EMS 개발 - ⑧ 촉매 활성화 (Catalyst Light Off)

 

 

 

 

 

  아래 시동 rpm 관련 글을 쓰면서 촉매 활성화 (Catalyst Light Off)에 대해서 알아본 적이 있으며, 시동 시 엔진 스피드(rpm)을 일정 기간 상승시켜서 촉매를 빨리 활성화시키는 제어에 대해서 언급을 하였다.

 

  이번에는 촉매 활성화를 시킬 수 있는 방법에 대해서 알아보고자 한다.

 

* 관련 글

2010/10/04 - [띠띠빵빵/자동차 상식] - 왜 내차는 시동 걸면 rpm이 떠 있을까?

 

 

출처 : 희성촉매

 

 

 

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1) 엔진 시동 후 엔진 스피드(rpm) 상승

 

  이러한 촉매 활성화 시간을 줄일 수 있는 방법에는 여러가지가 있는데, 그 중 한 가지가 냉간 시동 시 초기 설정 rpm (set-point rpm)을 1000 이상으로 올려놓는 것이다. 일반적으로 워밍업이 충분히 되었을 때 설정 rpm은 700 내외가 보통이지만 이것보다 300 rpm 정도 설정값을 높여 주면, 초기에 엔진이 그 만큼 많이 돌아가게 되고,그 만큼 더 많은 연소된 배기 가스가 촉매를 통과하게 된다. 결국에는 상당히 뜨거운 배기 가스가 빠른 시간 안에 촉매 온도를 올려주는 물리적인 현상이 진행된다.

  이렇게 설정 rpm이 높은 상태로 주위 기온에 따라 수 초에서 수 분까지 rpm이 떠있는 현상이 발생하고, ECM (ECU) 가 촉매의 온도를 모니터링 해서 충분히 활성화 온도에 도달하였다고 판단을 하면 서서히 설정 rpm을 떨어뜨려 워밍업 수준의 설정 rpm으로 제어하게 된다.

 

자세한 내용은 아래 링크에서 볼 수 있다.

 

2010/10/04 - [띠띠빵빵/자동차 상식] - 왜 내차는 시동 걸면 rpm이 떠 있을까?

 

 

 

 

2) 점화시기 지각 (Retard)

 

  그 다음으로 점화시기를 지각(Retard)시키는 방법이 있다. 여기서 지각이라는 말은 점화시기(Spark timing)을 늦춘다는 의미이다.

  일반적으로 공기량과 연료량이 결정이 되면 그에 적절한 점화시기를 제어해주게 된다. 점화시기를 앞으로 진각(Advanced) 시키게 되면 얻을 수 있는 토크가 점차 늘어나게 되지만 일정 값에 도달하면 노킹(Knocking)이 발생하게 되어 엔진에 부담을 주게 된다. 반대로 지각시키면 토크는 점점 줄어들게 되며 너무 늦추게 되어 실린더 내 연소가 원활히 이루어지지 못해서 실화(misfire)가 발생하게 된다. 그래서 점화시기는 최대의 진각 및 지각 시기 사이에서 제어를 하게 된다.

 

  여기서 점화시기를 지각시킬수록 연소 과정이 늦어지게 되면서 배기 밸브가 열리는 시점에 가까워져서, 결국에는 배기가스 온도가 올라가는 현상이 발생한다. 따라서 첫 시동을 걸고 촉매를 활성화 온도까지 빨리 상승시키기 위하여 시동 직후부터 활성화 온도 도달까지 점화시기를 지각시켜서 제어를 하면 그 도달 시간을 줄일 수 있게 되는 것이다.

 

 

3) 2차 공기 공급 제어 (SAI, Secondary Air Injection)

 

  마지막으로 2차 공기 공급 제어라는 기술이 있다. 나중에 "자동차 신기술" 카테고리에서 자세히 다룰 생각이지만, 이번 포스팅에서는 간단히 언급을 해볼까 한다.

  처음에는 Secondary Air Injection을 우리말로 어떻게 표현을 해야하나 난감했다. 업무 상 영어로 접하고 영어로 이해를 한 부분이기 때문에 한글 표현이 왠지 낯설기 때문이었다. 그래서 포털에서 검색을 해보니 자동차 관련 서적에서 2차 공기 공급 제어라는 표현을 쓰는 것을 확인하고, 같은 표현으로 설명을 하려고 한다.

 

  지금은 너무나 보편화 되어 있는 것으로 배기가스 재순환 (EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치는 연소가 된 배기가스의 일부를 흡기 쪽 포트에 넣어줌으로써 NOx를 저감시키기 위한 기술이다.

하지만 반대로 2차 공기 공급 제어 기술은 흡기의 신기(Fresh air)의 일부분을 펌프와 밸브로 이루어진 장치를 제어하여 배기 쪽 포트에 넣어주는 것이다. 이렇게 신기를 배기에 넣어주는 이유는 첫 시동 시에 연료를 상당히 농후하게 제어를 함으로써 이 때 HC, CO 등 미연소 가스가 거의 대부분 배출이 되는데, 이것을 줄여주기 위함이다.

 

* 시동 시 연료 농후 제어 관련 내용

2012/12/29 - [띠띠빵빵/엔진제어] - EMS 개발 - ⑦ Lambda control (연료량 제어) Part 2

 

 

  현재의 ULEV (KULEV), EURO5 수준의 배출가스 규제에서는 삼원촉매로 웬만큼은 커버가 가능하다. 하지만 이 보다 한단계 더 강력해지는 SULEV 수준이 되면 촉매만으로 규제를 만족시키기 버거워진다. 왜냐하면 규제를 만족시킨다고 촉매에 귀금속 로딩양을 늘리는 것은 자동차 제조 원가가 급격히 상승할수 밖에 없기 때문이다.

 

  첫 시동 이후 농후한 연료로 인하여 발생된 HC, CO에 2차 공기 공급 장치로 신기(O2)를 공급해주면 산화작용이 벌어지면서 열이 발생하게 된다. 그렇게 발생된 열에 의해 배기가스 온도가 상승하게 되고 결국에는 촉매의 온도를 상승시켜 활성화 온도까지 도달하는 시간을 줄이는 효과를 얻을 수 있게 된다.