KR101770852B1 - Ｓｃｒ 시스템의 펌프 레귤레이션 방법 - Google Patents

Abstract

모터로 구동되는 모터 종동 펌프를 포함하는 SCR 시스템에서, 펌프를 레귤레이트하는 펌프 레귤레이션 방법으로서, 모터 종동 펌프는 압력을 전달하는 한편, 압력과 관련된 액압 토크를 받는 동시에 저항 토크를 받고 또한 전기 모터에 의해 구동되며, 전기 모터는 전류가 공급되는 코일을 포함하여, 전류와 관련된 토크를 생성하며, 토크에 따라서 펌프를 레귤레이션하기 위해, 모터의 코일에서의 전류를 측정하기 위한 전류측정수단, 모터에 의해 소비되는 전체 전류의 레귤레이터, 무부하 조건에서 여러 다른 속도로 상기 펌프를 회전시키고 관련 전류를 측정하여 얻어진 저항 토크의 일부의 추산을 이용하여 전류와 압력 간의 관계식 모델을 이용한다.

Description

ＳＣＲ 시스템의 펌프 레귤레이션 방법{METHOD FOR REGULATING A PUMP OF AN SCR SYSTEM}

본 발명은 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템의 펌프를 레귤레이션 하는 펌프 레귤레이션 방법과, 이 펌프 레귤레이션 방법을 적용할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

배기물, 특히, 대형트럭으로부터 방출되는 배기물에 대한 유로 4(IV) 기준(Euro IV Standard)이 2005년도에 발효되면서, NOx(또는 질소산화물)에 대한 오염물질통제를 위한 장치를 적절히 설치해야만 되었다.

이러한 요구의 일환으로, 대부분의 대형트럭 제조업자는 NOx 방출량을 규제값으로 감축하기 위한 장치 또는 시스템(이하 시스템이라함)을 사용하는데, 이러한 시스템은 일반적으로 요소와 같은 환원제와 선택적 촉매 반응["요소 SCR" 또는 요소의 분해를 통해 원래 배기가스에서 발생되는 암모니아를 이용한 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction)-요소촉매환원-]을 수행하는 구조로 되어 있다.

이러한 작업을 수행하기 위해서는, 요소 용액을 수용하는 탱크와, 배기관(배기 라인)에 분사될 요소용액을 측량 또는 측정하는 장치와, 요소용액 공급장치와, 분사될 요소분사량 측정장치를 차량에 설치할 필요가 있다. 일반적으로, 공급장치는 모터에 의해 구동되는 모터 종동 펌프를 포함한다.

종래기술에서, 이러한 펌프의 동작을 제어하기 위한 여러 장치 또는 시스템이 제안되었다.

본 출원인과 동일한 출원인이 출원한 WO 2008/087153호는 SCR 시스템의 펌프 동작을 제어하기 위한 방법을 설명하고 있으며, 이 펌프는 전기 모터에 의해 구동되는 한편 ECM(Electronic Control Module)이 보내는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 따라서, 이 신호를 수신한 제어기에 의해 제어된다. 여기서 PWM 제어신호는 펌프의 목표동작조건의 함수로서 변화하는 듀티 싸이클을 가지고 있으며, 이 신호에 따라서 제어기는 전기 모터를 동작시켜 결과적으로 상기 동작조건을 펌프에 부여하게 된다.

이 방법에 있어서, 펌프가 가능한 신속하고도 정확하게 동작압력으로 전달동작을 하는 것(즉, 환언하면, 펌프의 출구압력이 신속하고도 정확하게 ECM이 보내는 설정점-setpoint- 압력과 일치하는 것)을 보장하기 위해, 제어기가 압력센서에 연결되고, 시스템이 압력 레귤레이터(pressure regulator)[일반적으로 PID(Proportional Integral Derivative) 타입]와 전기 모터 회전속도 제어기를 포함한다. 이러한 구성을 통해, 루프에서, 적절할 경우(즉, 펌프가 운전할 때)의 압력 설정점 값과 센서에 의해 측정된 값을 서로 비교하는 것을 가능하게 하며, 결과적으로 회전속도 제어기에 의해 모터의 회전속도를 통제하는 작용이 가능하다.

일반적으로, 레귤레이터는 목표 압력과 측정된 압력을 비교하고, 모터 회전 속도 제어기에 대해 에러 신호를 발생시킨다.

이 방법은 실용적으로 만족할 만한 양호한 결과를 가져오지만, 고가의 압력 센서를 사용한다는 점에서 문제가 있으며, 이 압력 센서는 시스템의 전체 비용에서 실질적으로 상당한 부분을 차지하고 있다.

또한, 압력 센서는 결빙 환경에서 내구력이 약하여 성능저하가 발생할 수 있고 이러한 현상으로 인해 편차를 야기할 수도 있다. 따라서, 압력 센서를 배제하여 제어를 할 수 있다면, 이러한 문제를 피할 수 있을 것이다.

그러나, 여러 가지 종류의 SCR 시스템 - 특히 브러쉬 타입 DC 모터, 또는 브러쉬리스 타입 DC 모터(브러쉬리스 타입 DC 모터를 블러쉬리스 DC 모터 또는 BLDC 모터라고도 칭한다)를 사용하는 SCR 시스템- 에 있어서, 펌프는 선택에 따라서 펌프의 고정자와 회전자 사이의 자기적 커플링에 의해 구동되며, 이러한 커플링은 자체로 모터의 기계적 구동 샤프트에 부착되어 있다-펌프 모터의 회전속도, 모터의 코일에서의 전류에 관한 정보가 자동적으로 유용하다(특히, 시스템의 분석을 수행하는데 있어서 유용하다). 따라서 이러한 정보를 측정하기 위해 특별한 센서를 설치할 필요가 없다.

본 발명은 이와같이 압력센서를 사용함에 따른 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 그 밖의 목적은 이하의 설명에서 보다 구체적으로 인할 수 있다.

상기 목적 및 그 밖의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1구성특징은 모터로 구동되는 모터 종동 펌프를 포함하는 SCR 시스템에서, 상기 펌프를 레귤레이tus하는 펌프 레귤레이션 방법으로서, 상기 펌프는 압력을 전달하는 한편, 상기 압력과 관련된 액압 토크를 받는 동시에 저항 토크를 받고 또한 전기 모터에 의해 구동되며, 상기 전기 모터는 전류가 공급되는 코일을 포함하여, 상기 전류와 관련된 토크를 생성하며, 상기 토크에 따라서 상기 펌프를 레귤레이션하기 위해, 상기 모터의 코일에서의 전류를 측정하기 위한 전류측정수단, 상기 모터에 의해 소비되는 전체 전류의 레귤레이터, 무부하 조건에서 여러 다른 속도로 상기 펌프를 회전시키고 관련 전류를 측정하여 얻어진 상기 저항 토크의 일부의 추산을 이용하여 상기 전류와 상기 압력 간의 관계식 모델을 이용한다.

바람직하게는, 제1구성특징의 방법은 컴퓨터와 모터 회전 속도 제어기를 또한 이용하는 상기 방법으로서:

- 상기 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;

- 상기 전류 레귤레이터가 루프에서 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, 그 비교결과에 따라서 모터 회전 속도 제어기를 위한 에러 신호를 발생시켜, 상기 제어기가 상기 전류 설정점과 상기 측정된 전류의 실질값 사이의 에러를 최소화하기 위해 모터의 회전 속도를 변경하는 단계를;

포함한다.

바람직하게는, 상기 제1구성특징의 방법은

컴퓨터와, 코일에 흐르는 전류를 위한 전류 레귤레이터를 사용하는 상기 방법으로서:

- 상기 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;

- 상기 전류 레귤레이터가 루프에서 상기 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, BLDC 모터의 코일에 인가된 전압을 위해 명령신호를 발생시키며, 그 결과 전류 설정점과 전류 측정값 사이의 에러를 최소화하기 위해, 상기 제어기가 모터의 코일에서의 전압을 변경시키는 단계를;

포함한다.

본 발명의 제2구성특징은 내연기관의 배기 가스를 위해 액체 첨가물을 공급하기 위한 액체 첨가물 공급 시스템으로서:

-상기 제1구성특징에 따른 방법에 의해 레귤레이션될 수 있고, 탱크로부터 배기 가스로 상기 첨가물을 공급 가능하게 하는 펌프와;

-상기 펌프를 구동가능하게 하며, 코일을 포함하는 브러쉬 DC 모터 또는 BLDC 모터와;

-상기 모터의 코일에서 흐르는 전체 공급 전류를 결정하기 위한 센서와;

-상기 전류의 레귤레이터와;

-모터 회전 속도 제어기와;

-압력 설정점을 기초로 전류 설정점을 산출하는 컴퓨터를;

포함한다.

본 발명의 제3구성특징은 제1구성특징에 따른 레귤레이션 방법을 이용하여 제2구성특징에 따른 시스템을 제어하는 시스템 제어 방법으로서, 상기 시스템 제어 방법은 다음 단계에 따른 펌프의 시동 제어를 포함하며, 상기 다음 단계는:

1. 탱크에 유지되는 액체의 온도(T1)를 결정하고, 설정점 온도(T0)와 비교하는 단계와;

2. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 크면, 펌프를 구동시키는 단계와;

3. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 작거나 같으면, 탱크과 펌프를 시간 t1 동안 가열시키는 단계와; 그런 다음

4. 펌프를 시간t2 동안 구동시키고, 그 동안, 펌프출구 압력을 전류 측정을 통해 추산하는 단계와;

5. 상기 추산된 압력이 일정하면 수용가능한 마진 내에서 펌프의 동작을 유지시키는 단계와;

6. 압력이 일정하지 않고/또는 않거나 설정점 압력의 수용가능한 마진 내에 있지 않으면, 펌프를 정지시키고, 탱크를 시간 t3 동안 가열시키며, 시간 t3의 종료점에서 단계4 내지 6을 반복하는 단계를;

포함한다.

본 발명은 이상과 같은 구성을 통해 압력센서와 같은 고가의 센서를 사용하지 않을 수 있어, 이에 따른 시스템 전체의 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 압력센서를 사용함에 따른 종래의 편차문제도 해소할 수 있다.

또한, 여러 가지 종류의 SCR 시스템 - 특히 브러쉬 타입 DC 모터, 또는 브러쉬리스 타입 DC 모터(브러쉬리스 타입 DC 모터를 블러쉬리스 DC 모터 또는 BLDC 모터라고도 칭한다)를 사용하는 SCR 시스템- 에 있어서, 펌프는 선택에 따라서 펌프의 고정자와 회전자 사이의 자기적 커플링에 의해 구동되며, 이러한 커플링은 자체로 모터의 기계적 구동 샤프트에 부착되어 있다-펌프 모터의 회전속도, 모터의 코일에서의 전류에 관한 정보가 자동적으로 유용하다(특히, 시스템의 분석을 수행하는데 있어서 유용하다). 따라서 이러한 정보를 측정하기 위해 특별한 센서를 설치할 필요가 없다.

본 발명의 그 밖의 효과 및 이점은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 확인할 수 있다.

도 1은 수학식 1 내지 8의 타당성 검증을 위해, 특성은 동일하지만 제조업자가 서로 다른 2개의 시스템에 대하여 테스트를 수행한 결과를 나타낸 그래프도;
도 2는 제3시스템의 테스트를 수행한 결과를 제1시스템 및 제2시스템의 결과와 충첩하여 나타낸 그래프도.
도 3은 5 바(bar)의 기준압력을 위해 수행된 3개의 테스트 영역을 그룹화한 도면;
도 4는 본 발명의 제1양태에 따른 방법의 원리를 설명하기 위한 제어구성도를 나타낸 도면;
도 5는 압력과 전류에 대한 전압의 영향을 나타낸 그래프도.

상기와 같이, 여러 가지 종류의 SCR 시스템 - 특히 브러쉬 타입 DC 모터, 또는 브러쉬리스 타입 DC 모터(브러쉬리스 타입 DC 모터를 블러쉬리스 DC 모터 또는 BLDC 모터라고도 칭한다)를 사용하는 SCR 시스템- 에 있어서, 펌프는 선택에 따라서 펌프의 고정자와 회전자 사이의 자기적 커플링에 의해 구동되며, 이러한 커플링은 자체로 모터의 기계적 구동 샤프트에 부착되어 있다-펌프 모터의 회전속도, 모터 코일에서의 전류에 관한 정보가 자동적으로 이용가능하다(특히, 이러한 정보는 시스템의 분석을 수행하는데 있어서 유용하다). 따라서 이러한 정보를 측정하기 위해 특별한 센서를 설치할 필요가 없다.

본 출원인은 이러한 정보에 관한 연구를 통해 전류 측정과 관련하여 요구압력값에 대하여 ±0.5 바(bar)의 공차 마진 내에서 압력의 이미지를 설정하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.

실질적으로, 다음 수학식을 통해 양방향 공급, 레이디얼, 삼상 DC 모터를 모델화하는 것이 가능하다.

식중

-R: 코일의 저항

-L: 코일의 자기 인덕턴스(self-inductance)

-M: 코일간의 상호 인덕턴스

-i: 코일에서의 정 커뮤테이션 전류(constant commutation current)

-e': 역기전력

-ω: 회전속도

-Cm: 모터 토크

-Cr: 저항 토크

-λ: 단상(single phase)용으로 규정된 토크 상수

다른 타입의 DC 모터를 가지고 등가식을 얻을 수 있다.

(일방향 공급, 레이디얼, 삼상; 델타 삼상; 양방향 공급, 레이디얼 4상; 등)

제1근사치로서, 일정한 상태의(비-과도 상태의) 조건하에서 동작한다고 가정하면, 상기 수학식 1, 2, 3, 4는 다음과 같다:

이들 수학식을 검증하기 위해, 본 출원인은 동일 특성을 갖추고, 모터, 펌프, 배관 등이 설치된 여러 시스템에 대하여 테스트를 수행하였다. 도 1은 2개의 다른 시스템(동일 특성을 갖고 있지만, 필수적으로 다른 제조방법으로 얻어진 부품을 갖는 시스템들)에 대해 수행된 테스트 결과를 나타내며, 이 결과를 통해 제1시스템에 대해 2.5A의 전류 루프 레귤레이션(데모1), 제2시스템에 대해 2.4A의 전류 루프 레귤레이션(데모 2)을 행하여, 5 바(bar)의 압력을 얻었음을 볼 수 있으며, 여기서, 상기 압력값은 관례에 따라 공통적으로 사용되는 값을 말한다. 2개의 시스템에 대하여, 2.4A의 전류 제어 루프 레귤레이션이 사용된다면, 제2 시스템의 경우 5 바(bar)를 자연적으로 얻게 되고, 제1시스템의 경우 4.75 바(bar)를 얻게 된다. 4.75 바(bar)의 압력은 많은 SCR 프로젝트에서 요하는 ±0.5바(bar)의 공차 내에 들어가므로 수용가능하다. 2.5A의 전류값이 사용되는 경우에도 동일하게 이러한 허용공차의 적용이 가능하다. 따라서, 최소한 사용된 2개의 시스템에 대하여 이들 2개의 값 중에서 하나를 취하면, 압력은 4.5 바(bar) 내지 5.5 바(bar) 사이에서 변화하게 되므로, 상기한 ± 0.5 바(bar)의 공차 마진을 만족하게 된다.

특정 압력에 대하여 2개 시스템의 전류 기준값들 간의 차이를 기계적 저항[예를들면 베어링에서의 건조 마찰(dry friction)]과 점성 마찰(통풍에 의해 야기되는 저항과 같이 회전속도에 의존하는 마찰)을 이용하여 설명할 수도 있으며, 여기서의 건조 마찰과 점성 마찰은 서로 상이할 수도 있다. 시스템의 제조공차 역시 내부저항 토크와 강자성체 손실 부분에서 시스템들 간의 차이를 야기할 수 있다.

제3시스템에 대하여 테스트를 하였는데, 이 경우에는 PID 제어기를 가지고 실질 조건하에서 전류 정보(인젝터를 개방하지 않음)를 검사하였다. 이 검사에서는 2.5A의 평균 전류를 이용하여 0.22 바(bar)의 압력변동과, 평균압력 5.077 바(bar)를 보여주었다. 첨부 도면 도 2는 이 테스트의 결과를 나타내며, 2개의 다른 결과(선형화됨)에 대해 충접된 형태로 선형화된 선을 도시하고 있다.

도 3은 5 바(bar)의 기준압(종종 자동차 제조업자에 의해 요구되는 기준)에 대해 수행된 3개의 테스트 세트의 영역을 함께 군집화하여 도시한 것이다. 각 테스트 세트에 있어서, ±0.5 바(bar) 공차를 고려하여, 4.5 바(bar)에 대응하는 전류의 최소값과, 5.5 바(bar)에 대응하는 전류의 최대값을 결정하고, 이들 값에 의해 규정되는 사각형을 도형화하였기 때문에, 그 결과 이들 값들 사이에 모든 펌프 동작점들이 포함된다. 이들 3개 영역의 교차부분은 3개 시스템에 대한 수용가능한 전류 마진을 부여한다(즉, 압력 설정점에 대한 공차에 충실한 동작점들을 부여한다). 도 3은 제어 루프에 대해 2.4A의 기준전류를 취하여, ±0.5 바(bar)의 마진이 3개의 시스템에 대해 5 바(bar)를 만족시킨다.

사실, 본 발명이 기초로 하는 기술사상은 전기 모터에 의해 구동되는 어느 펌프라도 적용이 가능하다.

실질적으로, 이러한 타입의 펌프에 있어서는 일반적으로 Cm = Ch + Cr이 된다. 식중 Cm은 모터 토크(또는 펌프를 구동하기 위해, 그리고 기계적 소실 및 강자성체 손실을 극복하기 위해 모터에 의해 생성되는 입력 토크)로서, 전류에 비례한다. 즉, Cm = K1×I(K1 = 상수); Ch는 액압 토크로서 압력에 비례한다. 즉, Ch = K2 × p(K2 = 다른 상수); 그리고 Cr은 펌프에서 주로 건조 마찰과 점성 마찰로 기인하는 저항 토크이며, 따라서 특정 유동체를 갖는 특정 펌프에 대한 상수이다(이 상수는 모터의 회전속도에 따라서 다소 변할 수는 있지만 상수로 취급한다). 마지막으로, 제1 근사식으로서, K1×I = K2×p + Cr 을 취하며, 이 식은 전류와 압력 간의 선형 관계식으로서 본 발명을 이러한 타입의 펌프에 적용가능하게 한다.

그러나, 상기 설명한 바와 같이, 이 식들은 근사식으로서, 요구 압력값의 ±0.5 바(bar) 에서 동작해야 하는 SCR 시스템의 경우 이들 근사식이 충분히 정확하지 않을 수도 있다.

그러나, 이러한 근사식은 최소한 Cr을 정확하게 결정할 수 있다면 실질적으로 개선점을 얻을 수도 있다(Cm으로 부터 Cr을 추론하고, 압력에 비례하는 액압 토크를 얻기 위해). 사실, Cr은 전류와 관계가 있으며, 기계적 공차, 조립체, 모터의 회전 속도 등의 함수로서 한 시스템으로부터 다른 시스템으로 변경함에 따라 변화할 수 있으며, 펌프에서 건조 마찰과 점성 마찰의 합계이다. 실용적으로, 건조 마찰의 기여도는 시스 템의여압(pressurization) 동작의 초기 시동시에 무부하 조건하에서 전류를 측정하여 결정할 수도 있다.

이러한 공정 방식은 SCR 시스템인 경우 수행하기가 매우 쉽다. 실질적으로, SCR 시스템은 각각의 시동 때마다 펌프가 비워지고, 시스템이 무부하 조건에 있도록 모터의 셧다운 이후 마다 퍼지(purge) 되어야 한다. 시스템을 퍼지(purge)하는데는 펌프를 역방향으로 회전시키는 것으로도 충분한다. 이후 모터가 여압 방향으로 회전할 때, 보충 전류가 액압부에만 도달하며, 이 보충전류는 압력과 상관관계(거의 선형 관계)를 갖는다.

Cr에 대한 점성 기여도는 펌프의 경시변화의 함수로서 이 점성 저항의 변화를 고려하여 펌프의 내구력 테스트로부터 결정될 수 있다. 이 기여도는 본 발명에서 사용되는 Cr 추산에 포함되는 것은 아니고, 그 대신 상수 K1 및 K2를 변화시켜 상기 등식(K1 × I = K2 × p + Cr)에 암시적으로 포함되며, 그 결과 실질적으로 상기 선형 등식/관계식은 보다 정교한 관계식이 된다. 이 정교한 관계식은 여러 다른 작업 조건에서 여러 다른 펌프에 대해 얻어진 많은 실험적 포인트를 기반으로 확립되며, 여기서, 여러 다른 작업 조건을 결정하기 위해서는 전류, 압력, 펌프의 사용연수, 회전속도, 온도가 함께 측정된다. 이러한 관계식/모델을 모색하기 위해, LMS(Least Mean Square)와 같은 기법, 웨이티드 LMS, 뉴로 퍼지(Neuro-fuzzy)... 가 상기 측정 데이터에 적용될 수 있으며, 이러한 적용은 모델이 확립된 이후에 하는 것이 바람직하다. 모델의 타입은 다음과 같다: FIR(Finite Impulse Response), IIR(Infinite Impulse Response), 박스-젠킨스(Box-Jenkins), ARMAX....

그러므로, 본 발명은 SCR 시스템에서 그 펌프가 모터에 의해 구동되는 모터 종동 펌프를 레귤레션 하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 펌프는 압력을 전달하는 한편, 이 압력과 관련된 액압 토크를 받는 동시에 저항 토크도 받게 되게 되고, 전기 모터에 의해 구동되며, 전기 모터는 전류가 공급되는 코일을 포함하는 한편, 이 전류와 관계된 토크를 생성하며, 이 전류에 따라서 펌프를 레귤레이션 하기 위해 모터의 코일에서의 전류를 측정하기 위한 수단과, 모터가 소모하는 전체 전류를 레귤레이션하는 전체 전류의 레귤레이터와, 전류와 압력의 관계식 모델을 이용한다. 여기서 모델은 여러 다른 속도에서 그리고 무부하 조건에서 펌프를 회전시키고, 관련 전류를 측정하여 얻은 저항 토크(즉, 건조 마찰)의 일부분을 추산하여 얻는다.

저항 토크(또는 "Cr")의 일부분을 추산하는 것은 펌프의 흐름을 역류시켜서 행해지는 SCR 시스템의 퍼지(purge) 중에 수행되거나 또는 퍼지 이후 즉시 수행될 수도 있고, 시스템의 시동 시에 수행될 수도 있다. 이러한 퍼지 방법은 본 출원과 동일한 출원인 명의로된 국제 출원공개 WO 2006/064028호에 설명되어 있으며, 그 내용은 이러한 퍼지동작을 목적으로 본 출원에 참조로 포함된다. 실용적으로, 펌프의 흐름을 역류시키기 위해, 스위치 또는 4방/2방 밸브를 사용하는 것이 바람직하며, 스위치는 펌프의 흐름을 직접 역류시킬 수 있고( 그 회전방향을 역전시키는 것에 의해), 4방/2방 밸브는 적절한 커플링/라인(또는 배관)에 의해 동일한 효과를 생성한다. 역방향으로 모터를 회전시키는 방식의 퍼지가 본 발명의 기술 사상에서는 바람직하다.

본 발명의 기술 사상에 비추어 적절한 모터는 브러쉬 DC 모터, 브러쉬리스 DC 모터, AC모터이며, 이들 모터가 유도형(induction type)인 것이 바람직하다. 특히, DC 모터가 매우 적절하며, 본 발명은 자기결합형 DC 모터의 경우 양호한 결과를 얻고 있다.

전류를 측정하기 위한 수단과 관련하여서는, 이들 수단은 최소한 하나의 전류 센서(상기한 바와 같이, 레이디얼, 삼상 모터의 경우에는 2개)로 구성된다.

따라서, 본 발명은 특히, 상기 설명한 펌프를 레귤레이션하기 위한 방법으로서, 여기서 모터는 자기 코일을 포함하는 DC 모터이며, 이 모터에 따라서 펌프의 압력을 레귤레이션하고, 모터의 코일에 흐르는 전류를 감지하는 센서와 전체 전류의 레귤레이터를 이용한다.

제1양태에 따르면, 본 발명은 상기 방법이 컴퓨터, 코일에 흐르는 전류를 감지하는 전류센서, 모터가 소비하는 전체 전류를 레귤레이션하는 전체 전류의 레귤레이터, 모터 회전 속도 제어기를 이용하며, 이 방법에 따라서,

- 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;

- 전류 레귤레이터가 루프에서 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, 그 비교결과에 따라서 모터 회전 속도 제어기를 위한 에러 신호를 발생시켜, 이 제어기가 에러를 최소화하기 위해 모터의 회전 속도를 변경하는 단계;를 포함한다.

이러한 원리가 도 4에 설명을 위해 예시되어 있으며, 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4를 참조하면, 일반적으로 에러 신호는 모터의 회전속도의 새로운 설정점으로 구성되고, 속도 제어기는 속도 레귤레이터를 포함하며, 이 속도 레귤레이터는 상기 속도 설정점 값을 속도 센서에 의해 판독된 속도의 실질값과 비교하거나, 역-EMF, 또는 역-기전력(DC 모터의 경우, 이 값은 상기 식에 의해 규정된다)으로부터 산출된 값과 비교하며, 여기서 이 값도 역시 루프에 있다. 이러한 산출은 FCU에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 전류 레귤레이터가 PID 타입이고, 바람직하게는 속도 레귤레이터 역시 PID 타입이다. 퍼지 로직(fuzzy logic), 로버스트 제어(robust control), 최적 제어 등을 기반으로 하는 기타 다른 타입의 레귤레이터도 동일하게 사용가능하다.

제2양태에 따르면, 본 발명은 컴퓨터와, 코일에 흐르는 전류를 레귤레이션하는 전류 레귤레이터를 사용하여, 자기 코일을 포함하는 DC 모터에 의해 구동되는 펌프의 동작을 제어하기 위한 방법으로서, 다음의 단계를 포함한다:

- 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;

- 전류 레귤레이터가 루프에서 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, BLDC 모터의 코일에 인가된 전압을 위해 명령신호를 발생시키며, 그 결과 전류 설정점과 전류 측정값 사이의 에러를 최소화하기 위해, 제어기가 모터의 코일에서의 전압을 변경시키는 단계를; 포함한다.

이러한 변형 실시예는, BLDC 모터의 코일(위상)에서 전압이 전류 레귤레이터에 의해 직접 산출될 수도 있거나/또는 산출되기 때문에, 속도 제어기가 필수적으로 필요하지 않고, 모터 속도가 인가된 전압의 이미지가 된다는 기술사상을 기초로 한 것이다.

수학식 5, 6, 7 및 8은 이러한 본 발명의 기술적 사상의 타당성을 부여하는 여러 가지 변형예를 나타낸다. 전류가 모터의 공급전압의 함수가 되는 변형예가 수학식 5에 나타나 있다. 모터 차량에 있어서, 이 전압은 9V 내지 17V 범위에 있으며, 이것은 큰 전압이라 할 수 없다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 출원인은 여러 가지 공급전압에 걸쳐서 테스트를 수행하였다. 이러한 전압의 변화가 속도 제어와 연관하여 전류에 영향을 주지 않았다. 실질적으로, 전압이 증가할 때, 전류와 속도가 증가하는 경향을 갖지만, 레귤레이션이 먼저 전류 루프[전류 루프는 속도 설정점(PWM)을 감소시키는 작용을 한다]로서 제공되고, 이후 속도 루프로서 제공되므로, 전류가 변화하지 않는다.

온도(고려해야할 제2파라메터)의 경우도 이와 동일한데, 그 이유는 온도가 증대할 때, 저항이 증가하므로 전류(그리고, 이에 따라서 압력 역시도) 감소하는 경향을 가지며, 전류 제어 루프는 속도를 증대시켜 기준전류를 유지하도록 작용한다.

본 발명에 따른 방법이 적용되는 펌프로는 기어 펌프 또는 다이어프램 펌프를 예로 들 수 있다. 본 발명의 효과는 기어 펌프를 적용할 경우에, 보다 양호한 결과를 얻는다. 사실, 이러한 타입의 펌프는 2개의 상반되는 회전방향에서 모두 양호한 효율로 동작하는 것을 가능하게 한다. 여기서 2개의 상반된 회전방향 중 한 방향은 일반적으로 공급 라인에 액체를 공급할 때의 방향에 해당하고, 다른 한 방향은 공급 라인에 퍼지(purge)를 수행할 때의 방향에 해당한다. 자기 결합형 기어 펌프를 선택하는 것이 특히 유리한데 그 이유는 이 펌프는 다이나믹형 밀봉 없이도 동작하는 것을 가능하게 하기 때문이다.

상기 설명한 바람직한 변형예에 따라서, 펌프는 전류 레귤레이터와 속도 제어기를 이용하여 제어되며, 여기서 속도 제어기는 일반적으로 속도 레귤레이터를 포함한다.

일반적으로, 설정점 압력은 EMC에 의해 컴퓨터에 전달되며, 여기서 EMC는 컴퓨터에 바람직하게는 PWM(Pulse Width Modulation) 타입의 제어신호를 보내고, 이 제어신호는 펌프의 동작조건에 관한 정보를 포함하며, 이 동작조건에 대해서는 본출원에 참조로 포함하는 동시에 본출원의 출원인과 동일한 출원인의 명의로 출원된 상기 국제출원에 기재된 바와 같다. 이러한 동작 조건은 설정점 압력을 나타내주고, 또한 정지/차단, 회전방향 등과 같이 최소한 다른 정보단편도 나타내는 것을 알 수 있다. 이 정보 단편은 펌프의 모든 동작조건을 나타내는 것이 바람직하며, 즉: 정지, 정방향 구동, 역방향 구동, 동작압력(펌프 출구에서) 등의 동작 조건을 포함하여, 펌프의 동작이 단일 신호에 의해 전체적으로 조절되도록 하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 제어기는 코드화된 명령(가변 듀티 싸이클의 PWM신호의 형태로된 명령)을 수신하고, 여기서 코트화된 명령(또는 단일신호)은 펌프의 정지여부, 펌프의 정방향회전, 역방향회전, 압력의 크기 등을 나타내주며, 이러한 명령은 전기모터에 작용하는 것에 의해, 즉 차례로 전기모터에 (예를들면 PWM 타입의) 전압신호를 보내어 펌프 동작을 실현한다.

본 발명의 기술사상에 적용되는 ECM은 SCR 기능에 특정화된 ECM이거나, 내연기관의 ECM(또는 ECU=Engine Control Unit)에 일체로 결합된 것을 들 수 있다.

압력 설정점 값을 받고 대응 설정점 전류를 산출하는 컴퓨터의 경우도 동일하다; 즉, 컴퓨터가 ECU에 일체로 결합될 수도 있고, 또는 종종 FCU(Flange Control Unit)로 불리우는 SCR 시스템에 특정된 ECM에 일체로 결합될 수도 있다. 여기서, SCR 시스템의 여러 가지 능동 소자는 때때로 액체를 담은 탱크 내에 또는 탱크 상에 위치하는 공통 베이스 플레이트에 일체로 결합될 수도 있다. 이러한 변형예에서, FCU는 최소한 펌프 속도 제어기와 일체로 결합하는 것이 바람직하다.

유사하게, 본 발명의 방법에서 사용되는 전류 레귤레이터를 ECU 또는 FCU에 일체로 결합할 수도 있다. 제2의 변형예(여기서 전류 레귤레이터는 FCU에 일체로 결합된다)가 바람직하게 사용될 수도 있다. 특히 바람직하게는, 컴퓨터와 레귤레이터 모두가 FCU에 일체로 결합되고, FCU는 별도의 ECM으로부터 압력 설정점 만을 수신할 수도 있다.

본 발명의 제1변형예에 있어서, 전류 레귤레이터는 직접 속도 설정점을 산출하고, 이 산출된 속도 설정점은 속도 제어기로(일반적으로는 CAN을 경유하여) 송출된다 - 이것이 본 발명의 첨부도면 도 4에 예시한 변형예이다. 제2 서브-변형예에 있어서는, 전류 레귤레이터가 속도의 수정치를 산출하고(에러 신호) 이후 이 수정치를 저장된 선행 속도값에 가산하여 그 결과값을 속도 제어기로 보낸다(이 방법은 보다 효과적인데, 그 이유는 CAN 통신을 통해 통과시키면 제어 루프가 긴 응답시간을 갖기 때문이다). 이것이 본 발명의 첨부도면 도 6에 예시한 제2변형예이다.

본 발명은 또한 내연기관의 배기 가스용 액체 첨가물(또는 첨가제)을 공급하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 이 시스템은 상기 설명한 방법을 수행하기에 적합한 것으로서, 이러한 목적을 위해 액체 첨가물 공급 시스템은:

-탱크로부터 배기 가스로 상기 첨가물을 공급가능하게 하는 펌프와;

-상기 펌프를 구동가능하게 하는 브러쉬 DC 모터 또는 BLDC 모터와;

-모터의 코일에서 전체 공급 전류를 측정하기 위한 수단과;

-상기 전류의 레귤레이터와;

-모터 회전 속도 제어기와;

-압력 설정점을 기초로 전류 설정점을 산출하는 컴퓨터를;

포함한다.

이러한 목적을 위해, 컴퓨터는 속도와 함께 저항 토크의 가변성을 고려한 알고리즘을 이용하는 것이 바람직하다. 특정의 바람직한 변형예에 따르면, 이 알고리즘은 또한 온도(점성 또는 점도에 대해 강한 영향을 준다) 및/또는 펌프 경시변화(또는 사용연수)의 영향(상기 파라메터 K1 및 K2의 드리프트, 오버타임)을 고려한다.

본 발명의 이 변형예의 범위내에서 상기 첨가제(또는 첨가물)는 내연기관의 배기 가스에 존재하는 NOx를 감소(또는 환원)시킬 수 있는 환원제가 바람직하다. 이러한 환원제로는 수용액에 존재하는 암모니아 전구체를 사용하는 것이 유리하며, 본 발명의 경우 표준 퀄리티를 갖는 물-요소의 공융용액과 함께 양호한 결과를 얻었다. 여기서 표준 퀄리티의 공융용액으로는 예를들면, 표준 DIN 70070에 따라서, AdBlue

용액(상용 물/요소 용액)의 경우, 요소 함량은 31.8% 내지 33.2%(중량%)(즉, 32.5 ± 0.7 wt%) 범위에 있으며, 따라서 암모니아 가용량은 18.0% 내지 18.8% 범위가 된다.

본 발명은 또한 상표명 Denoxium^TM으로 시판되는 요소/포름산 암모늄 혼합물에도 적용가능하며, 이 혼합물의 조성물 중 하나(Denoxium-30)는 AdBlue

용액과 등가의 암모니아 용량을 함유하고 있다. 후자는 요소와 관련하여, 단지 -30℃ 이하(-11℃ 와 대비되는 바와 같이)에서 결빙된다는 장점이 있지만 포름산의 방출 가능성과 관련하여서는 부식 문제에 있어서는 단점이 된다.

본 발명의 이 변형예는 어느 내연기관에도 적용이 가능하고, 디젤 엔진에 적용하는 것이 유리하며, 특히 대형 화물 차량에 유리하다.

바람직하게는, 본 발명의 금번 변형예에 따른 시스템 역시 일반적으로 배기 가스에 첨가물을 분사할 수 있는 분사기가 설치된다. 이 분사기는 어느 공지된 것을 사용할 수 있으며, 예를들면, '액티브" 분사기로서 즉, 계측 기능을 갖춘 분사기가 사용될 수도 있다.

대체로, 본 발명에 따른 시스템은 분사기에 연결된 컴퓨터를 포함하여, 요구하는 양 만큼의 첨가물이 배기 가스로 분사되는 것을 가능하게 한다[특히, 다음 파라메터의 함수로서: NOx의 방출 레벨, NOx의 변환등급; 온도 및 압력; 엔진 속도 및 부하 등, 그리고 옵션사항으로서 용액의 퀄리티(경시변화의 상태)].

특별한 경우, 펌프에 의해 제공되는 전체 첨가물의 흐름량이 배기 가스로 분사되지 않고, 이와 같이 분사되지 않은 부분은 이후 재순환될 수도 있다. 이러한 공정은 조절 오리피스 또는 조절 밸브 및 체크밸브(non-returen valve) 를 포함하는 귀환 루프(또는 라인, 배관)와 함께 수행되는 것이 유리하다. 실질적으로, 본 발명의 바람직한 변형예 중 하나에 따르면, 펌프는 의도적으로 액체량(압력량)을 과도하게 측량하고, 이 잉여분을 상기 라인(귀환 루프)을 통해 탱크로 복귀시킨다. 엔진의 배기 가스로 요소가 분사될 때, 본 실시예의 시스템은 분사기를 냉각시킬 수 있다. 본 실시예(즉 변형예)에 있어서는, 체크 밸브를 사용하여 액체가 퍼지(purge) 중에 서클에서(즉, 공급라인과 탱크로 귀환하기 위한 라인에 의해 형성되는 루프에서) 방황하는 것을 방지하고, 조절 오리피스(제한장치)를 사용하여 유량을 설정하고, 압력을 증대시키기 위해 (귀환 라인에서 압력 하강을 증대시키는 것에 의해) 저항을 부가한다.

이러한 동작원리가 특히 본 출원인의 명의로 출원된 국제공개 WO2008/155303호에 특히 설명되어 있으며(본 출원에 참조로 포함함), 그 원리가 본 발명의 기술적 사항의 범위 내에서 적용될 수 있다. 단, 이 경우 압력의 측정을 전류의 측정과 교체시킨다. 따라서, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 또한 상기 설명한 시스템의 펌프의 시동을 위한 공정 방법에 관한 것으로서, 상기 공정방법은:

1. 탱크에 유지되는 액체의 온도(T1)를 결정하고, 설정점 온도(T0)와 비교하는 단계와;

2. 온도(T1)가 설정점 온도(T0) 보다 크면, 펌프를 구동시키는 단계와;

3. 온도(T1)가 설정점 온도(T0) 보다 작으면, 탱크과 펌프를 시간 t1 동안 가열시키는 단계와;

4. 펌프를 시간t2 동안 구동시키고, 그 동안, 펌프출구 압력을 전류 측정을 통해 추산한다. 이 단계에 앞서, 먼저 시스템의 퍼지(purge) 과정 중에 라인을 채우는 것에 의해 가두어둔 공기를 배출시키는 단계와;

5. 이와 같이 추산된 압력이 일정하면 수용가능한 마진 내에서 펌프의 동작을 유지시키는 단계와;

6. 압력이 일정하지 않고/또는 않거나 설정점 압력의 수용가능한 마진 내에 있지 않으면, 펌프를 정지시키고, 탱크를 시간 t3 동안 가열시키며, 시간 t3의 종료점에서 단계4 내지 6을 반복하는 단계를; 포함한다.

다시 말하면, 본 발명의 금번 변형예에서는, 상기 설명한 바와 같이 전류라는 관점에서 펌프를 레귤레이션 하기 전에 상기한 바와 같이 시동과정의 제어공정과 펌프 동작의 제어공정 모두에서 압력 측정이 아닌 전류 측정을 이용하는 기술사상을 가지고 시작하며, 이 이유에 대해서는 앞에 자세히 설명한 바와 같다.

Claims (15)

1. 모터로 구동되는 모터 종동 펌프를 포함하는 SCR 시스템에서, 상기 펌프를 레귤레이션하는 펌프 레귤레이션 방법으로서, 상기 펌프는 압력을 전달하는 한편, 상기 압력과 관련된 액압 토크를 받는 한편 저항 토크를 받고 또한 전기 모터에 의해 구동되며, 상기 전기 모터는 전류가 공급되는 코일을 포함하여, 상기 전류와 관련된 토크를 생성하며, 상기 토크에 따라서 상기 펌프를 레귤레이션하기 위해, 상기 모터의 코일에서의 전류를 측정하기 위한 전류측정수단, 상기 모터에 의해 소비되는 전체 전류의 레귤레이터, 및 무부하 조건에서 여러 다른 속도로 상기 펌프를 회전시키고 관련 전류를 측정하여 얻어진 건조 마찰에 기인하는 상기 저항 토크의 일부의 추산을 이용하여 상기 전류와 상기 압력 간의 관계식 모델을 이용하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 저항 토크의 일부의 추산은 상기 펌프의 흐름을 역류시켜 실현되는 SCR 시스템의 퍼지(purge) 중에 또는 퍼지 직후 또는 상기 SCR 시스템의 시동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 퍼지는 상기 펌프의 회전 방향을 역전시켜서 수행되는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 모터는 DC 모터이며, 상기 모터에 따라서, 상기 펌프 압력을 레귤레이션하기 위해, 상기 모터의 코일에 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서와 전체전류를 레귤레이션하는 전체전류 레귤레이터를 사용하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   컴퓨터와 모터 회전 속도 제어기를 더 이용하는 상기 방법으로서:
   - 상기 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;
   - 상기 전체전류 레귤레이터가 루프에서 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, 그 비교결과에 따라서 모터 회전 속도 제어기를 위한 에러 신호를 발생시켜, 상기 제어기가 상기 전류 설정점 값과 상기 측정된 전류의 실질값 사이의 에러를 최소화하기 위해 모터의 회전 속도를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 에러 신호는 모터의 회전속도의 새로운 설정점으로 구성되고, 상기 속도 제어기는 속도 레귤레이터를 포함하며, 상기 속도 레귤레이터는 상기 새로운 설정점 값을 속도 센서에 의해 판독된 속도의 실질값과 비교하거나, 모터의 역-기전력으로부터 산출된 값과 비교하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 전체전류 레귤레이터 및 상기 속도 레귤레이터는 PID 타입인 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
8. 제4항에 있어서,
   컴퓨터와, 코일에 흐르는 전류를 위한 전체전류 레귤레이터를 사용하는 상기 방법으로서:
   - 상기 컴퓨터가 압력 설정점에 기초하여 전류 설정점을 산출하는 단계와;
   - 상기 전체전류 레귤레이터가 루프에서 상기 전류 센서에 의해 측정된 전류의 실질 값을 그 설정점 값과 비교하고, 상기 DC 모터의 코일에 인가된 전압을 위해 명령신호를 발생시키며, 그 결과 전류 설정점 값과 측정된 전류의 실질 값 사이의 에러를 최소화하기 위해, 제어기가 모터의 코일에서의 전압을 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 펌프는 기어 펌프인 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
   
10. 제5항에 있어서,
    상기 압력 설정점은 ECM에 의해 컴퓨터에 전달되며, 상기 ECM은 펌프 동작 조건과 관련된 정보가 포함된 PWM 제어신호를 상기 컴퓨터에 보내는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
    
11. 제5항에 있어서,
    상기 전체전류 레귤레이터는 상기 속도 제어기로 보내지도록 모터의 회전속도의 새로운 설정점을 직접 산출하는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
    
12. 제5항에 있어서,
    상기 전체전류 레귤레이터는 상기 속도의 변경을 산출하여 저장된 선행 속도값에 가산하고, 그 결과를 상기 속도 제어기로 보내는 것을 특징으로 하는 펌프 레귤레이션 방법.
    
13. 내연기관의 배기 가스를 위해 액체 첨가물을 공급하기 위한 액체 첨가물 공급 시스템으로서:
    -제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 레귤레이션될 수 있고, 탱크로부터 배기 가스로 상기 첨가물을 공급 가능하게 하는 펌프와;
    -상기 펌프를 구동가능하게 하며, 코일을 포함하는 브러쉬 DC 모터 또는 BLDC 모터와;
    -상기 모터의 코일에서 흐르는 전체 공급 전류를 결정하기 위한 센서와;
    -상기 전체전류 레귤레이터와;
    -모터 회전 속도 제어기와;
    -압력 설정점을 기초로 전류 설정점을 산출하는 컴퓨터를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 액체 첨가물 공급 시스템.
    
14. 제13항에 따른 시스템을 제어하는, 시스템 제어 방법으로서, 상기 시스템 제어 방법은 다음 단계에 따른 펌프의 시동 제어를 포함하며, 상기 다음 단계는:
    1. 탱크에 유지되는 액체의 온도(T1)를 결정하고, 설정점 온도(T0)와 비교하는 단계와;
    2. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 크면, 펌프를 구동시키는 단계와;
    3. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 작거나 같으면, 탱크과 펌프를 시간 t1 동안 가열시키는 단계와;
    4. 펌프를 시간t2 동안 구동시키고, 그 동안, 펌프출구 압력을 전류 측정을 통해 추산하는 단계와;
    5. 상기 추산된 압력이 일정하고 수용가능한 마진 내이면, 펌프의 동작을 유지시키는 단계와;
    6. 압력이 일정하지 않거나 설정점 압력의 수용가능한 마진 내에 있지 않으면, 펌프를 정지시키고, 탱크를 시간 t3 동안 가열시키며, 시간 t3의 종료점에서 단계4 내지 6을 반복하는 단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 시스템 제어방법.
    
15. 제13항에 따른 시스템을 제어하는, 시스템 제어 방법으로서, 상기 시스템 제어 방법은 다음 단계에 따른 펌프의 시동 제어를 포함하며, 상기 다음 단계는:
    1. 탱크에 유지되는 액체의 온도(T1)를 결정하고, 설정점 온도(T0)와 비교하는 단계와;
    2. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 크면, 펌프를 구동시키는 단계와;
    3. 상기 온도(T1)가 상기 설정점 온도(T0) 보다 작거나 같으면, 탱크과 펌프를 시간 t1 동안 가열시키는 단계와;
    4. 펌프를 시간t2 동안 구동시키고, 그 동안, 펌프출구 압력을 전류 측정을 통해 추산하는 단계와;
    5. 상기 추산된 압력이 일정하고 수용가능한 마진 내이면, 펌프의 동작을 유지시키는 단계와;
    6. 압력이 일정하지 않고 설정점 압력의 수용가능한 마진 내에 있지 않으면, 펌프를 정지시키고, 탱크를 시간 t3 동안 가열시키며, 시간 t3의 종료점에서 단계4 내지 6을 반복하는 단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 시스템 제어방법.
    

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