KR20140035528A - 배기 가스 후처리 장치의 이온화 장치를 제어하는 방법 - Google Patents

배기 가스 후처리 장치의 이온화 장치를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 연소 기관(3)의 배기 가스 후처리 장치(2)에 위치하고, 적어도 하나의 캐소드(4) 및 적어도 하나의 애노드(5)를 갖춘 이온화 장치(1)를 조정하는 방법에 관한 것이다. 상기 적어도 하나의 캐소드(4)는 배기 가스 후처리 장치(2)에 배치되되, 상기 애노드(5)로부터 이격된 거리(6)를 가지고 배치된다. 상기 방법은 적어도 다음 단계들을 가진다: 상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 고전압을 인가하는 단계; 상기 고전압에 대한 제 1 값(7)을 미리 정의하는 단계; 상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드 사이에 고전압에 의해 발생된 전류를 검출하는 단계; 및 미리 정의할 수 있는 회수에 대해, 상기 검출된 전류가 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기(9)를 초과하는 경우, 상기 고전압에 대한 제 2 값(8)을 미리 정의하는 단계.

Description

배기 가스 후처리 장치의 이온화 장치를 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING AN IONIZATION DEVICE IN AN EXHAUST GAS POST-TREATMENT DEVICE}
본 발명은 내부 연소 기관의 배기 가스 후처리 장치의 이온화 장치를 조정하는 방법에 관한 것이다. 이온화 장치는, 배기 가스 후처리 장치에서 서로 이격되어 배치된, 적어도 하나의 캐소드 및 적어도 하나의 애노드를 가진다. 적어도 하나의 캐소드와 애노드 사이에는 배기 가스의 그을음 입자의 이온화를 가능케 하는 고전압이 인가된다.
이동식 내부 연소기관(mobile internal combustion engines)을 가진 자동차에서, 특히 디젤-구동 자동차에서, 내부 연소 기관의 배기 가스는 일반적으로, 대기로 방출되지 않은 그을음 입자를 함유하고 있다. 이는 배기 가스의 단위 중량당 또는 배기 가스의 단위 부피당 그을음 입자의 수 및 질량에 대해, 그리고 때때로 자동차 전체에 대해 제한 값을 정하는 해당 배기 가스의 규제에 의해 명시된다. 그을음 입자는 특히 배기 가스에서 연소되지 않은 탄소 및 탄화수소이다.
이동식 내부 연소 기관의 배기 가스로부터 그을음 입자를 제거하는 서로 다른 수많은 개념은 이미 논의되어 왔다. 대안적으로 폐쇄형 벽 유동 필터(closed-off wall-flow filters), 개방 우회 유동 필터, 중력 구동 분리기 등 이외에, 배기 가스의 입자가 전기적으로 충전되고, 그 후에 정전 인력(electrostatic attraction forces)의 도움으로 증착되는 시스템들이 이미 제안되기도 하였다. 상기 시스템들은 특히 "정전 필터들(electrostatic filters)" 또는 "전자필터들(electrofilters)" 이라는 명칭 하에 알려져 있다.
"전자필터들" 경우, 대량의 그을음 입자를 형성하는 소량의 그을음 입자의 집합체(agglomeration) 및/또는 전하를 가진 그을음 입자는 전계 및/또는 플라즈마의 제공을 통해 영향을 받았다. 전기적으로 충전된 그을음 입자 및/또는 상대적으로 큰 그을음 입자는 필터 시스템에서 분리되기에 매우 용이해진다. 상대적으로 높은 질량 관성으로 인해, 그을음 입자 집합체는 배기 가스 유동에서 둔하게 이동되고, 이로써, 배기 가스 유동의 방향 전환 지점에서 보다 손쉽게 축적된다. 이들의 전하로 인해, 전기적으로 충전된 그을음 입자는, 축적되고 이들의 전하를 제거시킬 수 있는 표면을 향하여 안내된다. 이는 자동차의 동작 중에 배기 가스 유동으로부터 그을음 입자를 제거를 가능케 한다.
이로써, 상기와 같은 전자필터를 위해, 예를 들면, 배기 라인에 위치되는 다수의 방출 전극들 및 콜렉터 전극들이 제안되었다. 여기에서, 예를 들면, 배기 라인을 통해 거의 중앙으로 뻗는 중앙 방출 전극과, 그리고 콜렉터 전극으로서 배기 라인의 둘러싼 측방향 표면은 캐패시터를 형성하기 위해 이용된다. 상기 방출 전극 및 콜렉터 전극의 배치를 이용하여, 전계는 배기 가스의 유동 방향에 대해 횡 방향으로 생성되고, 방출 전극은 예를 들면, 약 15 kV의 범위에 속한 고전압으로 동작될 수 있다. 이러한 방식으로, 특히 코로나 방전(corona discharges)이 생성될 수 있고, 이러한 방전으로 인해, 배기 가스의 유동 입자는 전계를 통하여 단극 충전(unipolar charge)을 받는다. 상기의 충전으로 인해, 입자는 정전 쿨롱 힘의 결과로 콜렉터 전극으로 이동한다.
배기 라인이 콜렉터 전극으로서 사용되는 시스템들 이외에, 예를 들면 콜렉터 전극이 와이어 메쉬(wire mesh)의 형태를 한 시스템들도 알려져 있다; 이러한 경우에서, 와이어 메쉬 상의 입자 증착은 필요하다면, 추가적인 입자를 더해 집합체를 실현시키는 목적을 위해 일어난다. 상기 메쉬를 통하여 유동하는 배기 가스는 상대적으로 큰 입자를 다시 동반하고, 이들을 전형적인 필터 시스템에 안내한다. 콜렉터 전극들이 다수의 관들(다수의 관들을 통해 유동할 수 있음)을 가진 구조의 형태에 있도록 하는 것도 알려져 있다. 이로써, 관 벽들 상에 상대적으로 큰 부위 상에 증착된 입자는 배기 가스에 함유된 산소 및/또는 이산화탄소와 반응할 수 있고, 이로써 변환될 수 있되, 특히 효과적인 방식으로 변환될 수 있다.
상기 시스템 모두에서, 캐소드 및 애노드를 갖춘 이온화 장치에서, 가능한 한 높은 전압이 캐소드와 애노드 사이에 인가되는 것이 바람직할 수 있다. 인가된 전압이 높을수록, 배기 가스에서 전하를 가진 그을음 입자 및/또는 이온화된 그을음 입자의 부분도 커지게 된다. 그러나, 주목해야 하는 바와 같이, 가스 파라미터에 따라 달라지는 고전압은 아크를 형성한다. 아크는 이온화에 의해 캐소드와 애노드 사이에서 발생되는 전도성 경로이며, 이때 상기 전도성 경로를 통하여 사실 전제 전류는 흐르게 되고, 상기 전도성 경로로부터 광이 스펙트럼의 가시 범위에서 방출된다. 사실, 상기 아크의 효과로 인하여, 전극 및 애노드 상에 증착된 그을음 입자는 재생되고, 그리고/또는 분리되긴 하지만, 전극 및 애노드에 기계적인 손상을 줄 수 있기 때문에, 상기와 같은 아크의 정기적인 형성은 바람직하지 못할 수 있다.
높은 전류는 일반적으로 아크가 형성될 시에 흐를 수 있고, 그 결과 제한된 전력을 가진 전압원을 사용할 시에, 캐소드와 애노드 사이에 인가된 고전압은 전류가 증가되면, 전체적으로 줄어들거나 제거된다. 고전압의 감소로 인해, 아크는 제거될 수 있으며, 이때 상기 아크는 일반적으로 유동하는 배기 가스의 경우에 특히나 일어나는데, 이는 전류를 일으키는 전하 운반체가 유동하는 배기 가스에 의해 동반되기 때문이다. 추가로, 임계 값 아래로의 전압 감소로 인하여, 더 이상 어떠한 입자도 충전되지 않는다. 특정 시구간 이후에 아크 그 자체를 제거한다 하더라도, 아크의 형성을 처음부터 억제하거나, 또는 아크를 가능한 신속하게 제거하는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 종래 기술로부터 강조된 문제점을 부분적으로 해결하는 것에 있다. 특히, 내부 연소 기관의 배기 가스 후처리 장치에서 아크 형성을 방지하는 이온화 장치를 조정하는 방법 및/또는 가능한 한 높은 전압이 항상 이온화 장치에 인가되어, 아크가 형성된 후에 상대적으로 짧은 시간에 상기 아크를 제거하는 방법을 규정하는 것에 있다.
본 발명의 목적은 내부 연소 기관의 배기 가스 후처리 장치에 위치하고, 적어도 하나의 캐소드 및 적어도 하나의 애노드를 갖춘 이온화 장치를 조정하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 캐소드는 배기 가스 후처리 장치에 배치되되, 상기 애노드로부터 이격된 거리를 가지고 배치된 이온화 장치 조정 방법에 의해 달성되고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 상기 적어도 하나의 캐소드와 애노드 사이에 고전압을 인가하는 단계;
- 상기 고전압에 대한 제 1 값을 미리 정의하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 캐소드와 애노드 사이에 고전압에 의해 발생된 전류를 검출하는 단계; 및
- 상기 검출된 전류가 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기를 미리 정의할 수 있는 회수만큼, 특히 한번, 초과하는 경우를 위해 상기 고전압에 대한 제 2 값을 미리 정의하는 단계.
이로써, 이온화 장치는 내부 연소 기관의 배기 라인의 장치를 의미하는 것으로 이해되어야 하고, 이때 상기 장치는 이온화될 수 있고, 즉 배기 가스에서 입자의 적어도 일부에 전하를 인가할 수 있다. 이를 위해, 이온화 장치는 적어도 하나의 캐소드 및 상기 캐소드로부터 거리를 두고 이격된 애노드를 포함한다. 전압이 캐소드와 애노드 사이에 인가될 시에, 전자는 캐소드로부터 생겨나고, 생겨난 전자 수는 실질적으로 캐소드의 설계에 따라 달라지되, 특히 캐소드의 반경 곡률 및 캐소드 물질에 따라 달라진다. 배기 가스 후처리 장치는, 바람직하게, 이온화 장치의 하류에 배치된 분리 장치를 포함하고, 상기 분리 장치 상에 충전된 입자가 축적되고, 필요에 따라 해당 가스, 특히 이산화질소(NO2)와의 반응에 의해, 그리고/또는 온도 증가에 의해 변환되기 전에 뭉쳐지게 된다. 분리 장치는, 바람직하게, 유동할 수 있고, 다수의 관들을 가진 허니콤 바디(honeycomb body)로 형성된다.
캐소드는 예를 들면 파이프에 배치된 와이어로 형성될 수 있고, 상기 파이프는 애노드를 형성한다. 나아가, 캐소드는 배기 라인에 중앙으로 배치된 방출 전극의 형태를 하고 있고, 상기 방출 전극의 하류에 배치된 분리 장치는 애노드를 형성한다. 특히, 적어도 하나의 캐소드가 분리 장치의 상류에 배치된 허니콤 유지 바디의 후방 측면에 고정되는 것이 바람직할 수 있다. 여기에서, 적어도 하나의 캐소드는 허니콤 유지 바디에 전기적으로 절연되고, 전기 전도성 방식으로 연결될 수도 있으며, 상기 전기 전도성 방식으로 연결된 경우에는 고전압이 허니콤 유지 바디에 인가되고, 이때 상기 허니콤 유지 바디는 배기 파이프에 대해 절연되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 개별적인 캐소드와, 동일한 전압원에 모두 연결된 다수의 캐소드 둘 다에 대한 고전압을 조정하기 위해 사용된다. 본 발명에 따른 방법은 바람직하게, 하나의 전압원 마다 연결된 다수의 캐소드 각각 중 하나의 캐소드를 조정하기 위해 사용되는 것도 가능하다.
적어도 하나의 캐소드와 애노드 사이의 고전압은 고-전압원에 의해 발생되고, 고전압의 크기는 고-전압원의 입력측에 인가된 저전압에 비례하고, 저전압에 의해 제어된다. 이로써, 고전압의 인가는 입력측에 인가된 저전압에 의해 특히나 실현되고, 저전압은 고-전압원의 출력측에서 비례하는 고전압을 초래한다.
대안으로, 고전압의 크기는 고-전압원에 인가된 제어 전압의 주파수에 의해 제어된다. 여기에서, 고-전압원은 우선 입력측에서 일정한 저전압을 받을 수 있고, 둘째로 미리 정의할 수 있는 주파수를 가진 제어 전압을 받을 수 있다. 고전압은 인가된 제어 전압의 주파수 함수로서 출력측에서 제공된다. 특히, 이와 같은 경우, 제어 전압은 고-전압원의 발진기의 주파수에 영향을 받되, 옵토커플러(opto-coupler)를 통해 영향을 받는다.
이로써, "미리 정의되는(Predefining)"는 고전압의 값이 고-전압원의 입력측에 저전압 또는 제어 전압이 인가됨으로써 생성되는 의미로 특히나 이해되어야 하고, 해당 고전압은 애노드와 캐소드 사이에서 기대된다.
본 발명에 따라서, 전류는 각각의 인가된 고전압에 대해 판별된다. 이는 특히, 미리 정의된 특정 고전압에서, 캐소드와 애노드 사이에 흐르는 전류가 연속적으로 검출된다는 것을 의미한다. 바람직하게, 전류는 애노드 및/또는 캐소드 및 전압원에 직렬로 연결된 전류 측정 유닛에 의해, 입력측 상에 저전압이 직렬로 연결된 전류 측정 유닛에 의해, 및/또는 해당 위치에서 유도 전류 측정에 의해 검출될 수 있다. 전압원의 저-전압 측 상에서 전류를 측정하는 경우에서, 상기 전류에 비례하는 값을 측정할 수 있기 때문에, 캐소드와 애노드 간의 전류가 직접 측정될 필요는 없다.
전류 검출 중에 전류가 제 1 미리 정의할 수 있는 전류 세기를 초과하는 것이 확보된 경우에, 애노드와 캐소드 간에 인가된 고전압은 제 2 값으로 변하게 된다. 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기는 특히, 아크를 형성한 경우에 흐르는 전류 세기보다 낮다. 그러나, 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기는, 기대할 수 있는 바와 같이, 배기 가스에서 그을음 입자의 상대적으로 큰 부분이 이온화될 수 있는 크기를 가진다. 제 1 전류 세기는, 기대할 수 있는 바와 같이, 아크가 형성되는 크기인 것이 바람직하다. 제 1 전류 세기는 예를 들면 실험에 의해 판별될 수 있거나, 바람직하게, 방법의 이전 실시로부터 알 수 있다. 고전압에 대한 제 2 값은 특히, 제 1 전류 세기를 초과한 후에 기대되거나 발생될 수 있는 아크가 더 이상 형성되지 않도록 선택된다.
이로써, 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기가 초과된 경우에, 임계 상태는 캐소드와 애노드 사이의 아크의 형성이 있을 수 있거나 아크가 형성되는 것으로 식별된다. 이에 따라서, 인가된 고전압이 변화하게 된다.
고전압에 대한 미리 정의할 수 있는 제 1 값이 미리 정의할 수 있는 고-전압 증가 비율로 증가하는 것이 바람직할 수 있다. 고-전압 증가 비율은 시간 간격당 전압 증가의 값을 의미한다. 이로써, 고전압은 아크 형성이 제 1 전류 세기를 초과하는 검출 전류에 의해 일어날 수 있도록 하는 크기까지 초기에 증가된다. 이러한 경우에서, 고전압에 대한 제 2 값은, 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기가 판별되는 고전압보다 단지 다소 낮도록 선택될 수 있다. 이로써, 인가된 고전압은 그을음 입자의 이온화를 위해 최적의 값에 가능한 한 거의 근접하게 된다. 고전압이 고-전압 증가 비율로 여러 번 증가하되, 제 1 전류 세기에 이를 때까지 증가하며, 그리고 그 이후에 아크 형성 없이 그을음 입자의 높은 이온화 수준을 기대할 수 있는 일정한 고전압이, 검출된 제 1 전류 세기에 연관된 고전압에 기반하여, 미리 정의되는 경우에 특히나 바람직할 수 있다.
제 2 값은 제 1 값보다 낮은 것이 바람직하다. 이로써, 고전압으로 인해, 캐소드와 애노드 사이에 흐르는 전류는 연속적으로 검출되며, 그리고 임계치 값인 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기를 초과한 경우에, 캐소드와 애노드 사이에 인가된 고전압은 감소된다. 동일한 조건 하에, 이는 캐소드와 애노드 간에 흐르는 전류가 감소되고, 아크 형성이 억제되는 결과를 가져온다.
미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기를 초과함 없이도 언급된 목적을 달성하는 본 발명의 이점이 있는 실시예에 따라서, 상기 방법은 또한 다음 단계를 더 포함한다:
- 검출된 전류의 전류 증가 비율을 판별하는 단계,
- 전류 증가 비율이 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값을 초과한 경우를 위해 고전압에 대한 제 2 값을 미리 정의하는 단계.
전류 증가 비율은 시간 간격당 전류가 변화하는 값을 의미한다. 특히, 전류 증가 비율은 2 개의 전류 값들 간의 차를 계산함으로써 형성된다. 특히, 전류 증가 값이 최대 0.1 ms[밀리초], 특히 바람직하게 최대 1 ms의 시간 간격 동안 계산되는 것이 특히나 매우 바람직할 수 있다. 고-전압원의 저-전압 회로에 측정된 전류 증가 값은 바람직하게 적어도 2000 A/s[초당 암페어], 특히 바람직하게 적어도 5000 A/s이다.
상대적으로 높은 전류 증가 비율로 전류가 증가하는 것은 아크 형성을 특징짓는다. 예를 들면, 전류 증가 값은 실험에서 판별될 수 있고, 이로써, 처음부터 미리 정의될 수 있긴 하지만, 동작 중에 아크를 형성할 시에 새롭게 판별될 수도 있다. 이를 위해, 예를 들면, 아크를 형성한 후에, 검출된 전류의 상승 경사면(rising flank)은 분석되고, 해당 전류 증가 값이 설정된다. 여기에서, 전류 증가 값의 분석은 설정된 전류 증가 값 이상에서 시작된다. 아크가 전류 세기의 증가로 인해 일어나거나 특징지어지는 경우가 명확하게 있기 때문에, 이로써, 아크의 발생을 식별하고 해당 측정을 시작하고, 특히 고전압을 감소시키고, 아크의 실제 발생을 방지하거나 아크를 제거할 수 있다.
나아가, 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값을 초과하는 경우, 전류에 배정된 고전압에 대한 미리 정의된 제 1 값이 임계 고전압이며, 그리고 고전압에 대한 제 2 값이 상기 임계 고전압 이하인 경우가 이점이 있다. 이는, 전류 증가 값을 초과한 후에, 연관된 전류 값이 전류 증가 비율의 계산을 위해 사용되는 고전압 이하의 전압으로 고전압이 감소된다는 것을 의미한다. 이로써, 확보되는 바와 같이, 아크 형성이 일어나는 전압보다 작은 고전압이 인가된다. 제 2 값은 임계 고전압보다 바람직하게 적어도 5% 내지 30%, 특히나 매우 바람직하게는 5% 내지 15% 작다.
전류가 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기를 초과하고, 그리고/또는 전류 증가 비율이 전류 증가 값을 다수 번, 바람직하게 3 번, 매우 특히나 바람직하게 5 번 초과하는 경우, 미리 정의된 고전압이 제 2 값으로 감소되는 것이 바람직할 수 있다. 이로써, 이는, 캐소드와 애노드 간에 인가된 고전압, 또는 고전압의 증가가 변화되기 전에, 캐소드와 애노드 사이에 아크가 초기에 다수 번 형성된다는 것을 의미한다. 아크가 형성되는 다수의 예의 결과로, 애노드 및 캐소드 상에 증착되는 그을음이 연소되고, 이로써, 특히 캐소드가 깨끗해진다. 둘째로, 분리기로 구현된 애노드 상에 증착된 그을음 입자의 변환의 결과로, 본래 관통 유동 단면(throughflow cross section)이 복구된다. 이는, 캐소드, 애노드 및 절연물을 깨끗하게 하기 위해 냉 시동(cold start) 시에 특히나 실행되어야 한다. 제 2 값은 차후에 예를 들면, 공기 습도, 전극 마모, 배기 가스 파라미터 등의 우세 조건에 대해 구성되어야 한다.
나아가, 미리 정의할 수 있는 제 2 전류 세기를 가진 전류가 흐르도록 제 2 값이 미리 정의된 경우에 이점을 가진다. 특히, 미리 정의할 수 있는 제 2 전류 세기를 가진 전류가 흐르고, 이로써 실질적으로 일정한 전류가 유지되도록, 고전압이 미리 정의되는 조정이 제안되었다. 이러한 경우에서, 미리 정의할 수 있는 제 2 전류 세기는, 아크가 형성될 수 없도록 선택된다. 이에 따라서, 측정된 전류가 증가하는 경우에는 미리 정의할 수 있는 고전압이 감소되며, 그리고 검출된 전류가 감소되는 경우에는 고전압이 증가된다.
제 1 값, 제 2 값, 제 1 전류 세기 및/또는 제 2 전류 세기는 다음의 파라미터들 중 적어도 하나의 함수로 미리 정의된다:
- 캐소드 수명,
- 내부 연소 기관의 동작 지점,
- 배기 가스 질량 유속,
- 배기 가스의 습도,
- 배기 가스의 온도,
- 내부 연소 기관의 부하,
- 배기 가스의 입자 크기
- 입자수.
아크의 형성은 배기 가스의 특징에 따라 달라지고, 그 다음으로는 캐소드의 기하학적인 형상에 따라 달라진다. 예를 들면, 캐소드가 상대적으로 큰 굽은 반경을 가진 경우에, 동일 수의 전자를 방출하기 위해서는 전압이 높아질 필요가 있다. 증가된 배기 가스 질량 유속을 이용하여, 보다 높은 고전압이 인가됨으로써, 즉, 보다 높은 값이 제 1 및/또는 제 2 값에 대해 미리 정의됨으로써, 그을음 입자의 이온화 특성을 유지시키는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 인가된 고전압이 배기 가스의 습도 증가로 감소되는 것이 이점을 가진다. 고전압은 바람직하게 온도 증가로 감소된다. 고전압은 또한, 내부 연소 기관의 부하가 증가하고, 및/또는 배기 가스의 입자수가 증가하는 경우에 감소된다. 여기에서, 고전압은 바람직하게 5% 내지 30%, 특히 바람직하게 5% 내지 15% 까지 감소된다.
이는, 제 1 값, 제 2 값, 제 1 전류 세기 및/또는 제 2 전류 세기가 제 1 세트의 파라미터 값들을 위해 미리 정의되는 것을 의미한다. 나아가, 제 1 값들, 제 2 값들, 제 1 전류 세기들 및/또는 제 2 전류 세기들은, 예를 들면, 내부 연소 기관의 부하 변화에 의해 일어날 수 있는 제 2 세트의 파라미터 값들을 위해 미리 정의된다. 여기에서, 제 1 세트의 파라미터 값들로부터의 값들은 상기에서 규정된 의존에 따라서, 제 2 세트의 파라미터 값들과는 다르다.
특히, 도입 부분에서 설명된 목적은 또한, 아크 형성을 방지하기 위해, 오로지 상기에서 나열된 파라미터들 중 적어도 하나의 함수로 고전압이 조정된다는 점에서 달성된다. 이러한 경우에 전류 세기의 검출은 바람직하게 파라미터에 의존하는 제 2 값으로 거의 일정한 방식으로 전류를 조정하는 목적을 위해 사용된다. 특히, 이러한 경우에서, 전극 및/또는 애노드를 깨끗하게 하기 위해서, 또는 전류 검출로 인해 고전압에 대한 제 1 값 및/또는 제 2 값을 재측정하기 위해, 또는 아크를 의도적으로 발생시키기 위해 단지 아크를 일으키는 경우에 바람직할 수 있다. 이로써, 각각의 배기 가스 특성에서 기대할 수 있는 바와 같이, 최적의 이온화 효율을 확보하고 아크 형성을 방지하도록 매 전압이 미리 정의되는 것이 가능하다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 값은 적어도 하나의 이전 동작 사이클로부터 나온 제 2 값의 함수로 미리 정의된다. 이는, 특히, 적어도 하나의 파라미터의 함수로서, 이전 동작 사이클에서 설정된 제 2 값이 새로운 동작 사이클에서 설정 목적을 위해 사용되는 것을 의미한다. 이로써, 선행하는 동작 사이클의 실증적인 값으로부터 습득되는 자기 적응 방법이 제안될 수 있다. 이로써, 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기 및 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값이 매번 초과될 시에, 연관된 고전압뿐만 아니라, 상기에서 나열된 파라미터들도 검출된다. 이는 파라미터가 아크를 일으키는 고전압에 관해 어떠한 영향을 끼치는지를 판별하기 위해, 기록된 데이터로부터, 예를 들면, 상관 관계 고찰(correlation considerations)의 도움으로 가능해진다. 이로써, 파라미터 세트에 대해, 제 1 값, 제 2 값, 제 1 전류 세기 및/또는 제 2 전류 세기는 아크를 형성할 때마다 기록되고, 상기 파라미터가 재발생하는 경우에, 필요하다면 해당하는 평균 고전압이 인가된다. 이로써, 형성된 아크에 대한 각각의 검출된 데이터 세트는 이온화를 개선시키기 위해 이용된다.
본 발명의 추가적인 양태에 따라서, 제안되는 바와 같이, 자동차는 내부 연소 기관과, 캐소드 및 애노드를 갖춘 이온화 장치를 가진 배기 가스 후처리 장치를 포함하며, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 설정된 제어 장치를 포함한다.
본 발명 및 기술적인 분야는 도면을 기반으로 하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면은 특히 바람직한 대표적인 실시예들을 도시하지만, 본 발명을 제한하지는 않는다. 특히, 주목해야 하는 바와 같이, 도면과, 특히 제시된 부분들은 단지 개략적인 것이다. 도면에서:
도 1은 배기 가스 후처리 장치를 갖춘 자동차를 도시하고,
도 2는 이온화 장치를 갖춘 배기 가스 후처리 장치를 도시하고,
도 3은 배기 가스가 유동할 시에 이온화 장치에 흐르는 전류의 시간에 대한 프로파일을 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 방법을 실행하는 동안 전류 및 전압의 시간에 대한 프로파일을 도시하고, 그리고
도 5는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 전압원을 도시한다.
도 1은, 배기 가스 후처리 장치(2)가 연결된 내부 연소 기관(3)을 갖춘 자동차(14)를 개략적으로 도시한다. 배기 가스 후처리 장치(2)는 배기 라인(16)을 포함하며, 이때 상기 배기 라인에는 캐소드(4) 및 애노드(5)를 갖춘 이온화 장치(1)와, 그리고 분리기(17)가 배치된다. 고전압은 전압원(19)에 의해 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 인가될 수 있다. 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 흐르는 전류에 비례하는 전류는, 전압원(19)에 도달하는 저-전압 라인에서, 전류 측정 유닛(20)에 의해 측정될 수 있다. 전압원(19), 전류 측정 유닛(20) 및 내부 연소 기관(3)은 데이터 라인들(18)을 통하여 제어 장치(15)에 연결된다. 제어 장치(15)는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 설정 및 설치된다.
동작 중에, 배기 가스는 내부 연소 기관(3)을 빠져나와 배기 라인(16)을 통하여, 이온화 장치(1)에 들어간다. 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 인가된 고전압으로 인해, 전자는 캐소드(4)로부터 생겨나고, 애노드(5)에서 가속화된다. 여기에서, 전자는 배기 가스의 그을음 입자를 이온화할 수 있다. 차후에, 배기 가스는 분리기(17)를 통하여 유동하고, 입자 및 이온화된 그을음 입자는 증착되어 뭉쳐질 수 있다. 증착된 그을음 입자는 필요하다면 가스, 특히 배기 가스에 함유된 NO2와의 반응에 의해, 그리고/또는 온도 증가에 의해 재생된다. 제어 장치(15)는, 캐소드(4)와 애노드(5) 간의 아크 형성이 초기 단계에서 검출되어 진압되거나, 종료될 수 있도록 설정된다. 이를 위해, 제어 장치(15)는, 전압원(19)으로의 저-전압 라인에서, 전류 측정 유닛(20)에 의해 측정된 전류를 평가한다. 미리 정의할 수 있는 전류 세기가 초과된 경우, 캐소드(4)와 애노드(5) 간에 인가된 고전압이 변화되고, 특히 감소된다.
도 2는 배기 가스 후처리 장치(2)의 일부를 개략적으로 도시한다. 이하의 설명은 특히 도 1에 제시된 실시예와의 차이점에 대해 주어질 것이다. 이러한 대표적인 실시예에서, 캐소드(4)는 전극 유지기(21)에 고정되는 3 개의 전극들(25)에 의해 형성된다. 전극 유지기(21)는 전기 전도성 허니콤 바디의 형태를 하고, 그 결과 고전압은 전극 유지기(21)에 인가될 수 있고, 상기 고전압은 동시에 전극들(25)에 인가될 수 있다. 대안으로, 전극들(25)이 전극 유지기(21)에 대해 절연될 수 있고, 고전압이 전극들(25)에 직접 인가될 수도 있다. 이러한 대표적인 실시예에서, 애노드(5)는 분리기(17)의 형태를 한다. 전극들(25)은 분리기(17)의 주입 표면(inlet surface)으로부터, 이로써 애노드(5)로부터 이격된 거리(6)를 가진다. 전극 유지기(21)는 배기 라인(16)에 대해 전기적으로 절연된다.
전극 유지기(21)는, 흘러 통과될 수 있는 다수의 관들로 형성되고, 그 결과 배기 가스는 관들을 통해 유동할 시에 균일화된다. 캐소드(4)와 애노드(5) 간의 공간에서, 배기 가스의 그을음 입자는 이온화되고, 그 결과 상기 그을음 입자가 분리기(17)에 증착될 수 있는 확률은 높아진다. 본 발명에 따라서, 캐소드(4)와 애노드(5) 간의 전류가 판별되며, 인가된 전압은, 임계 전류 세기가 초과되는 경우에 변화하게 된다. 방법은 도 4에 대한 설명에 의해 보다 상세하게 제시될 것이다.
도 3은 그을음 입자를 함유한 배기 가스 유동이 캐소드(4) 및 애노드(5)를 갖춘 이온화 장치(1)를 통과하는 경우에, 그리고 일정 전압이 제한된 전력을 가진 전압원에 의해 미리 정의되는 경우에, 시간(24)에 대한 전류(23)의 프로파일을 도시한다. 배기 가스의 파라미터가 변화하지 않는 이상, 사실 전류는 일정하게 흐른다. 그러나, 입자 농도, 배기 가스의 온도, 및/또는 배기 가스의 습도가 증가하는 경우, 전류는 전류 증가 비율(current increase rate)(11)로 증가된다. 이는, 분자 및/또는 그을음 입자의 이온화 확률이 높아지기 때문에, 배기 가스의 분자 및/또는 그을음 입자가 전류 흐름으로 인해 증가될 수 있다는 결과 덕분이다. 분자 및/또는 입자의 케스케이드식 이온화(cascaded ionization) 경우, 아크가 형성되어, 전류(23)가 빠르게 증가한다. 그러나, 제한된 전력의 전압원인 경우, 전류가 증가함에 따라 전압이 감소되기 때문에, 아크는 발생되지 않고, 애노드(5)와 캐소드(4) 사이에 흐르는 전류(23)는 다시 떨어지게 된다. 본 발명은 아크의 형성을 방지하고, 그리고/또는 초기 단계에서 아크를 제거할 수 있다.
이에 대해, 도 4는 조정 방식을 개략적으로 제시한다. 도 4의 상부 도면은 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에서 미리 정의된 전압(22)의 시간(24)에 대한 프로파일을 도시한다. 하부 도면은 전압(22)으로부터 얻어진 전류(23)의 시간(24)에 대한 프로파일을 도시한다. 제 1 값(7)을 가진 전압(22)은 초기에 인가되고, 전압(22)은 고-전압 증가 비율(10)로 증가된다. 적어도 배기 가스가 일정한 조건의 경우, 최종 전류(23)는 아크 형성 없이 전압 범위에서 선형으로 증가한다. 제 1 미리 정의할 수 있는 전류 세기(9)에 이른 경우, 전압(22)은 제 2 값(8)으로 내려가고, 이러한 경우에서, 상기 제 2 값(8)은 실질적으로 전압(22)의 제 1 값(7)보다 낮다. 제 2 값(8)을 가진 고전압이 인가될 시에, 전류(23) 역시 감소된다.
도 4의 제시에 따라 상술된 조정 방식에 따른 대안적이거나 추가적인 조정 방식에서, 고전압은 다시 초기에 제 2 값(8)으로부터 증가되어 진행한다. 배기 가스 파라미터의 변화로 인해, 이제 전류 세기의 증가가, 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값을 초과한 전류 증가 비율(11)로 일어난 경우에 고전압은 감소된다. 전류 증가 비율(11)은 예를 들면, 시간에 관해 서로 떨어진 2 개의 전류 세기 간의 차를 계산함으로써 형성될 수 있다. 이러한 경우에서, 고전압은, 해당 전류 세기가 전류 증가 비율(11)을 판별하기 위해 이용되는 크기로 감소된다. 상기 전압 값은 이 경우에 임계 고전압(12)으로 지정된다. 고전압은 임계 고전압(12)보다 낮은 값으로 감소되는 것이 바람직하다.
아크를 방지하는 추가적인 조정 방식은, 선행 조정 방식을 따른 도 4에 도시된 바와 같이, 전류(23)가 제 2 미리 정의할 수 있는 전류 세기(13)로 거의 유지될 수 있다는 것을 제공한다. 이로써, 인가된 고전압은, 전류(23)가 제 2 미리 정의할 수 있는 전류 세기(13)로 흐를 수 있도록 조정된다. 이에 따라서, 전압은 증가하는 전류를 감소시키고, 떨어지는 전류를 증가시킨다. 제 2 미리 정의할 수 있는 전류 세기(13)가 배기 가스 파라미터의 함수가 되도록 하는 것이 바람직하고, 이때 배기 가스 파라미터의 각 설정은 제 2 미리 정의할 수 있는 전류 세기(13)에 배정되고, 그 결과 최대 가능한 수를 가진 그을음 입자가 이온화되지만 아크 형성이 일어나지 않도록 하는 전압(22)이 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에서 인가된다.
아크를 형성하는 고전압은 배기 가스 유동의 파라미터에 따라 크게 달라진다. 그러므로, 미리 정의할 수 있는 전류 증가 비율(11)의 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기(9)로 동작하는 동안에 판별된 고전압은 배기 가스 파라미터의 함수로 기록되고, 그 결과 특정 상황에서, 그을음 입자의 최적의 이온화가 일어날 수도 있지만 아크가 효과적으로 방지되도록 고전압이 선택되어야 하는 방식을 주지한 자기 적응 시스템(self-adapting system)이 만들어질 수 있다.
도 5는 예를 들면, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 사용될 수 있는 전압원(19)을 개략적으로 도시한다. 전압원(19)은 발진기(27), 변압기(28) 및 고-전압 케스케이드(cascade)(29)를 가진다. 전압원(19)은 입력측에서 제어 장치(15) 및 전압 공급부(26)와 연결된다. 출력측에서, 전압원(19)은 이온화 장치(1)에 연결된다.
출력측에서 나온 고전압을 조정하는 2 가지 가능 방식이 있다. 우선, 고전압은 입력측에 인가되는 저전압(0 - 10 V)에 비례할 수 있다. 대안으로, 출력 전압은 제어 장치(15)에 의해 미리 정의된 제어 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다.
본 발명은 배기 가스에서 입자의 이온화 동작과 함께, 배기 가스 정화 장치의 안정적이고 효과적인 동작에 대해 특히나 적합하다.
1 이온화 장치 2 배기 가스 후처리 장치
3 내부 연소 기관 4 캐소드
5 애노드 6 거리
7 제 1 값 8 제 2 값
9 제 1 미리 정의할 수 있는 전류 세기 10 고-전압 증가 비율
11 전류 증가 비율 12 임계 고전압
13 제 2 미리 정의할 수 있는 고전압 14 자동차
15 제어 장치 16 배기 라인
17 분리기 18 데이터 라인
19 전압원 20 전류 측정 유닛
21 전극 유지기 22 전압
23 전류 24 시간
25 전극 26 전압 공급부
27 발진기 28 변압기
29 고-전압 케스케이드

Claims (12)

  1. 내부 연소 기관(3)의 배기 가스 후처리 장치(2)에 위치하고, 적어도 하나의 캐소드(4) 및 적어도 하나의 애노드(5)를 갖춘 이온화 장치(1)를 조정하는 방법으로서, 상기 적어도 하나의 캐소드(4)는 배기 가스 후처리 장치(2)에 배치되되, 상기 애노드(5)로부터 이격된 거리(6)를 가지고 배치된 이온화 장치 조정 방법에 있어서,
    - 상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 고전압을 인가하는 단계;
    - 상기 고전압에 대한 제 1 값(7)을 미리 정의하는 단계;
    - 상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드(5) 사이에 고전압에 의해 발생된 전류를 검출하는 단계; 및
    - 상기 검출된 전류가 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기(9)를 초과하되, 미리 정의할 수 있는 회수만큼 초과하는 경우를 위해, 상기 고전압에 대한 제 2 값(8)을 미리 정의하는 단계;를 적어도 포함하는 이온화 장치 조정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압에 대한 미리 정의할 수 있는 제 1 값(7)은 미리 정의할 수 있는 고-전압 증가 비율(10)로 증가하는 이온화 장치 조정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 값(8)은 상기 제 1 값(7)보다 낮은 이온화 장치 조정 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온화 장치 조정 방법은:
    - 상기 검출된 전류의 전류 증가 비율(11)을 판별하는 단계; 및
    - 상기 전류 증가 비율(11)이 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값을 초과하는 경우를 위해 상기 고전압에 대한 제 2 값(8)을 미리 정의하는 단계;를 더 포함하는 이온화 장치 조정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 미리 정의할 수 있는 전류 증가 값을 초과하는 경우, 상기 전류에 배정된 고전압에 대한 미리 정의할 수 있는 제 1 값(7)은 임계 고전압(12)이며, 상기 고전압에 대한 제 2 값(8)은 상기 임계 고전압(12) 이하인 이온화 장치 조정 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 정의된 고전압은, 상기 전류가 상기 미리 정의할 수 있는 제 1 전류 세기(9)를 초과하고, 그리고/또는 상기 전류 증가 비율이 다수 번(multiple times) 상기 전류 증가 값을 초과하는 경우, 상기 제 2 값(8)으로 감소되는 이온화 장치 조정 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 값(8)은, 미리 정의할 수 있는 제 2 전류 세기(13)를 가진 전류가 흐르도록, 미리 정의되는 이온화 장치 조정 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 값(7) 및/또는 제 2 값(8)은, 캐소드 수명, 내부 연소 기관(3)의 동작 지점, 배기 가스 질량 유속, 배기 가스의 습도, 배기 가스의 온도, 내부 연소 기관(3)의 부하, 배기 가스의 입자 크기의 파라미터 중 적어도 하나의 함수로 미리 정의되는 이온화 장치 조정 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 값(7)은 적어도 하나의 이전 동작 사이클로부터 나온 제 2 값(8)의 함수로 미리 정의되는 이온화 장치 조정 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드(5) 사이의 고전압은 고-전압원(19)에 의해 발생되고,
    상기 고전압의 크기는 상기 고-전압원(19)의 입력측에 인가된 저전압에 비례하고, 상기 저전압에 의해 제어되는 이온화 장치 조정 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 캐소드(4)와 애노드(5) 사이의 고전압은 고-전압원(19)에 의해 발생되고,
    상기 고전압의 크기는 고-전압원(19)에 인가된 제어 전압의 주파수에 의해 제어되는 이온화 장치 조정 방법.
  12. 내부 연소 기관(3)과, 캐소드(4) 및 애노드(5)를 갖춘 이온화 장치(1)를 가진 배기 가스 후처리 장치(2)를 포함하며, 그리고 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 이온화 장치 조정 방법을 실행하기 위해 설정된 제어 장치(15)를 포함하는 자동차(14).
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