KR102660647B1 - 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기 가스 라인(11) 내에 연이어 배열된 2개의 SCR 촉매 컨버터들(21, 22)을 구비한 SCR 촉매 컨버터 시스템(20) 내의 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법에 관한 것이다. 하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 하류의 예상되는 질소 산화물 유동량이, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 하류에서 측정된 질소 산화물 유동량과 비교된다. 상기 비교 결과에 따라 보정이 실행된다.

Description

모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법{METHOD FOR CORRECTING A MODELED AMMONIA FILLING LEVEL}
본 발명은 배기 가스 라인 내에 연이어 배열된 2개의 SCR 촉매 컨버터들을 구비한 SCR 촉매 컨버터 시스템 내의 하류측 SCR 촉매 컨버터의 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법의 각각의 단계를 실행하는 컴퓨터 프로그램과, 이러한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 기계 판독 가능한 저장 매체에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 상기 방법을 실행하도록 구성된 전자 제어 장치에 관한 것이다.
산소가 풍부한 배기 가스 내 질소 산화물을 감소시키기 위한 유망한 방법으로서는 암모니아 또는 암모니아 분해 반응물을 사용한 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)이 있다. SCR 촉매 컨버터의 효율은 자신의 온도와, 배기 가스의 공간 속도와, 매우 결정적으로는 자신의 표면에 흡수된 암모니아의 충전 수준에 좌우된다. 질소 산화물의 환원을 위해 직접 계량 공급되는 암모니아 외에, 흡수된 암모니아도 제공됨으로써, SCR 촉매 컨버터의 효율은 텅빈 촉매 컨버터에 비해 상승한다. 이러한 저장 특성은 촉매 컨버터의 각각의 작동 온도에 좌우된다. 온도가 낮을수록 저장 용량은 커진다.
SCR 촉매 컨버터가 자신의 저장기를 완전히 충전하면, SCR 촉매 컨버터에 의해 배기 가스가 감소되는 내연 기관의 부하 상승 시에는 암모니아 또는 암모니아 분해 반응물이 배기 가스 라인에 더 이상 계량 공급되지 않더라도 암모니아 슬립이 발생할 수 있다. 가능한 높은 질소 산화물 변환이 달성되어야 한다면, 높은 암모니아 충전 수준에서 SCR 시스템을 작동하는 것이 불가피하다. 내연 기관의 부하 상승에 의해, 완전 충전된 SCR 촉매 컨버터의 온도가 상승하면, 그 암모니아 저장 용량은 저하되는데, 이는 암모니아 슬립을 야기한다.
이러한 효과는 SCR 촉매 컨버터가 내연 기관의 냉간 시동 이후에 신속하게 자신의 작동 온도에 도달하도록 SCR 촉매 컨버터들이 내연 기관에 가깝게 장착됨으로써 특히 현저하게 나타난다. 따라서, 제1 SCR 촉매 컨버터 하류의 제2 SCR 촉매 컨버터는 제1 촉매 컨버터의 암모니아 슬립으로부터 암모니아를 흡수하고 뒤이어 변환을 실행하기 위해 배기 가스 라인 내에 제공될 수 있다.
온보드 진단(OBD)을 위한 지침은 두 SCR 촉매 컨버터들이 모니터링되어야 함을 요구한다. 이를 위해, 대개 두 SCR 촉매 컨버터들의 하류에는 각각 하나의 질소 산화물 센서가 존재한다. 비용 상의 이유로, 대개는 배기 가스 라인 내로 암모니아 분해 환원제 용액을 계량 공급하기 위한 하나의 계량 밸브만이 제1 SCR 촉매 컨버터 상류에 장착된다. 따라서, 제2 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 충전은 제1 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 슬립을 통해서만 실행된다. 그러나, 추가의 계량 밸브가 SCR 촉매 컨버터들 사이에 배열될 수도 있다. 센서들의 데이터는 두 SCR 촉매 컨버터들의 충전 수준을 모델링하기 위해 사용될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 제2 또는 하류측 SCR 촉매 컨버터 내의 물리적 암모니아 충전 수준은 모델링된 암모니아 충전 수준과 상이할 수 있다. 물리적 암모니아 충전 수준이 너무 낮으면 제2 SCR 촉매 컨버터의 질소 산화물 변환은 감소되며, 이때 한계값의 초과가 야기될 수 있다. 신속한 적응 방법이 제2 SCR 촉매 컨버터 하류측의 질소 산화물 설정값을 재차 보정할 수 있지만, 에러의 원인을 제거하기는 어려운데, 이는 이러한 적응 방법에서는 에러 원인을 제1 SCR 촉매 컨버터의 영역에서 찾을 수 있는지 또는 제2 SCR 촉매 컨버터의 영역에서 찾을 수 있는지를 모르기 때문이다.
본 발명의 방법은, 배기 가스 라인 내에 연이어 배열된 2개의 SCR 촉매 컨버터들을 구비한 SCR 촉매 컨버터 시스템 내의 하류측 SCR 촉매 컨버터의 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정을 위해 사용된다. 이 경우, 상류측 SCR 촉매 컨버터는 내연 기관을 향해 있고, 하류측 SCR 촉매 컨버터는 배기 가스 라인의 배출부를 향해 있다. 하류측 SCR 촉매 컨버터 하류의 예상되는 질소 산화물 유동량이, 하류측 SCR 촉매 컨버터 하류에서 측정된 질소 산화물 유동량과 비교된다. 보정은 상기 비교 결과에 의해 실행된다.
상류측 SCR 촉매 컨버터는 종래의 작동 전략에서 2가지 설정 충전 수준을 갖는다. 최소 설정 충전 수준은 SCR 반응의 낮은 효율을 야기하지만, 암모니아 슬립은 발생하지 않는다. 최대 설정 충전 수준은 특히 200ppm을 초과하지 않는 아직 허용 가능한 암모니아 슬립과 함께, 높은 질소 산화물 변환을 야기한다. 맨 먼저, 상류측 SCR 촉매 컨버터가 최대 충전 수준에서 작동하면, SCR 효율은 매우 높으며, 발생하는 암모니아 슬립은 하류측 SCR 촉매 컨버터에 의해 수용된다. 상류측 촉매 컨버터로부터의 질소 산화물 슬립은 낮지만 암모니아 슬립은 높은 경우, 하류측 SCR 촉매 컨버터 내 암모니아 충전 수준은 하류측 SCR 촉매 컨버터의 최소 설정 충전 수준을 넘어 빠르게 상승한다. 하류측 SCR 촉매 컨버터의 최소 설정 충전 수준은 이미 높은 질소 산화물 변환을 제공하지만, 아직 상류측 SCR 촉매 컨버터로부터의 암모니아 슬립에 대한 충전 수준 수용력을 갖는다. 하류측 SCR 촉매 컨버터 내의 암모니아 충전 수준이 최소 설정 충전 수준을 초과하고 최대 설정 충전 수준에 미달하면, 상류측 SCR 촉매 컨버터 내의 암모니아 설정 충전 수준은 보간 계수에 상응하게 감소한다. 제2 SCR 촉매 컨버터 내의 충전 수준이 최대 충전 수준까지 또는 그 이상으로 상승하면, 상류측 SCR 촉매 컨버터 내의 암모니아 설정 충전 수준은 최소 충전 수준으로 감소한다. 이 경우, 하류측 SCR 촉매 컨버터 내의 최대 설정 충전 수준은, SCR 촉매 컨버터 시스템이 내부에 배치된 배기 가스 라인을 갖는 자동차의 정상 주행 작동 시에, 하류측 SCR 촉매 컨버터로부터 암모니아 슬립이 발생하지 않거나 적은 암모니아 슬립만이 발생하도록 규정된다. SCR 촉매 컨버터 시스템이 상류측 SCR 촉매 컨버터 상류의 계량 밸브 외에, SCR 촉매 컨버터들 사이에 추가의 계량 밸브를 포함한다면, 하류측 SCR 촉매 컨버터 내의 암모니아 충전 수준은 적어도 자신의 최소 설정 충전 수준으로 유지된다. 높은 암모니아 저장 용량을 야기하는 상류측 SCR 촉매 컨버터의 낮은 온도에서, 이는 제2 계량 밸브없이는 불가능할 것이다.
하류측 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 충전 수준 모델이 실제와 상이하다면, 예를 들어 하류측 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 충전 수준이 자동차의 가속 단계 동안 감소하는 경우가 야기될 수 있다. 이는 보정을 통해 방지될 수 있다. 하류측 SCR 촉매 컨버터 하류의 예상되는 질소 산화물 유동량은 바람직하게는 두 SCR 촉매 컨버터들 사이의 질소 산화물 유동량 및 하류측 SCR 촉매 컨버터의 효율로부터 산출된다. 이 경우, 상기 효율은 하류측 SCR 촉매 컨버터의 모델로부터 얻어지므로, 에러가 있는 모델값이 인식될 수 있다. 두 SCR 촉매 컨버터들 사이의 질소 산화물 유동량은 바람직하게는 질소 산화물 센서에 의해 측정된다. 또한, 한편으로는 하류측 SCR 촉매 컨버터 내로의 암모니아 유입량을 측정할 수 있고 이 유입량을 촉매 컨버터 모델에 공급할 수 있도록, 그리고 다른편으로는 질소 산화물 센서의 암모니아 교차 민감도(cross sensitivity)를 보상할 수 있도록 SCR 촉매 컨버터들 사이에는 바람직하게 암모니아 센서가 존재한다. 그러나, 기본적으로 두 SCR 촉매 컨버터들 사이의 질소 산화물 유동량 및 암모니아 유동량은 각각 하나의 모델로부터 추출될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 보정은, 두 SCR 촉매 컨버터들의 공동 제어에서 하류측 SCR 촉매 컨버터의 실제 암모니아 충전 수준이, 예상되는 질소 산화물 유동량과 측정된 질소 산화물 유동량 간의 편차에 따라 변화함으로써 실행된다. 이는 특히, 촉매 컨버터 온도가 높을 때 하류측 SCR 촉매 컨버터가 상당히 오랫동안 거의 상류측 SCR 촉매 컨버터로부터의 암모니아 슬립을 통해서만 공급받고, 상황에 따라 두 SCR 촉매 컨버터들 사이에 존재 가능한 계량 밸브가 거의 사용되지 않는 경우에 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 보정은 두 SCR 촉매 컨버터들의 공동 제어에서, 측정된 질소 산화물 유동량의 값이, 예상되는 질소 산화물 유동량과 측정된 질소 산화물 유동량 간의 편차에 따라 보정량만큼 변화함으로써 실행된다.
상기 방법의 두 실시예들에서, 상기 제어는 바람직하게는 하류측 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 충전 수준이 최대로는 사전 결정 가능한 임계값만큼, 사전 결정된 온도 의존적 암모니아 충전 수준과 상이하도록 실행되며, 이 경우 하류측 촉매 컨버터의 암모니아 슬립이 발생하지 않는다. 이러한 사전 결정된 온도 의존적 암모니아 충전 수준은 SCR 촉매 컨버터 시스템의 종래의 작동 전략에서 하류측 SCR 촉매 컨버터의 최대 설정 충전 수준이다.
컴퓨터 프로그램은 특히 연산 장치 또는 전자 제어 장치에서 실행될 때, 상기 방법의 각각의 단계를 실행하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장된다.
상기 컴퓨터 프로그램이 전자 제어 장치에 설치됨으로써, 상기 방법에 의해 하류측 SCR 촉매 컨버터의 모델링된 암모니아 충전 수준을 보정하도록 구성된 전자 제어 장치가 얻어진다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있으며, 하기의 설명부에 더 상세히 설명되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 의해 하류측 SCR 촉매 컨버터의 모델링된 암모니아 충전 수준이 보정될 수 있는, 종래 기술에 따른 SCR 촉매 컨버터 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 SCR 촉매 컨버터 시스템 내 질소 산화물 유동량의 시간에 따른 곡선을 도시한 그래프이다.
도 3은 SCR 촉매 컨버터 시스템 내 질소 산화물 유동량의 다른 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 SCR 촉매 컨버터 시스템 내 질소 산화물 유동량의 또 다른 곡선을 도시한 그래프이다.
내연 기관(10)은 자신의 배기 가스 라인(11) 내에, 도 1에 도시된 SCR 촉매 컨버터 시스템(20)을 포함한다. 이러한 시스템은 요소 수용액이 배기 가스 라인(11) 내로 분사될 수 있도록 하는 제1 환원제 계량 유닛(41)을 구비한다. 이러한 유닛으로부터는 높은 배기 가스 온도에서 암모니아가 발생된다. 제1 환원제 계량 유닛(41) 하류에는 제1 또는 상류측 SCR 촉매 컨버터(21)와, 제2 또는 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)가 배열되어 있다. 제1 SCR 촉매 컨버터의 촉매 물질은 입자 필터 상에 배열된다(SCR on filter; SCRF). 제1 NOx 센서(31)는 배기 가스 라인(11) 내에서 환원제 계량 유닛(41) 상류에 배열된다. 제2 NOx 센서(32)는 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22) 사이에 배열된다. 제3 NOx 센서는 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 하류에 배열된다. 제2 NOx 센서(32)와 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 사이에는 제2 환원제 계량 유닛(42)이 배열된다. 모든 NOx 센서들(31, 32, 33)은 자신의 신호를 전자 제어 장치(50)에 전달한다. NOx 센서들(31, 32, 33)이 교차 과민 방식으로 암모니아에 반응하므로, 이러한 센서들의 신호들은 질소 산화물 및 암모니아에 대한 합신호(sum signal)이다. 그러나, 제1 NOx 센서는 환원제 계량 유닛(41) 상류에 배열되므로, 이러한 센서는 배기 가스 내 질소 산화물 양을 신뢰 가능하게 측정한다. 제2 SCR 촉매 컨버터(22)에서 암모니아 슬립이 발생하지 않도록 SCR 촉매 컨버터 시스템(20)이 작동된다면, 제3 NOx 센서의 신호가 오로지 질소 산화물에 기초한다고 가정할 수 있다. 제2 환원제 계량 유닛(42)에 추가로, 제2 SCR 촉매 컨버터(22)에 암모니아를 제공하기 위해 제1 SCR 촉매 컨버터(21)에서 암모니아 슬립이 제공될 수 있으므로, 제2 NOx 센서는 경우에 따라 암모니아와 질소 산화물의 합신호를 제공하기도 한다. 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22) 사이에서 ppm 단위의 질소 산화물 유동량(q32)을 얻기 위해, 합신호는 ppm 단위의 암모니아 유동량만큼 감소되어야 한다. 이는 제1 SCR 촉매 컨버터의 모델로부터 또는 두 SCR 촉매 컨버터들 사이의 미도시된 암모니아 센서에 의해 검출될 수 있다. 환원제 계량 유닛들(41, 42)은 배기 가스 라인(11) 내로 계량 공급되는 암모니아 량을 마찬가지로 제어 장치(50)에 보고한다.
도 2에는 SCR 촉매 컨버터 시스템(20)의 하나의 작동 전략에서의 시간(t)에 따른 질소 산화물 유동량(q)의 곡선이 도시되어 있다. 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22) 사이의 질소 산화물 유동량(q32)은 제2 NOx 센서(32)의 신호로부터 검출된다. 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 하류측 질소 산화물 유동량(q33)은 제3 NOx 센서(33)에 의해 검출된다. "qmax"는, 제2 SCR 촉매 컨버터(22)가 자신의 최대 설정 암모니아 충전 수준으로 충전될 때 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 하류측의 예상되는 질소 산화물 유동량을 나타낸다. "qmin100"은, 제2 SCR 촉매 컨버터(22)가 자신의 최소 설정 충전 수준의 100%로 충전될 때 제3 NOx 센서(33)에서의 예상되는 질소 산화물 유동량을 나타낸다. "qmin50"은, 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 암모니아 충전 수준이 자신의 최소 설정 충전 수준의 단 50%에 상응할 때 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 하류측의 예상되는 질소 산화물 유동량을 나타낸다. 예상되는 질소 산화물 유동량들(qmax, qmin100, qmin50)은 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 효율 및 질소 산화물 유동량(32)으로부터 산출된다. 이러한 효율은 SCR 반응의 활성화 에너지; 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 온도; 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 정규화된 면적 계수; SCR 반응의 주파수 계수; 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 최소 암모니아 설정 충전 수준 및 최대 암모니아 저장 능력; 및 SCR 촉매 컨버터(22)의 체류 시간;으로부터 얻어진다. 측정된 질소 산화물 유동량(q33)은 실질적으로 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 최소 설정 충전 수준에 대한 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)에 상응함을 알 수 있다. 측정된 질소 산화물 유동량(q33)의 이러한 곡선은, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 암모니아 충전 수준이 자신의 최소 설정 충전 수준으로 조절되어야 하는 SCR 촉매 컨버터 시스템의 작동 상태에서, SCR 촉매 컨버터 시스템이 완벽하게 조절되어 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 암모니아 충전 수준이 자신의 모델링된 값에 상응하다는 것을 보여준다. 이 경우에는 보정이 불필요하다.
도 3에는 내연 기관(10)의 부하가 높을 때 제2 SCR 촉매 컨버터의 암모니아 충전 수준이 어떻게 점차 유출되는지가 도시된다. 제2 SCR 촉매 컨버터(22)의 최소 설정 충전 수준의 100%에 대한 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)에 상응하는 값으로부터 시작하여, 측정된 질소 산화물 유동량(q33)은 점차 최소 설정 충전 수준의 50%에 대한 값(qmin50)으로 하강한다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 이러한 경향은, 측정된 질소 산화물 유동량(q33)과 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100) 간의 편차로부터, 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 필요성이 인식되고; 보정량을 통해 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 내의 암모니아 충전 수준이 유지됨으로써; 중지될 수 있다.
도 4에는 암모니아 충전 수준이 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 내의 제어 개입을 통해 최대 설정 충전 수준으로부터 최소 설정 충전 수준으로 강하할 때, 제2 SCR 촉매 컨버터(22) 하류측의 측정된 질소 산화물 유동량(q33)이 어떻게 변화하는지가 도시된다. 이 경우, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 음의 보정량이 제공될 수 있는 제어 개입이 존재한다.

Claims (8)

  1. 배기 가스 라인(11) 내에 연이어 배열된 2개의 SCR 촉매 컨버터들(21, 22)을 구비한 SCR 촉매 컨버터 시스템(20) 내의 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법에 있어서,
    하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 하류의 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)이, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 하류에서 측정된 질소 산화물 유동량(q33)과 비교되고, 상기 비교 결과에 따라 보정이 실행되고,
    상기 보정은, 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22)의 공동 제어에 의해 실행되고,
    상기 제어는, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 암모니아 충전 수준이 최대로는 사전 결정 가능한 임계값만큼, 사전 결정된 온도 의존적 암모니아 충전 수준과 상이하도록 실행되며, 이 경우 하류측 촉매 컨버터의 암모니아 슬립이 발생하지 않고,
    하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 하류의 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)은 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22) 사이의 질소 산화물 유동량(q32) 및 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 효율로부터 산출되고,
    암모니아 센서에 의해 측정된, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22) 내로의 암모니아 유입량을 기초로, 상기 질소 산화물 유동량(q32)을 측정하는 질소 산화물 센서의 암모니아 교차 민감도가 보상되는 것을 특징으로 하는, 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 보정은, 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22)의 상기 공동 제어에서 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 실제 암모니아 충전 수준이, 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)과 측정된 질소 산화물 유동량(q33) 간의 편차에 따라 변화함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는, 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보정은, 두 SCR 촉매 컨버터들(21, 22)의 상기 공동 제어에서, 측정된 질소 산화물 유동량의 값이, 예상되는 질소 산화물 유동량(qmin100)과 측정된 질소 산화물 유동량(q33) 간의 편차에 따라 보정량만큼 변화함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는, 모델링된 암모니아 충전 수준의 보정 방법.
  5. 삭제
  6. 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 있고, 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법의 각각의 단계를 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램.
  7. 제6항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된 기계 판독 가능한 저장 매체.
  8. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해, 하류측 SCR 촉매 컨버터(22)의 모델링된 암모니아 충전 수준을 보정하도록 구성된 전자 제어 장치(50).
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