KR20110049835A - 람다 제어에 의한 배기-가스 시스템 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

내연 기관(2)의 배기-가스 시스템(1) 작동 방법으로서, 상기 배기-가스 시스템에 하나 이상의 입자 분리기(3)와 하나의 촉매 변환기(4)가 배치되며, 상기 배기-가스 시스템(1) 작동 방법은: a) 제어값(5) 만큼 람다 조정함으로써 내연 기관(2)에서 처리 작동하는 단계; b) 입자 분리기(3)의 재생 처리를 확인하는 단계; c) 상기 입자 분리기(3)의 재생 처리를 위한 산소 요구도를 결정하는 단계; d) 상기 입자 분리기(3)의 재생 처리의 시간 주기 동안에 필요한 산소 요구도만큼 람다 조정을 적용하는 단계를 적어도 포함한다. 더욱이, 본 발명에 적용가능하고 불꽃-점화 기관(9)을 구비한 자동차(8)가 제공된다.

Description

람다 제어에 의한 배기-가스 시스템 작동 방법{Method for Operating an Exhaust-Gas System with Lambda Regulation}
본 발명은 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법에 관한 것으로서, 상기 내연 기관의 배기 시스템에 하나 이상의 입자 분리기와 하나의 촉매 변환기가 배치된다. 또한, 본 발명의 방법을 실행하는데 적당한 자동차가 기재되었다. 특히 본 발명은 내연 기관이 작동하는 동안에 입자 분리기의 재생과 관련하여 사용된다.
특히 불꽃-점화 내연 기관으로부터의 배기 가스 처리와 관련하여, 고체 상태의 연소 찌꺼기 제거시, 문제점이 발생할 수 있다. 불꽃-점화 기관의 배기-가스 처리에 있어서, 질량과 관련하여 배기 가스에서 생성된 입자가 디젤 기관의 경우보다 상당히 보다 적게 생성된다고 지금까지 알려져 있다. 수트 입자를 제거하기 위하여, 예를 들면 입자가 수용된 입자 분리기(벽 유동 필터, 부분 유동 필터 등)가 사용된다. 입자 분리기의 차단을 방지하기 위하여 및/또는 입자 분리기의 효율성을 다시 증가시키기 위하여, 예를 들면 550℃ 내지 600℃의 온도에서, 수트가 열적으로 변환되는데, 이를 위해 산소가 필요하게 된다.
불꽃-점화 기관의 경우에, 통상적으로 소위 람다 제어(lambda control)가 사용된다. 이러한 람다 제어는, 특히 파워 소비 및 특정 연료 소비와 관련하여, 내연 기관에서의 연소 처리에 사용된다. 람다(λ)는 화학량적인 혼합물과 관련된 공기/연료비를 의미한다. 화학량적인 혼합물은 연료를 완전 연소시키는데 필요한 공기량을 정확하게 포함한다. 이는 λ= 1.0 이라는 것을 의미한다. 본 발명에 있어서, 가솔린의 경우에, 질량비는 14.7 : 1이다. 연료가 많다면, 혼합물이 농후하다는 것을 의미하고(λ< 1), 공기가 과하게 많다면, 이는 혼합물이 희박하다는 것을 의미한다(λ> 1). 람다 제어에 있어서, 실제 람다값이 적당한 센서에 의해 측정되고 연료량이나 공기량이 변하도록 람다 제어값이 설정된다.
3-방향 촉매 변환기로 형성된 배기 시스템에 있어서, 람다 제어가 제어값 1.0으로 정확하게 유지(adhere)되도록 설정된다. 2개의 상이한 실시예가 이를 위해 공지되었고, 특히 첫번째 실시예에서 람다값은 정확하게 1.0으로 일정하게 유지되고, 두번째 실시예에서 람다 평균값 1.0에 대한 실제 람다값의 일정한 진동이 행해진다. 이와 같이, 배기-가스에 구성물(composition)이 제공되며 이 경우 - 가능한 효과적으로 - 상기 배기-가스에 함유된 오염물의 변환이 3-방향 촉매 변환기와 접촉할 때 계속 달성된다.
이를 시발점으로 하여, 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 강조된 문제점을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 특히, 본 발명의 방법에 의해, 내연 기관이 작동하는 동안에, 상기 내연 기관의 배기-가스 유동으로부터의 오염물 및/또는 입자가 보다 효율적으로 변환된다. 더욱이, 배기 시스템을 구비한 자동차가 특정되며, 이러한 배기 시스템에 의해, 가스상의 성분이 신뢰적으로 그리고 효과적으로 계속하여 변환되는 상태에서, 입자 필터 재생 제어 조정이 실현될 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 청구항 1의 단계에 따른 방법과 청구항 7의 특징부를 구비한 자동차에 의해 달성된다. 또한, 본 발명의 여러 유리한 실시예가 종속 청구항에 각각 기재되어 있다. 청구항에 각각 기재된 특징은 서로 임의의 필요한 기술적으로 의미있는 방식으로 합쳐지고, 본 발명의 또 다른 실시예를 형성한다는 것을 알 수 있다. 특히, 도면과 관련된 기재는 본 발명을 보다 상세하게 설명하고 본 발명의 다른 실시예를 기술하기 위함이다.
내연 기관의 배기 시스템을 작동시키는 본 발명에 따른 방법으로서, 상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 배기 시스템에는 하나 이상의 입자 분리기와 하나의 촉매 변환기가 배치되며, 상기 본 발명의 방법은:
a) 제어값과 관련된 람다 제어를 사용하여 내연 기관에서의 처리를 행하는 단계;
b) 입자 분리기의 재생 처리를 확인하는 단계;
c) 상기 입자 분리기의 상기 재생 처리를 위한 산소 요구도를 결정하는 단계;
d) 상기 람다 제어를 상기 입자 분리기의 상기 재생 처리의 주기 동안에 결정된 산소 요구도로 적용하는 단계를 적어도 포함한다.
상기 단계 a)는 특히 내연 기관에 대한 공기 및 연료의 공급이 람다값의 함수로 발생한다는 것을 의미한다. 본 발명에서, 현저하게 일정한 제어값이 일반적으로 내연 기관의 작동을 위해 사전결정된다.
단계 b)에 따른 입자 분리기의 재생 처리의 확인은 측정 및/또는 계산에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 입자 분리기를 가로지르는 압력 강하가 측정 및/또는 계산될 수 있다. 또한, 수학적 모델이 제공되며, 이 수학적 모델로부터 저장된 입자량이 내연 기관에서의 처리의 함수로 결정되거나 계산될 수 있다. 어느 경우에 있어서도, 한계값이 본 발명에서 고려되고, 상기 한계값에 도달할 때 입자 분리기의 재생이 개시된다. 또한, 한계값이 내연 기관의 하중 위치 및/또는 배기 시스템에서의 온도에 따라 변할 수 있을지라도, 본 발명에서 상기 한계값은 고정될 수 있다.
단계 c)에 있어서, 입자 분리기에 있는 입자의 산화를 위해서만 얼마나 많은 산소가 배기 가스에 필요한지가 결정된다. 이를 위하여, 예를 들면 배기 가스의 온도, 배기 가스의 유동 속도, 입자 분리기의 온도, 상기 입자 분리기에서의 입자의 질량 및/또는 크기 및/또는 분포, 등과 같은 다양한 경계 조건이 특히 고려될 수 있다. 본 발명에서, 정확한 측정값 및/또는 적당한 모델을 사용하여 산소 요구도가 적당하게 계산된 값에 기초하여 결정된다.
결정된 산소 요구도를 배기 가스에 (가능하다면 정확하게 필요한 만큼만) 부가하도록 특히 보다 많은 공기(개별적으로는 산소)가 공급되는 방식으로, 람다 제어가 산소 요구도의 함수로 적용되어 결정된다. 따라서, 입자 분리기의 재생 처리 주기 동안에, 먼저 입자 분리기의 재생이 필요한 변환율로 발생하고, 두번째로 촉매 변환기가 배기 가스 환경에서 효과적으로 변환을 행하도록 추가의 산소량이 공급된다.
이와 관련하여, 단계 a)에서의 제어값이 1.0의 람다값인 것이 바람직하다. 이러한 점에 있어서, 본 발명의 방법은 배기 시스템에 위치된 3-방향 촉매 변환기가 입자 분리기의 재생 처리 동안에도 그 최적의 환경에서 작동하도록 불꽃-점화 기관에서의 연소 처리를 제어하는데 특히 적당하다.
일 실시예에 있어서, 단계 d)에서의 제어값이 1.02 내지 1.05 범위의 람다값이도록 제시된다. 본 발명에서 제시된 람다값의 범위는 입자 분리기의 재생 처리를 위한 산소 요구도와 엄격하게 맞춰지고 바람직하게 재생 처리의 총 주기에 대해 맞춰질 수 있다. 이와 관련하여, (평균의) 람다값이 구동 성능과 결정된 온도의 함수로 경사(lean) 방향으로 이동되도록 특히 본 발명에서 제시되었다.
입자 분리기의 재생 처리의 주기 동안에 람다값의 평균값의 증가에 더하여, 단계 a)에서의 제어값이 제 1 진폭을 갖는 1.0의 람다값에 대해 변하고, 단계 d)에서, 제 2 진폭이 상기 제 1 진폭보다 크게 설정된 것으로 또한 제시되었다. 이와 같이, 본 발명에서 수트가 또한 신뢰할만하게 변환되도록, 재생 처리의 주기 동안에 적어도 주기적으로 증가된 소량의 산소가 배기 가스에 제공된다. 진폭 차이는 2% 내지 10%, 특히 3% 내지 6%인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 또한 산소 요구도의 결정은 입자 필터의 재생 모델에 기초로 계산되는 것을 알 수 있다. 이러한 사항은 특히 연소 처리가 고려되거나, 온도 등이 고려되거나, 상기 연소 처리나 온도 등이 독립적으로 고려된다는 것을 의미하며, 입자 분리기의 재생 처리의 확인은 재생 모델로부터 생성한다. 재생 모델은 실험값 및/또는 파라미터를 포함하며, 이 재생 모델로부터 입자 분리기의 재생 처리에 대한 필요성이 확인될 수 있다.
본 발명의 방법은 특히 단계 d) 동안에, 적어도 500℃의 온도가 입자 분리기의 영역에서 발생할 때 행해진다. 입자 분리기 영역의 온도는 상류 및/또는 하류에 위치된 배기 시스템의 섹션 및 입자 분리기 자체의 온도일 수 있거나, 또는 유입하거나 유출하는 배기 가스의 온도일 수 있다. 이를 위하여, 온도의 수학적 결정을 위해 특히 온도 센서 및/또는 온도 모델이 사용될 수 있다.
또한 불꽃-점화 기관을 구비하고 상기 불꽃-점화 기관과 연결된 배기 시스템을 구비한 자동차가 제시되며, 상기 불꽃-점화 기관에서 생성된 배기 가스가 상기 배기 시스템을 통해 유동 방향으로 유동할 수 있다. 배기 시스템은 또한 하나 이상의 센서를 구비한다. 더욱이, 하나 이상의 입자 분리기와 하나의 3-방향 촉매 변환기가 배기 시스템에서 유동 방향으로 일렬로 배치되며, 불꽃-점화 기관용 제어기가 배기 시스템의 하나 이상의 센서와 상호작용하고 본 명세서에 기재된 본 발명에 따른 방법으로 실행되도록 설정된다.
완비를 위하여, 배기-가스 후처리용의 다른 구성요소가 또한 입자 분리기와 3-방향 촉매 변환기에 부가적으로 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서 입자 분리기가 3-방향 촉매 변환기의 위쪽에 배치되는데, 이를 달리 표현하면 배기 가스가 3-방향 촉매 변환기를 통과하기 전에 상기 입자 분리기와 먼저 접촉한다는 것이다. 따라서, 다른 배기-가스 처리 유닛이 또한 입자 분리기와 3-방향 촉매 변환기 사이에 제공된다. 특히 제어기는 자동차의 엔진 제어기일 수 있고, 상기 엔진 제어기는 또한 상기 자동차의 온-보드(on-board) 시스템에 통합될 수 있다. 어느 경우에 있어서도, 센서로부터의 시그널 또는 데이터가 제어기에서 처리되고, 수학적 모델과 적당하게 비교되거나 상관될 수 있다.
상기 타입의 자동차에 있어서, 제 1 람다 프로브가 유동 방향으로 입자 분리기 위쪽에 배치되고, 하나 이상의 제 2 람다 프로브가 상기 입자 분리기의 아래쪽이나 3-방향 촉매 변환기의 아래쪽에 배치되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또한 본 명세서에 기재된 하나 이상의 람다 프로브가 입자 분리기나 3-방향 촉매 변환기에 적당하게 통합될 수 있다. 본 발명에서, 람다 프로브는 배기 시스템의 센서이다. 특히, 입자 필터의 재생 처리가 실질적으로 종료되려 할 때, 람다 프로브가 사용될 수 있으며, 입자 분리기 아래쪽에 배치된 람다 프로브가 이러한 목적으로 사용된다. 이와 관련하여, 입자 필터의 재생 처리 주기를 이런식으로 결정하여 단계 d)의 종료를 개시할 수 있다.
더욱이, 입자 분리기가 허니콤 몸체로 형성되는 자동차가 바람직하며, 상기 허니콤 몸체는 금속 포일과 와이어 부직포로 경계가 설정된 개방 채널을 구비한다. 이에 따라 본 발명에서 제시된 입자 분리기는 선택적으로 폐쇄된 채널을 구비한 소위 벽-유동 필터가 아닌, 개방 구조부이며, 본 출원인은 본 출원과 다른 출원 명세서에서도 이를 "부분 유동 필터(partial flow filter)"라 하였다. 상기 타입의 입자 분리기에 있어서, 허니콤 몸체는 다수의 채널을 구비하며, 이 결과 배기 가스 유동이 기본적으로 상기 채널을 가로지른다. 가이드 블레이드와 상승부 등이 채널에 제공되고, 상기 가이드 블레이드와 상기 상승부 등은 와이어 부직포를 구비한 벽부 쪽으로 입자를 편향시키며, 채널을 통해 유동하는 적어도 일부분의 배기 가스가 또한 상기 가이드 블레이드, 상승부 등을 지나서 유동할 수 있고 결론적으로 상기 채널에서 유지되는 것을 항상 보장한다. 이를 위하여, 금속 포일이 주름부로 형성되는 것이 바람직하고, 이를 위하여 금속의 와이어 부직포가 서로에 대해 배치되고 서로 소결 및/또는 용접된 초-미세 와이어의 하나 이상의 층으로 이루어진다. 적당하게, 포일 및/또는 부직포가 (촉매 활성식) 코팅부로 형성될 수 있다.
본 발명과 본 발명의 기술 분야는 도면을 기초로 아래에 보다 상세하게 기재되어 있다. 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명이 상기 도면에 기재된 사항만으로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 본 발명의 방법의 제 1 형태를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 본 발명의 방법의 제 2 구성예를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 방법이 실행되는 자동차의 예를 도시한 도면이고,
도 4는 개방 입자 분리기의 도면이며,
도 5는 다른 한 개방 입자 분리기의 상세한 도면이다.
도 1은 배기 시스템이 작동하는 동안, y 축선에 람다 제어의 제어값(5)을 나타낸 다이어그램이다. 본 발명에서, 람다값의 프로파일이 제어값(5) 대 시간(21)으로 나타내어 졌다. 좌측에서부터 시작하여, 일정한 제어값(5), 예를 들면 1.0의 람다값으로 먼저 내연 기관에서 처리가 행해지는 것을 알 수 있다. 입자 필터의 재생 처리가 현재 확인되면, 필요한 산소 요구도가 결정된다. 람다 제어가 이후 특정 산소 요구도(20)로 적용되어, 본 발명에서, 제어값(5)이 단차식으로 재생 주기(19) 동안에 증가된다. 상기 재생 주기(19)에 있어서, 제어값(5)은 1.02 내지 1.05의 값을 갖는다. 입자 분리기의 재생 처리 종료가 검출되면, 제어값(5)은 최초 제어값으로 되돌아 간다.
도 2에는 도 1과 유사한 구성이 도시되어 있으며, 상기 도 2에서, 내연 기관은 동적 람다 진폭 제어로 작동된다. 또한, 상기 도 2에서, 제어값(5)이 시간(21)에 대해 나타난다. 좌측에서부터 시작하여, 제어값(5)이 제 1 진폭(6)을 갖는 평균값으로서 점선의 라인으로 도 2에 지시된 것을 알 수 있다. 재생 주기(19) 동안에, 제 2 진폭(7)이 제 1 진폭(6)보다 더 크도록, 람다 제어가 현재 적용된다. 상기 기재한 바와 같이 결정된 산소 요구도가 이러한 방식으로 부가적으로 제공된다. 입자 분리기의 재생 주기가 종료된 이후에, 진폭은 제 1 진폭(6)의 값으로 되돌아 간다.
도 3은 불꽃-점화 기관(9) 형태의 내연 기관(2)을 구비한 자동차(8)를 개략적으로 도시한 도면이다. 배기 시스템(1)은 불꽃-점화 기관(9)과 연결된다. 불꽃 점화 기관에서 생성된 배기 가스는 먼저 입자 분리기(3)를 통해 유동 방향으로 유동한 후 이어서 3-방향 촉매 변환기(4)를 통해 유동한다. 제 1 람다 프로브(13)가 유동 방향(10)으로 입자 분리기(3)의 위쪽에 제공된다. 제 2 람다 프로브(14)가 입자 분리기(3)의 바로 아래쪽에 위치된다. 그러나 도 3에는 또한 유동 방향(10)에서 보았을 경우 3-방향 촉매 변환기(4)의 아래쪽 제 2 람다 프로브(14)의 위치가 도시되어 있다. 자동차(8)는 또한 제어기(12)를 구비한다. 제어기(12)는 데이터-전송 및 시그널-전송 방식으로, 및/또는 라인(22)을 통한 제어에 의해 내연 기관(2) 부분과 센서(11)에 각각 연결된다. 특히, 센서(11)에 의해 측정된 배기-가스 특성값은 제어기(12)로써 내연 기관(2)에서의 처리에 영향을 미치도록 사용된다.
도 4는 개방 채널(16)을 갖는 부분 유동 필터 형태인 입자 분리기(3)의 구성을 길이방향 단면으로 나타낸 도면이다. 채널(16)의 어느 한 측은 금속 포일로, 다른 어느 한 측은 와이어 부직포(18)로 각각의 경우에 형성된다. 배기 가스가 입자 분리기(3)를 통해 유동 방향(10)으로 유동함에 따라, 입자를 포함한 배기 가스가 가이드면(24) 및/또는 개구(26) 때문에 와이어 부직포(18) 쪽으로 나뉘어져, 배기 가스가 와이어 부직포(18)를 따라서 및/또는 와이어 부직포(18)를 통해 부분적으로 유동한다. 입자가 이로써 유지된다. 상기 타입의 입자 분리기(3)에 있어서, 채널(10)의 가이드면(24)을 지나는 바이패스 유동이나 또는 부분 유동이 항상 가능하기 때문에, 각각의 채널(16)이 차단될 위험이 없다. 이러한 이유 때문에, 재생이 비교적 드물게 행해질 필요가 있다. 상기 타입의 입자 분리기(3)의 모든 구성요소가 통상적으로 금속으로 이루어져서, 상기 입자 분리기가 금속의 하우징(25)과 완전한 금속 허니콤 몸체(15)로 형성된다.
도 5는 가이드면(24)을 구비하도록 구성된 금속 포일(17)에 의한 각각의 배기-가스 유동(13)의 편향을 상세하게 나타낸 개략도이다. 상기 가이드면(24)의 결과로서, 배기 가스의 적어도 일부분이 금속의 와이어 부직포(18) 쪽으로 채널형성되며, 상기 유동은 인접한 채널에서의 압력차 때문에 특히 더욱 도움이 된다.
1 배기 시스템 2 내연 기관
3 입자 분리기 4 촉매 변환기
5 제어값 6 제 1 진폭
7 제 2 진폭 8 자동차
9 불꽃-점화 기관 10 유동 방향
11 센서 12 제어기
13 제 1 람다 프로브 14 제 2 람다 프로브
15 허니콤 몸체 16 채널
17 금속 포일 18 와이어 부직포
19 재생 주기 20 산소 요구도
21 시간 22 라인
23 배기-가스 유동 24 가이드면
25 하우징 26 개구

Claims (9)

  1. 하나 이상의 입자 분리기(3)와 하나의 촉매 변환기(4)가 배치되는, 내연 기관(2)의 배기 시스템(1) 작동 방법으로서,
    a) 제어값(5)과 관련된 람다 제어를 사용하여 상기 내연 기관(2)에서의 처리를 행하는 단계;
    b) 상기 입자 분리기(3)의 재생 처리를 확인하는 단계;
    c) 상기 입자 분리기(3)의 상기 재생 처리를 위해 산소 요구도를 결정하는 단계; 및
    d) 상기 람다 제어를 상기 입자 분리기(3)의 상기 재생 처리 주기 동안에 결정된 산소 요구도로 적용하는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 a)에서의 제어값은 1.0의 람다값인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 단계 d)에서의 상기 제어값(5)은 1.02 내지 1.05 범위의 람다값인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 단계 a)에서의 상기 제어값(5)은 제 1 진폭(6)을 갖는 대략 1.0의 람다값으로 변하며, 상기 단계 d)에서, 제 2 진폭(7)은 상기 제 1 진폭(6)보다 더 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 요구도의 결정은 상기 입자 분리기(3)의 재생 모델에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 d) 동안에, 상기 입자 분리기(3)의 구역에서의 온도는 500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 시스템 작동 방법.
  7. 불꽃-점화 기관(9)과 상기 불꽃-점화 기관(9)과 연결된 배기 시스템(1)을 구비하고, 상기 배기 시스템을 통해 상기 불꽃-점화 기관(9)에서 생성된 배기 가스가 유동 방향(10)으로 유동하고, 상기 배기 시스템(1)이 하나 이상의 센서(10)를 구비하며, 상기 배기 시스템(1)에 하나 이상의 입자 분리기(3)와 하나의 3-방향 촉매 변환기(4)가 상기 유동 방향(10)으로 일렬로 배치되는 자동차(8)로서, 상기 불꽃-점화 기관(9)용 제어기(12)는 상기 배기 시스템(1)의 하나 이상의 센서(11)와 상호작용하고 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하여 설정되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제 1 람다 프로브(13)가 상기 입자 분리기(3)의 위쪽에 유동 방향(10)으로 배치되고, 하나 이상의 제 2 람다 프로브(14)가 상기 입자 분리기(3)의 아래쪽이나 상기 3-방향 촉매 변환기(4)의 아래쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 입자 분리기(3)는 개방 채널(16)을 구비한 허니콤 몸체(15)로 형성되고, 상기 허니콤 몸체는 금속 포일(17)과 와이어 부직포(18)에 의해 경계가 설정된 개방 채널(16)을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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