KR20090108638A - 배기 시스템 유체 도징의 폐루프 제어 - Google Patents

배기 시스템 유체 도징의 폐루프 제어 Download PDF

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더글라스 이. 보디
마크 엘. 델'에바
에릭 오. 바로우스
2세 제임스 이. 맥카시
존 알. 바라
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이턴 코포레이션
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Abstract

배기 라인 연료 분사 시스템(1) 및 관련된 동작 및 제어 방법이 개시된다. 연료는 가압 연료 소스(20)에 연결되는 입구(62, 81) 및, 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에 연결되는 출구(63, 82)를 가진 조절 밸브(11, 60, 70, 80)를 통해 통과한다. 상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)은, 일반적으로 체크 밸브를 포함하고, 연료를 배기 라인(30, 100)으로 분사하도록 구성되는 노즐(12, 40, 50, 60)에 연결된다. 압력 측정 장치(13)를 이용하여, 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 인디케이션이 획득된다. 제어기(14, 119)는, 압력 인디케이션으로부터의 피드백 및, 상기 노즐(12, 40, 50, 60)을 통한 유량과, 상기 배기 시스템 연료 공급 라인의 압력 및 상기 노즐(12, 40, 50, 60)에 걸친 압력 강하 중 하나 간의 미리 정해진 관계를 이용하여, 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)를 통해 제어를 제공한다. 이 방법은 단일 압력 측정 장치(13)로 실시될 수 있다. 동일한 압력 측정, 특히 이들의 주파수 스펙트럼은 시스템 고장을 검출하는데 이용될 수 있다.
엔진, 연료 펌프, 흐름 조절 밸브, 노즐, 압력 측정 장치, 제어기

Description

배기 시스템 유체 도징의 폐루프 제어{CLOSED LOOP CONTROL OF EXHAUST SYSTEM FLUID DOSING}
본 발명은 디젤 엔진 및 린번(lean-burn) 가솔린 엔진용 배기 후처리 시스템에 관한 것이다.
디젤 엔진으로부터의 NOX 및 입자상 물질(particulate matter)(soot) 배출은 환경 문제가 된다. 미국을 포함하는 여러 나라들은 이들 배출을 제한하는 오랜 계류 법안을 가지고 있다. 제조자 및 연구원들은 이들 법안에 충족하게 상당한 노력을 기울였다. 디젤 입자상 필터 (DPFs)는 입자상 물질 배출을 제어하기 위해 제안되었다. 많은 상이한 솔루션이 NOX 배출을 제어하기 위해 제안되었다.
화학량론 연료 공기 혼합물(stoichiometric fuel-air mixtures)을 이용하는 가솔린 동력 자동차에서, NOX 배출은 3웨이 촉매(three-way catalysts)를 이용하여 제어될 수 있다. 압축 점화를 이용하는 디젤 동력 자동차에서, 배기 가스는 일반적으로 3웨이 촉매에 대해 너무 산소가 풍부하여 효율적이지 않다.
디젤 동력 자동차로부터의 NOX 배출을 제어하기 위한 한 세트의 접근법은 오염 물질의 생성을 제한하는 것을 포함한다. 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation) 및 부분적으로 균질 연료 공기 혼합과 같은 기술은 NOX 배출을 환원시키는데 도움을 주지만, 이들 기술 단독은 충분치 않다. 다른 세트의 접근법은 자동차 배기 가스로부터의 NOX를 제거하는 것을 포함한다. 이들 접근법은 린번 NOX 촉매, 선택적 촉매 환원법(selective catalytic reduction, SCR), 및 린 NOX 트랩(LNTs)의 사용을 포함한다.
린번 NOX 촉매는 산소가 풍부한 조건 하에 NOX의 환원을 촉진시킨다. 산화 분위기(oxidizing atmosphere)에서의 NOX의 환원은 곤란하다. 필요한 활동, 내구성, 및 동작 온도 범위를 가진 린번 NOX 촉매를 찾는데에 대한 어려움이 입증되었다. 린번 NOX 촉매는 또한 열수적으로(hydrothermally) 불안정한 경향이 있다. 활동의 현저한 손실은 비교적 적게 사용한 후에 발생한다. 3% 이상의 연비 페널티(fuel economy penalty)를 도입하는 디젤 연료와 같은 환원제가 제공되어야 한다. 현재, 린번 NOX 촉매에 대한 피크 NOX 변환 효율은 수용할 수 없을 정도로 낮다.
SCR은 일반적으로 암모니아에 의한 NOX의 선택적 촉매 환원법을 나타낸다. 이런 반응은 산화 환경(oxidizing environment)에서도 일어난다. NOX는 흡착제 내에 일시 저장될 수 있거나, 암모니아는 배기 가스로 연속 공급될 수 있다. SCR은 NOX 환원의 고 레벨을 달성할 수 있지만, 암모니아 또는 적절한 전구체를 분산하기 위한 기반 구조가 부족한 결점이 있다. 다른 관심사는 이 환경으로의 암모니아의 가 능 배출에 관계한다.
때때로 모호한 명명의 상태를 명확히 하기 위해서는, 배기 후처리 기술 분야에서, 용어 "SCR 촉매" 및 "린(lean) NOX 촉매"는 상호 교환 가능하게 이용될 수 있는 것으로 주지되어야 한다. 그러나, 종종, 엄격히 말해서 암모니아-SCR이 유일하게 한 타입의 SCR/린 NOX 촉매임에도 불구하고, 용어 "SCR"은 바로 암모니아-SCR로 나타내는데 이용된다. 공통적으로, 암모니아-SCR 촉매 및 린 NOX 촉매의 양방이 하나의 기준으로 논의될 시에, SCR은 암모니아-SCR에 관하여 이용되고, 린 NOX 촉매는 탄화 수소를 가진 SCR과 같이 암모니아와 다른 환원제를 가진 SCR에 관하여 이용된다.
LNTs는, 린 배기 조건 하에 NOX를 흡착하여, 풍부한 배기 조건 하에 흡착된 NOX를 환원시켜 배출한다. LNT는 일반적으로 NOX 흡착제 및 촉매를 포함한다. 흡착제는 전형적으로 BaCO3와 같은 알칼리토류 화합물이고, 촉매는 전형적으로 Pt 및 Rh와 같은 귀금속의 조합물이다. 린 배기 가스에서, 촉매는 NOX 흡착에 이르는 산화 반응을 급속하게 진행시킨다. 환원 환경에서, 촉매는 흡착된 NOX가 환원되어 제거되는 반응을 활성화시킨다. 전형적 동작 프로토콜에서, 환원 환경은 축적된 NOX를 제거하도록 때때로 배기 가스 내에 생성되어, LNT를 재생시킬 것이다(질산을 제거함).
질산 제거(denitration) 중에, 흡착된 NOX의 일부는 환원되지 않고 방출되고, 흡착된 NOX의 다른 부분은 암모니아로 상당히 환원된 후에 방출될지라도, 흡착된 NOX의 대부분은 N2로 환원된다. 미국 특허 제6,732,507호는 SCR 촉매가 질산 제거 중에 방출된 암모니아를 이용하기 위해 LNT로부터 다운스트림에 구성되는 시스템을 기술한다. 암모니아는 LNT를 지나 스립(slip)하는 NOX를 환원시켜, 독립형(stand-alone) LNT를 통해 변환 효율을 개선시킨다.
NOX를 축적하는 것 이외에, LNTs는 SOX를 축적한다. SOX는 보통의 연료에 있는 유황의 연소 생성물(combustion product)이다. 환원된 유황 연료(sulfur fuels)로도, 연소에 의해 생성된 SOX의 량은 상당하다. SOX는 NOX 보다 더욱 강하게 흡착하여, 비록 덜 빈번하지만, 더욱 엄격한 재생을 필요로 한다. 탈황산화(desulfation)는 온도 상승 뿐만 아니라 환원 분위기(reducing atmosphere)를 필요로 한다. 배기 온도는, 특히 린번 가솔린 엔진의 경우에, 엔진 측정에 의해 상승될 수 있다. 그러나, 적어도 디젤 엔진의 경우에는, 종종 부가적 열을 제공할 필요가 있다. LNT가 충분히 가열되면, LNT 질산 제거와 유사한 환원 환경이 생성된다.
엔진이 화학량적 또는 풍부하게 실행될 수 있을 시기를 제외하면, LNT 재생을 위한 환원 환경의 생성은 일반적으로 환원제를 배기 가스에 분사하는 것을 포함한다. 환원제의 일부는 배기 가스로부터 초과 산소(excess oxygen)를 제거하는데 필요로 된다. 환원제로 반응에 의해 제거될 산소의 량은 여러 가지 방식으로, 예컨 대, 엔진 공기 흡입을 스로틀링(throttling)함으로써 환원될 수 있다. 그러나, 적어도 디젤 엔진의 경우에는, 일반적으로, 분사된 환원제로 반응을 개질시키거나 연소에 의해 배기 가스로부터 실질량의 산소를 제거시킬 필요가 있다. 환원제는 또한 보통 배기 가스에 분사되어, 탈황산화를 위해 LNT를 가열하거나, 슈트(soot) 연소를 초기화하도록 DPF를 가열한다.
환원제는 엔진 연료 분사기에 의해 배기 가스로 분사될 수 있다. 예컨대, 엔진은 배기 가스를 방출하기 전에 하나 이상의 실린더 내에서 여분 연료를 배기 가스에 분사할 수 있다. 이런 접근법의 결점은 엔진 오일이 피스톤 링 주변에 연료를 통과시켜, 오일 갤러리(oil gallery)에 들어감으로써 희석될 수 있다는 것이다. 실린더 환원제 분사의 부가적 결점은, 엔진의 동작을 변경하여, LNT 재생, 환원제의 펄스의 초과 분산을 지원하며, 터보차저(turbocharger) 및 EGR 밸브에 침전물을 형성하는 것을 포함한다. 엔진 연료 분사기를 이용하는 것에 대한 대안으로서, 환원제는 개별 배기 라인 연료 분사기를 이용하여 엔진으로부터 다운스트림에 배기 가스로 분사될 수 있다. 배기 가스를 배기 라인으로 직접 분사하는 것은 선택될 도입점을 허용하는 이점이 있다.
산화 촉매 또는 연료 개질기(fuel reformer)는 배기 라인 내에서 오염 제어 장치로부터 업스트림에 분사된 환원제를 연소시키거나 개질시키는데 이용될 수 있다. 미국 특허 제7,082,753호 (이하, "'753 특허"라 칭함)는 LNT로부터 업스트림에 배기 라인에 위치된 연료 개질기를 가진 배기 후처리 시스템을 개시한다. 개질기는 산화 및 개질 촉매의 양방을 포함한다. 개질기는 배기 가스로부터 초과 산소를 제 거하여, 디젤 연료 환원제를 더욱 반응적인 개질유(more reactive reformate)로 전환시킨다. '753 특허의 인라인 개질기는 급속히 가열하여 스팀 개질을 촉진시키도록 설계된다.
약 500 내지 약 700 ℃의 온도는 스팀 개질을 위해 필요로 된다. 이들 온도는 실질적으로 전형적 디젤 배기 온도보다 높다. LNT 재생이 필요로 될 시에 충분한 개질기 온도를 달성하기 위해, '753 특허의 개질기는 배기 가스 린(exhaust lean)을 배출하는 속도(rate)로 먼저 연료를 분사함으로써 가열되어, 분사된 연료는 개질기 내에서 연소하여 열을 방출한다. 웜업(warm-up) 후에, 연료 분사 속도는 풍부한 배기 가스를 제공하도록 증대된다. 이상적으로, '753 특허의 개질기는 발열 연소 반응과 균형을 이루는 흡열 스팀 개질 반응으로 자열(auto-thermal)에 의해 동작될 수 있다. 그러나, 사실상, 고 배기 산소 농도에서, 개질기는 개질이 연속적으로 생성될 경우에 불가피하고 과도하게 가열한다. 과열을 회피하기 위해, '753 특허는 연료 분사를 펄싱(pulsing)하는 것을 제안한다.
미국 특허 제6,006,515호는, LNT가 재생이 일어나는 온도 및 LNT 합성물에 따라 더욱 장쇄 또는 더욱 단쇄(longer or shorter chain) 탄화수소에 의해 더욱 효율적으로 재생될 수 있음을 제시한다. 장쇄 및 단쇄 탄화수소 간의 선택을 제어하기 위해, 이 특허는 2개의 연료 분사기, 즉, 터보차저로부터의 업스트림에서 배기 매니폴드 내의 하나의 연료 분사기 및, LNT 바로 전의 배기 라인 내의 하나의 연료 분사기를 제안한다. 터보차저로부터의 업스트림에서 배기 가스의 고온으로 인해, 매니폴드 연료 분사기로 분사된 연료는 더욱 단쇄 탄화수소를 형성하도록 실질 적으로 크래킹한다고 불리워진다.
디젤 입자상 필터는 또한 재생되어야 한다. DPF의 재생은 축적된 슈트를 제거할 수 있다. 2개의 일반적 접근법은 연속성 및 간헐성 재생이다. 연속성 재생에서, 촉매가 DPF의 업스트림에 제공되어, NO를 NO2로 전환한다. NO2는 전형적 디젤 배기 온도에서 슈트를 산화시켜, 연속성 재생을 달성할 수 있다. 이 접근법의 결점은 상당히 값비싼 촉매를 필요로 한다는 것이다.
간헐성 재생은 슈트 연소가 린 환경에서 자립하는(self-sustaining) 온도로 DPF를 가열하는 것을 포함한다. 전형적으로, 이것은, 무슨 타입의 촉매 코팅이 슈트 점화 온도를 낮추도록 DPF에 도포됨에 따라, 약 400 내지 약 700℃의 온도이다. 슈트 연소 온도를 달성하는 전형적 방식은 DPF로부터 업스트림에 연료를 배기 가스에 분사하여, 연료가 DPF 또는 업스트림 장치에서의 생성 열을 연소시키는 것이다.
LNT 재생을 위해 디젤 연료를 분사하는 여러 배기 라인 환원제 분사 시스템이 제안되었다. 이들 시스템에 의해 어드레스되는 일반적인 문제는 배기 라인의 열에 관계한다. 배기 라인으로부터의 열은 연료 분사 간에 연료 분사기 내에 흐르지 않는 연료가 궁극적으로 연료 분사기를 막히게 하는 물질로 변질시킬 수 있다.
하나의 접근법은, 분사기와 진입점 간의 비교적 긴 라인을 배기 라인에 제공함으로써 배기 라인으로부터 분사기를 물리적으로 분리하는 것이다. 이 접근법에 따른 곤란은, 분사기가 일반적으로 미세 분산 드롭렛(finely distributed droplets) 내에 연료를 제공하도록 설계된다는 것이다. 이들 드롭렛은 진입점에 도 달하기 전에 비교적 긴 라인 내에 다시 연결할 수 있다.
다른 접근법은 냉각 재킷(cooling jackets)을 가진 배기 라인 연료 분사기를 설계하는 것이다. 수냉 또는 공냉식(water or air cooling)이 이용될 수 있다. 선택적으로, 분사기는 분사되는 환원제로 냉각될 수 있고; 환원제의 과류(excess flow)가 분사기에 제공된다. 과류는 저장소로 복귀된다. 역류(return flow)는 열을 가져가 버린다.
Robert Bosch GmbH는 분리 미터링 밸브(metering valve) 및 분사 유닛을 가진 배기 라인 연료 분사 시스템을 제안하였다. 분사 유닛은 냉각 재킷으로 둘러싸인 간단한 노즐이다. 펄스 폭 변조된 (PWM) 펄스 폭 변조된 밸브를 포함하는 미터링 밸브는, 전기 절연체와 같은 밸브의 온도에 민감한 구성 요소를 보호하도록 배기 라인으로부터 약간을 거리를 유지한다. 미터링 밸브는, 엔진 연료 분사 회로의 저압 부분 또는 분리 펌프 및/또는 압력 조정기로부터 연료를 끌어당기도록 설계된다. 유량(flow rate)은 미터링 밸브의 듀티 사이클를 통해 조정된다.
Bosch 시스템은 2개의 압력 측정 장치, PWM 밸브로부터 업스트림에 하나의 압력 측정 장치 및, PWM 밸브로부터 다운스트림에 다른 하나의 압력 측정 장치로 구성된다. 이 시스템을 통해 흐름을 제어하는 통상의 방식은 밸브의 듀티 사이클과 함께 미터링 밸브에 걸친 압력 강하를 유량에 관계시키는 것이다. 듀티 사이클 (밸브가 개방하는 시간의 부분)은 바람직한 유량이 도달될 때까지 증가되거나 감소될 수 있다.
발전에도 불구하고, 내구성이 있고, 신뢰 가능하며, 제조 및 동작 비용을 수 용할 수 있으며, 2010에 유효한 U.S. Environmental Protection Agency (EPA) 규정(regulations) 및 다른 이와 같은 규정을 충족하기에 충분한 디젤 엔진으로부터 NOX 배출을 환원할 수 있는 배기 후처리 시스템에 대해 오랫동안 필요가 계속된다.
발명자의 개념중 하나는 배기 라인 연료 분사로 배기 후처리 시스템을 동작시키는 방법에 관계한다. 이 방법은 연료가 가압 연료 소스에서 배기 시스템 연료 공급 라인으로 흐르게 하는 흐름 조절 밸브를 개방하는 단계를 포함한다. 배기 시스템 연료 공급 라인은 노즐에 연결된다. 이 노즐은 일반적으로 체크 밸브를 포함하여, 노즐에 걸친 압력 강하가 체크 밸브를 개방하도록 충분히 높을때마다 연료를 배기 라인으로 스프레이한다. 압력 측정 장치를 이용하여, 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 인디케이션(indication)이 획득된다. 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 인디케이션은 조절 밸브를 제어하기 위한 피드백을 제공하는데 이용된다.
이 방법은 노즐을 통한 유량과, 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 인디케이션 또는 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 인디케이션과 배기 라인 압력 간의 차 간의 미리 정해진 관계를 이용한다. 이 관계는 압력 또는 압력 강하를 유량에 관계시키는데 이용될 수 있으며, 어느 경우에 밸브는 유량이 유량 타겟에 접근하게 하도록 제어된다. 동등하게, 미리 정해진 관계는 타겟 유량 (및 선택적으로 배기 라인 압력)으로부터 타겟 압력 인디케이션을 획득하는데 이용될 수 있으며, 어느 경우에 밸브는 압력 인디케이션이 타겟에 접근하게 하도록 제어된다.
이 방법의 하나의 이점은 단일 압력 측정 장치로 실시될 수 있다는 것이다. 다른 이점은, 특히 배기 라인 압력이 많이 변화하지 않는 경우에 정확한 제어를 제공하는 것이다. 추가적 이점은 제어를 위해 이용되는 동일한 압력 인디케이션이 유용한 진단 정보를 제공할 수 있다는 것이다. 특히, 압력 인디케이션의 주파수 스펙트럼은 연료 분사 시스템이 적절히 기능함을 나타낼 수 있는 것으로 발견되었다.
유량은 어떤 다른 시스템 압력과 무관하게 노즐에 걸친 압력 강하 또는 배기 시스템 연료 공급 라인 압력에 관계된다. 압력 강하가 배기 라인이 DPF를 포함하지 않을 시에도 이용될 수 있을지라도, 압력 강하를 이용하는 것은 특히 바람직하고, 배기 라인이 DPF를 가질 시에 실시하기가 편리하다. 배기 라인 내의 압력 변화는 배기 라인이 DPF를 포함할 시에 더욱 높은 경향이 있고, 압력은 DPF가 채워질 시에 증대한다. 배기 라인 압력은 전형적으로 DPF 제어를 위해 측정된다. 노즐에 걸친 압력 강하는 배기 시스템 연료 공급 라인 및 배기 라인의 압력 간의 차이다. 압력 강하는 배기 시스템 연료 공급 라인 압력보다 더욱 정확하게 유량을 트랙할 수 있다.
발명자 개념의 다른 양태는 발전 시스템(power generation system)에 관계한다. 발전 시스템은 배기 라인을 통해 채널화되는 배기 가스를 생성하도록 동작하는 엔진을 갖는다. 발전 시스템은 또한, 연료 탱크에서 도관으로 연료를 펌프하도록 동작하는 연료 펌프, 도관으로부터 연료를 수용하여 연료를 배기 시스템 연료 공급 라인으로 방출하도록 구성되는 흐름 조절 밸브, 일반적으로, 체크 밸브를 포함하고, 배기 시스템 연료 공급 라인에서 배기 라인으로 연료를 수용하도록 구성되는 노즐, 배기 시스템 연료 공급 라인의 압력을 측정하도록 구성되는 압력 측정 장치, 및 측정된 압력으로부터 피드백을 이용하여 흐름 조절 밸브를 제어하도록 구성되는 제어기를 갖는다. 한 실시예에서, 제어기는 노즐을 통하는 유량과 배기 시스템 연료 공급 라인의 압력 간의 미리 정해진 관계를 이용하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 제어기는 노즐을 통하는 유량과 노즐에 걸친 압력 강하 간의 미리 정해진 관계를 이용하도록 구성된다.
발명자의 개념의 다른 하나는 연료를 배기 후처리 시스템에 도징하는 방법에 관계한다. 이 방법에 따르면, 연료는 조절 밸브를 통해 배기 시스템 연료 공급 라인으로 통과된다. 여기에서, 연료는 일반적으로 체크 밸브를 포함하는 노즐을 통해 배기 라인으로 분사된다. 배기 시스템 연료 공급 라인의 압력은 압력 데이터를 획득하도록 측정된다. 배기 시스템 연료 공급 라인 압력, 또는 체크 밸브에 걸친 압력 강하의 함수로서 체크 밸브를 통해 유량을 부여하는 관계가 제공된다. 압력 데이터 및 관계를 이용한 통합(integration)은 주기에 걸쳐 체크 밸브를 통과하는 전체량의 연료를 획득하도록 실행된다. 연료 도징은 전체에 기초로 하여 제어될 수 있다. 예컨대, 어떤 전체량의 연료가 분사되었을 시에 분사는 종료될 수 있다. 연료 분사가 펄스될 시에, 펄스 주기, 주파수 또는 진폭은 전체에 기초로 하여 조정될 수 있다.
이 요약의 주된 목적은 다음의 더욱 상세한 설명의 이해를 용이하게 하도록 간략화된 형식으로 어떤 발명자의 개념을 제공하는 것이다. 이 요약은 발명의 개념의 모두의 포괄적인 설명 또는 "발명"으로 고려될 수 있는 발명자의 개념의 모든 조합이 아니다. 발명자의 다른 개념은 다음의 상세한 설명 및 첨부한 도면에 의해 당업자에 전달될 것이다. 여기에 개시된 명세서는, 다음의 청구범위를 위해 남겨둔 발명으로서 무슨 발명자의 청구범위의 궁극적 진술로 여러 방식으로 일반화되고, 한정되며 조합될 수 있다.
도 1은 예시적 배기 라인 탄화수소 분사 시스템의 개략도이다.
도 2는 개방 위치에서의 노즐의 일례의 개략도이다.
도 3은 폐쇄 위치에서의 도 2의 예시적 노즐의 개략도이다.
도 4는 개방 위치에서의 노즐의 다른 예의 개략도이다.
도 5는 폐쇄 위치에서의 도 4의 예시적 노즐의 개략도이다.
도 6은 개방 위치에서의 노즐의 추가적 예의 개략도이다.
도 7은 폐쇄 위치에서의 도 6의 예시적 노즐의 개략도이다.
도 8은 폐쇄 위치에서의 2웨이 PWM 펄스 폭 변조된 밸브의 일례의 개략도이다.
도 9는 개방 위치에서의 도 8의 예시적 노즐의 개략도이다.
도 10은 폐쇄 위치에서의 3웨이 PWM 펄스 폭 변조된 밸브의 일례의 개략도이다.
도 11은 개방 위치에서의 도 10의 예시적 노즐의 개략도이다.
도 12는 폐쇄 위치에서의 비례 제어 스풀 밸브(proportional control spool valve)의 일례의 개략도이다.
도 13은 개방 위치에서의 도 12의 밸브의 개략도이다.
도 14는 예시적 발전 시스템의 개략도이다.
도 15는 듀티 사이클, 유량 배기 시스템 연료 공급 라인 압력 간의 관계를 도시한 플롯이다.
도 16은 예시적 배기 라인 탄화수소 분사 시스템의 개략도이다.
도 17은 100% 듀티 사이클에서 (연속 개방) 막히지 않은 노즐 및 PWM 흐름 제어 밸브로 취해진 일련의 배기 시스템 연료 공급 라인 압력 측정의 주파수 스펙트럼을 도시한 플롯이다.
도 18은, 노즐이 인위적 부분적으로 막히는 것을 제외하고, 도 17에서 플롯된 측정을 획득하기 위해 이용될 시에 동일한 조건하에 동일한 시스템에 대해 취해진 일련의 배기 시스템 연료 공급 라인 압력 측정의 주파수 스펙트럼을 도시한 플롯이다.
도 1은, 발명자의 개념의 일부를 실시할 수 있는 발전 시스템(1)의 부분인 예시적 배기 라인 탄화수소 분사 시스템(10)의 개략도이다. 탄화수소 분사 시스템(10)은 엔진 연료 공급 시스템(20)으로부터 연료를 끌어당겨, 연료를 배기 라인(30)으로 분사한다. 탄화수소 분사 시스템(10)은 흐름 조절 밸브(11), 노즐(12), 압력 센서(13) 및 제어기(14)를 포함한다. 압력 센서(13)는 흐름 조절 밸브(11)에서 노즐(12)로 연료를 운반하는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력을 판독하도록 구성된다.
흐름 조절 밸브(11)는 가압 소스(pressurized source)로부터 유체를 선택적으로 수용하도록 구성된다. 이런 예에서, 가압 소스는 엔진 연료 공급 시스템(20)의 저압 부분이다. 엔진 연료 공급 시스템(20)은 연료를 탱크(21)에서 도관(23)으로 펌프하는 저압 연료 펌프(22)를 갖는다. 도관(23)은 고압 커먼 레일(common rail)(25)을 공급하는 고압 연료 펌프(24)에 연결한다. 연료 분사기(26)는 연료를 커먼 레일(25)에서 (도시되지 않은) 디젤 엔진의 실린더로 넣어, 배기 라인(30)에 의해 운반되는 배기 가스를 생성하도록 동작한다. 고압 릴리프 밸브(relief valve)(27)는 커먼 레일(27)에서 연료 탱크(21)로 연료를 복귀시킬 수 있다.
이 예에서, 흐름 조절 밸브(11)는 도관(23)으로부터 연료를 선택적으로 수용하도록 구성된다. 도관(23)으로부터 배기 라인 연료 분사를 위한 드로잉 연료(drawing fuel)는 엔진 연료 공급 시스템(20)에서 분리하는 부가적 연료 펌프의 필요성을 제거하는 이점을 갖지만, 도관(23) 내의 압력이 엔진의 정상 동작 중에 상당히 변화하는 결점을 갖는다.
이 연료는 노즐(12)을 통해 배기 라인(30)에 들어간다. 노즐은 그것이 통과하는 연료에 좁은 통로를 제공하는 어떤 구조물일 수 있다. 현재의 문맥에서, 이 통로는, 이 연료가 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에 의해 유발된 압력 강하에 비해 압력 강하를 크게 한다는 점에서 좁다. 노즐(12)은 체크 밸브를 포함하여, 노즐에 걸친 압력 강하가 임계값을 초과할 경우에 노즐(12)을 통해서만 연료가 흐른다. 이 임계값은 바람직하게는 약 0.5 내지 약 3 기압, 더욱 바람직하게는 약 1 내지 약 2 기압이다. 전형적으로, 배기 라인(30) 내의 압력이 일반적으로 대기압에 근접 할 시에 압력 강하는 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 게이지 압력과 거의 같다.
도 2 및 3은 노즐(12)로서 이용될 수 있는 예시적 노즐(40)을 도시한다. 노즐(40)은 스프링(44)에 의해 밸브 시트(41)에 대해 바이어스되는 포펫(poppet)(43)을 포함한다. 노즐(40)에 걸친 압력 강하가 임계량을 초과할 시에, 포펫(43)은 도 2에 도시된 바와 같이 시트(41)를 리프트 오프(lift off)하여, 연료가 밸브 본체(45)를 통해 입구(42)에서 흐르게 하고, 오리피스(orifice)(47)를 통해 스프레이로서 유출하게 한다. 노즐(40)에 걸친 압력 강하가 임계값 아래로 떨어질 시에, 포펫(43)은 도 3에 도시된 바와 같이 시트(41)로 무너져(collapse) 흐름을 차단한다. 노즐(40)에 걸친 압력 강하가 바람직하게는 주로 포펫(43)과 시트(41) 간의 개구에 걸친 압력 강하이다.
노즐(12)은 배기 라인(30) 내로 간헐적 탄화수소 분사를 위해 설계된다. 따라서, 노즐(12)은 일반적으로 연료 분사 간에 노즐(12)에 남아 있는 연료가 배기 가스에 의해 가열되지 않게 하도록 냉각되어야 한다. 노즐(12)이 연료 분사 간에 가열하도록 허용되면, 노즐(12) 내의 흐르지 않는 연료는 분해하여, 궁극적으로 연료 분사기를 막히게 할 수 있다. 흐르지 않는 연료가 과도하게 가열되지 않게 하기 위해, 노즐(40)은 냉각 재킷(46)을 구비하며, 이 냉각 재킷(46)을 통해 엔진 냉각제 또는 공기와 같은 냉각 유체가 순환될 수 있다.
대안으로서, 노즐(12)은 초과 연료 흐름을 통해 냉각될 수 있다. 초과 연료 흐름은 노즐에 공급되는 연료이지만, 노즐(12)을 통해 분사되지 않는다. 오히려, 초과 연료는 가열하는 노즐(12)에서 떨어져 운반된다. 도 4 및 5는 초과 연료 흐름 에 의해 냉각을 위해 구성되는 노즐(50)을 도시한다. 노즐(50)은 노즐(40)과 동일한 구성 요소의 대부분을 가지고 있다. 입구(52)는 냉각 재킷(56)에 대한 개구를 가지고 있다. 연료 분사가 필요치 않을 시에, 도 5에 도시된 바와 같이, 밸브(51)는 개방되어, 연료가 냉각 재킷(56)을 통해 입구(52)로부터 흐르도록 하고, 밸브 본체(55)를 냉각시킨다. 연료 분사가 필요로 될 시에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 포펫(43)이 그의 시트(41)를 리프트 오프하도록 연료 공급이 충분한 압력 상태에 있는 경우에, 밸브(51)는 폐쇄되어, 연료가 밸브 본체(55)를 통해 흐른다. 밸브(51)가 다시 개방되면, 냉각 재킷(56)을 통하는 연료 흐름은 입구(52)로부터의 압력을 경감시켜, 포펫(43)이 그의 시트(41)로 복귀시켜, 도 5에 도시된 바와 같이 밸브 본체(55)를 통한 연료 흐름을 방지한다.
도 6 및 7은 다른 예시적 노즐(140)을 개략적으로 도시한다. 노즐(140)은 스프링(144)에 의해 시트(141)에 대해 바이어스되는 포펫(143)을 포함한다. 입구(142)로부터의 압력이 상당히 클 시에, 포펫(143)은 도 6에 도시된 바와 같이 시트(141)를 리프트 오프하여, 연료가 노즐 본체(145)를 통해 흐른다. 압력 강하가 있을 시에는, 포펫(143)은 시트(141)와 함께 폐쇄하고, 연료 흐름은 정지된다. 노즐(141)이 통로(146)를 통해 냉각제의 순환에 의해 냉각하기 위해 구성된다. 노즐이 냉각을 위해 구성되지 않으면, 그것은 바람직하게는 연료 분사 간에 에어(air)가 퍼지(purge)되도록 구성된다. 에어 퍼지는 노즐로부터 연료를 제거할 수 있고, 그렇지 않으면, 연료는 연료 분사 간에 노즐 막힘 물질(nozzle-clogging substances)을 형성할 수 있다. 일례에서, 퍼지 에어는 트럭 브레이크 시스템으로 부터 끌어 당겨진다.
흐름 조절 밸브(11)는 어떤 적절한 타입일 수 있다. 적절한 밸브 타입의 예들은 비례 제어 밸브 및 펄스 폭 변조된(PWM) 밸브를 포함한다. 비례 흐름 제어 밸브는 개구의 정도를 통해 흐름의 볼륨을 조절하는 밸브이다. PWM 밸브는 급속히 개폐함으로써 흐름을 조절하는 밸브이며, 이 밸브를 통한 흐름의 볼륨은 밸브가 개방하는 시간의 부분(듀티 사이클)으로 조절된다. PWM 밸브는 액츄에이터를 포함한다. 액츄에이터의 예들은 솔레노이드 및 유압 액츄에이터(hydraulic actuators)를 포함한다.
도 8 및 9는 흐름 조절 밸브(11)로서 이용될 수 있는 예시적인 2개의 포트 PWM 펄스폭 변조된 솔레노이드 밸브(60)의 개략도이다. 밸브(60)는 입구(62) 및 출구(63)를 정하는 밸브 본체(61)를 포함한다. 폐쇄 위치에서, 도 8로 도시된 바와 같이, 포펫(64)은 입구(62)와 출구(63) 간의 밸브 본체(61)를 통한 흐름을 차단하는 시트(65)에 기대어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 솔레노이드는 도 9에 도시된 바와 같이 포펫(64)이 그의 시트(65)를 리프트 오프하도록 에너지화된다(energized). 밸브(60)는 밸브 시트(65)에 대해 포펫(64)을 바이어스하는 스프링(66) 및, 코일(68)이 에너지화될 시에 포펫(64)이 밸브 시트(65)를 리프트 오프하는 전기자(armature)(67)를 포함한다. 포펫(64) 및 시트(65)가 구성되어, 밸브 본체(61) 내의 공급 유체(supply fluid)의 압력은 코일(68)이 에너지화되지 않을 시에 시트(65)에 대해 포펫(64)을 바이어스시킨다.
도 10 및 11은 흐름 조절 밸브(11)로서도 이용될 수 있는 예시적인 3개의 포 트 PWM 밸브(70)를 도시한다. 밸브(70)는 밸브(60)와 동일한 구성 요소의 대부분을 포함한다. 주요 차는, 밸브(70)가 도 10으로 도시된 폐쇄 위치에 있을 시에, 입구(62)로부터의 유체는 밸브 본체(71)를 통해 복귀 포트(72)로 흐른다. 밸브(70)가 도 11로 도시된 개방 위치에 있을 시에, 포펫(64)은 입구(62)와 복귀 포트(72) 간의 흐름을 차단하는 제 2 시트(73)에 기대어 있다.
도 12 및 13은 흐름 조절 밸브(11)로서 이용될 수 있는 한 타입의 비례 제어 밸브인 예시적인 스풀 밸브(spool valve)(80)를 도시한다. 스풀 밸브(80)는, 입구 포트(81), 출구 포트(82), 및 제어 통로(83)를 제외하고는 원통 대칭일 수 있다. 밸브(80)는 밸브 본체(84)를 포함하고, 그 내에 스풀(85)이 슬라이드한다. 밸브 본체(86) 내의 스풀(85)의 축방향 위치는 입구 포트(81)와 출구 포트(82) 간의 흐름을 위한 병목인 통로(87)의 개구의 정도를 결정한다. 도 12는 완전 폐쇄 위치에서의 밸브(80)를 도시하고, 도 13은 부분적 개방 위치에서의 밸브(80)를 도시한다. 출구 포트(82)는 제어 통로(83)를 통해 챔버(88)와 유체 연통(fluid communication)한다.
동작 중에, 스풀(85)은 스풀(85)에 작용하는 여러 힘이 균형 상태인 평행 위치로 이동한다. 솔레노이드(89) 및 스프링(90)은 스풀(85)에 축력(axial forces)을 가한다. 챔버(88) 내의 유체는 또한 스풀(85)에 축력을 가한다. 평행 위치에서, 챔버(88)로부터의 압력, 스프링(90)으로부터의 스프링력, 및 솔레노이드(89)로부터의 힘은 균형을 이룬다. 바람직하게는, 스프링(90) 및 솔레노이드(89)로부터의 힘은, 스풀(89)의 축방향 위치와 크게 무관하게 행해진다. 밸브(80)는 솔레노이드(89)에 제공되는 힘에 예상대로 의존하는 출구 포트(82)에 안정된 압력(steady pressure)을 제공한다.
배기 라인(30) 내에는 하나 이상의 오염 제어 장치가 구성된다. 도 14는 배기 라인(30)일 수 있는 배기 라인(100)을 포함하는 예시적인 발전 시스템(110)의 개략도를 제공한다. 발전 시스템(110)은 엔진(111), 엔진(111)에서의 배기 가스를 배기 라인(100)으로 안내하는 매니폴드(112), 및 온도 센서(114)로부터의 데이터와 같은 데이터에 기초로 하여 연료 분사 시스템(10)을 제어하는 제어기(119)를 포함한다. 제어기(119)는 제어기(14)와 동일한 유닛, 또는 제어기(14)에 명령을 내리는 분리 유닛일 수 있다. 또한, 제어기(119)는 엔진 제어 유닛 (ECU), 또는 ECU와 연통하는 분리 장치일 수 있다.
예시적인 배기 라인(100)은 산화 촉매(113), 연료 개질기(115), 디젤 입자상 필터(116), LNT(117), 및 SCR 촉매(118)를 포함한다. 연료 분사 시스템(10)은 간헐적으로, 연료 개질기(115)를 따뜻하게 하고, DPF(116)를 가열하며, 그리고 배기 가스로부터 산소를 제거하여, LNT(117)를 재생시키도록 개질유(reformate)를 생성시키는 연료 개질기(115)에 연료를 제공하는데 이용된다. 연료 분사 시스템(10)은 또한, 연료 분사가 LNT(117)를 탈황산화하는(desulfating) 연장된 기간을 통해 개질기(115)의 온도를 조절하도록 펄스될 시와 같이, 장기간을 통해 펄스 연료를 제공하는데 이용될 수 있다.
연료 분사 시스템(10)은 전형적으로, 하나 이상의 상술한 기능을 충족시키기 위해 광범위의 레이트에 걸쳐 연료를 배기 라인(30)으로 정확히 도즈(dose)하도록 설계된다. 광범위는 전형적으로 100배(two orders of magnitude)를 스팬(span)한다. 대형 디젤 엔진의 경우, 예시적인 범위는 분당 약 20 내지 약 1200 그램 및, 약 40 내지 약 1200 그램이다. 중형 디젤 엔진의 경우는 분당 약 20 내지 약 400 그램이 전형적이다. 비교적 저 연료 분사 속도는 개질기(114) 및 다운스트림 장치를 가열시키는데 이용된다. 비교적 고 연료 분사 속도는 LNT 재생을 위해 배기 가스를 풍부하게 하는데 이용된다. 연료 분사 속도 제어의 정확도는 바람직하게는 전체 범위에 걸쳐 실물 크기(full scale)의 약 ±5% 내에, 더욱 바람직하게는 약 ±3% 내에, 더더욱 바람직하게는 약 ±1% 내에 있다.
연료 분사 시스템(10)은 바람직하게는 배기 파이프 온도가 약 110 ℃에서 약 550 ℃까지 변화할 시에 동작 상태로 된다. 선택적으로, 연료 분사 시스템(10)은 연료를 엔진(111)의 배기 매니폴드(112)로 분사하도록 구성된다. 이와 같은 경우에, 연료 분사 시스템은 바람직하게는 약 600 ℃의 배기 파이프 온도까지 동작한다. 이들 온도에서의 동작성(operability)은 연료 분사 간의 연장된 기간에 걸쳐 악영향을 받지 않는 연료 분사 시스템의 특성을 포함하며, 상기 연료 분사 동안에 노즐(12)은 정지해 있다.
간단하고 신뢰 가능한 장비를 이용하여 필요한 범위에 걸쳐 필요한 정확성을 달성하기 위해, 발명자는 노즐(12)에 걸친 압력 강하에 기초로 하여 유량을 제어하는 방법을 착상하였다. 노즐(12)에 걸친 압력 강하는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력과 배기 라인(30) 내의 압력 간의 차이다. 노즐(12)을 통한 유량은 주로 노즐(12)에 걸친 압력 강하에 의존한다. 따라서, 유량은 유량과 노즐(12) 에 걸친 압력 강하 간의 미리 정해진 관계로부터 획득될 수 있다.
발명자는, 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력이 노즐(30)에 걸친 압력 강하의 주요 결정 요소(primary determinant)임을 인식하였다. 한 실시예에서, 배기 라인(30) 내의 압력은 콘스턴트(constant)로서 처리되며, 어느 경우에 노즐(12)을 통한 유량은, 유일하게 측정된 압력으로서 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력을 포함하는 미리 정해진 관계로부터 획득될 수 있다. 배기 라인(30)에 대한 전형적 압력 변동은 ±0.2 atm 이하이다. 노즐(12)의 체크 밸브가 개방하기 위해 적어도 약 2.0 atm의 압력 강하를 필요로 하면, 일정한 배기 라인 압력이 추정될 시에 압력 강하의 불확실성은 전형적으로 ±10% 이하일 것이다.
도 15는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 3개의 상이한 압력에 대한 노즐(12)을 통한 유량에 PWM 흐름 조절 밸브(11)의 듀티 사이클을 관계시킨 플롯이다. 이 플롯은 유량이 압력에 반복적으로(reproducibly) 관계되어 듀티 사이클에 따라 선형적으로 변화함을 도시한다.
다른 실시예에서, 배기 라인(30) 내의 압력은 측정되거나 추정되며, 어느 경우에 노즐(12)을 통한 유량은, 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력과 배기 라인(30) 내의 압력 간의 차를 포함하는 미리 정해진 관계로부터 획득될 수 있다.
배기 라인(30) 내의 압력은, 필요 시에, 직접 측정될 수 있다. 센서는 배기 라인(30) 내의 압력을 측정하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 배기 라인(30)과 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 간의 압력차는 양방의 라인에 연결된 장치에 의해 측정될 수 있다. 추가적 선택 사항으로서, 압력 강하는 배기 라인 압력의 추정을 이용하여 계산될 수 있다. 배기 라인 압력은 발전 시스템(110)의 동작 상태에 기초로 하여 추정될 수 있다. 예컨대, 압력은 DPF(116)에 축적된 슈트의 량에 기초로 하여 추정되고 나서, DPF(116)의 최종 재생 이래 엔진(111)에 의해 생성되는 슈트의 량의 추정에 기초로 할 수 있다.
배기 라인 압력의 최대 변동은 DPF(116)가 간헐적 재생을 위해 설계되어, 연료 분사 포인트로부터 다운스트림에 구성될 시에 발생한다. DPF(116)가 슈트를 축적함에 따라, DPF(116)에 걸친 압력 강하 및 DPF(116)로부터 업스트림 압력은 증가한다. 이와 같은 경우에, DPF(116)의 업스트림 압력 또는 DPF(116)에 걸친 압력 강하는 일반적으로 DPF(116)를 재생시킬 시기를 결정하기 위해 측정된다. 따라서, 최대 압력 변동을 가진 배기 라인에서, 배기 라인 압력은 일반적으로 노즐(12)에 걸친 압력 강하를 계산하기 위해 쉽게 이용 가능하다. 보다 적은 압력 변동을 가진 배기 라인에서, 노즐(12)에 걸친 압력 강하는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력 단독으로부터의 충분한 정확성으로 추정될 수 있다.
연료 분사의 시초에, 흐름 조절 밸브(11)는 피드 포워드(feed forward) 제어에 기초로 하여 제 1 듀티 사이클 또는 위치로 설정될 수 있다. 일례에서, 피드 포워드 제어는 밸브(11)의 연료 공급의 압력에 대한 추정 또는 측정된 값에 기초로 한다. 미리 정해진 관계에 기초로 하여, 듀티 사이클 또는 개구의 정도는 유량이 원하는 유량에 접근하게 하도록 설정될 수 있다.
한 실시예에서, 누적 연료 분사량을 계산하기 위해 압력 정보 및 이 정보와 유량 간의 관계를 이용하여 통합이 실행된다. 압력 정보는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력 또는 노즐(12)에 걸친 압력 강하에 속할 수 있다.
누적 연료 분사량은 제어 방법에 이용될 수 있다. 일례에서, 연료 분사의 기간은 누적 연료 분사량이 타겟 값에 도달할 시에 종료되며, 이는 연료의 어떤 도즈가 제공되었음을 나타낸다. 다른 예에서, 연료 맥동(pulsation)의 하나 이상의 파라미터는 계산된 량에 기초로 하여 조정된다. 연료 맥동의 파라미터는 펄스 폭, 펄스 주파수, 및 펄스 진폭을 포함한다. 이 조정은 펄스당 연료 분사량 및/또는 단위 시간당 연료 분사량을 제어하는데 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 압력 정보와 유량과의 관계는 흐름 조절 밸브(11)를 조정하여 피드백 제어 루프에서 원하는 유량을 달성하는데 이용된다. 제어 루프에 대한 설정 포인트 및 에러는 배기 시스템 연료 공급 라인(30) 내의 압력, 노즐(12)에 걸친 압력 강하, 또는 노즐(12)을 통한 유량으로 나타낼 수 있다. 에러가 압력 또는 압력 강하로 나타내면, 설정 포인트는 타겟 유량 및, 유량과 압력 또는 압력 강하 간의 미리 정해진 관계로부터 결정된다. 에러가 유량으로 나타내면, 미리 정해진 관계는 압력 또는 압력 강하로부터 유량을 획득하는데 이용된다. 따라서, 획득된 유량은 타겟 유량과 비교되어 에러를 계산한다. 어떤 적절한 제어 알고리즘이 이용될 수 있다. 잠재적으로 적절한 제어 알고리즘의 예들은 비례, 비례 적분, 비례 적분 미분 제어(proportional-integral-differential control), 및 상태 기반 제어 기법(state based control schemes)을 포함한다.
한 실시예에서, 압력 측정 장치에 대한 전형적 샘플링 주파수가 1000 Hz일 동안, 제어기는 40 Hz로 동작된다. 40 Hz에서, 제어 알고리즘은 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력에서 두드러진 진동을 유발시키는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 발명자는 연료 분사 시스템이 이들 진동에도 불구하고 만족스럽게 동작될 수 있음을 발견하였다. 이 진동은, 압력 데이터를 원활하게 하거나, 이동 시간 평균을 이용함으로써 완화될 수 있다. 이동 시간 평균은 이전의 시간 주기 내에서 획득된 일련의 측정을 평균하는 것을 포함한다. 평균은 간단한 평균 또는 웨이트된 평균일 수 있다. 40 Hz로 동작하는 것은 제어기가 표준 엔진 제어 유닛(ECU) 내에 통합되게 하는 이점을 갖는다. 표준 ECU는 25 ms의 클록 속도를 갖는다.
배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력은 압력 센서(13)에 의해 측정된다. 이 센서는 흐름 조절 밸브(11)와 편리하게 통합될 수 있다. 이 센서로부터의 데이터는 제어 알고리즘에 이용되기 전에 여러 방식으로 처리될 수 있다. 예컨대, 데이터는 정상화되고, 조절되며, 및/또는 필터링될 수 있다. 특히, 필터링은 압력 데이터에서 고주파 진동을 제거하는데 이용될 수 있다. 고주파 진동은 종종 노즐(12)이 노즐(40)과 같이 스프링 및 포펫을 가진 체크 밸브를 포함할 시에 데이터 내에 존재한다. 압력 진동은, 밸브 본체(45)를 통한 흐름이 있을 때마다 전형적으로 스프링(44) 상에서 진동하는 포펫(43)에 의해 유발된다. 이들 진동은 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력의 작은 변동을 생성시키며, 이는 검출될 수 있다.
한 실시예에서, 흐름 조절 밸브(11)는 비교적 저주파로 동작되는 펄스폭 변조된 밸브이다. 저주파는 20 헤르쯔일 수 있고, 더욱 전형적으로는 10 헤르쯔 이하일 수 있다. 이와 같은 저주파에서, 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력은 밸브(11)의 맥동으로 상당히 변화한다. 이와 같은 경우에, 일련의 압력 측정을 통한 평균 또는 적분(integration)은 제어 알고리즘 내의 순시값 대신에 이용될 수 있다. 예컨대, 평균 압력은 이전의 n 압력 측정을 합산하고, n으로 나눔으로써 획득될 수 있다.
다른 실시예에서, 펄스폭 변조 밸브는, 이 압력에 기초로 하여 피드백 제어에 영향을 미치는 배기 시스템 연료 공급 라인(15) 내의 압력 변동을 완화하도록 비교적 고주파로 동작된다. 비교적 고주파는 약 40 헤르쯔일 수 있고, 더욱 전형적으로는 약 50 헤르쯔 이상일 수 있다.
도 16은 발명자에 의해 착상된 다른 예시적 배기 라인 탄화수소 분사 시스템(200)의 개략도이다. 배기 라인 탄화수소 분사 시스템(200)은 탄화수소 분사 시스템(10)과 동일한 구성 요소의 대부분을 포함하지만, 또한 압력 누산기(16)도 포함한다. 압력 누산기(16)는 공급 압력의 압력 변동을 흐름 조절 밸브(11)로 원활하게 하여, 유량에 영향을 미치는 섭동(perturbation)을 감소시킨다. 누산기(16)는 외부 파이프(surrounding pipe)의 직경 보다 상당히 큰 직경을 가진 파이프의 길이 만큼 간단할 수 있다. 탄화수소 분사 시스템(200)은 또한 흐름 조절(11)로부터의 업스트림의 압력 센서(18)를 포함한다. 압력 센서는 고장 진단(fault diagnostics)에 이용되어, 흐름 조절(11)의 폐루프 제어가 기능을 정확히 정지시키는 경우에 개루프 제어를 제공할 수 있다.
탄화수소 분사 시스템(200)은 초과 연료 흐름으로 냉각하기 위해 구성된 노즐(12)을 포함한다. 체크 밸브(17)는 냉각을 위해 이용되는 연료의 흐름을 제어하 기 위해 제공된다. 노즐(50)은 체크 밸브(17)의 대신에 체크 밸브(51)를 가진 노즐(12)로서 이용될 수 있다.
여기에 개시된 배기 라인 탄화수소 분사 시스템은 바람직하게는 고장 검출의 어떤 형태를 포함한다. 배기 시스템의 구성 요소는 최상으로 설계된 시스템에서 고장을 초래할 수 있는 조건 하에 장기간에 걸쳐 동작된다. 탄화수소 연료 분사 시스템의 고장은 중요한 결과를 가질 수 있다. 연료의 과분사(over injection)는 연료의 과열을 초래하여, 값비싼 배기 시스템의 구성 요소에 대한 손상을 초래할 수 있다. 불충분한 분사(under injection)는 오염 제어 장치의 불충분한 성능을 초래할 수 있다. 개질기(114)가 자열(auto-thermal) 동작을 위해 설계되면, 불충분한 분사는 발열 연소 반응의 속도가 본질적으로 일정할 동안에 흡열 스팀 개질 반응의 범위를 감소시킴으로써 과열을 초래할 수 있다.
연료 분사 시스템의 심한 고장은 종래의 방법에 의해 검출될 수 있다. 예컨대, 연료가 분사 간에 노즐(12)을 냉각시키는데 이용되지 않으면, 연료 분사의 종료 후에 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에서 급속한 압력 저하로 누출이 검출될 수 있다. 흐름 조절 밸브가 솔레노이드를 포함할 시에, 그 솔레노이드의 적절한 기능은, 예컨대, 솔레노이드에 대한 전류를 측정하거나, 솔레노이드 운동에 의해 유도된 전류를 측정함으로써 전기적 수단에 의해 결정될 수 있다. 솔레노이드가 이런 타입의 정보로부터 명령을 받을 시에 기능을 하는지를 결정하기 위해 여러 기술이 이용 가능하다.
고장의 타입을 검출하는 것이 더욱 곤란한 것은 노즐(12)의 부분적 막힘 및 들러붙음(partial clogging and sticking)을 포함한다. 한 실시예에서, 고장 검출은, 노즐(12)에 걸친 압력 강하, 또는 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력으로부터 결정된 유량을 여러 소스로부터 결정된 유량과 비교함으로써 달성된다. 유량을 결정하는데 이용될 수 있는 여러 소스의 일례로서, 흐름 조절 밸브(11)에 걸친 압력 강하, 또는 밸브(11)의 듀티 사이클과 협력하는 밸브(11)로부터의 업스트림 압력이 있으며, 이때 밸브(11)는 PWM 밸브이다. 여러 소스의 다른 예로서는 유량계(flow meter)가 있다. 여러 소스로부터 결정된 2개의 유량 간의 상당한 불일치는 고장을 나타낸다. 이런 불일치는 신호화될 수 있고, 및/또는 고장 정정 절차를 트리거하는데 이용될 수 있다.
배기 라인(30)에서 판독한 온도는 열 모델(thermal model)을 이용하여 유량을 결정하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 열 모델은 유량의 함수로서 연료 개질기(115)의 온도를 예측하는데 이용될 수 있다. 이 모델은 연료 분사율, 배기 조건, 및 개질기(115)의 특성을 고려할 수 있다. 열 모델을 적용하는 결과가 온도 측정 장치(114)에 의해 측정된 온도와 일치하지 않으면, 실제 연료 분사율과, 이 모델에 대한 입력으로서 이용되는 연료 분사율 간의 차는 추론될 수 있다.
다른 발명자의 개념은 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력의 주파수 스펙트럼을 통해 고장을 고장하는 것이다. 도 17 및 18은 완전 개방 흐름 제어 밸브(11)를 이용하여 획득된 예시적 주파수 스펙트럼 및 43 psi 공급 압력의 플롯이다. 도 17은 기본적인 케이스이고, 380 Hz에서의 큰 피그(large peak) 및 245 Hz에서의 비교적 작은 피크를 도시한다. 도 18은 노즐의 부분적 장애를 시뮬레이트함으 로써 획득되었다. 장애가 존재함으로써, 스펙트럼은 약 170 Hz에서의 단일 피크로 크게 변경된다. 이들 피크의 정확한 위치가 이런 실험에서 이용된 시스템의 많은 상세 사항(particulars)에 의존하는 것으로 예상되지만, 이와 같은 차이는 대부분의 시스템에서 예상될 수 있다. 일부 특정 시스템에서, 이들 주파수 스펙트럼의 변동이 노즐(12)이 막힐 시에 관측되지 않으면, 상이한 노즐, 바람직하게는 포펫과 시트 간의 개구의 사이즈가 노즐을 통한 유량으로 연속적으로 변화하는 노즐이 이용됨이 제시된다.
한 실시예에서, 노즐(12)의 들러붙음은 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력으로부터 결정된다. 예컨대, 노즐(40) 내의 포펫(43)의 진동은 압력의 측정 가능한 고주파 진동을 생성시킬 수 있다. 이들 진동은, 포펫(43)이 그의 시트(41)를 리프트 오프할 시에 개시하고, 포펫(43)이 그의 시트(41) 위에 놓이도록 복귀할 시에 중지한다. 이들 진동이 개시하는 압력이 이들 진동이 종료하는 압력보다 상당히 높으면, 들러붙음이 추론될 수 있다.
주파수 스펙트럼에 기초로 한 고장 검출은 흐름 조절 밸브(18)에 대한 비례 제어 밸브의 이용으로 증진될 수 있다. 비례 제어 밸브의 이용은 PWM 밸브에 의해 유발된 압력 변동을 제거시켜, 주파수 스펙트럼에서 신호 대 잡음비를 증가시킨다.
고장의 검출은 어떤 적절한 응답을 트리거할 수 있다. 적절한 응답의 예들은 광을 조명하여 드라이브를 변경하고, 전자 방법에서 고장 코드를 기록하며, 고장 정정 절차를 초기화하는 것을 포함한다. 고장 정정 절차는 고장이 클리어될 때까지 피드백 제어를 디스에이블하는 것을 포함한다.
한 실시예에서, 흐름 조절 밸브(11)의 피드백 제어에서 고장을 검출할 시에, 발전 시스템(1)은 피드백에서 개루프 (피드 포워드) 제어로 스위치한다. 바람직하게는, 피드 포워드 제어는 흐름 조절 밸브(11)로부터의 업스트림 압력 측정을 포함한다. 듀티 사이클은 흐름 조절 밸브(11)의 듀티 사이클과, 이 밸브를 통한 유량 간의 미리 정해진 관계에 기초로 하여 설정될 수 있으며, 이 관계는 압력의 함수이다.
흐름 조절 밸브(11)로부터의 업스트림 측정된 압력에 기초로 하여 피드 포워드 제어를 위한 시스템(1)을 구성하는 이점은, 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력을 측정하는 장치의 고장의 경우에 동작하는 가능성 및, 고장을 검출하기 위해 업스트림 및 다운스트림 압력 표시(pressure indication)를 이용하는 가능성을 포함한다. 업스트림 압력 판독을 이용하여 결정된 유량은 고장을 검출하기 위해 이 판독 없이 추정된 유량과 비교될 수 있다.
엔진(111)이 바람직하게는 압축 점화 디젤 엔진이지만, 발명자의 여러 개념은 린번 가솔린 엔진, 또는 산소 풍부 NOX 함유 배기 가스를 생성시키는 어떤 타입의 엔진을 가진 발전 시스템에 적용 가능하다. 본 명세서를 위해, NOX는 NO 및 NO2로 이루어져 있다.
발전 시스템(110)은 어떤 적절한 타입의 트랜스밋션(transmission)을 가질 수 있다. 트랜스밋션은 카운터 샤프트(counter-shaft) 타입의 기계식 트랜스밋션과 같은 통상의 트랜스밋션일 수 있지만, 바람직하게는 CVT이다. CVT는 통상의 트랜스 밋션 보다 더 큰 동작점을 선택할 수 있고, 일반적으로 또한 광범위한 토크 승수(broader range of torque multiplier)를 제공한다. 이용 가능한 동작점의 범위는 산소 유량 및 배기 탄화수소 내용물(content)과 같은 배기 조건을 제어하는데 이용될 수 있다. 주어진 파워 수요는 토크 승수 엔진 속도 결합(torque multiplier-engine speed combination)의 범위를 통해 충족될 수 있다. 수용 가능한 엔진 성능을 제공하면서, 최소 산소 유량과 같은 제어 목적(control objective)을 최상으로 충족하는 이런 범위 내의 포인트가 선택될 수 있다. 일반적으로, CVT는 시프트 동안 파워 인터럽션(power interruption)을 방지하거나 최소화한다.
CVT 시스템의 예들은, 유압 트랜스밋션(hydrostatic transmission), 롤링 접촉 트랙션 드라이브(rolling contact traction drives), 오버러닝 클러치 디자인(overrunning clutch designs), 전기 장치, 슬립 클러치를 가진 멀티스피드 기어 박스(multispeed gear boxes), 및 V-벨트 트랙션 드라이브를 포함한다. CVT는 파워 스플리팅(power splitting)을 포함할 수 있고, 또한, 다단계 트랜스밋션을 포함할 수 있다.
바람직한 CVT는 광범위한 토크 승산비(torque multiplication ratios)를 제공하고, 통상의 트랜스밋션에 비해 시프팅의 필요성을 감소시키며, 엔진에 의해 생성된 피크 토크 레벨의 부분에만 CVT를 영향을 받게 한다. 이들 이점은 CVT를 통과하는 토크를 감소시키도록 스텝 다운(step-down) 기어 세트를 이용하여 달성된다. CVT로부터의 토크는 토크를 복원하는 스텝 업(step-up) 기어 세트를 통과한다. CVT는 또한 엔진으로부터 토크를 스플리팅하고, 유성 기어 세트에서 토크를 재결합함 으로써 보호된다. 유성 기어 세트는, 계단식 자동 트랜스밋션을 통해 엔진으로부터 전달되는 직접 토크 요소(direct torque element)를 밴드형 CVT와 같은 CVT로부터의 토크 요소와 혼합하거나 결합한다. 이런 결합은 토크의 일부만이 밴드형 CVT를 통과하는 전체 CVT를 제공한다.
연료 개질기(115)는 연료를 완전히 연소하지 않고 무거운 연료를 가벼운 화합물로 전환하는 장치이다. 연료 개질기(115)는 촉매 개질기 또는 플라즈마 개질기일 수 있다. 바람직하게는, 연료 개질기(115)는 스팀 개질 촉매를 포함하는 부분 산화 촉매 개질기이다. 개질기 촉매의 예들은 Pt, Pd, 및 Rh와 같은 귀금속, 및 Al, Mg, 및 Ni의 산화물을 포함하며, 후자 그룹은 전형적으로 하나 이상의 CaO, K2O, 및 Ce와 같은 희토류 금속과 결합되어 활동도를 증대시킨다. 연료 개질기(115)는 바람직하게는 450 ℃ 아래의 온도에서 주요 기능(primary function)을 실행하도록 설계되는 산화 촉매와 약간 비교된다. 개질기(115)는 일반적으로 약 450 내지 약 1100 ℃의 범위 내의 온도에서 동작한다.
LNT(117)는 어떤 적절한 NOX 흡착 물질을 포함할 수 있다. NOX 흡착 물질의 예들은, 제한 없이, 산화물, 탄산염, 및 Mg, Ca, Sr, 및 Ba와 같은 알칼리토류 금속, 또는 K 또는 Cs와 같은 알칼리 금속의 수산화물을 포함한다. 일반적으로, NOX 흡착 물질은 알칼리토류 산화물이다. 흡착제는 전형적으로 바인더(binder)와 결합되어, 자립형 구조(self-supporting structure)로 형성되거나, 불활성 기질 위에 코팅으로서 도포된다.
LNT(117)는 또한 환원 환경에서 NOX의 환원을 위한 촉매를 포함한다. 촉매는, 예컨대, Au, Ag, 및 Cu와 같은 하나 이상의 전이 금속, Pt, Rh, Pd, Ru, Ni, 및 Co, Cr, 또는 Mo와 같은 그룹 VIII 금속일 수 있다. 전형적 촉매는 Pt 및 Rh를 포함한다. 귀금속 촉매는 또한 알칼리토류 산화물 흡착기(adsorber)의 흡착제 기능을 용이하게 한다.
본 발명에 따른 흡착제 및 촉매는 일반적으로 자동차 배기 시스템용에 적합하다. 자동차 배기 시스템은 중량, 크기, 및 내구성에 제한을 생성시킨다. 예컨대, 자동차 배기 시스템용 NOX 흡착제 베드는 자동차 운전 중에 생기는 진동 하에 상당히 분해를 방지해야 한다.
암모니아-SCR 촉매(118)는 NOX와 NH3 간의 반응을 촉진시켜, 린 배기 가스에서 NOX를 N2로 환원시킨다. SCR 촉매의 예들은, Cu, Zn, V, Cr, Al, Ti, Mn, Co, Fe, Ni, Pd, Pt, Rh, Mo, W, 및 Ce와 같은 어떤 금속 산화물, 및 Cu, Co, Ag, Zn, 또는 Pt의 양이온과 같은 금속 이온으로 치환되는 ZSM-5 또는 ZSM-11과 같은 어떤 제올라이트(zeolite)를 포함한다. 바람직하게는, 암모니아-SCR 촉매(118)는 LNT(117)를 탈황산화하는데 필요로 되는 온도에 견디도록 설계된다.
어느 도면에도 도시되지 않았지만, 클린업(clean-up) 촉매가 다른 후처리 장치로부터의 다운스트림에 배치될 수 있다. 클린업 촉매는 바람직하게는, 엔진(111)로부터 미연소된(unburned) 탄화수소, 미사용된 환원제, 및 LNT(117)로부터 배출되 어, 암모니아-SCR 촉매(118)에 의해 산화되지 않은 어떤 H2S를 산화시키도록 작용한다. 어떤 적절한 산화 촉매가 사용될 수 있다. 클린업 촉매가 풍부한 조건(rich conditions) 하에 기능을 하도록 하기 위해, 촉매는 산화 세륨과 같은 산소 저장 성분을 포함할 수 있다. 필요시, H2S의 제거는 NiO, Fe2O3, MnO2, CoO, 및 CrO2와 같은 하나 이상의 부가적 성분에 의해 용이하게 될 수 있다.
다음의 청구범위에 의해 서술된 바와 같이 본 발명은 어떤 개념, 구성 요소, 및 특징물에 의해 도시되고, 및/또는 기술되었다. 특정 구성 요소 또는 특징물은 여기서 수개의 개념 또는 예들 중 하나만 또는 넓은 용어 및 좁은 용어에 대해 개시되었지만, 넓거나 좁은 개념에서의 구성 요소 또는 특징물은 넓거나 좁은 개념에서의 하나 이상의 다른 구성 요소 또는 특징물과 결합될 수 있으며, 여기서 이와 같은 결합은 당업자에 의해 논리적인 것으로 인식된다. 또한, 이런 한 명세서는 하나 이상의 발명을 기술할 수 있고, 다음의 청구범위는 여기에 기술된 모든 개념, 양태, 실시예 또는 예를 반드시 포함하지 않는다.
본 발명은 디젤 및 린번 가솔린 엔진으로부터 배출을 제어하는데 유용하다.

Claims (15)

  1. 발전 시스템(110)에 있어서,
    배기 라인(100)을 통해 채널화되는 배기 가스를 생성하도록 동작하는 엔진(111);
    연료 탱크(21)에서 도관(23)으로 연료를 펌프하도록 동작하는 연료 펌프(22);
    상기 도관(23)으로부터 연료를 선택적으로 수용하여, 연료를 배기 시스템 연료 공급 라인(15)으로 방출하도록 구성되는 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80);
    상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에서 배기 라인(30, 100)으로 연료를 수용하도록 구성되는 노즐(12, 40, 50);
    상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)으로부터 압력 측정을 획득하도록 구성되는 압력 측정 장치(13); 및
    상기 압력 측정 및, 상기 노즐(12, 40, 50)을 통한 유량과, i) 상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)의 압력 및, ii) 상기 배기 시스템 연료 공급 라인(150의 압력과 상기 배기 라인(30, 100)의 압력 간의 차 중 하나 간의 미리 정해진 관계에 기초로 하여, 상기 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)를 제어하도록 구성되는 제어기(14, 119)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 펌프(21)는 연료를 상기 엔진(111)에 공급하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도관(23)과 상기 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)의 사이에 구성되고, 상기 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)에 들어가는 연료의 압력 변동을 개선하도록 작용하는 누산기(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)는 펄스폭 변조된 밸브(60, 70)인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조된 밸브(60, 70)는 약 50 Hz 이상의 주파수로 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 펄스폭 변조된 밸브(60, 70)는 약 10 Hz 이하의 주파수로 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기(14, 119)는 상기 흐름 조절 밸브(60, 70)를 제어할 시에 일련의 상기 압력 측정을 통해 평균화되거나 적분되는 압력 또는 유량을 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)으로부터의 연료가 상기 연료 탱크(21)로 복귀하도록 하는 밸브(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 라인(30, 100) 내에 구성된 연료 개질기(115) 또는 디젤 산화 촉매(116)를 더 포함하는데;
    상기 노즐(12, 40, 50)은 상기 연료를 상기 연료 개질기(115) 또는 상기 디젤 산화 촉매(116)로부터의 업스트림의 상기 배기 라인(30, 100)으로 분사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 라인(30, 100) 내에 구성된 린 NOX 트랩(117) 또는 디젤 입자상 필터(116)를 더 포함하는데;
    상기 제어기(14, 119)는 상기 린 NOX 트랩(117) 또는 디젤 입자상 필터(116)를 재생시키도록 상기 노즐(12, 40, 50)을 통한 연료 흐름을 간헐적으로 초기화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 흐름 조절 밸브(11, 60, 70, 80)는 비례 흐름 제어 밸브(80)인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐(12, 40, 50)은 체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기(14, 119)는 상기 배기 시스템 연료 공급 라인 압력의 주파수 스펙트럼을 획득하여, 배기 라인 연료 분사 시스템 고장을 체크하기 위해 상기 주파수 스펙트럼을 분석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 라인(30, 100) 내에 구성되는 디젤 입자상 필터(116) 및, 상기 배 기 라인(30, 100)의 압력의 측정을 획득하도록 구성되는 제 2 압력 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  15. 연료를 배기 후처리 시스템에 제공하는 방법에 있어서,
    입구(62, 81) 및 출구(63, 83)를 포함하는 조절 밸브(11, 60, 70, 80)를 통해 상기 연료를 통과시키는 단계로서, 상기 입구(62, 81)는 제 1 연료 라인(23)에 연결되고, 상기 출구는 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에 연결되는 단계;
    상기 연료를 상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)에서 노즐(12, 40, 50, 60)을 통해 배기 라인(30, 100)으로 통과시키는 단계;
    상기 배기 시스템 연료 공급 라인(15)과 상기 배기 라인(30, 100) 간의 압력차의 인디케이션을 획득하는 단계;
    상기 압력차와 상기 노즐(12, 40, 50, 60)을 통한 유량 간에 미리 정해진 관계를 제공하는 단계; 및
    상기 조절 밸브(11, 60, 70, 80), 상기 미리 정해진 관계, 및 상기 압력차의 인디케이션으로부터의 피드백을 이용하여 상기 노즐(12, 40, 50, 60)을 통한 유량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료를 배기 후처리 시스템에 제공하는 방법.
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