KR20200035354A - 환원제의 품질을 검출하기 위한 방법 - Google Patents

환원제의 품질을 검출하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 음원, 음향 센서, 그리고 음원 및 음향 센서에 대해 규정된 거리를 두고 배치되어 있는 정지 물체(5)를 구비한 측정 시스템(3)을 이용해서, 연소 엔진용 SCR 시스템의 환원제 탱크(1) 내 환원제(2)의 품질을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 환원제(2)의 온도가 목표 농도를 갖는 환원제(2)의 빙점보다 높으면, 음원으로부터 음파(S)가 정지 물체(5)의 방향으로 송출되고, 정지 물체(5)는 상기 음파(S)를 음향 센서의 방향으로 반사파(R)로서 반사한다. 반사파(R)가 음향 센서에 의해 수신되지 않으면 오류가 추론된다. 오류가 추론되었고, 환원제 탱크(1)가 적어도 측정 시스템(3)이 커버될 정도까지 채워졌으며, 측정 시스템(3)에 오류가 없는 것으로서 검출되면, 환원제(2)의 농도가 목표 농도로부터 벗어나는 것으로 추론된다.

Description

환원제의 품질을 검출하기 위한 방법{METHOD FOR QUALITY DETECTION OF A REDUCING AGENT}
본 발명은, SCR 시스템의 환원제 탱크 내 환원제의 품질을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨팅 장치상에서 실행될 때 상기 방법의 각각의 단계를 실시하는 컴퓨터 프로그램 및 상기 컴퓨터 프로그램을 저장하는 기계 판독 가능 저장 매체에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은, 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된 전자 제어 장치에 관한 것이다.
오늘날 연소 엔진의 배기가스 후처리에서는, 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위해 SCR 방법(Selective Catalytic Reduction)이 사용된다. DE 103 46 220 A1호는 기본 원리를 기술하고 있다. 이 문헌에서는, 상업적으로 AdBlue®로도 알려진 32.5%의 요소수(AUS)가 배기가스 내로 계량 주입된다. 통상적으로 이를 위해, AUS를 SCR 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 흐름 내로 계량 주입하기 위하여, 계량공급 모듈을 갖는 계량 시스템이 제공된다. AUS로부터 암모니아가 분리되고, 이어서 암모니아가 SCR 촉매 컨버터의 반응성 표면에 결합된다. 그곳에서 암모니아가 질소 산화물과 결합하고, 그로부터 물과 질소가 생성된다. AUS는, 이송 펌프를 갖는 이송 모듈에 의해서 환원제 탱크로부터 압력 라인을 통해 계량공급 모듈로 이송된다.
분리된 암모니아의 질량은, 계량 주입된 요소수의 질량에 의해서도, 그리고 환원제 또는 요소수의 품질로서도 지칭되는 요소수 내의 요소 농도에 의해서도 직접 좌우된다.
그렇기 때문에, AUS의 품질을 모니터링하는 것은 SCR 시스템의 작동과 관련이 있다. 요소의 농도 또는 환원제의 품질이 지나치게 낮으면, 더 적은 질소 산화물이 변환되어 SCR 촉매 컨버터의 효율이 저하된다. 요소의 농도가 지나치게 크거나 환원제의 품질이 지나치게 높으면, 변환된 암모니아가 질소 산화물과 반응하지 않고 SCR 촉매 컨버터를 통과하게 되며, 다시 말해 암모니아 슬립이 발생한다.
US 9,038,442 B2호는, 환원제의 품질 및 양을 결정하기 위한 시스템 및 방법을 기술한다. 품질을 결정하기 위해, 이 시스템은 변환기 및 변환기로부터 공지된 거리에 고정된 정지 물체를 구비한다. 변환기는, 음파를 수평 방향으로 정지 물체로 송출하고, 정지 물체로부터 반사파(에코)를 수신하도록 설계되어 있다. 또한, 환원제의 온도를 측정하는 온도 센서가 제공되어 있다. 품질의 결정은, 이제 음파 및 반사파 그리고 온도에 근거해서 제어 장치에 의해 수행된다. 변환기는 트랜스듀서라고도 불리며, 특수한 경우 초음파 트랜스듀서 또는 초음파 헤드로서 형성될 수 있다. 그에 따라, (측정-)변환기, (초음파-)트랜스듀서 및 초음파 헤드가 각각 초음파 소스이다.
하지만, 상기 방법은, 환원제가 액체 상태로 존재하는 것을 전제로 한다. 위에서 언급된 32.5% 요소수의 빙점이 대략 -11℃이므로, 실제로는 검사될 환원제가 동결되는 상황이 발생할 수 있다. 동결된 상태에서는 음파 투과성이 변함으로써, 반사파는 더 이상 변환기에 도달하지 않게 된다. 그렇기 때문에, 위에서 언급된 방법에 의해서는 품질이 검출될 수 없다.
반사파가 변환기에 도달하지 않는 경우, 오류가 송출된다. 하지만, 일반적으로는, 변환기가 반사파를 수신하지 않는 경우에 바로 환원제가 동결된 것으로 추론될 수 없고, 오히려 다른 오류 원인, 특히 비어 있는 환원제 탱크 또는 변환기의 결함이 고려되어야 한다. 환원제 탱크의 충전 레벨을 결정하고, 이로써 환원제 탱크가 비어 있는 경우도 검출하기 위한 충전 레벨 센서가 공지되어 있다. 그 외에, 변환기를 모니터링하기 위한 방법도 공지되어 있다.
연소 엔진용 SCR 시스템의 환원제 탱크 내 환원제의 품질을 검출하기 위한 방법이 제안된다. 음원, 음향 센서, 그리고 음원 및 음향 센서에 대해 규정된 거리를 두고 배치되어 있는 정지 물체를 구비한 측정 시스템이 제공된다. 바람직한 구성으로서 음원은 초음파 소스이다. 바람직하게, 음원 및 음향 센서는 하나의 유닛을 형성하고, 예를 들어 트랜스듀서라고도 불리는 측정 변환기로서 그리고 특별히 초음파 헤드로서 형성된다.
통상적으로는 액체 상태에서 환원제의 농도를 결정한다. 목표 농도에서 환원제의 빙점을 나타내는 온도 임계값이 제공된다. 이 경우, 목표 농도란, 사용된 환원제가 상기 농도를 갖는다고 가정되는 농도 및 또 다른 작동 모드에서, 예를 들어 계량공급 전략의 범주에서 출발하는 농도를 지칭한다. 즉, 온도 임계값은 사용된 환원제에 따라 선택되고, 예를 들어 표로부터 확인될 수 있거나 실험에 의해 미리 결정될 수 있다. 그에 따라, 온도 임계값의 정의에 따르면, 온도 임계값을 초과하는 온도에서 환원제가 액체 상태의 목표 농도로 존재한다고 가정될 수 있다. 대표적으로 사용되는 요소수의 빙점(-11℃)이 바람직한 온도 임계값으로서 사용된다. 온도는, 바람직하게 환원제 탱크 상에 또는 그 내부에 있는 온도 센서에 의해 측정된다.
온도가 목표 농도를 갖는 환원제의 빙점보다 높으면, 진단이 실시된다. 이 경우, 음파가 음원으로부터 정지 물체의 방향으로 송출된다. 그곳에서 정지 물체가 음향 센서의 방향으로 음파를 반사한다. 반사된 음파는 이하에서 "반사파"라고 지칭한다. 반사파가 음향 센서에 의해 수신되지 않으면, 오류가 추론된다. 일반적인 오류 원인으로는 측정 시스템의 오작동, 또는 음향 센서 및 정지 물체 그리고 그 사이에 있는 음향 경로(sound path), 즉, 측정 시스템이 커버되지 않는 환원제의 불충분한 충전 레벨이 언급될 수 있다.
오류가 추론되었다면, 나머지 오류 원인이 배제될 수 있는지의 여부가 검사된다. 이와 같은 오류 원인을 검출하기 위한 장치 및 방법은 이미 공지되어 있다. 이는 상세하게는, 환원제 탱크가 적어도 측정 시스템이 커버될 정도까지 환원제 용액으로 채워져 있다는 것, 다시 말해 음원 및 음향 센서 또는 측정 변환기뿐만 아니라 정지 물체 그리고 그 사이에 있는 음향 경로까지도 환원제에 의해 커버됨을 의미한다. 충전 레벨은 바람직하게 충전 레벨 센서에 의해 모니터링될 수 있다. 또한, 측정 시스템은 진단 방법을 이용하여 오류가 없는 것으로서, 다시 말하자면 음원 및 음향 센서 또는 측정 변환기가 작동 가능하고, 사용을 위해 올바르게 설정 및 조정되어 있으며, 정지 물체는 올바르게 정렬되어 있는 점이 확인된다. 진단에 따라, 사용 중에 또는 유지 보수 시 측정 시스템이 체크될 수 있다. 전술한 바와 같이, 온도는 온도 센서에 의해 측정되고, 온도 센서의 작동 가능성 및 교정도 마찬가지로 검사된다.
상기 방법에 따르면, 온도가 온도 임계값보다 높고, 오류가 추론되었지만 위에서 언급된 오류 원인들은 배제될 수 있는 경우에는, 환원제의 농도가 목표 농도로부터 벗어난 것으로 추론된다. 그 이유는, 다른 모든 오류 원인들이 배제될 수 있다면, 환원제의 투과 특성만이 그 오류의 원인일 수 있기 때문이다. 상기 투과 특성은, 환원제가 동결된 경우에 특히 심하게, 더 구체적으로는 음파가 더 이상 주어진 방식으로는 반사될 수 없고 그에 따라 반사파도 음향 센서에 의해 검출될 수 없을 정도로 강하게 변한다. 즉, 오류는 동결된 환원제에 의해 초래된다. 그러나 온도가 목표 농도에서 환원제의 빙점을 나타내는 온도 임계값보다 높기 때문에, 환원제는 환원제의 농도가 목표 농도로부터 벗어나는 경우에만 동결될 수 있다.
상기 방법을 통해, 동결된 상태에서도 환원제의 품질 검출이 가능하다.
일반적으로 환원제로서 요소수가 사용된다. 32.5%의 요소수의 빙점은 목표 농도에서 -11℃이다. 바람직하게는, 온도가 목표 농도에서 요소수의 상기 빙점보다 높다. 이로 인해 빈번하게 발생하는 경우로서, 환원제 탱크가 요소수 대신 물로 채워지는 경우가 검출될 수 있다. 왜냐하면, 추가로 주입된 물에 의해 요소수의 농도가 감소하고, 농도가 더 낮아지면서 빙점이 0℃로 변위되기 때문이다.
그에 따라, 수성 환원제에서 온도가 0℃ 미만인 경우에만 상기 방법이 실시되는 것이 바람직한데, 그 이유는 그보다 높은 빙점에 도달하지 않기 때문이다.
바람직하게, 상기 방법은 연소 엔진의 시동 직후에 곧바로 실시된다. 이 시점에는, 환원제를 해동시키기 위해 이용되는 추가의 가열 장치가 아직 완전하게 사용될 수 없다.
이미 언급한 충전 레벨 측정기는 일반적으로 동결 상태에서는 환원제의 충전 레벨을 측정할 수 없다. 바람직하게는, 이전에 충전 레벨 센서에 의해 측정되어 최종적으로 유효한 것으로서 저장된 충전 레벨이, 측정 시스템이 커버되었는지의 여부를 평가하기 위해 사용된다.
컴퓨터 프로그램은, 특히, 컴퓨터 또는 제어 장치에서 실행될 경우 각각의 방법 단계를 수행하도록 설계된다. 상기 컴퓨터 프로그램은, 종래의 전자 제어 장치에서 이 전자 제어 장치의 구조적 변경 없이도 방법을 구현할 수 있게 한다. 이를 위해 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능 저장 매체에 저장된다.
상기 컴퓨터 프로그램을 종래의 전자 제어 장치에 설치함으로써, 환원제의 품질 검출을 수행하도록 설계된 전자 제어 장치가 얻어진다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있으며, 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 수행될 수 있는 측정 시스템을 구비한 환원제 탱크의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 1은, 환원제(2)로 채워져 있는 연소 엔진의 도시되지 않은 SCR 시스템용 환원제 탱크(1)의 개략도를 보여준다. SCR용으로 바람직하게 사용되는 환원제(2)는 32.5%의 요소수이다. 환원제 탱크(1)의 바닥에는, 환원제(2)의 품질을 검출하기 위한 측정 시스템(3)이 배치되어 있다. 측정 시스템(3)은, 본 실시예에서 일체로 형성되어 있는 측정 변환기(4)와 정지 물체(5)를 구비한다. 본 실시예에서, 정지 물체(5)는 측정 변환기(4)에 대해 수평으로, 상기 측정 변환기로부터 사전 설정된 거리를 두고 배치되어 있다. 측정 변환기(4)는, 이 측정 변환기가 정지 물체(5)의 방향으로 송출하는 음파(S)의 음원으로서 이용된다. 정지 물체(5)는, 음파(S)가 반사되어 반사파(R)로서 측정 변환기(4)로 되돌아가도록 설계 및 배향되어 있다. 그와 동시에, 측정 변환기(4)는 반사파(R)를 수신하도록 설계되어 있으며, 이로써 음향 센서로서 이용된다. 측정 변환기(4)는, 전자 제어 장치(7)로의 인터페이스로서 이용되는 측정 시스템(3) 내부에서 인쇄 회로 기판(6) 상에 형성되어 있으며, 이 경우 전자 제어 장치(7)는 측정 변환기(4)를 제어하고, 수신된 신호를 취하여 처리한다. 인쇄 회로 기판(6) 상에는 추가로, 환원제(2)의 온도(T)를 측정하고 그 측정값을 전자 제어 장치(7)로 전달하는 온도 센서(8)가 제공되어 있다. 그밖에, 환원제 탱크(1) 내부에는 충전 레벨 측정기(9)가 배치되어 있다. 이 충전 레벨 측정기는, 환원제 탱크(1)가 얼마만큼 채워져 있는지, 다시 말해 환원제 탱크(1) 내에서 환원제(2)가 도달해 있는 높이를 검출한다. 충전 레벨은 전자 제어 장치(7)로 전송되고, 그곳에서 검증되어 저장된다.
도 2는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도를 보여준다. 이 방법은, 연소 엔진의 시동 직후에 실행되며, 질의 단계(10)에서 현재 측정된 환원제의 온도(T)가, 목표 농도에서 환원제(2)의 빙점을 나타내는 온도 임계값(TS)보다 높을 때 시작된다. 본 실시예에서는, 통상적으로 사용되는 32.5%의 요소수에 대해 가정되고 SCR을 위한 계량공급 전략에서 전제로 하는 농도를 목표 농도라고 지칭한다. 본 실시예에서, 온도 임계값(TS)은 -11℃인데, 그 이유는 이 온도가 32.5% 요소수의 빙점이기 때문이다. 온도(T)가 온도 임계값(TS) 미만이거나 온도 임계값에 상응하면, 방법은 종료되고(11), 환원제(2)의 품질은 이미 공지된 (여기서는 상세히 기술되지 않는) 다른 방법에 의해 결정될 수 있다. 그와 달리, 온도(T)가 온도 임계값(TS)보다 높은 경우에는, 32.5%의 요소수, 다시 말해 환원제(2)가 동결되지 않았고, 오히려 액체 상태로 존재한다는 사실로부터 출발할 수 있다. 또한, 요소수의 경우, 0℃를 초과하는 온도(T)에 대해서도 마찬가지로 본원 방법이 수행되지 않는 점이 제안되었는데, 그 이유는 이 경우에는 요소수가 모든 농도에서, 심지어 순수한 물에서도 동결되기 때문이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 측정 변환기(4)에 의한 음파(S)의 송출(12), 고정되어 있는 물체(5)에서의 음파(S)의 반사 및 측정 변환기(4)로의 반사파(R)의 귀환이 이루어진다. 반사파(R)가 측정 변환기(4)에 도달하면, 이 반사파는 상기 측정 변환기에 의해 검출된다(13). 반사파(R)의 검출(13) 시, 질의(14)에서 오류가 확인되지 않으면, 방법은 종료되고(11), 환원제(2)의 품질은 이미 공지된 다른 방법에 의해 결정될 수 있다.
그와 달리, 측정 변환기(4)에 의해 반사파(R)가 검출되지 않았기 때문에(13) 질의(14)에서 오류가 검출되면, 먼저 오류의 유형이 결정된다. 이를 위해, 도 2에 상이한 질의(15, 16, 17)로서 도시되어 있는, 본래 공지된 진단 방법에 의해 다양한 오류 원인들이 검사된다. 질의(15, 16, 17) 또는 진단 방법은 동시에 또는 연속으로 실행될 수 있다. 또한, 개별 진단 방법의 견고성이 이를 가능하게 하고, 그 결과가 본 발명에 따른 방법 동안에 계속 유효하다는 점이 전제된다면, 진단 방법을 미리 수행하는 것도 가능하다. 첫째로, 환원제 탱크(1) 내 환원제(2)의 충전 레벨이 검사된다(15). 본 발명에 따라, 환원제(2)가 동결되지 않았다고 가정할 수 없기 때문에, 동결된 상태에서 종래에 사용되었던 충전 레벨 측정기(9)에 의해서는 어쨌든 측정될 수 없는 현재의 충전 레벨이 아닌, 최종적으로 유효한 것으로서 저장된 충전 레벨(Flgs)이 사용된다. 측정 시스템(3), 더 정확하게는 측정 변환기(4), 정지 물체(5), 그리고 음파(S) 및 반사파(R)에 의해 통과된 음향 경로가 환원제(2)에 의해 커버되어 있다면, 이러한 오류 원인들은 배제될 수 있다. 둘째로, 측정 시스템(3)이 작동 가능성에 대해 검사된다(16). 더욱 정확하게는, 측정 변환기(4)가 음파를 송출할 수 있고 수신할 수도 있는지의 여부가 검사된다. 셋째로는, 온도 센서(8)의 작동 가능성 및 교정이 검사된다(17). 두 가지 경우 모두, 측정 시스템 자체가 오류 원인으로서 배제될 수 있는 경우이다.
상기 질의(15, 16, 17) 중 하나에 의해 오류 원인이 확인되면, 달리 표현해서 상기 질의(15, 16, 17)에 의해 대표되는 진단 방법들 중 하나가 오류를 출력하면, 방법이 종료된다(11). 이 경우, 오류의 원인이 측정 자체에 있기 때문에, 환원제(2)의 품질에 대한 진술을 할 수 없다. 하지만, 언급된 질의(15, 16, 17) 중 어느 하나에 의해서도 오류 원인이 확인되지 않으면, 달리 표현해서 상기 언급된 진단 방법들 중 어느 것에 의해서도 오류가 발견되지 않으면, 본 발명에 따라, 오류의 원인은 단지 환원제(2)가 동결되었기 때문인 것으로 확인된다(18). 처음에 질의(10)를 통해 확인된 가설, 즉, 목표 농도에서 환원제의 빙점을 나타내는 온도 임계값(TS)보다 환원제의 온도(T)가 높다는 가설을 고려하면, 본 발명에 따라 환원제(2)가 계속 동결되어 있다는 점에 근거하여 환원제(2)의 농도가 목표 농도로부터 벗어난 것으로 추론된다(19). 환원제가 이미 언급한 요소수인 경우, 요소수가 동결되어 있는 더 높은 온도(T)는 목표 농도를 기준으로 더 낮은 농도를 가리키고, 이로써 수분 함량의 증가를 가리킨다.

Claims (9)

  1. 음원, 음향 센서, 그리고 음원 및 음향 센서로부터 규정된 거리를 두고 배치되어 있는 정지 물체(5)를 구비한 측정 시스템(3)을 이용해서, 연소 엔진용 SCR 시스템의 환원제 탱크(1) 내 환원제(2)의 품질을 검출하기 위한 방법으로서, 환원제(2)의 온도(T)가 목표 농도를 갖는 환원제(2)의 빙점보다 높으면, 음원으로부터 음파(S)가 정지 물체(5)의 방향으로 송출되고(12), 정지 물체(5)는 음파(S)를 음향 센서의 방향으로 반사파(R)로서 반사하며, 반사파(R)가 음향 센서에 의해 수신되지 않으면 오류가 추론되는(14), 환원제 품질 검출 방법에 있어서,
    오류가 추론되었고(14), 환원제 탱크(1)가 적어도 측정 시스템(3)이 커버될 정도까지 채워졌으며, 측정 시스템(3)이 오류가 없는 것으로 검출되는 경우, 환원제(2)의 농도가 목표 농도로부터 벗어나는 것으로 추론되는(19) 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 온도(T)가, 목표 농도를 갖는 요소수의 빙점보다 높은 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 온도(T)가 0℃보다 낮은 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 연소 엔진의 시동 직후에 실시되는 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 온도(T)가 온도 센서(8)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 시스템(3)이 환원제 용액(2)에 의해 커버되어 있는지의 여부를 평가(15)하기 위해, 이전에 충전 레벨 센서(9)에 의해 검출되었던, 최종적으로 유효한 것으로서 저장된 충전 레벨(Flgs)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 환원제 품질 검출 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법의 각각의 단계를 실행하도록 설계된 컴퓨터 프로그램.
  8. 제7항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 기계 판독 가능한 저장 매체.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 환원제(2)의 품질 검출을 수행하도록 설계된 전자 제어 장치(7).
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