KR101954047B1 - 내연 기관의 배출 감소 시스템을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법 - Google Patents

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Abstract

내연 기관 (1) 이 특정 임계값 미만의 낮은 레이트에서 운전될 때 인젝터 (5) 로의 환원제 플로우가 허용 사이클들 및 제한 사이클들을 반복하여 허용 및 제한된다. 허용 사이클들 동안에, 제어기 (12) 는 환원제 플로우를 결정된 낮은 포인트 세트포인트 값에 가능한 가깝게 유지하도록 설정된다. 제한된 사이클들 동안에, 환원제 플로우가 방지된다.

Description

내연 기관의 배출 감소 시스템을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법
본 발명은 내연 기관의 배출 감소 시스템을 위한 환원제 주입을 제어하기 위한 장치에 이용되는 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날, 배출 요건들은 예를 들어 가스 엔진들이나 디젤 엔진들과 같은 내연 기관들에 대해 매우 엄격하다. 요구되는 NOx 레벨은 매우 낮을 수 있다.
배출 감소 시스템, 예를 들어, SCR (Selective Catalytic Reduction) 시스템을 이용하는 것이 알려져 있다. SCR 시스템은 촉매를 이용하여 질소 산화물들 (NOx) 을 질소 (N2) 및 물 (H2O) 로 변환한다. 환원제, 통상적으로, 암모니아 또는 우레아가 배기 가스의 스트림에 첨가되어 촉매 상에 흡착된다.
적절하게 구동하기 위하여 배출 감소 시스템은 요구되는 NOx 레벨을 실현하기 위한 제어 장치를 필요로 한다. 배기 가스에 첨가되는 환원제의 양은 가능한 한 필요한 양에 가깝게 해야 한다. 피드백 제어 시스템은 양호한 결과들을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 피드백 제어 시스템은 환원제에 대해 설정 값을 따르며, 이는 배기 가스로의 환원제의 첨가가 설정값에 가능한 가깝게 유지되는 것임을 의미한다. 그 결과 설정 값은 엔진 실행 방법에 따라 다르다. 예를 들어, 내연 기관이 높은 부하 레이트에서 구동할 때, 환원제의 요구량은 엔진이 낮은 부하 레이트에서 동작하는 경우보다 더 높다.
일반적인 피드백 제어 시스템은 유량계로부터 제어기로의 피드백 라인을 갖는다. 유량계는 환원제 소스로부터, 환원제로 배기 가스에 주입하는 인젝터로의 환원제 플로우를 측정한다. 배기 가스와 환원제의 혼합은 배출 감소 시스템으로 유입된다. 제어기는 환원제 플로우를 환원제 플로우의 설정 값에 가능한 가깝게 유지하기 위하여 인젝터의 밸브를 제어한다. 제어기에 의해 이용된 일반적인 제어 개념들은 PI 또는 PID 이다.
피드백 제어 시스템은 내연 기관이 높은 레이트 또는 중간 레이트에서 구동할 때 매우 우수한 제어 특성들을 제공한다. 그러나, 환원제의 요구 플로우가 또한 낮을 때 엔진이 낮은 레이트에서 구동하면, 유량계의 정확도가 좋지 않다. 따라서, 플로우 센서로부터의 피드백이 또한 부정확하게 되고 이는 제어가 또한 정확하지 않음을 의미한다. 따라서, NOx 레벨들이 요구되는 레벨 위로 상승할 수도 있고 환원제 슬립이 발생할 수도 있다. 환원제 슬립은 환원제의 일부가 미반응 SCR 을 통과한다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 전술한 문제들을 제거하는 것이다.
이러한 개념은 내연 기관이 일정한 임계값 미만의 낮은 레이트에서 운전될 때 인젝터로의 환원제 플로우가 허용 사이클들 및 제한 사이클들을 반복하여 허용 및 제한되는 것이다. 허용 사이클들 동안에, 제어기는 환원제 플로우를 결정된 낮은 포인트 세트포인트 값에 가능한 가깝게 유지하도록 설정된다. 제한된 사이클들 동안에, 환원제 플로우가 방지된다.
임계값이 유량계가 적절하게 동작하는 레벨에 있는 것이 편리하다. 따라서, 내연 기관이 높거나 또는 중간의 부하 레이트에서, 즉, 임계값에서 또는 임계값 위에서 구동할 때 피드백 시스템의 적절한 동작으로 인하여, 제어의 정확도가 양호한 레벨로 유지된다. 엔진이 낮은 레이트에서 구동할 때, 즉 환원제 플로우에 대한 설정 값이 임계값 레벨 미만일 때, 플로우 센서의 부정확성이 제어에 영향을 미치지 않으며 제어의 품질이 허용 사이클들 또는 제한 사이클들을 반복하는 것에 기인하여 양호한 레벨에서 또한 유지될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따른 제어 장치의 일 예를 예시한다.
도 2 는 본 발명에 이용된 환원제 플로우 레이트 레벨들의 일 예를 예시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 방법의 플로우도의 예를 도시한다.
도 1 은 본 발명에 따른 제어 장치의 일 예를 예시한다. 엔진 (1) 은 구동할 때 배기 가스를 생성한다. 배기 가스는 전방 배기 파이프 (3), SCR 시스템 (2) 및 후방 배기 파이프 (4) 를 통하여 공기 중으로 보내진다. SCR 시스템은 배기 가스를 보내기 전에 NOx 와 같은 불순물들로부터 배기 가스를 정화한다.
SCR 시스템에 의해 필요한 환원제는 인젝터 (5) 를 통하여 전방 배기 파이프 (3) 로 주입된다. 따라서, SCR 시스템 (2) 은 배기 가스와 환원제의 혼합물을 수용한다. 암모니아 또는 우레아와 같은 환원제는 환원제 소스 (6) 로부터 파이프 라인 (7) 을 통해 인젝터 (5) 로 전달된다. 환원제 소스 (6) 는 환원제를 함유하는 탱크일 수 있고, 파이프 라인에는 환원제의 플로우를 인젝터 (5) 를 향하여 보내는 펌프 (8) 가 제공된다. 또한, 파이프 라인 (7) 에는 적어도 하나의 밸브 (9) 가 제공된다. 밸브 (9) 는 비례제어 밸브이다. 도 1 의 실시형태에 다른 밸브 (11) 가 또한 있지만, 구현 이유를 위하여 제거될 수 있다.
제어 장치는 또한 인젝터 (5) 에 대한 환원제의 플로우를 원하는 값으로 유지하기 위하여 밸브 (9) 를 제어하는 제어기 (12) 를 갖는다. 원하는 값은 세트포인트 값으로서 제어기 (12) 에 주어진다. 세트포인트 값은 속도 측정으로부터, 예를 들어, 엔진의 출력 축으로부터 측정될 수 있는 구동 엔진의 부하 레이트에 관련된다. 세트포인트 값은 배기 가스에서의 NOx 의 측정 (14) 에 관련될 수도 있다. 또한, 엔진의 다른 파라미터들은 세트포인트 값에 또한 영향을 줄 수도 있다. 제어기는 필요한 제어 파라미터들 및 다른 정보를 유지하기 위하여 메모리 (13) 를 포함한다.
제어 장치에는 또한 파이프라인 (7) 내의 환원제 플로우를 측정하기 위하여 환원제 유량계 (10) 가 제공된다. 환원제 플로우 센서는 환원제 플로우 데이터의 피드백을 제어기 (12) 에 제공한다.
다음으로, 도 3 의 흐름도, 환원제 유량 레벨들의 일 예를 예시하는 도 2 및 도 1 은 제어 장치에 이용된 방법을 예시할 때 이용된다. 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 에 대한 환원제 주입을 제어하는 방법은 유량계 (10) 를 이용하여 인젝터 (5) 로의 환원제 플로우를 측정하는 단계 (31) 와, 상기 측정된 환원제 플로우와 세트포인트 값 (22) 에 기초하여 환원제 플로우를 조정하도록 적어도 하나의 밸브 (9) 를 제어하는 단계 (32) 를 포함한다. 이들 단계는 PI 또는 PID 제어 로직을 이용할 수 있는 피드백 제어를 제공한다. 엔진이 높거나 낮은 레이트에서 구동할 때, 피드백 제어가 좋은 결과들을 제공한다.
케이스 (33) 에서, 세트포인트 값 (22) 이 미리 정해진 임계값 (L1) 미만, 예를 들어 여전히 정확하게 작동하지만 그 레벨 미만이 아닌 유량계 (10) 의 정확도 레벨 미만인 경우에, 본 방법은 상기 미리 정해진 임계값 (L1) 또는 그 이상의 임계값 (L2) 인 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 을 결정하는 단계 (34); 및 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 을 반복하여, 인젝터 (5) 로의 환원제 흐름을 허용하고 제한하는 단계 (35) 를 갖는다. 허용 및 제한 단계 (35) 는 허용 사이클들 (D1) 동안에, 밸브를 제어할 때의 상기 세트포인트로서 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 이 이용되고, 제한 사이클 (D2) 동안에, 환원제 플로우가 억제되는 방식으로 이용된다. 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 은 교번한다.
교번하는 허용 사이클들 및 제한 사이클들은 도 2 에 도시된다. 평균값으로서 환원제 플로우를 세트포인트 값 (22) 으로 달성하기 위하여, 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 의 지속기간이 조정된다. 예를 들어, 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 이 미리 정해진 임계값 (L1) 과 동일하고 세트포인트 값 (22) 이 L1 의 절반이면, 허용 사이클 (D1) 의 지속기간은 제한 사이클 (D2) 과 동일하다. 제어기 (12) 외부로부터의 세트포인트 값 (22) 이 허용 및 반복 사이클들 동안에 또한 제어기 (12) 에 의해 수신되고 이용되지만, 허용 사이클들 동안에 밸브 (9) 를 제어할 때 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 이 세트포인트으로서 이용된다.
도 2 에서, 시간축은 예를 들어 초 단위의 시간을 나타낼 수 있고, 환원제 유량은 ml/s 또는 예를 들어, 최대 레이트의 백분율 값일 수 있다. 따라서, 최대 레이트는 백분율 값을 이용할 때 100 % 이다. 제어부 (12) 에 의해 수신된 세트포인트 값 (22) 은 이를 테면, 시약의 유량, 또는 필요한 시약의 유량에 대응하는 다른 값일 수 있다.
상기와 같이, 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 은 미리 정해진 임계값 (L1) 또는 그 이상 (L2) 일 수 있다. 도 2 에서, 더 높은 세트포인트 값 (L2) 의 일 예가 파선으로 도시되어 있으며, 이 경우 밸브 (9) 에 대한 세트포인트 레벨 및 허용 사이클 (D1) 동안에 달성되는 환원제 유량이 더 높다. 더 높은 허용 사이클은 또한 파선으로서 도시되어 있다. 허용 사이클의 지속 기간을 조정하는 것이 또한 가능하며, 이는 더 넓은 사이클 (D3) 로서 표시된다. 따라서, 허용 사이클들은 많은 방식들로 형성될 수 있으며, 평균값으로서의 환원제 플로우가 세트포인트 값 (22) 이 되도록 달성하기 위해 높이와 폭이 고려된다. 허용 사이클들 및 제한 사이클들에 대한 면적들은 평균값, 즉, 세트포인트 값 (22) 을 얻기 위하여 고려된다.
허용 및 제한 사이클들의 지속기간은 물리적 시스템에 의해 결정될 수 있다. 장치에 의해 이용가능한 최소 펄스 시간이 결정된다. 허용 및 제한 사이클들의 총 지속기간은 제어되는 시스템의 시간 상수보다 명확하게 작도록 결정된다.
도 2 에 도시된 바와 같이 변경된 설정값 (22) 을 달성하기 위하여 엔진 (1) 을 운전하는 방법의 변경에 기인하여 세트포인트 값 (22) 이 변경되기 때문에 허용 사이클들 및 제한 사이클들의 지속기간이 또한 변경된다. 설정 값 (22) 은 굵은 선으로 표시되고, 실제 환원제 유량은 가는 선 (21) 으로 마킹된다. 미리 정해진 임계값 (L1) 위에서, 환원제 유량 (21) 은 설정 값 (22) 을 따르지만, 설정 값이 미리 정해진 임계값 (L1) 미만일 때 환원제 유량 (21) 은 허용 사이클들 및 제한 사이클들을 따른다, 즉 허용 사이클 동안에 로우 모드 세트포인트 값을 갖고 제한 사이클들 동안에 제로 레벨을 따른다. 허용 사이클들 (D1) 동안, 밸브 (9) 는 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 을 이용하여 PI 또는 PID 제어 로직에 따라 제어된다.
또한, 허용 사이클들 (D1) 동안에, 환원제 플로우는 유량계 (10) 로 측정될 수 있다. 평균 플로우는 또한 평균으로서 세트포인트 값 (22) 에 따라 환원제 플로우를 달성하기 위해 측정된 평균 플로우를 이용하기 위하여 측정될 수 있다.
제어되는 밸브 (9) 는 비례제어 밸브이다. 제한 사이클들 (D2) 의 시작시, 비례제어 밸브에 대한 제어 값은 메모리 (13) 에 저장되고, 그리고 그 후 비례제어 밸브 (9) 에 대한 제어 값은 제로 환원제 플로우로 변경되고, 제어 값은 제한 사이클들 (D2) 의 종료까지 제로 환원제 플로우로 동결된다. 제어 값은 제한 사이클들 (D2) 의 종료에서 메모리 (13) 로부터 복원된다. 이들 단계들은 제어 장치가 하나의 밸브를 이용할 때 이루어질 수 있다.
제어 장치가 다른 밸브들을 또한 가지면, 예를 들어 제어되는 밸브들이 비례제어 밸브 (9) 및 온-오프 밸브 (11) 이면, 본 발명에서 수행되는 단계들은 제한 사이클들 (D2) 의 종료까지 제한 사이클들 (D2) 의 시작시에 비례제어 밸브 (9) 에 대한 제어 값을 동결시키고 제한 사이클들 (D2) 의 종료시에 온-오프 밸브 (11) 를 개방하고 온-오프 밸브 (11) 를 개방한다.
또한, 방법은 내연 기관 (1) 의 배출을 측정하고 (14), 측정된 배출이 허용된 레벨 위에 있는 경우에, 세트포인트 값 (22) 을 동결시키고, 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 의 지속기간을 조정하고/하거나 측정된 배출이 허용 레벨 이하로 될 때까지 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 을 변경하는 단계들을 더 포함할 수도 있다.
미리 정해진 임계값 (L1) 은 유량계 (10) 의 최소 정확도 한계에 대응하는 것이 편리하다. 이러한 방식으로 유량계의 부정확한 동작 영역은 환원제 주입의 제어 품질에 영향을 주지 않는다. 그 대신, 허용 및 제한 사이클들은 엔진의 낮은 부하 범위에서 발생하는 부정확한 동작 영역에 이용된다. 교번하는 허용 및 제한 사이클들은 NOx 레벨과 같은 배출들을 위한 요건을 충족시키는 양호한 제어를 제공한다. 다른 플로우 제어 불완전들이 발생하면 허용 및 제한 사이클들을 이용하는 것이 또한 편리하다. 환언하면, 상기 교번 사이클들을 동작시킬 때 충분히 양호한 제어 품질을 제공하지만, 피드백 시스템의 품질만큼 좋지 않을 수도 있다.
본 발명은 내연 기관의 배출을 감소시키기 위하여 SCR 시스템과 같은 배출 감소 시스템에 이용된다. 동작 윈도우들이 큰 가스 엔진에 의해 그리고 상이한 부하들에서 NOx 배출에서의 큰 변동에 기인하여 매우 양호한 결과들이 얻어진다. 이상, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시형태들로 한정되지 않고, 독립항들의 범위 내에서 다른 상이한 실시형태들로 구현될 수 있음이 명백하다.

Claims (8)

  1. 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법으로서,
    유량계 (10) 로 인젝터 (5) 로의 환원제 플로우를 측정하는 단계 (31),
    측정된 상기 환원제 플로우 및 세트포인트 값 (22) 에 기초하여 환원제 플로우를 조정하기 위해 적어도 하나의 밸브 (9) 를 제어하는 단계 (32) 를 포함하고,
    상기 세트포인트 값 (22) 이 미리 정해진 임계값 (L1) 미만인 경우 (33),
    상기 미리 정해진 임계값 (L1) 또는 더 큰 값 (L2) 인 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 을 결정하는 단계 (34),
    허용 사이클들 (D1) 동안에, 적어도 하나의 밸브를 제어할 때 상기 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 이 상기 세트포인트 값으로서 이용되고, 제한 사이클들 (D2) 동안에, 환원제 플로우가 억제되도록 하는 방식으로 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 을 반복하여 상기 인젝터 (5) 로의 환원제 플로우를 허용 및 제한하는 단계 (35) 로서, 허용 사이클들 (D1) 및 제한 사이클들 (D2) 은 교번하는, 상기 환원제 플로우를 허용 및 제한하는 단계 (35) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 허용 사이클들 (D1) 및 상기 제한 사이클들 (D2) 의 지속기간은 상기 환원제 플로우를 평균으로서 상기 세트포인트 값 (22) 이도록 실현하기 위해 조정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 허용 사이클들 (D1) 동안에, 적어도 하나의 밸브 (9) 는 PI 또는 PID 제어 로직에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 허용 사이클들 (D1) 동안에, 상기 환원제 플로우는 상기 유량계 (10) 로 측정되고, 평균으로서 상기 세트포인트 값 (22) 에 따라 상기 환원제 플로우를 달성하기 위해 측정된 평균 플로우를 이용하기 위하여 평균 플로우가 측정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어되는 상기 밸브 (9) 는 비례제어 밸브 (proportional valve) 이고, 제한 사이클들 (D2) 의 시작시, 상기 비례제어 밸브에 대한 제어 값이 메모리 (13) 에 저장되고, 그 후에,
    상기 비례제어 밸브에 대한 제어 값을 제로 환원제 플로우로 변경하고,
    상기 제한 사이클들 (D2) 의 종료까지 상기 제어 값을 상기 제로 환원제 플로우로 동결하고,
    상기 제한 사이클들 (D2) 의 종료시 상기 제어 값을 상기 메모리 (13) 로부터 복원하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어되는 밸브들은 비례제어 밸브 (9) 및 온-오프 밸브 (11) 이고,
    상기 제한 사이클들 (D2) 의 시작시, 상기 비례제어 밸브 (9) 에 대한 제어 값은 상기 제한 사이클들 (D2) 의 종료까지 동결되고, 상기 온-오프 밸브 (11) 는 폐쇄되며,
    상기 제한 사이클들 (D2) 의 종료시, 상기 온-오프 밸브 (11) 는 개방되는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 내연 기관 (1) 의 배출을 측정하는 단계 (14), 및 측정된 상기 배출이 허용된 레벨 위에 있는 경우에,
    상기 세트포인트 값 (22) 을 동결시키고, 상기 허용 사이클들 (D1) 및 상기 제한 사이클들 (D2) 의 지속기간을 조정하거나, 상기 측정된 배출이 상기 허용된 레벨 이하로 될 때까지 상기 로우 모드 세트포인트 값 (LS) 을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 임계값 (L1) 은 상기 유량계 (10) 의 최소 정확도 한계에 대응하는 것을 특징으로 하는 내연 기관 (1) 의 배출 감소 시스템 (2) 을 위한 환원제 주입을 제어하는 방법.
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