KR20200029490A - 엔진의 scr 요소 주입 시스템용 주입량 제어 방법 및 장치 - Google Patents

엔진의 scr 요소 주입 시스템용 주입량 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

엔진의 SCR 요소 주입 시스템용 주입량 제어 방법 및 장치 이 방법은: 주입된 요소 수용액의 양 및 소비된 암모니아의 양을 기초로, 암모니아 부하량 모델을 사용하는 것에 의해 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하는 단계; 목표 암모니아 부하량 및 현재 암모니아 부하량에 따라 제1 요소 주입량을 획득하는 단계; SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수와, SCR 반응기의 상류의 질소 산화물 화합물 농도와, 현재 암모니아 부하량을 기초로 SCR 효율 모델을 사용하는 것에 의해 제2 요소 주입량을 산출하는 단계; 제1 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계; 및 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계를 기초로 SCR 반응기로의 주입을 위한 목표 요소 주입량을 획득하는 단계를 포함한다. 이 방법은 SCR 반응기로 주입되는 요소의 양을 정확하게 제어하며, 이에 따라, 엔진 배기 및 SCR 반응기 내에서의 요소 결정화의 발생을 방지한다.

Description

엔진의 SCR 요소 주입 시스템용 주입량 제어 방법 및 장치
본 출원은 전반적으로 엔진의 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 엔진의 선택적 촉매 환원(SCR) 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원(SCR)은 자동차 배기 가스 배출물 내의 NOx에 대한 처리 공정으로, 그 처리 공정에서는 환원제, 암모니아 또는 요소가 주입되어 촉매의 작용하에서 배기 가스내의 NOx가 N2 및 H2O로 환원된다. 본 기술은 또한 배기 가스 후처리에 광범위하게 사용되는데; 연료 분사 및 연소 공정을 최적화하는 것에 의해, 파티클(PM)의 생성이 가급적 엔진 내에서 제어되고, 부산소(oxygen-rich) 상태에서 형성된 질소 산화물이 엔진의 외부에서 순차적으로 처리되어, 즉, 질소 산화물(NOx)을 SCR에 적용하는 데에 차량용 요소(urea)가 사용되어(차량용 요소는 특정 온도에서 분해되어 암모니아를 생성한다), 에너지 절약 및 배출물 저감의 목적을 달성한다.
SCR 시스템의 기본적인 작동 원리는 아래와 같다: 배기 가스는 터빈에서 배출된 후 배기 가스 혼합 파이프로 유입되는데, 배기 가스 혼합 파이프에는 요소 수용액을 주입하는 요소 계량 주입 장치가 장착되고; 고온에서 요소에 대해 가수분해 및 열분해 반응이 수행되어 SCR 시스템의 촉매의 표면 상에서 NOx를 환원하는 데에 사용되는 NH3를 생성하며; N2 가 배출되고 잉여의 NH3가 또한 N2로 환원되어, 누출을 방지한다.
SCR 시스템에서 이루어지는 복합적인 물리 및 화학 반응은 전반적으로: 요소 수용액의 주입, 무화(atomization) 및 증발, 요소의 가수분해 및 열분해 가스-상 화학 반응, 촉매 표면 상의 NH3와의 NOx의 표면 촉매 화학 반응을 포함한다.
일반적으로, SCR 시스템에서 사용되는 액체 요소 수용액의 양이 매우 많다. 일반적으로, 100L의 연료가 소비되는 것과 동시에 5L의 액체 요소 수용액이 소비된다. 요소 주입량이 많으면, 스프레이가 배기 가스 흐름을 통과하고 배기 파이프 벽면과 충돌하여 액체막으로서 축적될 것이다. 200°C ~ 300°C인 엔진의 정상적인 작동 배기 온도 영역의 범위 내에서, 축적된 요소 용액은 매우 용이하게 반응하여 물-불용성 고체 물질을 생성하며, 요소 결정화 현상이 발생한다.
아래의 간략한 소개는 간단한 용어로 일부 선택된 개념을 소개할 목적으로 제공되며; 이러한 개념은 후속하는 상세한 설명에서 더 설명될 것이다. 간단한 소개는 보호가 청구될 요지의 핵심 특징 또는 필요한 특징을 강조하고자 하는 것이 아니며, 보호가 청구될 요지의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 출원의 일 양태에 따르면, 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법이 제공되며, 이 방법은 암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하는 단계; 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계; SCR 효율 모델을 사용하여 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수와, SCR 반응기의 상류의 질소-산소 화합물 농도와, 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하는 단계; 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계; 및 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 목표 주입량을 획득하는 단계를 포함한다.
본 출원의 다른 양태에 따르면, 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치가 제공되며, 이 장치는 암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하는 암모니아 부하량 산출 유닛; 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 제1 요소 주입량 획득 유닛; SCR 효율 모델을 사용하여 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수와, SCR 반응기의 상류에서의 질소-산소 화합물 농도와, 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하는 제2 요소 주입량 획득 유닛; 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 조합 유닛; 및 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 목표 주입량을 획득하는 목표 주입량 획득 유닛을 포함한다.
본 출원의 다른 양태에 따르면, 산출 시스템이 제공되며, 산출 시스템은: 하나 이상의 프로세서; 및 실행되면 하나 이상의 프로세서가 상술한 바와 같은 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법을 실행하도록 하는 산출 시스템 실행 가능 명령을 저장하는 메모리를 포함한다.
본 출원의 다른 양태에 따르면, 고정형(non-transitory) 기계-판독 가능 저장 매체가 제공되며, 이 매체는, 실행될 때 기계가 상술한 바와 같은 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법을 실행하도록 하는 실행 가능 명령을 저장한다.
엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 본 출원에 따른 방법을 사용하여, 암모니아 부하 모델 및 SCR 효율 모델을 기초로 제1 및 제2 요소 주입량을 획득하는 것에 의해, 그리고, 조합된 제1 및 제2 요소 주입량 및 요소 결정화에 상응하는 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기의 목표 요소 주입량을 획득하는 것에 의해, SCR 반응기로 주입된 요소의 양이 정밀하게 제어될 수 있으며, 이에 따라, 엔진 배기 파이프 라인 및 SCR 반응기에서의 요소 결정화의 발생을 방지한다.
아래의 첨부된 도면을 참조하면, 본원에 개시된 내용의 구성 및 장점을 더 이해할 수 있을 것이다. 도면에서, 유사한 구성 요소 또는 특징은 동일한 참조 부호를 가질 수 있다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법의 일 예의 순서도를 도시한다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치의 일 예의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법의 다른 예의 순서도를 도시한다.
도 4는 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치의 다른 예의 블록도를 도시한다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 산출 시스템의 블록도를 도시한다.
도 6은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치를 갖는 요소 주입 시스템을 도시한다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치를 갖는 SCR 시스템을 도시한다.
본원에 설명된 요지가 이제 예시적인 실시예를 참조하여 설명된다. 이러한 실시예는 당업자가 본원에 설명된 요지를 더 잘 이해하고 구현할 수 있도록 하기 위해서만 설명되며 청구범위, 적합성 또는 실시예에서 설명된 보호 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 설명된 요소의 기능 및 배치는 본 개시 내용의 보호 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있다. 다양한 예에서, 필요에 따라, 다양한 공정 또는 부품이 생략, 교체 또는 추가될 수 있다. 예를 들면, 설명된 방법은 설명된 순서와 상이한 순서로 실행될 수 있으며, 다양한 단계가 추가, 생략 또는 조합될 수 있다. 또한, 일부 예와 연관되어 설명된 특징은 다른 예에서도 조합될 수 있다.
본원에서 사용되는 "포함한다"라는 용어 및 그 변형 형태는 "포함하지만 이에 한정되지 않음"이라는 의미를 갖는 개방적인 용어를 의미한다. "기초로"라는 용어는 "적어도 부분적으로 기초로"를 의미한다. "일 실시예"및 "실시예"라는 용어는 "적어도 하나의 실시예"를 의미한다. "다른 실시예"라는 용어는 "적어도 하나의 다른 실시예"를 의미한다. "제1", "제2" 등의 용어는 상이하거나 동일한 객체를 나타낼 수 있다. 다른 정의, 명시 또는 암시가 아래에 포함될 수 있다. 문맥에서 명확하게 명시되지 않는다면, 하나의 용어의 정의는 설명 전체에서 일관성을 갖는다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 방법의 일 예의 순서도를 도시한다. 이 방법은 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 장치(이하에서, 제어 장치로 약칭됨)에 의해 실행될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 박스 S100에서, 제어 장치는 암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출한다. 여기에서, 주입된 요소 수용액량은 요소 노즐을 통하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량이며, 요소 노즐에 배치된 센서에 의해 검출될 수 있고 제어 장치로 전송될 수 있다. 예를 들면, 주입된 요소 수용액량은 전자적으로 제어되는 요소 노즐 활성화 시간, 주입 압력, 노즐 특징 및 표준 요소 용액 내의 요소의 농도를 사용하여 산출될 수 있다. 상술한 바와 같이 요소 수용액량이 획득된 이후, 배기 가스 온도에 의한 열분해 반응이 주입된 요소 수용액을 열분해하는 데에 사용되어, 주입된 암모니아량을 획득한다. 주입된 요소 수용액량 및 요소 및 암모니아의 화학 계수와 같은 파라미터를 기초로 암모니아량이 산출된다. SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량은 촉매 환원 반응에서 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량이며, SCR 반응기의 전방 및 후방에 배치된 NOx 센서에 의해 검출된 질소-산소 화합물 농도 및 SCR 환원 반응에서의 질소 산화물 및 암모니아의 화학 계수를 사용하여 산출될 수 있고, 제어 장치로 전송될 수 있다. 이 센서는 당업계에서 잘 알려진 임의의 유형의 가스 센서, 예를 들면, BOSCH에서 제조된 NOx 센서로서 구현될 수 있다. 암모니아량의 단위는 예를 들면 mg/s와 일반적으로 등가이다. 암모니아 부하량 모델은 미리 설정된 모델일 수 있으며; 그 입력은 일반적으로 주입된 암모니아량 및 소비된 암모니아량을 포함하고, 그 출력은 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량이다. 일반적으로, 암모니아 부하량 모델은 다수의 실험을 통해 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출한 이후, 박스 S200에서, 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량이 획득된다. 여기에서, 목표 암모니아 부하량은 미리 설정될 수 있고, 실험값 또는 경험값일 수 있다. 목표 암모니아 부하량은 촉매 온도 및 배기 가스 질량 유량에 의해 결정된다. 본 출원의 일 예에서, 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계는: 목표 암모니아 부하량 및 현재 암모니아 부하량 사이의 차이를 산출하는 단계; 및 산출된 차이를 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 요소 주입량은 암모니아 부하에 상응하는 요소 주입량이다. 본 출원의 다른 예에서, 목표 암모니아 부하량 역치 값 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계는 다른 적합한 방식으로도 실현될 수 있다.
다음으로, 박스 S300에서, 제어 장치는 SCR 효율 모델을 사용하여 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화(aging) 계수, SCR 반응기 상류의 질소-산소 화합물 농도, 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출한다. 마찬가지로, SCR 반응기 내의 촉매 온도 및 배기 가스 질량 유량 및 질소-산소 화합물 농도는 SCR 반응기 내에 배치된 온도 센서 및 유량 센서와, SCR 반응기의 상류에 위치된 질소-산소 화합물 농도 센서에 의해 검출될 수 있으며, 제어 장치로 전송될 수 있다. 본원에서 "노화 계수"라는 용어는 마일리지가 0 km일 때의 최대 변환 효율에 대한 차량이 특정 마일리지를 주행한 이후의 SCR 반응기의 최대 변환 효율의 비율을 지칭한다. 이는 차량이 주행한 총 마일리지의 함수인데; 일반적으로, 주행 마일리지가 클수록, 계수가 작아지고, 그 범위는 0 ~ 1이다. 노화 계수는 미리 설정될 수 있거나, 환경 파라미터에 의해 실시간으로 설정될 수 있다.
여기서, 암모니아 부하량 모델과 유사하게, SCR 효율 모델은 미리 설정된 모델 일 수 있으며; 그 입력은 일반적으로 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수, SCR 반응기 상류의 질소-산소 화합물 농도, 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 포함하며, 그 출력은 SCR 효율에 상응하는 요소 주입량이다. 일반적으로, SCR 효율 모델은 다수의 실험을 통하여 구성될 수 있다.
그런 다음, 박스 S400에서, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량이 조합되어 조합된 요소 주입량을 획득한다. 여기에서, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하는 목적은 2개의 인자, 즉, 암모니아 부하 및 SCR 효율을 종합적으로 고려하여 획득된 요소 주입량을 보다 정밀하게 하는 것이다. 본 출원의 일 예에서, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계는, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 합산하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 예에서, 조합은 또한 다른 적합한 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들면, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량 각각에 대한 가중 인자를 설정한 다음, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량의 가중 합산을 수행하는 단계를 수행할 수 있다. 대안적으로, 다른 적합한 기능 형태가 또한 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하는 데에 사용될 수 있다.
다음으로, 박스 S500에서, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로, SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량, 즉, SCR 요소 주입 시스템의 요소 주입량이 획득된다. 여기에서, 요소 주입량 한계값은 요소 결정화 현상에 상응하는 값인데; SCR 반응기로 주입된 요소의 등가의 량이 요소 주입량 한계값 이하이면, SCR 반응기에서는 결정화 현상이 발생하지 않을 것이다. 본 출원의 일 예에서, 요소 주입량은 미리 설정될 수 있거나, SCR 반응기 내의 촉매 온도 및 SCR 반응기 내의 배기 가스 질량 유량을 기초로 획득될 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에서, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량을 획득하는 단계는, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값 중 보다 작은 값을 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량으로서 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 본 출원의 다른 예에서, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량을 획득하는 데에 다른 적합한 기능 형태도 사용될 수 있다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 장치(이하, 제어 장치(10)로 약칭됨)의 일 예의 블록도를 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어 장치(10)는 암모니아 부하량 산출 유닛(110), 제1 요소 주입량 획득 유닛(120), 제2 요소 주입량 획득 유닛(130), 조합 유닛(140) 및 목표 주입량 획득 유닛(150)을 포함한다.
암모니아 부하량 산출 유닛(110)은 암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하도록 구성된다. 주입된 요소 수용액량은 요소 노즐을 통하여 SCR 반응기로 주입되는 요소 수용액량이며, 요소 노즐에 배치되는 센서에 의해 검출될 수 있으며 제어 장치로 전송될 수 있다. 예를 들면, 주입된 요소 수용액량은 전자적으로 제어되는 요소 노즐 활성화 시간, 주입 압력, 노즐 특징 및 표준 요소 용액 내의 요소의 농도를 사용하여 산출될 수 있다. 상술한 바와 같이 요소 수용액량이 획득된 이후, 배기 가스 온도에 의한 열분해 반응이 주입된 요소 수용액을 열분해하는 데에 사용되어, 주입된 암모니아량을 획득한다. 주입된 요소 수용액량 및 요소 및 암모니아의 화학 계수와 같은 파라미터를 기초로 암모니아량이 산출된다. SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량은 촉매 환원 반응에서 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량이며, SCR 반응기의 전방 및 후방에 배치된 NOx 센서에 의해 검출된 질소-산소 화합물 농도 및 SCR 환원 반응에서의 질소 산화물 및 암모니아의 화학 계수를 사용하여 산출될 수 있고, 제어 장치로 전송될 수 있다. 이 센서는 당업계에서 잘 알려진 임의의 유형의 가스 센서, 예를 들면, BOSCH에서 제조된 NOx 센서로서 구현될 수 있다. 암모니아량의 단위는 예를 들면 mg/s와 일반적으로 등가이다. 암모니아 부하량 모델은 미리 설정된 모델일 수 있으며; 그 입력은 일반적으로 주입된 암모니아량 및 소비된 암모니아량을 포함하고, 그 출력은 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량이다. 일반적으로, 암모니아 부하량 모델은 다수의 실험을 통해 구성될 수 있다.
제1 요소 주입량 획득 유닛(120)은 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하도록 구성된다. 여기에서, 목표 암모니아 부하량 역치 값은 미리 설정될 수 있고, 실험값 또는 경험값일 수 있다. 목표 암모니아 부하량은 촉매 온도 및 배기 가스 질량 유량에 의해 결정된다. 본 출원의 일 예에서, 제1 요소 주입량 획득 유닛(120)은 목표 암모니아 부하량 및 현재 암모니아 부하량 사이의 차이를 산출하는 차이 산출 모듈(미도시); 및 산출된 차이를 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 제1 요소 주입량 획득 모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 요소 주입량은 암모니아 부하에 상응하는 요소 주입량이다. 본 출원의 다른 예에서, 제1 요소 주입량 획득 유닛(120)은 다른 적합한 방식으로도 실현될 수 있다.
제2 요소 주입량 획득 유닛(130)은 SCR 효율 모델을 사용하여 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수, SCR 반응기의 상류에서의 질소-산소 화합물 농도, 및 산출된 요구 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하도록 구성된다. 마찬가지로, SCR 반응기에서의 촉매 온도 및 배기 가스 질량 유량과, 질소-산소 화합물 농도는 SCR 반응기 내에 배치된 온도 센서 및 유량 센서와, SCR 반응기의 상류에 배치된 농도 센서에 의해 검출될 수 있고, 제어 장치로 전송될 수 있다. 노화 계수는 미리 설정될 수 있거나, 환경 파라미터에 의해 실시간으로 설정될 수 있다.
여기서, 암모니아 부하량 모델과 유사하게, SCR 효율 모델은 미리 설정된 모델 일 수 있으며; 그 입력은 일반적으로 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수, SCR 반응기 상류의 질소-산소 화합물 농도, 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 포함하며, 그 출력은 SCR 효율에 상응하는 요소 주입량이다. 일반적으로, SCR 효율 모델은 다수의 실험을 통하여 구성될 수 있다.
조합 유닛(140)은 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하도록 구성된다. 본 출원의 일 예에서, 조합 유닛(140)은 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 합산하도록 구성된다. 본 발명의 다른 예에서, 조합 유닛(140)은 또한 다른 적합한 방식으로 조합을 수행하며, 예를 들면, 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량 각각에 대한 가중 인자를 설정한 다음, 제1 및 제2 요소 주입량의 가중 합산을 수행한다. 대안적으로, 조합 유닛(140)은 또한 제1 및 제2 요소 주입량을 조합하는 데에 다른 적합한 기능 형태를 사용할 수 있다.
목표 주입량 획득 유닛(150)은, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로, SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량, 즉, SCR 요소 주입 시스템의 요소 주입량을 획득하도록 구성된다. 여기에서, 요소 주입량 한계값은 요소 결정화 현상에 상응하는 값인데; SCR 반응기로 주입된 요소의 등가의 량이 요소 주입량 한계값 이하이면, SCR 반응기에서는 결정화 현상이 발생하지 않을 것이다. 본 출원의 일 예에서, 요소 주입량은 미리 설정될 수 있거나, SCR 반응기 내의 촉매 온도 및 SCR 반응기 내의 배기 가스 질량 유량을 기초로 획득될 수 있다.
또한, 본 출원의 일 예에서, 목표 주입량 획득 유닛(150)은 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값 중 보다 작은 값을 SCR 반응기로 주입되는 요소의 목표 주입량으로서 사용하도록 구성된다. 본 출원의 다른 예에서, 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량을 획득하는 데에 다른 적합한 기능 형태도 사용될 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 방법 및 장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 상술하였으며; 상술한 방법 및 장치를 사용하여, 암모니아 부하 모델 및 SCR 효율 모델을 기초로 제1 및 제2 요소 주입량을 획득하는 것에 의해, 그리고 요소 결정화에 상응하는 조합된 제1 및 제2 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기의 목표 요소 주입량을 획득하는 것에 의해, SCR 반응기로 주입된 요소의 양이 정밀하게 제어될 수 있으며, 이에 따라, 엔진 배기 파이프 라인 및 SCR 반응기 내에서의 요소 결정화의 발생을 방지한다.
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 방법의 다른 예의 순서도를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예의 개선이다. 도 1에 도시된 순서도와 비교하면, 도 3에서, 박스 S350가 박스 S400 이전에 더 포함되며, 박스 S400는 이에 맞게 수정된다. 설명을 간결하게 하기 위해, 차이점만 아래에서 설명한다.
박스 S350에서, 질소-산소 화합물 목표 농도 값 및 SCR 반응기의 하류에서 측정된 질소-산소 화합물 농도 측정 값을 기초로 제3 요소 주입량이 획득된다. 예를 들면, 질소-산소 화합물 농도 측정 값이 질소-산소 화합물 목표 농도 값보다 크면, 양의 제3 주입량이 출력되며, 이에 따라, 총 주입량을 증가시켜 질소 산화물의 배출 레벨을 더 줄인다. 질소-산소 화합물 농도 측정 값이 질소-산소 화합물 목표 농도 값보다 크지 않으면, 음의 제3 주입량이 출력된다. 여기에서, 질소-산소 화합물 목표 농도 값은 미리 설정된 실험값일 수 있지만, 또한 사양 값, 예를 들면, 경량 차량 배출물에 대한 법규 GB18352.6-2016에 정의된 NOx 배출 사양 값일 수 있다. 질소-산소 화합물 농도 측정 값은 SCR 반응기의 하류에 배치되는 농도 센서에 의해 검출되는데, 즉, 요소 주입을 거친 SCR 반응기 출력 가스가 질소-산소 화합물 농도 측정의 대상이 된다.
그런 다음, 박스 S400'에서, 제1 요소 주입량, 제2 요소 주입량 및 제3 요소 주입량이 조합되어 조합된 요소 주입량을 획득한다.
상술한 개선된 해결 수단을 사용하여, 요소 주입을 거친 SCR 반응기 출력 가스 내의 질소-산소 화합물 농도를 측정한 이후, 이 농도가 특정된 질소-산소 화합물 목표 농도 값과 비교되고, 비교 결과를 기초로 요소 주입량 피드백이 발생되며; 그런 다음, 이러한 피드백은 제어 절차로 되돌아가 요소 주입량을 조절한다. 피드백은 양의 피드백 또는 음의 피드백일 수 있다. 이에 따라, 요소 주입량의 제어가 보다 정밀하게 이루어질 수 있다.
도 4는 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 장치(이하에서는, 제어 장치(10')라 한다)의 다른 예의 블록도를 도시한다. 마찬가지로, 제어 장치(10')는 도 2의 제어 장치(10)에 대한 개선이다. 도 2의 제어 장치(10)와 비교하면, 제어 장치(10')는 제3 요소 주입량 획득 유닛(135)을 더 포함한다.
제3 요소 주입량 획득 유닛(135)은 질소-산소 화합물 목표 농도 값 및 SCR 반응기의 하류에서 측정된 질소-산소 화합물 농도 측정 값을 기초로 제3 요소 주입량을 획득하도록 구성된다. 여기에서, 질소-산소 화합물 목표 농도 값은 미리 설정된 실험값일 수 있지만, 또한 사양 값, 예를 들면, 경량 차량 배출물에 대한 법규 GB18352.6-2016에 정의된 NOx 배출 사양 값일 수 있다. 질소-산소 화합물 농도 측정 값은 SCR 반응기의 하류에 배치되는 농도 센서에 의해 검출되는데, 즉, 요소 주입을 거친 SCR 반응기 출력 가스가 질소-산소 화합물 농도 측정의 대상이 된다.
그런 다음, 조합 유닛(140)은 제1 요소 주입량, 제2 요소 주입량 및 제3 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하도록 구성된다.
도 5는 본 요지의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 산출 시스템(200)의 블록도를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 산출 시스템(200)은 산출 시스템 판독 가능 저장 매체(즉, 메모리(202))에 저장되거나 부호화된 하나 이상의 산출 시스템 판독 가능 명령(즉, 소프트웨어 형태로 실현되는 상술한 요소)을 실행하는 하나 이상의 프로세서(201)를 포함할 수 있다. 산출 시스템(20)은, 디스플레이와 같은 출력 장치(203)와, 키보드, 마우스 또는 터치 스크린과 같은 입력 장치(204)를 포함할 수 있다. 산출 시스템(200)은 도 2에 도시된 로봇(210, 220) 등의 다른 장치와 통신하는 통신 인터페이스(205)를 포함할 수 있다.
일 예에서, 산출 시스템 실행 가능 명령은 메모리(202)에 저장되며, 실행되면, 하나 이상의 프로세서(201)가 암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 암모니아량 및 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하도록 하고; 목표 암모니아 부하량 및 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하도록 하고; SCR 효율 모델을 사용하여 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량, 질소-산소 화합물 농도 및 노화 계수와, 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하도록 하고; 제1 요소 주입량 및 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하도록 하며; 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량을 획득하도록 한다.
메모리(202)에 저장된 산출 시스템 실행 가능 명령은, 실행되면, 하나 이상의 프로세서(201)가 본 출원의 다양한 실시예에서 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술한 다양한 작동 및 기능을 수행하도록 하는 것으로 이해되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 고정형(non-transitory) 기계-판독 가능 매체와 같은 프로그램 제품이 구비된다. 고정형 기계-판독 가능 매체는, 기계에 의해 실행되면, 기계가 본 출원의 다양한 실시예에서 도 1 내지 도 4를 참조로 상술한 다양한 작동 및 기능을 실행하게 하는 명령을 가질 수 있다(즉, 상술한 요소는 소프트웨어 형태로 실현됨).
또한, 본 출원은, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 주입량을 제어하는 장치를 갖는 요소 주입 시스템을 더 제공한다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치를 갖는 SCR 시스템을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, SCR 시스템은 제어 장치(10), 요소 노즐(20), 요소 펌프(30), 요소 저장 장치(40) 및 SCR 반응기(50)를 포함한다.
요소 저장 장치(40)는 요소 수용액을 저장하는 데에 사용된다. 요소 펌프(30)는 파이프 라인에 의해 요소 저장 장치(40) 및 요소 노즐(20)에 연결되며, 요소 저장 장치(40)로부터 요소 수용액을 펌핑하고, 펌핑된 요소 수용액을 요소 노즐(20)로 이송하여 요소 노즐(20)이 요소 수용액을 SCR 반응기(50)로 주입하도록 하는 데에 사용된다.
제어 장치(10)는 요소 노즐(20)에 연결되며, 요소 노즐에 의해 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 양을 제어하는 데에 사용된다. 제어 장치(10)의 주입량 제어 공정은 도 1 및 도 3을 참조로 상술한 바와 같다.
또한, SCR 시스템은 온도 센서, 유량 센서 및 하나 이상의 질소-산소 화합물 센서(이 부품은 도 7에 도시되지 않음)를 더 포함한다. 온도 센서는 SCR 반응기 내에 배치될 수 있지만, SCR 반응기의 상류 또는 하류에 배치될 수도 있고, SCR 반응기 내의 촉매 온도를 감지하는 데에 사용된다. 유량 센서는 SCR 반응기 내에 배치되며, SCR 반응기 내의 배기 가스 질량 유량을 감지하는 데에 사용된다. 하나 이상의 질소-산소 화합물 센서는 SCR 반응기의 상류에 배치되는 질소-산소 화합물 센서를 포함할 수 있으며, 이 센서는 SCR 반응기의 상류의 질소-산소 화합물 농도를 감지하는 데에 사용된다. 또한, 바람직하게는, 하나 이상의 질소-산소 화합물 센서는 SCR 반응기의 하류에 배치되는 질소-산소 화합물 센서를 더 포함할 수 있으며, 이 센서는 SCR 반응기의 하류의 질소-산소 화합물 농도, 즉, SCR 반응기 내의 환원 처리 이후의 질소-산소 화합물 농도를 감지하는 데에 사용되며, 이 농도는 제어 장치로 피드백을 제공하는 데에 사용된다. 여기에서, 제어 장치(10), 요소 노즐(20), 요소 펌프(30) 및 요소 저장 장치(40)는 요소 주입 시스템의 부품으로서 요소 주입 시스템에 포함될 수 있다.
또한, 요소 주입 시스템에 배치되는 것 외에, 자동차의 전자 제어 유닛(ECU)에도 제어 장치가 배치될 수 있다는 것이 설명되어야 한다. 제어 장치는 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 실현될 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 상술한 특정 실시예는 예시적인 실시예를 설명하지만, 청구범위의 보호 범위 내에 속하거나 구현 가능한 실시예 모두를 나타내는 것은 아니다. 본 설명 전체에서 사용되는 "예시적"이라는 용어는 "예, 실제 예 또는 예시로서 사용됨"을 의미하고, 다른 실시예들과 비교하여 "바람직한 것" 또는 "장점을 갖는 것"을 의미하지는 않는다. 설명된 기술의 이해를 제공하기 위해, 특정 실시예는 특정 세부 사항을 포함한다. 그러나 이러한 기술은 이러한 특정 세부 사항 없이 구현될 수 있다. 일부 실제 예에서, 설명된 실시예의 개념을 이해하는데 있어서 어려움을 야기하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조 및 장치가 블록도의 형태로 도시된다.
본원에 개시된 내용의 상술한 설명은 당업자가 본원에 개시된 내용을 실현하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 당업자에게, 본원에 개시된 내용에 대해 다양한 수정이 명백하게 이루어지며, 본원에 정의된 일반적인 원리는 본원에 개시된 내용의 보호 범위를 벗어나지 않고 다른 변형예에 적용될 수 있다. 그러므로, 본원에 개시된 내용은 본원에 설명된 예 및 디자인에 제한되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규한 특징에 부합하는 가장 넓은 범위와 일치한다.

Claims (16)

  1. 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 방법으로서,
    암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 상기 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 상기 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하는 단계;
    목표 암모니아 부하량 및 상기 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계;
    SCR 효율 모델을 사용하여 상기 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수와, 상기 SCR 반응기의 상류의 질소-산소 화합물 농도와, 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하는 단계;
    상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계; 및
    상기 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 상기 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 목표 주입량을 획득하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요소 주입량 한계값은 상기 SCR 반응기 내의 상기 촉매 온도 및 상기 SCR 반응기 내의 상기 배기 가스 질량 유량을 기초로 미리 설정되거나 획득되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    목표 암모니아 부하량 및 상기 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 단계는:
    상기 목표 암모니아 부하량 및 상기 현재 암모니아 부하량 사이의 차이를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 차이를 기초로 상기 제1 요소 주입량을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계는 상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 합산하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 합산하는 단계는: 상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량의 가중 합산을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 상기 SCR 반응기로 주입되는 요소의 목표 주입량을 획득하는 단계는: 상기 조합된 요소 주입량 및 상기 요소 주입량 한계값 중 보다 작은 값을 상기 SCR 반응기로 주입된 요소의 목표 주입량으로서 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    질소-산소 화합물 목표 농도 값 및 상기 SCR 반응기의 하류에서 측정된 질소-산소 화합물 농도 측정 값을 기초로 제3 요소 주입량을 획득하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계는 상기 제1 요소 주입량, 상기 제2 요소 주입량 및 상기 제3 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 엔진의 SCR 요소 주입 시스템의 요소 수용액 주입량을 제어하는 장치로서,
    암모니아 부하량 모델을 사용하여 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액량 및 상기 SCR 반응기에 의해 소비된 암모니아량을 기초로 SCR 반응기 내의 현재 암모니아 부하량을 산출하는 암모니아 부하량 산출 유닛; 목표 암모니아 부하량 및 상기 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제1 요소 주입량을 획득하는 제1 요소 주입량 획득 유닛;
    SCR 효율 모델을 사용하여 상기 SCR 반응기 내의 촉매 온도, 배기 가스 질량 유량 및 노화 계수와, 상기 SCR 반응기의 상류에서의 질소-산소 화합물 농도와, 상기 산출된 현재 암모니아 부하량을 기초로 제2 요소 주입량을 산출하는 제2 요소 주입량 획득 유닛;
    상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하는 조합 유닛; 및
    상기 조합된 요소 주입량 및 요소 주입량 한계값을 기초로 상기 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 목표 주입량을 획득하는 목표 주입량 획득 유닛을 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 SCR 반응기내의 상기 촉매 온도 및 상기 SCR 반응기 내의 상기 배기 가스 질량 유량을 기초로 상기 요소 주입량 한계값을 획득하는 요소 주입량 한계값 획득 유닛을 더 포함하는, 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 요소 주입량 획득 유닛은:
    상기 목표 암모니아 부하량 및 상기 현재 암모니아 부하량의 차이를 산출하는 차이 산출 모듈; 및
    상기 산출된 차이를 기초로 상기 제1 요소 주입량을 획득하는 제1 요소 주입량 획득 모듈을 포함하는, 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 조합 유닛은 상기 제1 요소 주입량 및 상기 제2 요소 주입량을 합산하도록 구성되는, 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 목표 주입량 획득 유닛은 상기 조합된 요소 주입량 및 상기 요소 주입량 한계값 중 보다 작은 값을 상기 SCR 반응기로 주입된 요소 수용액의 주입량으로서 사용하도록 구성되는, 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    질소-산소 화합물 목표 농도 값 및 상기 SCR 반응기의 하류에서 측정된 질소-산소 화합물 농도 측정 값을 기초로 제3 요소 주입량을 획득하는 제3 요소 주입량 획득 유닛을 더 포함하고, 상기 조합 유닛은 상기 제1 요소 주입량, 상기 제2 요소 주입량 및 상기 제3 요소 주입량을 조합하여 조합된 요소 주입량을 획득하도록 구성되는, 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 장치는 요소 주입 시스템 또는 전자 제어 유닛에 배치되는, 장치.
  15. 하나 이상의 프로세서; 및
    실행되면 상기 하나 이상의 프로세서가 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구된 방법을 실행하도록 하는 산출 시스템 실행 가능 명령을 저장하는 메모리를 포함하는 산출 시스템.
  16. 실행되면 기계가 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구된 방법을 실행하도록 하는 실행 가능 명령을 저장하는 고정형(non-transitory) 기계-판독 가능 저장 매체.
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