KR20210080222A - 액체의 농도를 결정하기 위한 방법 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 액체(3)의 농도를 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법에서는 하나의 초음파 변환기(72) 및 2개 이상의 초음파 반사기 표면(731, 732)이 일체형으로 형성된 공통 지지 요소(73) 상에서 초음파 변환기(72)로부터 상이한 거리에 배치된다. 측정 모드에서는, 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면(731) 사이에서의 초음파 신호의 제1 전파 시간으로부터 농도가 결정되되, 이때또 다른 초음파 반사기 표면(732)에서 초음파 신호의 반사는 수행되지 않는다. 교정 모드에서는, 상기 제1 전파 시간과; 제1 초음파 반사기 표면(731)과 하나 이상의 또 다른 초음파 반사기 표면(732) 사이에서의 초음파 신호의 제2 전파 시간;이 결정된다.

Description

액체의 농도를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING A CONCENTRATION OF A LIQUID}
본 발명은, 액체의 농도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이 방법의 각각의 단계를 실시하는 컴퓨터 프로그램 및 이 컴퓨터 프로그램을 저장하는 기계 판독 가능한 저장 매체에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은, 이 방법을 실시하도록 설계된 전자 제어 장치에 관한 것이다.
연소 기관, 특히 디젤 엔진의 배기가스 내에서 질소 산화물의 비율을 줄이기 위하여, 배기가스 라인 내에 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매 변환기를 배치하는 점이 공지되어 있다. 이와 같은 촉매 변환기는, 환원제로서의 암모니아의 존재하에 배기가스 내에 함유된 질소 산화물을 질소로 환원한다. 암모니아를 제공하기 위하여, SCR 촉매 변환기 상류에서 환원제 용액이 배기가스 라인 내로 계량 첨가된다. 일반적으로는 이를 위해, 암모니아 분리 시약으로서의 요소를 함유하는 수성 요소 용액(Urea Water Solutions: UWS)이 사용된다. 32.5%의 UWS는 AdBlue®라는 상품명으로 시중에서 구입 가능하다.
배출 규제법에서는 품질 모니터링, 다시 말해 특히 차량 운전자에 의한 잘못된 연료 주입 가능성을 검출하기 위해, 사용된 UWS의 농도를 품질 센서를 이용해서 모니터링할 것을 요구한다. 이와 같은 잘못된 연료 주입은 예를 들어 물 또는 희석된 UWS를 사용함으로써 발생할 수 있다. 이와 같은 잘못된 연료 주입이 검출되면, 운전자에게 경고가 안내되고, 마지막으로 소위 "운행 규제(inducement)"의 형태로 차량 운행이 제한된다. 품질 센서가 초음파 변환기 및 초음파 반사기 표면을 구비할 수 있음으로써, 초음파 변환기와 초음파 반사기 표면 사이의 초음파 신호의 전파 시간으로부터 UWS의 농도가 계산될 수 있다. 그러기 위해서는, 초음파 변환기와 초음파 반사기 표면 사이의 거리를 알아야 한다. 이를 위해, 상기 유형의 품질 센서는 불가피한 제조 영향을 제거하기 위해, 제조자에 의해 교정된다. 하지만, 후속적인 조립 공정이 측정 구간의 변화를 초래할 수 있고, 이로써 측정 정확도를 악화시킬 수 있다.
DE 10 2018 202 587 A1호에서는, 일체형으로 형성된 공통의 지지 요소 상에 복수의 초음파 반사기 표면을 배치하는 구성이 제안된다. 이로 인해, 초음파 변환기에 의해 송신되는 초음파 신호가 측정 모드에서 상이한 전파 시간으로 반사되고, 이는 차동 측정 원리를 이용한 측정을 가능하게 한다.
특히 탱크, 예를 들어 환원제 탱크 내에 저장되어 있는 액체, 특히 UWS의 농도를 결정하기 위한 방법에서는, 초음파 변환기 및 2개 이상의 초음파 반사기 표면, 특히 정확히 2개의 초음파 반사기 표면이 제공되는 구성이 제안된다. 이들 초음파 반사기 표면은, 일체형으로 형성된 공통의 지지 요소 상에서, 초음파 변환기로부터 상이한 거리에 배치되며, 이 경우 지지 요소는 특히 탱크 내에 배치된다. 초음파 변환기와 초음파 반사기 표면은 함께 액체의 농도를 결정하기 위한 품질 센서를 형성한다. 이와 같은 품질 센서는 본 방법에서 하기와 같이 측정 모드 및 교정 모드로 작동된다.
측정 모드에서는, 초음파 센서와 제1 초음파 반사기 표면 사이에서의 초음파 신호의 제1 전파 시간으로부터 농도가 결정된다. 이 경우, 또 다른 초음파 반사기 표면에서의 초음파 신호의 반사는 수행되지 않는다. 초음파 신호의 전파 시간만 평가되는 상기 측정 모드는 덜 계산 집약적이며, 초음파 변환기 외에 단 하나의 초음파 반사기 표면만을 구비한 품질 센서의 측정 모드와 유사한 방식으로 실행될 수 있다.
교정 모드에서는, 제1 초음파 반사기 표면과 하나 이상의 또 다른 초음파 반사기 표면 사이에서의 초음파 신호의 제2 전파 시간이 결정된다. 측정 모드에서의 농도 결정을 위해서는, 초음파 변환기와 제1 초음파 반사기 표면 사이의 측정 구간을 알아야 할 필요가 있다. 초음파 변환기와 지지 요소가 플라스틱 표면에, 예를 들어 액체용 이송 모듈의 표면에 함께 장착되면, 측정 구간이 탱크 내에서의 후속하는 조립 프로세스에 의해 본래의 교정치에서 벗어날 수 있다. 그와 달리, 초음파 반사기 표면들 상호 간의 거리는 지지 요소에 의해 정의된다. 그렇기 때문에, 이 거리는 측정 모드에서 이용되는 교정을 위해 사용될 수 있다.
제2 전파 시간을 계산하기 위해서는, 제1 전파 시간을 결정할 때 기초가 되는 초음파 반사기 표면과는 다른 초음파 반사기 표면과 초음파 변환기 사이에서의 초음파 신호의 제3 전파 시간이 결정되는 것이 바람직하다. 이 경우, 하나 이상의 또 다른 초음파 반사기 표면에서 초음파 신호의 적어도 1회의 반사가 수행된다. 또한, 제1 전파 시간의 결정도 수행된다. 그 다음에, 제2 전파 시간이 제3 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 차로서 계산된다. 상기 차 계산에서, 초음파 변환기와 초음파 반사기 표면 간 거리의 영향이 제거된다.
제3 전파 시간의 측정 시, 초음파 변환기와 또 다른 초음파 반사기 표면 사이의 경로 상에서 초음파 신호의 반사가 수행되는 또 다른 초음파 반사기 표면이 제1 초음파 반사기 표면인 것이 특히 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 지지 요소에 단 2개의 초음파 반사기 표면만 형성되어도, 본원 방법을 실행하기에 충분하다.
초음파 변환기와 제1 초음파 반사기 표면 사이의 거리는, 교정 모드에서 바람직하게 제2 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 비율로부터 결정된다. 이 경우, 지지 요소의 기하 구조에 의해 사전 설정되는, 초음파 반사기 표면들 사이에서의 초음파 신호의 공지된 전파 구간과 결정될 거리 간의 비율은 제2 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 비율에 상응한다.
교정 모드는 초음파 변환기의 최초 가동 시 수행되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 제조자 측에서의 교정이 생략될 수 있다. 심지어 제조자 측의 교정이 수행되어야 하는 경우에도, 초음파 변환기의 최초 가동 시의 교정 모드는, 제조자 측의 교정 이후 후속 조립 프로세스에 의해 발생하는, 초음파 변환기와 제1 초음파 반사기 표면 간 거리의 편차를 보상하는 것을 가능하게 한다.
또한, 탱크가 자동차의 SCR 촉매 변환기 시스템의 환원제 탱크인 경우, 교정 모드는 자동차의 사전 설정된 주행 상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 주행 상태는, 이 주행 상태에서 가장 유리한 측정 조건이 조성되도록 사전 설정될 수 있다. 가장 유리한 측정 조건이란, 특히 균일한 온도 분포(낮은 온도 구배) 또는 안정적인 주행 상태(일정한 가속)일 수 있다.
측정 모드 및 교정 모드에서, 초음파 변환기는 바람직하게 0.5㎒ 내지 10.0㎒의 주파수 범위 내의 버스트 신호를 송신한다. 1.0㎒ 내지 2.0㎒의 버스트 신호가 특히 바람직하다. 이와 같은 주파수 범위는, 액체 내에서 음파 에너지의 흡수가 용인할 수 없을 정도로 높지 않은 조건에서, 초음파 장(ultrasonic field)의 우수한 공간적 집속과 전파 시간의 정확한 결정을 가능하게 한다.
컴퓨터 프로그램은, 특히 컴퓨터 또는 전자 제어 장치에서 실행될 때 본원 방법의 각각의 단계를 실시하도록 구성된다. 컴퓨터 프로그램은, 전자 제어 장치에서 이 전자 제어 장치의 구조적 변경 없이도 본원 방법의 상이한 실시예들이 구현될 수 있게 해 준다. 이를 위해, 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장된다.
상기 컴퓨터 프로그램을 종래의 전자 제어 장치에 설치함으로써, 본원 방법을 이용하여 액체의 농도를 결정하도록 구성된 전자 제어 장치가 얻어진다.
본 발명의 일 실시예가 도면부에 도시되어 있고, 이하의 명세서에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 의해 그 농도가 결정될 수 있는 액체가 저장되어 있는 환원제 탱크의 개략도이다.
도 2는 도 1에 따른 환원제 탱크 내에 배치된 품질 센서의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 도 2에 따른 품질 센서의 초음파 신호의 전파 경로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 도 2에 따른 품질 센서의 초음파 신호의 또 다른 전파 경로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 1은, 도면에 도시되지 않은 자동차의 SCR 촉매 변환기 시스템(1)의 요소들을 보여준다. 이 SCR 촉매 변환기 시스템은 환원제 탱크(2)를 구비한다. 환원제 탱크 내에는 액체(3)가 저장되어 있고, 이 액체는 UWS이다. 환원제 탱크(2)의 바닥부에 배출 모듈(4)이 배치되어 있다. 배출 모듈은 이송 장치(5)를 지지하며, 이 이송 장치에 의해 환원제 탱크(2)로부터 액체(3)가 흡입되어, 라인(6)에 의해 SCR 촉매 변환기 시스템(1)의 계량공급 밸브로 수송될 수 있다. 액체(3)의 농도를 결정하기 위해, 전자 제어 장치(8)에 의해 제어되는 품질 센서(7)가 배출 모듈(4) 상에 배치되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 품질 센서(7)는 본 실시예에서 HDPE(High Density Polyethylene) 소재의 베이스(71)를 구비한다. 이 베이스 상에 초음파 변환기(72)가 배치되어 있다. 또한, 본 실시예에서는 스테인리스 스틸로 이루어진 지지 요소(73)가, 2개의 초음파 반사기 표면(731, 732)을 지지하는 베이스(71) 상에 배치되어 있다. 제1 초음파 반사기 표면(731)은 초음파 변환기(72)로부터 거리(d)를 두고 배치되어 있다. 상기 제1 초음파 반사기 표면은, 초음파 변환기(72)에 의해 송신된 초음파 신호를 상기 초음파 변환기(72)로 역반사할 수 있을 뿐만 아니라, 제2 초음파 반사기 표면(732)으로도 반사할 수 있도록, 초음파 변환기(72)의 맞은 편에 놓여 있다. 제2 초음파 반사기 표면(732)은, 초음파 변환기(72)에 의해 송신된 초음파 신호가, 반사가 선행되지 않은 채로 상기 제2 초음파 반사기 표면(732)에 충돌할 수 없도록 배치되어 있다.
초음파 변환기(72)는 압전 결정을 이용하여, 본 실시예에서 1.0㎒에 달하는 주파수를 갖는 버스트 신호를 생성한다. 이 신호가 초음파 변환기(72)의 출발 지점(721)으로부터 송신되면, 이 신호는 제1 초음파 반사기 표면(731)에 충돌하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 신호의 일부는 출발 지점(721)으로 역반사되어, 그곳에서 압전 결정에 의해 수신된다.
도 4는, 신호의 또 다른 일부가 제1 초음파 반사기 표면(731)에 의해 제2 초음파 반사기 표면(732)으로 반사되는 것을 보여준다. 제2 초음파 반사기 표면에 의해서 초음파 신호는 제1 초음파 반사기 표면(731)으로 역반사되고, 제1 초음파 반사기 표면이 상기 초음파 신호를 초음파 변환기(72)로 계속 반사하며, 이곳의 충돌 지점(722)에서 초음파 신호가 압전 결정에 의해 수신된다. 상이한 전파 시간에 의해, 2개의 에코가 상호 구별될 수 있다.
도 5는, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 시작(단계 "90") 이후에, 먼저 초음파 변환기(72)의 최초 가동이 있었는지의 여부에 대한 제1 검사(단계 "91")가 수행되는 것을 보여준다. 이 조건이 충족되면, 교정 모드가 실행된다. 최초 가동이 없었다면, 교정 모드를 필요로 하는 자동차 주행 상태가 존재하는지의 여부에 대한 제2 검사(단계 "92")가 수행된다. 이 조건이 충족되면, 마찬가지로 교정 모드가 시작된다. 교정 모드에서는, 초음파 변환기(72)로부터 초음파 신호가 송신된다. 먼저, 도 3에 따라 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면(731) 사이에서의 초음파 신호의 제1 전파 시간의 결정(단계 "93")이 수행된다. 이와 같은 방식으로 초음파 신호의 제1 에코가 평가된 후에, 도 4에 따른 경로를 통해 초음파 신호의 제2 전파 시간의 결정(단계 "94")이 수행된다. 그 다음에는, 상기 두 초음파 반사기 표면(731, 732) 사이에서의 초음파 신호의 전파 시간의 계산(단계 "95")이 수행된다. 이를 위해, 제2 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 차가 산출된다. 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면(731) 사이의 거리를 결정하기 위해(단계 "96"), 제3 전파 시간과 제1 전파 시간 상호 간의 비율이 설정된다. 이 비율은, 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면(731) 사이의 거리(d)와, 두 초음파 반사기 표면(731, 732) 사이의 거리 간 비율에 상응한다. 이제 기지의 거리(d)를 이용해서, 품질 센서(7)의 교정(단계 "97")이 실행된다. 이어서, 프로세스가 측정 모드(98)로 변경된다. 두 가지 검사(91, 92) 중 어느 것에서도 교정 모드의 필요성이 확인되지 않았다면, 즉각 측정 모드가 시작된다.
측정 모드에서는, 초음파 변환기(72)가 초음파 신호를 송신하고, 각각 상기 초음파 신호의 제1 에코만 도 3의 측정 구간에 따라 평가된다. 따라서, 초음파 신호의 제1 전파 시간만 가용하고, 이 제1 전파 시간을 토대로 현재 기지의 거리(d)를 사용해서 액체(3) 내 요소의 농도가 계산된다. 이 농도가 임계값 아래로 떨어지면, 자동차의 운행 규제(inducement)가 실행된다.

Claims (10)

  1. 하나의 초음파 변환기(72) 및 2개 이상의 초음파 반사기 표면(731, 732)이, 일체형으로 형성된 공통의 지지 요소(73) 상에서 초음파 변환기(72)로부터 상이한 거리에 배치되어 있는, 액체(3)의 농도를 결정하는 방법에 있어서,
    측정 모드에서는, 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면(731) 사이에서의 초음파 신호의 제1 전파 시간으로부터 농도가 결정되되, 이때 또 다른 초음파 반사기 표면(732)에서 초음파 신호의 반사는 수행되지 않으며; 교정 모드에서는, 제1 초음파 반사기 표면(731)과 하나 이상의 또 다른 초음파 반사기 표면(732) 사이에서의 초음파 신호의 제2 전파 시간이 결정되는(단계 "93", 단계 "94") 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 초음파 변환기(72)와 또 다른 초음파 반사기 표면 사이에서의 초음파 신호의 제3 전파 시간이 결정됨으로써 제2 전파 시간이 계산되며, 이때 하나 이상의 또 다른 초음파 반사기 표면에서 상기 초음파 신호가 적어도 1회 반사되고, 제3 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 차가 계산되는(단계 "95") 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제3 전파 시간의 측정 시, 상기 또 다른 초음파 반사기 표면은 제1 초음파 반사기 표면(731)인 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 교정 모드에서는, 제2 전파 시간과 제1 전파 시간 간의 비율로부터, 초음파 변환기(72)와 제1 초음파 반사기 표면 사이의 거리가 결정되는(단계 "96") 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 교정 모드는 초음파 변환기(72)의 최초 가동 시 수행되는 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 요소(73)는 자동차의 SCR 촉매 변환기 시스템(1)의 환원제 탱크(2) 내에 배치되고, 자동차의 사전 설정된 주행 상태에서 교정 모드가 수행되는 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 초음파 변환기(72)가 측정 모드에서 그리고 교정 모드에서 0.5㎒ 내지 10.0㎒의 주파수 범위 내의 버스트 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는, 액체 농도 결정 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법의 각각의 단계를 실시하도록 구성된 컴퓨터 프로그램.
  9. 제8항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는, 기계 판독 가능한 저장 매체.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용해서, 액체(3)의 농도를 결정하도록 구성된 전자 제어 장치(8).
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