KR100697545B1 - 환원제를 계량하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

촉매적 배기 가스 후처리 분야에서 사용되는 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 계량하기 위한 장치로서, 환원제를 저장하기 위한 탱크(1), 상기 탱크로부터 분사 밸브(7)까지 환원제를 수송하기 위한 펌프(4)를 구비하며, 상기 분사 밸브를 통해 환원제는 혼합 챔버 내에 제공될 수 있고, 상기 탱크(1), 펌프(4) 및 분사 밸브(7)는 탱크와 펌프 사이의 제 1 라인(1a) 및 펌프와 분사 밸브 사이의 제 2 라인(1b)을 포함하는 라인 시스템을 통해 서로 연결되며, 상기 장치는 상기 제 2 라인(1b)으로부터 분기하며 상기 탱크(1)로 리터닝되는 제어 가능한 환기 회로(1d, 10, 1c)를 포함한다.
탱크, 펌프, 라인 시스템, 환기 회로, 환기 밸브

Description

환원제를 계량하기 위한 방법{Method for metering a reducing agent}
본 발명은, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른, 촉매식 배기 가스 후처리 분야에서 사용되는 환원제, 특히 요소 또는 요소 수용액을 계량하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 계속적으로 더 낮게 책정된 오염 물질 한계치로 인해, 내연 기관의 배기 가스의 후처리를 위한 다수의 장치와 방법이 개발되고 있다. 예컨대 질소 산화물 변환을 위한 환원제로서 요소 및/또는 암모니아를 사용하는 촉매 변환기 시스템에 의해 효율적인 배기 가스 후처리 시스템이 사용될 수 있다.
배기 가스 중 질소 산화물 성분을 감소시키기 위해, 특히 디젤 엔진을 위한 환원 촉매 변환기가 개발되었는데, 이 촉매 변환기는 일반적으로 요소 계량 시스템을 포함하는 소위 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원) 촉매 변환기와 저장 촉매 변환기로 분류된다. 소위 SCR 촉매 변환기는 요소- 및/또는 암모니아 환원제 공급에 의해 재생되는 반면, 소위 저장 촉매 변환기는 소위 배기 가스 연료 과잉 단계 중에 이송된 내연 기관-연료의 탄화 수소에 의해 재생된다.
유럽 출원 EP A 0381236으로부터 디젤 엔진의 배기 가스 중의 질소 산화물을 제거하기 위해 암모니아를 환원제로서 계량하는 시스템이 알려져 있다. 또한 이 시스템에서는 배기 가스의 압력을 저하시키는 터보 차저(turbo charger)가 설치된다. 사용될 요소 수용액은 압축 공기에 의해 계량된다.
독일 출원 DE A 44 41 261로부터 내연 기관의 배기 가스 후처리 장치가 알려져 있는데, 상기 장치에서는 촉매 변환기의 성능이 계량 장치를 통해 개선된다. 상기 계량 장치는 최소량 계량 양변위 펌프로서 구성되어 있는데, 이 펌프는 원통형 회전 바디 상에 홈 형의 나사를 포함하고, 공급 효율을 변경시키기 위해서 회전 바디는 가변 회전 속도로 구동된다. 배기 가스 시스템 내로의 환원제 첨가는 바람직하게는 특성 필드에 따라, 즉 배기 가스의 양 및/또는 조성에 따라 이루어진다.
종래의 계량 시스템의 경우, 환원제 탱크를 예컨대 에어로졸 생성을 위한 혼합 챔버와 연결시키는 환원제 라인 시스템에서의 압력 변동에 따라서 계량 정확도가 결정된다.
본 발명의 목적은 종래의 계량 시스템에 비해서 보다 정확하게 환원제를 계량하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다.
계량 정확도 변동은 환원제 내에 발생하는 기포에 기인한다는 것이 밝혀졌다. 따라서 본 발명에 따라, 종래의 환원제 라인 시스템을 추가적으로 제어 가능 또는 조절 가능한 환기 회로에 의해 구성할 것이 제시된다. 이러한 형식의 환기 회로는 환원제 라인 시스템의 활성적인 환기 및 예컨대 펌프의 신속한 시동을 가능하게 한다. 혼합 챔버에 환원제를 공급하는 계량- 또는 분사 밸브를 통한 제어되지 않는 환기는 방지될 수 있다. 수송 펌프에 작용하는 배압이 환기에 의해 방지될 수 있음으로써, 펌프 시동 및 펌프 작동이 또한 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예는 종속항의 대상이다.
바람직하게는 제어 가능한 환기 회로는 클록 제어 가능한 환기 밸브를 갖는다. 이러한 형식의 환기 밸브는 간단한 방법으로 제어될 수 있고 실제로 견고하고 신뢰성 있는 부품인 것으로 증명된다.
바람직하게 환기 밸브는 2/2-방향 밸브로 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예의 개략적 블록회로도.
도 2는 본 발명에 따른 장치에 의해 실시될 수 있는 시동 방법을 도시하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 장치에 의해 실시될 수 있는 환기 방법의 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 장치에 의해 실시될 수 있는 시동 방법.
도 1에 도시된 장치는 촉매식 배기 가스 후처리의 분야에서 사용되는 환원제를 계량하기 위한 시스템이다. 이러한 형식의 시스템에서 환원제는 혼합 챔버 내에 도입되고, 상기 혼합 챔버에는 에어로졸을 형성하기 위해 압축 공기가 공급되며, 처리하고자 하는 배기 가스 내에 제공된다. 공기 공급 시스템 및 촉매적 후처리를 위한 부품들은 알려져 있으므로 본 출원의 대상이 아니다. 본 출원은 환원제 공급 시스템에 관한 것이다. 하기의 설명에서는 환원제로서 요소 수용액이 예시적으로 사용되고, 이 수용액은 편의상 요소라고 한다.
도 1에서는 요소 탱크가 부호1로 도시되어 있는데, 상기 요소 탱크로부터 요소 수용액은 체크 밸브(2)가 있는 요소 라인(1a) 및 필터 스크린으로서 구현된 필터(3)를 통해 수송 펌프(4)에 의해 흡인되고, 압력 조정기 또는 압력 감쇠기(5) 및 추가의 체크 밸브(6)를 갖는 제 2 요소 라인(1b)을 통해 (도시되지 않은) 혼합 챔버의 계량- 또는 분사 밸브에 수송된다. 계량 밸브(7)는 필요한 요소 수용액을 혼합 챔버의 혼합 공간 내에 계량한다. 경우에 따라 발생하는 과류량은 압력 조정기(5) 및 체크 밸브(8)를 통해 귀환 라인(1c)을 따라 요소 탱크(1) 내로 복귀될 수 있다. 환원제 라인(1b) 내의 압력은 압력 센서(9)에 의해 측정될 수 있으며 압력 변동이 교정될 수 있다(분사량 보정).
펌프(4)와 계량 밸브(7) 사이, 특히 압력 조정기(5)와 계량 밸브(7) 사이에는, 다른 요소 라인(1d)이 분기되어 있고, 이 분기 라인에는 환기 밸브(10) 역할을 하는 2/2-방향 밸브가 설치될 수 있다. 요소 라인(1d)은 이미 언급된 귀환 라인(1c)과 통한다.
상기 환기 밸브(10)는 클록 제어될 수 있다.
상기 환기 밸브(10)의 상응하는 제어에 의해 계량 밸브(7)에 공급되는 요소의 환기가 수행될 수 있어, 전체적으로 종래의 해결책에 비해 높은 계량 정확도가 달성된다. 펌프(4)에 제공되는 요소 회로 내 배압은 종래의 방법에 비해 감소될 수 있고, 따라서 펌프(4)는 비교적 낮은 펌프 출력으로 작동될 수 있다. 즉 환기 밸브(10)의 상응하는 제어에 의해 바이패스 역할을 하는 라인(1d)을 개방함으로써, 종래의 해결책에 비해서는 더 신속한 계량 개시가, 동시에 시스템의 사용 수명은 더 길어지면서 보장될 수 있다.
요소 계량 시스템의 혼합 챔버 내에도 배치될 수 있는 환기 밸브(10)는 (도시되지 않은) 제어 논리 회로에 의해 제어된다. 상기와 같이 환기 밸브(10)가 개방됨으로써 시스템 내의 배압은 하강한다. 따라서 배압은 펌프(4)에 의해 보다 쉽게 극복될 수 있고, 이로써 결과적으로 전력 소비는 작아지고 펌프(4)의 전체 출력은 보다 낮아진다. 환기 밸브(10)는 엔진 또는 촉매식 배기 가스 후처리부의 여러 작동 상태 동안 작동될 수 있고, 시동 사이클 동안뿐만 아니라 운전 중에도 작동될 수 있으므로 동적 환기가 보장될 수 있다.
도시된 계량 시스템의 바람직한 제어 방법 또는 방법이 도 2 내지 4의 흐름도에 의해 더 자세히 설명된다.
도 2에는 본 발명에 따른 계량 시스템의 시동 방법(최초 시동)이 도시되어 있다. 단계 101에서는 상기 방법의 초기화를 위한 개시 시간ta가 결정된다.
후속하는 단계 102 중, 시간twait2 동안에 경우에 따라 작동 능력(예컨대 제어 논리 회로에 의한 제어 가능성)에 대한 시스템의 부품들의 모니터링이 행해진다. 이어서 단계 103에서는 펌프(4)의 회전 속도가 최소치RPMmin를 초과하는지 또는 그렇지 않은지가 판정된다. 최소치를 초과할 때에는, 요소 라인(1b)내 압력이 요소 계량 시스템의 정상적 기능 진행을 위해 충분한 것으로 간주되는 사전 설정 가능한 시스템 압력 Pok에 도달했는지 못했는지가 판정된다. 상기 압력Pok에 도달되면, 흐름도는 여기에 도시되지 않은 정상 기능 경로의 흐름도로 분기한다.
그러나 요소 라인(1a)에서의 압력이 상기 압력Pok에 도달되지 않았으면, 환기 밸브(10)(도 2 내지 4의 흐름도에서는 EV로 표시됨)가 일정 시간tbetr 동안 개방된다(단계 105). 후속하는 단계 106에서는 밸브(10)가 다시 폐쇄된다. 밸브(10)의 개방과 폐쇄는 라인(1b)을 환기하는 역할을 한다. 이때 요소 라인(1b)에서의 너무 낮은 압력은 기포의 존재에 기인하는 것으로 간주된다. 밸브(10)를 개방하고 이어서 폐쇄함으로써 우선은 추가로 압력이 낮아지지만, 동시에 환기되고 따라서 원칙적으로 요소 라인 내의 높은 압력은 조절될 수 있다. 단계 106에서 밸브를 폐쇄한 후 요소 라인(1a) 내에 충분한 압력이 형성될 수 있는지를 결정하기 위해, 우선 단계 107에서는 압력 형성 시간ta가 대기된다. 여기서 압력 형성 시간ta는 원하는 시스템 압력에 도달할 때까지 증분적으로 연장된다. 원하는 시스템 압력 또는 요소 라인(1a) 내의 압력이 조절되는 시간ta는 단계108 에서 사전 설정 가능한 시간(설정 시간)tdef2와 비교된다. 압력 형성시간ta가 시간tDef2 보다 작다는 것이 검출되면, 단계 104로 복귀 분기하고, 상기 단계에서는 다시 라인(1b) 내 압력이 값Pok 보다 큰 지가 검출된다. 만약 압력이 상기 값보다 크다면, 이미 설명된 일반적인 제어 방법으로의 분기가 행해진다.
그러나 단계 108에서 압력 형성 시간ta가 시간tDef2 보다 크다는 것이 검출되면, 단계 109에서, 환기 시스템(밸브(10))이 폐쇄되고, 단계 110에서는, 환기가 불가능하다는 의미의, 시스템 에러가 검출된다.
상기 단계 103에서, 펌프(4)의 펌프 회전 속도가 값RPMmin 미만이라는 것이 판정되면, 단계 111로 분기되어, 상기 단계에서는 전체적으로 요소 계량 시스템이 모두 스위치 오프되는 것이 검출된다. 후속 단계 112에서는 엔진 결함이 검출된다.
도 3에서는, 요소 계량 시스템의 정상 작동 중 동적 환기를 나타내기 위한 흐름도가 도시되어 있다. 여기에서는 우선 단계 201에서 요소 압력이 한계치PGrenz 보다 작은지 그렇지 않은지의 여부가 판정된다. 요소 압력이 상기 한계치 보다 작지 않으면, 단계 202에서는 환기가 불필요하다는 것, 즉 환기 압력이 0과 동일하게 세팅될 수 있다는 것이 결정된다.
그러나 요소 압력이 한계치PGrenz 보다 작으면, 단계 203에서는 필요한 환기 압력PEnt이 환기 압력 한계치PEntGrenz를 초과하는지의 여부가 검출된다. 상기 한계치가 초과되면, 즉 극히 심한 압력 감소시 환기가 요구되면, 단계 206에서는 시스템을 환기할 수 없다는 오류가 인식된다.
그러나 필요한 환기 압력이 상기 한계치 이상이라는 것이 결정되면, 환기 밸브(10)가 일정 시간tBel 동안 제어된다. 후속 단계 205에서는 이때에 필요한 환기 압력PEnt가 결정되고 이어서 단계 201로 복귀 분기하여(경우에 따라서는 압력 형성 시간을 고려한 가운데) 요소 압력이 한계치PGrenz 미만인지의 여부가 다시 검출된다.
도 4에는 끝으로 예컨대 엔진 시동시에 수행되는 시동 방법이 도시되어 있다. 여기에는 에어로졸 생성을 위한 요소 시스템과 상호 작용하는 압축 공기 시스템의 제어를 위한 방법 및 가열 시스템도 고려되어 있다. 가열 방법에 관해서는, 일반적으로 사용되는 요소 용액이 약 섭씨 -11도 부근의 온도에서는 동결하기 때문에 이 온도 이하에서는 가열 시스템의 제어가 필요하다는 점을 유의해야 할 것이다.
단계 301에서는 계량 밸브(7)가 폐쇄되고, 후속 단계 302에서는 펌프(4)가 스위치 오프된다. 단계 303에서는 압축 공기가 스위치 온되고, 단계 304에서는 압력 형성 시간이 0 포인트로 규정된다. 단계 305에서, 압력 시스템의 공기 압력이 사전 설정 가능한 한계치, 예컨대 1 바아를 초과하는 것이 검출되면, 가열 시간 및 환기 밸브(10)의 제어 시간에 관련하여 0 포인트가 세팅된다(단계 309).
그러나 단계 305에서 압축 공기가 사전 설정된 값을 초과하지 않는 것이 검출되면, 단계 306에서는 원하는 압력을 형성하기 위한 시간tDL이 한계치tDLGrenz를 초과하는지의 여부가 결정된다. 이 한계치가 초과되면, 압축 공기가 존재하지 않는 것으로 검출된다(단계 308). 시간tDL가 한계치를 초과하지 않으면 단계307에서 시간tDL는 한 증분만큼 상승되고(tDL+), 단계 305에서는 다시 압력이 사전 설정될 수 있는 값을 초과하는지의 여부가 검출된다.
압력이 시간tDLGrenz의 경과 전에 사전 설정 가능한 값을 초과하면, 시스템은 상기와 같이 단계 309로 분기되고, 상기 단계에서 환기 밸브(10) 및 가열 시스템에 대한 제어 시간은 0으로 세팅된다.
후속하는 단계 310에서는 대기 시간twait1 동안 사전 설정 가능한 시간이 대기된다. 후속 단계 311에서는 시스템 또는 요소 탱크가 너무 저온에 있는지의 여부가 검출된다. 저온에 있으면, 가열 시스템이 활성화되고 단계 322에서는 필요한 가열 시간tHeiz가 사전 설정 가능한 한계 시간tHeizGrenz를 초과했는지의 여부가 검출된다. 이 한계치가 초과되면 가열부가 기능을 하지 않는다고 인식한다(단계 323). 시간tHeizGrenz가 아직 도달되지 않았으면, 가열 시간은 한 증분 만큼 증가되고(tHeiz+), 그런 뒤 시스템은 단계 310 및 311로 다시 분기된다. 단계 311에서 요소 탱크 또는 시스템이 충분한 온도를 가졌다는 것이 검출되면, 가열 시스템에 대한 시동 방법은 종결되고, 시스템은 단계 312로 분기되고 거기에서는 요소 압력이 최소치HDmin 미만인지의 여부가 검출된다. 최소치 미만이라면, 단계 317에서는 환기 밸브의 제어 시간이 한계치tEVGrenz를 초과했는지의 여부가 검출된다. 초과한 경우이면, 단계 320에서는 환기 밸브(10)가 결함이 있다고 인식한다. 초과한 경우가 아니라면, 단계 318에서는 시간 간격tEVauf 동안 환기 밸브는 개방된다. 후속 단계 319에서 제어 시간tEV는 한 증분만큼 증가되고(tEV+), 이로써 시스템은 단계 312로 다시 분기된다.
단계 312에서 요소 압력이 최소 압력HDmin 보다 작다는 것이 인식되면, 단계 313에서는 요소 탱크가 비어있는지의 여부가 체크된다. 비어있는 경우에는 단계 322에서 빈 탱크라는 것이 인식된다. 비어있지 않은 경우에는 단계 314에서 펌프(4)가 스위치 온 되고, 그 후 단계 315에서는 이미 상기한 시동 방법이 시작되고 이어서 시스템의 정상 작동이 수행된다(단계 316).

Claims (5)

  1. 환원제가 계량 장치 또는 혼합 장치의 라인 시스템을 통해 공급되는, 촉매적 배기 가스 후처리 분야에서 사용되는 환원제를 계량하기 위한 방법에 있어서,
    펌프를 포함하는 라인 시스템 내의 압력이 모니터링되고, 상기 압력이 한계치(Pok, PGrenz) 미만인 경우, 상기 라인 시스템이 상기 계량 장치 또는 혼합 장치와 연결된 펌프 측에서 환기 회로와 연결되고, 상기 압력은 우선 계속 강하하고 상기 라인 시스템은 환기되도록 환기 밸브가 개방될 수 있는(105; 204) 것을 특징으로 하는 환원제를 계량하기 위한 방법
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 환기 회로는 클록 제어 가능한 환기 밸브(10)를 포함하며, 상기 환기 밸브는 상기 라인 시스템 내의 압력을 변경하기 위해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 환원제를 계량하기 위한 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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