KR20180062043A - 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불꽃 점화형 내연 기관의 실화에 따른 촉매의 손상을 방지하기 위한 방법으로서, 실화 판정 구간에서 상기 내연 기관이 연소할 때의 엔진 토크값 또는 점화 코일의 피드백 신호(IGF 신호) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 실화 발생 여부를 판정하는 단계 실화 판정 시, 실화 발생에 따른 후연소로 인한 촉매 온도 상승을 반영하도록, 기설정된 촉매 모델 온도 로직을 수정하는 단계; 촉매 모델 온도 로직에 의해 계산된 촉매 온도에 따라 촉매 손상 방지 제어를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

실화에 따른 촉매 손상 방지 방법{METHOD FOR PREVENTING DAMAGE OF CATALYST CAUSED BY MISFIRE}

본 발명은 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 내연기관의 실화에 의한 후연소에 의해, 배기 측에 구비된 유해 가스 제거용 촉매의 온도가 상승하게 되어 촉매가 손상되는 것을 방지하기 위한 방법에 관한 발명이다.

엔진의 불완전연소, 즉 실화(失火, misfire)는 엔진의 실린더 내에서 비정상적인 연소가 일어나는 것으로서, 실린더 내로 주입된 연료가 제 시간 이내에 모두 연소 되지 못하고, 연료/공기의 혼합기가 배기계로 빠져나가는 것을 의미한다. 실차 주행 중에는 여러 이유로 실화가 발생하게 되는데, 실화가 발생하면, 배기 측으로 매출된 미연소 혼합기가 고온의 촉매에서 후연소(after burn)하게 되고, 이에 따라 촉매 온도는 급격하게 상승하게 된다.

이후, 계속적으로 고온의 배기가스가 촉매로 유입되거나, 연속적인 후연소가 발생하게 되면 촉매는 열화 손상을 입게 되는데, 이로 인해 촉매는 정화 효율이 저하되고 심각한 경우에는 촉매 멜팅으로 인해 배기측 막힘으로 시동 꺼짐 문제도 발생하게 된다.

따라서, 실화로 인한 촉매에서의 후연소가 발생된 이후에는 촉매 온도 상승을 적극적으로 억제할 필요가 있는데, 이를 위해서는 실화 발생 여부를 정확히 진단하고 적절한 촉매 보호 제어를 실시할 필요가 있다.

이와 관련 종래 기술의 경우, 특허문헌 1에서도 나타나 있는 바와 같이, 엔진 토크량의 변동을 기반으로 하여 실화 진단을 실시하는 것이 일반적이었다. 이러한 토크 기반의 실화 감지의 경우 실화 감지 불가 영역이 존재하고 실화가 발생하지 않은 경우에도 실화가 발생한 것으로 판단하거나, 실화가 발생하였음에도 이를 감지해내지 못하는 문제점이 있었다.

한편, 종래 기술의 경우, 실화 발생 시 퓨얼 컷 오프 제어를 수행하도록 하여 촉매 보호를 하도록 하고 있었다. 그런데, 경우에 따라서는 퓨얼 컷 오프 제어를 실시하기 이전에 이미 심각한 촉매 손상이 발생하거나 퓨얼 컷 오프 제어를 실시함으로써 오히려 촉매 온도가 상승하는 문제가 있었다.

또한 촉매 보호를 위해 모델링된 촉매 온도가 일정 온도를 초과한 경우 촉매 보호를 위해 연료 농후 제어(fuel enrichment) 제어를 수행하는 촉매 보호 방법도 있으나, 종래에는 모델링 촉매 온도 계산 시에 실화로 인한 촉매 온도 상승을 전혀 반영하고 있지 않아, 과열로부터 촉매를 보호하기에는 충분하지 않았다.

특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1261957호(2013.5.9)

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내연기관의 실화 여부를 정확하게 판정하고, 실화로 인한 과열에 의해 촉매의 손상이 발생하는 것을 선제적이고 효과적으로 제어할 수 있는 촉매 손상 방지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 불꽃 점화형 내연 기관의 실화에 따른 촉매의 손상을 방지하기 위한 방법으로서, 실화 판정 구간에서 상기 엔진에서 연소가 발생할 때의 엔진 토크값 또는 점화 코일의 피드백 신호(IGF 신호) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 실화 발생 여부를 판정하는 단계 실화 판정 시, 실화 발생에 따른 후연소로 인한 촉매 온도 상승을 반영하도록, 기설정된 촉매 모델 온도 로직을 수정하는 단계; 촉매 모델 온도 로직에 의해 계산된 촉매 온도에 따라 촉매 손상 방지 제어를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 점화 타이밍은, 무노킹 작동과 연관된 미리 정해진 기본 점화각과, 노킹 저감을 위한 점화각 지각량 및 점화 보상을 위한 보상값을 합산하여 결정되고, 상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 미리 정해진 제1 임계온도롤 초과한 것으로 판단되는 경우, 내연기관의 연소실 내 잔류 가스가 감소하도록 흡기 및 배기 밸브를 제어하는 것과 더불어, 점화각 지각량을 0으로 리셋하여 점화각 지각량 만큼 점화각을 진각하는 제어를 실시하도록 한다.

바람직하게는 상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 제1 임계온도 보다 높은 제2 임계온도를 초과한 것으로 판단되는 경우, 잔류 가스 저감을 위한 밸브 제어를 실시하는 것과 더불어, 점화각을 기본 점화각으로 설정하여 내연기관을 제어하도록 한다.

바람직하게는, 상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 제1 임계온도 미만으로 낮아지는 경우, 통상의 내연기관 제어로 복귀하도록 한다.

본 발명에 의하면, 내연기관의 실화 발생 여부의 감지를 기존 토크 기반 실화 감지 이외에 점화 코일 피드백 신호를 이용한 방법을 더 추가하여 보다 정확하게 실화 발생 여부를 판정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 실화 발생 시 후연소로 인한 촉매 온도 상승분을 모델 촉매 온도에 반영하여, 심각한 촉매 손상이 발생하기에 앞서 실화 발생으로 인한 촉매 손상을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명에 의하면, 실화로 인한 촉매 온도 상승의 주요 인자인 점화 제어를 통해, 종래의 퓨얼 컷 오프 제어나 연료 농후 제어보다 선제적이고 효과적인 촉매 보호를 실시할 수 있다.

도 1은 차량의 점화 관련 전기 계통 일부의 블럭도 및 전기 신호도.
도 2는 점화 타이밍과 실화율 및 촉매 온도의 상관 관계를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 손상 방지 방법을 나타내는 순서도.
도 4는 촉매 온도 변화 및 그에 따른 촉매 손상 방지 방법의 실시 시점을 나타내는 참고도.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 촉매 손상 방지 방법에서는, 종래 엔진 토크 기반의 실화 여부 판정 방법에 더하여 점화 코일의 피드백 신호를 통해 실화 여부를 판정하고 있다.

먼저, 종래 엔진 토크 기반의 실화 여부 판정 방법에서는 점화 시기의 지각으로 인하여 발생되는 엔진 각가속도 변동량(Roughness)을 연산하여 엔진의 실화를 감지하였다. 즉, 크랭크샤프트 위치센서로 감지되는 세그먼트 타임(Segment time)을 측정하고, 측정된 세그먼트 타임을 보정한 후, 보정된 세그먼트 타임으로 엔진의 각가속도 변동량(엔진 토크 변동량)을 연산하여 상기 변동량을 실화감지 기준(threshold)과 비교하여 실화를 판단하였다.

본 발명에서는 이에 더하여 점화 코일의 피드백 신호를 통해 실화 여부를 판정하도록 하고 있다.

도 1은 차량의 점화 관련 전기 계통 일부의 블럭도 및 해당 장치에서의 전기 신호도를 나타내고 있다.

일반적으로 불꽃 점화식 내연기관을 구비한 차량의 전기 계통은 배터리와, 점화 코일, 점화 플러그, ECU, 점화기를 구비한다. ECU는 점화 플러그의 점화 타이밍을 지시하는 점화 신호 IGT(Ignition Timing)를 엔진의 회전과 동기하여 주기적으로 발생한다. 점화 코일의 2차 코일은 도시되지 않은 점화 플러그과 접속된다. 점화기는 점화 신호에 따라 점화 코일의 1차 코일의 전류를 제어함으로써, 2차 코일에 수십 kV의 고전압을 발생시킴으로써, 점화 플러그을 방전시켜, 엔진 내의 혼합기를 폭발시키도록 한다.

이와 같이 ECU는 점화 플러그의 점화 타이밍을 지시하기 위해 점화 신호를 점화 코일에 송신하는 한편, 점화 피드백 회로는 스위치 소자에 흐르는 코일 전류를 감시하고 그 결과를 점화 피드백 신호(IGF 신호, Ignition Feed Signal)로서 ECU에 통지한다.

도 1에서 도시된 바와 같이, IGF 신호는 점화 타이밍과 거의 동기화하여, 펄스가 상승하는 펄스 신호이기 때문에, IGF 신호를 이용하면 점화가 정상 수행되는 지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, IGF 신호의 펄스 상승이 엔진이 회전해야 힐 시간동안, IGF 신호가 연속하여 검출되지 않을 때에는 ECU는 엔진에 실화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 종래의 토크 기반의 실화 검출 이외에도 점화 피드백 회로의 피드백 신호를 이용하여 실화 여부를 판정하게 된다.

한편, 도 2에서 도시된 바와 같이, 엔진의 실화 발생 시에 배기 측에 구비된 유해가스 제거용 촉매의 온도 상승에 가장 크게 기여하는 인자는 점화 타이밍이다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 점화 타이밍이 지각될수록 배기 가스의 온도 상승으로 인해 촉매 온도는 상승하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 실화 발생 시에 촉매 온도 상승의 주요한 인자인 점화 제어를 실시함으로써, 과열로 인한 촉매 손상을 선제적이고 효과적으로 억제하도록 한다.

이를 위한 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 관한 순서도가 도 3에서 도시되어 있다.

도 3에 의하면, 먼저 ECU(Electronic Control Unit)는 실화 검출 구간에 있어서의 엔진 토크의 변화량 또는 IGF 신호를 이용하여 실화가 발생하였는지 여부를 판정한다(S100). 바람직하게는, 점화 피드백 회로의 IGF 신호만을 이용하여 실화 여부를 판정하여도 되고, 토크 기반 실화 감지와 더불어 IGF 신호를 이용하여 실화 여부를 최종 판단하여도 된다. 또한, IGF 신호를 이용하여 실화 여부를 감지한 다음 엔진 토크량 변화를 이용하여 실화 여부를 최종 판단하여도 된다.

단계 S100에서 실화가 발생한 것으로 판단되는 경우, ECU는 실화 시의 후연소로 인한 촉매 발열을 반영하도록 미리 설정된 촉매 모델 온도 로직을 수정한다(S110). 차량 내에 구비된 저장 장치에는, 운전 조건과 흡입 공기량, 점화시기를 계산하여 이상적인　촉매의　모델　온도를 계산하는 촉매 모델 온도 로직이 구비될 수 있다. ECU는 이러한 기 저장된 촉매 모델 온도 로직이 후연소로 인한 촉매 발열분을 반영하도록 로직을 정정한다.

한편, 촉매에서의 배기 가스의 후연소로 인한 온도 상승은 분사 연료량이 주요한 인자이므로, 분사 연료량과 실화 발생 시의 온도 상승분에 관한 보상맵을 사용하여 차량 내에 기 저장된 촉매 온도를 모델링하기 위한 로직을 수정할 수 있다. 또한 이 경우, 차속과 외기온등의 데이터를 이용하여 후연소로 인한 온도 상승분을 추가 보상할 수 있다.

다음으로, ECU는 정정된 촉매 모델 온도 로직에 따라 계산된 촉매 온도를 미리 정해진 제1 임계온도를 초과하였는지 판단한다(S120).

만약, 도 2에서 도시된 바와 같이, 실화가 발생한 이후 모델 촉매 온도가 제1 임계온도를 초과한것으로 판단하는 경우 과열로 인한 촉매 보호를 위해 1차적으로 연소실 내의 잔류 가스 감소를 위한 흡기 밸브 및 배기 밸브의 제어를 실시한다(S130). 바람직하게는 잔류 가스 감소를 위한 밸브 제어는, 자연 흡기 동작 시에는 밸브 오버랩을 축소하도록 흡기 밸브 및 배기 밸브를 제어함으로써 이루어질 수 있으며, 터보 동작 시에는 밸브 오버랩을 증가시키도록 흡기 밸브 및 배기 밸브를 제어함으로써 이루어질 수도 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 실화 발생 시에 촉매 온도 상승에 기여하는 가장 큰 인자는 점화 타이밍이며, 점화 타이밍이 지각될수록 배기가스 온도 상승으로 인해 촉매 온도가 상승하게 된다. 따라서, 상기한 잔류 가스 제거를 위한 밸브 제어와 더불어 점화 타이밍을 진각시키는 제어를 실시한다(S170).

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 점화 타이밍은, 무노킹 작동과 연관되어 미리 정해진 기본 점화각과, 노킹 센서를 통해 노킹 저감을 위해 계산되는 노킹 점화각 지각량 및 점화 보상을 위한 보상값을 합산하여 결정된다. 여기서 점화 보상은 노킹 저감이 아닌, 흡기 온도, 연료의 옥탄가, 람다 값등을 고려한 점화각의 보상값을 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 합산된 점화 타이밍에 있어서의 노킹 점화각 지각량을 0으로 리셋한다(S170). 따라서, 점화 타이밍은 노킹 점화각 지각량만큼 진각하게 되어 실화 발생 시의 고온의 배기 가스에 의한 촉매 과열을 억제할 수 있다. 이러한 점화 타이밍 진각 제어는 잔류 가스 제거를 위한 밸브 제어와 더불어 실시되며, 바람직하게는 후술하는 바와 같이 촉매 모델 온도가 제2 임계온도까지 상승하기 전까지 실시된다.

한편, 상기한 잔류 가스 제거를 위한 밸브 제어와 노킹 점화각 지각량 리셋을 통해서도 촉매 모델 온도가 계속 상승하는 경우, 촉매 손상 방지를 위한 추가 제어를 위해, ECU는 촉매 모델 온도가 제1 임계온도 보다 높은 제2 임계온도를 초과하는지 여부를 판단한다(S140).

도 2에서 도시된 바와 같이, 촉매 모델 온도가 제2 임계온도를 초과한 것으로 판단되는 경우, ECU는 점화 타이밍을 보다 진각하기 위해 점화 타이밍을 기본 점화각으로 설정한다(S150). 이를 통해, 점화 타이밍은 점화 보상값 만큼 더 진각하게 되어, 고온의 배기가스로 인한 촉매 온도 상승을 막아 촉매 손상을 방지할 수 있게 된다. 그리고, 단계 S150에서의 점화각 진각 제어는 잔류 가스 제거를 위한 밸브 제어와 동시에 진행된다.

한편, 상기한 잔류 가스 제거를 위한 밸브 제어와 기본 점화각에 의한 점화 타이밍 제어는 촉매 모델 온도가 제1 임계온도 보다 낮아질 때까지 계속된다S160). ECU는 촉매 모델 온도가 제 임계온도 보다 낮아지는 경우에는 통상의 점화 타이밍 및 밸브 제어로 복귀 하도록 한다.

Claims (4)

1. 불꽃 점화형 내연 기관의 실화에 따른 촉매의 손상을 방지하기 위한 방법으로서,
   실화 판정 구간에서 엔진에서 연소가 발생할 때의 엔진 토크값 또는 점화 코일의 피드백 신호(IGF 신호) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 실화 발생 여부를 판정하는 단계
   상기 실화 판정 시, 실화 발생에 따른 후연소로 인한 촉매 온도 상승을 반영하도록, 기설정된 촉매 모델 온도 로직을 수정하는 단계;
   상기 촉매 모델 온도 로직에 의해 계산된 촉매 온도에 따라 촉매 손상 방지 제어를 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   점화 타이밍은, 무노킹 작동과 연관된 미리 정해진 기본 점화각과, 노킹 저감을 위한 점화각 지각량 및 점화 보상을 위한 보상값을 합산하여 결정되고,
   상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 미리 정해진 제1 임계온도롤 초과한 것으로 판단되는 경우,
   상기 엔진의 연소실 내 잔류 가스가 감소하도록 흡기 및 배기 밸브를 제어하는 것과 더불어, 상기 점화각 지각량을 0으로 리셋하여 상기 점화각 지각량 만큼 점화각을 진각하는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 상기 제1 임계온도 보다 높은 제2 임계온도를 초과한 것으로 판단되는 경우,
   상기 잔류 가스 저감을 위한 밸브 제어를 실시하는 것과 더불어, 상기 점화각을 상기 기본 점화각으로 설정하여 상기 내연기관을 제어하는 것을 특징으로 하는 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 촉매 모델 온도 로직에 따른 촉매 온도가 상기 제1 임계온도 미만으로 낮아지는 경우, 통상의 내연기관 제어로 복귀하는 것을 특징으로 하는 실화에 따른 촉매 손상 방지 방법.

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