KR20210075858A - 유체 공급 시스템의 작동 방법 및 유체 공급 시스템 - Google Patents

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아르노 맛츠너
마틴 뵈르너
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 펌프 챔버(220) 및 펌프 챔버(220)를 위한 능동 제어 가능한 2개의 밸브들(221, 222)을 갖는 펌프(210)와; 필터(230);를 구비한 유체 공급 시스템(100)의 작동 방법이며, 이때 펌프에 의해서는 유체가 필터를 거치도록 이송 가능하고, 필터(230)를 적어도 부분적으로 정화하기 위해, 펌프 및 밸브들(221, 222)은, 유체(121)가 필터(230)를 거치도록 펄스 형태로 펌핑되는 방식으로 제어되는, 상기 유체 공급 시스템의 작동 방법과, 이러한 유체 공급 시스템(100)에 관한 것이다.

Description

유체 공급 시스템의 작동 방법 및 유체 공급 시스템{METHOD FOR OPERATING A FLUID SUPPLY SYSTEM AND THE FLUID SUPPLY SYSTEM}
본 발명은, 펌프를 구비한 유체 공급 시스템의 작동 방법과, 이러한 작동 방법의 실행을 위한 컴퓨터 유닛 및 컴퓨터 프로그램과, 이러한 컴퓨터 유닛을 구비한 유체 공급 시스템에 관한 것이다.
자동차 내 배기 가스 후처리 시에는, 특히 질소 산화물(NOx)의 환원을 위해 소위 SCR 방법[Selective Catalytic Reduction(선택적 촉매 환원)]이 사용될 수 있다. 이 경우, 환원제 용액으로서 요소 수용액(Urea Water Solution: UWS)이, 전형적으로 산소가 풍부한 배기 가스 내로 도입된다.
이를 위해, 요소 수용액을 배기 가스 흐름 내에 분사하거나 주입하기 위한 노즐을 포함하는 계량 공급 모듈 또는 계량 공급 밸브가 사용될 수 있다. SCR 촉매 컨버터의 상류에서 요소 수용액은 반응하여 암모니아를 생성하고, 이어서 이러한 암모니아는 SCR 촉매 컨버터에서 질소 산화물과 결합함으로써, 물과 질소가 생성된다.
계량 공급 밸브는 전형적으로 압력 라인을 통해 펌프와 연결된다. 이러한 펌프는 환원제 탱크로부터 계량 공급 모듈로 요소 수용액을 펌핑한다. 추가적으로, 대개는 초과량의 요소 수용액을 귀환시킬 수 있는 귀환부가 환원제 탱크와 연결된다. 귀환부 내의 오리피스 또는 스로틀은 이러한 귀환 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명에 따라, 독립 청구항들의 특징들을 갖는, 유체 공급 시스템의 작동 방법과, 이러한 작동 방법의 실행을 위한 컴퓨터 유닛 및 컴퓨터 프로그램과, 유체 공급 시스템이 제안된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들 및 하기 상세한 설명의 대상이다.
본 발명은 (적어도) 하나의 펌프 및 하나의 필터를 포함하는 유체 공급 시스템의 작동 방법에 관한 것이다. 한편, 펌프는 2개의 밸브들을 구비한 펌프 챔버를 포함하며, 이러한 2개의 밸브들은 능동 제어 가능하고, 즉 의도한 대로 개방 가능하고 폐쇄 가능하다. 이 경우, 이러한 2개의 밸브들은 특히 유입 밸브로서 그리고 배출 밸브로서 사용된다. 이 경우, 펌프 및 필터는 바람직하게는 구조적 유닛의 의미에서 이송 유닛의 일부일 수 있지만, 펌프와 필터가 (예를 들어 차량 내에) 장착된 상태에서는 유체 연결되어 있으나 본질적으로 별도의 구성 요소들인 것도 기본적으로 고려 가능하다.
이 경우, 능동 제어 가능한 밸브(이는 유입 밸브뿐만 아니라 배출 밸브에도 적용됨)란, 밸브의 개폐가 예를 들어 마그네틱 스위치(magnetic switch)를 통해 또는 전자석으로 스위칭되는 밸브를 통해 능동적으로 의도한 대로 유도될 수 있음을 의미한다. 이와 대조적으로, 다른 밸브들(또는 마찬가지로 종래에 SCR 시스템의 펌프들 내에 사용되었던 밸브들)은, 특정 압력의 인가 시에 수동 또는 자동으로 개방되는 밸브들이다. 즉, 이러한 종래의 밸브들에 의해, 유체는 예를 들어 펌프의 흡입 단계에서 유입 밸브를 통해 펌프 챔버 내로 흡입된 이후, 펌핑 단계 또는 이송 단계에서 배출 밸브를 통해 (유입 밸브의 폐쇄 시에) 펌프 챔버로부터 배출되도록 가압될 수 있다.
또한, 바람직하게 유체 공급 시스템은 유체를 위한 유체 탱크 및 계량 공급 모듈을 포함하고, 이러한 유체는 계량 공급 모듈로부터 펌프를 거쳐 유체 탱크로 역이송 가능하다. 이 경우, 유체는 필터도 거치도록 이송되고, 이때 이러한 필터는 전형적으로 유체 탱크와 펌프 사이에 제공되므로, 유체가 펌프에 도달했을 때, 유체는 이미 정화되어 있다. 그러나, 필터(또는 추가 필터)는 펌프와 계량 공급 모듈 사이에도 제공될 수 있다.
이러한 유체 공급 시스템의 특히 바람직한 유형은 도입부에 이미 언급한 SCR 공급 시스템이며, 이러한 SCR 공급 시스템에서는 계량 공급 모듈에 의해 차량의 배기 가스 흐름 내에 주입될 수 있는 요소 수용액이 유체로서 사용된다.
이러한 펌프 자체는 (SCR 공급 시스템의 경우에서뿐만 아니라 다른 유체 공급 시스템에서도) 소위 다이어프램 펌프일 수 있다. 여기서는, 전동기를 통해 구동되는 편심기에 의해, 다이어프램과 연결된 커넥팅 로드가 앞뒤로 또는 위아래로 운동함으로써, 다이어프램에 의해 격리된 펌프 챔버의 체적이 축소 및 확대될 수 있다.
전형적으로 이러한 다른 유체 공급 시스템 또는 SCR 공급 시스템의 필터는 비교적 크지만, 그럼에도 불구하고 점차 오염물 또는 불순물이 내부에 침전되므로, 어느 시점에는 필요한 관류가 더 이상 보장될 수 없거나, 흡입측에 너무 높은 압력이 형성되어, 필요하거나 요구되는 효율이 더 이상 제공될 수 없게 된다. 이때, 이러한 필터는, 유체 공급 시스템 또는 SCR 공급 시스템의 정규 작동이 계속적으로 또는 재차 가능해지도록 교체되어야 한다.
본 발명은 능동 제어 가능한 밸브들을 활용하는데, 정확히 말하자면 유체가 필터를 거치도록 펄스 또는 서지 형태로 펌핑되거나 이송되는 방식으로 펌프와 2개의 밸브들이 (함께 또는 전체적으로) 제어되도록 활용한다. 이러한 방식으로, 즉 유체 내의 압력파에 의해 필터로부터 침전물이 분리됨으로써 필터는 (필요한 경우) 적어도 부분적으로 정화될 수 있다. 이후, 이러한 분리된 침전물은 예를 들어 (장착된 상태에서의 유체 공급 시스템의 배향에 따라) 유체 탱크 내에 또는 다른 곳에 침전될 수 있다.
유체를 필터를 거치도록 펄스 형태로 펌핑하기 위해, 처음에 펌프 챔버 내로 유체가 흡입된다. 이를 위해, 밸브들 중 하나의 밸브는 개방되고, 다른 하나의 밸브는 폐쇄될 수 있다. 이후, 밸브들이 폐쇄된 상태에서 펌프 챔버 내에 압력이 형성된다. 즉, 이를 위해, 펌프 챔버의 체적이 감소되는 소정의 기간 동안 2개의 밸브들이 통상의 작동과는 달리 폐쇄 상태로 유지된다. 그런 이후, 즉 연결된 라인 내 압력에 비한 특정 초과압 또는 요구되는 초과압에 도달한 이후에야, 2개의 밸브들 중 하나의 밸브가 개방되므로, 유체는 (연결된 라인 내 압력에 비해) 상승된 압력에 의하여 라인 내로 펌핑되고, 필터의 방향으로 또는 필터를 거치도록 펌핑되거나 이송된다. 이를 위해, 밸브들 중에서, 필터가 제공되는 측의 밸브가 개방되어야 함이 자명하다. 초과압에 대한 압력 임계값은 예를 들어 최대 10바아 또는 그 이상일 수 있으며, 예를 들어 0.5바아와 같이 더 낮은 값도 고려 가능할 것이다. 구체적이며 바람직한 값은 궁극적으로 실험을 토대로 결정될 수도 있다.
제안된 방법에 의해 필터가 경우에 따라서는 부분적으로만 오염물이 제거될 수 있더라도, 이로 인해 필터의 내구 수명 또는 사용 수명의 소정의 연장이 가능하다. 이 경우, 이러한 과정은 원하는 만큼의 또는 필요한 만큼의 빈도로 반복될 수 있다.
또한, (종래의 수동식 밸브들 또는 체크 밸브들에 비해) 능동 제어 가능한 밸브들의 특별한 장점은, 유체가 통상의 방향으로만 유체 탱크로부터 펌프를 거쳐 계량 공급 모듈로 이송될 수 있는 것이 아니라, (이에 상응하는 반대 방향으로의 밸브 제어를 통해) 계량 공급 모듈로부터 펌프를 거쳐 유체 탱크로 이송될 수도 있다는 것이다. 정규 이송 방향에 반대되는 이러한 이송 방향은 특히 SCR 공급 시스템에서 장점을 갖는데, 이는 SCR 공급 시스템에서는 특히 겨울철에 동결을 방지하기 위하여, 내연 기관 또는 디젤 엔진의 정지 이후에 유체(또는 이 경우에는 요소 수용액)가 재차 계량 공급 모듈로부터 유체 탱크 내로 역이송될 수 있기 때문이다.
이와 관련하여, 2개의 밸브들 각각이 이송 방향에 따라 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있기 때문에, 이러한 2개의 밸브들에서 더 이상 유입 밸브와 배출 밸브가 반드시 구분될 수는 없다고도 말할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범주에서 유입 밸브 및 배출 밸브가 언급되는 경우, 이러한 명칭은, 반대되는 이송 방향이 가능하더라도, 유체 탱크로부터 펌프를 거쳐 계량 공급 모듈로 향하는 정규 이송 방향에 맞춰진다.
여기서 특히, 그러한 역이송 시에는 제안된 펄스 형태의 펌핑에 의한 필터 정화가 유체 공급 시스템의 정규 작동에 전혀 또는 그다지 영향을 미치지 않는 효과가 나타난다. 또한, 이에 부가하여, 특히 SCR 공급 시스템의 경우, 필터, 즉 상응하게 역이송의 범위 내에서 정화될 수 있는 하나 이상의 메인 필터가 유체 탱크와 펌프 사이에 제공된다.
본 발명에 따른 컴퓨터 유닛, 예를 들어 엔진 제어 장치 또는 배기 가스 후처리 제어 장치와 같은 자동차 제어 장치는, 특히 프로그래밍 기술에 의해 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 대상은, 펌프 챔버 및 펌프 챔버를 위한 능동 제어 가능한 2개의 밸브들을 갖는 펌프와; 필터와; 본 발명에 따른 컴퓨터 유닛;을 구비한 유체 공급 시스템, 특히 SCR 공급 시스템이다.
모든 방법 단계들을 실행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터 프로그램 제품의 형태로 본 발명에 따른 방법을 구현하는 것도 바람직한데, 그 이유는 특히 실행하는 제어 장치가 또 다른 작업들을 위해서도 이용됨에 따라 어차피 존재하는 경우에는, 상기 방식이 특히 적은 비용을 야기하기 때문이다. 컴퓨터 프로그램을 제공하기에 적합한 저장 매체는 특히, 예를 들어 하드 디스크, 플래시 메모리, EEPROM, DVD 등과 같은 자기식, 광학식 및 전자식 메모리이다. 컴퓨터 네트워크(인터넷, 인트라넷 등)를 통한 프로그램 다운로드도 가능하다.
본 발명의 추가의 장점들 및 실시예들은 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 얻어진다.
본 발명은 실시예에 의해 도면에 개략적으로 도시되며, 하기에 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 바람직한 일 실시예에서의, 본 발명에 따른 유체 공급 시스템의 개략적 도면이다.
도 2는 바람직한 일 실시예에서의, 본 발명에 따른 방법의 시퀀스의 개략적 도면이다.
도 1에는 바람직한 일 실시예에서의, SCR 공급 시스템으로서 형성된 유체 공급 시스템(100)이 개략적으로 그리고 예시적으로 도시되어 있다. SCR 공급 시스템(100)은, 펌프 챔버(220) 및 펌프 챔버(220)를 위한 능동 제어 가능한 2개의 밸브들(221 및 222)을 갖는 펌프 또는 이송 펌프(210)와; 필터(230);를 포함한다. 예를 들어, 이러한 구성 요소들은, 예를 들어 구조적 유닛으로서 제공될 수 있는 이송 유닛(200)을 함께 형성한다.
이 경우, 정규 이송 방향에서 밸브 "221"은 유입 밸브로서 사용되는 반면, 밸브 "222"는 배출 밸브로서 사용된다. 또한, 펌프(210)는 펌프 챔버(220)의 체적을 확대 및 축소시키기 위해 이송 요소(225)를 포함한다. 이러한 점에서, 구체적 유형의 이송 요소(225), 예를 들어 피스톤 등은 제안된 본원의 방법과는 무관하다는 사실에 유의해야 한다.
펌프(210)는, 압력 라인(122)을 통해 유체 탱크(120)로부터 계량 공급 모듈 또는 계량 공급 밸브(130)로 이송될 유체로서 환원제(121)(또는 환원제 용액)를 이송하도록 구성된다. 그곳에서, 환원제(121)는 이후에 내연 기관의 배기 가스 라인(170) 내로 분사된다.
또한, 적어도 압력 라인(122) 내의 압력을 측정하도록 구성된 압력 센서(140)가 제공된다[이러한 압력 센서는 이송 유닛(200) 내에 배치될 수도 있다]. 예를 들어 배기 가스 후처리 제어 장치로서 형성된 컴퓨터 유닛(150)은 압력 센서(140)와 연결되고, 이러한 압력 센서로부터 압력 라인(122) 내 압력에 대한 정보를 얻는다. 또한, 배기 가스 후처리 제어 장치(150)는 이송 유닛(200)과, 그곳에서도 특히 펌프(210)와, 그리고 계량 공급 모듈(130)과 연결됨으로써, 이들을 제어할 수 있다.
또한, SCR 공급 시스템(100)은 예를 들어, 환원제가 시스템으로부터 유체 탱크(120) 내로 귀환될 수 있도록 하는 귀환부(160)를 포함한다. 이러한 귀환부(160) 내에는, 예를 들어 국소 유동 저항을 제공하는 오리피스 또는 스로틀(161)이 배열된다. 그러나, 제안된 방법에서는 이러한 귀환부가 능동 제어식 밸브들에 의해 생략될 수도 있다는 사실에 유의해야 한다.
배기 가스 후처리 제어 장치는, 작동 전략에 따라 요소 수용액을 SCR 촉매 컨버터 상류의 배기 가스 섹션 내에 주입하기 위하여, 예를 들어 온도, 압력 및 배기 가스 내 질소 산화물 함량을 위한 센서들 또는 엔진 제어 장치로부터 수신된 데이터와 같은 관련 데이터에 따라 시스템의 액추에이터들을 조정하도록 구성된다. 또한, 예를 들어 온보드 진단기(On-Board Diagnostics: OBD)는 배기 가스 후처리 시스템의 배기 가스 한계값 준수와 관련된 부품들 및 모듈들을 모니터링한다.
도 2에는 바람직한 일 실시예에서의, 본 발명에 따른 방법의 시퀀스가 개략적으로 도시되어 있다. 이를 위해, 시간(t)에 걸친 펌프의 양정(h)(예를 들어 피스톤 양정 또는 다이어프램 양정)이, 위아래로 나란히 도시된 2개의 그래프들로 각각 도시되어 있다. 이 경우, 양정(h)은 상사점(OT)과 하사점(UT) 사이에서 변화하며, 펌프 챔버는 OT에서 자신의 최대 체적을 갖는 반면, UT에서 자신의 최소 체적을 갖는다. 이 경우, 곡선들(V1 및 V2)은, 예를 들어 압력 라인의 결빙을 방지하기 위한, 압력 라인(122)으로부터 탱크(121) 내로의 유체의 역이송을 설명한다.
윗쪽 그래프의 곡선(V1)은 펌프에 의한 유체의 이송을 보여주며, 이때 지점들(A, B, C 및 D)에 의해서는 밸브들 중 하나의 밸브의 움직임(개방 또는 폐쇄)이 실행되는, 펌프 챔버의 양정 위치들 및 이에 따른 현재 체적의 위치들이 각각 도시된다.
이해를 돕기 위해, 이러한 2개의 밸브들은 하기에 유입 밸브 및 배출 밸브로 지칭되고, 이 경우 유체가 유입 밸브를 통해 펌프 챔버 내로 유입되며, 배출 밸브를 통해 재차 배출된다. 이 경우, 정규의 이송 및 역이송은 동일한 방식으로 기능하고, 역이송 시에 (여기에 제시된 바와 같이) 유입 밸브(222)는 계량 공급 모듈 측에 위치 지정되고, 배출 밸브(221)는 유체 탱크 측에 위치 지정될 수 있다. 정규 이송 시에는, 이와 반대이다.
지점 "A"에서, (체적이 적어도 실질적으로 최대인) 펌프 챔버는 유체로 채워진다. 배출 밸브(221)는 처음에는 여전히 폐쇄되어 있지만, 지점 "A"에서 개방된다. 유입 밸브(222)는 폐쇄 상태로 유지된다. 이로 인해, 유체는 탱크(121)의 방향으로 펌프 챔버로부터 이송되어 나온다.
이후, 지점 "B"에서 유체는 적어도 실질적으로 완전히(실제로는 완전한 비움이 불가능함) 펌프 챔버로부터 제거된다. 이후, 배출 밸브(221)는 폐쇄된다. 그 직후에 또는 얼마 지나지 않아, 지점 "C"에서는 처음에 폐쇄되어 있던 유입 밸브(222)가 개방되고, 배출 밸브는 폐쇄 상태로 유지된다.
이로 인해, OT 방향으로의 후속 양정에 의해, 압력 라인(122)으로부터 펌프 챔버 내로 유체가 흡입된다. OT 도달 시에, 지점 "D"에서는 유입 밸브(222)가 폐쇄되고, 펌프 챔버는 유체로 채워진다. 이어서, 지점 "A"에서부터의 과정이 반복된다.
아랫쪽 그래프에서, 곡선(V2)에 의해서는 마찬가지로 펌프에 의한 유체의 역이송이 보여지며, 이 경우에도 (윗쪽 그래프에서와 마찬가지로) 지점들(A, B, C 및 D)에 의해 밸브들 중 하나의 밸브의 움직임(개방 또는 폐쇄)이 실행되는 펌프 챔버의 양정 위치들 및 이에 따른 현재 체적의 위치들이 각각 도시된다.
여기에 도시된 절차는, 역이송 중에 필터가 정화되는 제안된 방법의 바람직한 일 실시예이다.
윗쪽 그래프에 도시된 것과 같은 이송과의 차이점은, 이 경우 지점 "A"가 시간상 지각 방향으로 변위된다는 것이다. 이는, 즉 지점 "D"의 도달에 의하여 펌프 챔버가 (완전히) 유체로 채워진 직후에, 즉 여전히 대략 OT에 있을 때 배출 밸브(221)가 개방되는 것이 아님을 의미한다. 오히려, 배출 밸브(221)는 UT의 도달 직전에야 개방되는데, 이는 지점 "A"의 위치를 통해 설명된다.
이로 인해, 지점 "D"와 지점 "A" 사이의 시간 범위에서, 펌프 챔버 내의 유체에 소정의 압력이 형성된다. 지점 "A"에서의 배출 밸브(221)의 개방에 의하여, 배출 밸브와 필터 사이의 라인 내 현재 압력과 비교한 초과압(예를 들어, 1 내지 10 바아, 정규 이송 압력은 예를 들어 9바아일 수 있음)을 통해 펄스형 압력파가 생성되고, 이러한 펄스형 압력파에 의해 라인 내 유체는 필터에 이르기까지 확산되며, 이후 그곳에서 오염물을 분리시킨다. 즉, 이러한 방식으로 특히 간단하고 효율적으로 필터에서 오염물이 제거될 수 있다.
이 경우, 배출 밸브가 개방되는 시점 또는 양정의 선택은, 예를 들어 요구에 따라 선택되거나 시험 측정을 참조하여 선택될 수 있다.

Claims (11)

  1. 펌프 챔버(220) 및 펌프 챔버(220)를 위한 능동 제어 가능한 2개의 밸브들(221, 222)을 갖는 펌프(210)와; 필터(230);를 구비한 유체 공급 시스템(100)의 작동 방법이며, 이때 펌프에 의해서는 유체가 필터를 거치도록 이송 가능하고,
    필터(230)를 적어도 부분적으로 정화하기 위해, 펌프 및 밸브들(221, 222)은, 유체(121)가 필터(230)를 거치도록 펄스 형태로 펌핑되는 방식으로 제어되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 유체를 필터(230)를 거치도록 펄스 형태로 펌핑하기 위해, 유체(121)가 펌프 챔버(220) 내로 흡입되고, 그 이후에는 밸브들(221, 222)이 폐쇄된 상태에서 펌프 챔버(220) 내에 압력이 형성되고, 그리고 나서 2개의 밸브들(221, 222) 중 하나의 밸브가 개방되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 펌프 챔버(220) 내의 압력과; 2개의 밸브들(221, 222) 중 하나의 밸브와 필터(230) 사이의 라인 내의 압력; 간의 차압이 압력 임계값을 초과할 때, 2개의 밸브들(221, 222) 중 하나의 밸브가 개방되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 공급 시스템(100)은 유체 탱크(120) 및 계량 공급 모듈(130)을 포함하고, 유체(121)가 계량 공급 모듈(130)로부터 펌프(210)를 거쳐 유체 탱크(120)로 역이송될 때, 유체는 필터(230)를 거치도록 펄스 형태로 펌핑되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서, 필터(230)는 펌프(210)와 유체 탱크(120) 사이에 배열되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 공급 시스템(100)으로서 SCR 공급 시스템이 사용되는, 유체 공급 시스템의 작동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법의 모든 방법 단계들을 실행하도록 구성된 컴퓨터 유닛(150).
  8. 펌프 챔버(220) 및 펌프 챔버(220)를 위한 능동 제어 가능한 2개의 밸브들(221, 222)을 갖는 펌프(210)와; 필터(230)와; 제7항에 따른 컴퓨터 유닛(150);을 구비한 유체 공급 시스템(100).
  9. 유체 탱크(120) 및 계량 공급 모듈(130)을 추가로 구비한, 제8항에 따른 유체 공급 시스템(100), 특히 SCR 공급 시스템.
  10. 컴퓨터 유닛(150)에서 실행될 때, 컴퓨터 유닛(150)으로 하여금 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법의 모든 방법 단계들을 실행하도록 하는 컴퓨터 프로그램.
  11. 제10항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된, 기계 판독 가능한 저장 매체.
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