KR101454930B1 - 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법 - Google Patents

유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유레아 에스 씨 알 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 요소수가 수용되는 하우징; 상기 하우징에 장착되어 상기 요소수의 로드값을 측정하는 로드 셀(Load Cell); 및 상기 로드 셀에서 측정된 측정값과 기준값을 비교하여 상기 요소수에 이물질이 포함되어 있는지 여부를 판단하는 제어부;를 포함하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치를 제공한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 유레아 에스 씨 알 시스템에서 실수 또는 고의에 의해 요소수 탱크로의 이물질이 유입될 경우에 이물질 유입여부를 검출할 수 있다.
유레아, 에스 씨 알, 로드 셀

Description

유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법{Apparatus for finding an alien substance in Urea-S.C.R. and control method using the same}
본 발명은 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 검출 성능을 향상시킬 수 있는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
향후 배출가스 규제가 더욱 강화되는 유럽(EURO-5)/북미(BIN-8) 경유(Diesel) 차량은 효율적인 질소산화물(NOx) 저감 후처리 장치의 장착이 필요하다. 현재까지의 연구 결과는 ‘고온의 연소 생성물(배기)에 암모니아(Ammonia, NH3)를 주입하여 촉매 상에서 배기 중의 NOx와 반응시켜 질소(N2)로 환원시키는 선택적 촉매 저감 방식(Selective Catalytic Reduction of NOx 또는 SCR of NOx)’을 효율적인 장치로 주목하고 있다. 특히, 암모니아의 운반 보관의 어려움과 미반응 유출의 유해성 등을 고려한 대안으로 암모니아 대신 요소(Urea)를 사용하는 SCR 방식(이하 Urea-SCR로 표기)이 선호된다.
도 1은 전형적인 Urea-SCR 장치의 구성요소 및 배치(Layout)를 도시한다. 요소용액(Urea Solution= Urea + H2O)은 공급펌프(Supply Pump)에 의해 저장용 기(Urea Tank)로부터 분사기(Injector)로 공급되어 분사된다. 고온의 배기(Exhaust Gas)에 노출된 요소용액은 화학 반응에 의해 기체 암모니아(NH3)를 생성한다:
이렇게 생성된 암모니아는 촉매 반응기(SCR-Reactor)로 유입되기 전 일정 시간 동안(배기-요소 혼합 영역) 배기와 혼합된 후, 촉매 반응기 내에서 배기 중의 NOx와 화학 반응에 의해 질소(N2)로 환원된다
Urea-SCR 방식을 채용한 차량의 경우 규정된 (또는 표준의) 요소수(尿素水, 주로 32% weight 요소를 물과 혼합한 용액) 이외의 기타 용액- 예를 들어, 일반적인 물이나 과희석/과농도 요소수 또는 연료 등의 이물질-과 같은 이물질이 SCR 시스템으로 보충될 경우를 검출하여 경보하는 장치/로직(OBD)가 반드시 마련되어야 한다는 것이 유럽 및 북미 강화 규제의 중요한 한 부분이다.
현 SCR 기술에서는 도 1에 도시된 저감효율 즉, SCR 반응기로 유입되는 NOx의 농도([NOx]in)와 SCR 반응 후 남은 NOx의 농도([NOx]out)를 측정(또는 계산)한 NOx 저감효율이 비정상적으로 과다할 때 경보하는 방식이 지배적이다.
이러한 검출 방식은 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다.
NOx 저감 효율은 에스 씨 알 시스템을 작동시켜야만 산출할 수 있어, 에스 씨 알 시스템의 고장 발생 여부를 알려면 에스 씨 알 시스템을 우선적으로 작동시켜야 한다. 즉, 시스템을 작동시키지 않으면 고장발생여부를 알 수 없기 때문에 고장에도 불구하고 시스템을 동작시켜 환경 오염을 유발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 검출성능이 향상된 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 요소수가 수용되는 하우징; 상기 하우징에 장착되어 상기 요소수의 로드값을 측정하는 로드 셀(Load Cell); 및 상기 로드 셀에서 측정된 측정값과 기준값을 비교하여 상기 요소수에 이물질이 포함되어 있는지 여부를 판단하는 제어부;를 포함하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치를 제공한다.
또한, 상기 요소수의 수위를 측정하는 레벨 센서, 상기 요소수의 온도를 측정하는 온도 센서 및 상기 요소수의 압력을 측정하는 압력 센서를 더 포함하는 것이 가능하다.
특히, 상기 기준값은 상기 레벨 센서, 상기 온도 센서 및 상기 압력 센서를 이용해서 산출될 수 있다.
그리고 상기 제어부는 유레아 에스 씨 알 시스템이 작동되기 전 또는 유레아 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후에 상기 측정값과 상기 기준값을 비교하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 레벨 센서, 온도 센서, 압력 센서를 이용해서 기준값을 산 출하는 제1단계; 로드 셀에 의해서 측정값을 측정하는 제2단계; 및 상기 기준값 및 상기 측정값을 비교해서 차이가 설정 범위를 벗어나면 유레아 에스 씨 알 시스템에 고장이 발생했다고 판단하는 제3단계;를 포함하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 제어방법을 제공한다.
나아가 상기 제1단계 및 상기 제2단계는 에스 씨알 시스템이 작동되기 전 또는 상기 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후에 수행되는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 유레아 에스 씨 알 시스템에서 실수 또는 고의에 의해 요소수 탱크로의 이물질이 유입될 경우에 이물질 유입여부를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 유레아 에스 씨 알 시스템을 작동시키기 전에 이물질이 포함되었는지 여부를 판단할 수 있기 때문에 분사 계통의 오염 및 고장방지가 가능하다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 블럭도이다. 이하, 도 2를 참조해서 설명한다.
본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치는 요소수의 수위를 측정하는 레벨 센서(12), 상기 요소수의 온도를 측정하는 온도 센서(14) 및 상기 요소수의 압력을 측정하는 압력 센서(16)를 포함한다.
또한, 검출장치는 로드 셀(Load cell)(18)을 포함하여 상기 요소수의 로드값, 즉 중량을 측정한다. 상기 로드 셀(18)은 중량을 측정해서 중량에 따라 다른 출력 전압값을 발생시킨다.
한편, 검출장치는 상기 레벨 센서(12), 상기 온도 센서(14), 상기 압력 센서(16) 및 상기 로드 셀(18)로부터 입력값을 전달받는 제어부(30)를 포함한다.
그리고, 상기 제어부(30)는 상기 유레아 에스 씨 알 시스템에 이물질이 포함되어 있는지 여부를 판단해서 경고등(40)을 점등시킬 수 있다. 상기 경고등(40)은 사용자에게 상기 유레아 에스 씨 알 시스템에 고장이 발생되었는지 여부를 알려, 사용자가 신속히 고장을 수리할 수 있도록 한다.
특히, 상기 제어부(30)는 기준값에 대한 데이터를 저장하고 있는 것이 바람직하다. 기준값에 대한 데이터란 표준상태에서 요소수의 수위에 따른 로드 값과 특정 온도, 압력 하에서 보정값을 포함한다. 기준값은 상기 로드 값과 상기 보정값을 서로 곱하는 것에 의해서 산출될 수 있다.
기준값의 데이터화(Calibration) 방안은 다음과 같다. 설계된 요소수 하우징에 일반적인 요소수를 주입하고, 표준환경(25℃, 1 기압)에서 각각의 요소수 레벨에 따른 로드셀 출력값(mV)과의 관계를 정립한다. 그리고, 표준환경 외 가능한 온도/압력에서의 보정값을 데이터화하여 특정 레벨/온도/압력에서의 로드셀값을 계산하여, 다양한 데이터를 수집한다.
이에 대해서 상세히 설명하면 우선, 아래 표와 같이 상기 레벨 센서(12)를 통해서 표준환경에서 표준요소수 레벨(수위)과 로드셀 출력값(mV) 관계 정립한다. 관련된 데이터의 예는 아래 표와 같다.
표준요소수의 레벨(레벨 센서) empty 0.1 0.2 … 0.5 … 0.9 full
로드 셀 출력값(mV) 0 0.52 … … … … … …
그리고, 표준환경이 아닌 특정 압력 및 온도상태를 고려해서, 해당 상태의 온도 및 압력에 따른 보정값을 데이터화 한다. 관련된 데이터의 예는 아래 표와 같다.
온도(℃)
-----------
압력(bars)		 -35 -25 -10 0 10 25 50 70
0.60 … … … … … … … …
0.70 … … … … … … … …
0.80 … … … … … … … …
0.90 … … … … … 0.999 … …
1.00 … … … 1.004 1.001 1.000 0.999 0.997
최종적으로 최종 표준 로드값 즉, 기준값을 산출한다. 이때, 기준값은 로드 셀 출력값에 보정값을 곱하는 형태로 산출한다.
본 발명은 표준요소수에서 미리 데이터(Calibration)화 된 표준 로드값과 비교한 후, 그 두 값의 차이가 적부 판단을 위해 설정 범위를 초과할 경우 이물질로 판단하여 경고/경보하는 시스템이다. 특히, 상기 설정 범위는 기준값 대비 실제값의 차이가 ±30%로 설정되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치를 도시한 도면 이다. 이하, 도 3을 참조해서 설명한다.
본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치는 요소수(4)가 수용되는 하우징(2)을 포함하고, 상기 레벨 센서(12), 상기 온도 센서(14), 상기 압력 센서(16)는 상기 하우징(2)에 장착될 수 있다.
상기 하우징(2)에 수용된 상기 요소수(4)는 공급펌프(6)의 작동을 통해 분사밸브(인젝터 또는 분사기)까지 이송되어 배기관 내부로 분사될 수 있다.
특히, 상기 로드 셀(18)은 상기 하우징(2)의 기저부(基底部, Bottom)에 장착되어, 12V 전원 공급에 의하여 작동할 수 있다.
도 4는 도 3의 로직 구성도이다. 이하, 도 4를 참조해서 설명한다.
먼저, 상기 로드 셀(18)에서 해당 요소수에 대한 로드 출력을 검출(실측로드값또는 측정값)한다.
그리고, 상기 레벨 센서(12)에 의해서 해당 요소수의 수위 즉, 레벨을 측정해서 표준 요소수에 대한 로드 셀 값을 산출한다. 그리고, 상기 온도 센서(14)에서 해당 요소수의 온도를 측정하며, 상기 압력 센서(16)에서 해당 요소수에 대한 압력을 측정해서 산출된 보정값을 이용해서 최종적인 측정값(표준 로드값)을 산출한다.
상기 제어부(30)는 상기 측정값과 상기 기준값의 차이율을 산출해서 그 차이율이 상기 설정 범위를 벗어났는지를 판단할 수 있다.
상기 하우징(2)에 표준(규정) 요소수가 담지 되어 있을 경우 차이율은 0(또는 Calibration 편차 수준)일 것이고, 반면에 이물질(물, 연료, 과희석/과농도 요소수 등)이 포함되어 있는 경우에는 그 포함량이 커짐에 따라 차이율 또한 값이 커 질 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 제어 흐름도이다. 이하, 도 5를 참조해서 설명한다.
우선, 유레아 에스 씨 알 시스템을 구성하는 제작자 또는 사용자에 의해서 표준 요소수의 레벨 값들과 특정 온도 및 압력에 따른 보정값 데이터들이 수집되어 상기 제어부(30)에 저장될 수 있다.
그리고, 현재 상태가 유레아 에스 씨 알 시스템이 작동되기 전 또는 유레아 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후 인지를 판단한다(S10).
이때, 유레아 에스 씨 알 시스템이 작동되기 전은 Key-On 후 크랭킹 시작 전(=IG-On)과 유사한 상태일 수 있다. 즉, 유레아 에스 씨 알 시스템에 의해서 요소가 분사되기 전의 상태를 포함한다.
또한, 유레아 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후는 After-run 조건 즉, 엔진 정지후 일정기간, 일반적으로 약10초 정도 동안을 의미할 수 있다. 즉, 유레아 에스 씨 알 시스템의 작동이 중단된 상태를 포함할 수 있다.
S10의 단계를 만족한다고 판단되면, 상기 레벨 센서(12), 상기 온도 센서(14) 및 상기 압력 센서(16)를 이용해서 해당 요소수의 수위, 온도, 압력을 측정한다. 이런 데이터를 기반으로 기준값을 산출한다(S12). 이때, 상기 제어부(30)에 기 저장되어 있던 데이터를 이용할 수 있다.
그리고, 상기 로드 셀(18)에 의해서 측정값을 측정한다(S14). 이때, 상기 측정값은 요소수의 중량에 따른 전기적 출력값을 의미할 수 있고, 요소수의 중량에 대한 정보를 포함한다.
상기 기준값과 상기 측정값의 차이율을 산출하고, 그 차이율이 설정 범위 내인지 여부를 판단한다(S16). 이때, 상기 설정 범위는 대략±30% 이내인 것이 바람직하다.
이때, 상기 차이율은 (측정값과 기준값의 차)/(측정값)의 비율로 산출될 수 있다.
만일 상기 설정 범위를 초과한 것으로 판단되면 경고등을 점등(S18)한 후 에스 씨 알 시스템의 작동을 중지시키거나, 다시 에스 씨 알 시스템의 작동이 불가하도록 할 수 있을 것이다. 한편, 사용자는 상기 경고등이 점등되어 있는 경우에 유레아 에스 씨 알 시스템에 고장이 발생되었다는 사실을 인지할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
도 1은 종래 기술에 따른 Urea-SCR 장치의 구성요소 및 배치(Layout)를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 블럭도.
도 3은 본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 로직 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 제어 흐름도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
2: 하우징 4: 요소수
12: 레벨 센서 14: 온도 센서
16: 압력 센서 18: 로드 셀
40: 경고등

Claims (6)

  1. 요소수가 수용되는 하우징;
    상기 요소수의 수위를 측정하는 레벨 센서;
    상기 요소수의 온도를 측정하는 온도 센서;
    상기 요소수의 압력을 측정하는 압력 센서;
    상기 하우징에 장착되어 상기 요소수의 로드값을 측정하는 로드 셀(Load Cell);
    상기 레벨 센서, 상기 온도 센서 및 상기 압력 센서를 이용해서 산출된 기준값과 상기 로드 셀에서 측정된 측정값을 비교하여 상기 요소수에 이물질이 포함되어 있는지 여부를 판단하는 제어부;를 포함하되,
    상기 기준값은 표준상태에서 요소수의 수위에 따른 로드값과 특정 온도, 압력 하에서 보정값을 서로 곱하는 것에 의해 산출되고,
    상기 제어부는 상기 산출된 기준값과 상기 로드셀에서 측정된 측정값의 차이율을 산출해서 그 차이율이 상기 설정 범위를 벗어났는지를 판단하여, 만일 상기 차이율이 상기 설정 범위를 초과한 것으로 판단되면 경고등을 점등한 후 에스 씨 알 시스템의 작동을 중지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 유레아 에스 씨 알 시스템이 작동되기 전 또는 유레아 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후에 상기 측정값과 상기 기준값을 비교하는 것을 특징으로 하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치.
  5. 레벨 센서, 온도 센서, 압력 센서를 이용해서 해당 요소수의 수위, 온도, 압력을 측정하고, 표준상태에서 요소수의 수위에 따라 측정된 로드값과 특정 온도, 압력 하에서의 보정값을 서로 곱하여 기준값을 산출하는 제1단계;
    로드 셀에 의해서 요소수의 중량에 대한 측정값을 측정하는 제2단계; 및
    상기 기준값 및 상기 측정값과의 차이율을 산출해서 상기 차이율이 설정 범위를 벗어나면 경고등을 점등한 후 에스 씨 알 시스템의 작동을 중지시키도록 제어하는 제3단계;를 포함하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1단계 및 상기 제2단계는 에스 씨알 시스템이 작동되기 전 또는 상기 에스 씨 알 시스템의 작동이 종료된 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 유레아 에스 씨 알 시스템의 이물질 검출장치의 제어방법.
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