KR101724928B1 - 차량의 요소 수 분사 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량의 요소 수 분사 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 요소 수를 분사하는 펌프의 구동 전원을 공급하는 배터리의 출력전압이 낮은 온도로 인하여 정격전압에 미치지 못하는 경우에 배터리의 출력전압을 정격전압까지 승압함으로써, 요소 수의 원활한 분사를 가능하게 하는 차량의 요소 수 분사 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 있어서, 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 승압기; 상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 펌프; 및 상기 배터리의 출력전압을 체크하여 정격전압 미만이면, 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 상기 승압기를 제어하는 제어기를 포함한다.
이를 위하여, 본 발명은 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 있어서, 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 승압기; 상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 펌프; 및 상기 배터리의 출력전압을 체크하여 정격전압 미만이면, 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 상기 승압기를 제어하는 제어기를 포함한다.
Description
본 발명은 차량의 요소 수 분사 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 온도로 인하여 배터리의 출력전압이 정격전압에 미치지 못하는 경우(정격전압 미만인 경우)에 배터리의 출력전압을 승압하여 요소 수의 원활한 분사를 가능하게 하는 기술에 관한 것이다.
디젤 차량은 배기가스를 정화하기 위해 DOC(Diesel Oxdiation Catalyst), DPF(Diesel Particulate Filter), SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템을 구비한다.
DOC는 디젤 산화 촉매로서, 일산화탄소와 탄화수소를 산화시켜 이산화탄소와 물로 바꿔주는 역할을 한다.
DPF는 필터, 재생기, 제어기로 이루어진 매연 정화 장치로서, 필터는 다공질의 격벽으로 이루어져 있어 입자가 작은 공기는 통과시키고 입자가 큰 매연(soot)을 걸러주는 역할을 한다. 매연이 쌓이면 배압(back pressure)이 높아지고 출력이 저하되므로, 재생기는 차압센서(differential pressure sensor), 온도센서 등을 기반으로 후분사(Post Injection)를 통해서 주기적으로 필터를 청소한다.
SCR 시스템은 배기가스 중의 질소산화물을 제거하는 선택적 촉매 환원 시스템으로서, 요소 수(Urea solution)를 배기관 내 촉매 앞의 배기가스에 분사하면, 열분해 반응과 가수분해 반응에 의해 암모니아가 발생하며, 상기 암모니아가 촉매 내의 산화질소와 반응을 일으켜 인체에 무해한 질소와 물로 환원된다.
일반적으로, 요소 수는 디젤엔진의 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 획기적으로 줄여주는 역할을 하기 때문에 디젤엔진이 적용된 대형버스나 대형트럭 등에 주로 사용된다. 이때, SCR 시스템은 요소 수 탱크와 상기 요소 수 탱크 내에 위치한 펌프 등을 구비하고 있어 상기 펌프를 구동시켜 요소 수를 분사하는 역할을 한다.
이러한 SCR 시스템은 차량에 탑재된 배터리의 전원을 이용하여 펌프 내 모터를 구동시켜 요소 수를 분사하는데, 날씨가 추운 겨울에는 배터리의 출력전압이 정격전압에 미치지 못하여 정상적으로 요소 수를 분사하지 못하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 요소 수를 분사하는 펌프의 구동 전원을 공급하는 배터리의 출력전압이 낮은 온도로 인하여 정격전압에 미치지 못하는 경우에 배터리의 출력전압을 정격전압까지 승압함으로써, 요소 수의 원활한 분사를 가능하게 하는 차량의 요소 수 분사 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 있어서, 전원을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 승압기; 상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 펌프; 및 상기 배터리의 출력전압을 체크하여 정격전압 미만이면, 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 상기 승압기를 제어하는 제어기를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 차량의 요소 수 분사 제어 방법에 있어서, 제어기가 배터리의 출력전압을 체크하는 단계; 상기 배터리의 출력전압이 정격전압 미만이면, 상기 제어기가 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 승압기를 제어하는 단계; 상기 승압기가 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 단계; 및 펌프가 상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 요소 수를 분사하는 펌프의 구동 전원을 공급하는 배터리의 출력전압이 낮은 온도로 인하여 정격전압에 미치지 못하는 경우에 배터리의 출력전압을 정격전압까지 승압함으로써, 요소 수의 원활한 분사를 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 SCR 시스템의 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 회로도,
도 4 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 회로도,
도 4 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 SCR 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 SCR 시스템은, 엔진(1), 배기 파이프(3), 디젤산화촉매(5), SCR 일체형 디젤매연필터(10), 온도센서(12), 제어부(18), 도징모듈(20), 믹서(22), 요소탱크(30), 펌프(32), 요소공급라인(34) 및 압력센서(36)를 포함한다.
상기 디젤산화촉매(5)는 엔진(1)에 가까이 장착되어 산화반응을 통해 배출가스에 포함된 NOx를 정화한다.
SCR 일체형 디젤매연필터(10)는 통상적인 디젤매연필터의 내부에 V2O5/TiO2 또는 Pt/Al2O3 또는 제올라이트(Zeolite) 등의 물질이 코팅 처리되어 구성되며, 도징모듈(20)에서 분사되는 요소 수로부터 취득되는 암모니아와 NOx의 환원반응으로 NOx를 정화하고, 매연을 포집하여 매연이 배출되는 것을 차단한다.
온도센서(12)는 SCR 일체형 디젤매연필터(10)의 온도변화를 검출하여 제어부(18)에 제공한다.
제어부(18)는 SCR 일체형 디젤매연필터(10)가 재생모드로 진입되면 상기 온도센서(12)에서 제공되는 정보로부터 온도 상승률을 분석하여 요소수의 분사 여부를 판단하고, 요소수의 분사에 따라 변화되는 SCR 일체형 디젤매연필터(10)의 재생 온도 감소율과 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이를 분석하여 요소 수 분사량을 보정한다.
상기 제어부(18)는 SCR 일체형 디젤매연필터(10)가 재생모드로 진입한 이후 재생 온도의 상승에 따른 온도 상승률이 설정된 제1기준, 예를 들어 2.5℃/sec 미만일 때 요소수 분사를 실시한다.
상기 제어부(18)는 SCR 일체형 디젤매연필터(10)의 재생중에 요소 수 분사에 의해 재생 온도의 감소율이 설정된 제2기준, 예를 들어 -2.5℃/sec 미만이거나 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준, 예를 들어 50℃를 초과하면 요소 수 분사량 보정을 실시한다.
상기 제어부(18)는 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR 일체형 디젤매연필터(10)에서 요구되는 암모니아(NH3)의 필요량을 산출한다.
상기 제어부(18)는 하기의 [수학식 1]에 기초하여 요소 수 필요량을 산출한다.
[수학식 1]
암모니아의 필요량 × 분자량 비(요소 수/NH3) ÷ 요소 수 내 요소 질량분율
상기 제어부(18)는 재생온도의 감소율과, 목표 재생온도와 실제 재생온도 사이의 함수(목표 재생온도 - 실제 재생온도)로 요소수 분사량을 보정한다.
도징모듈(20)은 제어부(18)에서 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따라 인젝터가 작동되어 상기에서 산출된 요소 수량을 고압으로 분사한다.
믹서(22)는 도징모듈(20)과 SCR 일체형 디젤매연필터(10)의 사이에 배치되어 도징모듈(20)을 통해 분사되는 요소 수 입자를 충돌시켜 입자를 쪼개는 역할을 하며, 이를 통해 배출가스와 요소 수 입자가 골고루 섞이도록 하여 배기가스 내의 NOx와 요소 수로부터 생성된 암모니아를 최적으로 혼합시킨다.
요소 수 탱크(30)는 분사하기 위한 요소 수를 저장하고, 내부에 장착되는 펌프(32)의 구동으로 요소공급라인(34)에 설정된 균등한 압력을 형성시킨다.
압력센서(36)는 요소공급라인(34)에 형성되는 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(18)에 제공하여 엔진(1)이 시동 온을 유지하고 있는 상태에서 항상 설정된 압력이 유지될 수 있도록 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치는, 펌프(210), 배터리(220), 승압기(230), 제어기(240)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 펌프(210)는 요소 수 탱크(30) 내에 탑재되어 배터리(220)로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사한다.
다음으로, 배터리(220)는 펌프(210)에 전압을 공급한다. 이러한 배터리(220)는 차량에 탑재되어 기본적으로 정격전압을 출력하지만, 온도가 낮은 경우에는 정격전압 미만의 전압을 출력하게 된다. 이때, 정격전압을 공급받지 못한 펌프(210)는 정량의 요소 수를 분사하지 못하게 되어 결국 배기가스를 정상적으로 정화하지 못하게 된다.
다음으로, 승압기(230)는 일례로 코일로 구현될 수 있으며, 제어기(240)의 제어하에 배터리(220)의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 역할을 수행한다(boost the voltage).
다음으로, 제어기(240)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.
특히 제어기(240)는 배터리(220)의 출력전압을 체크하여 정격전압 미만이면, 배터리(220)의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 승압기(230)를 제어한다.
도 3 은 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 장치에 대한 일실시예 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(240)는 스위치(241)를 구비하고, PWM 신호를 기반으로 상기 스위치(241)의 온/오프를 제어한다.
즉, 제어기(240)는 배터리(220)가 정격전압을 출력하는 경우에는 코일(230)을 통해 배터리(220)의 출력전압을 승압할 필요가 없기 때문에 스위치(241)를 오프 시켜 배터리(220)의 전원이 펌프 내 모터(210)로 공급되도록 한다(251). 이때, 제어기(240)는 PWM 신호의 듀티(duty)를 0으로 설정하여 하이(High) 구간의 비율이 0이 되게 한다. 여기서, 듀티는 PWM 신호에서 하이 구간의 비율을 나타낸 값으로서, 듀티가 1이면 PWM 신호는 100% 하이 구간으로 이루어진 신호를 의미하고, 듀티가 0.5이면 50%만 하이 구간으로 이루어진 것을 의미한다. 듀티가 0.5인 경우에 PWM 신호에서 50%는 로우 구간이고 50%는 하이 구간이다.
그러나 배터리(220)의 출력전압이 정격전압 미만이면 스위치(241)를 온 시켜 코일(230)이 배터리(220)의 출력전압을 승압하도록 한다(252). 이때, 제어기(240)는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 방식에 기초하여 PWM 신호의 듀티를 증가시킨다.
즉, 제어기(240)는 PWM 신호의 듀티를 0에서 최대 1까지 일정비율로 증가시키면서 배터리의 출력전압을 체크한다. 이때, 승압된 전압이 정격전압을 만족하면 듀티 조절을 중단하고 현재의 듀티를 유지한다. 배터리(220)의 주변 온도는 수시로 변하기 때문에 PID 제어가 가장 바람직하다.
한편, 듀티(D)에 따른 배터리의 출력전압(VBAT)과 펌프의 입력전압(VM) 사이의 관계는 하기의 [수학식 2]를 만족한다.
[수학식 2]
도 4 는 본 발명에 따른 차량의 요소 수 분사 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 제어기(240)가 배터리(220)의 출력전압이 정격전압인지 체크한다(401).
상기 체크 결과(401), 상기 배터리(220)의 출력전압이 정격전압이 아니면, 상기 배터리(220)의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 승압기(230)를 제어한다(402). 그러면, 상기 승압기(230)가 배터리(22)의 출력전압을 정격전압으로 승압한다.
상기 체크 결과(401), 상기 배터리(220)의 출력전압이 정격전압이면 승압기(230)를 동작시키지 않는다. 즉, 하기의 '403' 과정으로 진행한다.
이후, 펌프(210)가 승압기(230)로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사한다(403).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
210 : 펌프
220 : 배터리
230 : 승압기
240 : 제어기
220 : 배터리
230 : 승압기
240 : 제어기
Claims (12)
- 전원을 공급하는 배터리;
상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 승압기;
상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 펌프; 및
상기 배터리의 출력전압을 체크하여 정격전압 미만이면, 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 상기 승압기를 제어하는 제어기를 포함하되,
상기 제어기는,
PWM 신호의 듀티를 조절하여 상기 승압기를 제어하되, 상기 PWM 신호의 듀티를 0에서 최대 1까지 일정비율로 증가시키면서 승압된 전압이 정격전압을 만족하면 듀티 조절을 중단하고 현재의 듀티를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량의 요소 수 분사 제어 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 승압기는,
코일인 것을 특징으로 하는 차량의 요소 수 분사 제어 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제어기가 배터리의 출력전압을 체크하는 단계;
상기 배터리의 출력전압이 정격전압 미만이면, 상기 제어기가 상기 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하도록 승압기를 제어하는 단계;
상기 승압기가 배터리의 출력전압을 정격전압으로 승압하는 단계; 및
펌프가 상기 승압기로부터의 정격전압에 기초하여 요소 수를 분사하는 단계를 포함하되,
상기 승압 단계는,
PWM 신호의 듀티를 조절하여 승압하되, 상기 PWM 신호의 듀티를 0에서 최대 1까지 일정비율로 증가시키면서 승압된 전압이 정격전압을 만족하면 듀티 조절을 중단하고 현재의 듀티를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량의 요소 수 분사 제어 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 승압기는,
코일인 것을 특징으로 하는 차량의 요소 수 분사 제어 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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