KR20140136518A - 자동 점화기능을 구비한 내연 엔진의 연료분사, 연소 및/또는 후처리 파라미터 조절 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동 점화기능을 구비한 내연 엔진의 연료분사, 연소 및/또는 후처리 파라미터를 조절하기 위한 방법에 관한 것으로서, 연료 분사 시스템에 공급되는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 동력화 시스템 및 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것으로서 상기 연료 분사 시스템에 공급되는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 특정하기 위한 센서(8)를 이용한다.
Description
본 발명은 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량의 함수에 따라 연료분사(injection), 연소(combustion) 및 후처리(post-treatment) 파라미터를 변경함으로써 공급원에서의 오염물질 배출을 감소시키고, 디젤 엔진의 오염물질 감소의 최적화를 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 에스테르(ester) 유형의 농산품 원료(argricultural origin) 화합물을 상업적인 연료에 부가하는 것은 온실가스의 광범위한 배출을 최소화할 뿐 아니라 오염물질 배출, 더욱 상세하게는 질소 산화물(NOx) 및 미립자의 배출에 영향을 준다. "배기가스 배출에 대한 바이오디젤의 종합적인 분석(A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions)"(미국 환경보호국, 에어 앤드 래디에이션 EPA420-P-02-001, 2002년 10월; United States Environmental Protection Agency, Air and Radiation EPA420-P-02-001, October 2002)와 같은 많은 연구들은 연료에 에스테르를 부가하는 것이 엔진을 일정하게 조절하여 오염물질 배출에 영향을 준다는 것을 보여준다. 이러한 것은 화석 연료를 이루는 탄화수소 분자와 예를 들어 에스테르 집단(ester family)과 같은 산소 화합물간의 뚜렷한 화학적인 차이점에 의해 설명될 수 있다.
많은 나라에서 생물연료는 가솔린 속에 포함되어 있고, 가솔린 속의 생물연료의 비율은 매우 다양하다. 현존하는 정책 지침들은 나라마다 매우 상이하지만 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량에 대해 권장하고 있다. 한편, 화석 연료를 이루는 정련 재료의 특성에 따라 생물연료를 통합하는 과정에서 그 자유도를 제한하는 교역상의 규정에 의해 정련이 제한되고 있다.
많은 방법들이 연료 속에 흡수될 수 있는 산출물을 합성할 목적으로 농산품 원료의 식물성 기름을 에스테르화(esterify)할 수 있게 한다. 또한, 식물성 기름은 평지씨(rapeseed), 야자(palm), 콩 및 다른 식물들과 같은 매우 다양한 원료를 가진다. 이러한 장래의 방법들은 예를 들어, 동물성 원료의 바이오매스(biomass) 및 그리스(grease)를 이용하는 생물연료의 다양화를 증대시킬 수 있다. 공급원 및 에스테르화 반응의 다양화 방법은 일 측에 탄화수소 체인을 포함하고, 다른 측에 에스트레 화학기를 포함하는 다수의 탄소 분자와 같은 화학구조물에서 분명한 차이점을 만들어낸다. 이러한 분명한 화학적 특수성은 연소 과정에서 질소 산화물 및 미립자의 방출에 관하여 분명한 차이점을 만들어낸다.
원료의 복합적인 공급원, 정련 및 품질의 제약 그리고 정부로부터의 다양한 권장사항 및 이슈(issue)를 포함하는 에스테르 반응의 다양화 방법은 판매되는 디젤 엔진에 공급되는 연료가 증가된 다양성, 더욱 상세하게는 흡수된 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관하여 증가된 다양성을 가지도록 하는 것을 포함한다.
최근의 엔진은 다양한 비율 및 유형의 생물연료를 함유하는 공급 연료의 가변성 범위 내에서, 일반적인 규격보다 적은 양의 오염물질을 배출하도록 작동될 수 있어야 한다. 따라서, 이러한 제약사항이 엔진의 설계사항 및 엔진 제어 단계에서의 안전도 측정사항으로 고려된다. 엔진은 모든 연료에 대해서 최적화되도록 설계되지는 않지만, 연료분사 및 연소 조절 구성요소들은 연료 속에 포함된 생물연료의 비율 및/또는 유형에 관계없이 엔진이 확실히 작동되도록 만들어진다.
후처리에 관한, 더욱 상세하게는 첨가물 미립자 필터(additive particles filter) 및 산화질소 변환 시스템(nitrogen oxide transformation systems)(DeNOx)에 관한 노력이 이루어지고 있다.
상기 첨가물 미립자 필터의 정확한 동작을 위해서, 연료 속의 첨가물의 함유량이 일정하게 조절된다; 각각의 연료탱크의 충전에 대해서, 주입되는 첨가물의 양은 탱크 안으로 유입되는 연료의 체적의 함수에 따라서 결정된다. 연료 속에 포함된 생물연료의 함유량 및 유형에 관계없이 미립자 필터가 동작하도록 하기 위해서, 안전 마진(safety margin)이 첨가물의 주입 과정에 적용되고, 이러한 주입 과정은 연료에 포함된 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라서 최적화된다.
산화질소(NOx)의 후처리를 위한 시스템은 시약(reagent) 및 촉매를 사용한다. 현재 가장 널리 이용되는 방법에 따르면 하기 식에 따라 일산화질소를 질소로 변환시키는 암모니아를 배출할 수 있는 요소 용액을 시약으로 이용한다:
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 +6H2O
이러한 방법은 한편으로는 충분한 시약을 주입하여 산화질소의 변환이 일어나도록 하고, 다른 한편으로는 환경에 영향을 줄 수 있는 암모니아의 대기로의 유출을 야기시킬 수 있는 첨가물이 과도하게 주입되는 것을 방지하기 위해 정교하게 제어되어야 한다. 이러한 목적을 위해서, 상기 DeNOx 방법은 센서를 포함하여 후처리 시스템의 하류부분에 산화 질소의 집중도를 측정한다. 이러한 센서는 사후 관리(post-control) 과정의 조절을 담당한다.
연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 변화성, 그리고 그것이 미립자의 배출과 NOx의 배출에 대해 주는 영향은 현재 다음과 같이 이해되고 있다:
- 가솔린 속에 충분히 양으로 함유된 첨가물은 연료와, 생물연료의 함유량 및 유형에 관계없이 첨가물 미립자 필터를 정확하게 동작시킨다.
- 후처리 장치의 하류부분에 위치한 NOx 센서에 기초한 사후관리는 산화질소의 변환을 일으키는 정확한 양의 시약을 주입한다.
첨가물 미립자 필터에 의한 미립자의 후처리에 사용되는 첨가물의, 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따른 비최적화된 첨가과정은 첨가물 탱크의 치수를 과도하게 하거나 이러한 탱크를 빈번하게 충전해야 하는 일을 야기시킨다. 차량에 적용되는 전체 제약사항은 상기 첨가물 탱크의 가용 체적을 제한한다. 한편, 생산자는 첨가물 탱크가 두 번 충전되는 동안의 킬로미터 간격이 가능한 클 것은 원하고, 운전자의 노력없이 이루어지기를 원한다. 과도한 첨가물의 이용은 전체적인 또는 두 번의 충전 사이의 간격에 대한 제한사항을 만족시키지 못하게 한다.
후처리 장치의 하류부분에 위치한 DeNOx 센서에 기초한 DeNOx 시스템의 사후관리는 반응 제어(reactive control)이지, 예방적인 것이 아니어서 사실상 조절장치는 센서가 목표값보다 많은 NOx 집중도를 탐지하게 되면 시약의 비율을 증가시키고, 센서가 목표값보다 낮은 NOx 집중도를 탐지하였을 때는 시약의 비율을 역방향으로 제한한다. 목표 값과, 조절장치가 목표값에 도달하게 하는 시간에 따른 진동의 진폭은 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 것은 오염물질 배출을 일시적으로 증가시킨다.
첨가물 미립자 필터는 2000년에서부터 디젤 차량의 오염물질 억제하는데 유력한 해결책이 되었으며, 예를 들어 에이디블루(Adblue)를 이용한 DeNOx 시스템은 2004년 이래로 디젤 차량에 점점 더 많이 적용되고 있다.
공해 방지(anti-polution) 규격은 항상 더 엄격해져 왔고, 차량 및 엔진 생산자는 항상 판매되는 각각의 차량 또는 엔진이 전체 가용 연한 사이클 동안에 배출하는 산화질소 및 미립자와 같은 배출 가스의 규제 배출량을 최소한의 비용을 가지고 감소시켜야만 했다.
연료 속의 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 고려하여 디젤 엔진의 연료분사, 연소 및 후처리 과정의 처리를 개선시킬 필요성이 존재한다.
미국 특허공개공보 US2004000275호는 그 자체 시스템으로 연료를 측정하는 능력을 가지고 차량에 연료를 공급하는 연료분사 시스템을 개시한다. 이러한 시스템은 연료분사 파라미터를 개선시킬 수 있게 해준다. 상기 시스템은 연료분사 파라미터 조절자를 개선하지 못하는 한계가 있고, 엔진 점화의 제어를 위한 연료의 처리 쪽으로 기능이 편향되어 있다. 게다가, 상기 특허공개공보는 연료의 질을 측정하기 위한 전반적인 방법을 개시하지 않는다.
국제공개공보 WO 94/088226호는 근 적외선 분광기를 이용하여 연료의 특성을 측정하는 전반적인 방법에 대해 개시한다. 이러한 방법은 디젤 엔진에 공급하는 연료 속의 화석연료를 측정하는 방법을 포함하지 않으며, 공급원에서의 오염물질을 감소시키거나 엔진의 후처리 파라미터를 최적화시키기 위한 어떠한 기능도 제공하지 않는다.
문헌 "디젤 엔진 제어를 위한 유체의 상태 감시 센서(Fluid condition monitoring sensors for diesel engine control)"는 가솔린 속에서 지방산 메틸 에스테르(Fatty Methyl Ester, FAME)의 비율을 알게 해주는 전반적인 시스템을 개시한다. 근적외선 기술은 광원이 예를 들어 자동차에 강제된 강인성(robustness) 요구치를 단지 부분적으로 만족시키는 단시간의 내구성을 가진다는 주된 약점을 가진다. 게다가, 이러한 방법은 오로지 디젤엔진 속의 생물연료의 비율 또는 가솔린 안의 에탄올의 비율을 측정할 수 있게 해주는 단일 적용 센서를 요구하므로, 단일성 문제에 따른 특유의 추가적인 비용을 요하게 된다.
국제공개공보 WO 02095376호는 배출 가스의 분석 기능으로서 엔진 작동 모드(mode)를 검사할 수 있는 것을 개시한다. 이러한 방법은 예를 들어 자동차 시장의 엄격한 규제를 만족해야하는 배출 라인과 같은 (예를 들어 가스가 산성인) 특별히 어려운 환경에 센서를 적용한다. 이러한 점은 매우 큰 추가 비용을 발생시킨다. 반면, 배출 가스의 분석 함수에 따른 엔진 파라미터의 제어는 정의상 시약의 제어이고, 이러한 것은 특히 순간적인 속도를 가지는 배출을 귀납적으로 야기시킨다.
국제공개공보 WO 2006100377호는 근적외선 장치를 이용하여 연료의 분자 구조를 측정하는데 적용되는 연소 기관의 최적화에 대해 개시하고 있다. 본 발명은 자세한 분자 구조와 같은 것을 고려할 필요는 없으나 화학적 함수의 특성, 화학적 화합물 집합체 및 연료 속에 존재하는 생물연료의 비율 및 유형을 알게 해주는 분자 그룹에 대한 인식에 관계된다.
본 발명은 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형에 기초한 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터의 사전 위치 결정을 위한 방법을 제공함으로써 연료/오염 물질 배출 짝(couple)에 적용된 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하기 위한 필요조건을 만족시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명은 한편으로는 공급원에서의 오염물질 배출이 최소화되도록 연료의 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라 연료분사 및 연소 파라미터의 사전 위치를 결정하고, 다른 한편으로는 촉매, 첨가물 및 후처리 시약의 더 나은 처리를 제공하는 한편 차량의 출구에서의 오염물질 배출이 최소화되도록 후처리 파라미터의 사전 위치를 결정할 수 있게 해준다.
본 발명에 따른 방법은 어떠한 유형의 생물연료(평지씨, 야자, 해바라기 및 다른 식물의 메틸- 또는 에틸 에스테르뿐만 아니라 차세대 생물연료 및 미래 생물연료)에도 적용된다.
상기 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다:
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량을 측정하는 단계, 및/또는
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 유형을 측정하는 단계,
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라 연료분사 조절자(예를 들어, 연료분사의 진행, 분사 회수, 분사 지속시간, 연료의 도입율, 과급(supercharging)의 제어: 유입되는 공기의 비율, 압력 및 온도, 가변성 형상의 터빈의 경우에는 노즐 가이드 베인(vane)의 단면의 변화)를 변경하는 단계,
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형의 함수에 따라 연소 조절자(예를 들어, 배출 가스 재순환(exhaust gas re-circulation, EGR)율, EGR의 냉각, 엔진이 가변성 압축율을 가지는 경우 압축 비율, 유입되는 공기의 비율, 압력 및 온도와 같은 과급의 조절)를 변경하는 단계,
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형의 함수에 따라 후처리의 조절자(예를 들어, DeNOx 처리를 위해 주입되는 시약의 양, 첨가물 미립자 필터를 이용한 미립자 처리를 위해 주입되는 첨가물의 양, 매연의 후산화(post-oxidation)를 위해 부가되는 산소의 양)를 변경하는 단계,
- 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관계되는 정보를 저장하는 단계.
본 방법은 기정의된 주파수에서 및/또는 사건이 발생하였을 때 적용된다. 본 방법은 적어도 각각의 탱크가 충전될 때 적용되며 연료 게이지에 의해 지시되는 연료의 높이의 양의 변동(positive variation)에 기초하여 수행되기 시작된다.
본 방법의 실시는 법칙, 파라미터 및 연료분사 매핑(mapping), 연소 및 후처리 매핑의 사전 보정작업(calibration)을 포함한다. 이러한 보정작업은 연료 속의 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 고려하기 위한 엔진 제어를 위해 엄격한 계획을 세울 수 있게 해준다.
연료 속의 분자의 함유량 및/또는 유형에 관계되어 저장된 정보 덕분에, 이러한 방법은 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터를 최적화하고, 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관해 저장되는 마지막 정보를 고려함으로써 냉시동(cold-start) 동안의 오염물질 배출을 최소화할 수 있게 한다.
이러한 방법은 센서들이 정확하게 작동하는지 확인하기 위한 또는 필요한 경우 하나 이상의 센서들의 고장을 자기진단 장치(On Board Diagnostic, OBD)에 알려주기 위한 별도의 센서(더욱 상세하게는, 후처리 장치의 하류부분에 위치한 NOx 센서)의 결과와 본 발명에 따라서 연료 속에 존재하는 생물연료의 비율 및 유형을 측정한 결과정보를 조화시킬(reconcile) 수 있게 해준다.
특정 실시예에 따르면, 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형은 센서를 이용해 측정된다. 상기 센서는 충전 시스템, 연료 탱크, 펌프 게이지 모듈, 연료 필터 또는 필터들, 엔진 공급 서킷(circuit) 및 탱크로의 복귀 서킷를 포함하는 연료 서킷에 배치된다.
특정 실시예에 따르면, 상기 센서는 근적외선 기술를 이용한 스팩트럼 분석에 기초하여 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 측정할 수 있다. 사실상, 상기 근적외선 분석은 매우 민감한 방법이고, 상기 근적외 스팩트럼은 산출물의 "DNA"로서 고려될 수 있기 때문에, 상기 연료의 질적인 진단에 매우 적합하다. 또한, 상기 근적외선 분석은 쉽게 반복수행이 가능하다.
또한, 상기 근적외선 기술은 스캐터링 방식(scattering type)의 가동 부품(mobile part), 퓨리에 변환(Fourier's transform), 발광 다이오드 및 다른 장치없이 분광기를 이용할 수 있도록 해준다. 이러한 기술에 따르면 소형화가 가능하다. 배출 및 검출 시스템은 광학 섬유를 통해 각각 다른 장치로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 근적외선 기술은 자동차에 쉽게 사용될 수 있고, 매우 강력하며, 저가로 실시될 수 있다는 이점을 가진다.
엘. 지. 웨이어(L. G. WEYER)에 의해 1985년에 발행된 문헌 또는, 1992년에 발행된 "근적외선 분석의 핸드북(handbook)" 또는, 지로 워크맨 주니어(Jeroe WORKMAN Jr.)의 1996년도 논문 또는 엠. 밸르에르(M. VALLEUR)의 1999년도 논문에 언급바와 같은 석유 화학 및 정련작업에의 스팩트럼 분석 적용과 같은 더 상세한 간행물이 상기 근적외선에 관한 참고문헌으로서 언급될 수 있다.
연료의 상기 근적외선 스팩트럼에 포함된 정보는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 측정할 수 있도록 해주는 수학적 과정에 의해 추출된다. 측정된 연료의 함유량 및/또는 유형은 엔진의 오염물질 배출을 최소화하는 관점에서 연료분사, 연소 및 후처리 조절자를 최적화시키기 위한 사항으로 고려된다.
특정 실시예에 따르면, 생물연료의 비율 및/또는 유형은 산출물의 분자구조를 측정한 것으로부터 산출된다. 사실상, 산출물의 분자 구조는 매우 미세하고 자세한 수준으로 제공되어서 예를 들어, 분자 구조 분석을 통해 에스테르 그룹을 조사함으로써 화학적 그룹(group) 또는 화학적 집단(families)과 같은 생물연료의 특성을 정확하게 이해할 수 있게 해준다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 일실시예에 따른 센서를 구비하여 본 발명에 따른 방법이 실시된 엔진의 연료 공급 서킷의 개략도이다.
도 2는 상기 센서가 설치가능한 위치를 지시하는 엔진의 연료 공급 서킷의 개략도이다.
도 3은 본 방법의 단계를 보여주는 도면이며, 더욱 상세하게는 상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 측정하는 단계 및 오염물질 배출을 최소화하기 위하여 엔진을 조종하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 2는 상기 센서가 설치가능한 위치를 지시하는 엔진의 연료 공급 서킷의 개략도이다.
도 3은 본 방법의 단계를 보여주는 도면이며, 더욱 상세하게는 상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 측정하는 단계 및 오염물질 배출을 최소화하기 위하여 엔진을 조종하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하여 연료분사, 연소 및 후처리를 조절하였을 때 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 고려하여 열 엔진(thermal engine)을 구비한 차량의 오염물질 배출을 최소화하기 위한 방법을 설명한다.
상기 엔진에는 연료 탱크(2), 연료 탱크 충전 시스템(3) 및 연료 공급 서킷(4)을 포함하는 연료 서킷(1)에 의해 연료가 공급된다. 상기 서킷은 예를 들어 하나 이상의 연료 펌프(5), 하나 이상의 연료 필터(6) 및 탱크로의 복귀서킷(7)을 포함한다.
도 1에 도시된 일 실시예에 따르면 스팩트럼 분석 센서(8)는 연료 서킷(1) 내에 배치되고, 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터를 조절할 때 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형을 이용할 수 있는 전자 또는 디지털 시스템(13)과 연결된다.
근적외선 분석의 경우에, 상기 센서는 광원(9), 광 분리 시스템, 연료 샘플링 셀(fuel sampling cell)(10), 감광성 검출 시스템(11) 및 전용 계산기(dedicated calculator)(12)로 이루어진다. 광학 섬유를 통해서 분광계의 다른 구성요소를 샘플링하기 위한 시스템이 배치될 수도 있다. 전용 계산기(12)는, 상기 측정의 일련과정이 조절되고, 센서(8)의 정확한 작동이 조정 및 제어될 수 있게 해준다. 계산기(12)는 근적외선 스펙트럼의 처리와 관련된 모든 계산을 수행할 수 있게 하는 수학적 모델(model)을 포함하여, 측정 시스템의 자동진단 및 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 측정을 가능하게 한다. 상기 계산기(12)는 연료분사, 연소 및 후처리를 위한 엔진 제어를 통해 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관한 정보의 이용을 가능하게 하는 전자 또는 디지털 시스템(13)과 연결된다. 이러한 전자 또는 디지털 시스템은 조정 엑츄에이터(A)를 제어한다. 계산기(12)에 의해 계산되는 함수는 전자 또는 디지털 시스템(13)에 의해 확인되고 직접 실행될 수 있다.
근적외선에서, 센서(8)는 오직 하나의 광원(sourse) 및 오직 하나의 검출기, 또는 복수의 광원 및 하나의 검출기, 또는 하나의 광원 및 복수의 검출기를 포함할 수도 있다. 더욱 상세하게는, 근적외선의 경우, 간섭 필터, 브랙 어레이(Bragg array), 분산 네트워크(dispersive network), 액체 크리스탈, 퓨리에 변환 시스템 또는 광 분리를 위한 선형 카메라가 이용될 수 있다. 센서(8)는 순차적 또는 복합적 액세스(sequential or multiplex access) 유형일 수 있다.
센서(8)는 주어진 파장에서 각각의 노광 광도(light intensity)를 기록하는 수백개의 포토다이오드(photodiode)를 구비한 근적외선 막대 분광계(near infrared bar spectrometer)일 수 있다. 센서(8) 내부에 있는 검출기 실리콘(Si) 또는 복합적인 유형의 알로이(alloy)(InGaAs, InAs, InSb, PbS, PbSe) 또는 CMOS 또는 CCD 유형을 기반으로 하는 고 민감성(high sensative) 반도체이다. 상기 검출기는 냉각되거나 또는 냉각되지 않을 수 있다.
센서(8)는 탱크 안에(도 2의 위치 P1), 상기 연료 탱크 충전 시스템 레벨에(도 2의 위치 P2), 펌프 게이지 모듈 안에(도 2의 위치 P3), 상기 엔진의 상기 연료 공급 서킷 안에 있을 수도 있다. 후자의 경우에, 상기 센서(8)는 펌프(5) 및 필터(6) 사이에(도 2의 위치 P4), 상기 연료 필터 안에(도 2의 위치 P5) 또는 상기 연료 필터의 하류에(도 2의 위치 P6) 위치할 수도 있다. 또한, 상기 센서는 상기 연료 복귀 서킷 안에(도 2의 위치 P7) 위치될 수 있다.
센서(8)는 780 내지 2,500 나노미터(12,820 cm-1 내지 4,000cm-1) 사이의 분광영역(spectral region)에서 측정이 이루어지도록 조정된다. 예를 들어, 성공적인 측정 범위는 780 나노미터 내지 1,100 나노미터(12,820 cm-1 내지 9,090cm-1), 1,100 나노미터 내지 2,000 나노미터(9,090 cm-1 내지 5,000cm-1) 및, 2,000 나노미터 내지 2,500 나노미터(5,000 cm-1 내지 4,000cm-1) 사이여야 한다. 이러한 목적을 위해서, 상기 샘플링 시스템은, 0.5밀리미터 내지 100밀리미터에 걸쳐 측정이 이루어지는 산출물의 두께를 의미하는 광학 경로, 다시 말해서 첫번째 경우에서 50밀리미터 내지 100밀리미터, 두번째 경우에서 10밀리미터 내지 20밀리미터 그리고 마지막 경우에서 0.5밀리미터 내지 5밀리미터의 파장 범위에 대응되는 광학 경로를 보여주도록 조정된다.
센서(8)는 상기 연료 서킷을 순회하여 엔진으로 공급되는 상기 연료의 반사도(reflectance), 투과도(transmittance) 또는 흡광도(absorbance)로 근적외선 스팩트럼을 만들 수 있도록 조정된다.
센서(8)는 1 cm-1 내지 20cm-1, 바람직하게는 4 cm- 1 로 조정될 수 있는 스팩트럼 분해능(정밀도)을 가진다.
광학 시스템 및 센서 샘플링 시스템(8)은 또한 그것이 분해되지 않고 세척될 수 있도록 자가 세척(self-cleaning)될 수 있다.
상기 연료의 상기 근적외선 스팩트럼의 측정은 예를 들어 고려된 파장 영역(area)에서의 흡광도(absorbance)를 통해 이루어진다. 각각의 선택된 파장에 대해 측정된 상기 흡광도 값은, 다중 엔트리 메트릭스(multiple entry matrix)에 정보를 공급하기 위해 공지의 화학계량의 법칙에 따라 미리 기준 데이터 뱅크에서 계산된 보편적인 수학 및 통계 모델에 입력되어, 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정할 수 있게 해준다.
이러한 질에 대한 정보는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수, 연료분사, 연소 및 후처리 조절자(파라미터, 법칙 및 맵(map))에 따라 변경되는 엔진 제어를 위해 제공되어서, 엔진에 의한 오염물질 배출을 최소화하기 위한 측면에서 조절자들을 최적화시킨다.
엔진의 연료분사, 연소 및 후처리를 위한 최고의 파라미터, 법칙 및/또는 맵(map)은, 다양한 센서 및 검출기에 의해 수집되고 또한 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관한 현재 정보를 제공하는 센서(8)에 의해 수집된 일반적인 정보의 함수에 따라 상기 전자 또는 디지털 시스템에 의해서 선택된다.
상기 엔진의 상기 파라미터, 법칙 및 맵은 엔진의 아에스오(iso) 성능, 또는 아에스오(iso) 배출에 부합되도록 엔진의 성능을 향상시키기 위해 배출 가스의 배출을 최소화시키거나 제한하도록 선택될 수 있다.
연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 측정은 센서(8)에 의해 시간에 따라 규칙적으로 수행될 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 탱크(2) 속에 존재하는 연료의 체적을 검출하는 검출기가 구비될 수도 있다. 그리하여, 상기 탱크가 충전되는(상기 연료 탱크 안의 체적이 증가하는) 매 시간마다 센서(8)에 의해 측정이 시작되도록 제어된다.
생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관한 정보를 저장하는 단계는 그러한 생물연료의 함유량 및 유형의 내역(history)을 만드는데 이용된다. 엔진이 시동되면 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라서 연료분사, 연소 및 후처리를 위한 파라미터, 법칙 및 맵을 조정하기 위해, 저장된 생물연료의 마지막 함유량 및 마지막 유형이 엔진 제어에 이용된다.
본 발명에 따른 방법은 센서(8)의 정확한 동작을 점검할 수 있게 하는 자동 진단 시스템을 포함한다. 센서(8)가 고장난 경우에, 상기 자동 진단 시스템은 문제를 검출하고, 엔진 제어를 담당하는 상기 전자 또는 디지털 시스템에 상기 문제에 대한 정보를 제공한다. 이러한 환경하에서, 상기 전자 또는 디지털 시스템은 다음과 같은 동작을 수행한다:
- 상기 시스템은 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형이 가장 바람직하지 않은 것으로 가정하고, 이에 따라 성능에 손해를 입히는 오염물질 배출이 최소화되도록 연료분사, 연소 및 후처리를 위한 파라미터, 법칙 및 맵을 조정한다.
- 상기 시스템은 센서(8)의 고장을 OBD(자기진단 장치; On Board Diagnostic)에 알린다.
- 상기 시스템은 센서(8)의 고장에 대한 보수를 담당하는 엔진의 사용자 또는 회사에 알린다.
도 3은 상기 방법의 다양한 단계를 도시한다:
- 단계 A : 상기 연료의 근적외선 스팩트럼의 수집;
- 단계 B : 상기 근적외선 스팩트럼이 적용된 상기 센서의 자기 진단;
- 단계 C : 진단 집중화 시스템(자기진단 시스템)과 상기 생물연료의 함유량 및/또는 유형의 측정 상태에 대한 통신;
- 단계 D : 상기 연료의 상기 근적외선 스펙트럼이 적용된 수학적 과정을 통한 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및/또는 유형의 측정;
- 단계 E : 상기 센서가 정상작동하는 경우, 엔진 제어를 담당하는 상기 전자 또는 디지털 시스템에 생물연료의 함유량 및/또는 유형에 관한 정보를 전달;
- 단계 F : 엔진 제어를 담당하는 상기 전자 또는 디지털 시스템에 의해 적용된 파라미터, 법칙 및/또는 맵의 선택 및 변경;
- 단계 G : 적용된 파라미터, 법칙 및/또는 맵의 함수에 따라 엔진을 조정.
Claims (15)
- 자동점화기능을 구비한 내연 엔진의 연료분사, 연소 또는 후처리 파라미터 조절 방법으로서,
스팩트럼 분석 센서를 이용하여 상기 연료의 근적외선 스팩트럼 값으로서 분자 구조를 측정하고, 측정된 값을 상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형에 관계되는 정보를 추출하기 위한 수학 및 통계 모델에 입력하여 연료 분사 시스템에 공급되는 연료 속의 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하는 단계; 및
상기 정보를 저장하고, 측정된 생물연료의 함유량 및 유형의 내역을 메모리에 기록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 엔진에 공급되는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라 후처리 시약 및 첨가물의 주입율을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 엔진에 공급되는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라서, 연료분사의 진행, 분사 회수, 분사 지속시간, 연료의 도입율 및, 유입되는 공기의 비율, 압력 및 온도, 가변성 형상의 터빈의 경우 노즐 가이드 베인(vane)의 단면의 변화를 포함한 과급의 제어를 포함하는 연료분사 파라미터 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
공급원에서의 오염물질 배출을 최소화하기 위하여 디젤 엔진에 공급되는 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형의 함수에 따라 배출 가스 재순환(EGR)율, 재순환된 배출가스의 냉각, 엔진이 가변성 압축율을 가지는 경우 압축 비율 및 밸브의 개방과 폐쇄와 같은 연소 파라미터 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항에 있어서,
차량이 시동되면 상기 오염물질의 배출을 최소화하기 위하여 상기 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터를 마지막으로 저장된 상기 정보가 저장된 마지막 정보가 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터의 사전 위치를 결정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하는 단계 및, 상기 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터의 사전위치 결정 및 최적화 단계는 주기적으로, 그리고 상기 엔진의 제어를 담당하는 디지털 또는 전자 시스템(13)의 명령에 따라, 그리고 연료 탱크(2)의 충전이 새로 실행되자마자 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형은 연료 탱크 충전 시스템, 연료 탱크(2), 펌프 게이지 모듈, 연료 필터 또는 필터들(6), 엔진 연료 공급 서킷 및 연료 탱크로의 복귀 서킷을 포함하는 연료 서킷에 배치되는 근 적외선 센서(8)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 센서(8)는 자가 세척되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하는 단계는 상기 센서(8)의 정상 작동 및 측정된 상기 생물연료의 함유량 및 유형에 대한 자가 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 센서의 고장 또는 상기 생물연료의 함유량 및 유형의 측정 오류가 진단되면, 엔진 제어 처리 시스템은 상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형이 가장 바람직하지 않은 것으로 판단하고, 상기 엔진 성능에 손해를 입히는 오염물질 배출의 위험성이 최소화되도록 상기 연료분사, 연소 및 후처리 파라미터를 확실하게 조절하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하여 얻어진 결과는, 센서들의 조립체가 정확하게 작동하는지 확인하기 위한 또는 하나 이상의 센서들의 고장을 OBD(자기진단 장치, On Board Diagnostic)에 알려주기 위한 별도의 센서에서 측정된 정보와 조화되고 비교되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서들의 고장이 감지되면, 차량의 사용자에게 시각적 또는 청각적 경고신호가 전달하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서들의 고장이 감지되면, 상기 차량의 보수를 담당하는 회사에 무선 통신을 통해 정보를 전달하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항의 방법을 실시하기 위한 장치로서,
연료 속에 존재하는 생물연료의 함유량 및 유형을 측정하기 위하여 상기 연료 서킷에 배치되는 스팩트럼 분석 센서(8) 및 계산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제14항에 있어서,
상기 스팩트럼 분석 센서는 근적외선 센서인 것을 특징으로 하는 장치.
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