KR102265867B1 - 기체 환원제 분사 제어 시스템 - Google Patents

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마루치 나라싱아 라오 데바라콘다
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에이아이 알파인 유에스 비드코 인크.
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Abstract

배기 후처리를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템이 서술된다. 일 실시예에 있어서, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매는 엔진으로부터 발생된 배기 스트림과 유체 연통한다. 산화 촉매(OC)는 SCR 촉매의 상류에 있으며 또한 배기 스트림과 유체 연통한다. 기체 환원제 분사기는 SCR 촉매의 상류에 그리고 OC의 하류에 있으며 또한 배기 스트림과 유체 연통한다. 제1 가스 센서는 OC의 상류에 있으며, 또한 제2 가스 센서는 SCR 촉매의 하류에 있다. 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 배기 스트림에서 검출된 가스 농도를 나타내는 신호를 수신하며, 또한 그로부터 배기 스트림의 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 농도를 추정한다.

Description

기체 환원제 분사 제어 시스템{GASEOUS REDUCTANT INJECTION CONTROL SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 연소 과정으로부터의 오염물 방출을 감소시키는 것에 관한 것으로서, 또한 구체적으로 희박-연소(lean-burn) 엔진으로부터 발생된 질소 산화물(NOx) 또는 암모니아(NH3) 방출의 배기 후처리(exhaust aftertreatment)를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템에 관한 것이다.
디젤-동력식 및 천연가스-동력식 차량, 설비, 및 발전기에 의해 사용된 것과 같은 희박-연소 엔진은, 농후-연소(rich-burn) 엔진에 비해 높은 공기-연료 비율로 연소된다. 본래, 희박-연소 엔진은 유사한-크기의 농후-연소 엔진과 등가의 동력을 생산할 동안 더 적은 연료를 사용한다. 그러나, 희박-연소 엔진은 연료의 희박 혼합물(즉, 연료와 함께 도입된 과잉 공기)과 관련된 느린 연소율로 인해 일반적으로 NOx 및 NH3 방출을 증가시켜 왔다. 희박-연소 엔진의 배기로부터의 NOx 및 NH3 방출을 감소시키기 위해, 전형적으로 후처리 옵션(option)이 사용된다.
본 발명의 목적은, 일반적으로 연소 과정으로부터의 오염물 방출을 감소시키는 것이며, 또한 구체적으로 희박-연소 엔진으로부터 발생된 질소 산화물(NOx) 또는 암모니아(NH3) 방출의 배기 후처리를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 시스템이 제공된다. 본 발명의 이러한 양태에 있어서, 상기 시스템은 엔진을 포함한다. 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction)(SCR) 촉매는 엔진으로부터 발생된 배기 스트림과 유체 연통한다. 산화 촉매(oxidation catalyst)(OC)는 SCR 촉매의 상류에 있으며 또한 배기 스트림과 유체 연통한다. SCR 촉매의 상류 그리고 OC의 하류에서 기체 환원제 분사기는 배기 스트림과 유체 연통한다. 제1 가스 센서가 OC의 상류에 있고, 또한 제2 가스 센서가 SCR 촉매의 하류에 있다. 제어기는 제1 가스 센서, 제2 가스 센서, 및 기체 환원제 분사기에 작동 가능하게 연결된다. 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 배기 스트림에서 검출된 가스 농도를 나타내는 신호를 수신하고, 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 가스 농도에 따라 배기 스트림의 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 농도를 추정하고, 그리고 NO 및 NO2 추정값에 기초하여 기체 환원제 분사기에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 흐름율을 결정한다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 엔진으로부터 발생된 배기 가스의 배기 후처리를 위한 요소 분사 제어 시스템(urea injection control system)이 제공된다. 본 발명의 이러한 양태에 있어서, 상기 시스템은 배기 가스와 유체 연통하는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매를 포함한다. 산화 촉매(OC)는 SCR 촉매의 상류에서 배기 가스와 유체 연통한다. SCR의 상류 그리고 OC의 하류의 요소(urea) 용액 분사기가 배기 가스에 요소를 분사한다. OC의 상류의 제1 가스 센서가 배기 가스에서의 가스 농도를 검출한다. SCR 촉매의 하류의 제2 가스 센서가 배기 가스에서의 가스 농도를 검출한다. 배기 스트림과 유체 연통하는 복수 개의 센서가 엔진으로부터 작동 조건을 검출한다. 제어기는 제1 가스 센서, 제2 가스 센서, 복수 개의 가스 센서, 및 요소 용액 분사기에 작동 가능하게 연결된다. 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 가스 농도 및 복수 개의 센서에 의해 검출된 작동 조건에 따라, 배기 가스의 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 농도를 추정한다. 제어기는 NO 및 NO2 추정값 및 검출된 작동 조건에 기초하여 요소 용액 분사기에 의해 배기 가스 내로 분사된 요소의 흐름률을 결정한다.
본 발명에 따르면, 일반적으로 연소 과정으로부터의 오염물 방출을 감소시킬 수 있으며, 또한 구체적으로 희박-연소 엔진으로부터 발생된 질소 산화물(NOx) 또는 암모니아(NH3) 방출의 배기 후처리를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 배기 후처리를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도 1에 도시된 시스템의 작동을 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 다양한 실시예는 질소 산화물(NOX) 및 NH3 방출이 감소되도록 배기의 후처리를 수행하기 위해 희박-연소 엔진과 같은 엔진으로부터 발생된 배기 가스에서 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2), 및 암모니아(NH3)를 추정하는 것에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 엔진으로부터 발생된 배기 스트림이 산화 촉매(OC) 및 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매에 적용된다. 기체 환원제 분사기는 기체 환원제를 OC와 SCR 촉매 사이에서 배기 스트림 내로 분사한다. OC의 상류에 그리고 SCR 촉매의 하류에 위치된 가스 센서는 배기 스트림에서 가스의 농도의 측정값을 얻는다. OC 및 SCR 촉매의 모델을 갖는 추정기(estimator)를 포함하는 제어기는, 엔진으로부터 다른 작동 조건과 마찬가지로 가스 농도 측정값을 수용한다. 일 실시예에 있어서, 추정기는 가스 농도 측정값 및 작동 조건에 기초하여 배기 스트림의 NO 및 NO2 의 농도를 추정할 수 있다. 현재 NO 및 NO2 를 측정할 수 있는 센서가 없기 때문에, 배기 스트림에서 추정기에 의한 이들 농도의 추정은 이들 가스의 실제 감지와 동등하다. 그 후, 제어기에서의 제어 알고리즘은 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 흐름율을 결정하기 위해 상기 추정된 NO 및 NO2 농도를 사용할 수 있다. 그 후, 기체 환원제 분사기는 결정된 흐름율로 기체 환원제를 배기 스트림 내로 분사한다. 다른 실시예에 있어서, 추정기는 가스 농도 측정값 및 작동 조건에 기초하여 배기 스트림에서 NH3의 농도를 추정할 수 있다. 그 후, 제어기에서의 제어 알고리즘은 기체 환원제 분사기에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 흐름율을 결정하기 위해 상기 추정된 NH3 농도를 사용할 수 있다.
이 방식으로, 배기 스트림에서 NO, NO2, 및 NH3 농도를 추정하는 것은, 후처리 제어 시스템에 의해 스트림으로부터 해로운 방출물의 최적의 감소를 촉진시키는 효과적인 모델-기반 기체 환원제 제어 전략이 본 발명의 다양한 실시예에 의해 제공될 수 있게 한다. 그 결과로서, 후처리 제어 시스템에 사용된 센서의 양이 최소화될 수 있어서, 제어 시스템과 관련된 작동 비용을 낮춘다. 이들 기술적인 효과는 본 발명의 다양한 실시예와 관련된 양태의 일부를 도시하고 있으며, 또한 제한적인 것으로 의도되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내연기관(105)을 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템(100)의 개략적인 블럭도이다. 일 실시예에 있어서, 엔진(105)은 디젤 엔진 또는 천연가스 엔진과 같은 희박-연소 엔진일 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 희박-연소 엔진은 연소될 연료의 양에 비해 과잉 공기 또는 과잉의 다른 희석물(diluent)을 갖는 임의의 연소 시스템이다. 하기의 서술이 희박-연소 엔진과 같은 내연기관에서 배기 후처리를 위한 기체 환원제 분사 제어 시스템과 관련되더라도, 본 발명의 다양한 실시예는 NOx 및 NH3와 같은 방출물을 위해 배기가 처리되는 정지형 연소 장치 및 가동형 연소 장치를 포함하는 임의의 희박-연소 연소 장치에 사용하기에 적합할 수 있음을 인식해야 한다. 예는, 희박 연소 기체-연료형 왕복동 엔진, 디젤 엔진과 같은 희박 연소 액체-연료형 왕복동 엔진 또는 다른 압축 점화 또는 스파크 점화 엔진 또는 가스 터빈을 포함한다.
엔진(105)은 NO 및 NO2 및 NH3를 포함하는 질소 산화물(NOx)을 포함할 수 있는 가스의 배기 스트림(110)을 발생시킨다. 배기 스트림(110)은 기체 환원제 분사 제어 시스템(100) 내의 OC(115)에 들어간다. OC(115)는 디젤 입자 물질(particulate matter)(PM)의 가용성 유기 성분(soluble organic fraction)(SOF)을 포함하는 탄화수소(CO) 및 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 산화시킬 수 있어서, 산화된 배기 스트림(120)이 형성되도록 한다. 일 실시예에 있어서, OC(115)는 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst)(DOC)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 기체 환원제 분사기(125)는 기체 환원제를 산화된 배기 스트림(120) 내로 분사하여 배기 스트림의 후속의 환원 반응을 촉진시키는 환원제 풍부형(reductant enriched) 배기 스트림(130)을 생성하며, 이때 NOx가 질소(N2) 및 물(H2O)로 변환된다. 일 실시예에 있어서, 기체 환원제 분사기(125)는 요소-풍부형(urea-enriched) 배기 스트림을 생산하기 위해 요소의 용액(NH2CONH2)을 산화된 배기 스트림(120) 내로 분사할 수 있는 요소 용액 분사기[예를 들어, 도싱(dosing) 모듈]이다. 요소의 용액은 요소 및 H2O 의 수성 혼합물을 포함할 수 있다. 작동 시, 요소 용액 분사기는 배기 스트림을 이송하는 파이프 또는 도관을 통해 요소 용액을 산화된 배기 스트림(120) 내로 분사할 수 있다. 그 후 요소가 NH3 및 CO2 로 분해될 수 있다. 그 후, NH3 및 CO2 는 배기 스트림의 후속의 환원 반응을 촉진시키기 위해 배기 스트림과 혼합될 수 있으며, 이때 NOx가 N2 및 H2O 로 변환된다. 기체 환원제로서 요소의 사용은 단지 예에 불과하며 또한 이것은 여기에 서술된 본 발명의 다양한 실시예의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않음을 인식해야 한다. 본 기술분야의 숙련자라면 예를 들어 NH3 와 같은 다른 기체 환원제가 본 발명의 실시예에서 사용하기에 적합하다는 것을 인식할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 환원제 풍부형 배기 스트림(130)이 SCR 촉매(135)에 들어가며, 거기에서 환원 반응이 발생하여 NOx가 N2 및 H2O 로 변환되도록 한다. 일 실시예에 있어서, SCR 촉매(135)는 통과하는 배기 가스가 다수의 촉매 장소에서 상호작용하도록 벌집형으로 배치된 금속 제올라이트(zeolite)를 포함할 수 있다. 이 방식으로, 환원제 풍부형 배기 스트림(130)이 SCR 촉매(135) 내를 스위핑(sweeping)하며, 거기에서 기체 환원제가 NH3 및 CO2 로 분해된다. 일단 SCR 촉매(135)의 내측에서, 질소 산화물은 질소 가스(N2) 및 수증기를 생산하기 위해 금속 제올라이트의 존재 하에 NH3 와 반응한다. 그 후, 세정된 배기 스트림(140)이 SCR 촉매(135)를 빠져나간다. 요소 용액이 요소 용액 분사기를 통해 배기 스트림 내로 분사되는 실시예에 있어서, 유사하게 요소-풍부형 배기가 SCR 촉매(135) 내로 스위핑될 수 있다. 요소는 NH3 및 CO2 로 분해된다. SCR 촉매(135)의 내측에서, 질소 산화물은 질소 가스 및 수증기를 생산하기 위해 금속 제올라이트의 존재 하에 NH3 와 반응한다.
제올라이트가 환원 반응을 촉진시키기 위한 촉매로서 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 NH3 및 NOx 의 질소 및 H2O 로의 변환을 촉진시키기 위해 SCR 촉매(135)와 관련된 선택적인 환원 공정에 사용될 수 있는 많은 알려진 촉매가 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 촉매는 바나듐, 철, 또는 구리의 화합물, 및 비천 금속(base metal) 교환된 제올라이트를 포함할 수 있지만, 그러나 이로써 한정되지 않는다.
기체 환원제 분사 제어 시스템(100)은 엔진(105)으로부터 발생된 배기 스트림에 대해 위치된 가스 센서(145)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스 센서(145)는 배기 스트림(110)에서 검출된 가스 농도를 측정하기 위해, OC(115)의 상류에 위치될 수 있다. 세정된 배기 스트림(110)에서 검출된 가스 농도를 측정하기 위해 다른 가스 센서(145)가 SCR 촉매(115)의 하류에 위치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스 센서(145)는 NOx 센서일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 가스 센서(145)는 배기 스트림에서 암모니아의 농도를 측정 또는 검출하는 NH3 센서일 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 가스 센서(145)는 하나의 NOx 센서와 하나의 NH3 센서의 조합일 수 있다. 본 기술분야의 숙련자라면, NO, NO2, 또는 NH3 를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 배기 후처리에 의해 제어되는 하나 또는 그 이상의 가스에 민감한 임의의 가스 센서가 본 발명의 다양한 실시예에 사용하기에 적합한 것임을 인식할 것이다.
다른 센서(150)는 엔진 외부 위치에서 배기 스트림(110)에 대해 위치된다. 특히, 센서(150)는 배기 스트림과 유체 연통하며, 각각의 센서가 엔진(105)으로부터 작동 조건을 검출한다. 일 실시예에 있어서, 센서(150)는 배기 스트림(110)의 흐름율을 검출하는 흐름율 센서, 배기 스트림의 온도를 검출하는 온도 센서, 및 배기 가스의 압력을 검출하는 압력 센서를 포함한다. 본 기술분야의 숙련자라면 환원제 풍부형 배기 스트림(130) 및 세정된 배기 스트림(140)을 포함하는 배기 가스 스트림과 관련된 다른 작동 조건(예를 들어, 공기 흐름율)을 측정하기 위해, 다른 센서가 배기 스트림(110)에 위치되고 또한 이와 유체 연통될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 어떤 작동 매개변수(예를 들어, 부하, 속도)를 측정하기 위해, 엔진(105)에 대해 위치된 다른 센서가 있을 수 있다.
제어기(155)는 가스 센서(145)에 의해 배기 스트림에서 검출된 가스 농도를 나타내는 신호 및 센서(150)에 의해 검출된 작동 조건을 나타내는 신호를 수신한다. 일 실시예에 있어서, 제어기(155)는 SCR 촉매(135)의 상류에서 엔진(105)으로부터 발생된 배기 스트림의 NO 및 NO2 의 농도를 추정하기 위해 이들 신호를 사용할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제어기(155)는 SCR 촉매(135)의 상류에서 엔진(105)으로부터 발생된 배기 스트림의 NH3 의 농도를 추정하기 위해 상기 신호들을 사용할 수 있다.
이때, 제어기(155)는 NO 및 NO2 추정값 또는 NH3 추정값에 기초하여 기체 환원제 분사기(125)에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제(예를 들어, 요소-용액)의 흐름율을 결정할 수 있다. 결정된 흐름율을 사용하여, 이후 제어기(155)는 산화된 배기 스트림(120) 내로 분사되는 기체 환원제의 흐름율을 조정할 수 있다. 특히, 제어기(155)는 세정된 배기 스트림(140)에서 NO, NO2, NH3 방출을 최소화하기 위해 기체 환원제(예를 들어, 요소-용액)가 산화된 배기 스트림(120) 내로 분사되는 비율을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 그 결과로서, 제어기(155)는 NOx 및 NH3 방출을 최소화할 동안 최적의 기체 환원제 분사율이 사용되는 것을 보장할 수 있다.
제어기(155)는, 가스 센서(145)에 의해 배기 스트림에서 검출된 가스 농도 및 센서(150)에 의해 검출된 작동 조건을 수용하고 또한 배기 스트림의 NO, NO2, 및 NH3 의 농도를 추정하는 추정기(160) 또는 관찰기(observer)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 추정기(160)는 실시간으로 OC(115)의 산화 반응을 모델링하는 OC 모델 및 실시간으로 SCR 촉매(135)의 촉매 반응을 모델링하는 SCR 촉매 모델을 포함할 수 있다. 또한, 추정기(160)는 엔진(105)의 배기 스트림에서 발생된 방출 농도를 모델링하는 방출물 모델을 얻도록 구성될 수도 있다. 본 기술분야의 숙련자라면 OC 모델, SCR 모델, 및 방출물 모델이 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 또한 제어 및 선형 시스템 이론에 기초한 원리를 사용하여 추정기(160)에 내장될 수 있음을 인식할 것이다.
작동 시, 추정기(160)는 배기 스트림의 NO 및 NO2 의 농도를 추정하기 위해 가스 센서(145)에 의해 배기 스트림에서 검출된 가스 농도 및 센서(150)에 의해 검출된 작동 조건을 OC 모델, SCR 촉매 모델, 및 방출물 모델[또는 맵(map)]에 적용할 수 있다. 추정기(160)는, 수학에 기초한(math-based) OC 모델 및 SCR 모델이 종(species)의 보존(conservation), 질량 전달, 및 반응 화학에 기초하여 관련 종 농도(NO, NO2, NH3)를 모델링하기 때문에, 배기 스트림에서 NO 및 NO2 의 농도를 추정할 수 있다. 엔진 이후 및 차후 SCR 이후의 NOx 센서 판독값 및 입력값으로서 질량 흐름율 및 온도와 같은 관련 배기 데이터에 기초하여, 추정기(160)는 SCR 입구의 NO 및 NO2 농도를 기체 환원제 분사기(예를 들어, 요소 분사 제어 시스템)에 제공할 수 있다. 미국 특허 제8,230,677호는 추정기(160)에 의해 전개된 OC 모델 및 SCR 모델에 사용될 수 있는 상세한 방정식을 제공한다.
전술한 방식으로 작동시킴으로써, 추정기(160)는 본질적으로 선형 관찰기 또는 비-선형 관찰기로서 작용할 수 있다. 즉, 추정기(160)는 가스 센서(145)로부터 생성된 가스 농도 및 센서(150)로부터 생성된 작동 조건을 관찰하고, 또한 NO, NO2, 및 NH3 의 추정값을 발생시키기 위해 OC 모델, SCR 촉매 모델, 및 방출물 모델을 사용한다. 일 실시예에 있어서, 확장된 칼만 필터(Kalman filter)는 NO, NO2, 및 NH3 의 농도를 추정하는 선형 관찰기 또는 비-선형 관찰기를 실행시키는 데 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(155)는 추정기(160)로부터 NO, NO2, 및 NH3 농도 추정값을 수용하는 제어 알고리즘(165)을 추가로 포함할 수 있다. 이때, 제어 알고리즘(165)은 기체 환원제 분사기(125)에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제(예를 들어, 요소 용액)의 흐름율을 결정할 수 있다. 특히, 제어 알고리즘(165)은 추정기(160)가 추정한 SCR 촉매에서의 NO 상태, NO2 상태, 및 NH3 상태를 고려함으로써 흐름율을 결정할 수 있다. 본질적으로, 제어 알고리즘(165)은 배기 스트림에서 NOx 및 NH3 방출을 최소화하기 위해 추가되어야 할 기체 환원제의 최적의 양을 결정한다. 이 방식으로, 제어 알고리즘을 통한 제어기(155)는 배기 보증(exhaust warrant)에서 어떤 조건이냐에 따라 배기 스트림 내로 분사된 기체 환원제(예를 들어, 요소)의 양을 증가 또는 감소시키는 데 사용될 수 있다.
제어기(155)는 하나 이상의 밸브의 작동에 관련된 제어 로직(control logic)을 포함하는 전자식 또는 컴퓨터 실행형 디바이스를 포함할 수 있다. 이 제어 로직 및/또는 제어기(155)에 의해 모니터링된 하나 이상의 작동 매개변수에 의해, 제어기는 전자 신호를 기체 환원제 분사기(125)로 전송할 수 있으며, 또한 그에 따라 기체 환원제가 배기 스트림 내로 분사되는 흐름율을 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제어기(155)에 의해 수행된 처리 공정은 완전히 하드웨어 실시예의 형태로 또는 하드웨어 요소 및 소프트웨어 요소 모두를 포함하는 실시예의 형태로 수행될 수 있다. 예를 들어, 전체적인 시스템-레벨 제어를 위해 메인 프로세서 섹션 또는 중앙 프로세서 섹션 및 상기 중앙 프로세서 섹션의 제어 하에 다양하고 상이한 특수한 조합, 기능, 및 다른 처리를 실시하는 데 전용되는 별도의 섹션을 갖는, 주문형 집적회로(ASIC)와 같은 단일의 특수-목적 집적 회로가 사용될 수 있다. 제어기(155)는 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러와 같은 적절히 프로그램된 범용 컴퓨터, 또는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(microprocessor unit)(MPU)과 같은 다른 프로세스 디바이스를 사용하여 단독으로 또는 하나 이상의 주변 데이터 및 신호 처리 디바이스와 조합하여 실시될 수도 있다. 일반적으로, 제어기(155)에 의해 수행되는 다양한 처리 기능을 나타내는 로직 흐름을 실시할 수 있는 유한 상태(有限 狀態)(finite state) 장치가 사용될 수 있는 임의의 디바이스 또는 유사한 디바이스가 사용될 수 있다. 또한, 제어기(155)는 불연속 요소 회로(discrete element circuit) 또는 프로그램 가능한 로직 디바이스(programmable logic device)(PLD), 프로그램 가능한 어레이 로직 디바이스(programmable array logic device)(PAL), 프로그램 가능한 로직 어레이(programmable logic array)(PLA) 등과 같은 프로그램 가능한 로직 디바이스를 포함하는, 하드와이어형 전자 회로 또는 로직 회로와 같은, 다양한 별도의 전용 또는 프로그램 가능한 집적 회로 또는 다른 전자 회로 또는 디바이스를 사용하여 실시될 수도 있다.
일 실시예에 있어서, 제어기(155)에 의해 수행되는 처리 기능은 소프트웨어로 실시될 수 있으며, 이것은 펌웨어, 상주(resident) 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는다. 또한, 제어기(155)에 의해 수행되는 처리 기능은 컴퓨터 또는 임의의 명령 실행 시스템(예를 들어, 처리 유닛)에 의한 또는 이와 함께 사용하기 위한 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터 사용 가능한 또는 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 억세스 가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 이 서술의 목적을 위해, 컴퓨터 사용 가능한 또는 컴퓨터 판독 가능한 매체는 컴퓨터 또는 명령 실행 시스템에 의해 또는 이와 함께 사용하기 위한 프로그램을 포함 또는 저장할 수 있는 임의의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체일 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스)일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체의 예는 반도체 또는 솔리드 스테이트 메모리(solid state memory), 랜덤 억세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 단단한 자기 디스크 및 광학 디스크를 포함한다. 광학 디스크의 현존의 예는 컴팩트 디스크-판독 전용 메모리(CD-ROM), 컴팩트 디스크-판독/기입(CD-RW), 및 디지탈 비디오 디스크(DVD)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도 1에 도시된 시스템(100)의 작동을 도시한 흐름도(200)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 센서 판독값은 도면부호 205 에서 엔진의 배기 스트림으로부터 얻어진다. 이것은 가스 센서(145)로부터 얻은 가스 농도 및 엔진(150)의 외부에 위치된 센서(150)(도 1)로부터 작동 조건을 얻는 것을 포함할 수 있다.
흐름도(200)에서 계속하여, NO, NO2, 및 NH3 의 농도가 도면부호 210 에서 추정된다. 이것은 전술한 방식으로 NO, NO2, 및 NH3 의 농도를 추정하기 위해, 가스 센서(145) 및 센서(150)로부터 얻어진 데이터를 추정기(160)에 저장된 OC 모델, SCR 촉매 모델, 및 방출물 농도 모델에 적용하는 것을 포함할 수 있다.
그 후, 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 흐름율이 도면부호 215 에서 결정될 수 있다. 특히, NO, NO2, 및 NH3 의 추정된 농도는 기체 환원제 분사기(125)(도 1)에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 흐름율을 결정하기 위해 제어 알고리즘(165)(도 1)에 의해 사용될 수 있다.
그 후, 기체 환원제 분사기(125)는 결정된 흐름율에 따라 도면부호 220 에서 기체 환원제(예를 들어, 요소)를 배기 스트림 내로 분사할 수 있다. 이 방식으로 기체 환원제는 조건이 흐름율의 변화를 보증하지 않으면 연속적으로 증가, 감소, 또는 그 현재의 비율로 유지될 수 있다. 그 결과로서, NOx 및 NH3 방출의 최소화를 촉진시키는, 배기 스트림 내로 기체 환원제의 최적의 양이 분사된다.
도 2의 전술한 흐름도는 기체 환원제 분사 제어 시스템(100)을 사용하는 것과 관련된 처리 기능의 일부를 도시하고 있다. 이에 관해, 도면의 각각의 블럭은 배기 후처리 시스템(100)의 기능을 수행하는 것과 관련된 처리 작동을 나타낸다. 일부 대안적인 실시에 있어서, 블럭에서 기재된 작동은 도면에 기재된 순서를 벗어나 이루어질 수 있으며, 또는 예를 들어 실제로 포함된 작동에 따라 실질적으로 동시에 또는 역순으로 실행될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 본 기술분야의 통상적인 숙련자는 처리 기능을 도시한 추가적인 블럭이 추가될 수 있음을 인식할 것이다.
여기에 서술되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예는 요소 용액과 같은 기체 환원제의 소비를 최소화하는 반면, 연소 처리로부터 NOx 및 NH3 방출을 최소화하기 위한 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명의 다양한 실시예는 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 최적의 양을 결정하기 위해 배기 스트림의 NO 농도, NO2 농도, 및 NH3 농도를 추정하는 것에 관한 것이다. 이것은 배기 후처리 제어 시스템에 의해 제거될 수 있는 해로운 방출물의 감소를 의미한다.
여기에 사용된 기술용어는 단지 특별한 실시예를 서술하기 위한 것이며 또한 상기 서술을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "하나의(a)", "하나의(an)", 및 "그(the)"는 내용이 달리 명확하게 표시되지 않는 한 복수 형태를 포함하는 것으로 의도된다. "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)", "포함하다(include)", "포함하는(including)", 및 "갖는(having)"이라는 용어는 이 명세서에서 사용될 때 언급된 특징, 정수(integer), 단계, 작동, 요소, 및/또는 부품의 존재를 특정하지만, 그러나 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 부품, 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음이 추가로 인식될 것이다. 또한, "전방(front)", "후방(back)"이라는 용어는 제한하는 것으로 의도되지 않으며 또한 적절히 호환 가능한 것으로 의도되는 것으로 인식된다.
본 서술은 그 바람직한 실시예와 함께 도시 및 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자에 의해 변형 및 수정이 행해질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는, 본 서술의 진정한 사상 내에 속하는 한, 이런 모든 수정 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.
105: 엔진 115: 산화 촉매(OC)
125: 기체 환원제 분사기 135: 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매
140: 배기 스트림 145: 가스 센서
150: 센서 155: 제어기
160: 추정기 165: 제어 알고리즘

Claims (20)

  1. 시스템으로서,
    엔진;
    엔진으로부터 발생된 배기 스트림과 유체 연통하는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매;
    SCR 촉매의 상류에 있으며 또한 배기 스트림과 유체 연통하는 산화 촉매(OC);
    SCR 촉매의 상류에 그리고 OC의 하류에 있으며 또한 배기 스트림과 유체 연통하는 기체 환원제 분사기;
    OC의 상류의 제1 가스 센서;
    SCR 촉매의 하류의 제2 가스 센서;
    제1 가스 센서, 제2 가스 센서, 및 기체 환원제 분사기에 작동 가능하게 연결된 제어기
    를 포함하며,
    상기 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 배기 스트림에서 검출된 혼합 가스 농도를 나타내는 신호를 수신하며, 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도에 따라 기체 환원제 분사기에 대해 SCR 촉매 입구에서 배기 스트림에서의 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 개별 종 농도를 추정하며, 또한 개별 NO 종 농도 추정값 및 NO2 종 농도 추정값에 기초하여 기체 환원제 분사기에 의해 배기 스트림 내로 분사될 기체 환원제의 유량을 결정하고,
    상기 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도는 배기 스트림에서의 NO, NO2 및 NO, NO2 이외의 가스 농도를 포함하는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 가스 센서 및 상기 제2 가스 센서는 질소 산화물(NOx) 센서, 암모니아 센서, 및 그 조합물 중 하나를 포함하는 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 OC 모델 및 SCR 촉매 모델을 포함하는 것인 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어기는 엔진의 배기 스트림에 발생된 방출물 농도를 나타내는 방출물 모델을 얻도록 구성되는 것인 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    배기 스트림과 유체 연통하는 복수 개의 센서
    를 추가로 포함하며, 상기 복수 개의 센서 각각은 엔진으로부터의 작동 조건을 검출하는 것인 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수 개의 센서는 유량 센서, 온도 센서, 및 압력 센서를 포함하는 것인 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 제1 가스 센서 및 상기 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도 및 상기 복수 개의 센서에 의해 검출된 엔진으로부터의 작동 조건에 따라 NO 종 농도 및 NO2 종 농도를 추정하는 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도에 따라 배기 스트림에서의 암모니아(NH3)의 농도를 추정하도록 추가로 구성되는 것인 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기체 환원제 분사기는 요소 용액 분사기(urea solution injector)인 것인 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 엔진은 희박 연소 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 엔진으로부터 발생된 배기 가스의 배기 후처리를 위한 요소 분사 제어 시스템(urea injection control system)으로서,
    배기 가스와 유체 연통하는 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매;
    SCR 촉매의 상류에서 배기 가스와 유체 연통하는 산화 촉매(OC);
    SCR 촉매의 상류 및 OC의 하류에서 배기 가스에 요소(urea)를 분사하는 요소 용액 분사기;
    배기 가스에서의 혼합 가스 농도를 검출하는, OC의 상류의 제1 가스 센서;
    배기 가스에서의 혼합 가스 농도를 검출하는, SCR 촉매의 하류의 제2 가스 센서;
    엔진으로부터의 작동 조건을 검출하는, 배기 스트림과 유체 연통하는 복수 개의 센서;
    상기 제1 가스 센서, 상기 제2 가스 센서, 상기 복수 개의 센서, 및 상기 요소 용액 분사기에 작동 가능하게 연결된 제어기
    를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 제1 가스 센서 및 상기 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도 및 상기 복수 개의 센서에 의해 검출된 작동 조건에 따라 요소 용액 분사기에 대해 SCR 촉매 입구에서 배기 가스에서의 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)의 개별 종 농도를 추정하며, 상기 제어기는, 개별 NO 종 농도 추정값 및 NO2 종 농도 추정값 그리고 검출된 작동 조건에 기초하여, 요소 용액 분사기에 의해 배기 가스 내로 분사되는 요소(urea)의 유량을 결정하고,
    상기 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도는 배기 가스에서의 NO, NO2 및 NO, NO2 이외의 가스 농도를 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 가스 센서 및 상기 제2 가스 센서는 질소 산화물(NOx) 센서, 암모니아 센서, 및 그 조합물 중 하나를 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 OC 모델 및 SCR 촉매 모델을 갖는 추정기를 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 추정기는 엔진의 배기 가스에서 발생된 방출물 농도를 나타내는 방출물 모델을 얻도록 구성되는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 추정기는 선형 관찰기(observer)와 비-선형 관찰기 중 하나인 것인 요소 분사 제어 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제어기는, 추정기로부터 NO 종 농도 추정값 및 NO2 종 농도 추정값을 수신하고 또한 요소 용액 분사기에 의해 배기 가스 내로 분사될 요소의 유량을 결정하는 제어 알고리즘을 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 상기 복수 개의 센서는 배기 가스의 유량을 검출하는 유량 센서, 배기 가스의 온도를 검출하는 온도 센서, 및 배기 가스의 압력을 검출하는 압력 센서를 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도, 배기 가스의 유량, 배기 가스의 온도, 및 배기 가스의 압력에 따라 NO 종 농도 및 NO2 종 농도를 추정하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서에 의해 검출된 혼합 가스 농도에 따라 배기 스트림에서의 암모니아(NH3)의 농도를 추정하도록 추가로 구성되는 것인 요소 분사 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어기는, NH3 농도 추정값을 수신하고 또한 요소 용액 분사기에 의해 배기 가스 내로 분사될 요소의 유량을 결정하는 제어 알고리즘을 포함하는 것인 요소 분사 제어 시스템.
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