KR101598431B1 - 인젝터의 개방 이벤트에 근거하여 열적으로 최적화된 피크 및 홀드 작동에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 전달 유닛 - Google Patents

인젝터의 개방 이벤트에 근거하여 열적으로 최적화된 피크 및 홀드 작동에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 전달 유닛 Download PDF

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Abstract

차량들의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)의 피크 및 홀드 구동 회로용 트리거 회로가 제공된다. 피크 및 홀드 구동 회로는 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스에서 인젝터를 작동시키도록 구성 및 배열된다. 트리거 회로는 인젝터의 검출된 개방 이벤트에 근거하여, 인젝터의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 홀드 페이스로의 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된 인젝터 개방 검출 회로를 포함한다.

Description

인젝터의 개방 이벤트에 근거하여 열적으로 최적화된 피크 및 홀드 작동에 의한 자동차의 선택적 촉매 환원을 위한 환원제 전달 유닛{REDUCTANT DELIVERY UNIT FOR AUTOMOTIVE SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION WITH THERMALLY OPTIMIZED PEAK-AND-HOLD ACTUATION BASED ON AN INJECTOR OPEN EVENT}
본 발명은 엔진 배기 시스템으로 환원제를 공급하는 환원제 전달 유닛(RDU)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 인젝터 개방의 검출에 근거하여 피크로부터 홀드로의 전이(transition)를 촉발시킴으로써 넓은 온도 범위에 걸쳐서 전체 전기 부하를 개선하는 환원제 전달 유닛(RDU)에 관한 것이다.
유럽과 북미에서의 새로운 다자간 협상(new round)의 엄중한 배기물 제정법의 도래는 새로운 배기 가스 후처리 시스템의 실행을 몰아가고 있는데, 특히 희박 조건 및 초희박(ultra-lean) 조건에서 작동하는 압축 점화 (디젤) 엔진들 및 층상 급기(stratified charge) 스파크 점화 엔진들(통상적으로, 직접 분사식)과 같은 린번(lean burn) 기술에 대하여 그러하다. 린번 엔진은 린번 연소의 산소 농후 배기 가스 환경 특성에서 처리에 어려움이 있는 높은 레벨의 질소 산화물(NOx) 배기물을 보여준다. 이러한 기술들 중 하나는 암모니아(NH3)와 배기 가스 질소 산화물(NOx)의 반응을 용이하게 하여서 질소(N2)와 물(H2O)을 생성시키는 촉매를 포함한다. 이러한 기술을 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction: SCR)이라 한다.
암모니아는 자동차 환경에서는 그 순수한 형태로 취급하기가 어렵다. 따라서, 이들 시스템에서는 액체 수성 요소 용액, 일반적으로 32% 농도의 요소 용액(CO(NH2)2)을 사용하는 것이 관례적이다. 이 용액은 AUS-32 라고 불리우며, 또한 AdBlue 라는 상용 명칭으로 공지되어 있다. 요소 용액은 고온의 배기 가스 스트림(stream)으로 전달되어 배기 가스 내에서 암모니아로 변환되며, 방열(thermolysis) 또는 열분해(thermal decomposition)를 겪은 후에는 암모니아 및 이소시안산(isocyanic acid)으로 변환된다. 그 후, 이소시안산은 배기 가스에 존재하는 물과 함께 가수분해되어서 암모니아 및 이산화탄소(CO2)로 변환된다. 방열 및 가수분해의 결과로 발생하는 암모니아는 그 후 이전에 설명한 바와 같이 질소 산화물과의 촉매 반응을 겪는다.
AUS-32 인젝터는 일반적으로 엔진 배기 가스 상에 직접 설치되는데, 이는 인젝터를 매우 고온의 환경에 노출시킨다. 인젝터의 전기적 열 부하를 감소시키기 위해서, 소위 피크 및 홀드 인젝터 드라이버(peak-and-hold injector drivers)들이 도입되었다. 도 1을 참조하면, 이러한 드라이버의 기능은 인젝터 전류를 기술하는 2개의 모드들에서, 즉 상승-피크 전류 페이스(rise-to-peak current phase)와, 그리고 후속하는 저전류 홀드 페이스(low current hold phase)(높은 스위칭 주파수에서의 전류 제어)에서 인젝터를 작동시키는 것이다.
저전류 레벨은, 일반적으로 인젝터의 완전 포화 전류 레벨 보다는 훨씬 낮고 인젝터 (솔레노이드) 개방을 유지하는데 필요한 전류의 최소 레벨 보다는 더 높은 값이다. 오늘날의 구동 회로들에 있어서, 상승-피크로부터 홀드 페이스로의 전이는 통상적으로 전류에 대한 전류 레벨 검출에 의해서 촉발되는데(triggered), 일단 전류가 그러한 레벨에 도달하면 후속하는 홀드 페이스가 인에이블된다. 도 2는 종래의 피크 전류 검출 및 트리거 회로(12)를 갖춘 피크 및 홀드 회로(10)를 도시한다.
저전류 홀드 페이스로 인젝터를 작동시키는 주된 이점은 포화 스위치 조건들 하에서의 작동과 비교할 때 더 낮은 전기 부하를 가져오는 것이다. 예를 들면, 14V 로 공급되는 12 ohm 코일을 갖는 인젝터는 16.3 Watts(l = 1.2 A)를 소모할 것이다. 0.5 A 홀드 모드로 작동되는 인젝터는 홀드 페이스 중에 7 Watts 를 소모할 것이다.
온도가 높아지고 인젝터 저항이 증가함에 따라서 단점이 발생한다. 저항이 증가함에 따라서, 코일 저항에 대한 시간의 상관성으로 인하여 전류가 소정의 임계치에 도달하는데 필요한 시간이 증가할 것이다. 충분히 높은 온도를 갖는 제한적인 경우에, 전류는 전이 임계치에 절대 도달하지 못할 수 있으며, 여전히 인젝터는 개방된다. 이러한 상황이 발생되는 온도 범위는 선택된 전이 전류 레벨과 인젝터를 개방시키는데 필요한 최소 전류 간의 차이에 의존한다. 이러한 차이는 전기 및 자기 회로들을 구성하는 여러 부품들의 공차(tolerance)들 및 변형(variation)들을 고려하여 0 이 아닐 것이다.
예를 들면, 오늘날 피크 전류는 0.8A 의 레벨로 명시되고 있다. 이는 필요한 공칭 개방 전류 0.6 A 보다 높다. 명시된 공칭 홀드 전류는 0.5 A 이다. 예를 들어 만일 이용가능한 전기 공급 전압이 단지 12 V 이고, 인젝터 코일 저항이 17Ω 이라면(예를 들어, 인젝터 코일 온도는 130 C 이다), 포화 인젝터 전류가 0.7 A 인 상황이 발생할 수 있다. 이러한 경우에 전류 파형이 무엇과 같은 것인가에 관한 예가 도 3에 도시되어 있다. 그러면, 이러한 조건의 위험은 증가된 전기적 열 부하를 받는 상승된 온도에서 이미 인젝터를 작동하게 한다는 점이다.
그러므로, 인젝터 개방의 검출에 근거하여 피크로부터 홀드로의 전이를 촉발시킴으로써 넓은 온도 범위에 걸쳐서 전체 전기 부하를 개선하는 환원제 전달 유닛(RDU)에 대한 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기 언급한 요구들을 충족시키는 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 이러한 목적은 차량들의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)의 피크 및 홀드 구동 회로용 트리거 회로에 의해서 성취된다. 피크 및 홀드 구동 회로는 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스에서 상기 인젝터를 작동시키도록 구성 및 배열된다. 트리거 회로는 인젝터의 검출된 개방 이벤트에 근거하여 인젝터의 상승-피크 전류 페이스로부터 후속하는 저전류 홀드 페이스로의 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된 인젝터 개방 검출 회로를 포함한다.
실시예의 다른 양태에 따르면, 차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 전달 유닛(RDU) 및 제어 유닛은 솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)을 포함한다. 제어 유닛은 솔레노이드와 전기적으로 연결된다. 제어 유닛은 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스에서 인젝터를 작동시키도록 구성 및 배열되어 있는 피크 및 홀드 구동 회로를 갖추고 있다. 상기 구동 회로는, 인젝터의 검출된 개방 이벤트에 근거하여 인젝터의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 홀드 페이스로의 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된, 인젝터 개방 검출 회로를 포함한다.
실시예의 또 다른 양태에 따르면, 차량의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)을 촉발시키는 방법은 인젝터의 개방 이벤트를 검출하고, 검출하는 단계에 근거하여, 인젝터의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 홀드 페이스로의 전이를 촉발시켜서, 인젝터 상의 열 부하를 인젝터의 개방을 보장하는데 필요한 최소값으로 제한한다.
본 발명의 다른 목적들, 특성들, 및 특징들 뿐만 아니라, 구조물의 관련 구성 요소들의 작동 방법들 및 기능들과, 부품들의 조합 및 제조상의 경제성들은 첨부된 도면들을 참조한 이후의 상세한 설명 및 부가된 청구범위를 고려하여 보다 분명할 것이며, 이들 모두가 본 명세서의 일부를 형성한다.
본 발명은 첨부된 도면들과 관련하여 취해진 본 발명의 바람직한 실시예들의 이후의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이며, 도면들에서 유사한 참조 부호들은 유사한 부품들을 나타낸다.
도 1은 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 페이스를 도시한 종래의 인젝터 전류의 도면이다.
도 2는 피크 전류 검출 및 트리거 회로를 갖춘 종래의 피크 및 홀드 회로의 블록 선도이다.
도 3은 0.7 A에서 포화 전류를 나타내는 종래의 전류 파형의 도면이다.
도 4는 전류 분석에 의한 종래의 인젝터 개방 이벤트 검출을 도시한 것이다.
도 5는 코일 전류의 2차 도함수(second derivative)로부터 개방 시점을 검출하는 것을 도시한 것이다.
도 6은 일 실시예에 따라 제공되는 인젝터 개방 검출 회로를 갖춘 피크 및 홀드 회로의 블록 선도이다.
도 7은 도 6의 회로로부터 초래되는 전류 파형을 도시한 것이다.
도 8은 환원제 전달 유닛(RDU)을 작동시키는 도 6의 회로들을 포함하는 제어 회로의 도면이다.
개시된 실시예는 이미 상승된 작동 온도에서 환원제 전달 유닛(RDU)의 인젝터의 열 부하의 바람직하지 않은 증가의 위험을 제거하기 위한 제어 전략에 관한 것이다. 전압 또는 전류의 분석에 의한 인젝터 개방 및 폐쇄 이벤트들의 검출은 주지되어 있다. 전류 분석에 의한 개방 이벤트 검출의 한 예가 도 4에 도시되어 있으며("OPP2"로 표시됨), 여기서 가속도계 신호는 참조 부호(14)로, 전압 신호는 참조 부호(16)로, 테스트 펄스는 참조 부호(18)로, 그리고 전류 신호는 참조 부호(20)로 표시되어 있다.
이들 이벤트들의 검출은 진단적인 목적들에 유용하며, 인젝터 전이 페이스의 지속기간(duration)의 변화에 기인한 흐름에 있어서의 수명 변화(lifetime shift)들을 보상하는데 또한 사용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 이러한 검출의 일 실시예는 입력값으로서 전류 파형의 시간에 대한 2차 도함수(24)를 사용하여 개방 검출시 전기 펄스(22)를 발생시키는 회로를 갖춘 하드웨어 형태이다. 스퓨리어스 초기 펄스(spurious initial pulse)(26)는, 예를 들어 인젝터 펄스-폭 중에 특정된 소정의 시간들 동안에 걸친 펄스만을 허용하는 이네이블 윈도우(enable window)를 적절히 사용함으로써 무시될 수가 있다. 인젝터 상태를 검출하는 것에 전류의 2차 도함수를 사용하는 것의 한가지 예가, 발명의 명칭이 "솔레노이드-엑츄에이터-전기자 모션-종료 검출(Solenoid-Actuator-Armature End-of-Motion Detection)"인, 본 정규 출원과 동일자로 출원되어 동시 계류중인 미국 가출원(U.S. Provisional Application) 61/836,742호(Attorney Docket Number: 2012P02238US)에 개시되어 있는데, 그 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따라 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스에서 인젝터를 작동시키도록 구성 및 배열된 피크 및 홀드 구동 회로(10')의 블록 선도가 도시되어 있다. 이 회로(10')는 인젝터 개방 검출 회로(29)를 갖춘 트리거 회로(28)를 포함한다. 따라서, 트리거 회로(28)는 도 2의 종래 기술의 전류 임계치 트리거 회로(12)를 대체한다. 이 회로(10)는, 예를 들어 상기 언급된 전류 파형의 시간에 대한 2차 도함수(24)를 이용하는 것에 의해서 검출된 것과 같은 인젝트 개방 이벤트를 이용해서, 인젝터 작동 제어의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 홀드 페이스로의 전이를 촉발시킨다. 이 실시예에서, 검출 회로(29)는 전류를 시간에 대해 미분하기 위한 프로세싱 또는 미분 회로(31)를 포함한다. 전류의 2차 도함수를 이용하는 대신에, 엑츄에이터 또는 인젝터의 개방 상태를 검출하는 다른 종래의 방법이 이용될 수도 있다. 이 실시예의 구현에 의해서 야기될 수 있는 전류 파형(30)의 예시가 도 7에 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 트리거 회로(28)를 포함하는 회로(10')가 전체적으로 참조 부호(36)로 표시된 환원제 전달 유닛(RDU)의 솔레노이드 작동식 인젝터(34)에 전기적으로 연결된 제어 유닛(32) 내에 바람직하게 제공되어 있다. 환원제 전달 유닛(RDU)(36)은 미국 특허 출원공개 제 2008/0236147 A1에 개시된 타입의 시스템에 사용될 수 있으며, 그 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
환원제 전달 유닛(RDU)(36)은 유체의 계량 기능을 제공하고 도우징 도포(dosing application)에 있어서 차량의 배기 가스 유동 경로 안으로 유체의 분사 조제물을 제공하는 솔레노이드 유체 인젝터(34)를 포함한다. 유체 인젝터(34)는 바람직하게는, 미국 특허 제 6,685,112 호에 개시된 타입과 같은, 가솔린, 전기 작동식 솔레노이드(코일) 연료 인젝터이며, 그 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 따라서, 인젝터(34)의 코일에 전력이 가해지면(energized) 인젝터 내의 밸브가 개방되어서, 종래의 방식으로 환원제가 배기 가스 유동 경로로 전달되게 한다.
트리거로서 인젝터 개방 이벤트를 이용함으로써, 인젝터의 열 부하가 인젝터의 개방을 보장하는데 필요한 최소값으로 제한된다. 상승-피크 페이스가 길어지게 되는(drawn-out) 위험 및 따라서 추가적인 열 부하가 또한 방지된다.
전술한 바람직한 실시예들은 본 발명의 구조적이고 기능적인 원리들을 예시할 뿐만 아니라 바람직한 실시예들을 사용하는 방법들을 예시할 목적으로 도시되고 설명되었으며, 이들 실시예들은 그러한 원리들을 벗어나지 않고 변형될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 이후의 청구범위들의 사상에 내포되는 모든 수정들을 포함한다.

Claims (11)

  1. 차량들의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 솔레노이드 작동식 인젝터(solenoid-operated injector)를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)의 피크 및 홀드 구동 회로용 트리거 회로로서, 상기 피크 및 홀드 구동 회로는 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스(rise-to-peak current phase)에서 상기 인젝터를 작동시키도록 구성 및 배열되어 있으며, 상기 트리거 회로는
    상기 인젝터의 검출된 실제 개방 이벤트에 근거하여 상기 인젝터의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 상기 저전류 홀드 페이스로의 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된 인젝터 개방 검출 회로를 포함하는,
    트리거 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 회로가 상기 트리거 회로를 포함하도록
    상기 트리거 회로가 상기 구동 회로와 조합된,
    트리거 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 트리거 회로는 상기 환원제 전달 유닛(RDU)과 추가적으로 조합된,
    트리거 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 환원제 전달 유닛(RDU)과 전기적으로 연결된 제어 유닛을 더 포함하고,
    상기 구동 회로 및 상기 트리거 회로는 상기 제어 유닛의 일부인,
    트리거 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 검출 회로는, 입력값으로서 전류 파형의 시간에 대한 2차 도함수를 이용하는 것에 의해서 상기 인젝터의 개방 이벤트를 검출할 때 발생되는 전기 펄스에 근거하여 상기 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된,
    트리거 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개방 검출 회로는 전류를 시간에 대해 미분하기 위한 미분 회로(differentiating circuit)를 포함하는,
    트리거 회로.
  7. 차량들의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제 전달 유닛(RDU) 및 제어 유닛으로서,
    솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)과, 그리고
    상기 인젝터와 전기적으로 연결되어 있는 제어 유닛으로서, 저전류 홀드 페이스가 뒤따르는 상승-피크 전류 페이스에서 상기 인젝터를 작동시키도록 구성 및배열된 피크 및 홀드 구동 회로를 갖추고 있고, 상기 구동 회로는 인젝터의 검출된 실제 개방 이벤트에 근거하여, 상기 인젝터의 상기 상승-피크 페이스로부터 후속하는 상기 홀드 페이스로의 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된 인젝터 개방 검출 회로를 포함하는 제어 유닛을 포함하는,
    환원제 전달 유닛(RDU) 및 제어 유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인젝터 개방 검출 회로는, 입력값으로서 전류 파형의 시간에 대한 2차 도함수를 이용하는 것에 의해서 상기 인젝터의 개방 이벤트를 검출할 때 발생되는 전기 펄스에 근거하여 상기 전이를 촉발시키도록 구성 및 배열된,
    환원제 전달 유닛(RDU) 및 제어 유닛.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인젝터 개방 검출 회로는 전류를 시간에 대해 미분하기 위한 미분 회로를 포함하는,
    환원제 전달 유닛(RDU) 및 제어 유닛.
  10. 차량들의 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 솔레노이드 작동식 인젝터를 갖춘 환원제 전달 유닛(RDU)을 촉발시키는 방법으로서,
    상기 인젝터의 실제 개방 이벤트를 검출하는 단계와,
    상기 검출하는 단계에 근거하여, 상기 인젝터의 상승-피크 페이스로부터 후속하는 홀드 페이스로의 전이를 촉발시켜서, 상기 인젝터 상의 열 부하를 상기 인젝터의 개방을 보장하는데 필요한 최소값으로 제한하는 단계를 포함하는,
    방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 검출하는 단계가 상기 인젝터의 전류 파형의 시간에 대한 2차 도함수를 이용하는,
    방법.
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