KR101836286B1 - 촉매 산소 퍼지 제어 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법은, 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 배기 가스가 배출되고, 배기 가스가 통과하는 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 냉간시 촉매 산소 퍼지 제어 방법으로서, 상기 연소실로 연료를 분사하는 인젝터의 연료 차단(fuel cut) 조건이 만족되는지 판단하는 단계와, 상기 연료 차단 조건이 만족되면, 상기 인젝터의 연료 차단을 수행하는 단계와, 상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 상태인지 판단하는 단계와, 상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 전 상태이면 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량을 측정하는 단계와, 상기 산소 저장 용량과 냉간시 유효 산소 저장량을 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과를 기초로 산소 퍼지 시간을 조절하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 촉매 산소 퍼지 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매 활성화 전 냉간시 연료 차단(fuel-cut) 이후 산소 퍼지 시간을 단축하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 자동차의 이용도가 증가하고 교통량이 증가함에 따라 배기 가스로 인한 대기오염의 문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있다.
따라서, 각국의 정부는 배기 가스 규제를 위하여 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등의 배기 가스 내 오염물질에 대한 배출 기준을 정해놓고 있으며, 이러한 배기 가스 규제는 점차 강화되고 있다.
또한, 각 자동차 제조사들은 한층 강화되고 있는 배기 가스 규제에 효과적으로 대응하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있으며, 신규 차량은 배기 가스 배출 기준에 맞추어 생산하고 있다.
특히, 자동차에서는 배기 가스 배출 기준을 충족시키기 위하여 귀금속이 담지된 삼원 촉매 컨버터(three way catalyst converter)가 배기계에 장착되어 탄화수소의 분해, 일산화탄소의 산화, 및 질소산화물의 환원을 촉진시킨다.
상기 삼원 촉매는 배기 가스의 유해성분인 탄화수소계 화합물, 일산화탄소 및 질소산화물(NOx)과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거시키는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계가 이용된다.
이러한 삼원 촉매는 배기 가스의 공연비를 기준으로 린(lean: 산소과대)상태와 리치(rich: 연료과대)상태의 변동에 따라서 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키고, 질소산화물을 저감시키는 기능을 수행한다.
한편, 연료 차단(fuel cut) 상태에서는 미연소 공기가 삼원 촉매를 지남으로서 산소가 삼원 촉매에 저장되고, 연료 재분사 시에는 저장된 산소에 의해서 질소산화물의 정화율이 현지히 떨어지며, 이를 방지하기 위해서 연료 재분사시 과도한 연료를 분사하여 산소를 소모시키는 산소 퍼지(O2 purge)기능을 수행한다.
신품의 삼원 촉매의 경우, 연료 차단 및 산소 퍼지 시 촉매 활성화 전/후에 무관하게 동일한 산소 퍼지 방식이 적용된다. 냉간시 촉매가 활성화되어 있지 않아 촉매가 활성화된 기준으로 산소 퍼지시 과도한 탄화수소 및 일산화 탄소 배출이 발생되어 배기 가스 정화 효과가 악화된다.
본 발명은 삼원 촉매가 활성화되기 전인 냉간시 연료 차단 이후 산소 퍼지 시간을 단축시켜 배출 가스 발생을 최소화할 수 있는 촉매 산소 퍼지 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 장치는, 엔진에서 발생한 배기 가스를 배출하는 배기계와, 상기 배기계에 촉매를 공급하는 삼원 촉매 컨버터(three way catalyst converter; TWC)와, 상기 삼원 촉매 컨버터의 촉매 온도를 센싱하는 온도 센서와, 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량(oxygen storage capacity; OSC)을 센싱하는 산소 센서와, 상기 촉매 온도 및 상기 산소 저장 용량을 이용하여 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 퍼지(purge) 시간을 변경하는 변경 제어 조건을 연산하는 연산부, 및 상기 변경 제어 조건에 따라 상기 촉매 컨버터를 제어하여 상기 산소 퍼지 시간을 제어하는 산소 퍼지 제어기를 포함한다.
상기 산소 퍼지 시간 제어는, 냉간시 상기 삼원 촉매 컨버터의 활성화 전에 수행될 수 있다.
상기 변경 제어 조건은 엔진의 점화 시기, 아이들 RPM(revolution per minute), CAM 타이밍, 공연비 및 분사 조건 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법은, 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 배기 가스가 배출되고, 배기 가스가 통과하는 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 냉간시 촉매 산소 퍼지 제어 방법으로서, 상기 연소실로 연료를 분사하는 인젝터의 연료 차단(fuel cut) 조건이 만족되는지 판단하는 단계와, 상기 연료 차단 조건이 만족되면, 상기 인젝터의 연료 차단을 수행하는 단계와, 상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 상태인지 판단하는 단계와, 상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 전 상태이면 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량을 측정하는 단계와, 상기 산소 저장 용량과 냉간시 유효 산소 저장량을 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과를 기초로 산소 퍼지 시간을 조절하는 단계를 포함한다.
상기 냉간시의 냉간 기준은 상기 삼원 촉매 컨버터 촉매층 온도가 400도 미만이며 상기 삼원 촉매 컨버터 활성화 전일 수 있다.
상기 냉간시의 냉간 기준은 엔진 시동 후 200초 전이며 삼원 촉매 컨버터 활성화 전일 수 있다.
상기 산소 퍼지 시간은 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량(oxygen storage capacity)에 의해 연산될 수 있다.
상기 산소 퍼지 시간은 상기 산소 저장 용량이 작을수록 짧게 될 수 있다.
상기 산소 저장 용량은 화학흡착법, 모의활성평가장치, 엔진, 및 차량 중 어느 하나를 활용하여 측정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉간시 촉매 산소 저장 특성을 반영하여 산소 퍼지 시간을 조절함으로써, 배출 가스 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 냉간시 산소 퍼지 시간을 단축함으로써 추가적인 연비 개선이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도에 따른 촉매의 산소 저장 용량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도에 따른 촉매의 산소 저장 용량을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 촉매 산소 퍼지 제어 장치는 배기계(120)와, 삼원 촉매 컨버터(130)와, 온도 센서(131)와, 산소 센서(132)와, 연산부(150), 및 산소 퍼지 제어기(140)를 포함한다.
배기계(120)는 엔진(110)에서 발생한 배기 가스를 배출하며, 삼원 촉매 컨버터(130)는 배기계(120)에 촉매를 공급한다. 삼원 촉매 컨버터(130)에는 촉매 온도를 센싱하는 온도 센서(131)가 구비되며, 삼원 촉매 컨버터(130)의 산소 저장 용량을 센싱하는 산소 센서(132)가 구비된다.
엔진(110)은 가솔린을 원료로 하는 CVVT(Continuous Variable Valve Timing), DOHC(Double Over Head Camshaft), CVT(Continuous Valve Timing), GDI(Gasoline Direct Injection), MPI(Multi Point Injection) 엔진 등이 될 수 있다. 물론, 이러한 가솔린 엔진 외에도, 디젤을 연료로 하는 엔진, 가스를 연료로 하는 엔진 등에도 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있다.
배기계(120)는 일반적으로 엔진에서 발생한 배출 가스를 배출하는 배기 머플러가 되나, 이외에도 매니폴드, 촉매기 등으로 구성될 수 있다.
삼원 촉매 컨버터(130)는 배기 가스와 산화 환원 반응을 하는 촉매(미도시), 이 촉매를 히팅(가열)하는 히터(미도시) 등을 포함하여 구성된다.
온도 센서(131)는 삼원 촉매 컨버터(130)의 촉매 온도를 센싱하여 센싱된 온도 정보를 연산부(150)에 제공한다. 또한, 산소 센서(132)는 삼원 촉매 컨버터(130)의 산소 저장 용량을 센싱하여 센싱된 산소 저장 용량 정보를 연산부(150)에 제공한다.
연산부(150)는 촉매 온도 및 산소 저장 용량을 이용하여 삼원 촉매 컨버터(130)의 산소 퍼지 시간을 변경하는 변경 제어 조건을 연산한다.
산소 퍼지 제어기(140)는 변경 제어 조건에 따라 촉매 컨버터(130)를 제어하여 산소 퍼지 시간을 제어한다. 산소 퍼지 시간 제어는 냉간시 삼원 촉매 컨버터(130)의 활성화 전에 수행될 수 있으며, 변경 제어 조건은 엔진의 점화 시기, 아이들 RPM(revolution per minute), CAM 타이밍, 공연비 및 분사 조건 중 적어도 하나일 수 있다. 이 중 가장 크게 영향을 미치는 조건은 엔진의 점화 시기와 공연비이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 산소 퍼지 제어 방법은, 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 배기 가스가 배출되고, 배기 가스가 통과하는 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 냉간시 촉매 산소 퍼지 제어 방법으로서, 우선 연소실로 연료를 분사하는 인젝터의 연료 차단(fuel cut) 조건이 만족되는지 판단한다(S201).
그 후, 연료 차단 조건이 만족되면, 인젝터의 연료 차단을 수행한다(202).
그 후, 삼원 촉매 컨버터가 활성화 상태인지 판단하고(S203), 삼원 촉매 컨버터가 활성화 전 상태이면 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량을 측정한다(S204). 산소 저장 용량은 화학흡착법, 모의활성평가 장치, 엔진, 차량 등을 활용하여 측정될 수 있다.
그 후, 산소 저장 용량과 냉간시 유효 산소 저장량을 비교하고(S205), 비교 결과를 기초로 산소 퍼지 시간을 조절한다(S206).
이 때, 냉간시의 냉간 기준은 삼원 촉매 컨버터 촉매층 온도가 약 400도 미만이며 삼원 촉매 컨버터 활성화 전일 수 있다. 또한, 엔진 시동 후 약 200초 전이며 삼원 촉매 컨버터 활성화 전일 수 있다.
또한, 산소 퍼지 시간은 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량에 의해 연산될 수 있다. 산소 퍼지 시간은 산소 저장 용량이 작을수록 길게 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 EM 배출 거동을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 엔진 시동 후 약 200초 전 삼원 촉매 컨버터 촉매층 온도가 약 400도 이하인 냉간시 즉, 촉매 활성화 전이면, 산소 퍼지시 삼원 촉매 컨버터 전단 람다값 즉, 공연비가 낮아지고, 삼원 촉매 컨버터 출구(WCCout)에서 측정한 탄화 수소(THC) 배출은 증가하며, 질소 산화물(NOx)은 소량 배출된다.
도 4를 참조하면, 엔진 시동 후 약 200초 후 삼원 촉매 컨버터 촉매층 온도가 약 400도 이상인 온간시 즉, 촉매 활성화 후이면, 삼원 촉매 컨버터 출구에서 측정한 탄화 수소 배출은 없으며, 질소 산화물은 다량 배출된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 냉간시 촉매 활성화 이전인 경우 산소 퍼지 초기 탄화 수소가 지속적으로 다량 대출되나, 온간시 촉매 활성화 이후에는 탄화 수소 배출은 이루어지지 않으므로 EM 관점에서 산소 퍼지 시간 단축은 냉간시에만 유효하다고 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 온도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 입구 온도는 약 220도이며, 삼원 촉매 컨버터의 베드(bed) 온도(촉매층 온도)는 약 370도이다. 삼원 촉매 컨버터의 촉매층 온도는 온도 모델의 온도를 사용할 수도 있고, 열전대(thermocouple)를 사용하여 측정할 수 있다. 촉매층은 촉매 전단으로부터 약 1인치되는 위치이다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 입구 온도는 약 330도이며, 삼원 촉매 컨버터의 베드 온도는 약 550도이다.
즉, 냉간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 입구 및 베드 온도는 400도 미만이며, 온간시 촉매 산소 퍼지 실행시 삼원 촉매 컨버터의 입구의 온도는 400도 미만이나 베드 온도는 500도 이상이다. 약 400도 부근에서 삼원 촉매 컨버터의 활성화가 이루어진다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 가스 온도에 따른 촉매의 산소 저장 용량을 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 삼원 촉매 컨버터는 1.4리터 엔진의 가솔린 차량의 경우 촉매층 온도가 약 400도 부근에서 활성화가 이루어지며, 약 400도 이전에는 삼원 촉매 컨버터가 활성화가 이루어지지 않아 온도 감소에 따른 산소 저장 용량 감소가 큰 반면, 약 400도 이상에서는 삼원 촉매 컨버터가 활성화가 되어 온도 증가에 따른 산소 저장 용량의 증가 변화가 작다.
촉매에 따라 활성화 온도는 다를 수 있으며, 촉매의 산소 저장 용량 측정은 화학흡착법, 모의활성평가장치, 엔진, 차량 등을 활용하여 측정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉간시 촉매 산소 저장 특성을 반영하여 산소 퍼지 시간을 조절함으로써, 배출 가스 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 냉간시 산소 퍼지 시간을 단축함으로써 추가적인 연비 개선이 가능하다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
110: 엔진 120: 배기계
130: 삼원 촉매 컨버터 131: 온도 센서
132: 산소 센서 140: 산소 퍼지 제어기
150: 연산부
130: 삼원 촉매 컨버터 131: 온도 센서
132: 산소 센서 140: 산소 퍼지 제어기
150: 연산부
Claims (9)
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- 연소실에서 공기와 연료가 혼합되어 연소된 배기 가스가 배출되고, 배기 가스가 통과하는 삼원 촉매 컨버터를 포함하는 촉매 산소 퍼지 제어 장치의 냉간시 촉매 산소 퍼지 제어 방법으로서,
상기 연소실로 연료를 분사하는 인젝터의 연료 차단(fuel cut) 조건이 만족되는지 판단하는 단계;
상기 연료 차단 조건이 만족되면, 상기 인젝터의 연료 차단을 수행하는 단계;
상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 상태인지 판단하는 단계;
상기 삼원 촉매 컨버터가 활성화 전 상태이면 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량을 측정하는 단계;
상기 산소 저장 용량과 냉간시 유효 산소 저장량을 비교하는 단계; 및
상기 비교 결과를 기초로 산소 퍼지 시간을 조절하는 단계를 포함하는 촉매 산소 퍼지 제어 방법. - 제 4 항에서,
상기 냉간시의 냉간 기준은 상기 삼원 촉매 컨버터 촉매층 온도가 400도 미만이며 상기 삼원 촉매 컨버터 활성화 전인 촉매 산소 퍼지 제어 방법. - 제 4 항에서,
상기 냉간시의 냉간 기준은 엔진 시동 후 200초 전이며 삼원 촉매 컨버터 활성화 전인 촉매 산소 퍼지 제어 방법. - 제 4 항에서,
상기 산소 퍼지 시간은 상기 삼원 촉매 컨버터의 산소 저장 용량(oxygen storage capacity)에 의해 연산되는 촉매 산소 퍼지 제어 방법. - 제 7 항에서,
상기 산소 퍼지 시간은 상기 산소 저장 용량이 작을수록 짧게 되는 촉매 산소 퍼지 제어 방법. - 제 4 항에서,
상기 산소 저장 용량은 화학흡착법, 모의활성평가장치, 엔진, 및 차량 중 어느 하나를 활용하여 측정되는 촉매 산소 퍼지 제어 방법.
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2016
- 2016-10-24 KR KR1020160138361A patent/KR101836286B1/ko active Active
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| CN112943461B (zh) * | 2019-11-26 | 2023-07-25 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 用于燃料切断事件后燃料富集减少的机动车的系统和方法 |
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