KR101882664B1 - 압력 제어를 갖는 디젤 배기 유체 전달 시스템 - Google Patents

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Abstract

시스템을 통해 통과하는 유체의 전달 압력과 질량 흐름률을 조정하기 위한 디젤 배기 유체 전달 시스템 및 듀얼-가변 제어 전략이 제공된다. 시스템을 작동하기 위한 방법은 다음 두 가지 작동 모드들을 이용한다: 낮은 흐름률 및 높은 흐름률. 낮은 흐름률 작동 모드에서 작동하는 동안, DEF 펌프의 속도는 일정하게 유지되고, 배기 시스템으로의 DEF 전달은 역류 밸브를 제어함으로써 조정된다. 높은 흐름률 작동 모드에서 작동하는 동안, 역류 밸브는 폐쇄되고 펌프의 속도는 배기 시스템으로의 DEF 전달을 조절하도록 조정된다.

Description

압력 제어를 갖는 디젤 배기 유체 전달 시스템{DIESEL EXHAUST FLUID DELIVERY SYSTEM WITH PRESSURE CONTROL}
본 출원은 2014년 8월 15일에 출원된 미국 가 특허 출원 제 62/037,691 호의 이익을 주장하며, 상기 가 특허 출원의 전체 내용들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
디젤 배기 유체(DEF: Diesel exhaust fluid)는 디젤 엔진들로부터의 디젤 배기 배출들에서 NOX 농도를 낮추기 위해 사용되는 수성 요소 용액이다. 본 발명은 시스템 내의 유체 압력을 제어하기 위한 DEF 전달 시스템들 및 메커니즘들에 관한 것이다.
동작을 위한 반환 질량 흐름(a return mass flow)을 요구하는 DEF 전달 시스템들의 전달 능력을 증가시키기 위해, 질량 흐름 평형(mass flow balance)에 영향을 주고, 그에 의해 시스템의 총 전달을 증가시키도록 추가 밸브가 도입된다. 그러나, 압력이 정확한 투여량(dosage)을 제공하기 위해 사용될 수 있는 변수이기 때문에, 새로운 성분(즉, 역류 밸브(BFV))의 추가는 시스템에 대한 제어 메커니즘의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
BFV의 추가로, 시스템은 DEF 전달 시스템을 SISO(단일 입력, 단일 출력) 제어 시스템으로부터 MISO(다중 입력, 단일 출력) 제어 시스템으로 변환하는 새로운 제어 변수를 추가한다. 아래 기술된 시스템들 및 방법들은 양쪽 제어 변수들을 분리하고 각각의 제어 변수의 작동을 다른 것과 독립적으로 함으로써 BFV를 갖는 DEF 전달 시스템의 다중-가변 제어 문제를 해결한다. 추가로, 변수들의 동시 제어가 회피됨에 따라 고장 검출에서의 시스템 견고성이 증가되어 시스템 고장에 대한 가능한 이유들을 결정하는 것을 더 쉽게 한다.
일부 실시예들에서, 시스템은 요청된 투여 질량 흐름(dosing mass flow)(즉, 배기 시스템으로 전달될 DEF의 양)에 기초하여, 두 개의 상이한 제어 창들을 한정함으로써 제어 변수들을 분리한다. 한정된 임계값 이하의 질량 흐름률에서, 공급 펌프가 일정한 전달 속도로 작동하는 동안 BFV의 작동을 제어하는 비례-적분-미분(PID) 제어기에 의해 압력이 제어된다. 한정된 임계값을 초과하는 질량 흐름률에서, BFV가 완전히 폐쇄되는 동안 공급 펌프의 작동을 변화시킴으로써 압력은 PID로 제어된다. 이러한 일부 실시예들에서, 임계값은 펌프 속도를 조정하지 않고 원하는 질량 흐름률을 제공하기 위해 BFV가 완전히 폐쇄되도록 요구할 질량 흐름률로 한정된다.
질량 흐름에 의존하여 두 개의 상이한 제어 구조들로 작동함으로써, 두 개의 제어 메커니즘들이 서로에 대해 동시에 작동하지 않기 때문에 PID 제어기들의 파라미터들의 결정이 단순화된다. 이러한 제어 전략은 두 제어 변수들의 병렬 작동이 원하지 않는 압력 작용의 이유를 가리키는 핀의 복잡성을 증가시킬 것이므로 진단 전략을 단순하게 유지한다. 더 낮은 질량 흐름률에서 불안정한 압력(너무 높거나 너무 낮은)은 부적절한 BFV 성능의 지표다. 더 높은 질량 흐름률에서 불안정한 압력(즉, 낮은 압력)은 부적절한 펌프 성능의 지표이다.
일 실시예에서, 본 발명은 DEF 저장 탱크, 펌프, 역류 밸브, 적어도 하나의 투여 모듈, 및 제어기를 포함하는 디젤 배기 유체 전달 시스템을 제공한다. 제어기는 원하는 질량 전달 흐름률이 임계값 이하일 때 낮은 질량 흐름 전략을 사용하고, 원하는 질량 전달 흐름률이 임계값 이상일 때 높은 질량 흐름 전략을 사용하여 저장 탱크에서 투여 모듈로의 DEF의 흐름을 조절하도록 구성된다. 낮은 질량 흐름 전략 하에서, 제어기는 원하는 질량 전달 흐름률에 관계없이 일정한 설정으로 펌프를 작동시키고, 역류 밸브를 제어가능하게 개폐하여 펌프에 의해 저장 탱크로부터 펌핑되는 디젤 배기 유체의 일부가 저장 탱크 내로 역류하도록 허용한다 - 이에 의해 전달 압력을 감소시키고 원하는 질량 전달 흐름률을 달성한다. 높은 질량 흐름 전략 하에서, 제어기는 역류 밸브를 완전히 폐쇄하고 원하는 질량 전달 흐름률을 달성하기 위해 펌프의 설정을 조정한다. 일부 실시예들에서, 제어기에 의해 조정된 펌프 설정은 펌프 속도 또는 펌프 듀티 사이클(pump duty cycle)이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 목표 질량 전달 흐름률에서 투여 모듈을 통해 저장 탱크로부터 디젤 배기 유체를 제공하는 방법을 제공한다. 목표 질량 전달 흐름률이 임계값 이하일 때, 펌프를 일정한 작동 설정으로 작동시키고, 펌프에 의해 저장 탱크로부터 펌핑되는 디젤 배기 유체의 일부가 저장 탱크 내로 역류하도록 허용하도록 역류 밸브를 제어함으로써, 질량 전달 흐름률은 목표 질량 전달 흐름률로 조정된다 - 이에 의해 전달 압력을 감소시키고 원하는 질량 전달 흐름률을 달성한다. 목표 질량 전달 흐름률이 임계값 이상일 때, 역류 밸브는 완전히 폐쇄되고 펌프의 작동 설정은 목표 질량 전달 흐름률을 달성하도록 조정된다.
일부 실시예들에서, 낮은 흐름률 제어 전략과 높은 흐름률 제어 전략 사이의 임계 값은 역류 밸브가 완전히 폐쇄되어야하고, 펌프가 목표 질량 전달 흐름률을 달성하기 위해 일정한 작동 설정에서 작동되어야 하는 질량 전달 흐름률로 한정된다.
본 발명의 다른 실시예는 디젤 배기 유체 전달 시스템을 제공한다. 시스템은 디젤 배기 유체를 배기 시스템에 전달하도록 위치 지정 될 수 있는(positionable) 하나 이상의 투여 모듈들; 시스템에 의해 사용된 디젤 배기 유체를 저장하는 유체 저장 탱크; 유체 저장 탱크 및 투여 모듈들에 결합되고, 저장 탱크로부터 투여 모듈들로 디젤 배기 유체를 펌핑하는 펌프; 및 저장 탱크에 결합되고 역류 라인을 통해 저장 탱크로 역류하도록 허용되는 펌핑된 디젤 배기 유체의 양을 제어하는 역류 밸브를 포함한다. 시스템은 또한 원하는 질량 흐름 전달 속도를 결정하고, 배기 시스템으로의 유체의 전달을 조절하도록 구성된 제어기를 포함한다. 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하일 때, 제어기는 역류 밸브를 통해 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 변화시킴으로써 디젤 배기 유체의 전달을 조절한다. 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상일 때, 제어기는 펌프의 속도를 조정함으로써 디젤 배기 유체의 전달을 조절한다.
일부 실시예들에서, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하일 때, 시스템의 제어기는 일정하게 한정된 속도로 펌프를 작동시키도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상일 때, 시스템의 제어기는 역류 밸브를 완전히 폐쇄하여, 펌핑된 디젤 배기 유체가 저장 탱크로 역류하는 것을 방지하도록 구성된다.
본 발명의 일부 실시예들은 투여 모듈들에 펌핑된 디젤 배기 유체의 압력을 감지하도록 구성된 압력 센서를 포함한다. 제어기는 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하기 위해 감지된 압력을 이용하고, 제어기는 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도에 도달하는 것을 야기하도록 유체의 배기 시스템으로의 전달을 조정한다.
시스템의 일부 실시예들에서, 제어기는 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하고, 실제 질량 흐름 전달 속도를 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교한다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 제어기는 역류 밸브의 위치를 조정하여 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 증가시킨다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 제어기는 역류 밸브의 위치를 조정하여 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 감소시킨다.
시스템의 일부 실시예들에서, 제어기는 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하고, 실제 질량 흐름 전달 속도를 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교한다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상인 경우, 제어기는 펌프의 속도를 감소시킨다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상인 경우, 제어기는 펌프의 속도를 증가시킨다.
본 발명의 다른 실시예는 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법을 제공한다. 방법은 하나 이상의 투여 모듈들을 통해 배기 시스템으로의 디젤 배기 유체의 전달을 위해 원하는 질량 흐름률을 결정하는 단계를 포함한다. 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 배기 시스템으로의 유체의 전달은 역류 밸브를 통해 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 변화시킴으로써 조절된다. 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상인 경우, 배기 시스템으로의 유체의 전달은 유체 저장 탱크로부터 투여 모듈들로 유체를 펌핑하도록 구성된 펌프의 속도를 조정함으로써 조절된다.
일부 실시예들에서, 방법은 또한, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 일정하게 한정된 속도로 펌프를 작동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에서, 방법은 또한 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상인 경우, 펌핑된 디젤 배기 유체가 저장 탱크로 역류하는 것을 방지하도록 역류 밸브를 완전히 폐쇄하는 단계를 포함한다.
방법의 다른 실시예들에서, 방법은 투여 모듈들로 펌핑되는 디젤 배기 유체의 압력을 수신하는 단계 및 압력을 기초로 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계를 포함한다. 이후, 배기 시스템으로의 유체의 전달은 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도에 도달하는 것을 야기하도록 조정된다.
방법의 일부 실시예들에서, 방법은 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계 및 실제 질량 흐름 전달 속도를 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교하는 단계를 포함한다. 이러한 실시예들에서, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 실제 질량 흐름 전달 속도는 역류 밸브의 위치를 조정함으로써 조절된다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 흐름 전달 속도보다 큰 경우, 이후 역류 밸브의 위치는 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 증가시키도록 조정된다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작은 경우, 이후 역류 밸브의 위치는 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 감소시키도록 조정된다.
방법의 다른 실시예들에서, 방법은 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계 및 실제 질량 흐름 전달 속도와 원하는 질량 흐름 전달 속도를 비교하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예들에서, 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이상인 경우, 실제 질량 흐름 전달 속도는 펌프의 속도를 조정함으로써 제어된다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 큰 경우, 이후 펌프의 속도는 감소된다. 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작은 경우, 이후 펌프의 속도는 증가 된다.
본 발명의 다른 양상들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 디젤 배기 유체 전달 시스템의 개략도.
도 2는 도 1의 시스템에서 역류 밸브 질량 흐름에 영향을 미치는 다양한 전기 변수들의 블록 다이어그램.
도 3은 도 1의 시스템에서 역류 밸브 질량 흐름에 영향을 미치는 다양한 수압 변수들의 블록 다이어그램.
도 4는 20 ℃에서의 BFV 작동 듀티 사이클의 함수로서의 BFV 질량 흐름의 그래프.
도 5는 듀얼-가변 제어 메커니즘에 따른 도 1의 시스템을 제어하는 방법의 플로우 챠트.
도 6은 도 5의 방법에 따라 작동하는 도 1의 시스템에 대한 투여 양의 함수로서 펌프 속도 및 역류 밸브 듀티 사이클의 그래프.
도 7은 -5 ℃에서 작동하는 동안 시간의 함수로서 도 1의 시스템 내의 다양한 압력 값들의 실험 결과들의 그래프.
도 8은 60 ℃에서 작동하는 동안 시간의 함수로서 도 1의 시스템 내의 다양한 압력 값들의 실험 결과들의 그래프.
도 9는 과도 가변 온도들에서 작동하면서 시간의 함수로서 도 1의 시스템 내의 다양한 압력 값들의 실험 결과들의 그래프.
본 발명의 임의의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 그 응용에 있어서 다음의 설명에서 설명되거나 후술되는 도면들에서 도시된 구성 요소들의 구조 및 배열의 세부사항들로 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방법들로 실시되거나 수행될 수 있다.
또한, 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 기반 디바이스들 뿐만 아니라 복수의 상이한 구조적 구성요소들이 본 발명을 구현하는데 사용될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 추가로, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 및 논의의 목적들을 위해 구성요소들의 대부분이 오직 하드웨어로만 구현되는 것처럼 도시되고 설명될 수 있는 전자 구성요소들 또는 모듈들을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 그러나, 당업자는 이 상세한 설명의 해석에 기초하여, 적어도 일 실시예에서, 본 발명의 전자 기반 양상들이 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행가능한 소프트웨어(예를 들어, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 상에 저장된)로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 그와 같이, 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 기반 디바이스들뿐만 아니라 다수의 상이한 구조적 구성 요소들이 본 발명을 구형하기 위해 이용될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 예를 들어, 명세서에 기술된 "제어 유닛들(control units)" 및 "제어기들(controllers)"은 하나 이상의 프로세서들, 비-일시적 컴퓨터-판독가능한 매체를 포함하는 하나 이상의 메모리 모듈들, 하나 이상의 입/출력 인터페이스들, 및 구성요소들에 연결하는 다양한 연결들(예로서, 시스템 버스)을 포함할 수 있다.
도 1은 DEF 전달 시스템(10)의 예시를 도시한다. 시스템은 DEF를 배기 시스템으로 전달하기 위한 하나 이상의 투여 모듈들(11) 및 DEF를 저장 탱크(13)로부터 투여 모듈들(11)로 원하는, 가변 압력 또는 질량 전달 흐름률로 이동시키기 위한 공급 모듈(12)을 포함한다. 공급 모듈(12)은 펌프(14), 복귀 밸브(15), 주 필터(16), 및 제어가능한 역류 밸브(BFV)(17)를 포함한다. 펌프(14)는 흡입 라인(18)을 통해 저장 탱크(13)로부터 DEF를 빨아들이고 압력 라인(19)을 통해 투여 모듈들(11)로 DEF를 제공한다. 역류 밸브(17)는 펌핑된 DEF의 일부가 역류 라인(20)을 통해 저장 탱크(13) 내로 역류하는 것을 제어 가능하게 허용하여, 이에 의해 압력 라인(19)에서의 DEF의 압력을 감소시킨다. 공급 모듈(12)은 또한 펌프(14) 및 BFV(17)에 대한 PID 제어를 실행할 수 있는 압력 센서(21) 및 제어기(22)를 포함한다. 제어기(22) 및 압력 센서(21)는 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 압력 라인(19) 내의 압력을 조절한다. 또한, 역류 밸브(17)로서 비례 밸브를 사용함으로써, 투여 양으로의 연속적인 역류가 전체 흐름률을 넓은 범위에 걸쳐 일정하게 유지하도록 적응시키는 것이 가능하다.
일부 실시예들에서, 제어기(22)는 제어기(22) 내의 구성요소들 및 모듈들에 전력, 작동 제어, 및 보호를 제공하는 복수의 전기 및 전자 구성요소들을 포함한다. 제어기(22)는, 특히, 프로세싱 유닛(예로서, 마이크로 프로세서 또는 다른 적절한 프로그램 가능 디바이스), 메모리, 및 입/출력 인터페이스를 포함한다. 프로세싱 유닛, 메모리, 및 입/출력 인터페이스뿐만 아니라 다른 다양한 모듈들은 하나 이상의 제어 또는 데이터 버스들에 의해 접속된다. 다양한 모듈들 및 구성요소들 간의 상호 접속 및 그들 사이의 통신을 위한 제어 및 데이터 버스들의 사용은 본 명세서에 기술된 본 발명의 견지로 당업자에게 공지될 것이다. 일부 실시예들에서, 제어기(22)는 반도체(예를 들어, 필드-프로그래머블 게이트 어레이["FPGA"] 반도체)칩 상에 부분적으로 또는 전체적으로 구현된다.
메모리는 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역을 포함한다. 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역은 예를 들어, 판독-전용 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM")(예를 들어, 동적 RAM("DRAM"), 동기식 DRAM("SDRAM") 등), 전기적으로 소거가능한 프로그래머블 판독-전용 메모리("EEPROM"), 플래시 메모리, 하드 디스크, SD 카드, 또는 다른 적절한 자기, 광학, 물리적, 또는 전자 메모리 디바이스들 등의 상이한 유형들의 메모리의 조합들을 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛은 메모리에 연결되고, 메모리의 RAM(예를 들어, 실행 동안), 메모리의 ROM(예를 들어, 일반적으로 영구 기반), 또는 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 매체에 저장될 수 있는 소프트웨어 명령들을 실행한다. DEF 전달 시스템(10)에 대한 프로세스들 및 방법들을 위해 포함된 소프트웨어는 제어기(22)의 메모리에 저장될 수 있다. 소프트웨어는 펌웨어, 하나 이상의 애플리케이션들, 프로그램 데이터, 필터들, 규칙들, 하나 이상의 프로그램 모듈들, 및 다른 실행 가능 명령어들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(22)는 DEF 전달 시스템(10)의 압력 제어에 관한 정보를 효과적으로 저장한다. 프로세싱 유닛은 본 명세서에 기술된 제어 프로세스들 및 방법들과 관련된 명령어들을 메모리로부터 검색하고, 특히 실행하도록 구성된다. 다른 구성들에서, 제어기(22)는 추가, 더 적은, 또는 상이한 구성요소들을 포함한다.
이러한 시스템에서, 질량 흐름 펑형은 역류 라인(20)을 통한 질량 흐름률과 압력 라인(19)을 통한 질량 흐름률의 합이 흡입 라인(18)을 통한 질량 흐름률과 동일하도록 정의된다(즉, mbackflow+mpressure=msuction). 이와 같이, 일정한 흡입 질량 흐름률로 작동할 때, 역류 라인(20)을 통한 질량 흐름률은 압력 라인(19)을 통한 질량 흐름률을 증가시키기 위해 감소 되어야 하고, 그 역도 성립해야한다.
역류 밸브(17)를 통한 질량 흐름률에 영향을 줄 수 있는 다수의 전기 및 유압 변수들이 있다. 도 2 및 도 3은 이러한 변수들의 몇 가지 예들을 도시한다. BFV 질량 흐름(30)은 작동 전류(32)(즉, 전기 변수들) 및 밸브 메커닉들(34)(즉, 유압/기계 변수들)에 의해 직접적으로 영향을 받는다.
도 2는 DEF 전달 시스템(10)에서 작동 전류(32)에 영향을 미칠 수 있는 전기 변수들의 일부를 나타낸다. BFV 시스템의 전체 저항(36), 배터리 전압(38), BFV(17)의 작동 듀티 사이클(40)은 모두 작동 전류(32)에 영향을 준다. 파워 스테이지 저항(42), 배선 장치 저항(44), 크림프 저항(46), 및 코일 저항(48)은 모두 전체 저항(36)에 영향을 미친다. 그러나, 이러한 구성요소들의 각각의 저항은 온도(50)에 따라 달라질 수 있다. 특히, 코일 저항(48)은 주변 온도(Tamb)(52), DEF의 온도(TDEF)(54), 시스템 냉각제의 온도(Tcoolant)(56), 및 전력 손실로 인한 온도 증가에 의존한다.
도 3은 상기 기술된 바와 같이 BFV 질량 흐름률에 직접적으로 영향을 미치는 DEF 전달 시스템(10)에서 밸브 메커닉들(34)에 영향을 미칠 수 있는 유압 변수들의 일부를 도시한다. 밸브 메커닉들(34)은 BFV(17)의 생산 허용 오차들(58), 조정 나사 위치(60), 밸브 시트 재료(62), 오리피스 사이즈(64), 밸브 스프링(66), 및 압력 라인(19) 내의 DEF의 압력(68)에 의해 영향받는다. 다시, 작동 전류(32) 및 밸브 메커닉들(34) 둘 모두는 BFV(17)의 질량 흐름률에 영향을 미친다.
이러한 변수들로 인한 실제 작업의 변화가 도 4에 도시된다. 도 4는 다양한 샘플들에 대한 BFV 작동 듀티 사이클의 함수로서 실제 질량 흐름률을 도시한다. DEF 전달 시스템(10)은 각각의 샘플에서 20 ℃의 주변 온도 및 28.5V에서 작동한다. 그러나, 샘플들 전역에서의 측정된 질량 흐름률에서의 입증된 변화가 존재한다.
도 5는 듀얼-가변 제어 메커니즘을 사용하는 도 1의 DEF 전달 시스템을 작동시키는 방법을 도시한다. 이 방법은 BFV 질량 흐름률 변동의 문제들을 해결하고 투여 모듈들(11)을 통해 예측 가능하고 신뢰성있는 질량 흐름 전달을 제공한다. 이 방법은 두 가지 작동 모드들을 제공한다: 낮은 흐름률 및 높은 흐름률. 낮은 흐름률 작동 모드에서 작동하는 동안, 펌프(14)의 속도/듀티 사이클은 일정하게 유지되고, 압력 라인(19) 내의 DEF의 압력은 BFV(17)를 통해 저장 탱크(13)로 복귀하는 질량 흐름을 제어함으로써 조정된다. 높은 흐름률 작동 모드에서 작동하는 동안, BFV(17)는 완전히 폐쇄되고, 펌프(14)의 속도는 압력 라인(19) 내의 DEF의 압력을 조절하도록 펌프(14)의 속도가 조정/제어된다.
단계 S1에서, 제어기(22)는 원하는 질량 흐름률을 결정한다. 단계 S2에서, 원하는 질량 흐름률이 임계값과 비교된다. 원하는 질량 흐름률이 임계값보다 작은 경우, 이후 시스템은 낮은 흐름률 작동 모드에서 작동된다. 단계 S3에서, 펌프(14)는 일정 듀티 사이클 또는 속도(또는 다른 작동 파라미터)로 설정된다. 단계 S4에서, 실제 질량 흐름률은 원하는 질량 흐름률과 비교된다. 실제 질량 흐름률이 원하는 질량 흐름률보다 큰 경우, 단계(S5)에서 BFV(17)는 BFV(17) 및 역류 라인(20)을 통해 저장 탱크(13)로의 DEF의 더 큰 질량 흐름을 허용하도록 조정된다. DEF의 역류의 이러한 증가는 압력 라인(19)에서의 DEF의 압력을 감소시키고, 이에 의해 실제 질량 흐름률을 감소시킨다. 그러나, 실제 질량 흐름률이 원하는 질량 흐름률보다 작은 경우, 단계 S6에서, BFV(17)가 조정되어 BFV(17) 및 역류 라인(20)을 통해 저장 탱크(13)로 흐르도록 허용되는 DEF의 양을 감소시킨다. DEF의 역류의 이러한 감소는 압력 라인(19)에서의 DEF의 압력을 증가시키고, 이에 의해 실제 질량 흐름률을 증가시킨다. 따라서, 방법은 낮은 흐름률 작동 모드에서 작동하는 동안, 펌프(14)의 속도/듀티 사이클을 일정하게 유지하고, 압력 라인(19)에서의 DEF의 압력이 BFV(17)를 통해 질량 흐름을 제어함으로써 조정된는 단계를 제공한다.
그러나, 단계 S2에서, 원하는 질량 흐름률이 임계값보다 크다면, 시스템은 높은 흐름률 작동 모드에서 작동된다. 단계 S7에서, BFV(17)는 완전히 폐쇄된다. 단계 S8에서, 실제 질량 흐름률은 원하는 질량 흐름률과 비교된다. 실제 질량 흐름률이 원하는 질량 흐름률보다 작은 경우, 펌프(14)의 속도는 단계 S10에서 증가되어 압력 라인(19) 내의 DEF의 압력을 증가시키고, 이에 의해 실제 질량 흐름률을 증가시킨다. 실제 질량 흐름률이 원하는 질량 흐름률보다 큰 경우, 펌프(14)의 속도는 단계(S9)에서 감소되어, 압력 라인(19) 내의 DEF의 압력을 감소시키고, 그에 따라 실제 질량 흐름률을 감소시킨다.
도 6은 도 5의 방법에 따른 투여 양(원하는 질량 흐름률)의 함수로서 펌프 속도(70) 및 BFV 듀티 사이클(72)을 도시한다. 펌프 속도(70)는 최대 펌프 속도의 백분율로 도시된다. BFV 듀티 사이클(72)은 완전 개방 밸브에 상응하는 100%, 및 완전 폐쇄 밸브에 상응하는 0%의 "개방도(openness)"에 대한 백분율로서 밸브의 위치를 나타낸다. 투여 양이 임계값(74) 이하이고, 시스템(10)이 낮은 흐름률 작동 모드(BFV 제어 모드)로 작동할 때, 펌프 속도(70)는 일정하게 유지되는 반면, BFV 듀티 사이클(72)은 원하는 질량 흐름률이 증가함에 따라 감소한다. 투여 양이 임계값(74) 이상이고, 시스템(10)이 높은 흐름률 작동 모드(펌프 제어 모드)로 작동할 때, BFV 밸브는 완전히 폐쇄되어, BFV 흐름률(72)을 0으로 감소시키고, 펌프 속도(70)는 원하는 질량 흐름률이 증가함에 따라 증가된다.
임계값은 운영 환경 설정들(operational preferences) 및 시스템 디자인을 기반으로 한정될 수 있다. 임계값은 상수 값으로 한정될 수 있다 - 예로서, 도 6에서 임계값은 12 kg/h로 설정된다. 대안으로, 시스템 (10)은 작동 조건들(예를 들어, 온도)에 기초하여 조정되는 가변 임계값을 구현할 수 있다. 일부 시스템들에서, 임계값은 BFV가 완전 폐쇄 위치에 놓이고 펌프가 "낮은 흐름률" 작동 모드의 일정 속도로 작동되는 경우 일반적으로 달성될 질량 흐름률에 기초하여 한정될 수 있다.
시스템(10)은 또한 부동 임계값을 구현할 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)은 원하는 질량 흐름률이 제어 메커니즘이 BFV를 조정함으로써(즉, BFV는 이미 완전히 폐쇄됨) 더 이상 질량 흐름률을 올릴 수 없는 수준에 이르는 경우, "낮은 흐름률" 작동 모드에서 "높은 흐름률" 작동 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 시스템(10)은 높은 흐름률 제어 메커니즘이 펌프가 한정된 속도 임계값 이하로 작동될 것을 지시할 때 "높은 흐름률" 작동 모드에서 "낮은 흐름률" 작동 모드로 전환하도록 구성될 수 있다.
하나의 작동 모드에서 다른 작동 모드로의 전이 지점에서, 펌프(14) 및 BFV(17)에 대한 PID 제어들의 적분기 부분들은 모드들 사이의 전이가 원활하게 진행되고 시스템(10)의 압력에 크게 영향을 미치지 않도록 리셋된다. 리셋 값들은 제어되는 작동기의 감도에 좌우된다(이 경우, 감도는 주어진 입력에 대한 출력 변화율의 측정값이다: 작동 듀티 사이클에서의 주어진 변화에 대한 질량 흐름의 변화가 높을수록, 감도도 높다). 시스템(10) 내의 펌프(14)는 매우 민감하지 않으므로, 펌프(14)를 제어하는 PID에 대한 리셋 값은 실제 투여 요구에 기초한 공칭 부품의 예상 펌프 듀티 사이클로 리셋 될 수 있다. 그러나, BFV(17)에 대한 고정된 리셋 값은 도 2에 도시된 바와 같은 경계 조건들에 기초하여 BFV가 취할 수 있는 듀티 사이클의 넓은 범위로 인해 결정될 수 없다. 또한, BFV(17)는 시스템(10)에서 가장 빠른 작동기이며, 높은 감도를 가진다. 따라서, 제어기(22)는 BFV (17)에 대한 리셋 값을 정확하게 결정해야한다. 제어기(22)는 BFV(17)의 작동의 특정 부분들 동안 그것을 학습함으로써 값을 결정한다. 값은 값을 알기에 충분한 시간의 기간 동안 다음 조건들이 존재할 때 알게 된다: 투여 요구가 0 또는 그 근처이고, 시스템은 질량 흐름을 측정하기 위해 작동하고, 압력은 8900 및 9100mbar의 범위 내이다. PID 제어기에 대한 리셋 값은 조건들이 충족될 때마다 업데이트 된다. 상이한 질량 흐름 투여 요구들에 대한 BFV(17) 듀티 사이클들은 알게된 듀티 사이클 리셋 값을 사용하여 결정될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 폐 루프 시스템은 제어 시스템의 온도 의존성을 감소시키거나 제거한다. 더욱이, BFV 생산 오차 허용도가 보상된다. 도 7, 8, 및 9는 도 5 및 도 6의 제어 메커니즘을 사용하여 도 1의 시스템으로부터의 다양한 실험 데이터를 도시한다. 각 도면의 상단 그래프는 압력 라인(19)의 압력과 투여 요구(원하는 질량 흐름률)를 시간의 함수로 도시한다. 각 도면의 가운데 그래프는 펌프의 인발 압력(hPa)과 BFV(17)(BFV DC)의 흐름률(kg/h)을 시간의 함수들로 설명된 것으로 펌프(14)(펌프 DC)의 속도를 도시한다. 각 도면의 아래쪽 그래프는 저장 탱크(13) 내의 DEF의 온도 및 시스템 작동 동안 주위 온도를 시간의 함수로서 도시한다. 도 7에서, 시스템은 -5 ℃에서 작동된다. 도 8에서, 시스템은 약 60 ℃의 주위 온도에서 작동된다. 도 9에서, 주위 온도는 50 ℃ 내지 0 ℃ 사이에서 변화된다.
따라서, 본 발명은, 무엇보다도, 시스템을 통해 통과하는 유체의 전달 압력과 질량 흐름률을 조정하기 위한 디젤 배기 유체 전달 시스템 및 듀얼-가변 제어 전략을 제공한다. 본 발명의 다양한 특징들 및 장점들이 첨부 도면들에 개시된다.

Claims (12)

  1. 디젤 배기 유체 전달 시스템에 있어서:
    유체를 배기 시스템에 전달하도록 위치 지정될 수 있는(positionable) 하나 이상의 투여 모듈들;
    유체 저장 탱크;
    상기 저장 탱크로부터 상기 하나 이상의 투여 모듈들로 상기 유체를 펌핑하기 위해 상기 유체 저장 탱크와 상기 하나 이상의 투여 모듈들에 결합된 펌프;
    상기 펌핑된 유체의 양을 역류 라인을 통해 상기 저장 탱크로 역류하도록 조절가능하게 허용하기 위해 상기 저장 탱크에 결합된 역류 밸브;
    제어기로서;
    원하는 질량 흐름 전달 속도를 결정하고,
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하일 때, 상기 역류 밸브를 통해 상기 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 상기 유체의 양을 변화시킴으로써 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조절하고,
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상일 때, 상기 펌프의 속도를 조정함으로써 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조절하도록 구성된, 상기 제어기를 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하일 때 일정한 한정된 속도로 상기 펌프를 작동시키도록 구성된, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상일 때 상기 역류 밸브를 완전히 폐쇄하여 펌핑된 유체가 상기 저장 탱크로 역류하는 것을 방지하도록 구성된, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 투여 모듈들에 펌핑된 상기 유체의 압력을 감지하도록 구성된 압력 센서를 추가로 포함하고, 상기 제어기는 또한,
    상기 압력 센서로부터의 신호를 기반으로 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도에 도달하도록 야기하기 위해 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조정함으로써,
    상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조절하도록 구성된, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한:
    실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도를 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하인 경우, 상기 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 상기 유체의 양을 증가시키도록 상기 역류 밸브의 위치를 조정하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하인 경우, 상기 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 상기 유체의 양을 감소시키도록 상기 역류 밸브의 위치를 조정하도록 구성된, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 또한:
    실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도를 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교하고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 펌프의 속도를 감소시키고,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 펌프의 속도를 증가시키도록 구성된, 디젤 배기 유체 전달 시스템.
  7. 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법에 있어서:
    하나 이상의 투여 모듈들을 통해 배기 시스템으로의 유체의 전달을 위해 원하는 질량 흐름률을 결정하고,
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 임계값 이하인 경우, 역류 밸브를 통해 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 변화시킴으로써 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조절하고,
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 유체 저장 탱크로부터 상기 하나 이상의 투여 모듈들로 상기 유체를 펌핑하도록 구성된 펌프의 속도를 조정함으로써 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 전달을 조절하기 위해 제어기를 사용하는 단계를 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서:
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하인 경우, 일정한 한정된 속도로 상기 펌프를 작동시키는 단계를 더 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서:
    상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 역류 밸브를 완전히 폐쇄하여 펌핑된 유체가 상기 저장 탱크로 역류하는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서:
    상기 하나 이상의 투여 모듈들로 펌핑되는 상기 유체의 압력을 수신하는 단계,
    상기 압력을 기초로 실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계, 및
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도에 도달하도록 하기 위해 상기 배기 시스템으로의 상기 유체의 상기 전달을 조정하는 단계를 더 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서:
    실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도를 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교하는 단계,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하인 경우, 상기 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 증가시키도록 상기 역류 밸브의 위치를 조정하는 단계, 및
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이하인 경우, 상기 유체 저장 탱크로 역류하도록 허용된 유체의 양을 감소시키도록 상기 역류 밸브의 상기 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서:
    실제 질량 흐름 전달 속도를 결정하는 단계,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도를 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도와 비교하는 단계,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 크고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 펌프의 상기 속도를 감소시키는 단계,
    상기 실제 질량 흐름 전달 속도가 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도보다 작고, 상기 원하는 질량 흐름 전달 속도가 상기 임계값 이상인 경우, 상기 펌프의 상기 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 디젤 배기 유체 전달 시스템을 작동하는 방법.
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