KR20140053993A - 탱크 내 환원제량을 측정하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 배기가스 내 NOx의 양을 저감시키기 위한 시스템의 탱크 (10) 내 환원제량을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은: 탱크 (10) 내에 배치되며, 시간 경과에 따라 변화할 수 있는 환원제의 수요에 따라 가역적으로 환원제를 저장 및 배출할 수 있는 저장재 (11); 상기 저장재 (11)로부터 환원제를 배출하기 위해 열을 공급하도록 설계된 가열 장치 (12); 및 상기 환원제를 배출하기 위해 가열 장치 (12)를 구동하기 위한 제어 장치 (13)를 포함한다. 상기 방법은 다음의 단계: a) 차량이 출발하자마자, 초기 페이즈로 알려진 페이즈 동안, 탱크 (10) 내부 압력이 소정 값에 도달할 때까지 일정한 동력이 전달되도록 가열 장치 (12)를 구동시킨 다음, 데이터 값 부근으로 압력을 조절하기 위해 가열 장치 (12)의 구동을 조정하는 단계; b) 초기 페이즈의 기간 또는 상기 초기 페이즈 동안 시간에 따른 압력 변화를 측정하는 단계; c) 상기 측정된 초기 페이즈의 기간, 시간에 따른 압력 변화 EH는 이들 두 가지 모두의 조합을, 상기 탱크 (10) 내의 상기 환원제량을 측정하기 위해, 탱크 (10) 내의 환원제량에 따른 초기 페이즈의 다양한 보정값들 (calibrated values)과 비교하는 단계를 포함한다.

Description

탱크 내 환원제량을 측정하기 위한 장치 {METHOD FOR DETERMINING THE QUANTITY OF REDUCING AGENT IN A TANK}

본 발명은 탱크 내의 환원제의 수위를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

운송수단과 연관된 오염물질의 배출은 최근 30년 동안 산업 발전의 주요 동력이었다. 4 가지 규제 오염물질 (CO, HC, NOx, 분진)에 대한 배출 한계의 점진적인 엄격화는 특히, 대규모 시가지 공기의 질을 크게 개선시키는 것을 가능하게 하였다.

차량 이용의 꾸준한 증가로 이러한 오염물질의 배출을 더욱 저감시키려는 지속적인 노력을 더 요하게 된다. 따라서, 2015년으로 예상되는 6유로 표준이 발효되면, 더욱 강화된 유럽 배출 기준에 맞춘 질소산화물(NOx)의 저감은 여전히 복잡한 문제로 남아있다. 모든 운행 여건하에서 이용 가능한 고효율 청정 기술을 개발하는 것은 여전히 운송 산업의 주요한 도전 과제로 남아있다.

두 번째로, CO₂ 배출과 직접 연결되는 연료의 소비량이 주요한 관심사가 되고 있다. 따라서, 2012년에는 자가 차량의 CO₂ 배출에 관하여 유럽 기준으로 규제가 도입될 것이다. 다가오는 수 십년 동안, 이 한계는 정기적으로 더 낮춰질 것으로 이미 합의되었다. 그러므로, CO₂ 저감이 전체 운송 산업에 있어 명백히 필요해지고 있다.

국소 오염물질(NOx)의 저감 및 연료 소비량(CO₂)의 저감에 관한 두 가지 문제는 처리가 어려운 NOx를 동반하는 연료 소모가 적은 디젤 엔진에 관한 것이어서 특히 어렵다.

유럽 특허 1977817에 기재된 바와 같이, 염화 알칼리토류 염 타입의 저장재 내에 저장된 암모니아를 사용하는 SCR (선택적 환원 촉매법) 촉매에 의해 NOx의 양을 저감시킬 수 있는 기존재하는 장치는 탱크의 내부에 배치되었다. 가역적인 흡착/탈착 암모니아 반응은 저장재 내의 온도와 직접 연관되기 때문에, 상기 반응을 가능케 하기 위해 저장재를 가열할 수 있도록 하는 가열 장치에 의해 배기 가스로 암모니아가 분사된다.

실제로, NOx 저감 반응의 양론적인 비율로 암모니아가 배기관에 지속적으로 분사된다. 따라서, 차 내에 암모니아를 충분량으로 저장하는 것이 필요할 수 있다. 저장재를 함유하는 탱크의 크기를 제한하기 위해, 차량 제조사들은 주기적으로, 예컨대 엔진 보수시 (오일 교체) 또는 재급유시에, 탱크의 충진 또는 교체를 권한다. 차량 (자가 차량, 대형 트럭 등)에 따라, 차량이 수명을 다하는 동안 탱크 충진 또는 교체 작업이 10 내지 100회로 제공될 필요가 있다.

차량의 수명에 걸친 NOx의 효율적인 제거를 보장하는 데에 필요한 이 주기적인 보수 작업은, SCR 기술이 사용되는 다양한 국가에서의 구체적인 규제의 목적이다. 이러한 모든 규제들의 한 가지 공통점은, 충진이 수행되어야 할 때, 운전자에게 알릴 수 있도록 탱크 내의 암모니아의 잔량이 측정 가능하여야 한다는 것이다. 예를 들어, 유럽의 차량 규제법 하에서는 적어도 2개, 즉 2400 km와 800 km (각각 연료를 약 3번 및 1번 가득 충전하는 것에 대응)에서의 잔류범위 역치를 측정할 수 있어야 한다.

더욱이, 차량 내의 암모니아 저장 시스템의 통합을 간소화하기 위해, 또는 그것의 작동을 개선하기 위해 (냉각 유닛의 도입), 암모니아 저장재를 각각 포함하는 수 개의 탱크들이 차량 자체 내에 있는 경우, 엔진 제어 유닛이 이러한 다른 탱크 내에 함유되는 암모니아의 분사를 최적 방식으로 구동할 수 있도록 각 탱크 내의 암모니아 잔량을 알 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 탱크 내에 함유된 환원제, 좋기로는 암모니아의 양을 측정하는 수단을 제안하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 차량 배기가스 내의 NOx의 양을 저감시키기 위한 시스템의 탱크 내 환원제량을 측정하는 방법에 의해 이루어진다.

상기 시스템은

- 시간 경과에 따라 변화할 수 있는 환원제의 수요에 따라 가역적으로 환원제를 저장 및 배출할 수 있고, 탱크 내에 배치된 저장재;

- 저장재로부터 환원제를 배출하기 위한 열을 공급하도록 설계된 가열 장치;

- 환원제를 배출하기 위하여 가열 장치를 구동하기 위한 제어 장치;

를 포함하고,

본 발명에 따른 상기 방법은 다음의 단계:

a) 차량의 출발시, 탱크 내부의 압력 및 온도가 안정한지 결정하는 단계,

b) 안정한 경우, 데이터 값 부근으로 압력을 조절하는 것으로 알려진 페이즈로 전환하기 전에, 탱크 내부 압력이 소정 값에 도달할 때까지 증가되도록 초기 페이즈(phase)로 알려진 페이즈 중에 일정한 동력을 전달하도록 가열 장치를 구동하는 단계,

c) 상기 초기 페이즈의 시간을 측정하는 단계,

d) 상기 탱크 내의 환원제량을 측정하기 위해 상기 초기 페이즈의 측정 시간에 대비하여 탱크에 특정한 각종 계산 값을 비교하는 단계

를 포함한다.

본 발명의 특징은, 특별히 제한적이지 않고 예시적으로 주어진 구현예의 양호한 형태의 설명을 이해하고, 개략적인 도면들을 참조함으로써 더 명확해질 것이다.

도 1은 암모니아 저장 및 공급 시스템의 기능적인 설계구조를 나타낸다.
도 2는 시스템의 초기 및 조절 페이즈 중의 탱크 내 암모니아 유속 및 압력의 변화(evolution)를 도시한다.
도 3은 환원제로 탱크를 충진하는 세 가지 비율의 함수로서 탱크 내부 압력의 변화를 도시한다.
도 4는 환원제로 탱크를 충진하는 세 가지 비율의 함수로서 도 3에 따라 탱크 내부에서 시간에 따른 압력 변화를 도시한다.
도 5는 환원제로 탱크를 충진하는 세 가지 비율에 대해 주위 온도의 함수로서 압력 상승 시간 (pressure rise time)의 맵핑을 나타낸다.
도 6은 환원제로 탱크를 충진하는 세 가지 비율에 대해 주위 온도의 함수로서 상기 시간에 따른 압력 변화의 맵핑을 나타낸다.

도 1에 따르면 본 발명에 따른 방법의 실행을 위한 시스템은, 차량 배기가스에서 NOx의 저감을 위해 바람직하게 암모니아가 저장된 저장재 (11)를 함유하는 탱크 (10)를 포함한다. 가열 장치 (12)는 암모니아가 배기가스로 분사된 후 저장재로부터 탈착될 수 있기 위해, 저장재 (11)에 열을 공급하도록 설계된다. 상기 가열 장치 (12)는 전기 저항의 형태이지만, 엔진 냉각제 또는 차량 배기가스와 같은 열 교환 유체가 공급되는 열교환기의 형태일 수도 있다.

도 2에 따르면, 상기 시스템은 일 측면으로는 데이터 값 부근으로 탱크 (10) 내부 압력을 조절하고, 다른 측면으로는 NOx 저감 반응의 양론적인 비율로 차량 배기가스에 지속적으로 암모니아가 분사될 수 있도록 암모니아를 계량하는 것을 가능케 하는 제어 장치 (13)를 더 포함한다.

압력 설정값은, 예컨대 각 경우별로 배출되는 NOx의 농도, 엔진 윤활제의 온도, 엔진 냉각제의 온도, 차량의 속도, 엔진 속도, 엔진 하중 또는 이러한 파라미터들의 조합과 같은 특정한 수의 엔진 및 차량 파라미터의 분석 함수로서 역학적으로 결정된다.

상기 제어 장치 (13)는 좋기로는 탱크 (10) 내부 압력을 측정하도록 설계된 압력 센서 (14)와, 전자기 밸브와 같은 암모니아 가스의 계량 유닛 (15)을 포함한다. 압력은 계산에 의해 결정될 수 있어, 온도 센서가 압력 센서를 대체할 수 있다는 것도 지적되어야 한다. 암모니아의 유속을 측정하기 위한 유량계 (16)는, 좋기로는 계량 유닛 (15)의 출구에 추가 설치된다. 이는 계량 유닛의 출구에서 압력 진동을 약화시킬 수 있게 하는 음속목(sonic throat) (17)을 더 포함한다. 이전 문단에 기재된 파라미터들 중에서 적어도 일부는 엔진 제어 유닛 (19)에 연결된 전기 제어 유닛(18)에 통합되므로, 상기 제어 유닛 (18)은 차량의 운행 조건을 나타내는 압력 데이터를 얻기 위해 가열 장치 (12)를 구동할 수 있다.

충분히 높고 충분히 안정한 압력이 탱크 (10) 내부에서 발생될 경우, 유량계 (16)를 둘러싼(looped on) 계량 유닛 (15)은 제어 유닛 (19)에 의해 계산된 유속에 따라 분사 모듈 (20)로써 차량의 배기가스로 암모니아를 분사할 수 있게 한다.

본 발명의 바람직한 형태에 따라, 상기 가열 장치 (12)는, 이의 최대 동력을 전달하여 탱크 (10) 내부의 압력 상승을 가속화하도록 구동되고, 설정 압력 값 (앞서 이미 언급한 수 개의 파라미터들에 의해 계산되는 값) 부근으로 탱크 (10) 내부 압력을 조절하는 것으로 알려진 페이즈에 선행하는 초기 페이즈로 알려진 페이즈 동안 조건이 선호되고 특별할 경우 차량이 출발한 후에 이렇게 행해진다.

탱크 (10) 내부 압력이 데이터 값에 접근하면, 상기 제어 유닛 (19)은 계산된 데이터 압력 값 부근으로 탱크 (10) 내부 압력을 조절하기 위해 가열 장치 (12)를 동력으로 구동된다.

차량이 출발하자마자 데이터 값에 접근하기 위한 탱크 (10) 내부 압력을 위해 필요한 시간은 수 개의 파라미터, 특히:

- 주위 온도와 연관된 차량이 출발할 때 탱크 (10) 내의 초기 압력 및 차량이 정지할 때까지의 시간 소모량;

- 가열 장치 (12)의 동력;

- 저장재 (11)의 열전도도;

에 의해 의존된다.

염화 금속염의 열전도도가 낮기 때문에, 팽창 천연 흑연 (expanded natural graphite) 타입의 결합제가 상기 염에 첨가된다.

암모니아로 상기 재료를 충진하는 속도는 탱크 (10) 내부 압력 상승에도 역시 영향을 준다. 사실상, 저장재 (11)가 암모니아로 전부 포화될 경우, 가열 장치 (12)에 의해 전달된 열은 즉시 이용 가능하여 가까이 위치된 암모니아 착물의 온도를 상승시키는데, 이는 탱크 (10) 내부 압력을 증가시키는 결과를 가져온다. 상기 저장재 (11)에 암모니아가 없을 경우에는, 가열 장치 (12)로부터 가장 먼 암모니아 착물까지 재료 내로 열이 전달되어야 한다. 저장재 (11)에 암모니아가 없을수록 압력이 더 더디게 변화하는 것이다. 그 외에도, 이의 암모니아 탈착 도중 상기 재료 (11)의 부피 수축으로 인하여 탱크에 암모니아가 없어서 그것의 열 전도도는 점차적으로 떨어진다.

상기 사항들을 고려하여, 암모니아로 탱크 (10)를 충진하는 속도를 각 엔진의 시동시에 연속적으로 수행되는 세 가지 작업, 즉:

- 탱크 내의 암모니아량의 평가에 대한 선호 조건을 선택하는 것으로 구성된 작업;

- 일 측면으로는 탱크 (10) 내부의 압력상승시간을 측정하고, 다른 측면으로는 그들로부터의 결과인 시간에 따른 압력 변화를 결정하는 것으로 구성된 작업;

- 입력 상승 시간의 함수로서 탱크 내의 암모니아량 및 시간에 따른 압력 변화를 결정하는 것으로 구성된 작업

으로 평가한다.

선호 조건의 선택

이 작업의 목적은 초기 페이즈 도중 탱크 (10) 내 압력 상승의 측정을 위한 대표적인 경우를 선택하는 것이다. 두 가지 조건이 만족될 때 양의 설정값이 전송된다.

첫 번째 조건은, 초기 조건이 탱크 (10)가 선행하는 운행 (재료 내 온도 구배는 없음) 후에 안정화된 온도 및 압력 상태로 복귀하도록 안정화되는 것을 보장하는 것이다. 이렇게 하기 위해, 상기 시스템 시작시 압력 측정치 (P0: 초기 압력)는 주위 온도에서의 저장 용기 내 예상 평형 압력 (P_amb)과 비교될 것이다. 이 예상 압력은 아래의 클라우시우스-클레이페론 상관식 (Clausius-Clapeyron relation)에 의해 엔진 제어 유닛 (19)에서 이용 가능한 주위 온도 (T_amb)의 측정치를 사용하여 계산되며, 아래식에서 △Hr 및 △Sr은 사용된 재료의 특성이고 R은 이상기체상수이다.

시동시 측정된 초기 압력 P0가 예상 압력 P_amb와 큰 차이가 있을 경우, 상기 조건은 적절한 평가라고 할 수 없으며, 설정값은 음수가 된다. 실제로, 탱크 (10) 내부의 압력 및 온도는 0.7×P_amb < P0 < 1.3×P_amb의 경우 안정화된 것으로 간주된다. 더 정밀한 값은 약 0.8×P_amb < P0 < 1.2×P_amb로 예상될 수 있다.

두 번째 조건은 압력 상승 페이즈 (초기 페이즈)가 정상적으로 일어나야 한다는 것이다. 이 목적은 대표적인 조건에서 압력 상승 페이즈가 일어나지 못하는 경우를 배제하기 위한 것으로, 달리 설명하면 압력 상승 전기간에 걸쳐 일정한 최대 출력을 유지하기 위한 것이다. 예컨대, 압력 상승 중에 엔진이 정지하는 경우 또는 전기 에너지를 충분히 이용할 수 없는 경우(배터리 충전)가 이러한 예이다.

작업 범위의 평가

데이터 값 부근으로 압력을 조절하는 페이즈에 선행하는 초기 페이즈 동안에 탱크 (10) 내부 압력 평가를, 도 3의 그래프에, 암모니아로 저장재를 충진, 결론적으로 상기 재료를 포함하는 탱크를 충진하는 세 가지 다른 속도에 대해 개략적으로 나타내고 있다. 더욱 특히, 상기 초기 페이즈 중에 탱크 내부의 압력의 평가를 각각 100%, 50% 및 10%인 암모니아로 탱크를 충진하는 속도에 대해 개략적으로 보여주고 있다. 도 3으로부터, 저장재에 암모니아가 없을수록, 초기 페이즈 동안 압력 상승이 더디다는 것을 알 수 있다.

도 4의 그래프에 따르면, 여기서는 탱크를 충진하는 세 가지 속도의 함수로서 시간에 따른 압력 변화의 증가가 나타나며, 이 시간에 대한 미분은 조절 페이즈로 전환하기까지 점차적으로 증가한다. 재료에 암모니아가 없을수록, 열전도도가 하락하고, 시간에 따른 변화량이 하락한다.

작동 범위의 평가는 두 가지 맵핑에 의해 결정된다. 맵핑 중 하나는 암모니아로 탱크 (10)를 충진하는 속도의 함수 (도 5)로서, 주위 온도에 따른 초기 페이즈 동안 탱크 내부의 압력 상승 시간을 나타내고 있다. 맵핑 중 다른 하나는 압력 상승 시간이 아니라 시간에 따른 압력 변화 (도 6)을 나타내고 있다.

본 발명에 있어서, 선호 조건이 선택되면, 초기 페이즈 도중 측정된 값 △t 및 dp/dt는, 고려된 시스템의 이러한 2 가지 특징적인 맵핑에 의한 남아 있는 작업 범위 및 초기 엔진 시동시 측정된 초기 압력에 관하여 남아 있는 작업 범위를 평가하는 것을 가능케 한다. 따라서, 탱크 내에 암모니아량이 고려된 탱크를 교정하여 정하는 것이 가능하다.

작업 범위 정보의 설정

본 발명에 따른 방법의 관심은 이용 가능한 큰 측정치 (각각 시동한 후의 가상의 것)이다. 맵핑에 의한 이 평가의 한계는, 암모니아량, 특히 초기 압력이 데이터 압력에 가까운 경우 (예컨대 주위 온도가 20 내지 30℃인 경우)에 예측 정확성이 낮다는 것이다.

이러한 이유에 대해, 탱크 (10) 내의 암모니아 수위의 예측은 두 가지의 파라미터 "압력 상승 시간" 및 "시간에 대한 압력의 미분"의 규칙적인 측정으로부터 결정된다. 본 발명의 선호되는 형태는 벗어난 값, 즉 선행하는 측정치와 너무 차이가 큰 (예컨대, 선행하는 측정치와 5 내지 10) 값은 제거될 것이다. 탱크 내의 암모니아량에 관한 정보는, 더 클수록 더 낮은 주위 온도 (낮은 주위 온도에서 더 정확한 측정치)인 것에 가중치를 준 것에 의한 평균 측정치 각각에 가중치를 줌으로써, "압력 상승 시간" 및 "시간에 따른 압력 변화"의 2 가지 측정치 각각에 대한 마지막 측정치 X (5 내지 50이 포함된)의 평균이 변화하기 때문에 재계산될 것이다.

마지막으로, 시스템의 나머지에 전송되는 탱크 내의 암모니아량에 관한 정보는, "압력 상승 시간" 및 "시간에 따른 압력 변화" 측정치로부터의 이들 2 가지 정보 아이템의 평균값으로 계산될 것이다.

본 발명은 예시로서 전술한 구현예들에 제한되지 않지만, 이와 반대로, 구현예들의 모든 변형을 포괄한다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 상기 측정 장치는, 수소 저장 시스템에서 연료 전지의 수소화물량을 측정하는 데에 사용될 수도 있는 것이다.

10: 탱크 16: 유량계
11: 저장재 17: 음속목
12: 가열 장치 18: 전기 제어 유닛
13: 제어 장치 19: 엔진 제어 유닛
14: 압력 센서 20: 분사 모듈
15: 계량 유닛

Claims (5)

1. 차량의 배기가스 내 NOx의 양을 저감시키기 위한 시스템의 탱크 (10) 내 환원제량을 측정하기 위한 방법으로,
   상기 시스템은:
   - 시간 경과에 따라 변화할 수 있는 환원제의 수요에 따라 가역적으로 환원제를 저장 및 배출할 수 있고, 탱크 (10) 내에 배치된 저장재 (11);
   - 상기 저장재 (11)로부터 환원제를 배출하기 위해 열을 공급하도록 설계된 가열 장치 (12);
   - 상기 환원제를 배출하기 위해 가열 장치 (12)를 구동하기 위한 제어 장치 (13)를 포함하고,
   상기 방법은:
   a) 차량이 출발하자마자, 초기 페이즈로 알려진 페이즈 동안, 탱크 (10) 내부 압력이 소정 값에 도달할 때까지 일정한 동력이 전달되도록 가열 장치 (12)를 구동시킨 다음, 데이터 값 부근으로 압력을 조절하기 위해 가열 장치 (12)의 구동을 조정하는 단계;
   b) 초기 페이즈의 기간 또는 상기 초기 페이즈 동안 시간에 따른 압력 변화를 측정하는 단계;
   c) 상기 측정된 초기 페이즈의 기간, 시간에 따른 압력 변화 또는 이들 두 가지 모두의 조합을, 상기 탱크 (10) 내의 상기 환원제량을 측정하기 위해, 탱크 (10) 내의 환원제량에 따른 초기 페이즈의 다양한 보정값들 (calibrated values)과 비교하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인, 환원제량을 측정하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 측정된 초기 페이즈의 기간과 시간에 따른 압력 변화 간의 평균을 구하여, 이 평균을 다양한 보정값들과 비교하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 a)에 선행하는 추가 단계를 더 포함하며, 상기 추가 단계는 차량 출발시 탱크 (10) 내의 압력 및 온도가 안정한지 결정하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 추가 단계 동안, 탱크 (10) 내부 초기 압력 (P0)을 측정하고, 이를 평형 압력 (P_amb)과 비교하며, 이 때 탱크 (10) 내의 상기 압력 및 온도가
   0.7×P_amb < P0 < 1.3×P_amb
   이면 안정화된 것으로 간주되는 것인 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 평형 압력 (P_amb)은 다음 상관식에 의해 계산되는 것인 방법.
   

   

   
   여기서, △Hr은 엔탈피이고, △Sr은 엔트로피이며, 이들은 고려된 양론에 있어서 환원제/저장재 복합체 형성의 엔탈피 및 엔트로피,
   R은 이상기체상수, 그리고
   lnP_amb는 P_amb의 자연로그이다.

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