속되면, 대량의 연료가 촉매의 표면 상에 모이게 된다. 이는 축적되는 입자상물질의 양을 증가시킨다. 또한, 배기정화촉매로 공급되는 연료의 일부는 상기 촉매를 통과하여 방출되기 때문에, 배기가스의 속성들이 저하된다.
입자상물질을 연소 및 제거하기 위해서 뿐만 아니라, 예컨대 배기가스 내에 함유된 황으로 오염된 촉매를 재생하기 위해서도 가열제어가 수행된다. 가열제어가 황을 해제하도록 수행되는 경우, 촉매가 비활성화된다면, 상기 황 해제가 완료될 수 없고, 따라서 상술된 문제가 발생한다.
이에 따라, 본 발명의 목적은 가열제어 동안 배기정화촉매의 비활성화로 인한 문제점들을 제거하는, 차량의 내연기관용 배기정화장치 및 배기정화방법을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적들을 성취하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따르면, 차량의 내연기관용 배기정화장치가 제공된다. 상기 장치는 재생제어부를 구비한다. 상기 재생제어부는, 연료가 배기정화촉매에 공급되는 가열제어를 통해 상기 배기정화촉매의 재생을 제어함으로써, 상기 촉매의 층(bed) 온도를 높이게 된다. 상기 장치는 또한 상기 차량이 다운힐(downhill) 주행 중인 지의 여부를 판정하는 판정부를 더 포함한다. 상기 재생제어부는, 상기 판정부가 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 경우에 상기 가열제어를 보류한다.
본 발명은 또한 차량의 내연기관용 배기정화방법을 제공한다. 상기 방법은: 연료를 배기정화촉매에 공급하여 상기 촉매의 층 온도를 높임으로써, 상기 배기정화촉매를 재생시키는 단계; 상기 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 판정하는 단계; 및 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되는 경우, 상기 배기정화촉매로의 연료공급을 보류하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예가 적용되는 차량의 내연기관을 예시한 블럭도;
도 2는 제1실시예의 PM제거제어모드와 관련된 공정들의 일 례를 도시한 타이밍차트;
도 3은 제1실시예의 보류공정을 도시한 흐름도;
도 4는 제1실시예의 다운힐 플래그(downhill flag)를 턴온하기 위한 공정을 도시한 흐름도;
도 5는 제1실시예의 다운힐 플래그의 제어의 일 례를 도시한 구획 (a) 내지 (d)를 포함하는 타이밍차트;
도 6은 제1실시예의 다운힐 플래그를 턴오프하기 위한 공정을 도시한 흐름도;
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 보류공정을 도시한 흐름도;
도 8은 제2실시예에 따른 비활성화를 판정하기 위한 공정을 도시한 흐름도; 및
도 9는 제2실시예에 따른 보류공정의 일 례를 도시한 구획 (a) 내지 (c)를 포함하는 타이밍차트이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 차량의 내연기관(2)용 배기정화장치를 설명한다.
도 1은 상기 실시예에 따른 배기정화장치가 적용되는 내연기관(2)의 구성예를 예시한다. 상기 내연기관(2)은 자동차와 같은 차량 상에 장착되고, 전원으로서의 기능을 한다.
상기 엔진(2)은 실린더들을 구비한다. 상기 실시예에서, 실린더의 개수는 4개이고, 이 실린더들은 #1, #2, #3, 및 #4로 표시되어 있다. 각각의 실린더(#1 내지 #4)의 연소실(4)은 흡기밸브(6)에 의해 개폐되는 흡기구(8)를 포함한다. 상기 연소실(4)은 흡기 포트(8) 및 흡기매니폴드(10)를 통해 서지탱크(surge tank; 12)로 연결되어 있다. 상기 서지탱크(12)는 인터쿨러(intercooler; 14) 및 흡기통로(13)를 구비한 수퍼차저(supercharger)의 유출구에 연결되어 있다. 상기 실시예에 있어서, 수퍼차저는 배기터보차저(16)의 컴프레서(16a)이다. 상기 컴프레서(16a)의 유입구는 에어클리너(18)에 연결되어 있다. 배기가스순환(이하, EGR이라 함)통로(20)가 상기 서지탱크(12)에 연결되어 있다. 구체적으로는, EGR통로(20)의 EGR가스공급구(20a)가 서지탱크(12)로 개방된다. 스로틀밸브(22)는 상기 서지탱크(12)와 인터쿨러(14) 사이의 흡기통로(13)의 단면에 위치한다. 흡기유량센서(24) 및 흡기온도센서(26)는 상기 컴프레서(16a)와 에어클리너(18) 사이의 부분에 위치한다.
각각의 실린더(#1 내지 #4)의 연소실(4)은 배기가스밸브(28)에 의해 개폐되 는 배기가스구(30)를 포함한다. 상기 연소실(4)은 배기가스구(30) 및 배기매니폴드(32)를 통해 배기터빈(16b)의 유입구에 연결되어 있다. 상기 배기터빈(16b)의 유출구는 배기통로(34)에 연결되어 있다. 상기 배기터빈(16b)은 제4실린더(#4)의 측면에 상응하는 배기매니폴드(32)의 단면으로부터 배기가스를 끌어당긴다.
배기정화촉매를 함유하고 있는 3개의 촉매컨버터(36, 38, 40)는 상기 배기통로(34) 내에 위치한다. 가장 상류부에 위치한 제1촉매컨버터(36)는 NOx 저장환원촉매(36a)를 함유한다. 배기가스가 엔진(2)의 정상 작동 시에 산화 분위기(희박)인 경우, 상기 NOx 저장환원촉매(36a)는 NOx를 저장한다. 배기가스가 환원 분위기(화학양론적 또는 보다 낮은 공연비)인 경우에는, 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 내에 저장된 NOx가 NO로 해제되어 배기가스 내에 함유된 탄화수소 및 탄소산화물로 환원된다. 이러한 방식으로 NOx가 제거된다.
필터(38a)를 포함하는 제2촉매컨버터(38)는 가장 상류측으로부터 두번째 위치에 위치한다. 상기 필터(38a)는 모놀리식 벽(monolithic wall)을 구비한다. 상기 벽은 배기가스가 통과하는 세공(pores)을 구비한다. 배기필터(38a)의 세공들 주위의 영역들은 NOx 저장환원촉매의 층으로 코팅된다. 그러므로, 상기 NOx 저장환원촉매는 상술된 바와 같이 NOx를 제거하기 위한 배기정화촉매로서의 기능을 한다. 또한, 필터벽은 배기가스 내의 입자상물질을 포획한다. 따라서, NOx가 저장될 때의 고온의 산화 분위기에서 발생되는 활성 산소가 입자상물질을 산화시키기 시작한다. 또한, 주변의 과잉 산소가 전체 입자상물질을 산화시킨다. 이에 따라, NOx가 제거되는 동시에 입자상물질이 제거된다.
제3촉매컨버터(40)는 가장 하류부에 위치한다. 상기 제3촉매컨버터(40)는, 배기가스를 정화하도록 배기가스 내의 탄화수소 및 일산화탄소를 산화 및 정화시키는 산화촉매(40a)를 함유한다.
제1배기온도센서(44)는 NOx 저장환원촉매(36a)와 필터(38a) 사이에 위치한다. 제2배기온도센서(46) 및 공연비센서(48)는 필터(38a)와 산화촉매(40a) 사이에 위치한다. 상기 제2배기온도센서(46)는 상기 산화촉매(40a)보다 필터(38a)에 더욱 가깝다. 상기 공연비센서(48)는 필터(38a)보다 산화촉매(40a)에 보다 가까이 위치한다. 상기 공연비센서(48)는 고체전해질을 포함하여, 배기가스의 성분들을 토대로 배기가스의 공연비를 검출한다. 공연비센서(48)는 검출된 공연비에 비례하여 전압신호를 출력한다. 상기 제1배기온도센서(44)는 해당 위치에서의 배기온도(Ti)를 검출한다. 이와 마찬가지로, 제2배기온도센서(46)는 해당 위치에서 배기온도(To)를 검출한다.
압력차센서(50)의 관들이 필터(38a)의 상류부와 필터(38a)의 하류부에 연결되어 있다. 상기 압력차센서(50)는 필터(38a)의 상류부와 하류부간의 압력차(△P)를 검출하여, 상기 필터(38a)의 막힘 정도를 검출하게 된다. 상기 막힘 정도는 필터(38a)에서의 입자상물질의 축적 정도를 나타낸다.
EGR통로(20)의 EGR가스흡기구(20b)가 배기매니폴드(32)에 제공된다. 상기 EGR가스흡기구(20b)는, 제4실린더(#4)측에 대향하는 제1실린더(#1)측에 해당하는 섹션에서 개방되어, 배기터빈(16b)이 배기가스를 도입한다.
EGR촉매(52)는 EGR통로(20) 내에 위치한다. 상기 EGR촉매(52)는 상기 EGR통 로(20)의 EGR가스흡기구(20b)로부터 EGR가스를 개선시킨다. 또한, EGR가스를 냉각시키기 위한 EGR쿨러(54)가 상기 EGR통로(20) 내에 위치한다. 상기 EGR촉매(52)는 또한 상기 EGR쿨러(54)의 막힘을 방지하는 기능도 한다. EGR밸브(56)는 EGR가스공급구(20a)의 상류에 위치한다. 상기 EGR밸브(56)의 개방 정도는 상기 EGR가스공급구(20a)로부터 흡기시스템으로 공급되는 EGR가스의 양을 조정하도록 변경된다.
각각의 실린더(#1 내지 #4)에는, 연료를 상응하는 연소실(4) 안으로 직접 분사하는 연료분사밸브(58)가 제공된다. 상기 연료분사밸브(58)는 연료공급관(58a)에 의해 커먼레일(60; Common Rail)에 연결되어 있다. 가변변위연료펌프(62)는 연료를 상기 커먼레일(60)로 공급한다. 상기 연료펌프(62)로부터 커먼레일(60)로 공급되는 고압의 연료는 연료공급관(58a)을 통해 연료분사밸브(58)로 분배된다. 연료의 압력을 검출하기 위한 연료압력센서(64)는 상기 커먼레일(60)에 부착되어 있다.
또한, 상기 연료펌프(62)는 저압의 연료를 연료공급관(66)을 통해 연료부가밸브(68)로 공급하기도 한다. 상기 연료부가밸브(68)는 제4실린더(#4)의 배기가스구(30)에 제공되어, 연료를 배기터빈(16b)을 향해 분사한다. 이러한 방식으로, 상기 연료부가밸브(68)는 연료를 배기가스에 부가한다. 후술하는 촉매제어모드는 이러한 연료 부가에 의해 실행된다.
전자제어유닛(ECU)(70)은 주로 CPU, ROM, RAM 및 여타의 디바이스들을 구동하기 위한 구동회로를 구비한 디지털컴퓨터로 구성되어 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 ECU(70)는 재생제어부와 판정부로서의 기능을 한다. 재생제어부로서, ECU(70)는 배기정화촉매의 재생을 제어한다. 판정부로서, 상기 ECU(70)는 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 판정한다.
상기 ECU(70)는 흡기유량센서(24), 흡기온도센서(26), 제1배기온도센서(44), 제2배기온도센서(46), 공연비센서(48), 압력차센서(50), EGR밸브(56)의 EGR개방정도센서, 연료압력센서(64), 및 스로틀개방정도센서(22a)로부터의 신호들을 판독한다. 또한, 상기 ECU(70)는 엑셀러레이터 페달(72)의 감압정도(액셀러레이터 개방정도 ACCP)를 검출하는 액셀러레이터개방정도센서(74), 및 엔진(2)의 냉각제의 온도(THW)를 검출하는 냉각제온도센서(76)로부터의 신호들을 판독한다. 또한, 상기 ECU(70)는 크랭크축(78)의 회전속도(NE)를 검출하는 엔진속도센서(80), 크랭크축(78)의 회전 위상 또는 흡기캠의 회전 위상을 검출하여 실린더를 식별하는 실린더식별센서(82), 및 상기 차량의 속도(SPD)를 검출하는 차량속도센서(84)로부터의 신호들을 판독한다.
상기 신호들로부터 얻어진 엔진(2)의 작동 상태를 토대로, 상기 ECU(70)는 연료분사밸브(58)에 의하여 연료분사의 양과 타이밍을 제어한다. 상기 연료분사량제어는, 예컨대 차량이 감속 중일 때 연료 분사를 보류하기 위한 "연료 차단" 제어를 포함한다. 또한, ECU(70)는 EGR밸브(56)의 개방정도, 모터(22b)에 의한 스로틀개방정도, 및 연료펌프(62)의 변위를 제어한다. 또한, 상기 ECU(70)는 상기 연료부가밸브(68)의 개방정도를 제어함으로써, PM제거제어, 황해제제어 및 NOx환원제어와 같은 촉매제어, 및 기타 제어들을 실행한다.
상기 ECU(70)는 작동 상태에 따라 정상연소모드 및 저온연소모드 중 하나를 선택한다. 상기 저온연소모드는, 저온연소모드용 EGR개방정도맵이 대량의 배기가스 를 순환시키는데(EGR의 양을 증가시키는) 사용되어 연소 온도의 증가를 지연시킴으로써, 동시에 NOx 및 연기를 저감시키는 연소모드를 말한다. 낮은 부하에서 실행되는 저온연소모드에 있어서, 저속-중속 회전속도 영역 및 공연비 피드백 제어는 상기 공연비센서(48)에 의해 검출되는 공연비(AF)를 토대로 스로틀개방정도(TA)를 조정함으로써 수행된다. 상기 기타 연소모드는 정상 EGR 제어(EGR이 실행되지 않는 경우를 포함하는)가 정상연소모드용 EGR개방정도맵을 이용하여 수행되는 정상연소모드이다.
상기 ECU(70)는 촉매들을 제어하기 위한 모드인 4가지 촉매제어모드를 수행한다. 상기 촉매제어모드들은 PM제거제어모드, 황해제제어모드, NOx환원제어모드, 및 정상제어모드를 포함한다.
상기 PM제거제어모드에서는, 제2촉매컨버터(38)에서의 필터(38a) 상에 퇴적된 입자상물질이 가열되어 연소된다. 그 후, 상기 입자상물질은 CO2 및 H2O로 변환되어 배출된다. 상기 모드에서, 연료가 배기가스로 부가되어 배기가스 내의 연료 또는 촉매를 산화하여 열을 발생시킴으로써, 촉매층 온도가 예컨대 600 내지 700℃로 높아지게 된다. 또한, 촉매 주위의 입자상물질이 연소된다. 상기 모드가 실행되는 방식은 후술하기로 한다.
상기 황해제제어모드에서는, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 황으로 오염되어 NOx 저장 능력이 저하된다면, 황 성분들이 촉매(36a) 및 필터(38a)로부터 해제되어, 상기 촉매(36a) 및 필터(38a)가 황 오염으로부터 복원되게 된다. 상기 모드에서, 연료부가밸브(68)로부터의 연료 부가가 반복되어 촉매층 온도가 증가(예컨대, 650℃로)되게 되는 황온도증가제어가 수행된다. 또한, 촉매층 온도가 연료부가밸브에 의해 연료를 배기가스에 간헐적으로 부가하여 높게 유지되고, 공연비가 화학양론적 공연비 또는 상기 화학양론적 공연비보다 약간 낮은 값으로 변경되는 공연비저감제어가 수행된다. 상기 실시예에 있어서, 상기 공연비는 화학양론적 공연비보다 약간 낮은 값이 되도록 농축된다(richen). 상기 공연비저감제어는, 연료 부가가 촉매층 온도를 높게 유지하기 위해 실행되기 때문에 가열제어의 방식이 되도록 고려된다. 여타의 모드에서와 같이, 소정 경우에는 상기 모드에서 연료분사밸브(58)에 의해 후분사(after injection)가 수행된다. 상기 후분사는 팽창 행정 및 배기 행정 동안의 연소실(4)로의 연소 분사를 말한다.
상기 NOx환원제어모드에서는, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a) 내에 저장된 NOx가 N2, CO2, H2O로 환원되어 방출된다. 상기 모드에서는, 연료부가밸브(68)로부터의 연료 부가가 비교적 긴 간격으로 간헐적으로 수행되어, 촉매층 온도가 비교적 낮게 되도록 한다(예컨대, 250℃ 내지 500℃ 범위의 온도로). 이에 따라, 상기 공연비는 화학양론적 공연비 이하로 낮아진다.
상기 PM제거제어모드, 황해제제어모드, 및 NOx환원제어모드 중 어느 것도 실행되지 않는 상태는, 연료부가밸브(68)로부터의 연료 부가 및 상기 연료분사밸브(58)에 의한 후분사가 수행되지 않는 정상제어모드에 해당한다.
다음으로, ECU(70)에 의해 실행되는 공정들 중 PM제거제어모드와 관련된 공 정들을 설명한다.
만일 대량의 연료가 배기정화촉매에 축적된 입자상물질을 연소하기 위한 시간에 배기가스로 부가된다면, 촉매의 온도가 갑자기 증가되어, 상기 촉매들의 열적 저하를 초래한다. 반면, 부가된 연료의 감소된 양은 촉매의 열적 저하를 방지하지만, 상기 촉매에 축적되는 입자상물질이 연소되지 않은 상태로 남아 있을 것이다.
그러므로, 도 2의 타이밍차트에 도시된 바와 같이, 제1가열제어는 PM제거제어모드로 수행된다. 상기 제1가열제어에서는, 비교적 소량의 연료가 t11에서 t12까지의 시간에 배기가스에 부가되어, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 축적되는 입자상물질의 총량을 줄이면서도 온도의 증가를 최소화시킨다. 그런 다음 t12에서 t13까지의 시간에, 배기가스에 부가된 연료량이 제1가열제어에서보다 많은 제2가열제어가 수행된다. 이는 NOx 저장환원촉매(36a)에 축적된 입자상물질을 완벽하게 연소시킨다. 상기 모드에서도, 연료부가밸브(68)로부터의 부가 또는 상기 연료분사밸브(58)에 의한 후분사에 의하여 연료가 배기가스로 부가된다.
상기 PM제거제어는, 엔진 작동 상태에 기초하여 계산되는 NOx 저장환원촉매(36a)에 축적된 입자상물질의 양(추정 축적량(PMsm))이 기준값(PMstart)에 도달하는 상태에 개시되고(시간 t11), 제2가열제어가 종료될 때에 완료된다(시간 t13). 제1가열제어에서는, 화학양론적 공연비보다 높은 공연비로 연료가 반복해서 배기가스에 부가되어, 촉매층 온도가 높아지게 된다. 제2가열제어에서는, 공연비가 화학양론적 공연비 또는 상기 화학양론적 공연비비보다 약간 적은 공연비로 설정되는 공정이 반복해서 실행되고, 실행들 사이에는 연료 부가가 없는 시간이 있도록 간헐 적인 연료 부가가 허용된다. 상기 실시예에서, 공연비는 화학양론적 공연비보다 약간 적은 값이 되도록 농축된다.
차량이 다운힐 주행 중이면, 엔진 부하가 감소되고 이에 따라 배기 온도가 낮아진다. 또한, 상대풍(relative wind)이 촉매층 온도를 상당한 정도로 감소시킨다. 그러므로, 배기정화촉매가 비활성될 가능성이 높다.
이러한 경우에 의하면, ECU(70)가 도 3의 흐름도에 도시된 바와 같이, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정할 때(단계 S100에서 긍정적인 결과) 상기 실시예에서는 다음과 같은 공정이 실행된다. 즉, PM제거제어(제1 및 제2가열제어)와 관련된 공정들 또는 황해제제어(황온도증가제어 및 공연비저감제어)와 관련된 공정들이 실행되고 있다면, 상기 공정들은 단계 S102에서 보류된다. 만일 상기 공정들이 시작되도록 요청된다면, 상기 요청은 단계 S102에서 취소된다.
또한, 상기 공정들이 보류되는 경우, ECU(70)가 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정한다면(단계 S100에서 부정적인 결과), 상기 공정들은 재개 요건들이 충족되는 상태(단계 S104에서 긍정적인 결과)에서 재개된다(단계 S106). 상기 재개 요건들은 배기정화촉매들이 비활성화되지 않은 것으로 판정되는 것을 포함한다. 예를 들어, 촉매층 온도가 배기정화촉매 상에 모인 연료를 연소하기에 충분할 때, 및 예컨대 엔진이 고부하로 소정의 시간 동안 작동된 후, 엔진 작동 상태가 충분한 온도까지 증가할 가능성이 있을 때, 상기 배기정화촉매들이 비활성화되지 않은 것으로 판정된다.
도 3의 흐름도에 도시된 일련의 공정들은 소정의 간격으로 ECU(70)에 의해 실행된다. 상기 ECU(70)는 후술하는 다운힐 플래그가 ON 또는 OFF 인지의 여부를 토대로 단계 S100에서 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 판정한다.
이하, 다운힐 플래그와 관련된 공정들을 설명한다. 도 4의 흐름도는 다운힐 플래그를 턴온하기 위한 절차를 보여준다. 도 4의 흐름도에 도시된 일련의 공정들은 소정의 간격들로 ECU(70)에 의해 실행된다.
우선, 다음과 같은 요건들이 양자 모두 충족되는 지의 여부가 단계 S200에서 판정된다.
(1) 차량속도(SPD)가 소정의 속도보다 빠르거나 같다.
(2) 연료분사량이 0이거나, 또는 연료차단제어가 실행 중이다.
만일 상기 요건들이 양자 모두 충족된다면(단계 S200에서 긍정적인 결과), 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되고, 다운힐 카운터의 계수값(Cs)이 단계 S202에서 증분된다. 절차가 반복해서 실행되어, 상기 계수값(Cs)이 소정의 값에 도달하는 경우(단계 S204에서 긍정적인 결과), 상기 다운힐 플래그는 단계 S206에서 턴온된다.
상기 계수값(Cs)은, 상기 목록의 요건들이 충족되지 않을 때(단계 S200에서 부정적인 결과) 단계 S212에서 클리어된다. 하지만, 상기 요건들이 충족되지 않더라도, 계수값(Cs)은 연료분사량이 소정량보다 많거나 같을 때(단계 S208에서 긍정적인 결과), 그리고 상기 요건들의 충족되지 않은 상태가 소정의 시간보다 적은 시간 동안 지속될 때(단계 S210에서 부정적인 결과) 클리어되지 않는다. 차량이 다운힐 주행 중이더라도, 기어변속으로 인해 연료 분사가 일시적으로 실행된다. 이러한 경우, 계수값(Cs)은 클리어되지 않고 유지된다.
도 5의 타이밍차트에 도시된 바와 같이, 차량이 시간 t21에서 다운힐 주행을 시작하면, 다운힐 주행 개시 지속시간은 다운힐 카운터에 의해 측정된다. 측정된 시간이 시간 t22에서 소정의 시간에 도달하면, 다운힐 플래그가 턴온된다. 그 후, ECU(70)가 도 3의 단계 S100에서 다운힐 플래그가 ON이라는 사실을 토대로 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 경우, 상기 PM제거제어와 관련된 공정들과 상기 황해제제어와 관련된 공정들은 상술된 바와 같이 보류된다.
도 6의 흐름도는 다운힐 플래그를 턴오프하기 위한 절차를 보여준다. 도 6의 흐름도에 도시된 일련의 공정들은 소정의 간격들로 ECU(70)에 의해 실행된다.
우선, 연료분사량이 소정량보다 적지 않은 지의 여부가 단계 S300에서 판정된다. 만일 연료분사량이 소정량보다 적지 않다면(단계 S300에서 긍정적인 결과), 차량은 다운힐 주행 중이 아니라고 판정되고, 넌-다운힐(non-downhill) 계수값(Cn)이 단계 S302에서 증분된다. 상기 절차가 반복해서 실행되어 상기 계수값(Cn)이 소정의 값에 도달하면(단계 S304에서 긍정적인 결과), 다운힐 플래그는 단계 S306에서 턴오프된다.
상기 계수값(Cn)은, 연료분사량이 소정량 밑으로 유지되고(단계 S300에서 부정적인 결과), 이 상태가 소정의 시간 이상으로 지속될 때(단계 S308에서 긍정적인 결과) 단계 S310에서 클리어된다. 즉, 연료분사량이 소정량보다 적더라도, 상기 계수값(Cn)은 지속시간이 소정의 시간보다 적지 않으면(단계 S308에서 부정적인 결과) 클리어되지 않는다. 차량이 다운힐 주행 중이 아니더라도, 브레이크의 작동으 로 인해 연료차단제어가 실행될 수 있고, 또는 연료분사량이 상당한 정도로 감소될 수도 있다. 이러한 경우에, 계수값(Cn)은 클리어되지 않고 유지된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 차량이 시간 t23에서 다운힐 주행을 중단하면, 넌-다운힐 주행 개시의 지속시간은 넌-다운힐 카운터에 의해 측정된다. 측정된 시간이 시간 t24에서 소정의 시간에 도달하면, 다운힐 플래그가 턴오프된다. 그 후, ECU(70)가 도 3의 단계 S100에서 다운힐 플래그가 OFF라는 사실을 토대로 다운힐 주행 중이 아니라고 판정하면, 보류된 공정들이 상기 목록의 재개 요건들이 충족된 상태(단계 S104에서 긍정적인 결과) 하에 단계 S106에서 재개된다.
상술된 실시예는 다음과 같은 장점들을 가진다.
(1) ECU(70)는 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 판정한다. 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되면, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 보류된다. 이에 따라, 차량이 다운힐 주행 중이면, 상기 공정들이 보류된다. 다시 말해, 상기 공정들은 엔진 부하가 감소되어 이에 따라 배기 온도가 저감될 때 보류되고, 상대풍이 촉매층 온도를 상당한 정도로 감소시켜 배기정화촉매가 비활성화될 가능성이 높게 된다. 따라서, 연료의 산화가 불충분한 상황 하에, 연료가 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)로 공급되지 않아, 연료 공급으로 야기되는 악영향들이 신뢰성 있게 회피된다.
촉매층 온도를 직접 검출하여 상기 촉매층 온도를 토대로 배기정화촉매의 비활성화를 판정하는 것도 가능하다. 하지만, 이러한 구성예에서는, 연료부가밸브(68)로부터의 연료 공급이 촉매층 온도의 강하가 검출된 후에 보류되더라도, 그 때 까지 분사된 연료는 계속해서 소정의 시간 주기동안 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)로 공급될 것이다. 이와는 달리, 배기온도의 강하 및 상기 온도 강하로 인한 배기정화촉매의 비활성화 조차도 상기 실시예에서의 차량의 주행 상태를 토대로 예측된다. 따라서, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 비활성화될 때, 연료를 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 부가하여 야기되는 단점들을 피할 수 있다.
(2) 상기 ECU(70)는 연료차단제어가 실행되고 있을 때 다운힐 주행 중이라고 판정한다. 그러므로, 상기 연료차단제어가 실행 중이면, 상기 단점들이 신뢰성 있게 회피된다. 다시 말해, 엔진연소열이 없고 이에 따라 촉매층 온도가 갑작스럽게 강하할 때의 단점들이 회피되고, 상기 촉매들이 엔진이 공회전되고 있는 상태(아이들 상태)에 비해 단시간에 비활성화될 가능성이 있다.
(3) PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정된 이후 소정의 시간이 경과된 때에만 보류된다. 다시 말해, 상기 공정들은 배기정화촉매들이 비활성화될 가능성이 높을 때에만 보류된다. 그러므로, 상기 공정들을 위한 충분한 시간이 상기 단점들을 회피하면서도 대부분의 경우에 획득된다. 또한, 기어의 변속이나 브레이크의 작동으로 인하여 넌-다운힐 주행 동안의 연료분사량이 다운힐 주행과 일시적으로 같게 되더라도, 상기 ECU(70)는 차량이 다운힐 주행 중이라고 잘못 판정하는 것을 막을 수 있다. 즉, ECU(70)의 판정 정확성이 개선된다.
(4) PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 차량이 다 운힐 주행 중이라는 ECU(70)의 판정을 토대로 보류되면, 상기 공정들은 상기 ECU(70)가 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 결정한 것을 판정하는 경우에 재개된다. 이는 상기 공정들이 차량이 다운힐 주행을 중단할 때 실행된다는 것을 보장한다.
(5) 또한, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은, 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정된 이후에 소정의 시간이 경과된 때에만 재개된다. 따라서, 상기 공정들은 차량이 다운힐 주행을 중단한 후, 촉매층 온도가 증가된 때에 재개된다. 그러므로, 상기 공정들은 바람직한 조건들 하에 재개된다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 차량의 내연기관용 배기정화장치를 설명한다.
상기 제2실시예는, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 보류되는 방식에서 상기 제1실시예와 상이하다.
도 7의 흐름도는 상기 공정들을 보류하기 위한 절차를 보여준다. 도 7의 흐름도에 도시된 일련의 공정들은 소정의 간격들로 ECU(70)에 의해 실행된다. 도 7의 단계 S100 내지 S106은 도 3에 도시된 제1실시예에 따른 흐름도의 단계 S100 내지 S106과 동일하므로, 동일한 도면 번호들이 도 7의 단계들에 사용되고, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 7의 흐름도에서, ECU(70)는 우선 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 단계 S100에서 판정한다. 상기 ECU(70)가 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하면(단계 S100에서 긍정적인 결과), 상기 판정이 소정의 시간 동안 계속되었는 지의 여 부가 단계 S400에서 판정된다. 구체적으로는, 다운힐 플래그가 소정의 주기동안 온(on) 되었는 지의 여부가 판정된다.
만일 차량이 다운힐 주행 중이라는 판정이 소정의 주기동안 계속되지 않았다면(단계 S400에서 부정적인 결과), 배기정화촉매들이 비활성화되는 지의 여부(비활성화 판정)가 단계 S402에서 판정된다.
만일 배기정화촉매들이 비활성화된 것으로 판정되지 않는다면(단계 S404에서 부정적인 결과), PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 보류되지 않고 계속된다. 반면, 만일 배기정화촉매들이 비활성화된 것으로 판정된다면(단계 S404에서 긍정적인 결과), 상기 공정들이 상술된 방식으로 단계 S102에서 보류된다.
그런 다음, 상기 절차가 계속해서 실행되어, 다운힐 플래그의 온 상태의 지속시간이 소정의 시간에 도달하면(단계 S400에서 긍정적인 결과), 상기 공정들은 비활성화 판정없이도 단계 S102에서 보류된다.
이하, 비활성화 판정의 구체적인 절차를 도 8의 흐름도를 참조하여 설명하기로 한다. 도 8의 흐름도에 도시된 일련의 공정들은 소정의 간격들로 ECU(70)에 의해 실행된다.
우선, 제1배기온도센서(44)에 의해 검출되는 배기온도(Ti)가 소정의 값보다 크거나 같은 지의 여부가 단계 S500에서 판정된다. 구체적으로, 배기온도(Ti)가 소정의 값보다 크거나 같은 경우, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 현재 실행되고 있는 것으로 판정된다.
만일 상기 공정들이 현재 실행되지 않는다면(단계 S500에서 부정적인 결과), 상기 배기정화촉매들은 비활성화된 것으로 판정되지 않는다.
다른 한편으로, 상기 공정들이 현재 실행된다면(단계 S500에서 긍정적인 결과), 배기온도(Ti)와 엔진 작동 상태를 토대로 계산된 기준온도(Tb)간의 차이(Ti - Tb)가 소정의 시간동안 소정의 값(γ)보다 적은 지의 여부를 단계 S502에서 판정된다.
상기 온도(Ti)는 NOx 저장환원촉매(36a)층의 온도의 지표(indicator)로 사용된다. 연료가 배기가스에 부가되지 않은 상태, 또는 촉매층 온도를 높이기 위한 절차가 실행되지 않은 상태의 촉매층 온도가 기준온도(Tb)로 사용된다. 구체적으로, 상기 기준온도(Tb)는 배기온도와 높은 상관관계를 갖는 엔진 작동 상태, 또는 엔진회전속도(NE)와 연료분사량을 토대로 연속적으로 계산된다.
온도차가 소정의 주기동안 소정의 값(γ)보다 적으면(단계 S502에서 긍정적인 결과), 연료가 배기가스에 부가되어 촉매층의 온도를 높이게 되는 경우에도, 연료가 거의 연소되지 않은 경우에서와 같이 배기온도(Ti)가 낮다고 판정된다. 즉, NOx 저장환원촉매(36a)의 층 온도가 낮다고 판정된다. 이 경우, 배기정화촉매들은 단계 S504에서 비활성화된 것으로 판정된다.
다른 한편으로, 온도차가 소정의 값(γ)보다 크거나 같은 경우, 또는 상기 온도차가 상기 소정의 주기보다 짧은 주기동안 소정의 값(γ)보다 적은 경우(단계 S502에서 부정적인 결과), 상기 배기정화촉매들은 비활성화된 것으로 판정되지 않는다.
상기 실시예에서, 다운힐 플래그의 ON 상태의 지속시간이 짧으면(도 9의 타이밍차트에 도시된 시간 t31에서 시간 t32까지), 즉 차량이 단시간동안 다운힐 주행하여 배기정화촉매들이 비활성화되기 쉽지 않은 경우에는, 상술된 비활성화 판정이 실행된다. 만일 배기정화촉매들이 비활성화된 것으로 판정되지 않는다면, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 계속된다. 상기 공정들을 실행하기 위한 시간은 최대화된다.
다른 한편으로, ECU(70)가 배기정화촉매들이 상기 공정들의 실행 동안 비활성화된 것으로 판정한다면(시간 t32), 또는 다운힐 주행의 지속시간이 소정의 시간을 초과하여 상기 배기정화촉매들이 비활성화되기가 매우 쉬운 경우에는(시간 t33), 실행되고 있는 공정들이 보류된다. 그러므로, 상술된 단점들이 회피된다.
예시된 실시예들은 다음과 같이 수정될 수도 있다.
제2실시예에서, 비활성화의 판정과 관련된 공정들이 변경될 수도 있다. 예를 들어, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들이 실행되는 동안, 상기 배기정화촉매들은 제1배기온도센서(44)에 의해 검출된 배기온도(Ti)와 제2배기온도센서(46)에 의해 검출된 배기온도(To)간의 차이(To - Ti)가 소정값보다 큰 경우에 비활성화된 것으로 판정될 수도 있다. 이 경우, NOx 저장환원촉매(36a)의 층 온도는 낮고, 필터(38a) 상의 촉매의 층 온도는 높은 상태가 검출되는데, 다시 말해 연료부가밸브(68)에 의해 부가된 연료가 상기 NOx 저장환원촉매(36a)에서 연소되지 않고, 상기 필터(38a)에서 연소된다. 이에 따라, 상기 NOx 저장환원촉매(36a)는 비활성화된 것으로 판정된다.
예시된 실시예에서, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하기 위한 요건들은 연료차단제어가 실행 중이라는 것을 포함한다. 대신에, 상기 차량은 엔진의 연료분사량이 소정량보다 적거나 같을 때 다운힐 주행 중이라고 판정될 수도 있다. 대안적으로는, 경사센서(tilt sensor)가 차량에 장착될 수도 있고, 상기 차량은 상기 경사센서가 차량의 전방부가 후방부보다 낮다고 검출할 때 다운힐 주행 중이라고 판정될 수도 있다.
예시된 실시예들에서, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정된 이후에 소정의 시간이 경과된 때에만 보류된다. 상기 소정의 주기는 엔진부하 및 차량속도(SPD)를 토대로 변경될 수도 있다. 구체적으로는, 엔진부하가 낮을 수록 또는 차량속도(SPD)가 높을 수록, 소정의 시간이 보다 짧게 설정되도록 구성될 수도 있다. 차량이 다운힐 주행 중이더라도, 상기 촉매층 온도의 감소량은 엔진부하(배기온도) 및 차량속도(SPD)(상대풍)에 따라 변한다. 하지만, 상기 수정예의 구성에 따르면, 상기 소정의 주기는 상기 촉매층 온도의 감소율에 따라 설정된다. 그러므로, 상술된 단점들이 신뢰성 있게 회피된다.
상기 PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정될 때 보류될 수도 있다.
예시된 실시예들에서, ECU(70)가 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정하면, 상기 차량이 다운힐 주행 중이라는 판정을 토대로 보류된 PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은 재개 요건들이 충족되지 않더라도 재개될 수 있다. 이러한 구성예는 또한 차량이 다운힐 주행 중일 때 상술된 단점들이 회피되도록 할 수 있다.
차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되면, PM제거제어 및 황가열제어와 관련된 제1가열제어 및 제2가열제어 그리고 황해제제어와 관련된 공연비저감제어 가운데 3가지 공정들 중 하나가 선택적으로 보류될 수도 있다. 상대적으로 많은 양의 연료가 연료부가밸브(68)에 의해 제2가열제어에서 배기가스에 부가되기 때문에, 비활성화된 상태의 배기정화촉매에 연료를 부가하면 상기 단점들이 현저하게 나타난다. 그러므로, 제2가열제어의 실행이 수반하는 단점들을 제거하기 위해서는, 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정될 때 적어도 제2가열제어가 보류되는 것이 바람직하다.
또한, 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정되면, PM제거제어 및 황가열제어와 관련된 제1가열제어 및 제2가열제어 그리고 황해제제어와 관련된 공연비저감제어 가운데 3가지 공정들 중 하나가 선택적으로 재개될 수도 있다. 만일 제2가열제어가 보류된다면, 입자상물질은 NOx 저장환원촉매(36a)의 상류 단부면 상에 남게 된다. 과도한 경우에는, 입자상물질의 축적량이 NOx 저장환원촉매(36a)의 막힘을 유발시킨다. 또한, 입자상물질의 과잉 축적량이 한 번에 연소되면, 촉매층 온도가 과도하게 증가된다. 입자상물질을 신뢰성 있게 제거하기 위해서는, 차량이 다운힐 구동 중이 아니라고 판정될 때 적어도 제2가열제어가 재개되는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 7의 단계 S106은 생략될 수도 있다. 즉, PM제거제어와 관련된 공정들과 황해제제어와 관련된 공정들은 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정되더라도 재개되지 않도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 배기정화장치는 도 1에 도시된 것 이외의 구성예를 구비한 여하한의 내연기관에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 상술된 여하한의 실시예 또는 상기 실시예들에 속한 형태들에 있어서, 촉매층 온도를 높이기 위해 배기정화촉매에 연료를 공급하도록 가열제어를 수행하는 재생제어부를 구비하여 상기 촉매들을 재생시키는 한, 차량의 내연기관용 배기정화장치의 어떠한 타입에도 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 재생제어부를 구비하되, 상기 재생제어부는 연료가 배기정화촉매에 공급되는 가열제어를 통해 상기 배기정화촉매의 재생을 제어함으로써, 상기 촉매의 층 온도를 높이는 차량의 내연기관용 배기정화장치에 있어서,
    상기 차량이 다운힐(downhill) 주행 중인 지의 여부를 판정하는 판정부를 포함하여 이루어지며,
    상기 재생제어부는, 상기 판정부가 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 경우에 상기 가열제어를 보류하되,
    상기 재생제어부는, 상기 판정부가 소정의 시간 동안 연속해서 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 경우에만 상기 가열제어를 보류하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판정부는, 엔진의 연료분사밸브에 의해 분사되는 연료량이 소정량보다 적거나 같고, 차량속도가 소정의 속도보다 빠르거나 같은 경우에 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 판정부는, 상기 연료분사밸브에 의한 연료 분사가 보류되는 연료차단제어가 실행되고 있는 경우에 상기 연료분사밸브에 의해 분사되는 연료량이 상기 소정량보다 적거나 같다고 판정하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차량이 다운힐 주행 중이라는 상기 판정부의 판정으로 인해 상기 가열제어가 보류되는 동안, 상기 판정부가 상기 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정하면 상기 재생제어부가 상기 가열제어를 재개하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 재생제어부는, 상기 판정부가 소정의 시간 동안 연속해서 상기 차량이 다운힐 주행 중이 아니라고 판정하는 경우에만 상기 가열제어를 재개하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가열제어는, 상기 배기정화촉매로 공급되는 연료량이 비교적 적은 제1가열제어, 및 상기 배기정화촉매로 공급되는 연료량이 비교적 많은 제2가열제어를 포함하고, 상기 재생제어부는 상기 판정부가 상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정하는 경우에 적어도 상기 제2가열제어를 보류하는 것을 특징으로 하는 배기정화장치.
  8. 차량의 내연기관용 배기정화방법에 있어서,
    연료를 배기정화촉매에 공급하여 상기 촉매의 층 온도를 높임으로써, 상기 배기정화촉매를 재생시키는 단계;
    상기 차량이 다운힐 주행 중인 지의 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 판정되는 경우, 상기 배기정화촉매로의 연료공급을 보류하는 단계를 포함하고,
    상기 차량이 다운힐 주행 중이라고 소정 시간 동안 연속하여 판정될 경우에만 상기 배기정화촉매로의 연료 공급이 보류되는 것을 특징으로 하는 배기정화방법.
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