KR100993369B1

KR100993369B1 - 차량의 촉매 진단장치 및 방법

Info

Publication number: KR100993369B1
Application number: KR1020080070262A
Authority: KR
Inventors: 정민영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-11-09
Also published as: KR20100009399A

Abstract

본 발명은 차량의 촉매 진단장치로, 촉매에서 발생하는 발열반응을 산소센서의 팁(Tip) 온도 모니터링을 통해 측정하여 촉매의 열화정도를 유추하고, 이를 바탕으로 후방산소센서의 성능저하를 감지하여 촉매 진단의 정확도를 높이는 것이다.

본 발명은 (a) 운전정보가 촉매 진단조건을 만족하면 후방산소센서의 내부 저항값을 검출하여 촉매 출구온도를 측정하는 과정; (b) 배출가스의 모델온도를 적용하여 촉매 입구온도를 인식하고, 이를 적용하여 촉매 내부 귀금속의 발열량과 표면온도를 산출한 다음 촉매 출구온도를 계산하는 과정; (c) 상기 (a) 과정의 촉매 출구온도 측정값과 (b) 과정의 계산값 차이를 적산하고, 적산값이 설정된 제한값을 초과하는지 판단하는 과정; (d) 상기 (d) 과정의 적산값이 제한값을 초과하면 가중치 펙터를 적용하여 촉매 진단값으로 결정하는 과정; (e) 상기 (d) 과정에서 결정된 촉매 진단값과 고장 판단 기준의 제한값을 비교하여 촉매 고장 여부를 판정하는 과정을 포함한다.

촉매진단, 후방산소센서, 에너지 방정식, 내부 저항값

Description

차량의 촉매 진단장치 및 방법{A CATALYST DIAGNOSIS SYSTEM OF VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량의 촉매 진단장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 촉매에서 발생하는 발열반응을 산소센서의 팁(Tip) 온도 모니터링을 통해 측정하여 촉매의 열화정도를 유추하고, 이를 바탕으로 후방산소센서의 성능저하를 감지하여 촉매 진단의 정확도를 향상시키는 차량의 촉매 진단장치 및 방법에 관한 것이다.

차량에는 다양한 방식의 촉매 진단방법이 적용되어 있는데, 통상적으로 연료량을 농후(Rich)/희박(Lean)으로 제어하면서 후방산소센서의 신호를 모니터링 하는 방법을 적용하고 있다.

이는 촉매가 열화되면 산소저장능력(Oxygen Storage Capacity : OSC)이 저하되고, 이에 따라 후방산소센서에서 검출되는 신호의 진폭이 증가하게 되므로 후방산소센서에서 검출되는 신호의 적산을 통해 촉매의 열화정도를 판단한다.

그러나, 이 방법은 후방산소센서의 이상으로 반응 속도가 둔화될 경우 적산 면적이 증가하기 때문에 촉매 진단에 오류가 발생하는 문제점이 있다.

후방산소센서의 반응속도 둔화(Slow Response)가 클 경우에는 산소센서 고장 으로 바로 감지하기 때문에 문제가 되지 않으나 둔화된 반응 속도값이 정상 반응값과 고장진단 임계값(Threshold) 사이에 있을 경우 산소센서 고장으로 판정되지 않으면서 촉매 진단 지수를 왜곡시키는 문제점을 발생시킨다.

따라서, CARB(California Air Resource Board)에서는 이러한 사실을 인지하여 후방산소센서 성능저하를 모니터링 하도록 법규화하고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해서 후방산소센서의 신호가 희박에서 농후로 스위칭(Switching)되는 시간을 측정해서 그 값이 일정 이상이 되면 후방산소센서의 성능저하로 인식하고 촉매 진단 결과에 가중치(Weighting)를 적용하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 후방산소센서의 스위칭 시간을 진단할 때 연료 차단 제어의 위상에서 희박에서 농후로 스위칭 되는 시간 측정을 대략 3회 정도 반복하는데, 이 경우 배기계의 리크(Leakage)에 의해서 발생하는 반응속도 둔화와 실제 센서 열화에 의해서 발생하는 반응속도 둔화를 구별할 수 없는 단점이 있다.

이러한 단점으로 인하여 후방산소센서의 스위칭 시간 진단에 오류가 있을 경우 정상 촉매를 열화 촉매로 오진단하는 문제점을 발생시킨다.

다른 방법으로 후방산소센서의 신호를 이용하지 않고 배출가스의 온도를 이용하는 방법이 적용되고 있다.

촉매에 로딩(Loading)되어 있는 귀금속이 배출가스와 반응할 경우 촉매 내에서 발열반응이 발생하는데 이로 인하여 배출가스의 온도는 촉매 입구보다 촉매 내부에서 증가하게 된다.

이러한 원리를 이용하여 촉매 양끝단의 온도를 측정하면 촉매 열화 정도를 진단할 수 있다.

구체적으로 설명하면 촉매에 귀금속이 로딩된 경우와 비귀금속이 로딩된 조건에서 촉매 입구의 배출가스 온도(TEG1)와 촉매 출구의 배출가스 온도(TEG2)를 측정하여 귀금속에 의한 발열량(Eexoth)을 계산하고 이 값을 기준값으로 설정된 열화촉매의 발열량과 비교하면 촉매의 열화 정도를 파악할 수 있다.

그러나, 이 방법은 후방산소센서의 성능저하에 관계없이 촉매 열화 정도를 판단할 수 있는 장점이 있으나 기술을 실용화 하기 위해서 촉매 전/후방에 온도센서를 설치하여야 하며, 온도센서의 재질이 고온에서도 충분히 견딜 수 있는 물질이어야 하는 문제점이 있다.

또한, 촉매 전/후에 장착된 온도센서가 비정상 작동할 경우 촉매 열화를 오진단 할 수 있으므로 온도센서의 신뢰성을 측정하기 별도의 기술을 더 포함되어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 촉매에서 발생하는 발열반응을 산소센서의 팁 온도 모니터링을 통해 측정하여 촉매의 열화정도를 유추하고, 이를 바탕으로 후방산소센서의 성능저하를 감지하여 촉매 진단에 반영하여 촉매 열화진단에 정확도를 향상시키도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 차량의 촉매 진단장치는, 연소를 통해 동력을 발생시키는 엔진; 내부에 귀금속이 로딩되며, 배출가스에 포함된 유해물질과 산화 혹은 환원 반응하여 유해물질을 정화시키는 촉매; 상기 촉매의 출구측에 배치되어, 혼합비의 농후/희박에 따른 산소농도를 스위칭 신호로 출력하는 후방산소센서를 포함하며,

상기 후방산소센서의 내부 저항값을 검출하여 촉매 출구온도를 측정하고, 발열반응에 의한 출구온도를 계산하여 온도의 차이를 적산하며, 적산된 값과 고장 판정의 제한값과 비교하여 촉매의 열화에 의한 고장을 판정하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 차량의 촉매 진단방법은, (a) 운전정보가 촉매 진단조건을 만족하면 후방산소센서의 내부 저항값을 검출하여 촉매 출구온도를 측정하는 과정; (b) 배출가스의 모델온도를 적용하여 촉매 입구온도를 인식하고, 이를 적용하여 촉매 내부 귀금속의 발열량과 표면온도를 산출한 다음 촉매 출구온도를 계산하는 과정; (c) 상기 (a) 과정의 촉매 출구온도 측정값과 (b) 과정의 계산값 차이를 적산하고, 적산값이 설정된 제한값을 초과하는지 판단하는 과정; (d) 상기 (d) 과정의 적산값이 제한값을 초과하면 가중치 펙터를 적용하여 촉매 진단값으로 결정하는 과정; (e) 상기 (d) 과정에서 결정된 촉매 진단값과 고장 판단 기준의 제한값을 비교하여 촉매 고장 여부를 판정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 별도의 온도센서를 장착하지 않고 산소센서의 내부 저항값을 이용하여 촉매 반열반응을 측정하고 이 결과를 바탕으로 촉매의 열화 징후를 진단할 수 있어 추가적인 원가상승 요인이 발생되지 않으며, 촉매의 열화 징후를 포착한 경우에만 가중치 펙터를 적용하므로 촉매 진단에 신뢰성을 향상시키는 효과가 기대된다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 촉매 진단장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 엔진(10)과 촉매(20), 후방산소센서(30), 제어부(40) 및 표시부(50)를 포함한다.

엔진(10)는 공기와 연료의 비로 결정되는 혼합기의 연소를 통해 동력을 발생시키며, 연소 과정에서 발생된 배출가스를 촉매(20)로 공급한다.

촉매(20)는 내부에 귀금속이 로딩되며, 엔진(10)에서 공급되는 배출가스에 포함된 유해물질과 산화 혹은 환원 반응을 통해 정화시켜 에미션을 안정되게 한다.

후방산소센서(30)는 촉매(20)의 출구측에 배치되어, 혼합비의 농후/희박에 따라 스위칭되는 산소농도를 검출하여 제어부(40)에 제공한다.

또한, 상기 후방산소센서(30)의 세라믹 팁 부분은 온도의 변화에 따라 저항값이 일정하게 변화되는 특성을 갖고 있으므로, 배출가스의 온도 변화에 따른 저항값의 변화를 제어부(40)에 제공한다.

제어부(40)는 엔진(10)의 운전조건이 촉매(20) 진단 조건을 만족하면 모델링한 배출가스의 온도를 이용하여 촉매(20)의 입구 온도를 결정하고, 후방산소센서(30)의 내부 저항값으로부터 촉매(20)의 출구 온도를 결정한다.

그리고, 촉매(20) 내부 귀금속의 발열량과 표면온도를 산출하고, 발열반응에 의한 촉매(20)의 출구온도를 계산한 다음 상기 내부 저항값의 모니터링으로 결정한 출구 온도와 비교하여 차이값을 적산하고, 적산된 값이 설정된 제한값을 초과하면 가중치 펙터를 적용하여 촉매(20)의 고장 여부를 판정한다.

표시부(50)는 클러스터에 배치되어, 상기 제어부(40)의 제어신호에 따라 촉매(20)의 열화에 의한 고장 여부의 정보를 운전자에게 지시하여 촉매(20)의 열화에 따른 신속한 대응이 이루어질 수 있도록 한다.

전술한 바와 같은 기능이 포함되는 본 발명의 동작은 다음과 같다.

엔진(10)의 시동이 온을 유지하는 상태에서 제어부(40)는 공기량, 엔진 회전수를 포함하는 제반적인 운전정보를 검출하여(S101) 촉매(20)의 진단조건을 만족하는지 판단한다(S102).

상기 S102에서 촉매(20)의 진단조건을 만족하지 않으면 상기 S101의 과정으로 리턴하고, 촉매(20) 출구온도 모니터링 모드로 진입한다(S103).

후방산소센서(30)의 세라믹 팁 부분의 온도는 배출가스의 온도와 센서에 내 장되는 히터에 영향을 받으므로, 내부 저항값의 모니터링을 통해 배출가스의 온도를 측정하기 위해서는 센서 히터의 영향을 배제시켜야 한다.

이를 위해 후방산소센서(30)의 신호가 OBD 진단에 영향을 미치지 않고, 연료량의 과급이 없는 준비상태의 아이들 조건에서 히터 가열듀티를 오프시킨(S104) 다음 후방촉매센서(30)의 세라믹 팁의 내부 저항값을 검출하고(S105), 내부 저항값을 기준으로 촉매(20)의 출구온도를 측정한다(S106).

그리고, 엔진(10)에서 연소된 배출가스가 배기 파이프를 통해 촉매(20)로 공급되는 과정에서 열손실은 미미하게 발생되므로, 촉매(20)의 입구 온도는 엔진(10)에서의 배출온도와 동일하므로, 공기량과 엔진 회전수의 조건에 따른 배출가스의 모델링 온도를 판독한다(S107).

촉매(20) 내부 귀금속에 의한 발열량과 촉매(20) 표면온도를 산출하고(S108) 촉매(20)의 발열반응에 의한 출구온도를 계산한다(S109).

상기 촉매(20)의 발열량과 표면온도는 배출가스 유량과 배출가스 온도의 함수이므로, 공기량과 배출가스 모델링 온도에 대하여 사전시험을 통해 확보한 기준 데이터를 통해 산출한다.

그리고, 촉매(20)의 발열반응에 의한 출구온도는 다음과 같이 계산한다.

촉매(20)의 발열반응을 검출하기 위한 모델은 도 3과 같으며, 귀금속에 의한 발열반응의 에너지 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.

Q1 - Q2 + Q4 = Q3

여기서, Q1 : 엔진에서 유입된 열량, Q2 : 머플러로 배출되는 열량, Q3 : 대기중으로 전달되는 열량, Q4 : 귀금속에 의한 열량이다.

상기에서 대기중으로 전달되는 열량(Q3)은 전도, 대류, 복사의 형태로 열전달이 이루어지는데, 대부분 대류 형태로 전달되므로 전도와 복사에 의한 열전달을 무시하고 에너지 방정식을 정리하면 아래의 수학식 2와 같다.

Q1 - Q2 = Q3 -Q4

여기서, TAM : 외기온도, T1 : 촉매 입구온도, T2 : 촉매 출구온도, T3 : 촉매 표면온도, m : 배출가스 유량, Cp : 정압비열, h : 열전달 계수, A : 열전달 면적, Q4 : 배출가스가 촉매와 반응하면서 발생하는 발열량을 의미한다.

상기한 수학식 2의 에너지 방정식을 통해 촉매(20)의 발열반응에 의한 출구온도가 계산되면 계산값과 상기 S106에서 측정된 측정값을 비교하여 그 차이값을 적산한다(S110).

상기한 절차를 통해 촉매(20) 출구온도의 모니터링이 완료되면 모니터링의 실행횟수가 온도측정의 정밀도를 높이기 위하여 설정한 제한횟수, 바람직하게는 3회를 초과하였는지 판단한다(S111).

상기 S111의 판단에서 모니터링 실행횟수가 설정된 제한횟수를 초과하지 않 은 상태이면 상기 S104의 과정으로 리턴하고, 설정된 제한횟수를 초과하였으면 상기 S110에서 온도 차이를 적산한 적산값이 설정된 제한값을 초과하였는지 판단한다(S112).

상기 S112의 판단에서 적산값이 설정된 제한값을 초과하지 않은 상태이면 촉매(20)를 정상으로 판단하고, 적산값이 설정된 제한값을 초과한 상태이면 상기 S110의 적산값에 가중치 펙터를 적용하여 촉매(20) 열화 판정을 위한 진단값을 최종적으로 결정한다(S113).

그리고, 상기 S113에서 결정된 진단값이 설정된 고장 판정의 기준값인 제한값을 초과하였는지 판단하여(S114), 고장판정의 기준값이 제한값을 초과하지 않았으면 촉매(20)는 정상 상태인 것으로 판정하고, 고장 판정의 기준값인 제한값을 초과하였으면 촉매(20)의 고장으로 판단한 다음(S115) 진단코드를 저장함과 동시에 표시부(50)를 통해 열화에 의한 촉매(20) 고장을 표시한다(S116).

이상과 같이 본 발명은 후방 산소센서 성능저하 진단 결과를 무조건적으로 촉매 진단 가중치 펙터에 반영하지 않고 촉매의 열화 징후가 포착된 경우에만 가중치 펙터를 적용하므로 촉매 진단에 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 2는 차량 촉매에서의 발열반응 관계를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 촉매 진단 절차를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진 20 : 촉매

30 : 후방산소센서 40 : 제어부

Claims

연소를 통해 동력을 발생시키는 엔진;

내부에 귀금속이 로딩되며, 배출가스에 포함된 유해물질과 산화 혹은 환원 반응하여 유해물질을 정화시키는 촉매;

상기 촉매의 출구측에 배치되어, 혼합비의 농후/희박에 따른 산소농도를 스위칭 신호로 출력하는 후방산소센서를 포함하며,

상기 후방산소센서의 내부 저항값을 검출하여 촉매 출구온도를 측정하고, 발열반응에 의한 출구온도를 계산하여 온도의 차이를 적산하며, 적산된 값과 고장 판정의 제한값과 비교하여 촉매의 열화에 의한 고장을 판정하는 제어부를 더 포함하는 차량의 촉매 진단장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부에서 판정되는 고장 판정 결과를 운전자에게 지시하는 표시부를 더 포함하는 차량의 촉매 진단장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 발열반응에 의한 출구온도 계산을 위해 모델링한 배출가스의 온도를 이용하여 입구 온도를 결정하고, 이를 이용하여 촉매 내부 귀금속 발열량과 표면온도를 산출한 다음 에너지 방정식을 적용하여 출구 온도를 계산하는 차량의 촉매 진단장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 촉매 출구온도 측정값과 발열반응에 의한 계산값 차이를 적산하는 절차를 설정된 제한횟수 동안 반복하는 차량의 촉매 진단장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 촉매 출구온도 측정값과 발열반응에 의한 계산값 차이의 적산값이 설정된 제한값을 초과하면 가중치 펙터를 적용하여 촉매 고장 판단의 진단값을 결정하는 차량의 촉매 진단장치.
(a) 운전정보가 촉매 진단조건을 만족하면 후방산소센서의 내부 저항값을 검출하여 촉매 출구온도를 측정하는 과정;

(b) 배출가스의 모델온도를 적용하여 촉매 입구온도를 인식하고, 이를 적용하여 촉매 내부 귀금속의 발열량과 표면온도를 산출한 다음 촉매 출구온도를 계산하는 과정;

(c) 상기 (a) 과정의 촉매 출구온도 측정값과 (b) 과정의 계산값 차이를 적산하고, 적산값이 설정된 제한값을 초과하는지 판단하는 과정;

(d) 상기 (d) 과정의 적산값이 제한값을 초과하면 가중치 펙터를 적용하여 촉매 진단값으로 결정하는 과정;

(e) 상기 (d) 과정에서 결정된 촉매 진단값과 고장 판단 기준의 제한값을 비교하여 촉매 고장 여부를 판정하는 과정을 포함하는 차량의 촉매 진단방법.
제6항에 있어서,

상기 (a) 과정에서 후방산소센서의 내부 저항값은 히터 가열 듀티를 오프한 조건에서 검출하여 순수한 배출가스의 온도만이 적용되도록 하는 차량의 촉매 진단방법.
제6항에 있어서,

상기 (b) 과정에서 촉매 출구온도는 하기의 수학식 3으로 결정되는 에너지 방정식을 적용하여 계산하는 차량의 촉매 진단방법.

여기서, TAM : 외기온도, T1 : 촉매 입구온도, T2 : 촉매 출구온도, T3 : 촉매 표면온도, m : 배출가스 유량, Cp : 정압비열, h : 열전달 계수, A : 열전달 면적, Q4 : 배출가스가 촉매와 반응하면서 발생하는 발열량을 의미한다.
제6항에 있어서,

상기 (c) 과정에서 촉매 출구온도 측정값과 계산값의 차이의 적산 절차를 설정된 제한횟수 동안 반복하는 차량의 촉매 진단방법.