JP6853264B2 - 加熱システム - Google Patents

Description

本開示は、流体の流れの応用分野のための加熱およびセンシングシステム、例えば、ディーゼル排気ガスおよび後処理システムのような乗り物の排気システムに関する。

このセクションの記述は、本開示に関連する背景の情報を単に提供するものに過ぎず、先行技術を構成しないことがある。

エンジンの排気システムのような一時的な流体の流れの応用分野における物理センサの使用は、振動および熱の循環のような過酷な環境条件によって、チャレンジングである。既知の１つの温度センサは、管状の要素を保持する支持ブラケットに結合されるサーモウェルの内部の無機絶縁センサを含む。この設計は、残念ながら、安定に達するまでに長い時間を要し、激しい振動環境が、結果として物理センサに損害を与えることがある。

物理センサはまた、多くの応用分野において、抵抗要素の実際の温度の不確実性を呈し、その結果、ヒータ電力の設計に大きな安全マージンがよく用いられる。したがって、物理センサと共に使用されるヒータは一般に、より大きなヒータのサイズおよびコストを犠牲にして、より低いリスクのヒータへの損害（同じヒータ電力が抵抗要素のより広い表面積に広がる）を可能にする、より低いワット密度を提供する。

さらに、既知の技術は熱制御ループにおいて、外部センサからのオン／オフ制御またはＰＩＤ制御を用いる。外部センサにはそのワイヤとセンサ出力との間の熱抵抗のために固有の遅延がある。いずれの外部センサも、構成要素の故障モードの可能性を増加させ、システム全体に対して何らかの機械的なマウントの制限を設定する。

流体フローシステム内のヒータに関する１つの応用は乗り物の排気であり、大気中への様々なガスの望ましくない放出や他の汚染物質の排出の削減をアシストするために内燃機関に連結される。これら排気システムは典型的には、例えばディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）、触媒コンバータ、選択的触媒還元（ＳＣＲ）、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、リーンＮＯ_ｘトラップ（ＬＮＴ）、アンモニアスリップ触媒、または改質装置のような様々な後処理装置を含む。ＤＰＦ、触媒コンバータ、およびＳＣＲは、排気ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、粒子状物質（ＰＭｓ）、および未燃炭化水素（ＨＣｓ）を捕らえる。ヒータは、排気温度を上昇させて触媒を活性化するために、および／または排気システムで捕らえられた粒子状物質または未燃炭化水素を燃焼させるために、定期的にまたは所定時間に作動させられ得る。

ヒータは一般に、排気システムのコンテナのような構成要素または排気管内に取り付けられる。ヒータは排気管内に複数の発熱要素を含み得、典型的には同じ熱出力を提供するように同じ目標温度に制御される。しかしながら、隣接する発熱要素からの別の放熱や、発熱要素のそばを流れる異なる温度の排気ガスのような異なる動作条件のために、一般に温度勾配が発生する。例えば、下流の発熱要素は上流の発熱要素によって加熱されたより高い温度の流体にさらされるので、下流の発熱要素は上流の発熱要素よりも一般に高い温度を有する。さらに、中流の発熱要素は隣接する上流および下流の発熱要素からより多くの熱放射を受ける。

ヒータの寿命は、最も厳しい加熱条件の下にあり、最初に故障するであろう発熱要素の寿命に依存する。どの発熱要素が最初に故障するであろうかを知ることなく、ヒータの寿命を予測することは困難である。すべての発熱要素の信頼性を向上させるために、ヒータは典型的には、発熱要素のいずれかの故障を回避するように安全係数を用いて動作するように設計されている。したがって、より厳しくない加熱条件の下にある発熱要素は一般に、その利用可能な最大の熱出力よりかなり低い熱出力を生成するように動作させられている。

本開示は、排気システムの加熱システムのための制御システムを規定する。制御システムは、排気流体の流れの経路内に配置された少なくとも１つの電気ヒータを備える。制御装置は、排気流体の流れの質量流量、排気流体の流れの質量速度、少なくとも１つの電気ヒータの上流または下流の流れの温度、少なくとも１つの電気ヒータに入力される電力、加熱システムの物理特性に由来する複数のパラメータ、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択された少なくとも１つの入力を受け取るように適合する。制御装置は、その入力に基づいて少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整するように動作可能である。

本開示の一形態では、電気ヒータは、バンドヒータ、裸線抵抗発熱要素、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、層状ヒータ、ストリップヒータ、および管状ヒータからなるグループから選択される。少なくとも１つの電気ヒータは、加熱システムの物理特性に由来する複数のパラメータによって決定される被覆温度（Ｔ_ｓ）を有する被覆を備えることができる。

制御装置は、物理センサなしに少なくとも１つのヒータに関連する温度を予測するように動作可能である。質量流量は、トルク要求、ペダル位置、多岐管における絶対圧力（ＭＡＰ）の上昇、ブーストタイミング、エンジンタイミング、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される複数のパラメータを介して決定されることができる。制御装置は、電力が必要とされるときよりも前に、望ましいヒータ電力を決定するように動作可能である。

本開示は、ここに記述される排気システムを備えるエンジンシステムをさらに規定する。一形態では、制御装置は、複数のエンジンパラメータ、複数の排気パラメータ、電力出力、複数のヒータパラメータからなるグループから選択されるエンジン入力を受け取るように適合し、当該装置は、電力消費量、排気温度、ヒータ温度、診断、排気質量流量、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される出力を生成するように動作可能である。別の形態では、制御システムは、劣化させるエンジンシステムの構成要素を診断するように動作可能である。さらに別の形態では、制御システムはエンジン制御部と通信し、決定されたパラメータが予め決められたパラメータと一致しない場合に、診断トラブルコードを引き起こすように適合している。

本開示は、流体を加熱するための加熱システム内に配置されたヒータを有する流体フローシステム内の少なくとも１つの位置の温度を予測する方法も規定する。当該方法は、流体フローシステムの流体の流れの質量流量を取得することと、ヒータの流体出口温度および流体入口温度の少なくとも一方を取得することと、ヒータに供給される電力を取得することと、流体フローシステムのモデルと、取得された質量流量と流体出口および入口温度とに基づいて、少なくとも１つの位置における温度を算出することとを含む。

本開示は、ヒータシステム内の複数の抵抗発熱要素の各々が流体フローシステム内に配置された後に、出口温度を予測する方法をさらに規定する。当該方法は、流体の流れの質量流量を取得することと、各抵抗発熱要素への流体入口温度を取得することと、各抵抗発熱要素に供給される電力、および各抵抗発熱要素に入力される電力を流体の流れに伝達される電力と関連付ける流体フローシステムの特性を取得することと、流体フローシステムのモデルに基づいて出口温度を算出することとを含む。

さらなる適用領域はここに提供される記述から明らかになる。記述および特定の例は例証の目的のみが意図され、本開示の範囲を限定することは意図されないことが理解されるであろう。

本開示がよく理解されるように、その様々な態様が記述され、一例として与えられ、添付図面への参照がなされる。

図１は、本開示の原理が適用される排気ガス後処理システムとディーゼルエンジンの概略図である。 図２は、先行技術に係る管状ヒータの構造の断面図である。 図３は、本開示の教示に係る流体フローシステム内の一連の構成を示す概略図である。 図４は、本開示の教示に係るヒータを有する流体フローシステム内の少なくとも１つの位置の温度を予測する方法を示すフロー図である。 図５は、本開示の教示に応じて、ヒータシステム内の複数の抵抗発熱要素の各々が流体フローシステム内に配置された後に出口温度を予測する方法を示すフロー図である。

ここに記載された図面は、単なる例証を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することは全く意図されていない。

以下の記述は、本質的に単なる典型例に過ぎず、本開示、その出願、あるいは用途を限定することは全く意図されない。方法の中のステップが、本開示の原理を変更することなく、異なる順序に実行され得ることも理解されるであろう。

図１を参照すると、典型的なエンジンシステム１０は一般に、ディーゼルエンジン１２、交流発電機１４（またはいくつかの応用分野では発電機）、ターボチャージャ１６、および排気ガス後処理システム１８を備える。排気ガス後処理システム１８は、排気ガスが大気中に放出される前にディーゼルエンジン１２からの排気ガスを処理するために、ターボチャージャ１６の下流に配置されている。排気ガス後処理システム１８は、望ましい結果を得るために排気流体の流れをさらに処理するために動作可能な１つ以上の追加の構成要素、装置、またはシステムを含むことができる。図１の例では、排気ガス後処理システム１８は、加熱システム２０、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）２２、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦ）２４、および選択的触媒還元装置（ＳＣＲ）２６を含む。排気ガス後処理システム１８は、その中にヒータアセンブリ２８を支える上流排気管３２と、ＤＯＣ２２およびＤＰＦ２４が設けられる中流排気管３４と、ＳＣＲ２６が配置される下流排気管３６とを含む。

ここに例証され、記載されるエンジンシステム１０が単に例示であって、したがって例えばＮＯ_ｘ吸着器またはアンモニア酸化触媒のような他の構成要素が含まれ得、その一方でＤＯＣ２２、ＤＰＦ２４およびＳＣＲのような他の構成要素が使用されないかもしれないことは、理解されるであろう。さらに、ディーゼルエンジン１２が示されているが、本開示の教示がガソリンエンジンおよび他の流体の流れの応用に適用可能であることは理解されるであろう。したがってディーゼルエンジンへの応用は、本開示の範囲の限定として解釈されるべきではない。そのような変形は本開示の範囲内にあるものとして解釈されるべきである。

加熱システム２０は、ＤＯＣ２２の上流に配置されたヒータアセンブリ２８と、ヒータアセンブリ２８の動作を制御するためのヒータ制御部３０とを含む。ヒータアセンブリ２８は１つ以上の電気ヒータを含むことができ、各電気ヒータは少なくとも１つの抵抗発熱要素を含む。ヒータアセンブリ２８は動作中に流体の流れを加熱するために、排気流体の流れの経路内に配置される。ヒータ制御部３０は典型的には、ヒータアセンブリ２８から入力を受け取るように適合した制御装置を含む。ヒータアセンブリ２８の動作の制御例は、ヒータアセンブリをオンおよびオフにすること、単一のユニットの時にはヒータアセンブリ２８への電力を調整すること、および／または個別のあるいはグループの抵抗発熱要素、利用可能であれば、それらの組み合わせのような別々のサブコンポーネントへの電力を調整することを含むことができる。

一形態では、ヒータ制御部３０は制御装置を含む。制御装置は、ヒータアセンブリ２８の少なくとも１つの電気ヒータと通信する。制御装置は、排気流体の流れ、排気流体の流れの質量速度、少なくとも１つの電気ヒータの上流のフロー温度、少なくとも１つの電気ヒータの下流のフロー温度、少なくとも１つの電気ヒータに入力される電力、加熱システムの物理特性に由来する複数のパラメータ、およびそれらの組み合わせを含むが、これに限定されない少なくとも１つの入力を受け取るように適合する。少なくとも１つの電気ヒータは排気流体を加熱するのに適した任意のヒータであり得る。電気ヒータの例は、バンドヒータ、裸線抵抗発熱要素、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、層状ヒータ、ストリップヒータ、管状ヒータ、およびそれらの組み合わせを含み、これに限定されない。物理特性は、一例として、抵抗線の直径、ＭｇＯ（絶縁）の厚さ、被覆の厚さ、導電率、構成の材質の比熱および密度、熱伝達率、ヒータおよび流体導管の放射性、加えて他の幾何学的および応用分野に関連する情報を含み得る。

図１のシステムは、ヒータアセンブリ２８の下流に配置されたＤＯＣ２２を含んでいる。ＤＯＣ２２は、排気ガス中の一酸化炭素およびあらゆる未燃炭化水素を酸化させるための触媒として働く。さらに、ＤＯＣ２２は一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換する。ＤＰＦ２４は、排気ガスからディーゼルの粒子状物質（ＰＭ）あるいは煤を取り除くことをアシストするために、ＤＯＣ２２の下流に配置される。ＳＣＲ２６は、ＤＰＦ２４の下流に配置され、触媒の補助によって、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）および水に変換する。尿素水溶液インジェクタ２７は、ＤＰＦ２４の下流且つＳＣＲ２６の上流に、排気ガス流に尿素水溶液を噴射するために配置される。尿素水溶液がＳＣＲ２６内で還元剤として使用される場合、ＮＯｘはＮ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２に還元される。

本開示の一形態では、上述したエンジンシステム１０からのデータは、例えばヒータの温度、排気入口温度、排気出力温度を含む様々な温度を、物理センサを使用することなく予測するための数学モデルで用いられる。これらモデルは、一時的および非一時的の両方のシステムのために発展しており、様々な加熱方式および流体の流れの応用分野に適用可能である。したがって、管状ヒータおよびエンジン排気のここに提示される様々な形態は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、「ヒータ被覆」温度への特定の言及は単に例示であって、算出された温度は、例えばバンドヒータ、裸線抵抗発熱要素、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、層状ヒータ、ストリップヒータ、または管状ヒータのような任意のタイプのヒータの任意の構成要素のためのものであり得る。「層状ヒータ」は、本出願と同一の出願人によるものであって、その内容が参照により全体がここに組み込まれる米国出願第７，１９６，２９５号で予め定義されている。

図２を参照すると、管状ヒータは、ヒータアセンブリ２８内で使用されるヒータのタイプ例として用いられ、参照数字４０によって例示され、一般に表される。管状ヒータ４０は、被覆４４内に配置された抵抗発熱要素４２と、一例として、圧縮された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような、それらの間に配置された絶縁材４６とを含む。管状ヒータ４０は電力ピン５０および封止材５２も含み得る。

本開示は、質量流量または流れの速度、ヒータの上流と下流の一方の流れの温度、ヒータの電力入力、システムの物理特性に由来する複数のパラメータのような入力を、それら入力に基づいてヒータへの電力を調整するために用いる装置／機器を一般に含む電気ヒータを制御する制御システムおよび方法を規定する。既知の変数の集合に依存する本システムに関する複数の値を算出するために、様々な式がここに開示される。これらの式が単に典型例に過ぎず、本開示の範囲の限定として解釈されるべきでないことは理解されるであろう。

例えば、上記のディーゼルエンジンの排気のような応用分野において、物理センサの使用なしに被覆の温度を算出するために、様々なヒータの構成に対して、熱伝達式と共に、ヒータへの電力、入口温度、および質量流量が用いられる。一形態では、下記の式１が被覆４４の温度（Ｔ_ｓ）を算出するために用いられる。

Re_D,max＝与えられた直径および速度の最大値のためのレイノルズ数、
N_L＝要素の数、および
C₂＝要素１を評価する場合、N_L＝１を用い、６つの要素を評価する場合、N_Lは０．７で開始し、各要素が分析されるにつれて０．９２まで増加する。

さらに、この式１には放熱の効果は組み込まれていない、しかしながら、本開示の範囲内の残りの間に組み込まれ得る。

ヒータの被覆４４の温度に加えて、流体の流れのストリーム内の各要素（図３参照）の後の出口温度が算出またはモデル化でき、これにより追加の温度センサの必要性を低減できる。一形態では、出口温度は以下の式２に従って算出される。

したがって、式２を用いると、流体フローシステムの全体にわたって物理センサを使用することなく温度を予測することができる。さらなる利点として、とりわけ一時的なシステムにおいて、物理センサに関係する遅延時間のため、ここに述べられるような式を用いることがより迅速な応答時間という結果をもたらす。より良い精度およびより迅速な応答時間は、より高温で動作するヒータを使用することを可能にし、したがって向上した性能を提供し、安全マージンを減少させる。さらに、物理センサの故障モードは本開示によって取り除かれる。

式１が定常状態のためのものであるので、ここに開示される仮想センシングのために、さらに基礎的な式、すなわち、式３が用いられる。

一般に、ここに開示された特定の式に限定されないようするため、Tsは、システムの温度を算出するための入口温度、質量流量、および設定値の入力を用いる連立方程式によって決定される。

本開示は、ヒータ４０の予測的な／事前の制御をさらに規定する。例えば、トルク要求、ペダル位置、および多岐管における絶対圧力（ＭＡＰ）の上昇／ブースト／エンジンタイミングのようなシステムデータは、質量流量に変換することができ、そして遅延した物理センサへの応答に依存する代わりに、電力が必要とされるよりも前に望ましい電力を決定するように制御システムに供給できる。

本開示の１つの変形は、式４に従って放熱効果を考慮する。

さらに、ヒータを含むすべての材料のシステム周波数応答が、質量空気流量（ＭＡＦ）、ヒータ入口温度、および適用される電力から決定することができるようにヒータは数学的に完全に定量化できる。エンジンおよび排気条件の変更、または一般的なシステムの中断のためのヒータの周波数応答は減少でき、ヒータがより速いフィードバック応答を得ることを可能にする。そしてこれは、温度の変動が減少するので、ヒータがより高いワット密度（単位長当たりのワット、単位面積当たりのワット、または単位体積当たりのワット）とより良い耐久性を持つことを可能にして、発熱要素の温度に対する制御を改善する。システム表現は、制御用マイクロプロセッサーが少ない労力で利用できる形態に単純化することができる。さらに本開示は、処理能力と定義される予測状態を減らすために、比較的複雑な数学処理を表の形態に単純化できる。一例として、ＭＡＰと、入口質量空気流量を燃料消費量と結びつけることのような、質量空気流量を取得する様々な方法が用いられ得ることが理解されるであろう。したがって、ここで用いられているように、用語「質量流量」は、質量空気流量を取得するこれらの、および他の方法を含むと解釈されるべきである。

一般に本開示は、一例として、エンジン、排気、電力、およびヒータのような様々な装置からの入力を受け取り、様々なアルゴリズムを実行し、そして実際の電力消費量、排気温度、ヒータ温度、診断、および排気質量流量のような出力を生成する。エンジンの入力／パラメータは、排気温度および排気の流れを含み得、また、ヒータの入力／パラメータは、ヒータの電力、形状、および係数を含み得る。システムモデルは、ヒータモデル、ワイヤ温度、および被覆温度と、少なくとも１つの制御アルゴリズムとを含み得る。そして出力は、排気温度、排気流量、および診断を含み得る。

さらに別の形態では、仮想センシングシステムは、排気ガス後処理システム１８の全体が劣化しているか、能力が低下しているか、あるいは排気ガス後処理システム１８に欠陥があるかを判断するために、ヒータ４０の応答を、利用される既知の能力と比較するため、診断モードで機能する。さらに仮想センシングシステムは、触媒入口温度センサの撤去を可能にし得、これにより、排気ガス後処理システム１８全体のコストおよび複雑さを低減できる。もし触媒入口温度センサが排気ガス後処理システム１８に残るならば、その出力は仮想センシングシステムによって提供される算出された／予測されたヒータ出口温度と比較することができ、それらの間のすべての不一致は、エンジン制御部（ＥＣＵ）内の診断トラブルコードを引き起こすことができる。さらに、本開示の仮想センサシステムは、一時的な性能を改善し、且つヒータシステムのよりよい特性を可能にするために、モデルベースの設計（例えば、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標））に組み込むことができる。さらに、モデルベースの設計は、ここで用いられるようなディーゼルエンジンの排気への応用以外の特定の応用に基づいて、仮想センサシステムのパラメータ／特性を調整できる。

仮想センサシステムの使用は、実際の抵抗要素（例えばワイヤ）の温度を知る不確実性をさらに低下させ、安全マージンを減少させること、ワット密度の増加、およびより少ないヒータの表面積を可能にし、それにより、より効率的でそれほど高価でないヒータをもたらす。

ここに開示される制御システムは、抵抗性のワイヤのような抵抗発熱要素の算出された、あるいは仮想の温度によってヒータへの電力も制御し得る。参照によりここに組み込まれている「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｗｏ−Ｗｉｒｅ Ｈｅａｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題される同時係属出願への参照がなされる。管状ヒータのようないくつかの応用では、仮想のワイヤ温度による制御が、絶縁体と被覆の熱の慣性を克服する。これはワイヤに対してより小さな温度変動をもたらし、信頼性を向上する。そのようなアプローチは、よりスムーズな電力送出と電源に対するより少ない負担を考慮すると、電源に対する周期的な負荷も低下させる。

本開示は上述したように、排気システムの加熱システムのための制御システムを備えるエンジンシステム１０をさらに規定する。制御装置は、複数のエンジンパラメータ、複数の排気パラメータ、電力出力、複数のヒータパラメータからなるグループから選択されるエンジン入力を受け取るように適合し、当該装置は、電力消費量、排気温度、ヒータ温度、診断、排気質量流量、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される出力を生成するように動作可能である。制御システムは、劣化させるエンジンシステムの構成要素を診断するようにさらに動作可能である。この例において、制御システムはエンジン制御部と通信し、決定されたパラメータが予め決められたパラメータと一致しない場合に、診断のトラブルコードを引き起こすように適合する。

図４を参照すると、本開示は、流体を加熱するための加熱システム内に配置されたヒータを有する流体フローシステム内の少なくとも１つの位置の温度を予測する方法１００をさらに含む。この方法は、流体フローシステムの流体の流れの質量流量を取得すること１１０と、ヒータの流体出口温度と流体入口温度の少なくとも一方を取得すること１２０と、ヒータに供給される電力を取得すること１３０と、流体フローシステムのモデルと取得された質量流量、並びに流体出口および入口温度とに基づいて少なくとも１つの位置の温度を算出すること１４０とを含む。この少なくとも１つの位置は、加熱アセンブリの少なくとも１つの電気ヒータの発熱要素上にあり得る。このモデルは上述したような温度予測モデルを含み得る。このプロセスはさらに、モデルベースの設計に組み込まれ得る。

図５を参照すると、本開示は、ヒータシステム内の複数の抵抗発熱要素の各々が流体を加熱するための流体フローシステム内に配置された後に、出口温度を予測する別の方法２００をさらに提供する。この方法は、流体フローシステムの流体の流れの質量流量を取得すること２１０と、少なくとも１つの抵抗発熱要素への流体入口温度を取得すること２２０と、各抵抗発熱要素に供給された電力と、各抵抗発熱要素に入力される電力を流体の流れに伝達される電力と関連付ける流体フローシステムの特性とを取得すること２３０と、流体フローシステムのモデルに基づいて出口温度を算出すること２４０とを含む。

ここで用いられるように、用語「モデル」は、式または一組の式、様々な動作条件におけるパラメータの値を表す値の表、アルゴリズム、コンピュータプログラムまたはコンピュータの命令の集合、予測される／計画される／未来の条件に基づいて被制御変数（例えばヒータへの電力）を変更する信号処理装置またはあらゆる他の装置を意味するものと解釈されるべきであり、この予測される／計画されるは、推測的なおよびその場の測定の組み合わせに基づく。

したがって、ヒータ、センサ、制御システム、並びに関連する装置および方法の様々な異なる形態が、流体フローシステムでの使用のためにここに開示されている。この異なる形態の多くは互いに組み合わせることができ、ここに記載されたデータ、式、および構成に規定される追加の特徴も含み得る。そのような変形は本開示の範囲内にあるものとして解釈されるべきである。

本開示の記述は、その性質上典型的に過ぎず、したがって、本開示の実体から外れない変形は本開示の範囲内であると意図される。そのような変形を、本開示の精神および範囲からの逸脱と見なすことはできない。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］排気システムの加熱システムのための制御システムであって、前記制御システムは、
排気流体の流れの経路内に配置された少なくとも１つの電気ヒータと、
排気流体の流れの質量流量、排気流体の流れの質量速度、前記少なくとも１つの電気ヒータの上流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータの下流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータに入力される電力、前記加熱システムの物理特性に由来する複数のパラメータ、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される少なくとも１つの入力を受け取るように適合した制御装置とを具備し、
前記制御装置は、少なくとも１つの入力に基づいて前記少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整するように動作可能である制御システム。
［２］前記少なくとも１つの電気ヒータは、バンドヒータ、裸線抵抗発熱要素、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、層状ヒータ、ストリップヒータ、および管状ヒータからなるグループから選択される［１］記載の制御システム。
［３］前記少なくとも１つの電気ヒータは、前記加熱システムの前記物理特性に由来する前記複数のパラメータによって決定される被覆温度（Ｔｓ）を有する被覆を備える［１］記載の制御システム。
［４］Ｔｓは、システム温度を算出するために、設定値、質量流量、および入口温度の少なくとも１つの入力を用いる連立方程式によって決定される［３記載の制御システム。
［５］前記加熱システムの前記物理特性は、抵抗ワイヤの直径、ヒータ絶縁体の厚さ、ヒータ被覆の厚さ、導電率、前記ヒータの材質の比熱および密度、熱伝達係数、前記ヒータおよび排気流体の流れの経路の放射性、並びにそれらの組み合わせからなるグループから選択される［１］記載の制御システム。
［６］前記制御装置は、物理センサなしに前記少なくとも１つの電気ヒータに関連付けられる複数の温度を予測するように動作可能である［１］記載の制御システム。
［７］前記排気流体の流れの質量流量は、トルク要求、ペダル位置、多岐管における絶対圧力（ＭＡＰ）の上昇、ブーストタイミング、エンジンタイミング、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される複数のパラメータを介して決定される［１］記載の制御システム。
［８］前記制御装置は、電力が必要とされるときよりも前に、望ましいヒータ電力を決定するように動作可能である［７］記載の制御システム。
［９］前記制御装置は、放熱効果に関連付けられた入力を受け取るように動作可能である［１］記載の制御システム。
［１０］前記質量流量は、測定された多岐管における絶対圧力（ＭＡＰ）、入口の質量空気流量を燃料消費量と結びつけること、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される複数のパラメータによって決定される［１］記載の制御システム。
［１１］［１］記載の前記排気システムを備えるエンジンシステム。
［１２］前記制御装置は、複数のエンジンパラメータ、複数の排気パラメータ、電力出力、複数のヒータパラメータからなるグループから選択されるエンジン入力を受け取るように適合し、前記装置は、電力消費量、排気温度、ヒータ温度、診断、排気質量流量、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される出力を生成するように動作可能である［１１］記載のエンジンシステム。
［１３］前記制御システムは、劣化させるエンジンシステムの構成要素を診断するように動作可能である［１１］記載のエンジンシステム。
［１４］前記制御システムは、エンジン制御部と通信し、決定されたパラメータが予め決められたパラメータと一致しない場合、診断トラブルコードを引き起こすように適合する［１３］記載のエンジンシステム。
［１５］前記少なくとも１つの電気ヒータは抵抗発熱要素を含み、前記制御システムは、算出された前記抵抗発熱要素の温度に基づいて前記少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整する［１］記載の制御システム。
［１６］［１］記載の前記制御システムを有する流体フローシステム内の少なくとも１つの位置の温度を予測する方法であって、前記方法は、
前記流体フローシステムの流体の流れの質量流量を取得することと、
前記ヒータの流体出口温度および流体入口温度の少なくとも一方を取得することと、
前記ヒータに供給される電力を取得することと、
前記流体フローシステムのモデルと、前記取得された質量流量と流体出口および入口温度とに基づいて、前記少なくとも１つの位置における温度を算出することとを含む方法。
［１７］前記少なくとも１つの位置は、前記ヒータの抵抗発熱要素上にある［１６］記載の方法。
［１８］前記方法はモデルベースの設計に組み込まれる［１６］乃至［１７］のいずれか一項に記載の方法。
［１９］前記温度は定常状態の温度と一時的な温度の一方である［１６］乃至［１８］のいずれか一項に記載の方法。
［２０］［１］記載の前記制御システムを用いる流体フローシステム内に、ヒータシステム内の複数の抵抗発熱要素の各々が配置された後に、出口温度を予測する方法であって、
流体の流れの質量流量を取得することと、
前記複数の抵抗発熱要素の少なくとも１つへの流体入口温度を取得することと、
前記複数の抵抗発熱要素の少なくとも１つに供給される電力と、前記複数の抵抗発熱要素の少なくとも１つに入力される電力を前記流体の流れに伝達される電力と関連付ける前記流体フローシステムの特性とを取得することと、
前記流体フローシステムのモデルに基づいて前記出口温度を算出することとを含む方法。

Claims (22)

1. 流体フローシステムのための加熱システムであって、前記加熱システムは、
   流体の流れの経路内に配置された少なくとも１つの電気ヒータと、
   前記少なくとも１つの電気ヒータに接続され、前記流体フローシステムから少なくとも１つの入力を受け取るように適合した制御装置とを具備し、
   前記制御装置は、前記少なくとも１つの入力と予め規定された数学モデルとに基づいて前記少なくとも１つの電気ヒータの温度を決定するように構成され、前記制御装置は、前記少なくとも１つの電気ヒータの前記決定された温度に基づいて前記少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整するように構成される加熱システム。
2. 前記少なくとも１つの電気ヒータは、バンドヒータ、裸線抵抗発熱要素、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、層状ヒータ、ストリップヒータ、および管状ヒータからなるグループから選択される請求項１記載の加熱システム。
3. 前記少なくとも１つの電気ヒータは、被覆を含み、前記制御装置は、被覆温度（Ｔｓ）を前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度に決定するように構成される請求項１記載の加熱システム。
4. 前記制御装置は、前記加熱システムの少なくとも１つの物理特性に基づいて、前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度を決定するように構成され、前記加熱システムの前記物理特性は、抵抗ワイヤの直径、ヒータ絶縁体の厚さ、ヒータ被覆の厚さ、導電率、前記少なくとも１つの電気ヒータの材質の比熱および密度、熱伝達係数、前記少なくとも１つの電気ヒータおよび前記流体の流れの経路の放射性、並びにそれらの組み合わせを含む請求項１記載の加熱システム。
5. 前記流体フローシステムは、排気システムであり、
   前記少なくとも１つの入力は、排気流体の流れの質量流量を含み、
   前記制御装置は、トルク要求、ペダル位置、多岐管における絶対圧力（ＭＡＰ）の上昇、ブーストタイミング、エンジンタイミング、またはそれらの組み合わせを含む複数のパラメータを介して、前記排気流体の流れの質量流量を決定する請求項１記載の加熱システム。
6. 前記制御装置は、電力が必要とされるときよりも前に、望ましいヒータ電力を決定するように動作可能である請求項１記載の加熱システム。
7. 前記制御装置は、放熱効果に関連付けられた入力を受け取るように動作可能である請求項１記載の加熱システム。
8. 請求項１記載の前記流体フローシステムおよび前記加熱システムとして排気システムを備えるエンジンシステム。
9. 前記加熱システムは、前記エンジンシステムの構成要素の劣化を診断するように動作可能である請求項８記載のエンジンシステム。
10. 前記加熱システムは、エンジン制御部と通信し、決定されたパラメータが予め決められたパラメータと一致しない場合、診断トラブルコードを引き起こすように適合する請求項９記載のエンジンシステム。
11. 前記少なくとも１つの電気ヒータは抵抗発熱要素を含み、前記制御装置は、前記抵抗発熱要素の温度を前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度に決定し、前記抵抗発熱要素の前記温度に基づいて前記少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整するように構成される請求項１記載の加熱システム。
12. 少なくとも１つの電気ヒータを有し、流体フローシステム内に配置された加熱システムを制御するための方法であって、前記方法は、
    前記流体フローシステムから少なくとも１つの入力を取得することと、
    前記少なくとも１つの入力と予め規定された数学モデルとに基づいて、前記少なくとも１つの電気ヒータの温度を決定することと、
    前記少なくとも１つの電気ヒータの前記決定された温度に基づいて、前記少なくとも１つの電気ヒータへの電力を調整することとを含む方法。
13. 前記少なくとも１つの電気ヒータは、抵抗発熱要素を含み、前記方法は、前記抵抗発熱要素の後の出口温度を、前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度として算出することをさらに含む請求項１２記載の方法。
14. 前記制御装置は、以下の式に基づいて前記被覆温度を決定するように構成され、
    

    

    請求項３記載の加熱システム。
15. 前記制御装置は、以下の式に基づいて前記被覆温度を決定するように構成され、
    

    

    請求項３記載の加熱システム。
16. 前記少なくとも１つの電気ヒータは、抵抗発熱要素を含み、
    前記制御装置は、以下の式に基づいて、前記抵抗発熱要素の発熱要素出口温度を、前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度に決定するように構成され、
    

    

    請求項１記載の加熱システム。
17. 前記少なくとも１つの入力は、流体の流れの質量流量、前記流体の流れの質量速度、前記少なくとも１つの電気ヒータの上流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータの下流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータに入力される電力、またはそれらの組み合わせを含む請求項１記載の加熱システム。
18. 前記抵抗発熱要素の前記出口温度は、以下の式に基づいて算出され、
    

    

    請求項１３記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの電気ヒータは、被覆を含み、前記方法は、被覆温度（Ｔｓ）を前記少なくとも１つの電気ヒータの前記温度に決定することをさらに含む請求項１２記載の方法。
20. 前記被覆温度は、以下の式に基づいて決定され、
    

    

    請求項１９記載の方法。
21. 前記被覆温度は、以下の式に基づいて決定され、
    

    

    請求項１９記載の方法。
22. 前記少なくとも１つの入力は、流体の流れの質量流量、前記流体の流れの質量速度、前記少なくとも１つの電気ヒータの上流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータの下流の流れ温度、前記少なくとも１つの電気ヒータに入力される電力、またはそれらの組み合わせを含む請求項１２記載の方法。

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