KR101719931B1 - 환원제를 공급하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환원제를 위한 공급 포인트(27), 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터(26), 및 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터(25)를 포함하는 배기-가스 처리 장치(23)의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 단계 a)에서 환원제를 갖춘 저장 촉매 컨버터(26)의 로딩이 모니터되고 제1타겟 변환율(4)이 현재의 로딩에 기초하여 결정되는 제1투입 수단(1)을 실행한다. 단계 b)에서 제1타겟 변환율(4)에 따라 환원제를 공급한다. 단계 c)에서 SCR 촉매 컨버터(25)에 의해 얻어진 현재의 유효 변환율(10)을 결정한다. 단계 d)에서 현재의 유효 변환율(10)이 제1타겟 변환율(40)과 비교되고, 소정의 편차(13)가 기록된다. 마지막으로, 단계 e)에서 편차(13)가 제1임계치(14)를 초과하면 다른 투입 수단(2, 3)이 사용되며, 상기 다른 투입 수단(2, 3)은 저장 촉매 컨버터(26)의 로딩을 고려하지 않는다.

Description

환원제를 공급하기 위한 방법{Method for feeding reducing agent}
본 발명은 특히 자동차 내연기관용 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.
그러한 내연기관, 특히 디젤 엔진에서의 연소의 결과로 야기되는 산화질소 화합물의 배출을 방지하기 위해, 선택적 촉매 환원(SCR; selective catalytic reduction) 방법이 확립되어 있다. 이러한 목적을 위해, 반응이 비교적 낮은 온도에서 일어날 수 있게 하는 코팅을 갖춘 SCR 촉매 컨버터를 이용하고 있다. 그러한 선택적 촉매 환원 동안, 산화질소 화합물은 암모니아와 반응함으로써, 질소 및 물이 형성된다. 가능한 한 높은 변환율을 달성하기 위해, 가능한 많은 양의 암모니아를 반응에 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 암모니아가 작은 양이라도 불쾌한 냄새로 감지될 수 있기 때문에, 가능한 한 소량의 암모니아가 SCR 촉매 컨버터 또는 배기-가스 처리 장치를 빠져나갈 필요성도 있다. 따라서, 암모니아의 화학량론적 계량(stoichiometric metering)은 바람직한 계량을 제공한다. 각각 필요한 양의 그러한 유출의 배기-가스 내 암모니아의 계량은 제어 기술의 관점에서 매우 높은 비용에도 불구하고 지금까지 달성할 수 없거나 매우 낮은 정확도만을 달성할 수 있는 목표이다. 따라서, 초과의 계량된 암모니아를 저장하고, 암모니아가 정량 이하일 경우, 그 저장된 암모니아가 배기-가스와의 반응을 위해 다시 이용될 수 있게 하는 저장 촉매 컨버터가 종종 사용된다. 이는 이런 식으로 최소의 마모 및 에너지 소비를 실현하기 위해 매우 빈번한 계량 시스템(인젝터, 펌프 등)의 작동을 방지하도록 고려된다.
상기 저장 촉매 컨버터의 단점은 그 저장 촉매 컨버터에서의 암모니아 저장이 최대 저장 용량, 즉 그러한 저장 촉매 컨버터의 충전 레벨에 영향을 주는 많은 경계 조건들이 존재한다는 것이다. 그 중에서도 로딩(loading)은 온도 의존도가 강하고, 특히 그러한 저장소 코팅의 열적 유도 변화로 인한 노화를 제공한다. 더욱이, 그러한 저장 촉매 컨버터의 로딩을 제어하기 위한 측정 센서는 또한 다양한 장애 변수에 의해 영향을 받는다. 전체적으로, 이들은 상기 저장 촉매 컨버터의 이용을 감소시키거나 또는 심지어 그와 같은 이용을 불가능하게 하는 잘못된 제어 상황을 야기할 수 있다.
이를 출발점으로 하여, 본 발명의 목적은 종래기술로 알려진 단점 및 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하는데 있다.
상기 목적은 독립 청구항들의 특징적 형태들에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 장점의 실시예들에 관한 것이다.
본 발명은 환원제를 위한 공급 포인트, 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터, 및 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터를 포함하는 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
a) 환원제를 갖춘 저장 촉매 컨버터의 로딩이 모니터되고, 산화질소 화합물이 질소 및 물로 변환되는 제1타겟 변환율이 현재의 로딩에 기초하여 결정되는, 제1투입 수단을 실행하는 단계;
b) 제1타겟 변환율에 따라 환원제를 공급하는 단계;
c) SCR 촉매 컨버터에 의해 얻어지고, 산화질소 화합물이 질소 및 물로 변환되는 현재의 유효 변환율을 결정하는 단계;
d) 현재의 유효 변환율을 제1타겟 변환율과 비교하여, 편차를 기록하는 단계; 및
e) 편차가 제1임계치를 초과하면 다른 투입 수단으로 전환하는 단계를 적어도 포함하며,
상기 다른 투입 수단에서, 저장 촉매 컨버터의 로딩은 무시된다.
그러한 공급될 환원제는 암모니아 가스 및/또는 환원제 전구체, 예컨대 요소-수용액의 형태로 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 첨가될 것이다. 이것은 그 배기-가스에 직접 첨가되어 열적으로 암모니아 및 물로 변환(열분해)되며, 그리고/또 암모니아를 형성(가수분해)하기 위해 가수분해 촉매 컨버터에 초기에 준비(배기-가스 외측 및/또는 배기-가스 내측)된다. 환원제로서, 통상 32.5%의 요소를 갖는 상표명 AdBlue®로 알려진 요소-수용액을 이용한다. 이러한 목적을 위해, 상기 환원제는 보통 투입 노즐, 밸브 또는 인젝터에 의해 배기-가스에 혼합되며, 그러한 환원제와 배기-가스의 양호한 혼합은 예컨대 믹서에 의해 제공된다. 이런 식으로 배기-가스 처리 장치에서 산화질소 화합물 및 암모니아와 같은 2개의 반응물이 서로 접촉하여 반응할 수 있다. 이러한 환원제의 공급은 상기 배기-가스 처리 장치에 제공된 공급 포인트를 통해 수행된다. 상기 배기-가스 처리 장치는 배기 라인을 통해 내연기관에 연결된다. 상기 내연기관은 특히 디젤 내연기관이다.
상기 배기-가스 처리 장치의 공급 포인트의 하류에는 환원제 또는 전용의 암모니아의 저장을 위해 제공된 저장 촉매 컨버터가 제공된다. 이러한 목적을 위해, 상기 저장 촉매 컨버터는 대응하는 코팅, 예컨대 철 제올라이트(iron zeolite) 또는 동 제올라이트(copper zeolite)를 갖는 코팅을 구비한다. 통상 그와 같은 코팅은 리터당 약 1g(gram)의 저장 용량을 제공한다. 일반적으로 상기 저장 용량은 비교적 좁은 온도 범위, 에컨대 100과 400℃ 사이의 범위로 제한되며, 상기 저장 용량은 각각의 경우 온도 경계 쪽으로 빠르게 감소한다. 그러한 온도에 따른 저장 용량의 정확한 온도 경계 및 정확한 의존도는 각각의 코팅에 좌우된다.
더욱이, SCR 촉매 컨버터는 배기-가스 처리 장치에 제공된다. 상기 저장 촉매 컨버터 및 SCR 촉매 컨버터는 또한 하나의 촉매 컨버터 기판체에 실현될 수도 있다. 이 때 상기 촉매 컨버터 기판체는 저장 용량을 가지면서 SCR 반응을 더 촉진시킬 수 있는 코팅을 갖는 것이 바람직하다.
상기 SCR 촉매 컨버터에 있어서, 환원제에 의한 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원은 낮은 온도, 예컨대 심지어 130℃ 내지 150℃의 온도에서도 이루어질 수 있다. 심지어 상기 SCR 촉매 컨버터에서 암모니아의 흡수는 약간 일찍 시작한다(코팅 타입에 따라).
상기 방법에 있어서, SCR 촉매 컨버터에서 산화질소 화합물의 타겟 변환율을 얻기 위해 제1투입 수단이 실행된다. 그러한 타겟 변환율은 내연기관 및 배기-가스 처리 장치의 현재의 동작 조건 하에 배기-가스에서 산화질소 화합물 변환의 이론적인 강도를 나타내는 파라미터이다.
여기서, 상기 저장 촉매 컨버터에서의 현재의 로딩이 결정된다. 그러한 로딩은 그 저장 촉매 컨버터의 코팅에 의해 저장되고 전달되는 배기-가스 또는 산화질소 화합물과 반응시키는데 이용될 수 있는 이용가능한 환원제의 절대량과 관련된다. 여기서, 상기 저장 촉매 컨버터의 최대 흡수 용량이 공지되며, 상기 최대 흡수 용량의 퍼센테이지가 현재 도달되었는지를 결정하기 위해, 환원제의 계량 및/또는 대기 조건을 고려할 수 있다는 것을 가정한다. 따라서, 이용가능한 환원제의 절대량 또한 결정될 수 있다.
더욱이, 저장 촉매 컨버터에서 (여전히)이용가능하거나 또는 이용되지 않는 저장 용량이 결정된다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 저장 촉매 컨버터의 저장 용량은 현재의 온도에 좌우된다. 예컨대, 만약 그 온도가 너무 낮거나 너무 높으면, 상기 저장 용량은 빠르게 감소한다. 더욱이, 상기 저장 용량은, 그러나 암모니아의 저장을 감소시키거나 또는 심지어 (부분적으로)방해하는 저장 촉매 컨버터의 노후 및/또는 예컨대 연료 내의 황 및 그에 따른 황산 형성에 의해 저장 물질의 가능한 오염에 추가로 영향을 준다. 통상 상기 저장 용량은 점진적 노후로 인해 감소한다. 여기서, 충만 레벨 및 저장 용량은, 예컨대 룩-업 테이블(look-up table; 특성 맵)에 의해 모델-기반 방식으로 그들 자체가 결정될 것이다. 그러나 이들은 또한 계량된 양 및 현재 변환율의 측정 및/또는 감소의 정도, 즉 초화학량론적 양(superstoichiometric quantity)의 환원제로 인한 SCR 촉매 컨버터를 통한 환원제 통과의 직접적인 측정에 의해 결정될 수 있다.
그러한 SCR 촉매 컨버터에서의 산화질소 화합물의 타겟 변환율은 모델-기반 방식으로 결정된다. 바람직하게 상기 타겟 변환율은 예컨대 SCR 촉매 컨버터, 저장 촉매 컨버터, 현재 배기-가스의 산화질소 화합물 등의 온도와 같은 각기 다른 측정치들을 고려하여 결정되며, 그러한 모델은 제어 기술에 의해 유효 조건 하에서 실제 처리를 시뮬레이션한다. 여기서, 실험 데이터 및/또는 함수들이 이용될 것이다. 더욱이, 그러한 모델-기반 타겟 변환율을 결정하기 위해, 저장 촉매 컨버터의 충만 레벨 및/또는 저장 용량 뿐만 아니라 내연기관의 현재 동작 상태 및/또는 예측된 동작 상태를 모델-기반 방식에서 고려대상으로 취할 수 있다.
그러한 타겟 변환율을 달성하기 위해, 상기 환원제의 계량, 즉 환원제 공급율은 대응적으로 채용된다. 이는 예컨대 저장 촉매 컨버터가 비어(또는 미리 규정된 최소 로딩이 언더샷(undershot)되어) 그 저장 용량이 충분하다면 초화학량론적 양의 환원제가 계량된다는 것을 의미한다. 반대로, 저장 용량의 감소가 임박하고 미리 규정된 최대 로딩이 저장 촉매 컨버터에 제공되면 아화학량론적 양(substoichiometric quantity)의 환원제가 계량되며, 이에 따라 암모니아 감소가 발생하기 전 최적기에 저장 촉매 컨버터가 비워진다.
상기 제1투입 수단의 결과는 현재 변환율의 모니터링을 통해 얻어진다. 예컨대, 타겟 변환율로부터의 편차가 검출될 수 있도록 산화질소 센서에 의해 그러한 현재의 변환율이 결정된다. 상기 방법을 수행하기 위해 셋업된 제어 유닛에서, 현재의 변환율과 설정된 타겟 변환율간 편차가 기록된다.
상기 현재의 변환율이 타겟 변환율로부터 한계 범위 이상으로 지나치게 벗어나면, 다른 투입 수단이 개시된다. 이는 제1임계치와 기록된 편차의 비교에 의해 결정된다. 만약 편차가 지나치게 크면, 제1투입 수단에 에러가 발생할 수 있다.
상기 에러를 없애기 위해, 상기 저장 촉매 컨버터를 고려하지 않고 동작하는 다른 투입 수단이 선택된다. 즉, 만약 타겟 변환율이 고려대상으로 취해진 저장 촉매 컨버터 로딩에 의해 얻어질 수 없으면, 다른 투입 수단에 의해 투입이 직접 결정될 수 있다. 상기 투입 수단은 직접 공급에 의해 순서상 환원제가 곧바로 제공되지 않는 산화질소 화합물의 변환에 환원제가 사용될 수 없다는 것을 추정한다. 이에 따라, 저장 촉매 컨버터가 동작하지 않거나, 또는 차단되는 것으로 추정한다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 단계 e)는 만약 단계 d)에서 편차가 미리 결정된 최대 지속 시간보다 긴 시간 주기에 걸쳐 기록될 경우에만 수행된다.
상기 방법의 이러한 실시예에 있어서, 다른 투입 수단으로의 전환은 제1임계치의 첫번째 초과에 따라 곧바로 이루어지는 것이 아니라, 이것이 최대 지속 시간의 미리 결정된 시간 주기에 걸쳐 발생할 때에만 이루어진다. 이러한 방식에 있어서, 통상의 불규칙 및/또는 측정 편차에 의해 활성화되는 불규칙적인 제어 동작이 방지된다. 본원에서 다른 장점은 제1임계치가 타겟 변환율에 아주 가깝게 설정될 수 있다는 것이다. 이는 심지어 작은 편차가 투입 수단의 변화의 활성화를 야기할 수 있다. 여기서, 만약 제1임계치가 미리 결정된 최대 지속 시간보다 긴 시간 주기에 걸쳐 초과되면, 상기 제1투입 수단이 잘못된 모델에 기초하거나 또는 잘못된 결과를 야기한다고 확실히 추정할 수 있기 때문에, 타겟 변환율의 매우 정확한 엄수(adherence)를 달성할 수 있다.
더욱이, 상기 방법은 시간 주기를 검출하기 위한 수단이 편차가 더 이상 제공되지 않을 경우 리셋되고, 편차의 최초 재발시에만 재시작되도록 구성될 것이다. 그러나, 편차들이 서로에 대해 비교적 긴 시간 간격, 즉 시간의 관점에서, 제1임계치를 초과하는 편차들의 발생간 비교적 긴 시간 간격에 걸쳐 편차들이 검출될 수 있고, 그러한 변환율은 타겟 변환율에 대응하며 그리고/또 상기 제1임계치를 초과하지 않는 (작은)편차들이 야기될 것이다. 여기서, 만약 적절하다면, 수행되는 투입 수단의 전환 없이 미리 결정된 최대 시간 주기에 발생하는 다수의 편차들이 결정된다.
투입 수단의 전환시, 바람직하게 그 시간 주기를 검출하기 위한 수단은 리셋된다. 전환 후, 환원제의 적절한 투입이 다른 투입 수단에 의해 수행될 수 있다는 것이 초기에 추정된다.
상기 방법의 다른 실시예에 있어서, 시간 주기를 검출하기 위한 수단은 투입 수단의 전환시 리셋되지 않고, 대신 적절하다면 또 다른 투입 수단(예컨대 제3투입 수단)으로 전환을 위한 기준으로서 사용될 수 있게 하기 위해 초과의 제2임계치와 함께, 평균의 형태로, 초과의 제1임계치가 고려대상으로 취해진다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 단계 e) 이후, 다른 투입 수단은 미리 결정된 최대 지속 시간보다 긴 미리 결정된 시간 주기에 수행되며, 다음에 단계 a)에 따라 제1투입 수단으로 다시 전환된다.
단계 e) 이후 다른 투입 수단의 활성화를 이끄는 미리 결정된 최대 지속 시간보다 긴 미리 결정된 시간 주기 동안 다른 투입 수단의 실행의 결과로서, 다른 투입 수단이 이제 실제 변환에 적절한 근사치를 나타내면 제1투입 수단의 실행 때문에 야기된 배기-가스 처리 장치의 잘못된 상태가 올바르게 정정되도록 적절한 시간 주기가 제공되는 것이 보장될 수 있다. 예컨대, 그러한 다른 투입 수단은 상승되는 배기-가스 온도에 의해 저장 촉매 컨버터의 오염의 제거를 달성할 것이다(제2투입 수단 = 오염제거 장치). 상기 타입의 오염 제거 프로세스의 경우, 그러한 온도가 매우 높게 상승되어 저장 촉매 컨버터의 저장 용량이 존재하지 않도록 매우 낮아진다. 따라서, 상기 제2투입 수단은, 마치 저장 촉매 컨버터가 제공되지 않아 높은 배기-가스 온도에서 변환이 일어나지 않는 것 처럼, 저장 촉매 컨버터의 가열 동안 그리고/또 비워진 후 실행되어야 한다. 더욱이, 상기 방법의 그와 같은 실시예에 의해, 그러한 투입 수단들간 불필요한 빠른 전환이 방지될 수 있으며, 이에 의해 시스템이 보호된다. 더욱이, 이러한 방식으로, 저장소에 제공된 (알려지지 않은)암모니아의 양이 감소된다. 암모니아가 배기 시스템을 빠져나가는 결과에 따라, 상기 암모니아 양은 "편차(slippage)"를 야기할 수 있다.
상기 방법의 하나의 장점에 있어서, 상기 저장 촉매 컨버터의 로딩을 결정하기 위해, 미리 결정된 시간 주기 후 리셋되는 충만 레벨 모델의 사용이 이루어진다.
상기 충만 레벨 모델은 제1투입 수단에서 환원제의 계량의 기준을 제공한다. 만약 이제 원하는 충만 레벨과 최대 충만 레벨이 한계 범위 이상으로 크게 다르면, 즉 통상 정상 상태인 저장 촉매 컨버터의 저장 용량 이하로 상기 최대 충만 레벨이 떨어지면, 예컨대 그 충만 레벨 모델에서 오프셋(offset)된다. 따라서, 그러한 충만 레벨 모델이 리셋되면, 상기 오프셋이 다시 변환을 위해 이용될 수 있다. 특히, 오염 제거 수단이 성공적으로 실행된 후, 저장 촉매 컨버터의 저장 용량이 증가됨으로써, 로딩의 최적의 이용을 위한 충만 레벨 모델의 리셋이 가능해진다. 콘트롤러에 의해, 상기 충만 레벨 모델은 다시 저장 촉매 컨버터의 실제 조건에 채용하며, 다른 투입 수단 이전의 측정치로 제한하지 않는다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 다른 투입 수단에서 감소된 제2타겟 변환율이 설정된다. 그렇지 않으면 그러한 다른 투입 수단은 바람직하게 상기 제1투입 수단과 같은 동일한 방식으로 실행된다.
제1타겟 변환율과 비교하여 감소된 제2타겟 변환율 때문에, 계량된 환원제의 양, 즉 환원제 공급율은 감소한다. 이런 식으로, 기능적인 저장 촉매 컨버터의 경우, 충만 레벨 또는 로딩이 감소하거나, 또는 저장 촉매 컨버터가 비워진다. 그러나, 이는, 적어도 배기-가스의 산화질소 화합물의 대응하는 양이 정확하게 결정되고 그리고/또 올바르지 않은 결정된 값에도 불구하고 환원제 공급율이 채용(조절)되면, 저장 촉매 컨버터가 더 이상 채워지지 않는 경우이다. 예컨대 제1타겟 변환율은 60%와 100% 사이의 산화질소 방출의 감소를 필요로 한다. 제2타겟 변환율은 배기 시스템의 실제 고장을 확실히 방지하고 그리고/또는 결함 메시지를 제어하기 위해 0.5 내지 0.95의 비율까지 낮춘다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 투입 수단(1)의 실행의 경우, 단계 a)에서, 정적-상태 비례 콘트롤러(35)는 배기-가스 처리 장치(23)의 동작 상태가 유효할 경우 사용되고, 동적 비례-적분 콘트롤러(37)는 내연기관의 동적 동작 상태가 유효할 경우 사용되며, 여기서 상기 단계 d)에서, 상기 편차 외에, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러의 제1제어값과 동적 비례-적분 콘트롤러의 제2제어값간 비교에 따른 편차를 고려대상으로 취한다. 상기 투입 수단(1)의 실행은 단계 b)에서 단계 a)로부터의 타겟 변환율에 따라 환원제가 공급되는 비율의 셋팅과 관련된다. 상기 제1제어값 및 제2제어값은 각각의 경우 단계 a)로부터의 타겟 변환율에 따른 방식으로 콘트롤러에 의해 결정되거나 규정됨에 따라 환원제가 공급되는 비율에 대응한다.
배기-가스 처리 장치의 정적 동작 상태는 배기-가스 처리 장치의 동작 파라미터를 변경하지 않거나 또는 단지 느리게 변경함으로써 특성화되며, 예컨대 상기 배기-가스 처리 장치에 연결된 내연기관이 일정한 로드 및 회전 속도로 동작될 때 발생한다. 상기 배기-가스 처리 장치의 동적 동작 상태는 배기-가스 처리 장치의 동작 파라미터를 빠르게 변경함으로써 특성화되며, 특히 내연기관의 로드 및 회전 속도의 빈번한 그리고 빠른 변경시에 발생한다. 동적 또는 정적 동작 상태가 제공될지 여부의 제기는 예컨대 배기-가스 처리 장치의 동작 파라미터의 변화에 따라 판정될 것이다. 소정 동작 파라미터의 변화가 소정 임계치를 초과하면, 동적 동작 상태가 제공된다. 그렇지 않으면 정적 동작 상태가 제공된다.
각기 다른 동작 상태에서의 2개의 다른 콘트롤러에 의한 동작에 의해, 특히 정확하면서 그리고 동시에 특히 신뢰할 수 있는 투입 수단 내의 투입량의 제어가 가능하다. 예컨대, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러는 특히 정확한 방식으로 투입량을 셋팅하는데 적합하다. 동적 비례-적분 콘트롤러는 이러한 목적을 위해 배기-가스 처리 장치의 동작 조건의 변동의 관점에서 에러에 쉽게 영향받지 않을 수 있다.
상술한 방법을 수행하도록 셋업되는 제어 유닛은, 이러한 실시예에 따른 방법을 수행하기 위해, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러(PI 콘트롤러)에 의해 제1제어값을 결정하고 동적 비례-적분 콘트롤러(PI 콘트롤러)에 의해 제2제어값을 결정하도록 셋업된다.
상기 PI 콘트롤러는 P 콘트롤러 및 I 콘트롤러의 특성을 조합한다. 그러한 P 구성요소를 통해, 제어 편차에 따른 루프 내 올바른 중재가 즉시 얻어진다. 그러한 I 구성요소는 이전 제어 변수도 고려대상으로 취하며, 이에 따라 심하게 발생하는 편차에 대한 지나친 강한 반응이 저하되는 효과를 갖는다. 상기 PI 콘트롤러는 영구한 편차 없이 그리고 빠르게 제어 변수를 기준 변수에 맞추는데 적합하다. 여기서, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러는 조절기의 적분 요소를 위한 메모리 값이 변경되지 않고 유지되도록, 그리고 바람직하게 입력 변수가 일정하게 유지되도록 셋업된다. 반대로, 동적 비례-적분 콘트롤러는 거기에 제공된 입력 변수를 변경할 수 있는데, 특히 적분 요소(또는 메모리 요소)만이 일정한 조건 하에 리셋된다.
그러한 적분 요소의 리셋팅의 조건은 예컨대 투입 수단의 전환이 될 것이다. 그러한 리셋팅의 결과로, 비례-적분 콘트롤러는, 상술한 바와 같이, 이전에 얻어진 제어값에 기초하여 조절에 영향을 주지 않고 현재의 입력값으로 채용한다. 간단히 말해서, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러는 그러한 메모리를 유지하여 현재의 제어값 산출에서 선행의 입력 변수를 처리하고, 반면 동적 비례-적분 콘트롤러는, 이제 막 리셋될 때, 현재 값에만 반응한다. 상기 동적 비례-적분 콘트롤러는 예컨대 투입 수단 내에서만 현재의 입력 변수에 대한 감쇠 작용으로 반응하고, 그리고 효과를 갖는 선행의 투입 수단으로부터의 감쇠 작용을 방지하도록 셋업된다. 따라서, 2개의 제어값들간 편차가 너무 크면, 원하는 변환율이 현재의 변환율로부터 지금 벗어나고 있다는 것으로 추정한다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 편차는 다수의 임계치와 비교되고, 이하의 절차에 따른 임계치에 기초하여 다른 투입 수단이 선택된다:
- 제1임계치(14)보다 작은 편차일 경우, 제1투입 수단이 계속해서 수행되고;
- 제1임계치보다 크고 제2임계치보다 작은 편차일 경우, 제2투입수단이 수행되고;
- 제2임계치보다 크고 제3임계치보다 작은 편차일 경우, 제3투입 수단이 수행되며;
- 제3임계치보다 큰 편차일 경우, 제4투입 수단이 수행된다.
연속의 투입 수단(제1투입 수단, 제2투입 수단, 제3투입 수단, 제4투입 수단)들에 있어서, 제1타겟 변환율이 다시 얻어질 수 있는 상태로 배기-가스 처리 장치가 리셋되도록 각기 다른 타겟 값들이 실시될 것이다. 이러한 목적을 위해, 예컨대 배기-가스의 온도는 저장 촉매 컨버터의 오염물을 제거하기 위해 상승되고, 상기 저장 촉매 컨버터가 비워지며, 그리고/또 저장 촉매 컨버터 및 SCR 촉매 컨버터의 기능을 다시 증가시키기 위해 다른 측정이 실행될 것이다. 그러나, 적절하다면, 투입 수단은 저장 촉매 컨버터가 필요치 않도록 설정되는 타겟 변환율을 달성할 수도 있다. 이런 식으로, 상기 저장 촉매 컨버터가 더 이상 적절히 기능하지 않을 때조차 정확한 제어를 적절하게 얻을 수 있다.
여기서, 상기 투입 수단들은 시작 시퀀스에 따라 시차를 두거나 또는 미리 규정될 것이다. 제1투입 수단은 완전 기능 시스템(베이스 수단)에서 최적의 변환이 있을 경우 실행한다. 제2투입 수단은 저장 촉매 컨버터(로딩 감소 수단 또는 오프셋 정정 수단)의 비움에 의해 로딩의 채용을 실현하도록 의도된 경우, 즉 감소된 환원제 공급율이 설정될 경우 실행한다. 제3투입 수단은 황산의 연소에 의한 오염 제거(오염 제거 수단) 및 비움과 동시에 감소된 변환을 위해 미리 규정될 것이다. 제4투입 수단은 저장 촉매 컨버터가 더 이상 기능하지 않고(적절하게) 그리고/또 재생 노력에 반응하지 않을 경우 저장 촉매 컨버터(긴급 수단) 없이 영구한 동작을 위해 셋업될 것이다. 그러나 다른 시퀀스 및 전략도 가능하다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, PI 콘트롤러의 적분 제어 요소는, 투입 수단들 중 어느 하나의 실행을 위해, 투입 수단의 전환시 리셋된다. 그러한 PI 콘트롤러의 적분 제어 요소는 유효 동작 조건에 따라 투입량의 장기간 그리고 정확한 채용을 허용한다. 그러한 적분 제어 요소에 의해, 그와 같은 채용은 배기-가스 처리 장치의 정적 동작 상태일 경우 성공될 수 있다. 그러한 배기-가스 처리 장치의 동적 동작 상태의 경우, 그와 같은 채용은 통상 적분 콘트롤러가 동작 파라미터의 단기간 변화시에 충분히 빠르게 반응할 수 없기 때문에 불가능하다. 따라서, 적분 제어 요소가 동적 동작 상태로 리셋되는 것이 바람직하다.
기술된 방법에 있어서, 투입 수단의 전환은 동적 동작 상태 존재의 강한 지표이다. 통상 유효 변환율과 타겟 변환율간 편차는, 상기 방법의 단계 d)에서 결정된 바와 같이, 동적 동작 상태와 연관된다. 따라서, 그러한 적분 제어 요소가 투입 수단의 전환시 리셋되는 것이 바람직하다.
상기 타겟 값의 셋팅으로 인해, 특히 정확한 변환율 또는 환원제 공급율이 얻어진다. 그러한 파워 출력은 산화질소 화합물의 생성에 비례한다. 여기서, 그러한 파워 출력에 근거한 절대 타겟 값의 셋팅은 특히 직접 측정의 값들을 필요로 하지 않고 정확한 타겟 값 결정을 실현한다. 산화질소 화합물의 질량 유동에 대한 절대 타겟 값은, 예컨대 규정에 따라 규정된 배기-가스 표준에 따른다. 배기-가스 표준은 예컨대 정화된 배기-가스에 허용된 산화질소 화합물 양의 상한을 구성한다. 산화질소 질화물의 감소에 대한 퍼센테지 타겟 값의 셋팅은 특히 배기-가스 정화 프로세스에서 산화질소 화합물의 변환을 위한 성능에 따르므로 특별히 신뢰할 수 있다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 투입 수단(제1투입 수단 및/또는 다른 투입 수단들 중 적어도 하나)들의 적어도 하나에 있어서, 타겟 변환율은 이하 타겟 변환율들의 그룹으로부터 선택된다:
- 배기-가스 처리 장치에 연결된 내연기관의 파워 출력과 관련된 제1타겟 변환율;
- 정화된 배기-가스(배기-가스 처리 장치를 빠져나가는)의 산화질소 화합물의 질량 유동과 관련된 제2타겟 변환율; 및
- SCR 촉매 컨버터 상류의 산화질소 화합물의 양과 상기 SCR 촉매 컨버터 하류의 산화질소 화합물의 양간 비율을 미리 규정하는 제3타겟 변환율.
타겟 변환율은 정화되지 않은 배기-가스에 존재하는 전체 산화질소 화합물의 일부분이 SCR 촉매 컨버터에서 얼마나 변환되는지를 나타내는 산출된 값이다.
상기 방법의 하나의 장점 실시예에 있어서, 각기 다른 타겟 변환율이 산출된 투입 수단에서, 산화질소 화합물의 최저 레벨의 변환을 미리 규정한 타겟 변환율이 선택된다. 상기 타겟 변환율의 선택을 통해, 상기 타겟 변환율이 높은 확률로 얻어질 수 있으며, 동시에 편차가 확실히 방지된다.
상기 방법의 다른 장점 실시예에 있어서, 상술한 방법의 실행 전(단계 a) 전), 시작 시간을 설정하기 위해, 저장 촉매 컨버터에 로딩이 없을 때까지 투입량을 감소시킨 후, 시작 시간이 설정된다. 이에 따라 상기 방법은 저장 촉매 컨버터가 빈 상태로 시작한다. 더 이상 어떠한 로딩도 존재하지 않는 시작 시간을 셋팅함으로써, 투입 수단의 잘못된 실행을 야기시키는 모델-내재 산출 에러를 방지할 수 있다. 특히, 실제 제공된 충만 레벨의 오프셋이 다시 회피되거나 제거된다. 이는 내연기관의 동작 동안 기술된 방법의 새로운 활성화에 의한 재시작이 일정한 간격으로 일어나며, 이는 각각의 경우 저장 촉매 컨버터에 로딩이 존재하지 않는다는 것을 보장한다.
상기 방법의 또 다른 장점 실시예에 있어서, 방법 단계 a) 내지 e)는 루프 방식으로 일정한 간격으로 반복적으로 수행된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 또한 내연기관 및 이 내연기관의 배기-가스의 정화를 위한 배기-가스 처리 장치를 갖춘 자동차(34)를 제안하며, 상기 배기-가스 처리 장치는 환원제를 위한 공급 포인트, 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터, 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터, 및 본원에 기술된 바와 같은 방법을 수행하도록 디자인되고 셋업된 제어 유닛을 구비한다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 또한 내연기관 및 이 내연기관의 배기-가스의 정화를 위한 배기-가스 처리 장치를 갖춘 고정 설비를 제안하며, 상기 배기-가스 처리 장치는 환원제를 위한 공급 포인트, 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터, 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터, 및 본원에 기술된 바와 같은 방법을 수행하도록 디자인되고 셋업된 제어 유닛을 구비한다.
청구항에 개별적으로 특정된 특징적 형태들은 소정의 원하는 기술적으로 의미 있는 방식으로 조합되고, 특정되는 본 발명의 다른 실시예들과 함께 상세한 설명 및 도면으로부터 설명의 관점으로 보충될 것이다.
그러한 발명 및 기술분야는 이하의 도면들을 기초하여 좀더 상세히 기술될 것이다. 그러한 도면들은 특정 바람직한 예시의 실시예들을 나타낼 뿐, 그러한 발명을 한정하려는 것은 아니다. 특히, 도면들, 특히 기술된 특성들은 단지 개략적으로 도시했다는 것을 알아야 한다. 도면에서:
도 1은 상술한 방법의 개략도를 나타내고,
도 2는 그러한 방법의 실행을 위한 선택의 콘트롤러를 나타내고,
도 3은 충만 레벨 리셋팅의 투입 수단을 나타내며,
도 4는 자동차에서의 배기-가스 처리 장치의 배열을 나타낸다.
도 1은 상기 설명에 따라 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하기 위한 방법을 실행할 수 있는 개략도를 나타낸다. 여기서, 제1투입 수단(1), 제2투입 수단(2) 및 제3투입 수단(3)이 중심에 나타나 있으며, 상기 투입 수단들은 각각 제1타겟 변환율(4) 및 제1임계치(14), 제2타겟 변환율(5) 및 제2임계치(15), 및 제3타겟 변환율(6) 및 제3임계치(16)를 생성한다. 전환 오퍼레이터(7; switching operator)는 타겟 변환율 및 임계치(본 예에서는 제1변환율(4) 및 제1임계치(14))가 이용되는 결정 오퍼레이터(11)로부터의 제어 신호(20)에 기초하여 결정한다. 그러나, 상기 전환 오퍼레이터(7)는 또한 처리 용량을 절감하기 위해 그러한 투입 수단들 중 단지 하나만이 실행되도록 상기 투입 수단들의 상류에 위치될 것이다. 콘트롤러(8)는 SCR 촉매 컨버터(25)에서 현재의 변환율(10)을 이끄는 환원제 공급율을 산출한다. 그러한 현재의 변환율(10)은 감산 오퍼레이터(12; 감산 연산자)에 의해 그러한 선택된 타겟 변환율(이 경우, 제1타겟 변환율(4))과 비교된다. 이는 비교 오퍼레이터(17; 비교 연산자)에서 상기 선택된 임계치(이 경우, 제1임계치(13))와 비교된 편차(13)를 산출한다. 만약 편차(13)가 임계치(14)를 초과하면, 상기 메모리 오퍼레이터(18)에 엔트리가 기록된다. 예컨대 상기 메모리 오퍼레이터(18)는 카운터(counter)의 형태이다. 그러한 편차(13)가 제1임계치(14)를 초과하는 총 지속 시간은 상기 메모리 오퍼레이터(18)에서 카운트한다. 만약 그러한 총 지속 시간이 미리 결정된 최대 지속 시간(19)을 초과하면, 상기 결정 오퍼레이터(11)에서 변경이 발생한다. 이러한 예에서, 상기 환원 공급율(9)은 상기 각각의 투입 수단(1 내지 3)들에 대한 입력 변수이다. 더욱이, 각기 다른 수의 각각의 입력 변수들은 단지 각각의 투입 수단에서 개략적으로 나타냈다. 더욱이, 상기 결정 오퍼레이터(11)에서, 예컨대 투입 수단의 전환시 리셋되는 조절기(8)의 적분 요소(21)에 리셋 신호(22)를 제공할 수 있다. 이러한 예에서, 상기 미리 결정된 최대 지속 시간(19)은 상기 결정 오퍼레이터(11)가 동작될 때 리셋된다.
도 2는 정적-상태 비례-적분 콘트롤러(35) 및 동적 비례-적분 콘트롤러(37)를 포함하는 선택의 콘트롤러(8)를 나타낸다. 상기 정적-상태 비례-적분 콘트롤러(35)는 제1제어값(36)을 출력하고, 상기 동적 비례-적분 콘트롤러(37)는 제2제어값(38)을 출력한다. 상기 제1제어값(36) 및 제2제어값(38) 각각은 제안된 환원제 공급율에 대응한다. 선택 프로세서(39)에 의해, 동적 동작 상태 또는 정적 동작 상태가 제공되는지에 따라, 제1제어값(36) 또는 제2제어값(38)이 선택되고 환원제 공급율(9)로서 사용된다. 상기 콘트롤러(8)는 선택적으로 도 1에 따른 개략도에 대응적으로 사용될 것이다.
도 3은 충만 레벨 조절이 수행될 수 있는 제1투입 수단(1)을 나타낸다. 이러한 경우 원하는 로딩(41; loading)은 미분 오퍼레이터(44; 미분 연산자)에 의해 최대 로딩(42)의 비율로 설정된다. 상기 비율은 로딩 비교 오퍼레이터(45; 로딩 비교 연산자)에서 임계치(43)와 비교되고, 그에 따라 그러한 로딩 값(40)이 리셋된다. 도 3은 도 1(상부 좌측)에도 나타낸 그리고 사용되는 것과 같은 제1투입 수단(1)의 상세도이다.
도 4는 내연기관(24)이 배기-가스 처리 장치(23)에 연결된 자동차(34)를 나타낸다. 상기 배기-가스 처리 장치(23)에는, 유동 방향(32)으로 예컨대 산화 촉매 컨버터(31) 및 하류의 SCR 촉매 컨버터(25)가 배열되어 있다. 상기 SCR 촉매 컨버터(25)의 상류에는 환원제 저장소(33)에 연결된 공급 포인트(27)을 통해 환원제를 저장할 수 있는 저장 촉매 컨버터(26)가 제공된다. 상기 각각의 투입 수단들에 대한 값들은 제1센서(29) 및 제2센서(30)에 의해 결정된다. 상기 값들은 기술된 방법에 따라 상기 공급 포인트(27)에 대한 환원제 공급율(9)을 제어하는 제어 유닛(28)에 대한 입력 변수들을 구성한다.
본원에 제안된 방법에 따라, 매우 범위가 한정된 임계치 내에서 아주 정확한 투입을 제공할 수 있으며, 동시에 배기-가스 처리 장치에서의 결함 및 다른 변수들에 적절하게 대응할 수 있다.
[참조부호 리스트]
1 제1투입 수단, 2 제2투입 수단,
3 제3투입 수단, 4 제1타겟 변환율,
5 제2타겟 변환율, 6 제3타겟 변환율,
7 전환 오퍼레이터 , 8 콘트롤러,
9 환원제 공급율, 10 현재의 변환율,
11 결정 오퍼레이터, 12 감산 오퍼레이터,
13 편차, 14 제1임계치,
15 제2임계치, 16 제3임계치,
17 비교 오퍼레이터, 18 메모리 오퍼레이터,
19 미리 결정된 최대 지속 시간, 20 제어 신호,
21 적분 요소, 22 리셋 신호,
23 배기-가스 처리 장치, 24 내연기관,
25 SCR 촉매 컨버터, 26 저장 촉매 컨버터,
27 공급 포인트, 28 제어 유닛,
29 제1센서, 30 제2센서,
31 산화 촉매, 32 유동 방향,
33 환원제 저장소, 34 자동차,
35 정적-상태 비례-적분 콘트롤러, 36 제1제어값,
37 동적 비례-적분 콘트롤러, 38 제2제어값,
39 선택 프로세서, 40 로딩 값,
41 원하는 로딩, 42 최대 로딩,
43 임계치, 44 미분 오퍼레이터,
45 로딩 비교 오퍼레이터.

Claims (10)

  1. 환원제를 위한 공급 포인트(27), 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터(26), 및 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터(25)를 포함하는 배기-가스 처리 장치(23)의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법으로서, 상기 방법은:
    a) 환원제를 갖춘 저장 촉매 컨버터(26)의 로딩이 모니터되고, 산화질소 화합물이 질소 및 물로 변환되는 제1타겟 변환율(4)이 현재의 로딩에 기초하여 결정되는, 제1투입 수단(1)을 실행하는 단계;
    b) 제1타겟 변환율(4)에 따라 환원제를 공급하는 단계;
    c) SCR 촉매 컨버터(25)에 의해 얻어지고, 산화질소 화합물이 질소 및 물로 변환되는 현재의 유효 변환율(10)을 결정하는 단계;
    d) 현재의 유효 변환율(10)을 제1타겟 변환율(40)과 비교하여, 편차(13)를 기록하는 단계; 및
    e) 편차(13)가 제1임계치(14)를 초과하면 다른 투입 수단(2, 3)으로 전환하는 단계를 적어도 포함하며,
    상기 다른 투입 수단(2, 3)에서, 저장 촉매 컨버터(26)의 로딩은 무시되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단계 e)는 단계 d)에서 편차가 미리 결정된 최대 지속 시간보다 긴 시간 주기에 걸쳐 기록될 경우에만 수행되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    단계 e) 이후, 다른 투입 수단(2, 3)은 미리 결정된 최대 지속 시간(19)보다 긴 미리 결정된 시간 주기에 수행되며, 다음에 단계 a)에 따라 제1투입 수단(1)으로 다시 전환되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    저장 촉매 컨버터(26)의 로딩을 결정하기 위해, 미리 결정된 시간 주기 이후 리셋되는 충만 레벨 모델을 사용하는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    다른 투입 수단(2, 3)에서, 감소된 제2타겟 변환율(5)이 설정되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1투입 수단(1)의 실행을 위해, 단계 a)에서, 배기-가스 처리 장치(23)의 정적 동작 상태가 유효하면 정적-상태 비례-적분 콘트롤러(35)가 사용되고, 내연기관의 동적 동작 상태가 유효하면 동적 비례-적분 콘트롤러(37)가 사용되며, 단계 d)에서, 상기 편차(13) 외에, 정적-상태 비례-적분 콘트롤러(35)의 제1제어값(36)과 동적 비례-적분 콘트롤러(37)의 제2제어값(38)간 비교에 따른 편차(13)를 고려대상으로 취하는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    편차(13)는 일련의 임계치(14, 15, 16)와 비교되고, 이하의 절차에 따른 임계치에 기초하여 다른 투입 수단(2, 3)이 선택되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
    - 제1임계치(14)보다 작은 편차일 경우, 제1투입 수단(1)을 유지;
    - 제2임계치(15)보다 작고 제1임계치(14)보다 큰 편차일 경우, 제2투입 수단(2)으로 전환;
    - 제3임계치(16)보다 작고 제2임계치(15)보다 큰 편차일 경우, 제3투입 수단(3)으로 전환.
  8. 청구항 1에 있어서,
    방법 단계 a) 내지 e)는 루프 방식으로 일정한 간격으로 반복적으로 수행되는, 배기-가스 처리 장치의 배기-가스 질량 유동에 환원제를 공급하는 방법.
  9. 내연기관(24) 및 이 내연기관(24)의 배기-가스의 정화를 위한 배기-가스 처리 장치(23)를 갖춘 자동차(34)로서,
    상기 배기-가스 처리 장치는 환원제를 위한 공급 포인트(27), 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터(26), 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터(25), 및 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 청구된 방법을 수행하도록 디자인되고 셋업된 제어 유닛(28)을 구비하는, 자동차(34).
  10. 내연기관(24) 및 이 내연기관(24)의 배기-가스의 정화를 위한 배기-가스 처리 장치(23)를 갖춘 고정 설비로서,
    상기 배기-가스 처리 장치는 환원제를 위한 공급 포인트(27), 환원제의 저장을 위한 저장 촉매 컨버터(26), 배기-가스에서 산화질소 화합물의 선택적 촉매 환원을 수행하기 위한 SCR 촉매 컨버터(25), 및 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 청구된 방법을 수행하도록 디자인되고 셋업된 제어 유닛(28)을 구비하는, 고정 설비.
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