KR19990063610A - 연소장치의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제량을측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

연소장치의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제량을측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원제 투입량이 연소장치, 배기 가스(6) 및 경우에 따라 유해물질 감소에 사용되는 촉매 변환기(2)의 작동 파라메터를 기초로 하는 함수 관계, 특히 특성 곡선 또는 특성 곡선 필드에 의해 설정되는, 연소장치, 특히 내연 기관(1)의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제(4)의 양을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 작동 동안 함수 관계가 모니터링되고, 연소장치, 배기 가스(6) 및 경우에 따라 촉매 변환기(2)의 실제 상태 및 실제 작동 조건에 따라 조정된다.

Description

연소장치의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제량을 측정하기 위한 방법 및 장치
독일 특허 공개 제 43 15 278 A1호에는 내연기관의 산화질소 함유 배기 가스내로 투입될 환원제량의 측정 방법 및 장치가 공지되어 있다. 여기서는 배기 가스내로 투입되는 환원제량이 작동 파라메터에 따라 제어 유니트에 의해 세팅된다. 이로 인해, 최적의 환원제량이 투입됨으로써, 촉매 변환기에서 산화질소의 완전한 촉매 변환이 이루어지고 환원제 슬립이 피해져야 한다.
내연 기관의 작동 파라메터, 예컨대 콘트롤 로드 거리, 공기 충전 압력 또는 엔진 속도는 제어 유니트에서 특성 필드 형태의 미리 주어진 함수 관계를 이용해서 환원제량로 환산된다. 촉매 변환기의 작동 파라메터, 예컨대 촉매 활성도 또는 저장기 용량도 제어 유니트에서 부가로 환원제량의 계산에 사용된다. 촉매변환기의 에이징은 내연기관의 작동 기간에 따라 촉매 변환기의 작동 파라메터를 실험실 시험에서 검출된 에이징 곡선에 상응하게 변동시키는 방식으로 고려된다.
그러나, 상기 방법에서는 에이징, 마모 또는 변동되는 작동 조건에 의한 내연 기관 함수 관계의 변동은 고려되지 않는다.
독일 특허 제 33 37 793 C2호에는 연소장치의 산화질소 함유 배기 가스내로 투입될 환원제량을 측정하기 위한 방법이 공지되어 있다. 여기서는 산화질소의 농도와 환원제의 농도 사이의 관계를 나타내는 화학량론-곡선이 상응하게 이동되는 방식으로, 산화질소를 없애기 위해 사용되는 촉매변환기의 에이징이 고려된다.
그러나, 두 방법에서는 작동 파라메터와 투입될 환원제량 사이의 함수 관계를 검출하는데 사용되는 내연기관 또는 연소장치 및 촉매변환기의 특성값이 예측 불가능하게 변동되면, 최적의 환원제량이 투입되지 않는다.
본 발명은 청구범위 제 1항의 전문에 따른 방법 및 청구범위 제 17항의 전문에 따른 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예를 설명하기 위한 다이어그램이며,
도 3은 이동에 의한 특성 곡선의 조정예이고,
도 4는 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시예에 대한 다이어그램이며,
도 5는 보간에 의한 특성 곡선의 조정예이다.
본 발명의 목적은 에이징 또는 마모에 의해 연소장치의 특성값이 예측 불가능하게 변동되는 경우에도 유해물질을 없애기 위한 최적의 환원제량을 투입할 수 있도록 구성된, 환원제 투입량을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
방법에 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 방법의 바람직한 실시예는 종속항 제 2항 내지 16항에 제시된다.
장치와 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 17항의 특징에 의해 달성된다. 장치의 바람직한 실시예는 청구범위 18항에 제시된다.
선행 기술과는 달리, 본 발명에 따른 방법에서는 최적의 환원제 투입량 검출시 작동 파라메터 이상의 값이 검출 및 고려될 수 있다. 상기 부가의 값으로는 특히 에이징 상태, 마모 상태 및 그밖의 특별한 작동 조건이 있다. 따라서, 최적의 환원제량을 검출하기 위해 사용되는, 예컨대 특성 곡선 또는 특성 필드의 형태인, 작동 파라메터와 투입될 환원제량 사이의 함수 관계가 정적으로 또는 실험실 시험에서 미리 검출되지 않고, 연소장치의 실제 작동 동안 동적으로 그리고 규칙적으로 모니터링되며 다시 새로이 정해진다.
본 발명에 따른 방법은 연소장치의 오랜 작동 동안 실제 작동 조건에 따라 조정되는, 독자적인 조정 방법이다. 따라서, 최적의 환원제량으로 인해 환원제의 바람직한 소비가 이루어지고 연소장치의 최상의 작동점이 세팅된다.
함수 관계의 모니터링 및 조정은 한편으로는 수동으로 필요에 따라 이루어지거나(예컨대 연소 장치의 위치 변동시) 또는 (주기적으로) 연소장치의 시스템내에 통합된 부가 유니트에 의해 독자적으로 수행될 수 있다.
이미 통상적으로 고려되는 작동 파라메터와 더불어, 연소장치의 실제 상태값 및 실제 작동 조건이 고려됨으로써, 최적의 환산제 투입량 검출시 연소장치의 작동을 위해 고려되어야 할 모든 팩터가 고려된 전체 시스템으로서 연소장치의 이미지화가 이루어진다.
본 발명에 따른 방법은 규칙적인 모니터링 및 조정에 의해 스스로 체크되기 때문에, 특정한 그리고 일반적인 또는 연소 장치의 작동 기간에 따라 요구되는 가정 상태에만 적용되는 함수 관계로 유지되지 않는다.
본 발명에 따라 한편으로는 보정 팩터에 의해 함수 관계가 조정될 수 있다. 특정 입력값 및 출력값으로 환원제량을 나타내는 가장 간단한 특성 곡선의 경우 보정 팩터의 도입에 의해 각각의 입력값에 할당된 출력값이 일반적으로 보정 팩터 만큼 증가되거나 감소될 수 있다.
복잡한 함수 관계에서는 개별 파라메터 및 특성 곡선의 함수 방정식의 웨이팅이 개별적으로 또는 누적적으로 변동될 수 있다. 유사한 방식으로 특성 곡선 필드의 조정시 개별적인 입력값과의 관계 또는 전체 방정식 시스템의 함수 성분의 별도의 또는 누적적 조정이 이루어진다.
단 하나의 입력값을 포함하는 가장 간단한 함수 관계의 경우 가산 값 또는 감산 값의 형태인 보정 팩터의 도입에 의해 예컨대 함수 관계를 나타내는 특성 곡선의 변동이 일어날 수 있다.
본 발명에 따라 함수 관계의 조정이 수치 계산법에 의해 이루어진다. 재차 하나의 입력값을 포함하는 가장 간단한 특성 곡선의 경우 예컨대 특성 곡선의 포물선형 영역의 시작점 및 끝점이 새로이 보정된 특성 곡선에 대해서도 사용되는 한편, 출발 특성 곡선의 시작 영역과 끝 영역 사이에서 새로운 함수 사이값(예컨대 보간에 의해)의 검출이 이루어진다. 유사한 방식으로 다차원 특성 곡선(-필드)에서 적합한 수치 계산법 또는 다중 보간이 수행될 것이다.
본 발명의 방법에 따른 함수 관계의 조정을 위해, 다수의 수학적 방법(예컨대, 수치 계산법과 간단한 보정 팩터 결정의 조합)을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 의한 함수 관계의 조정 가능성은 제 1 실시예에서 바람직하게는 연소 장치의 배기 가스 또는 공기 흐름 중의 유해 물질 농도를 검출하는 것으로 시작한다. 그리고 나서, 센서에 의해 유해물질 농도가 유해물질 허용오차 범위내에 있는지 아니면 허용 오차 범위 밖에 있는지의 여부가 결정된다. 유해물질 허용오차 범위가 초과되거나 미달되면, 특정 보정 팩터에 의해 공급되는 환원제량의 자동 증가 또는 감소가 이루어진다. 너무 높은 유해물질 농도를 피하기 위해, 예컨대 환원제량이 약 1.1 배 증가된다.
이러한 정확한 보정 팩터는 공급될 환원제량의 검출을 위해 함수 관계를 조정하는데도 사용되므로, 너무 높은 유해물질 농도로 인한 함수 관계의 에러가 제거된다.
끝으로, 재차 배기 가스 또는 공기 흐름 중의 유해물질 농도가 검출되고 너무 높은 또는 너무 낮은 유해물질 농도가 다시 나타나면, 새로운 보정 팩터에 의해 환원제 투입량이 재차 보정되고, 상기 보정에 후속해서 보정 팩터에 의한 함수 관계의 조정이 이루어진다.
전술한 방법은 배기 가스 또는 공기 흐름 중의 유해 물질 농도가 유해물질 허용오차 범위내에 놓일 때까지 일관되게 반복된다. 이것에 수반해서, 보정 팩터의 한 번 또는 여러 번 사용에 의해 함수 관계의 지속적인 조정이 이루어진다.
최적의 환원제량, 및 실제 조건에 따라 조정된 새로운 함수 관계가 얻어진다.
본 발명에 따른 방법의 제 2 실시예에서는, 공급된 환원제량이 실제로 필요한 환원제량을 초과하기 때문에, 환원제 슬립(즉, 초과량의 환원제)이 생긴다. 상기 환원제 슬립은 적합한 센서 소자, 예컨대 NH3-센서에 의해 검출되어 제어된다.
환원제 슬립의 상기 상태로부터 환원제 슬립값, 실제 상태값 및 작동 파라메터의 사용에 의해 연소장치의 최상의 작동점이 계산된다. 이 작동점이 연소장치의 실제 작동점(환원제 슬립의 발생 전)과 다르면, 함수 관계가 조정됨으로써, 발생된 환원제 슬립의 제거 후에도 연소장치의 최적의 작동점이 얻어진다.
본 발명에 따른 방법의 전술한 실시예와는 무관하게, 함수 관계의 조정이 전술한 바와 같이 여러 가지 방법 또는 이 방법들의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
일반적으로 바람직하게는 함수 관계의 조정이 연소장치의 전제 작동 특성의 안전 및 모니터링 함수에 의해 제어됨으로써, 조정 동안 연소장치의 안정한 작동 상태가 보장된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서는 실제 상태값(예컨대, 에이징 또는 마모) 또는 실제 작동 조건(예컨대, 특별한 부하 상태)과 더불어, 종래의 작동 파라메터가 검출된다. 예컨대, 내연 기관의 작동 파라메터로서 특히 공기 유동량, 가스 페달 위치, 충전 압력 및 엔진 속도가 고려된다.
배기 가스의 작동 파라메터로는 특히 그것의 온도, 압력, 유동량 및 유해물질 농도가 있다. 유해물질 감소를 위해 사용되는 촉매 변환기의 작동 파라메터로는 특히 그것의 온도, 촉매 활성도, 촉매 활성 물질의 중량, 구조, 열 전달 및 본 발명에 따른 방법에 사용시 온도에 의존하는 환원제 저장기 용량이 있다.
촉매 변환기를 구비한 연소장치의 시동 전에 일정한 출발 상태를 만들기 위해, 바람직하게는 푸른 불꽃 버너의 배기 가스의 유입에 의해 촉매 변환기로부터 환원제가 세척된다.
연소장치의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제량을 측정하기 위한, 특히 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치는 (통상적으로 검출되는 작동 파라메터와 더불어) 전체 연소 장치, 특히 내연 기관, 배기 가스 및 촉매 변환기의 실제 상태 및 실제 작동 조건을 검출하는 센서 소자를 포함한다.
부가로 본 발명에 따른 장치는 센서 소자에 접속된 중앙 유니트를 포함한다. 상기 중앙 유니트에서는 함수 관계를 이용해서 환원제의 투입량이 계산될 수 있다. 특히 중앙 유니트에 의해 센서 소자에 의해 검출된 측정값에 따른 함수 관계의 조정 및 모니터링도 가능하므로, 센서 소자로부터 전달된 마모 파라메터 또는 에이징 파라메터가 전술한 방식으로 고려된다.
부가로 중앙 유니트는 바람직하게는 내연기관, 촉매 변환기, 환원제 공급 수단, 및 내연 기관에 속하는 그밖의 조립체의 전체 제어 및 모니터링을 위해 사용되며, 함수 관계의 조정시에도 고려되는 안전 및 모니터링 함수를 포함한다.
본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 1은 내연 기관(1)을 포함하는 연소 장치의 전체 시스템을 나타낸다. 상기 내연 기관(1)의 배기 가스(6)는 세척을 위해 촉매 변환기(2)내로 유입된다. 부가로 환원제 용기(3)내에 저장된 환원제(4) 및 필요에 따라 푸른 불꽃 연소장치(5)의 배기 가스가 촉매 변환기(2)내로 유입된다. 전체 장치의 여러 장소에 작동 파라메터를 검출하기 위한 그리고 전체 장치의 실제 상태 및 작동 조건을 측정하기 위한 센서 소자(S1-S5)가 제공된다. 함수 관계의 조정은 중앙 유니트(7)에 의해 이루어진다. 상기 중앙 유니트(7)는 제어를 위해 모든 시스템 구성 부품과 접속되며, 특히 센서 소자(S1-S5)에 의해 측정된 측정값을 검출하고 처리한다.
도 2를 참고로 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예를 설명한다. 횡축의 하나의 파라메터(21)에 의한 유해물질 농도(20)의 간단한 측정으로부터, 유해 물질 농도(20)의 값(K)이 결정된다. 먼저, 유해 물질 범위의 허용 오차 윈도우(8) 상부에 놓인 농도 값(K1)이 검출된다. 따라서, 너무 적은 환원제가 첨가되었다는 것이 확인된다.
다음 단계로서 환원제량(22)이 보정 팩터(예컨대 1, 2) 만큼 변동됨으로써 증가된다(참고: 도 3). 선택된 보정 팩터와 관련해서, 최적의 환원제량(22)을 검출하기 위한 특성 곡선의 이동이 이루어짐으로써, 도 3에 따라 -파선의 원래 출발 곡선(9)으로부터- 보정 팩터 만큼 이동되어 조정된 특성 곡선(10)이 주어진다.
그리고 나서, 재차 유해물질 농도(20)가 측정되고, 농도값(K2)이 허용 오차 윈도우(8)내에 놓이는지가 확인된다. 연소 장치의 향후 작동시 도 3에 따른, 조정된 특성 곡선(10)으로부터 출발한다.
도 2 및 3에 도시된 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예는 단 하나의 값으로 이루어진 간단한 특성 곡선을 전제로 했다. 보정 팩터에 의한 전술한 조정 과정은 유사한 방식으로 다차원 특성 곡선(-필드)으로 전달될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 제 2 실시예는 도 4 및 도 5에 도시된다. 먼저, 연소 장치가 도 4의 작동점(A1)에서 작동된다.
적합한 센서 소자(예컨대, NH3-센서)의 모니터링 하에 환원제량(22)의 증가에 의해 그리고 환원제 슬립(23)의 형성과 동시에 유해물질 농도(20)의 감소에 의해 작동점(As)이 주어진다. 상기 작동점(As)으로부터 상기 환원제 슬립(23)을 이용해서 작동 파라메터, 실제 상태값 및 실제 작동 조건이 계산된다. 상기 파라메터, 상태값 및 작동 조건은 최적의 환원제량 및 그에 따라 보정 전 작동상태에 대한 최상의 작동점(A2)을 나타낸다.
가장 간단한 경우, 슬립 상태에서 주어지는 환원제량(22)이 경험적 팩터 만큼 보정됨으로써, 보정 전 작동상태에 대해 최상의 작동점(A2)이 결정된다. 이것은 환원제량(22)에 대해 적은 초과량분의 환원제를 취함으로써 이루어진다.
본 경우에는 최상의 작동점(A2)이 원래의 작동점(A1)과 다르다. 따라서, 원래의 작동점(A1)에서 작동을 위해 사용되는 특성 곡선(9')이 도 5에 따라 조정되어야 한다. 이것은 도 5의 경우에 출발 특성 곡선(9')의 시작점(11) 및 끝점(12)의 인수에 의해 그리고 작동점(A2)에 의해 조정된 새로운 특성 곡선(10')의 계산에 의해 (예컨대, 시작점(11), 작동점(A2) 및 끝점(12) 사이의 사이값을 검출하기 위한 보간 방법을 사용해서) 이루어진다.
후속 작동시 연소장치는 작동점(A2)에서 작동되고, 연소장치의 실제 상태값 및 실제 작동값을 고려한, 조정된 특성 곡선(10')에 따라 환원제량이 결정된다.

Claims (18)

  1. 환원제 투입량이 연소장치, 배기 가스(6) 및 경우에 따라 유해물질 감소에 사용되는 촉매 변환기(2)의 작동 파라메터를 기초로 하는 함수 관계, 특히 특성 곡선 또는 특성 곡선 필드에 의해 설정되는, 연소장치, 특히 내연 기관(1)의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제(4)의 양을 측정하기 위한 방법에 있어서, 작동 동안 함수 관계가 모니터링되고, 연소장치, 배기 가스(6) 및 경우에 따라 촉매 변환기(2)의 실제 상태 및 실제 작동 조건에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 함수 관계의 모니터링 및 조정이 필요에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 함수 관계의 모니터링 및 조정이 독자적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 함수 관계가 독자적으로 그리고 주기적으로 모니터링되고 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 함수 관계의 조정이 보정 팩터에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 보정 팩터가 작동 파라메터에 대한 가산값 또는 감산값인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 함수 관계가 수치 계산법에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 함수 관계가 보간에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 배기 가스 또는 공기 흐름 중의 유해 물질 농도를 검출하는 단계,
    b) 유해물질 허용오차 범위를 벗어나는지를 확인하는 단계,
    c) 유해물질 허용오차 범위를 초과하거나 미달하는 경우, 보정 팩터 만큼 환원제 공급량을 증가시키거나 감소시키는 단계,
    d) 공급될 환원제량을 검출하기 위한 함수 관계를 보정 팩터 만큼 조정하는 단계,
    e) 검출된 유해물질 농도 측정값이 유해물질 허용오차 범위를 벗어나지 않는다는 것이 검출될 때까지, 단계 a) - d)를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 공급되는 환원제량을 증가시키고 일정한 환원제 슬립을 발생시키는 단계,
    b) 일정한 환원제 슬립, 실제 상태값 및 작동 파라메터를 사용해서 연소장치의 작동점을 계산하는 단계,
    c) 계산된 작동점이 원래의 특성 곡선 또는 특성 필드에 의해 정해진 순시 작동점과 다른 경우, 공급될 환원제량을 결정하기 위한 함수 관계를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 환원제 슬립이 센서 소자, 특히 NH3-센서에 의해 검출되고 모니터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 함수 관계의 조정이 안전 및 모니터링 함수에 의해 가능해지거나 또는 저지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 연소장치가 내연기관(1)이며, 내연기관(1)의 작동 파라메터로서 공기 유동량 및/또는 가스 페달 위치 및/또는 충전 압력 및/또는 모터 속도가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스(6)의 작동 파라메터로서 그것의 온도 및/또는 압력 및/또는 유동량 및/또는 유해물질 농도가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 변환기(2)의 작동 파라메터로서 그것의 온도 및/또는 촉매 활성도 및/또는 촉매 활성 물질의 중량 및/또는 구조 및/또는 열 전달 및/또는 환원제(4)의 저장기 용량이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 연소장치의 시동 전에 푸른 불꽃 연소에 의해 촉매 변환기(2)로부터 환원제(4)가 세척되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 환원제 투입량이 연소장치, 배기 가스(6) 및 경우에 따라 유해물질 감소에 사용되는 촉매 변환기(2)의 작동 파라메터를 기초로 하는 함수 관계, 특히 특성 곡선 또는 특성 곡선 필드에 의해 설정되는, 연소장치, 특히 내연 기관(1)의 배기 가스 또는 공기 흐름내로 투입될 환원제(4)의 양을 측정하기 위한 장치에 있어서, 내연기관(1), 배기 가스(6) 및 경우에 따라 촉매 변환기(2)의 실제 상태 및 실제 작동조건을 검출하기 위한 센서 소자(S), 및 함수 관계에 의해 환원제(4)의 투입량을 결정하기 위한 그리고 함수 관계을 모니터링하고 센서 소자(S)에 의해 검출된 측정값에 따라 실제 작동 조건 및 실제 상태에 알맞게 함수 관계를 조정하기 위한 중앙 유니트(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 중앙 유니트(7)가 연소장치, 촉매 변환기(2), 환원제 공급 수단, 및 연소장치에 속한 그밖의 조립체의 전체 제어 및 모니터링을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
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