KR20160026868A - 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템에는, 배기 매니폴드를 거쳐서 질소 산화물 촉매 및 입자 필터를 포함하는 조립체(3)와 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 연속적으로 연결된 내부 연소 엔진(1)이 제공된다. 상기 시스템은: 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아 질량을 비우기 위한 비움 수단; 상기 비움을 제어하기 위한 제어 수단(8a); 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 상류측에 배치된 요소 주입 수단(4); 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 유출부에서 암모니아의 양을 측정하기 위한 측정 수단(7); 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하기 위한 결정 시스템(9); 및 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량과 문턱값 간의 비교 결과에 기초하여 오작동 신호를 전송할 수 있는 비교 수단(8b);을 포함한다.

Description

자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING THE SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 자동차의 기능들에 대한 온-보드 진단(on-board diagnosis)에 관한 것으로서, 구체적으로는 디젤 자동차의 오염 배출물의 촉매 환원의 진단에 관한 것이다.
자동차로부터의 오염물에 대한 허용 배출의 한계가 낮아짐에 대응하기 위하여, 희박 연소 엔진(lean-burn engine)의 배기관(exhaust tract)에 더 복잡해진 배기 가스 후처리 시스템이 제공되고 있다. 이와 같은 시스템은 특히, 미연소 탄화수소 및 일산화탄소뿐만 아니라, 아산화질소와 입자들의 배출의 감소도 가능하게 한다.
선택적 촉매 환원 시스템(selective catalytic reduction system; SCR system)은 아산화질소(NOX)의 처리에 유효한 수단으로서 알려져 있다. 이 시스템은 아산화질소 배출물(질산염(nitrates) 및 아질산염(nitrites))을 연속적으로 처리한다. 이 이스템은 촉매의 사용과, 배기 시스템에 환원제 주입기(reducing agent injector)를 배치할 것을 필요로 한다.
따라서 상기 시스템은 환원제(예를 들어 애드블루(AdBlue))를 담는 추가적인 탱크, 특정의 주입 시스템, 환원제를 배기 가스와 혼합하기 위한 시스템, 및 상기 촉매에 저장 및/또는 주입된 환원제에 의하여 아산화질소의 환원을 가속시키는 촉매 시스템을 추가할 것을 필요로 한다. 아산화질소 처리의 효율을 최적화시키기 위해서는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 촉매 안으로 들어가는 혼합물이 가능한 균질의 것이어야 하는데, 이것은 전술된 혼합 시스템의 사용을 필요로 한다는 점에 유의하여야 한다.
이 시스템에서, 주입되는 환원제의 양과 상기 촉매에 저장되는 환원제의 양은 정교하게 적합화되어야 하는데, 실제에서 (저장 또는 주입된) 환원제가 과량투입되면 환원제의 소비를 무의미하게 증가시킬 뿐만 아니라, 배기에 있어서의 암모니아(악취가 심하고 독성이 높은 화합물)의 배출을 유발할 수 있다. 저량투입(under-dosing)은 결과적인 효율을 제한할 것이고, 따라서 배기에서의 아산화질소의 배출이 높게 된다.
화학적으로, 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 예를 들어 요소와 같은 환원제 안에 포함된 암모니아(NH3)를 저장한다. 이와 같이 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아는 아산화질소(NOx)를 환원시킨다. 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 최적 효율을 위하여는, 암모니아(NH3) 버퍼(ammonia buffer)라고 호칭되기도 하는 암모니아(NH3)의 저장 질량(stored mass)을 통제할 필요가 있다. 그러나, 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 암모니아(NH3) 저장 능력은 노후화(aging)에 따라서 열화되어, 효율의 감소로 귀결된다.
유로 5(Euro 5) 및 유로 6(Euro 6) 표준은 선택적 촉매 환원 시스템 전체를 위한 온-보드 진단(on-board diagnosis; OBD) 시스템을 요구한다. 따라서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템이 아산화질소(NOx)를 처리함에 있어 충분한 효율을 유지하여 온-보드 진단 문턱값을 충족시킨다는 점에 대한 반복적인 검증이 필요하게 된다. 이제까지는, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 진단이 아산화질소(NOx)의 처리 효율의 열화 정도에 기초한 것이었다.
그러나, 현재로서는 노후화의 보다 직접적인 결과인 암모니아(NH3)의 저장 능력 손실을 진단하는 것이 가능하지 않다. 새로운 진단 방법의 주된 어려움은, 예를 들어 요소 주입의 통제를 적합화시킴으로써 보상될 수 있는 회복가능한 효율 손실과, SCR 시스템에 아산화질소(NOx)를 처리하기 위한 암모니아(NH3)의 저장 공간이 더 이상 없는 때의 종국적 손실(definitive loss)을 구별할 수 있어야 한다는 점이다. 이것은 암모니아 저장 능력(ammonia storage capacity; ASC), 즉 SCR 시스템의 노후화 상태를 직접적으로 반영하는, 저장될 수 있는 암모니아(NH3)의 최대 질량으로 특징지워지는 값의 진단을 필요로 한다.
종래 기술로서는 아래와 같은 문헌들이 공지되어 있다.
문헌 WO 2008/103113 에는 특정 조건 하에서의 아산화질소(NOx)의 처리 효율에 기초한 SCR 시스템의 온-보드 진단(OBD)이 개시되어 있다. 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템에 의한 아산화질소(NOX)의 처리 효율은 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템으로의 유입부에서 이산화질소와 아산화질소 간의 비율, 즉 NO2/NOx 비율에 의해 큰 영향을 받는다. 상기 비율은 측정될 수 없는 것으로서, 촉매 DOC 의 황화 레벨(sulphurization level)과, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 상류측에 있는 입자 필터(FAP)의 그을음 레벨(soot level)에 의해 영향을 받는다. 온-보드의, 즉 내장된 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 모델(model)에 의해 결정되는 효율은, NO2/NOx 비율이 선험적 공칭값(priori nominal)인 조건, 즉 촉매(DOC)의 탈황 및/또는 입자 필터(FAP)의 재생 이후 상태의 조건에서 상기 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 하류에 배치된 아산화질소(NOX)용 센서에 의해서 결정된 효율과 비교된다. 상기 공칭의 조건에서 측정된 효율이 상기 모델에 의하여 계산된 효율보다 낮다면, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 오작동이 검출된다.
문헌 WO 2007/037730 에는 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 하류에 배치된 아산화질소(NOx) 센서에 의한 아산화질소(NOx)의 처리 효율과, 주어진 엔진 작동의 (부하, 속도상) 지점에서의 공칭 효율(nominal efficiency)을 비교함에 기초한, 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 위한 진단 시스템이 개시되어 있다. 만일 SCR 의 효율이 기준값보다 낮다면, 오작동이 검출된다.
그러므로, 노후화의 직접적인 결과인, 암모니아 저장 능력의 손실이 고려된, 선택적 촉매 환원 시스템의 진단을 위한 시스템 및 방법이 필요하다.
상기 목적을 위하여 본 발명은 내부 연소 엔진에 제공된 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템을 제공하는바, 상기 내부 연소 엔진은 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 거쳐서 아산화질소 촉매(nitrous oxide catalyst) 및 입자 필터(particulate filter)를 포함하는 조립체와 선택적 촉매 환원 시스템에 연속적으로 연결되고, 상기 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템은:
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아 질량(ammonia mass)을 비우기 위한 비움 수단(means for evacuation);
상기 선택적 촉매 환원 시스템의 상류측에 배치된 요소 주입 수단(urea injection means);
상기 비움 및 주입의 제어를 위한 제어 수단;
상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 유출부에서 암모니아의 양을 측정하기 위한 측정 수단;
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(maximum mass)을 결정하기 위한 결정 시스템; 및
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값을 문턱값(threshold)과 비교하고, 그 비교의 결과에 따라서 오작동 신호(fault signal)를 전송할 수 있는, 비교 수단;을 포함한다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하기 위한 결정 수단은: 상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 출력부에서의 암모니아의 레벨을 상기 측정 수단으로부터 수신된 신호의 함수로서 결정하기 위한 결정 수단; 및 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단으로서, 모델(model)을 통해서 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들을 추산할 수 있는, 모델링 수단;을 포함할 수 있다. 또한, 상기 최대 질량을 결정하기 위한 결정 수단은: 상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 출력부에서 측정된 암모니아의 레벨과 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 모델링된 값들 간의 차이를 결정할 수 있는 계산 수단으로서, 상기 차이가 양의 값이라면 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 결정하고, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단으로 전송하여, 상기 차이가 제로(zero)가 될 때까지 새로운 값들을 결정하는, 계산 수단;을 포함할 수 있다. 상기 계산 수단은 상기 차이가 제로(zero), 즉 0인 때에 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 전송할 수 있다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템에 관한 오작동 신호는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값이 문턱값보다 작은 경우에 제1 값을 가지고, 그렇지 않은 경우에 제2 값을 가질 수 있다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 수단은 모델을 통하여 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아의 레벨을 추산할 수 있으며, 그 추산은 배기 매니폴드 하류측의 이산화질소(nitrogen dioxide)와 아산화질소(nitrous oxide) 간의 비율, 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 온도, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서 주입된 요소의 질량, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량, 배기 가스 유동, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 암모니아의 레벨, 및 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어진다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단은 배기 매니폴드 하류측의 이산화질소와 일산화질소 간의 비율을 결정할 수도 있고, 그 결정은 입자 필터 및 촉매의 조립체의 상류측 온도, 내부 연소 엔진으로부터의 배기 가스 유동, 및 배기 매니폴드 하류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어진다.
본 발명에 의하여 내부 연소 엔진에 제공된 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법도 제공되는바, 상기 내부 연소 엔진은 배기 매니폴드를 거쳐서 아산화질소 촉매 및 입자 필터를 포함하는 조립체와 선택적 촉매 환원 시스템에 연속적으로 연결되고, 상기 방법은:
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아 질량을 비우는 단계;
상기 선택적 촉매 환원 시스템의 상류측에서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템에 의하여 저장될 수 있는 최대 질량보다 더 큰 요소의 질량을 주입하는 단계;
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하는 단계; 및
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값과 문턱값을 비교한 결과에 따라서 오작동 신호를 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량은:
선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장될 수 있는 최대 질량에 대한 저장된 값으로 모델을 초기화시킴;
모델을 통하여, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들을 추산함;
상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 출력부에서 암모니아 레벨을 측정함;
상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 출력부에서의 암모니아 레벨과, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 모델링된 값들 간의 차이를 결정함;
상기 차이가 양의 값이라면, 그 차이가 제로가 될 때까지 상기 모델을 통하여, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 결정하고, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 새로운 값들을 결정함; 및
상기 차이가 제로인 때에, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 최대 질량의 값이 전송됨;을 수행함에 의하여 결정될 수 있다.
만일 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대하여 결정된 값이 문턱값보다 작다면 상기 선택적 촉매 환원 시스템에 관하여 제1 값을 갖는 오작동 신호가 전송되고, 그렇지 않다면 제2 값을 갖는 오작동 신호가 전송될 수 있다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들은 모델을 통하여 추산될 수 있고, 그 추산은 배기 매니폴드 하류측의 일산화질소와 이산화질소의 양의 비율, 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 온도, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서 주입된 요소의 질량, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량, 배기 가스 유동, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 암모니아의 레벨, 및 선택적 촉매 환원 시스템 상류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어질 수 있다.
상기 배기 매니폴드 하류측의 일산화질소와 이산화질소 간의 비율은, 입자 필터 및 촉매의 조립체의 상류측 온도, 내부 연소 엔진으로부터의 배기 가스 유동, 및 배기 매니폴드 하류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 결정될 수 있다.
본 발명의 추가적인 목적, 특징, 및 장점은 하기의 첨부 도면을 참조로 하여 비제한적인 예로서 제시되는 아래의 상세한 설명으로부터 명확히 드러날 것이다.
도 1 에는 선택적 촉매 환원 시스템 및 온-보드 진단 시스템(on-board diagnostic system)이 구비된 내부 연소 엔진의 주요 구성요소들이 도시되어 있고,
도 2 에는 최대 암모니아 저장 능력을 결정하기 위한 시스템의 주요 구성요소들이 도시되어 있고,
도 3 에는 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법의 주요 단계들이 도시되어 있다.
도 1 에는 배기 매니폴드에 의하여 배기 파이프에 연결된 자동차의 내부 연소 엔진(1)이 도시되어 있다. 상기 배기 매니폴드의 하류에서 배기 파이프에 장착된 것은, 연속적으로 제1 온도 센서(2), 산화 촉매 및 입자 필터를 포함하는 조립체(3), 요소 주입기(4), 제2 온도 센서(5), 선택적 촉매 환원 시스템(6), 및 아산화질소 센서(7)이다.
바람직하게는, 발화 온도(ignition temperature)에 보다 신속히 도달할 수 있도록 하기 위하여, 조립체(3) 안에서 입자 필터의 상류측, 즉 엔진(1)에 가까운 측에는 산화 촉매가 수용된다.
또한 바람직하게는, 요소 주입기(4)의 상류측에 제2 온도 센서(5)가 설치되어서, 요소 주입에 의하여 온도 측정이 방해받지 않게 된다.
내부 연소 엔진(1)은 직접적으로 또는 제어 수단을 거쳐서 온-보드 진단 시스템(8)에 연결되되, 배기 가스 유동 및 아산화질소(NOx)의 유동을 제공하는 연결부를 통해 연결된다. 이 유량들은 특히 내부 연소 엔진(1)의 작동 지점(operating point)에 기초하여, 추산 수단(estimation means) 또는 맵(map)으로부터 얻어진다.
제1 온도 센서(2)는 조립체(3)의 상류측 온도를 제공하는 연결부(2a)를 통하여 온-보드 진단 시스템(8)에 연결된다.
제2 온도 센서(5)는 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 상류측 온도를 제공하는 연결부(5a)를 통하여 온-보드 진단 시스템(8)에 연결된다.
아산화질소 센서(7)는 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 양을 제공하는 연결부(7a)를 통하여 온-보드 진단 시스템(8)에 연결된다.
선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 진단을 위하여, 상기 암모니아의 누설 상태에서, 저장된 암모니아의 최대 질량이 추산된다. 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 하류측에 배치된 아산화질소 센서(7)는 암모니아(NH3)와 아산화질소(NOx)를 구별할 수 없다. 이와 같은 특성을 활용하여, 암모니아(NH3)의 누설을 검출하고, 저장된 암모니아의 최대 질량을 추정하며, 이 값에 따라서 오작동을 진단할 수 있다.
그러나, 저장된 암모니아의 최대 질량을 추산하기 위하여는, 주어진 순간에 저장된 암모니아의 질량을 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 모델(model)에 따라서 추산해야 한다. 아래에서 설명되는 모델은 최대 암모니아 저장 능력을 판단하기 위한 시스템(9)에 포함된다. 저장된 암모니아의 최대 질량을 추산할 수 있도록 하기 위하여, 상기 모델이 아산화질소(NOx) 센서(7)에 연계된다.
또한, 저장된 암모니아의 최대 질량의 판단을 위하여, 연결부(6a)를 통하여 액츄에이터에 연계된, 요소의 비움 및 주입을 위한 제어 수단(8a)에 의해서 상기 선택적 촉매 환원 시스템이 비워진다. 대안적으로는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 내에 존재하는 모든 암모니아가 소비됨으로써 비움(evacuation)과 동등한 효과를 얻기 위하여, 상기 제어 수단(8a)이 주입기(4)에 의한 요소 주입을 중단시킬 수 있다. 상기 비움으로 인하여 절대적 기준값(absolute reference value)이 설정되기 때문에, 결정되는 질량은 어떠한 상대성도 갖지 않게 되며, 따라서 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 오작동을 판별하기 위하여 비교 수단(8b)에 의한 문턱값과 비교될 수 있다.
아래에서는 먼저 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 모델링(modeling)에 대해 설명하고, 그 다음에 선택적 촉매 환원 시스템의 진단을 위한 방법 및 시스템이 설명된다.
도 2 에는 최대 암모니아 저장 능력을 판단하기 위한 시스템(9)이 도시되어 있다. 상기 시스템은 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서의 암모니아 레벨을 아산화질소 센서(7)에 의한 측정치에 따라서 결정하기 위한 수단(9a)을 포함한다.
선택적 촉매 환원 시스템을 모델링하기 위한 수단(9b)도 있다. 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링은 암모니아 질량을 추산함으로써 시작된다. 이것은 배기관에서 일어나는 물리화학적 현상에 기초한 축소 모델에 의하여 제공된다.
산화 촉매(DOC)와 입자 필터(FAP)의 조합에 의해 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로의 유입부에서 부여되는 이산화질소(NO2)와 아산화질소(NOx) 간의 비율(α)은 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 효율에 큰 영향을 준다.
그러나, 상기 이산화질소(NO2)와 아산화질소(NOx) 간의 비율(α)을 측정하는 것은 불가능하다. 따라서, 그 비율은 상기 산화 촉매(DOC)로의 유입부에서의 온도(Tdoc) 및 배기 가스 유동(qech)의 함수로서의 모델링(modeling) 또는 맵핑(mapping)을 통해서 추산되어야 한다. 상기 배기 가스 유동(qech)은 다양한 엔진의 가스 유동의 함수로서 측정 또는 모델링된다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템으로의 유입부에서의 일산화질소(Xin no) 및 이산화질소(Xin no2)의 레벨은 상기 이산화질소(NO2)와 아산화질소(NOx) 간의 비율(α)과 엔진으로부터의 유출부에서의 아산화질소(NOx)의 레벨(Xin nox)의 함수로서 결정될 수 있다. 이와 같은 결정은 아래의 등식에 의하여 설명된다.
Figure pct00001
(등식 1)
엔진으로부터의 유출부에서의 아산화질소(NOx)의 레벨(Xin nox)은 센서에 의하여 측정되거나 모델에 의하여 추산될 수 있다는 점에 유의한다.
아래의 단순화된 반응 메카니즘(reactional mechanism)은 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 기능을 나타낸다.
(등식 2)
위에서:
* 은, 암모니아(NH3) 분자를 수용할 수 있는 위치(site)를 나타내고,
NH3* 은, 저장된 암모니아(NH3) 분자를 나타내고,
O2 은, 산소 분자를 나타내고,
N2 은, 이질소(dinitrogen) 분자를 나타내고,
NO 은, 일산화질소 분자를 나타내고,
NO2 은, 이산화질소의 분자를 나타낸다.
여기에서 설명되는 반응 메카니즘을 모델링함으로써, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xout nh3)과 아산화질소(NOx)의 레벨(Xout nox), 그리고 암모니아(NH3)의 저장 질량(mnh3)(버퍼(buffer)라고 호칭되기도 함)을, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xin nh3)과 아산화질소(NOx)의 레벨(Xin nox), 배기 가스 유동(qech), 상기 선택적 촉매 환원 시스템으로의 유입부에서의 상기 가스들의 온도(Tscr), 그리고 마지막으로 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)의 함수로서 동적으로 얻는 것이 가능하다.
하기의 등식이 그러한 모델을 나타낸다.
Figure pct00003
(등식 3)
상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xin nh3)은 주입된 요소의 양의 함수로서 추산될 수 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 수단(9b)은 시간 함수로서의 암모니아(NH3)의 질량 변화(dmnh3/dt)를 결정하고, 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xout nh3) 과 아산화질소(NOx)의 레벨(Xout nox)을 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서의 아산화질소(NOx)의 레벨(Xin nox), 내부 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스의 유동(qech), 제2 온도 센서(5)로부터 선택적 촉매 환원 시스템으로의 유입부에서의 상기 가스들의 온도(Tscr), 이산화질소(NO2)와 아산화질소(NOx) 간의 비율(α), 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3), 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xin nh3), 및 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 현재 질량(mnh3)의 함수로서 결정한다. 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)이 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 설계를 위한 기준(datum)이라는 점에 유의한다.
시간에 따른 암모니아 질량의 변화(dmnh3/dt), 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨(Xout nh3) 및 아산화질소(NOx)의 레벨(Xout nox)을 앎으로써, 결정식(observer)을 통해서 상기 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하는 것이 가능하게 된다. 상기 결정식의 정의에 앞서, 아산화질소와 암모니아 모두를 측정하는 그것의 능력을 감안하여, 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 아산화질소(NOx) 센서로부터의 측정치가 분할된다. 하기의 등식이 이와 같은 분할을 나타낸다.
Figure pct00004
(등식 4)
위에서,
Xout,capt nox 은, 아산화질소 센서의 측정치 값이고,
Xout nox 은, 아산화질소의 레벨이고,
Xout nh3 은, 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아(NH3)의 레벨이다.
앞서 설명된 바와 같이 두 가지의 기여분들 간의 위와 같은 배분은, 선택적 촉매 환원 시스템에서 아산화질소(NOx)와 암모니아(NH3)를 구별하는 것이 가능하지 않다는 사실을 나타낸다.
등식 3 및 4 를 조합함으로써 아래와 같은 결정식이 제안된다.
Figure pct00005
(등식 5)
위에서,
(등식 6) 이고,
K 는, 엄밀한 양의 이득(strictly positive gain)이다.
도 2 를 참조하면, 최대 암모니아 저장 능력을 결정하는 시스템(9)은 감산기(subtractor; 9c)도 포함하는데, 상기 감산기의 입력부는 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서의 암모니아 레벨을 결정하기 위한 수단(9a)과 선택적 촉매 환원 시스템을 모델링하기 위한 수단(9b)에 연결되고, 상기 감산기의 출력부는 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)을 감산기(9c)와 메모리(9e)로부터 수신된 신호의 함수로서 결정할 수 있는 계산 수단(9d)에 연결된다.
감산기(9c)는 상기 결정 수단(9a)으로부터 수신된 값에서 선택적 촉매 환원 시스템을 모델링하기 위한 수단(9b)으로부터 수신된 값을 감산함으로써, 등식 6 의 적용에 의한 파라미터 Δ 의 결정을 가능하게 한다.
계산 수단(9d)은 최대 암모니아 저장 능력을 판별하기 위한 시스템(9)이 초기화된 때에, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)을 메모리(9e)로부터 수신된 신호의 함수로서 결정한다. 다른 상황에서는, 상기 계산 수단(9d)이 파라미터 Δ 와 저장된 상수 K 의 곱을 시간에 대해 적분함으로써, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)을 결정한다. 이를 수행함에 있어서, 상기 계산 수단(9d)은 상기 등식 시스템(등식 5) 의 세 번째 등식을 적용한다.
또한 상기 계산 수단(9d)은 상기 파라미터 Δ가 제로(zero)인지를 판별한다. 만일 그렇다면 계산 수단(9d)은, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)에 대해 결정된 값을 전송한다.
비교 수단(8b)은 계산 수단(9d)으로부터 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)을 갖는 신호를 수신한다. 상기 비교 수단(8b)은 메모리에 저장된 문턱값과 상기 최대 질량의 비교를 수행하여, 선택적 촉매 환원 시스템의 양호한 상태와 불량한 상태를 구별할 수 있다. 만일 상기 최대 질량이 상기 문턱값보다 더 크다면 오작동 부존재의 신호가 전송되고, 그렇지 않다면 오작동 신호가 전송된다. 대안적으로는, 오작동 신호만이 전송되되, 전송 조건들이 조합된 때에만 전송된다.
전술된 결정식의 이용은 아래의 수치 예를 읽음으로써 보다 잘 이해될 것이다.
양호한 상태에 있는 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장될 수 있는 암모니아의 최대 질량은 4g 인 것으로 전제한다.
또한 암모니아(NH3)의 누설 상태로 인하여, 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 유출부에서의 아산화질소(NOx)가 무시될 수 있다. 사실, 아산화질소는 과잉의 암모니아(NH3)에 의하여 환원될 것이다.
상기 모델은, 촉매 안에 저장되어 있는 암모니아의 최대값(mmax nh3)이, 양호한 상태에 있는 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장될 수 있는 암모니아의 최대 질량의 값, 즉 본 예에서 4g 인 상태에서 초기화되고, 그 다음에 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아(NH3) 및 아산화질소의 레벨에 대한 값들이 결정된다.
그 다음, 파라미터 Δ의 값이, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아(NH3) 및 아산화질소의 레벨들에 대한 모델링된 값들 및 아산화질소 센서로부터의 측정치의 함수로서 결정된다.
만일 파라미터 Δ의 값이 양이라면, 촉매 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)은 상기 선택적 촉매 환원 시스템이 모델링되었던 때의 최대 질량보다 작다.
그 다음, 결정된 파라미터 Δ의 함수로서 새로운 최대 질량을 결정한다. 상기 새로운 최대 질량은 상기 모델의 입력부에 다시 입력되고, 이로써 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아(NH3) 및 아산화질소의 레벨들에 대한 새로운 값들이 결정된다.
그 다음, 상기 새로운 값들은 파라미터 Δ에 대한 새로운 값을 결정하기 위하여, 상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 유출부에서의 아산화질소 레벨의 측정치와 비교된다. 만일 상기 파라미터 Δ의 값이 양이라면, 촉매 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)에 대한 새로운 값들과 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 암모니아(NH3) 및 아산화질소의 레벨들을 결정함으로써, 파라미터 Δ에 대해 제로인 값이 얻어질 때까지 상기 방법이 계속된다.
파라미터 Δ가 제로가 되자마자, 촉매 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)의 현재 값이 저장되고 문턱값과 비교된다. 만일 그 값이 상기 문턱값보다 더 크다면 상기 선택적 촉매 환원 시스템은 양호한 상태에 있는 것이고, 그렇지 않다면 불량한 상태가 검출된 것이므로 경고 신호가 전송된다.
도 3 에 도시된 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 진단 방법은 위에서 설명된 모델들 및 등식들을 이용한다.
상기 방법은 암모니아 질량이 비워지는 제1 단계(10)를 포함한다. 사실, 최선의 상태에서 진단을 수행하기 위하여는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)의 추산이 실질적으로 제로인 절대적 기준값으로부터 시작될 수 있도록 상기 비움이 수행된다. 이 비움은 수분동안 요소 주입을 중단함으로써 실행된다.
제2 단계(11) 동안에는, 선택적 촉매 환원 시스템이 암모니아(NH3)의 누출에 관한 한계에 도달 또는 그 한계를 초과하기에 충분히 높은 특정 질량의 요소가 주입된다. 다시 말하면, 이론적으로 상기 시스템이 포함할 수 있는 것보다 많은 암모니아(NH3)가 주입된다. 주입될 질량은, 오작동이 없는 촉매 환원 시스템 안에 저장되는 암모니아의 최대 질량의 함수로서 결정될 수 있다.
제3 단계(12) 동안에는, 상기 모델을 통해 등식 5 를 적용함으로써 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아 레벨(xout nh3) 및 아산화질소 레벨(xout nh3)을 추산한다. 또한, 아산화질소 센서(7)를 통하여, 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아의 레벨(xout,capt nox )을 측정한다. 그 다음에는 등식 6 의 적용에 의하여 파라미터 Δ 가 결정된다. 만일 파라미터 Δ가 양의 값이라면, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)에 대한 새로운 값이 파라미터 Δ의 값의 함수로서 결정된다. 그 다음, 파라미터 Δ에 대한 새로운 값을 결정하기 전에 모델을 통하여, 선택적 촉매 환원 시스템 하류측의 아산화질소(xout nh3)및 암모니아(xout nh3)의 레벨에 대한 새로운 값들이 결정된다.
상기 제3 단계는 파라미터 Δ의 값이 제로로 될 때까지 반복된다. 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)의 마지막 값은 저장된다.
제4 단계(13) 동안에는, 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(mmax nh3)이 문턱값과 비교된다. 만일 상기 최대 질량이 문턱값보다 더 크다면, 선택적 촉매 환원 시스템에는 오작동이 없는 것이다. 만일 그렇지 않다면, 선택적 촉매 환원 시스템에 오작동이 있는 것이다.
상기 선택적 촉매 환원 시스템의 상태에 해당되는 신호가 출력부에서 전송된다.

Claims (10)

  1. 내부 연소 엔진(1)에 제공된 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템으로서, 상기 내부 연소 엔진(1)은 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 거쳐서 아산화질소 촉매(nitrous oxide catalyst) 및 입자 필터(particulate filter)를 포함하는 조립체(3)와 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 연속적으로 연결되고,
    상기 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템은:
    상기 선택적 촉매 환원 시스템 안에 저장된 암모니아 질량(ammonia mass)을 비우기 위한 비움 수단(means for evacuation);
    상기 선택적 촉매 환원 시스템의 상류측에 배치된 요소 주입 수단(urea injection means; 4);
    상기 비움 및 주입의 제어를 위한 제어 수단(8a);
    상기 선택적 촉매 환원 시스템으로부터의 유출부에서 암모니아의 양을 측정하기 위한 측정 수단(7);
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량(maximum mass)을 결정하기 위한 결정 시스템(9); 및
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값을 문턱값(threshold)과 비교하고, 그 비교의 결과에 따라서 오작동 신호(fault signal)를 전송할 수 있는, 비교 수단(8b);을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템.
  2. 앞선 청구항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하기 위한 결정 수단은:
    상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단(9b)으로서, 모델(model)을 통해서 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들을 추산할 수 있는, 모델링 수단(9b);
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서의 암모니아의 레벨을 상기 측정 수단(7)으로부터 수신된 신호의 함수로서 결정하기 위한 결정 수단(9a);
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서 측정된 암모니아의 레벨과 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 모델링된 값들 간의 차이를 결정할 수 있는 계산 수단(9d)으로서, 상기 차이가 양의 값이라면 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 결정하고, 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단(9b)으로 전송하여, 상기 차이가 제로(zero)가 될 때까지 새로운 값들을 결정하는, 계산 수단(9d);을 포함하고,
    상기 계산 수단(9d)은 상기 차이가 제로인 때에 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 전송할 수 있는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템.
  3. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 관한 오작동 신호는, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값이 문턱값보다 작은 경우에 제1 값을 가지고, 그렇지 않은 경우에 제2 값을 갖는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 수단(9b)은 모델을 통하여 상기 선택적 촉매 환원 시스템 하류측에서의 암모니아의 레벨을 추산할 수 있으며, 그 추산은 배기 매니폴드 하류측의 이산화질소(nitrogen dioxide)와 아산화질소(nitrous oxide) 간의 비율, 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 온도, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서 주입된 요소의 질량, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량, 배기 가스 유동, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 암모니아의 레벨, 및 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어지는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템의 모델링을 위한 모델링 수단(9b)은 배기 매니폴드 하류측의 이산화질소와 일산화질소 간의 비율을 결정할 수도 있고, 그 결정은 입자 필터 및 촉매의 조립체(3)의 상류측 온도, 내부 연소 엔진의 배기 가스 유동, 및 배기 매니폴드 하류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어지는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 시스템.
  6. 내부 연소 엔진(1)에 제공된 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법으로서, 상기 내부 연소 엔진(1)은 배기 매니폴드를 거쳐서 아산화질소 촉매 및 입자 필터를 포함하는 조립체(3)와 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 연속적으로 연결되고, 상기 방법은:
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아 질량을 비우는 단계;
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)의 상류측에서, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 의하여 저장될 수 있는 최대 질량보다 더 큰 요소의 질량을 주입하는 단계;
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량을 결정하는 단계; 및
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대해 결정된 값과 문턱값을 비교한 결과에 따라서 오작동 신호를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량은:
    선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장될 수 있는 최대 질량에 대한 저장된 값으로 모델을 초기화시킴;
    모델을 통하여, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들을 추산함;
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서 암모니아 레벨을 측정함;
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)으로부터의 유출부에서의 암모니아 레벨과, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 모델링된 값들 간의 차이를 결정함;
    상기 차이가 양의 값이라면, 그 차이가 제로가 될 때까지 상기 모델을 통하여, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대한 새로운 값을 결정하고, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들에 대한 새로운 값들을 결정함; 및
    상기 차이가 제로인 때에, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 최대 질량의 값이 전송됨;을 수행함에 의하여 결정되는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    만일 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량에 대하여 결정된 값이 문턱값보다 작다면 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6)에 관하여 제1 값을 갖는 오작동 신호가 전송되고, 그렇지 않다면 제2 값을 갖는 오작동 신호가 전송되는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 하류측에서의 암모니아 및 아산화질소의 레벨들은 모델을 통하여 추산되되, 그 추산은 배기 매니폴드 하류측의 일산화질소와 이산화질소의 양의 비율, 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 온도, 상기 선택적 촉매 환원 시스템 상류측에서 주입된 요소의 질량, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 안에 저장된 암모니아의 최대 질량, 배기 가스 유동, 상기 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 암모니아의 레벨, 및 선택적 촉매 환원 시스템(6) 상류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 이루어지는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배기 매니폴드 하류측의 일산화질소와 이산화질소 간의 비율은, 입자 필터 및 촉매의 조립체(3)의 상류측 온도, 내부 연소 엔진으로부터의 배기 가스 유동, 및 배기 매니폴드 하류측의 아산화질소의 레벨의 함수로서 결정되는, 자동차의 선택적 촉매 환원 시스템을 진단하기 위한 방법.
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