KR20100065316A - 내연 기관의 방출가스 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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산티아고 무리 자파테로
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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 가스 지표로서의 특정한 방출량을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법은, 배기 가스 유량(3)을 제1 구동 지표로, 기관의 출력 성능(2)을 제2 구동 지표로 결정하는 단계, 상기 구동 지표들 중 적어도 하나와 항상 상이한 측정값으로부터 산화 질소 유량(3) 및 기관의 출력 성능(2)을 추론하는 단계, 그리고 보정된 배기 가스 유량(3) 및 기관 출력 성능(2)의 지수로서 배기 가스 비표를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내연 기관의 방출가스 측정 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE EMISSIONS OF ENGINES}
본 발명은 내연 기관의 특정한 산화 질소 방출량을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
인적 왕래 및 물적 교류를 위한 많은 분야에서 이용되는 개별적 교통 수단에 대해 지속적인 기후 논의가 진행되면서, 기후 보호를 위한 배기 가스 방출량의 한계치를 확정하는 규정들 및 결정안들이 도입되었다. 일반적으로, 이러한 한계치는 예컨대 km, kWh 등과 같은 특정 수치에 관련한다.
또한, 철도 차량 및 선박 교통의 분야에서도 상기와 같은 한계치의 도입이 증가하고 있다. 예컨대 선박 분야의 경우 마르폴 조약 부속서 VI항은 기관 출력과 관련한 선박의 배기 가스 배출량에 대해 예컨대 유해 물질(g)/ 전력(kW) 및 운전 시간으로 규정한다. 현재, 산화황(SOx) 및 산화 질소(NOx)의 배출량이 규정되어 있다.
또한 이와 유사하게, 예컨대 매우 다양하게 응용된 정치 기관(stationary engine)과 같은 다른 부문에 대해서도 규정되어 있으며, 비교 가능한 지침서 및 한계치가 마련되어 있다.
대부분 형식 승인, 즉 건축 형식 검사 등에서 적합한 테스트 벤치(test bench)용 기관에 대해 한계치가 지켜지고 있는가를 검사한다. 이러한 테스트 벤치는 적합한 한계치, 지표, 인자 등의 검사에 대해 정확히 설정되므로, 상기 테스트 벤치에 대한 전체 측정 기술은 고정 측정 기기를 위해 제공된다. 그러나, 한계치 준수 검사가 점차 야외에서, 즉 예컨대 기관차나 선박의 실제 기관 구동 중에 필요하거나 요구되면서, 해당 지역에서 신속하고 간단하게 내연 기관의 한계치 준수 검사를 할 수 있는 신뢰할만한 휴대용 측정 시스템이 필요하다. 그러나, 방출량을 결정하기 위해 테스트 벤치로 측정되는 모든 구동 지표들을 해당 지역에서 직접적으로 측정하기에는 어려움이 있거나 불가능한 경우도 종종 있다. 예컨대, 기계에 복잡한 부가물을 설치하거나 기계 자체를 개조하지 않고는, 순간 출력 성능이나 현재 연료 소모를 산출할 수 없는 경우가 대부분이다.
본 발명의 과제는 실제 조건에서 내연 기관의 특정 배기 가스의 지표를 실시간으로 간단히 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는, 특정한 배기 가스 성분의 유량인 방출 유량을 제1구동 지표로, 기관의 출력 성능을 제2구동 지표로서 결정하고, 상기 구동 지표들 중 적어도 하나와 항상 상이한 측정값으로부터 특정한 배기 가스 성분 유량 및 기관 출력 성능을 추론하거나 산출하며, 그리고 상기 특정한 배기 가스 성분 유량 및 기관 출력 성능의 지수(quotient)로서 특정 방출량(배기가스 지표)을 산정함으로써 해결된다. 구동 지표와 상이한 측정값이란, 특히 구동 지표와 물리적으로 다른 측정값을 의미한다. 바람직하게는, 배기 가스 성분이란 NOx를 의미한다. 그러나, 본 방법은 예컨대 SOx와 같은 다른 배기 가스 성분의 경우에도 적용될 수 있다.
간단히 측정될 측정값들로부터 구동 지표들을 추론함으로써, 본 방법 및 측정 장치는 복잡하고 소모적인 상부 구조물 없이도 사용될 수 있다. 이러한 방법은 각 지역마다 상이한 기관을 위해서도 사용될 수 있으며, 배기 가스 지표 및/또는 배기 가스 한계치의 신뢰할만한 실시간 제어를 구현한다.
적합하게는, 기관의 다양한 부하 조건에 대한 두 개의 구동 지표들이 결정된다. 경우에 따라서, 구동 지표들이 합산된다.
더욱 적합하게는, 상기 합산 전에 소정의 부하 등급에 속하는 구동 지표들이 기관의 사용 목적에 맞춰진 가중 인자들로 배가되고, 이 때 상기 가중 인자들은 예컨대 하나의 표로 제공될 수 있다. 이 때, 특히, 개별 부하 등급의 지표들이 서로 매우 상이하다는 점을 고려할 수 있다. 예컨대 선박 디젤은 주로 전부하 바로 아래에서 구동함으로써, 이 때의 가중 인자가 휴지 시간보다 더 클 수 있는 반면, 자동차는 주로 부분 부하나 그보다 낮은 부하에서 구동하므로, 이러한 부하 범위에서의 유해 물질 배출은 더 많이 가중될 수 있거나 가중되어야 한다.
바람직하게는, 특정한 배기 가스 지표는 기관 출력 성능(kW) 및 구동 시간 당 특정한 배기 가스 성분 유량의 보정값으로 정의되고, 이하에서 간단히 특정 방출 지표로 표현한다.
본 발명의 제1형성예에서, 기관 출력 성능은 상기 기관의 현재 회전 모멘트 및 회전수로부터 결정되며, 이 때 회전 모멘트는 예컨대 구동축(shaft)에서의 스트레인 게이지(strain gauge)를 통해 산출된다.
본 발명에 따른 방출 지표 결정을 위한 제2실시예에서, 기관 출력 성능은 상기 기관의 연료 유량 및 특정한 연료 소비로부터 산정되며, 이 때 상기 특정 연료 소비는 제조사로부터 제공된 값으로, 예컨대 기관 출력값에 따른 연료 소비 수치가 표 또는 그래프 형식으로 제공된다. 순간 연료 소비가 결정됨으로써, 상기 출력 성능은 간단히 표에서 독출되거나 표의 수치에 근거하여 보간될 수 있다.
그러나, 연료 유량 센서가 기관의 공급 라인들에 또는 그 내부에 설치되기가 어렵거나 불가능한 경우도 있을 수 있어서, 연료 유량을 배기 가스 유량 및 화학량론적인 필요 공기량으로부터 산정하는 것이 중요할 수 있다. 간단히 반응식을 이용하여, 배기 가스량으로부터 소급하여 연료 유량을 산출할 수 있다.
이 때, 상기 화학량론적 필요 공기량은 연료의 화학적 조성으로부터, 특히 탄소, 수소 및 경우에 따라서 황의 질량비로부터 도출된다.
마찬가지로, 배기 가스 유량은 측정하기 어려울 수 있어서, 연소 공기(combustion air) 유량 및 과잉 공기 인자를 통해 연료 유량을 산출할 수 있다. 이 때, 과잉 공기 인자를 고려하는데, 모든 공기(산소)가 연소를 위해 필요하지 않으므로 연료 산출과 결부지어선 안된다.
이 때, 과잉 공기 인자는 배기 가스의 조성, 특히 이산화탄소(CO2) 및 경우에 따라서 CO, 그리고 경우에 따라서 탄화수소(HC)의 체적 농도로부터 결정된다. 이 때, 산소 체적 농도로부터 이산화탄소 비율이 산정되면서 측정 비용이 감소한다.
연소 공기 유량은 임펠러(impeller) 풍속기 또는 그와 유사한 측정 기구를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 기관의 공기 유입구로 접근이 안되는 경우에도 상기 연소 공기 유량을 산정할 수 있다.
이를 위해, 기관의 회전수, 배기량, 실린더 수, 인터쿨러 이후, 즉 기관에 유입되기 전의 과급 기압 및 과급 기온, 그리고 주변 온도 및 기압, 상대습도가 결정되고, 이로부터 연소용 공기 유량이 산정된다.
인터쿨러나 터보 과급기(turbo charger)를 포함하지 않은 기관을 사용하는 경우, 적합한 측정값을 이용하여 상기와 유사하게 처리되는데, 이 경우 과급 공기는 흡기로 대체되고, 과급 기온 및 과급 기압 대신 흡기 온도 및 정상 기압이 이용된다.
출력 성능을 결정하기 위해 이용될 수 있는 다양한 가능성은, 어떤 종류의 센서가 제공되는 지, 그리고 기관의 어느 위치가 접근 가능한 가에 따라 다르다. 가장 비효율적인 경우에, 배기 가스 시스템의 작은 개구부가 얇은 탐침을 삽입하기에 충분하여 배기 가스에서 이미 간단한 산소 측정이 가능할 뿐만 아니라, 환경적 매개변수 및 기관 회전수와 함께 과급 기압 및 과급 기온의 결정을 위해서도 충분하다. 이러한 측정값들, 연료 매개변수들 및 공지된 기관 데이터들로부터 다른 모든 데이터들이 산정될 수 있다.
배기 가스 성분 유량, 특히 산화 질소 유량을 결정하는 경우에도 유사하게 진행될 수 있다. 이 경우에도, 유량의 직접적 결정은 어려운 경우가 종종 있는데, 이를 위해 필요한 체적 유량 측정을 예컨대 선박상에 위치하는 대형 배기 가스 연통에서 수행할 때 문제가 있을 수 있기 때문이다.
따라서, 가스 센서를 통해 예컨대 산화 질소의 체적 농도를 결정하고 그로부터 유량을 산정할 필요가 있다. 업계 일반적인 NOx 센서는 부분적으로 건조한 배기 가스에서 상기 농도를 결정하므로, 이후의 단계에서 활용되기 위해 상기 측정 결과가 건습 보정 인자와 상쇄된다.
적합한 측정 방법 및 센서를 이용하면, 일반적으로, O2-, NOx-, SOx- 및/또는 HC-농도 측정이 습한 배기 가스에서 직접 실행될 수 있다. 습한 유량에 대한 상쇄 계산은 더 이상 필요하지 않다.
이러한 건습 보정 인자는 CO 및 CO2의 체적 농도, 그리고 절대 기압, 상대 습도 및 온도와 같은 환경 조건에 의해 결정된다.
이렇게 형성되는 습한 배기가스에서의 NOx 농도는 NOx 유량을 위해 습한 배기 가스 유량과 상쇄되고, 이 때 배기 가스 유량은 이미 출력 성능 결정 시 측정되거나 결정되어 이미 값으로 제공되거나, 동일한 방법으로 결정될 수 있다.
예컨대 기관의 테스트 벤치 수치에 견줄만한 수치를 얻기 위해, 상기 제공된 NOx 유량값은 각각의 응용 및 상황에 따라 특정한 NOx 평가 인자와 상쇄된다. 평가 인자는 인터쿨러의 기온 및 기압, 그리고 절대 기압, 상대 습도 및 온도와 같은 환경 조건으로부터 결정된다.
이를 통해, 상기 방법은 보편적으로 사용될 수 있고, 특히 야외에서 간단히 실행될 수 있다. 특히 구동중인 차량, 예컨대 선박에서, 기관 근방에 간단한 탐침을 이용하여 배기 가스에서의 배기 가스 매개변수 측정을 수행할 수 있으며, 이 때 소모적인 배기 가스 유량 측정을 연통에서 실시할 필요는 없다. 바람직하게는, 탐침은 플랜지(flange) 등을 포함하고, 이를 이용하여 상기 탐침은 연통이나 배기 가스 배출구에 고정될 수 있고, 고정된 위치에서 배기 가스 표본의 추출을 위해 기관 배기 가스에 삽입된다.
바람직하게는, 배기 가스 표본의 추출은 가열되거나 가열되지 않은 튜브를 이용하는 데, 이때 가열되지 않은 튜브의 경우 배기 가스 성분이 배기 가스 수분(exhaust gas moisture)으로 천이되는 것을 방지해야 하며, 이는 예컨대 DE 196 31 002 C2에 기재된 바와 같다.
또한, 배기 가스 매개변수 및 배기 가스 지표의 실시간 결정은 기관의 연소 공정을 최적화할 수 있는데, 입력 매개변수 및 기관 조절의 변화가, 최종적으로 연료 소비에 영향을 미치는 배기 가스의 농도에 대해 어떠한 효과를 가지는가를 직접적으로, 그리고 실제 사용 조건하에서 관찰할 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 형성예에 따르면, 습한 배기 가스는 센서와 접촉되기 전에 급격하게 냉각될 수 있다. 이는 예컨대 추출되는 배기 가스 흐름 경로에서 센서들보다 앞에 배치된 냉각 트랩(cold trap) 또는 가스 냉각기에서 수행될 수 있다. 이 때의 이점은, 조사하는 배기 가스 성분이 습한 배기 가스에 결합되지 않는다는 것이다.
본 명세서에 기술된 방법에서 배기 가스 표본의 간단한 추출을 하기 위해, 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 배기 가스 추출을 위한 탐침이 구비될 수 있고, 상기 탐침은 내연 기관의 배기 가스 배출구에 고정되기 위해 플랜지를 포함한다. 탐침은 신속하고 파괴 없이 긴 시간동안 그리고/또는 인적 소모 없이, 예컨대 선박의 연통과 같은 배기 가스 흐름 경로에 고정될 수 있다.
이하, 본 방법은 마르폴 73/78 부속서 6의 지침서(이하에서 간단히 마르폴이라 함)에 따라 예시된 가중 산화 질소 지표 GASNOx의 결정에 대해 도면에 의거하여 상세히 설명된다.
간단히 측정될 측정값들로부터 구동 지표들을 추론함으로써, 본 방법 및 측정 장치는 복잡하고 소모적인 상부 구조물 없이도 사용될 수 있다. 이러한 방법은 각 지역마다 상이한 기관을 위해서도 사용될 수 있으며, 배기 가스 지표 및/또는 배기 가스 한계치의 신뢰할만한 실시간 제어를 구현한다.
도 1은 배기 가스 지표의 결정을 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 가중 산화 질소 지표의 산출을 위한 흐름도이다.
도 3은 기관 출력 성능 산출을 위한 제1방법의 흐름도이다.
도 4는 보정 산화 질소 유량 결정을 위한 제1방법의 흐름도이다.
도 5는 기관 출력 성능 산출을 위한 제2방법의 흐름도이다.
도 6은 보정 산화 질소 유량 결정을 위한 제2방법의 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
도 1은 예컨대 선박의 갑판에서 측정하기 위해 사용될 수 있는 산화 질소 지표 결정을 위한 장치를 도시한다.
시스템의 핵심 구성 요소는 측정 기구(30)이며, 상기 측정 기구는 튜브를 경유하여 배기 가스 탐침(31)과 결합되고, 배기 가스 성분들 O2, CO, CO2, NOx, SO2, HC의 배기 가스 체적 농도 및 다른 수치들을 측정하기에 적합하다. 이를 위해, 측정 기구는 펌프를 포함하고, 상기 펌프는 탐침 끝단에 의해 배기 가스를 흡입하고, 센서 구간을 통과하여 측정 기구에서 펌핑한다. 측정 기구는 모듈식으로 구성됨으로써, 다른 응용이나 향후의 응용을 위해 예컨대 SOx와 같은 다른 측정값들이 필요한 경우, 측정 구간으로 간단히 다른 센서들이 삽입될 수 있다.
또한, 본 장치는 예컨대 필터, 가스 건조 모듈 등과 같이 측정 가스 준비에 적합한 장치들을 포함하며, 상기 가스 건조 모듈은 예컨대 가스 냉각부를 포함한다. 배기 가스 탐침(31) 및 상기 탐침의 튜브는 경우에 따라서 (예컨대 탐침 끝단에서) 필터를 구비할 수 있고, 측정해야 할 가스 성분들이 표면 등에 결합되는 것을 방지하도록 형성된다.
다른 실시예에서, 탐침(30) 및 분석기로 사용된 측정 기구(31)가 조합되어 하나의 유닛으로 구현되며, 즉 중간에 개재되는 튜브 없이 배기 가스 채널에 직접 설치된다.
배기 가스 측정값(38)은 중앙의 측정값 수집 장치(32)에 전달된다.
또한, 본 장치는 무선 통신이나 케이블을 통해 중앙 측정값 수집 장치(32)에 전송되는 환경 매개변수(35) 및 기관 매개변수(36)를 위한 측정 장치들을 포함한다. 상기 매개변수들은 기관 관리를 위해 예컨대 인터페이스에 의해 판독(read in)될 수 있다.
중앙 측정값 수집 장치(32)에서 측정 데이터들은 적어도 하나의 컴퓨터(33)로부터 인출(fetch)될 수 있으며, 상기 컴퓨터는 지표 산정을 실행하기에 적합한 프로그램을 포함한다. 경우에 따라서, 상기 산정을 위해, 상기 프로그램에는 기관- 및 연료 제조사의 표 데이터(37)가 더 부가된다. 산정 결과로서, 적합한 측정 프로토콜(34)이 직접적으로 나타날 수 있다. 또한, 컴퓨터(33)를 이용하여 측정 데이터를 영구적으로 모니터할 수 있어서, 어느 시간에도 배기 가스 지표의 현재값이 산정되고 표시될 수 있다. 또한, 디스플레이가 선박의 항해 선교(navigation bridge) 또는 운전 센터에 직접 배치되어, 갑판 엔지니어나 선장이 어느 시간에도 기관의 배기 가스 방출을 감시할 수 있는 것도 고려할 수 있다. 이를 통해, 상황에 따라 조기에 기관의 구동 이상을 감지하고, 더 큰 위험을 방지할 수 있다.
도 2에는 가중 산화 질소 지표 GASNOx(1)의 결정을 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있으며, 상기 지표는 출력 성능(kW) 및 구동 시간 당 배기 가스에서 산화 질소 배출량을 나타낸다. 따라서, 본 방법은 출력 성능(2) 및 산화 질소 유량(3)을 결정하는 단계를 포함한다. 기관의 서로 다른 부하 등급들에서 출력 성능(2) 및 산화 질소 유량(3)이 결정되고, 이러한 값들은 가중 인자(4)와 함께 가중된다. 산화 질소 지표의 산정은 단계(5)에 제공된 식
Figure pct00001
에 따라 수행된다.
가중 인자(4)에 의해, 각 응용에 따라 기관이 주로 특정한 부하 범위에서 구동한다는 것이 고려된다. 이러한 점은 선박의 경우 동력 장치의 종류에 의존한다. 예컨대, 디젤 전기 동력 장치의 디젤 기관은 항상 완전한 회전수로 운행하며, 생성된 전압은 정확한 주파수를 포함한다. 따라서, 디젤 전기 동력 장치의 경우, 회전수가 낮을 때 유해 물질 배출은 무시해도 좋은데, 기관은 대부분 상기 범위에서 구동하지 않기 때문이다. 그에 반해, 직접 구동 방식의 선박의 경우, 천천히 운행할 때 회전수가 제한되므로, 이 때의 유해 물질 배출은 부분적으로 전체 배출량에 기여한다.
예컨대, 일 응용예에서, 기술된 방법을 이용하면, 내연 기관의 전부하의 10%, 50%, 100%일 때 방출량이 측정되며, 상기 식에 대입될 수 있다.
다른 응용예, 즉 예컨대 상기 명시한 디젤 전기 동력 장치가 다른 규정을 따라야 하는 경우, 방출량은 예컨대 내연 기관의 전부하의 100%일때만 측정되고, 상기 식에서 합계는 생략된다.
부하점이 3개와 5개 사이일 때 방출량이 측정되는 응용예들이 일반적이긴 하나, 해당 지침서 또는 요구 조건에서 상기 수치와 다를 수 있다.
본 명세서에 기술된 산정 단계(5)는 다른 특정한 지표를 위해서도 사용되며, 예컨대 자동차에 이용되는 지표인 km당 CO2 배출량을 산정하기에 적합할 수 있다. 이 때, 서로 다른 출력 성능 등급들의 가중도 중요할 수 있다.
출력 성능(2) 및 산화 질소 유량(3)은 다양한 방법으로 결정될 수 있다. 출력 성능 결정을 위한 제1방법은 도 3에 도시되어 있다.
출력 성능(2)을 결정하기 위해 기관의 구동축에서 회전 모멘트 측정(6)을 시행한다. 이를 위해, 예컨대 상기 축에 스트레인 게이지가 설치되고, 측정된 전압이 회전 모멘트로 환산된다. 특히, 측정된 브리지 전압을 회전 모멘트로 환산하기 위해 축의 매개변수가 사용되는 경우, 출력 성능(2)은 기관의 회전수(7)를 이용하여 간단히 Pi = T·2π·n이란 식에 따라 산정될 수 있다.
또는, 기관이 전기적 발전기를 구동시키는 경우, 출력 성능(2)의 결정 단계는 특히 발전기의 에너지변환 효율 및/또는 동력 전달 장치(powertrain)에서 기관과 발전기 사이에 배치된 기어의 변속을 고려하여, 상기 발전기의 전기적 출력 성능을 결정함으로써 시행할 수 있다
그러나, 예컨대 축으로 접근할 수 없고, 스트레인 게이지가 설치될 수 없는 이유로 회전 모멘트(6)의 측정이 불가능한 경우에 출력 성능을 결정하기 위한 방법은 도 4에 도시되어 있으며, 상기 방법은 회전 모멘트의 측정 없이 간단한 측정 기술만을 필요로 한다.
제1단계에서 회전수(7), 실린더(8)의 수, 배기량(9), 인터쿨러 이후의 과급 기압(10) 및 과급 기온(11), 그리고 절대 기압, 상대 습도, 온도와 같은 환경 조건(12)으로부터 흡기 유량(13)이 산정된다.
이와 동시에 동일한 조건으로 시행되어야 하는 제2단계에서, 건조 배기 가스에서 이산화탄소의 체적 농도(14) 및 경우에 따라서 산화탄소(15)의 체적 농도, 그리고 경우에 따라서 탄화수소(16)의 체적 농도가 측정된다. 이를 위해, 예컨대 기관의 배기 가스 채널에 탐침이 삽입되고, 상기 탐침에 의해 배기 가스가 측정 기구로 흡입되며, 상기 측정 기구에서 다양한 센서들을 통해 안내된다.
대안적으로, CO2 체적 농도(CO2)는 산소 농도(O2, gemessen)(%) 및 연료로부터 생성될 수 있는 최대 CO2량(CO2, max)으로부터 식
Figure pct00002
에 따라 산정될 수 있다.
3개의 값들로부터 과잉 공기 인자(17)가 산정되고, 상기 인자로부터 연소에 필요하지 않은 흡기량을 알 수 있다.
흡기 유량(13) 및 과잉 공기 인자(17)로부터 연소 공기 유량 또는 배기 가스 유량(18)이 산정된다.
이와 동시에, 다른 단계에서, 특정한 조성의 연료(20)로부터 화학량론적 필요 공기량(19)이 산정되고, 이 때 상기 조성은 연료 제조사로부터 제공된 수치이다. 상기 산정 단계는 먼저 수행될 수 있고, 그 결과가 임시 저장될 수 있다. 이 때의 관심 성분들은 연료내의 탄소, 황 및 수소의 비율이다.
반응식 및 분자량 균형을 고찰함으로써, 연소 공기 유량(18) 및 화학량론적 필요 공기량(19)에 근거하여 연료 유량(21)이 결정된다.
최종 단계에서, 연료 유량(21)으로부터 특정한 연료 소비(22)에 대해 표의 형태로 제공된 기관 제조사 정보를 이용하여 기관의 출력 성능(2)이 산정되거나 보간된다.
도 5는 상기 출력 성능외에 산화 질소 지표를 산정할 때 필요한 산화 질소 유량(GNOX)의 결정을 위한 제1방법을 도시한다. 본 방법의 핵심 단계는 건조 배기 가스에서 산화 질소 체적 농도의 결정 단계(23)이다. 이를 위해, 배기 가스 흐름 경로에 센서가 필요하며, 상기 센서는 특히 이산화탄소(14)의 측정을 위해 구비된 것과 동일한 측정 기구에 배치되는 것이 유리하다. 가장 간단한 경우, 측정 기구의 가스 경로에 적합한 센서 모듈을 삽입하는 것으로도 충분하여, 설치 비용이 매우 적다.
NOx 농도는 그 다음의 활용을 위해, 건습 보정 인자(24)를 이용하여 습한 배기 가스(25)에서의 체적 농도로 환산되어야 한다. 상기 건습 보정 인자는 이미 출력 성능의 결정 시 산출된 환경 조건(12) 및 산화탄소 농도(14, 15)로부터 산정된다.
이와 동시에 시행되는 단계에서, 연료 유량(26)이 측정되고, 이를 위해 예컨대 임펠러형 계수기가 연료 공급 라인에 설치되거나, 클램프 온 센서(clamp-on-sensor)에 의해 비침습적으로 측정된다. 연료 유량(26) 및 이미 출력 성능의 결정 시 산정된 과잉 공기 인자(17)와 화학량론적 필요 공기량(19)으로부터 습한 배기 가스 유량(27)이 산정된다.
다음 단계에서, 습한 배기 가스 유량(27) 및 NOx 농도(25)로부터 배기 가스내의 습한 NOx 유량(28)이 산정된다.
그러나, 산화 질소 지표는 예컨대 공기 습도와 같은 환경적 영향을 받지 않아야 하므로, 다른 단계에서, 이미 상기 출력 성능의 결정 시 산출된 환경 조건(12)뿐만 아니라, 인터쿨러 이후, 즉 기관에 유입되기 전의 과급 기압(10) 및 과급 기온(11)으로부터, NOx 습도 보정 인자가 산정되어야 한다.
최종 단계에서, 습한 NOx 유량(28) 및 NOx 습도 보정 인자(29)로부터 산화 질소 지표 결정에 필요한 NOx 유량(3)이 산정된다.
도 6에는 다른 NOx 유량(3)을 결정하기 위한 다른 방법이 도시되어 있으며, 상기 방법은 도 5의 방법에 비해 연료 유량 결정 단계만 상이하다.
여기서는, 도 4에 따른 출력 성능의 결정 시 산정된 값이 연료 유량(21)으로 수용된다. 이를 통해, 연료 유량 측정 단계가 생략될 수 있고, 방법이 실질적으로 간단해질 수 있는데, 일반적으로, 차후에 또는 임시적으로 기관에 유량 센서를 설치할 가능성이 없기 때문이다.
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 지표로서 특정한 방출량의 결정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법은, 배기 가스 유량으로도 표현하는 방출 유량, 특히 배기 가스 성분 유량(3)을 제1 구동 지표로, 기관의 출력 성능(2)을 제2 구동 지표로 결정하는 단계, 상기 구동 지표들 중 적어도 하나와 항상 상이한 측정값으로부터 배기 가스 성분 유량(3) 및 기관 출력 성능(2)을 추론하는 단계, 및 보정된 배기 가스 성분 유량(3) 및 기관 출력 성능(2)의 지수로서 배기 가스 지표를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 때 상기 배기 가스 성분은 NOx인 것이 바람직하다.

Claims (42)

  1. 내연 기관의 특정한 방출량을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    방출 유량(3)을 제1 구동 지표로, 기관의 출력 성능(2)을 제2 구동 지표로 결정하는 단계;
    상기 방출 유량(3) 및 상기 기관 출력 성능(2)을 상기 구동 지표들 중 적어도 하나와 항상 상이한 측정값으로부터 유도하는 단계; 및
    보정된 방출 유량(3) 및 기관 출력 성능(2)으로부터의 지수(quotient)로 특정한 방출량을 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방출 유량의 결정 시, 내연 기관의 배기 가스에서 있는 일 성분의 배기 가스 성분 유량(3)이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기 가스 성분은 NOx인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2구동 지표의 결정 단계를 기관의 다양한 부하 조건들에 대해 반복하며, 상기 특정한 방출량(1)은 상기 구동 지표들의 합의 지수로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 합산 시 다양한 부하 조건들의 구동 지표들은 항상 가중 인자(4)로 인해 배가되며, 상기 가중 인자(4)는 내연 기관의 사용 목적에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가중 인자(4)는 표로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1 내지 제6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기관 출력 성능(2)의 결정 단계는 상기 기관의 현재 회전 모멘트의 결정 단계(6); 및 상기 기관의 현재 회전수의 결정 단계(7)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기관의 출력 성능(2)의 결정 단계는 상기 기관에 의해 구동되는 발전기의 전기적 출력 성능의 결정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기관의 출력 성능(2)의 결정 단계는 상기 연료 유량의 결정 단계(21, 26); 및 상기 특정한 연료 소비의 결정 및/또는 입력 단계(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스에서 상기 배기 가스 성분 유량(3)의 결정 단계는 상기 배기 가스에서 습한 배기 가스 성분 유량을 결정하는 단계(28)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스에서 배기 가스 성분 유량(3)의 결정 단계는 습도 보정 인자의 결정 단계(29)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 습도 보정 인자의 결정 단계(29)는 상기 기관에 유입되기 전의 과급 기압을 결정하는 단계(10); 상기 기관에 유입되기 전의 과급 기온을 결정하는 단계(11); 및 적어도 절대 기압(PB), 온도(Ta) 및 상대 습도(Ra)로 특징되는 환경 조건들의 결정 단계(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스에서 상기 습한 배기 가스 성분 유량(28)의 결정 단계는 상기 습한 방출 유량의 결정 단계(27); 및 상기 습한 배기 가스에서 배기 가스 성분 농도의 결정 단계(25)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습한 배기 가스에서 배기 가스 성분 농도의 결정 단계(25)는 건조한 배기 가스에서 배기 가스 성분 농도의 결정 단계(23); 및 상기 건습 보정 인자의 결정 단계(24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 건습 보정 인자의 결정 단계(24)는 상기 건조한 배기 가스에서 CO2 농도 결정 단계(14); 및 환경 조건들, 특히 적어도 기압(PB), 온도(Ta) 및 상대 습도(Ra)의 결정 단계(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 건습 보정 인자의 결정 단계(24)는 건조한 배기 가스에서 CO 농도 결정 단계(15)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습한 배기 가스 유량의 결정 단계(27)는 연료 유량의 결정 단계(26);
    과잉 공기 인자의 결정 단계(17); 및 화학량론적 필요 공기량의 결정 단계(19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 유량의 결정 단계(21, 26)는 상기 화학량론적 필요 공기량의 결정 단계(19); 및 상기 내연 기관에서 건조한 공기 유량의 결정 단계(18)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 화학량론적 필요 공기량의 결정 단계(19)는 연료 조성, 특히 수소, 탄소 및 경우에 따라서 황의 질량비를 결정하거나 입력하는 단계(ALF, BET, GAM)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 내연 기관에서 건조한 공기 유량의 결정 단계(18)는 흡기 유량의 결정 단계(13); 및 과잉 공기 인자의 결정 단계(17)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 흡기 유량의 결정 단계(13)는 기관의 회전수 결정 단계(7); 상기 기관의 실린더 수 결정 단계(8); 배기량 결정 단계(9); 상기 기관에 유입되기 전의 과급 기압의 결정 단계(10); 상기 기관에 유입되기 전의 과급 기온의 결정 단계(11); 환경 조건들, 특히 절대 기압(PB), 온도(Ta) 및 상대 습도(Ra)의 결정 단계(12)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과잉 공기 인자의 결정 단계(17)는, 적어도, 상기 건조한 배기 가스에서 CO2 체적 농도를 결정하는 단계(14)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과잉 공기 인자의 결정 단계(17)는, 적어도, 상기 건조한 배기 가스에서 CO 체적 농도를 결정하는 단계(15)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과잉 공기 인자의 결정 단계(17)는, 적어도, 상기 건조한 배기 가스에서 탄화 수소 농도를 결정하는 단계(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제15항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CO2 체적 농도의 결정 단계(14)는, 특히 연료에서 생성 가능한 최대 CO2량(CO2, max)으로부터 CO2 체적 농도를 산정하기 위해 상기 배기 가스에서 산소 농도(O2)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제1 내지 제25 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 습한 배기 가스는 센서와 접촉하기 전에 급격하게 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 내연 기관의 특정한 방출량을 결정하기 위한 것으로, 특히 배기 가스 지표로서 내연 기관의 특정한 방출랑을 결정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는 제1 및 제2 구동 지표의 수집 수단(30, 31, 35, 36), 측정값 수집 유닛(32) 및 컴퓨터 유닛(33)을 포함하고, 상기 컴퓨터 유닛은 상기 구동 지표들로부터 특정한 방출량, 특히 배기 가스 지표(1)를 산정하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 산소 체적 농도를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 CO2 체적 농도를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 NOx 체적 농도(23)를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 CO 체적 농도를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 탄화 수소 농도(16)를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 기관의 배기 가스에서 SO2 체적 농도를 결정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제27항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 구동축의 회전수(7)의 결정용 센서 또는 입력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제27 내지 제34 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 특히 인터쿨러에서의 과급 기온(11) 및 과급 기압(10)의 산출용 센서 또는 입력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제27항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 주변 온도(Ta), 절대 기압(PB) 및 상대 습도(Ra)의 산출용 센서 또는 입력 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제27항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스의 추출을 위해 탐침이 구비되고, 상기 탐침은 상기 내연 기관의 배기 가스 배출구에 고정되기 위해 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제27항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 측정 데이터를 전달하기 위해 측정값 수집 유닛(32)과 무선 통신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제27항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내연 기관에 대한 기관 관리 및/또는 공정 제어 시스템을 위해 인터페이스가 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제27항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정의 수단으로서 특히 적어도 하나의 센서, 및/또는 연료 매개변수의 입력 수단 및/또는 내연 기관의 특정한 연료 소비의 입력 수단이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제27항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 측정 기구(30)에 배치되고, 상기 배기 가스의 추출을 위해 배기 가스 탐침(31)이 구비되며, 특히 상기 측정 기구(30) 및 상기 배기 가스 탐침(31)은 하나의 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제27항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스 표본의 추출을 위해 가열될 수 있거나 가열되지 않은 튜브가 구비되는 것을 특징으로 하는 장치.
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