KR101908096B1 - 용기 내에 함유된 환원제, 좋기로는 nh3의 양을 측정하기 위한 장치 - Google Patents

용기 내에 함유된 환원제, 좋기로는 nh3의 양을 측정하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원제가 저장되어 있는 저장재 (11; 111; 211)를 포함하는 용기 (10; 110; 210) 내에 함유된 환원제, 좋기로는 NH3의 양을 측정하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 저장재 (11; 111; 211)의 부피는 저장재가 함유하는 환원제의 양에 따라 변화한다. 상기 측정 장치는, 용기 (10; 110; 210)와 연결되는 부재 (13, 14, 14'; 113, 114; 213, 214)를 포함하는 것이며, 상기 부재는, 저장재의 부피에 따라 저장재 (11; 111; 211) 내에 저장된 환원제의 양을 측정하기에 적합하다.

Description

용기 내에 함유된 환원제, 좋기로는 NH3의 양을 측정하기 위한 장치 {DEVICE FOR MEASURING A QUANTITY OF A REDUCING AGENT, PREFERABLY NH3, CONTAINED IN A VESSEL}
본 발명은 용기 내에 함유된 환원제의 레벨을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 자동차의 배기 가스에 환원제가 분사되는 것을 제어하기 위한 방법에 관한 것이기도 하다.
운송 관련 오염물질은, 거의 30여년간 산업의 신속한 발전을 위해 최전선에서 배출되어 왔다. 4 가지 규제대상 오염물질 (CO, HC, NOx, 분진)에 대한 배출 제한이 점점 더 엄격해짐에 따라, 특히 대도시에서의 대기 오염도는 크게 개선되었다.
차량 이용의 꾸준한 증가로 이러한 오염물질 배출을 저감시키기 위해 지속적인 노력을 필요로 한다. 2015년으로 예상되는 유로 6 표준이 발효될 경우, 더욱 강화된 유럽의 규제 조건에 맞게 질소산화물 (NOx)을 저감시키는 것은 여전히 복잡한 문제로 남아있다. 모든 운행 여건하에서 매우 효율적인 오염제거 기술을 개발하는 것은, 여전히 운송 산업의 주요한 도전과제로 남아있다.
두 번째로, CO2 배출과 직접 연결되는 연료 소비량이 주요 관심사가 되고 있다. 예를 들면, 2012년에는 승용차의 CO2 배출에 관하여 유럽 기준으로 규제가 도입될 것이다. 또한, 다가오는 수 십년 동안 이 제한은 정기적으로 더 낮춰질 것으로 예상된다. 따라서, CO2의 저감이 전체 운송 산업에 있어 명백하게 필요해지고 있다.
국소 오염물질을 저감 (NOx)하고, 연료 소모량을 저감 (CO2)한다는 이 두 가지 문제는, 처리가 어려운 NOx의 배출을 수반하는, 연료 소모가 적은 연소 (lean-burn combustion)가 수행되는 디젤 엔진의 경우, 특히 풀기 어려운 과제이다.
EP 1977817에 기재된 바와 같이, 용기 내부에 배치되는 염화 알칼리토염 타입의 저장재에 저장된 암모니아를 경유하는 촉매로, 선택적 환원 촉매법 (selective catalytic reduction; SCR)에 의해 NOx의 양을 저감 시킬 수 있는 장치가 이미 존재한다. 이 반응은 저장재 내부의 온도에 직접 연관되기 때문에, 배기 가스로의 암모니아 분사가, 저장재를 가열하기 위해 사용되는 가열 장치에 의해 제어되어, 암모니아의 가역적인 흡착/탈착 반응을 가능케 한다.
실제로, NOx의 환원 반응의 양론적인 비율로 암모니아가 배기관에 지속적으로 분사된다. 따라서, 차내에 암모니아를 충분량으로 보유하는 것이 권장된다. 저장재를 함유하는 용기의 크기를 제한하기 위해, 자동차 제조사들은 용기를 주기적으로, 예를 들어 엔진 보수시(오일 교체) 또는 재급유시, 대체하거나 충진할 것을 권한다. 차량(승용차, 대형 트럭 등)에 따라, 차량이 수명을 다하는 동안 용기 충진 또는 용기 대체 작업을 10 내지 100 회로 예상할 필요가 있다.
차량의 수명에 걸친 NOx의 효율적인 오염 제거를 보장하는 데에 필요한 이 주기적인 보수 서비스는, SCR 기술이 사용되는 다양한 국가들에서의 구체적인 규제의 대상이다. 이러한 모든 규제들의 한 가지 공통점은, 재급유가 필요할 때 운전자가 알 수 있기 위해, 용기 내에 남아 있는 암모니아량의 측정이 가능하여야 한다는 것이다. 예를 들어, 유럽의 차량 규제법 하에서는 적어도 2개, 즉 2400 km와 800 km (각각 연료를 약 3번 및 1번 가득 충전하는 것에 대응)에서의 잔류범위 역치를 측정할 수 있어야 한다.
게다가, 암모니아 저장재를 각각 포함하는 수 개의 용기들이, 차량 내 암모니아 저장 시스템의 간단한 통합을 위해, 또는 그것의 작동을 향상시키기 위해 (냉각 유닛의 도입), 차량 자체 내에 있는 경우, 엔진 컴퓨터가 다양한 용기 내에 함유되는 암모니아 분사를 최적으로 제어할 수 있도록 각각의 용기에 남아있는 암모니아량을 알 필요가 있다.
독일 특허 10-2009-022884 A1은 축전기의 정전용량의 변화에 기반하여 암모니아량을 측정하기 위한 장치의 부품에 관하여 기재하고 있다.
미국 특허 2006/184307 A1은, 필요시 환원제의 소모량을 제한하기 위해, 평균 소모량과 역치값을 비교함으로써, 환원제의 분사를 제어하는 방법을 기재하고 있다.
본 발명의 목적은 용기 내에 함유된 환원제, 바람직하게 암모니아의 레벨을 측정하기 위한 장치를 제안하기 위함이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 환원제가 저장된 결정 격자 (이하, 저장재)를 함유하는 용기 내에 함유된 환원제, 좋기로는 NH3의 양을 측정하기 위한 장치에 의해 달성되며, 상기 저장재의 부피는, 함유하는 환원제의 양에 따라 변화하는 것이다. 상기 측정 장치는 용기와 연결된 부재를 포함하며, 상기 부재는 저장재의 부피에 따라 저장재 내에 저장된 환원제의 양을 측정하기에 적합한 것이다. 상기 부재는, 한편으로는 저장재의 팽창에 의해 발생하는 기계적 응력을 측정하도록 하고, 다른 한편으로는 상기 응력의 측정치를 저장재 내에 저장된 환원제의 양으로 전환되도록 배치된다.
본 발명의 또 다른 관점은 자동차의 배기 가스 내로의 환원제 분사를 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 적어도
- 전술한 측정 장치를 이용하여 엔진에 공급되는 용기 내의 환원제의 양을 측정하는 단계,
- 마지막 용기 보수 서비스 이후로 환원제의 평균 소모량을 측정하는 단계,
- 필요시 충분량의 환원제가 다음 회차의 용기 보수 서비스의 이론적 단계에 도달하도록 상기 소모량을 제한하기 위해, 상기 평균 소모량을 적어도 하나의 역치값과 비교하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 특징은, 도면을 참조하여, 제한되지 않는 단지 실시예들로서 주어지는 구현예들의 몇 가지 변형에 대한 설명으로 손쉽고 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 저장재를 제조하는 데에 필수적인 단계를 나타낸다.
도 2는 제1 형태에 따라 각각 암모니아가 충진된 저장재 및 암모니아가 없는 저장재를 포함하는 용기를 도시한다.
도 3은 제2 형태에 따라 각각 암모니아가 충진된 저장재 및 암모니아가 없는 저장재를 포함하는 용기를 도시한다.
도 4는 제3 형태에 따라 각각 암모니아가 충진된 저장재 및 암모니아가 없는 저장재를 포함하는 용기를 도시한다.
도 5는 용기 내에 암모니아 레벨의 기능으로서 기계적 응력을 측정하는 수단에 의해 측정되는 응력의 변화를 도시한다.
도 6은 암모니아 소모량 한계를 측정하기 위한 맵을 나타낸다.
도 7은 분사될 암모니아량에 관한 보정 맵을 나타낸다.
도 8은 소위 평균 운행 여건하에서 차량의 주행 거리에 대한 함수로서 암모니아 소모량의 변화를 나타낸다.
도 9는 소위 혹독 운행 여건하에서의 암모니아 소모량의 변화를 나타낸다.
이하에 개시된 본 발명의 다양한 구체예들은 흡수 반응시, 금속 염화물 형태의 염으로의 암모니아 고정이 부피 증가를 수반하고, 이에 따라 순수한 염이 차지하는 부피에 비해 암모니아 화합물(ammoniate)이 훨씬 큰 부피(최대 4 내지 5배)를 차지한다는 사실에 기초한다. 염의 이러한 부피 증가는 그의 결정 격자의 팽창에 의해서뿐만이 아니라 그의 분획화에 의해서도 일어나는 것이기 때문에, 암모니아 화합물 복합체의 미세결정들 간에 빈 공간이 생기게 된다.
본 발명에 따르면, 저장재는, 상기 재료가 한편으로는 우수한 열 전도성을 갖도록, 그리고 다른 한편으로는 더 견고하도록, 팽창 천연 흑연 (expended natural gtaphite)을 포함하는 것이 바람직하다. 도 1에 도시된 바와 같은 상기 저장재의 제조에 따르면, 팽창 천연 흑연은 단방향축에 따라 치밀하게 충진되기 전에 염에 첨가된다. 이러한 방법으로, 암모니아에 의한 재료의 포화에 따른 팽창은 우선적으로, 주로 압착 축을 따라, 그리고 그보다 적은 정도로 압착 축에 수직으로 일어난다. 따라서, 압착 축을 따라 일어나는 상기 재료의 팽창을 제어하는 것이 가능하며, 저장 용기의 벽에 인가되는 응력을 제한하는 것과 관련 있다.
그 후, 암모니아가 탈착되는 동안, 재압착된 팽창 천연 흑연에 의해 생성된 네트워크는, 암모니아가 없는 염 입자를 보수하는 견고한 구조를 형성한다. 실행량에 따라, 압착 축에 따른 1% 내지 10%의 팽창과, 압착 축에 수직인 축에 따른 약 0.01% 내지 1%의 팽창이 관찰된다.
도 2에 도시된 제1 구현예에 따라, 저장재 (11)를 함유하는 용기 (10)는, 우선적으로 원통형인 대칭 회전체이며, 상기 용기 (10)는 양 말단이 반구체 (12, 12')에 의해 밀폐된다. 암모니아 기체에 투과성인 제1 및 제2 디스크 (13, 13')는 저장재 (11)의 양 측면에 배치되어, 상기 재료 (11)의 압착 축에 따라 이동할 수 있다. 제1 및 제2 압전센서 (14, 14')는, 암모니아의 흡수시 이의 압착 축에 따른 저장재 (11)의 팽창을 측정하기 위해, 제1 및 제2 디스크 (13, 13')에 각각 접촉되도록 두 개의 반구체 (12, 12')에 각각 위치된다.
도 3에 도시된 본 발명의 제2 구현예에 따라, 암모니아 기체에 투과성인 제1 및 제2 디스크 (113, 113')는 용기 (110) 내부의 저장재 (111)의 양 측면에 배치된다. 제1 디스크 (113)는 상기 재료 (111)의 압착 축에 따라 이동할 수 있지만, 제2 디스크 (113')는 고정되어 있다. 압전센서 (114)는, 암모니아의 흡수시 이의 압착 축에 따른 저장재 (111)의 팽창을 측정할 수 있기 위해 제1 디스크 (113)에 접촉되도록 위치된다.
도 4에 도시된 본 발명의 제3 구현예에 따라, 저장재 (211)의 압착 축에 수직으로 일어나는 팽창이 측정된다. 이 경우에는, 저장재 (211)의 외피를 전부 덮고 있는 압전재 (214)는 용기 (210)와 상기 저장재 (211) 사이에 위치된다. 저장재 (211)은 암모니아가 없기 때문에, 압전재 (214)에 인가되는 기계적 응력이 감소한다.
저장재의 팽창을 측정하기에 적합한 것이면 어느 부재이든 하나 이상의 압전센서 대신에 사용될 수 있음을 일러둔다.
본 발명의 상기 3개의 구현예들에 있어서, 완전한 탈착 순환 동안 저장재의 팽창에 의해 유발되는 기계적 응력의 변화는 용기 내에 존재하는 암모니아와 직접 연관될 수 있다. 따라서, 도 5에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 압전재의 말단에서 전압을 측정함으로써, 주어진 용기에서의 암모니아 잔량 레벨을 수정 (calibration)에 의해 정의하는 것이 가능하다.
엔진 보수 (오일 교체) 또는 재급유가 우선적으로 계획된 주기적인 보수 서비스는, 본 발명의 저장재를 포함하는 용기에 암모니아를 충진하도록 수행된다. 또한, 암모니아가 없는 용기는, 저장재가 암모니아로 포화된 새로운 용기로도 대체될 수 있다. 보수 서비스 실시에 따른 전술한 암모니아 잔량 측정에 의해, 마지막 보수 서비스 이후의 암모니아의 평균 소모량을 본 발명에 따라 계산에 의해 산출할 수 있다. 본 발명에서는, 필요하다면 상기 소모량을 한정하고 그에 따라 충분량의 암모니아 보유량이 용기의 이론적인 (다음 번)보수 단계에 도달할 때까지 유지될 수 있도록 하기 위해, 상기와 같이 측정된 평균 소모량을, 소모 전략을 조정할 목적으로 다양한 역치값과 비교한다. 실제로, 하나 이상의 압전센서의 사용을 통해 측정되는 마지막 보수 서비스 이후의 암모니아 소모량에 따라, 도 6에 정의된 바와 같은 맵을 이용하여 한계 레벨이 결정된다.
통상, 암모니아 소모량이 역치 레벨 1 아래로 남아 있기만 하면, 한계 레벨 0이 활성화한다 (즉, 분사된 암모니아량의 보정은 없음). 일정 거리의 주행 후, 암모니아량이 레벨 1의 역치 커브를 초과하게 되면, 한계 레벨 1이 활성화되어 대응하는 보정이 적용된다.
각각의 한계 레벨마다, SCR 후처리 장치의 NOX 전환 요구사항에 따라 계산된, 분사될 암모니아의 양이 보정된다. 1 미만의 배가되는 (multiplicative) 계수 형태로 적용되는 이 보정 계수는, 도 7에 도시된 바와 같은 패턴/로드 맵에 의해 각 한계 수준마다 결정되는데, 도면에서 뉴 유러피안 드라이빙 사이클[NEDC] 구역은 승인 사이클 중에 포함된 구역이다. 이 도면에 따르면, 암모니아 소모량은 3가지 보정 계수, 즉 엔진이 각각 구역 1에서 작동시, 이어서 구역 2에서 작동시, 그리고 마지막으로 구역 3에서 작동시 순차적으로 제한된다. 또한, 주위 온도, 고도, 엔진 속도, 엔진 하중 및 엔진 냉각수온 (engine water temperature) 등의 파라미터들도 보정 계수 값을 결정하는 데에 고려될 수 있다.
이러한 연속적인 한계 레벨을 설정함으로써, 각 이용자의 운행 여건에 적합한 방식으로 암모니아의 소모량을 제어하는 것이 가능해진다. 대부분의 이용자들이 평균 운행 여건을 경험하는 것을 고려하면, 암모니아의 분사가 보정되지 않아도, 이 시스템의 최대 효율이 얻어진다 (도 8). 혹독한 운행 여건을 경험하는 10%의 이용자들에 대하여, 비보정된 암모니아의 분사는, 오일 교체 주기 이전에 용기 내 저장된 암모니아를 전부 소모하는 결과를 가져올 것이다. 한계 레벨을 설정하는 것은, 이 시스템의 효율성의 감소에 대한 비용에 있어서, 암모니아의 소모량을 순차적으로 제한할 수 있으므로, 오일 교체 주기까지 이 시스템의 작동을 보장할 수 있다 (도 9).
본 발명은 예시로서 전술한 구현예들에 제한되지 않지만, 이와 반대로, 구현예들의 모든 변형을 포괄한다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 상기 측정 장치는, 수소 저장 시스템에서 연료 전지의 수소화물량을 측정하는 데에 사용될 수도 있는 것이다.

Claims (11)

  1. 환원제가 저장되어 있는 저장재 (11; 111; 211)를 포함하는 용기 (10; 110; 210) 내에 함유된 환원제의 양을 측정하기 위한 장치로서,
    상기 저장재 (11; 111; 211)의 부피는, 저장재가 함유하는 환원제의 양에 따라 변화하는 것이고,
    상기 측정 장치는, 상기 용기 (10; 110; 210)와 연결된 부재 (13, 14, 14'; 113, 114; 213, 214)를 포함하는 것이며,
    상기 부재는, 저장재 (11; 111; 211)의 부피에 따라 저장재 내에 저장된 환원제의 양을 측정하기 위한 것이고,
    상기 부재 (13, 14, 14'; 113, 114; 213, 214)는, 한편으로는 저장재 (11; 111; 211)의 팽창에 의해 발생되는 기계적 응력을 측정하고, 다른 한편으로는 상기 응력 측정치를 저장재 (11; 111; 211) 내에 저장된 환원제의 양으로 전환하도록 배치된 것인,
    환원제가 저장된 저장재 (11; 111; 211)를 포함하는 용기 (10; 110; 210) 내에 함유된 환원제의 양을 측정하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부재는 적어도 하나의 압전센서 (14, 14'; 114, 214)를 포함하는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 부재는 저장재 (11; 111; 211)에 접촉되어 있는 적어도 하나의 이동식 벽 (13, 13'; 113)을 더 포함하고,
    상기 압전센서 (14, 14'; 114, 214)는 상기 이동식 벽 (13, 13'; 113)의 이동에 따른 기계적 응력을 측정하도록 배열되는 것인 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부재는 두 개의 압전센서 (14, 14') 및 두 개의 이동식 벽 (13, 13')을 포함하고,
    상기 압전센서 (14, 14') 각각은, 이동식 벽의 이동에 따른 기계적 응력을 측정하기 위해 각각의 이동식 벽 (13, 13')과 연결되는 것인 장치.
  5. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 이동식 벽 (13, 13'; 113)은 환원제에 투과성인 것인 장치.
  6. 제3항에 있어서, 각각의 이동식 벽 (13, 13'; 113)은 상기 용기 (10; 110; 210)의 세로축에 수직하도록 위치되는 것인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부재 (214)는 저장재 (211)의 측표면을 둘러싸도록 배열되는 것인 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 환원제는 NH3인 것인 장치.
  9. 차량의 배기 가스 내로의 환원제의 분사를 제어하기 위한 방법으로, 적어도
    - 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 기재된 측정 장치를 이용하여, 엔진에 공급되는 용기 내의 환원제 양을 측정하는 단계,
    - 마지막 용기 보수 서비스 이후의 환원제의 평균 소모량을 측정하는 단계,
    - 필요시 충분량의 환원제가 다음 회차의 용기 보수 서비스의 이론적 단계에 도달하도록 상기 소모량을 제한하기 위해, 상기 평균 소모량을 적어도 하나의 역치값과 비교하는 단계
    를 포함하는, 차량의 배기 가스 내로의 환원제의 분사를 제어하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 환원제의 소모량은
    엔진 속도, 엔진 하중 및 엔진 냉각수온; 마지막 용기 보수 서비스 이후로, 자동차의 주행 거리; 및
    주위 온도 및 고도 중에서 선택된 하나 이상
    에 따라 제한되는 것인, 차량의 배기 가스 내로의 환원제의 분사를 제어하기 위한 방법.
  11. 삭제
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