KR20200011883A - Scr 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법 - Google Patents

Scr 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법 Download PDF

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자샤 슈마허
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Abstract

본 발명은 SCR 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100)에 관한 것이다. 농도 센서는 탱크 내에 위치한 UWS의 농도를 측정하도록 구성 및 실행된다. 농도의 측정을 위해서, 초음파원으로부터 생성된 초음파 신호가 사전 결정된 섹션을 통해 송신되고, 초음파 센서에 의해 검출된 음파 전파 시간으로부터 UWS의 농도가 산출된다. 초음파 센서가 적절하게 기능할 때, 초음파 센서에 의해 측정되는 신호 진폭이 사전 결정된 진폭 범위 내에 있도록 초음파 신호를 제어하는 초음파 신호 제어부가 제공된다. 초음파 신호 제어부의 하나 이상의 제어 변수가 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해 사용된다(110).

Description

SCR 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법{METHOD FOR CHECKING THE PLAUSIBILITY OF A SENSOR SIGNAL OF A CONCENTRATION SENSOR ARRANGED IN AN SCR-CATALYTIC CONVERTER SYSTEM}
본 발명은 SCR 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법과, 컴퓨터 프로그램, 기계 판독 가능한 저장 매체, 및 전자 제어 장치에 관한 것이다.
자동차 기술의 분야에서는 요소 수용액(Urea Water Solution: UWS)의 계량 공급에 의해 질소 산화물을 환원하기 위한 SCR 촉매 컨버터 시스템[SCR= Selective Catalytic Reduction(선택적 촉매 환원)]이 공지되어 있다. 배기 가스 배출 방지를 위한 미래의 법제는 특히 차량 운전자에 의해 발생 가능한 공급 오류를 인식하기 위해, 사용된 UWS의 품질을 요소 품질 센서에 의해 모니터링할 것을 요구한다. 이러한 품질 모니터링의 정확도에 대한 법적 요건은 UWS 내 ±1%의 요소 질량 분률에 해당하는 센서 측정 정확도에 상응한다. 이 경우, 전형적으로 UWS의 요소 함량의 설정값은 32.5%이다.
상술한 품질 모니터링을 위한 공지된 접근법으로는, 사전 결정된 섹션을 통한 음파 전파 시간이 검출되어, 검출된 전파 시간으로부터 UWS의 요소 함량이 도출되도록 하는 초음파 센서들이 있다. 대개 이러한 센서들은 제조 시에 적합한 UWS에 의해 교정(calibration)된다. 측정 정확도에 대한 까다로운 요건에 기인하여, 가용한 센서들에서는 측정값으로부터 UWS 농도값이 정확하게 도출되도록 환산 규칙 또는 특성 맵에 영향을 미치는 교정이 요구된다.
상술한 요구되는 측정 정확도는 자동차 기술 분야의 주어진 한계 조건들 하에서, 가격면에서 더 유리한 다른 센서들에 의해서는 달성될 수 없음에 주목해야 한다.
또한, UWS의 공급 오류가, 상응하는 센서 경보를 통해 경고 또는 SCR 촉매 컨버터 시스템의 차단을 야기할 수 있을 뿐만 아니라 자동차의 자동 정지도 야기할 수 있음이 강조되어야 한다. 따라서, 동일한 결과들을 초래하는 잘못된 경보가 어떠한 경우에도 방지되어야 할 것이다. 또한, 이에 관련되는 센서의 수명에 걸쳐 드리프트 거동이 배제될 수 없으므로, 잘못된 경보의 발생이 조장된다는 사실도 강조되어야 한다. 또한, 이러한 장기적 드리프트의 검출은 예를 들어 타당성 검사에 의해 어렵게만 검출 가능하다.
종래 기술에서는 센서 내 측정값의 타당성 검사가 시도되기는 하였지만, 제한된 신호 처리 가능성 때문에 조건부로만 가능했다. 이와 같이, 예를 들어 측정 오류는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer) 또는 초음파 리플렉터(ultrasonic reflector)에 작은 기포가 점착됨으로써 발생할 수 있으며, 이러한 측정 오류는 최악의 경우에는 차량의 부적절한 자동 정지를 야기할 수 있다. 대안적으로, 초음파 트랜스듀서는 초음파 탐침, 초음파 변환기, 또는 간단히 트랜스듀서라고도 불린다. 초음파 탐침, 초음파 변환기, 및 트랜스듀서는 각각 초음파원이다.
본원의 방법은 SCR 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해 사용된다.
이 경우, 농도 센서는 탱크 내에 위치한 UWS의 농도를 측정하도록 구성 및 실행된다.
UWS의 농도의 측정을 위해서, 초음파원으로부터 생성된 초음파 신호가 사전 결정된 섹션을 통해 송신되고, 초음파 센서에 의해 검출된 음파 전파 시간으로부터 UWS의 농도가 산출된다. 이러한 경우, 사전 결정된 섹션은 초음파 측정 섹션이다.
대안적으로 또는 추가적으로, 본원의 방법은 초음파 측정 섹션의 배포를 위해 사용될 수 있다. 이 경우, "배포"라는 개념은 제작 과정에서의 제품 배포에 해당한다. 농도 센서의 초음파 측정 섹션의 배포 시에 여기에는 오류가 없는 것으로 가정된다.
또한, 농도 센서는, 초음파 센서가 적절하게 기능할 때, 초음파 센서에 의해 측정되는 신호 진폭이 사전 결정된 진폭 범위 내에 있도록 초음파 신호를 제어하는 초음파 신호 제어부를 포함한다. 초음파 측정 섹션 또는 농도 센서가 적절하게 기능하지 않는 경우에는, 초음파 센서에 의해 측정되는 신호 진폭이 사전 결정된 진폭 범위 내에 있도록 초음파 신호가 제어될 수 없을 수도 있다.
본원의 방법은, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해서 초음파 신호 제어부의 하나 이상의 제어 변수가 사용되는 것을 특징으로 한다. 제어 변수는 내부의 센서-제어 변수일 수 있다. 제어 변수의 시간적 거동에 의해서, 제어부가 적절하게 기능하는지 인식될 수 있다. 제어 변수가 영위치(zero position) 주위의 작은 편차만을 갖는 경우, 제어부는 적절하게 작동한다. 그러나, 특히 제어부가 최대 초음파 진폭으로의 제어를 실행하는 경우, 대개 기능 장애가 발생한다. 마찬가지로, 제어부가 초음파 진폭을 사전 결정된 값 범위로 제어할 수 없는 경우, 기능 장애가 발생한다.
이러한 특징을 통해, 부적절하게 보고되는 허용되지 않는 UWS 농도에 대한 가능성이 감소되는 장점이 달성된다. 환언하면, 실제 UWS 농도가 사전 결정된 배포 범위 내에 속함에도 불구하고, 상술한 농도 센서에 의해 측정된 UWS 농도가 사전 결정된 배포 범위 내에 속하지 않을 가능성이 감소되는 장점이 달성된다. UWS 농도의 배포 범위는 센서에 의해 적절하게 기능하는 것으로 인식될 범위이다. 예를 들어, 이러한 범위는 32.5 ± 1%의 농도 범위일 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따라, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해서, SCR 촉매 컨버터 시스템의 하나 이상의 측정 변수가 추가로 사용된다. 이 경우, 타당성 검사는 특히 내부의 센서-제어 변수들과 SCR 촉매 컨버터 시스템의 하나 이상의 측정 변수의 조합 평가를 통해 실행된다. 이러한 2개 기준들의 조합 평가를 통해서는, 종래의 방법이 적절하게 기능함을 인식함에도 불구하고 농도 센서 또는 특히 초음파 측정 섹션이 적절하게 기능하지 않는 훨씬 더 많은 경우들이 검출될 수 있는 장점이 달성된다. 이로 인해, 부적절하게 보고되는 허용되지 않는 UWS 농도에 대한 가능성이 감소되는 것이 마찬가지로 달성될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따라, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사로 인해 농도 센서가 적절하게 기능하지 않는다는 사실이 밝혀진 경우, 농도 센서의 배포가 허용되지 않는다. 이러한 특징을 통해, 오류가 더 적은 농도 센서들이 배포되는 장점이 달성되는데, 이는 품질 표준의 향상을 의미한다.
바람직한 일 실시예에 따라, SCR 촉매 컨버터 시스템의 하나 이상의 측정 변수는 하기에 예시된 리스트의 하나 이상의 요소, 즉 초음파 신호 제어부의 제어 변수의 변화도 또는 평균 제어 변수, 온도, 기압, 한번 이상의 재공급 이벤트, 차량 이동, 및 탱크 내 UWS의 충전 레벨을 포함한다. 대안적으로, 이러한 변수들 각각은 자신들의 시간적인 변화를 통해서도 표시될 수 있다. 이 경우, 온도는 UWS의 온도, 주변 온도, 및/또는 배기 가스 라인 내에서 측정된 온도일 수 있다. 기압은 주변의 기압일 수 있다. 한번 이상의 재공급 이벤트는 한번 이상의 재공급 이벤트의 시점 및 재충전량을 포함할 수 있다.
특히, 평균 제어 변수는 피에조 여기 전압, 측정 당 여기 횟수(pinging/multipinging), 수신 신호의 증폭, 수신 신호에 대한 트리거링 임계값, 및 트리거링 임계값의 도달에 이르기까지의 초음파 전파 시간으로 구성된 리스트로부터 선택된다.
초음파 신호 제어부의 제어 변수의 변화도 또는 평균 제어 변수의 경우에서, 실제 측정된 제어 변수는 상술한 제어 변수와 비교되고, 사전 결정된 값보다 큰 편차가 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해 사용된다. 특히, 이러한 경우에서는, 농도 센서가 적절하게 기능하지 않고, 농도 센서의 배포가 허용되지 않는 것이 확인된다.
본원의 컴퓨터 프로그램은 특히 전자 제어 장치 또는 연산 장치에서 실행될 때 본원의 방법의 각각의 단계를 실행하도록 구성된다. 이는 종래의 제어 장치에서 구조적 변경을 수행할 필요 없이 본원의 방법이 구현 가능하도록 한다. 이를 위해, 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장된다. 컴퓨터 프로그램이 종래의 전자 제어 장치에 인스톨됨으로써, SCR 촉매 컨버터 시스템 내에 배치된 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법을 실행하도록 구성된 전자 제어 장치가 얻어진다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있으며, 하기의 상세한 설명부에 더 상세히 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 UWS 농도 센서를 구비한 SCR 촉매 컨버터 시스템의 계량 공급 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에서 사용되는 농도 센서를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 1에는 윤곽으로만 그려진 자동차 내연 기관(11)의 배기 가스 라인(10) 내로 요소 수용액(UWS)을 계량 공급하기 위한 SCR 촉매 컨버터 시스템(1)의 계량 공급 장치가 도시되어 있다. 이러한 SCR 촉매 컨버터 시스템(1)은 공지된 방식으로, 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction: SCR)에 의해 내연 기관(11)의 배기 가스 내 질소 산화물을 환원시키는데 사용된다. 환원을 위하여, 환원제로서 UWS(22)는 계량 공급 밸브(13)를 통해 SCR 촉매 컨버터(12) 상류에서 배기 가스 라인(10) 내로 분사된다. 계량 공급 밸브는, 예를 들어 각각 복수의 분사 밸브들을 포함하는 하나 이상의 계량 공급 모듈도 포함할 수 있다.
UWS(22)는 저장 탱크(14) 내에 저장된다. UWS(22)의 추출을 위해 흡입 라인(15)이 제공되며, UWS(22)는 토출 펌프(16)를 통해 저장 탱크(14)로부터 토출되어, 압력 라인(17) 내의 압력 하에 계량 공급 밸브(13)로 안내된다. UWS(22)는 정확하게 그리고 요구에 따라 배기 가스 라인(10) 내로 분사된다. 이를 위해, 압력 라인(17) 내 UWS(22)의 압력이 결정적이므로, 이러한 압력은 사전 결정 가능한 설정 압력으로 제어된다. 라인(17) 내 압력의 검출을 위해 압력 센서(18)가 제공되며, 이러한 압력 센서는 검출된 압력 신호들을 제어 장치(19)에 전달하므로, 토출 펌프(16)는 제어 장치(19)의 신호 전파를 통해, 사전 결정 가능한 설정 압력을 제어할 수 있다.
계량 공급 밸브(13)의 트리거링은 마찬가지로 제어 장치(19)의 신호 전파를 통해 실행된다. 계량 공급 밸브(13)는 소위 개방 주파수에 의해 트리거링되고, 이러한 개방 주파수는 상이한 계량 공급량들에 대해 동일하지만, 계량 공급량들이 상이할 때 상이한 길이의 밸브 개방에 있어서 영향을 미친다. 개방 주파수는 예를 들어 1Hz이다. 저장 탱크(14) 내에는, UWS(22) 내로 침지되는 UWS 농도 센서(20)가 배치되며, 이러한 UWS 농도 센서에 의해 UWS(22)의 요소 함량이 측정된다. 이러한 측정은 공지된 방식으로, 예를 들어 음파 신호의 전파 시간 측정을 통해 실행될 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 범주에 있는 본 실시예에 사용된 측정 기술에 좌우되지는 않는다. 센서(20)에 의해 검출되거나 생성된 신호는 신호 경로(21)를 통하여, 추가 처리를 위한 제어 장치(19)에 공급된다.
하기에 설명되는 방법은 바람직하게 도 1에 도시된 제어 장치(19) 내에서 실행된다. 그러나, 여기서는 방법의 실행 장소에 좌우되지 않으므로, 이러한 방법이 별도의 제어 장치에서 또는 내연 기관(11)의 제어를 위한 엔진 제어 장치에서 실행될 수도 있다.
전형적으로 UWS의 요소 함량의 설정값은 32.5%이다. 저장 탱크(14) 내에 저장된 UWS(22)의 농도의, 이러한 설정값으로부터의 편차는 하기의 원인을 가질 수 있다: 1) 차량 운전자 측의 공급 오류가 존재한다. 이 경우, 대개 이러한 편차는 센서(20)의 측정 범위를 벗어날 정도로 크다. 2) 센서(20)가 1 내지 3%의 측정 오차를 갖는 측정값들을 제공한다. 이러한 측정 오차는 시스템적 성격에서 비롯되어 상응하는 한쪽의 오프셋을 야기하거나, 통계적 성격에서 비롯되어 제공된 측정값들의 통계적 변동을 야기할 수 있다. 3) 센서(20)가 노화 과정을 겪으며, 이러한 노화 과정은 대개 수 퍼센트 범위의 편차들만을 야기하지만, 장기 효과를 통해 이러한 편차들의 인식성이 악화되기 때문에 소위 잘못된 경보와 관련하여 문제가 되는 것으로 판단된다. 4) 예를 들어 상품명 "AdBlue®를 갖는 시판 중인 UWS(22)가 32.5 ± 0.7% 범위의 요소 함량 허용 오차를 갖는다. 2) 내지 4)의 경우에서 센서의 기능 장애의 원인들은 실질적으로 통계적 분포의 영향을 받는다. 따라서, 최대의 통계 오차는 단일 오차들의 1차 가산, 즉 가장 바람직하지 않은 결합으로부터 계산된다. 특히 UWS 농도 자체의 통계적 편차[상기 4)의 경우 참조]는 거의 영향을 받을 수 없다.
작동 중 센서의 매칭 시에는, 상기 1)의 경우에 따른 공급 오류가 발생하지 않고, 이에 따라 정확한 UWS 매체가 존재한다고 가정할 수 있다. 즉, 잘못된 UWS 매체가 존재할 경우에는, 측정 신호 내에 뚜렷한 오프셋이 발생하고, 이러한 오프셋은 센서가 매칭된 경우, 올바른 매체로부터 뚜렷하게 구별될 수 있다.
도 2에는 하우징(23), 초음파 트랜스듀서(24) 및 리플렉터(25)를 구비한 농도 센서(20)가 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 초음파 트랜스듀서(24) 및 리플렉터(25)의 배열체와, 그들 사이에 배치된 초음파 측정 섹션(26)이 도시되어 있다. 저장 탱크(14)의 바닥에 고정된 초음파 트랜스듀서(24)로부터, 초음파 신호가 리플렉터(25)의 방향으로 송신되고, 이로부터 재차 초음파 트랜스듀서(24)를 다시 향하도록 반사되며, 이러한 초음파 트랜스듀서는 반사된 신호의 진폭을 측정한다. 리플렉터(25)는 마찬가지로 저장 탱크(14)의 바닥에 고정되어 있다. 음파 전파 시간을 검출하기 위해 사용되는 초음파 측정 섹션(26)의 길이는 초음파 트랜스듀서(24)와 리플렉터(25)의 간격의 2배에 상응한다. UWS(22)의 출렁임 또는 가스 방출을 통해 생성될 수 있는 기포를 통해, 초음파 트랜스듀서(24)로부터 액체 내로의 초음파 주사는 방해될 수 있다.
도 3에는 저장 탱크(14) 내에 채워진 UWS(22)의 농도를 측정하는, SCR 촉매 컨버터 시스템(1) 내에 배치된 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100)이 도시되어 있다.
이러한 방법(100)은 마찬가지로 초음파 측정 섹션의 배포를 위해 사용된다.
이러한 방법(100)에서는 농도의 측정을 위해 초음파원으로부터 생성된 초음파 신호가 초음파 측정 섹션(26)을 통해 송신되고, 초음파 트랜스듀서(24)에 의해 검출된 음파 전파 시간으로부터 UWS(22)의 농도가 산출된다. 또한, 초음파 센서가 적절하게 기능할 때, 초음파 센서에 의해 측정되는 신호 진폭이 사전 결정된 진폭 범위 내에 있도록 초음파 신호를 제어하는 초음파 신호 제어부가 제공된다.
방법(100)의 제1 단계(110)에서는 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사를 위해, 초음파 신호 제어부의 제어 변수뿐만 아니라 SCR 촉매 컨버터 시스템의 측정 변수들도 사용된다. 이 경우 사용되는 SCR 촉매 컨버터 시스템의 측정 변수들은 초음파 신호 제어부의 제어 변수의 변화도 또는 평균 제어 변수, UWS의 온도, 주변 온도, 배기 가스 라인 내에서 측정된 온도, 주변의 기압, 그리고 예를 들어 미도시된 충전 레벨 센서에 의해 측정될 수 있는 저장 탱크(14) 내 UWS의 충전 레벨 및 시간 함수로서의 차량의 GPS 좌표에 대한 기록과 같은, 차량 이동을 위한 데이터 및 재공급 이벤트의 시점 및 재충전량이다. 제어 변수의 변화도 또는 평균 제어 변수는 제어부의 주파수 응답의 통과 대역에 상응한다.
농도 센서에서는 초음파 전송 섹션이 대체로 일정하므로, 수신된 신호 진폭을 사전 결정된 진폭 범위로 제어하는 제어부의 제어 개입은 센서 측정 섹션의 변화를 나타낸다. 따라서, 방법(100)은 음파 전송에 대한 제어 개입의 변화로부터 센서 측정값의 신뢰도를 도출한다.
특히, 방법(100)의 장점은 센서 신호의 타당성 검사를 위한 제어부의 제어 변수가 사용될 뿐만 아니라 마찬가지로 SCR 촉매 컨버터 시스템의 추가 측정 변수들도 사용된다는 점이다. SCR 촉매 컨버터 시스템의 추가 측정 변수들에 의한 제어 변수의 상관 평가를 통해서, 센서(20)의 신뢰도는 이러한 2가지 인자들 중 하나의 인자만 고려하는 선행 기술의 공지된 방법보다 훨씬 더 양호하게 판단될 수 있다.
방법(100)의 제2 단계(120)에서는 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사로 인해 농도 센서(20)가 적절하게 기능하지 않는다는 사실이 밝혀진 경우, 센서 배포가 허용되지 않는다.

Claims (7)

  1. SCR 촉매 컨버터 시스템(1) 내에 배치된 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100)이며, 농도 센서(20)는 탱크(14) 내에 위치한 UWS(22)의 농도를 측정하도록 구성되고; 농도의 측정을 위해서, 초음파원(24)으로부터 생성된 초음파 신호가 사전 결정된 섹션(26)을 통해 송신되고, 초음파 센서에 의해 검출된 음파 전파 시간으로부터 UWS(22)의 농도가 산출되며; 초음파 센서가 적절하게 기능할 때, 초음파 센서에 의해 측정되는 신호 진폭이 사전 결정된 진폭 범위 내에 있도록 초음파 신호를 제어하는 초음파 신호 제어부가 제공되는; 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법에 있어서,
    농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위해서, 초음파 신호 제어부의 하나 이상의 제어 변수가 사용되는(110) 것을 특징으로 하는, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100).
  2. 제1항에 있어서, 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사를 위해서, SCR 촉매 컨버터 시스템(1)의 하나 이상의 측정 변수가 추가로 사용되는(110) 것을 특징으로 하는, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 농도 센서(20)의 센서 신호의 타당성 검사로 인해 농도 센서(20)가 적절하게 기능하지 않는다는 사실이 밝혀진 경우, 농도 센서의 배포가 허용되지 않는(120) 것을 특징으로 하는, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, SCR 촉매 컨버터 시스템(1)의 하나 이상의 측정 변수는 하나의 리스트의 하나 이상의 요소를 포함하고, 상기 리스트는 초음파 신호 제어부의 제어 변수의 변화도 또는 평균 제어 변수, 온도, 기압, 한번 이상의 재공급 이벤트, 차량 이동, 및 탱크(14) 내 UWS(22)의 충전 레벨, 그리고 상기 변수들의 시간적인 변화를 포함하는 것을 특징으로 하는, 농도 센서의 센서 신호의 타당성 검사를 위한 방법(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법(100)의 각각의 단계를 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램.
  6. 제5항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된 기계 판독 가능한 저장 매체.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법(100)의 각각의 단계를 실행하도록 구성된 전자 제어 장치(19).
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