KR101092812B1 - 배기가스 센서의 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정을 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에서 센서의 손상 없이 가장 짧은 시간에 센서의 작동 온도에 도달하기 위해, 본 발명에 따라 가열기의 가열 단계 중 시작 단계에서의 가열 전압은 후속 단계에 비해 매우 빠르게 또는 급격하게 높은 값으로, 바람직하게는 완전한 작동 전압으로 나타나고 그 다음 가열 전압이 지속적으로 또는 거의 지속적으로 감소된다.

배기가스, 센서 가열, 가열 단계, 가열 전압, 엔진, 센서 가열기

Description

배기가스 센서의 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법{METHOD FOR THE VOLTAGE-CONTROLLED PERFORMANCE REGULATION OF THE HEATING OF AN EXHAUST-GAS PROBE}

최근, 엔진의 혼합물 조절은 연소 및 연소에 의해 생성되는 배기가스의 조성에 따라 이루어진다. 이를 위해 엔진의 배기가스 내에는 통상적으로 배기가스의 잔여 산소량을 결정하는 하나 이상의 센서가 배치된다. 상기 측정량에 기초하여 연소의 품질이 검출될 수 있다. 측정 신호는 개회로 제어 유닛 또는 폐회로 제어 유닛에 의해 회전수, 공기 흐름 또는 스로틀 밸브각, 연료 공급과 같은 다른 특성값과 함께 사용된다.

DE 28 05 805호에 공지된 바와 같이, 센서는 충분한 작동 온도를 가져야 한다. 따라서, 예컨대 엔진 시동 후 센서의 가열 단계에서 센서 신호는 제공되지 않는다. 따라서 충분한 센서 온도에 도달하기까지 연료 조절은 연료 제어기에 의해 대체된다. 이는 이 시간 안에 최적의 연소 값에 도달하지 못하는 결과를 갖는다. 센서가 충분한 작동 온도에 도달될 때까지의 시간을 최소화하기 위해 추가 전기 가열기가 장착된다. 따라서 가열 출력의 제어 장치는, 센서가 손상되거나 또는 파손되지 않고 가능한 빨리 작동 온도에 이르도록 설계된다. 센서의 손상과 관련하여 결정적인 인자로서 센서 내부의 심한 온도 구배를 들 수 있고, 온도 구배는 그로부터 도출되는, 센서 본체의 상이한 열 팽창으로 인해 응력 균열(stress crack)을 야기할 수 있다.

평평한 광대역 람다 센서의 경우 예컨대 가열기는 센서의 내부에 위치하여 Al₂O₃-층 또는 Al₂O₃-절연 포일에 의해 센서 요소로부터 절연된다. 센서는 그 내부로부터 외부로 가열된다. 따라서 너무 높은 가열율이 선택되면, 센서 내부로부터 센서 표면까지의 온도 구배가 너무 커서 인장 응력 하에 있는 센서 표면에 균열이 시작될 수 있다. 이를 방지하기 위해 가열 전압은 스위치 온 시, 경사(ramp) 전압으로서 예컨대 10V의 적합한 시작 전압으로부터 예컨대 13V의 완전한 가열 전압으로 제어된다. 배기가스 시스템에서 이슬점이 초과되었을 때 경사는 비로소 시작되는데, 이는 그렇지 않은 경우 센서 상에 부딪히는 습기가 센서 표면을 강하게 냉각시키고 상기 설명된 영향을 갖는 큰 온도 구배를 야기하기 때문이다.

상기 센서 가열 형태의 경우, 경사에 의해 그리고 이슬점 지연에 의해 센서가 작동 온도에 비교적 늦게서야 도달된다는 것이 단점으로 증명되었다. 가능한 빠른 센서 가열 및 그에 따른 짧은 경사의 경우 센서 표면에서의 온도 구배 및 그에 따른 기계 역학적 인장 응력은 최대 가열 전압 도달시 최대를 나타낸다. 경사는 최대 기계 역학적 전압이 확실히 센서 재료의 고유 강도 이하에 있도록 설계된다.

DE 40 19 067호에는 가열기, 특히 엔진의 배기가스 내 센서의 가열기의 개회로 제어 및 폐회로 제어를 위한 장치가 공지되어 있는데, 이 장치의 경우 가열기에 대한 스위치 온 신호가 시간적으로 점화 스위치 작동 이전의 과정에 의해 개시된다. 이 과정은 예컨대 차량 도어의 개방일 수 있고 또는 운전자 좌석 접촉에 의해 개시될 수도 있다. 센서는 엔진 시동 후에 더 이상 냉각부터 작동 온도까지의 전체 온도 범위를 통과할 필요가 없고 이미 예열되므로, 전술된 가열 경사를 상응하게 더 빨리 통과할 수 있다. 그럼에도 불구하고 가열 출력의 최대 허용 상승 속도를 한정하는 가장 큰 기계 역학적 응력이 경사의 종료시에 발생하는 전술된 단점은 여전히 남아있다.

본 발명의 목적은 센서가 손상되지 않고 센서의 작동 온도에 최단 시간 내에 도달되는 엔진의 배기가스 내 센서의 가열을 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 방법에 관계된 목적은 가열기의 가열 단계 중 시작 단계에서의 가열 전압은 후속 단계에 비해 매우 빠르게 또는 급격하게 높은 값으로, 바람직하게는 완전한 작동 전압으로 나타나고 그 다음 가열 전압이 지속적으로 또는 거의 지속적으로 감소함으로써 달성된다. 이를 통해 세라믹 강도를 초과하여 센서 요소 표면의 균열을 야기할 정도로 심하게 인장 응력이 상승하는 것을 허용하는 센서 요소 내 온도의 너무 빠른 상승은 방지된다.

바람직한 변형예는 가열 전압의 감소가 양호하게는 0.1V/s와 0.3V/s 사이 단계에서 이루어지도록 제공한다. 이를 통해 람다 센서의 표면과 내부 사이에서 최대로 가능한 온도 차이가 감소하기 때문에, 더 작은 인장 응력이 표면에 형성된다.

본 발명은 높은 열 용량을 갖는 센서 요소에서 소정의 일정한 값 또는 센서 가열의 완전한 스위치 오프까지의 감소가 이루어지는 장점을 갖는다.

일 실시예에서, 경사 형태의 가열 전압은, 센서의 표면에서 형성된 인장 응력이 가열 단계 중에 거의 일정한 값을 취하고, 그 값이 센서의 표면 재료의 재료 특성적 강도보다 작도록 설계된다. 이를 통해 형성된 가열 출력이 열원으로서 조기에 센서 요소 표면에 도달할 수 있고 센서의 표면과 내부 사이의 최대 온도 경사를 낮출 수 있다. 이는 센서의 수명에 양호한 영향을 미친다.

엔진이 시동 될 때 배기가스 시스템 내 수분 이송의 위험이 매우 증가하기 때문에 본 발명에서는 높은 가열 전압의 인가와 그에 후속하는 가열 전압의 감소가 엔진 시동시 이루어진다. 이를 통해 센서 요소 내의 전압 비율은 반전된다. 빠르게 가열된 가열기 주변에 형성된 압축 응력은 단지 작은 인장 응력을 센서 표면상에 생성한다.

센서 요소가 낮은 가열 출력에 의해 약 200℃로 가열될 수 있도록, 센서는 시간적으로 엔진 시동 이전에 존재하는 신호의 경우, 양호하게는 운전자 도어의 개방 또는 점화키를 꽂아 넣을 경우 이미 예열된다.

일 실시예에서 낮은 유효 가열 전압에서 양호하게는 2V에서 예열이 실행된다. 예열은 임의의 수분량이 센서 요소의 파괴를 야기할 수 없도록 선택된다.

특히 간단한 실시예에서, 예열이 단계별로 수행된다. 이는 엔진 시동 이전 대기 시간이 상당히 단축되는 장점을 갖는다. 또한 시간적으로 엔진 시동 이전에 존재하는 제1 신호의 경우 완전 가열 출력의 작은 부분을 차지하는 제1 가열 출력이 설정되며 그리고 이에 후속하여 엔진 시동 이전에 존재하는 제2 신호의 경우 완전 가열 출력의 더 큰 부분을 차지하는 더 높은 제2 가열 출력이 설정된다.

본 발명의 실시예에서 엔진 시동 후에 가열 출력이 스위치 온 출력에 대해 감소된다. 이는 엔진이 시동되는 즉시 배기가스 시스템 내 수분 이송의 위험이 상승하는 것을 기초로 한다. 전압 비율은 센서 요소 내에서 반전되고 형성된 압축 응력은 센서 요소에 작은 인장 응력을 생성한다.

이하 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조로 상세히 설명된다.

도1은 종래 기술에 따른 가열 경사 및 인장 응력 그래프를 도시한다.

도2는 시작 부분에 집중된 가열 경사 및 그에 속한 인장 응력 그래프를 도시한다.

도3은 점화키를 꽂아 넣을 때 예열 및 인장 응력 그래프를 도시한다.

도4는 점화가 스위치 온된 경우의 추가 가열 및 그에 속한 인장 응력 그래프를 도시한다.

도5는 엔진의 시동시 가열 출력의 감소 및 인장 응력 그래프를 도시한다.

도1은 배경 기술에 따른 가열 경사를 구체적으로 도시한다. 여기서 가열 전압의 스위치 온 시 가열 전압은 적절한 시작 전압(여기서는 10V)으로부터 제공된 완전한 가열 전압(여기서는 13V)까지 일정하게 상승한다. 또한 가열 경사는 배기 가스 시스템에서 이슬점이 초과되면 비로소 시작되는데, 이는 그렇지 않을 경우 경우에 따라 습기가 센서 표면을 심하게 냉각시키고 균열을 유발할 수 있기 때문이다. 엔진이 시동되는 즉시 가열 출력은 다시 감소한다. 이는 배경 기술에 따라 네른스트 셀의 목표 내부 저항이 작동 온도의 도달을 가리킴에 따라 이루어진다. 또한 센서 요소 내 전압 비율이 반전되고 인장 응력이 센서 요소 표면에 더 이상 생성되지 않는다. 또한 도1의 오른쪽 측면에서 인장 응력이 MPa로 도시된다. 인장 응력 그래프는 전압이 감소함에도 불구하고 동시에 패스트-라이트-오프(Fast-Light-Off)도 가능하다는 것을 나타낸다.

도2는 완전한 작동 전압으로 시작되는 시작 부분에 집중된 가열 경사를 도시한다. 가열 전압은 낮은 속도로 경사를 따라 강하한다. 또한 경사는, 시뮬레이션 된 인장 응력이 센서 요소의 표면에서 가능하면 조기에 구성되도록 다시 설계된다. 그 경우에 인장 응력은 재료 특성적 강도 및 안정성 안전 인자로부터 생성되는 값으로 일정하게 유지된다. 여기서도 네른스트 셀의 내부 저항이 작동 온도의 도달을 위해 사용된다.

도3은 점화 록(lock)에 점화 키를 꽂아 넣을 때 또는 운전자 도어의 개방시 예열을 도시한다. 상기 과정의 경우 센서는 이미 낮은 유효 가열 전압으로 클록 제어된다. 이를 통해 센서 요소는 낮은 가열 전압에 의해 약 200°C로 가열된다. 상기 온도는 임의의 수분량이 센서 요소의 파괴를 야기할 수 없도록 재료 조성에 상응하여 선택된다. 인장 응력은 이와 비슷하게 거동한다. 경미한 가열에 의해 인장 응력도 경미하게 상승한다. 엔진이 시동하면, 인장 응력은 도2의 인장 응력과 비슷하게 거동한다.

도4는 점화의 스위치 온 시 추가 가열을 도시한다. 점화의 스위치 온은 즉각적인 엔진 시동을 예보하기 때문에 정지한 공기에서 상승한 가열 출력에 의해 가열이 실행된다. 엔진이 시동하면 가열은 최대값으로 점프(jump)하고 네른스트 셀의 내부 저항에 따라 작동 온도로 그리고 그에 따른 작동 전압으로 조절된다. 또한 상기 조절은 다시 전술된 가열 경사를 따른다. 여기서도 인장 응력은 다양한 가열 출력에 상응하여 단지 천천히 상승하고, 이는 센서 요소의 수명에 양호한 영향을 끼친다.

도5는 엔진 시동시 가열 출력의 감소를 도시한다. 엔진이 시동되는 즉시 배기가스 시스템 내 수분 이송의 위험이 급격히 증가한다. 인장 응력으로부터 센서 요소를 보호하기 위해 가열 출력은 다시 경사를 따라 감소한다. 이를 통해 센서 요소 내 전압 비율은 반전된다. 가열기 주변은 매우 빠르게 가열되어 압축 응력이 형성되지만 압축 응력은 센서 요소 표면에 손상을 일으키는 인장 응력을 더 이상 생성해낼 수 없다. 이는 인장 응력의 도시된 그래프에서도 나타난다.

Claims (10)

1. 엔진의 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법에 있어서,

   가열기의 가열 단계 중 시작 단계에서 가열 전압이 후속 단계에 비해 완전한 작동 전압으로 스텝 형상으로 상승되고, 이어서 가열 전압은 지속적으로 또는 0.1 V/s 와 0.3 V/s 사이의 단계에서 감소하고,

   가열 전압의 감소는 작동 전압보다 작은 사전 설정된 일정한 값까지 또는 센서 가열기가 완전히 차단될 때까지 실행되고, 경사 형태의 가열 전압은, 센서의 표면에서 형성되는 인장 응력이 가열 단계 중에 센서의 표면 재료의 재료 특성적인 강도보다 작은 일정한 값을 취하도록 설계되고,

   센서는 시간적으로 엔진 시동 이전에 존재하는 신호의 경우 완전 작동 전압보다 낮은 유효 가열 전압으로 이미 예열되고,

   시작 단계에서 완전 작동 전압을 통해 형성된 가열 전압의 인가 및 그에 이어지는 가열 전압의 감소는 엔진 시동에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
2. 제1항에 있어서, 예열은 2V의 유효 가열 전압으로 실행되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시간적으로 엔진 시동 이전에 존재하는 신호는 차량 도어의 개방 또는 점화 키의 삽입 시에 실행되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 예열은 단계별로 수행되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
5. 제4항에 있어서, 시간적으로 엔진 시동 이전에 존재하는 제1 신호의 경우 완전 가열 출력의 제1 부분(fraction)을 차지하는 제1 가열 출력이 설정되고, 이에 후속하여 엔진 시동 이전에 존재하는 제2 신호의 경우 완전 가열 출력의 제2 부분을 차지하는 제2 가열 출력이 설정되고, 상기 제1 부분은 제2 부분보다 작은 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
6. 제5항에 있어서, 제1 부분은 완전 가열 출력의 1/8을 차지하고 제2 부분은 완전 가열 출력의 1/4을 차지하는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 엔진 시동 후 스위치 온 출력에 비해 가열 출력이 감소하는 것을 특징으로 하는, 배기가스 시스템 내 센서 가열기의 전압 제어식 출력 설정 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

Images