KR101946665B1 - 가스 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

가스 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 센서(3), 특히 자동차의 람다 센서(4)의 가열 장치(2)를 작동하기 위한 장치(1)에 관한 것으로서, 상기 장치는 가열 장치(2)와 작동 연결된/작동 연결될 수 있고 작동 전류를 제공하는 하나 이상의 전력 출력단(5, 6)을 구비한다. 이때 서로 병렬 접속된 2개 이상의 전력 출력단들이 제공되고, 이때 제1 전력 출력단(5)은, 자신의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달하는 경우에 스위치 오프되고, 제2 전력 출력단(6)은 사전에 설정할 수 있는 최대값으로 자신의 작동 전류를 제한한다. 또한 본 발명은 상기 장치를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

가스 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치 및 방법{DEVICE FOR OPERATING A HEATING APPARATUS OF A GAS SENSOR, METHOD}
본 발명은 자동차의 가스 센서, 특히 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 가열 장치와 작동 연결된/작동 연결될 수 있는, 작동 전류를 제공하는 하나 이상의 전력 출력단을 구비한다.
또한 본 발명은, 특히 상술된 것처럼, 가열 장치와 작동 연결된, 작동 전류를 제공하는 하나 이상의 전력 출력단을 구비한 가스 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
도입부에 명시된 유형의 장치 및 방법은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 일반적으로 배기가스의 산소 함량을 측정하기 위해, 가스 센서, 특히 이른바 람다 센서가 자동차의 배기가스 시스템에서 사용된다. 이때 람다 센서의 산소 함량을 최적으로 측정하기 위해 특정한 온도로 가열되어야 한다. 이를 위해 하나 이상의 전력 출력단을 통해 구동되는 가열 장치가 가스 센서 또는 람다 센서에 할당된다. 일반적으로 전력 출력단은 자동차 제어장치의 구성부품을 나타낸다.
람다 센서의 상이한 타입들이 알려져 있다. 특히 전력이 강한 가열 장치가 할당되어 있거나 할당되어야 하는 광대역 람다 센서(LSU)와, 전력이 약한 가열 장치를 구비한 비용이 저렴하고 간단하게 구성된 분기 센서(LFS)가 당업자에게 알려져 있다. 어떤 타입의 람다 센서가 설치되어 있는지에 따라, 전력 출력단의 전력이 선택되어야 한다. 알려진 전력 출력단들의 거동은 최대로 전류가 흐를 때 또는 최대의 전력 요구 시에 구별된다. 스위치 오프되는 출력단은, 이의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달할 경우에 스위치 오프된다. 제한되는 전력 출력단은 자신의 작동 전류를 사전에 설정할 수 있는 최대값으로 제한한다. 일반적으로 람다 센서는 자신의 가열 저항과 관련하여 저온에서 낮은 저항을 포함하고 고온에서 높은 저항을 포함하도록 포지티브한 온도 범위를 갖는 특성 곡선을 가진다.
바람직하게 정확히 표준의 전력에 의한 가열 장치의 작동은 특히 람다 센서의 상류에서, 배기가스를 생성하는 내연기관의 스타트부터 액체의 증발까지의 이른바 보호 가열 단계(이슬점)에서 중요하다. 람다 센서의 고온의 세라믹 상에 물방울의 입사가 열충격 손상을 일으킬 수 있기 때문에, 보호 가열 단계에서 람다 센서는 예컨대 300℃를 초과하여 가열되어서는 안 된다. 그러나 람다 센서 또는 가스 센서의 세라믹에 존재하는 물이 증발할 수 있도록, 가열 장치는 람다 센서로 하여금 충분히 고온이 되도록 해야 한다. 그렇지 않으면 이슬점에 도달한 이후 가열 장치의 완전한 스위치 온 시 폭발적인 증발이 마찬가지로 손상을 일으킬 수 있을 것이다. 그러므로 하나 이상의 전력 출력단에 의해 제공된 가열 장치의 가열력은 보호 가열 단계에서 낮을 뿐이지만, 예컨대 출력단의 스위치 오프를 통해 너무 낮아져서도 안 된다는 것이다. 낮은 가열력은 전력 출력단의 구동 시 낮은 마크스페이스 비율에 의해 실현된다. 그러나 짧은 보호 가열 단계 중에 높은 전류가 흘러서, 가열 장치가 가스 센서의 요구된 작동 온도를 설정하기 전에, 최대 전류가 달성되고 출력단을 스위치 오프하는 것이 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 청구범위 제1항에 따른 특징들을 갖는다. 상기 장치는 가스 센서, 특히 광대역 람다 센서의 가열 장치의 안전한 작동을 간단하고 비용이 저렴한 방식으로 가능케 한다. 상기 장치는 서로 병렬 접속된 2개 이상의 전력 출력단들이 제공되는 것을 특징으로 하고, 전력 출력단들 중에서 제1 전력 출력단은 자신의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 작동 전류에 도달하는 경우에 스위치 오프되고, 전력 출력단 중의 제2 전력 출력단은 자신의 작동 전류를 사전에 설정할 수 있는 최대값으로 제한한다. 그러므로 본 발명에 따라 서로 병렬 접속되고 상이한 특성들을 포함하는, 하나의 가열 장치를 작동하기 위한 2개 이상의 전력 출력단이 제공된다. 바람직하게 2개의 전력 출력단들은, 동일한 최대의 최종 전력을 생성시키는 방식으로 형성되어 있다. 두 개의 전력 출력단들은 가열 장치에 공급되는 작동 전류를 제공한다. 스위치 오프 전력 출력단의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달하면, 이러한 전력 출력단은 스위치 오프된다. 그리고 나서, 바람직하게 최대 전류를 제한하는 다른 전력 출력단의 전력은, 스위치 오프된 전력 출력단에 의해 부족한 출력이 보상되는 방식으로 증가된다. 이를 위해 경우에 따라 다른 전력 출력단의 최대값이 상응하게 증가되어서, 가열 장치를 위한 전체 요구 전력이 제공된다. 바람직하게 단자 내 스위치 오프 전력 출력단은 지속적으로 스위치 오프되는 것이 아니라, 특히 각각의 새로운 펄스나 주기에서 다시 스위치 온 된다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라 상기 장치는 전력 출력단을 작동하기 위한 제어장치를 포함한다. 바람직하게 제어장치는, 상기 제어장치가 각각의 전력 출력단의 작동 상태, 적어도 스위치 오프 전력 출력단의 작동 상태를 검출하고, 측정된 작동 상태에 따라 다른 전력 출력단을 작동하는 방식으로 형성되어 있다. 이를 위해 상기 제어장치는 상응하는 검출 수단들과 연결될 수 있거나 이러한 수단들을 포함한다. 또한 상기 제어장치는 특히, 측정된 정보들을 처리하고 전력 출력단을 구동하기 위한 마이크로 프로세서를 포함한다.
또한 바람직하게, 상기 제어장치는, 제1 전력 출력단의 스위치 오프 시 제2 전력 출력단이 더 높은 작동 전력을 제공하는 방식으로, 제2 전력 출력단을 구동한다. 상술된 것처럼, 바람직하게 제1 전력 출력단이 차단되거나 스위치 오프될 경우에, 제2 전력 출력단의 작동 전력은 증가한다. 특히 제2 전력 출력단의 작동 전력이, 제1 전력 출력단의 차단된 작동 전력을 보상하는 만큼 증가되는 경우, 요구되는 전체 작동 전력이 가열 장치에 제공되고, 가스 센서가 요구되는 작동 온도에 도달되는 것이 보장된다.
상술된 장치를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은 청구범위 제4항의 특징들을 갖는다. 이때 제1 전력 출력단과 제2 전력 출력단의 작동 전류들이 측정되는 것과, 제1 전력 출력단이 사전에 설정할 수 있는 전류값의 도달 시 스위치 오프되며, 제2 전력 출력단의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 한계값으로 제한되는 것이 제공된다. 이를 통해 장치에 대해 상술된 장점들이 도출된다.
바람직하게 제2 전력 출력단은, 더 높은 작동 전력을 제공하는 방식으로 제1 전력 출력단의 스위치 오프 시 구동된다. 특히 바람직하게 제2 전력 출력단은, 제2 전력 출력단이 제1 전력 출력단의 차단된 작동 전력을 보상하는 방식으로 구동되어서, 또한 요구된 전체 작동 전력이 가열 장치를 위해 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에 따라, 전력 출력단들의 전력, 즉 제1 전력 출력단과 제2 전력 출력단의 전력은 특히 반도체 스위치들의 주기적인 스위치 온과 스위치 오프에 의해 사전에 설정할 수 있는 마크스페이스 비율로 설정된다. 반도체 스위치, 특히 이른바 브리지 회로 또는 병렬 회로를 이용한 전력 출력단의 작동은 당업자에게 일반적으로 알려져 있으므로, 여기서 더 자세히 설명되지는 않는다. 제1 전력 출력단이 자신의 작동 전력이 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달했으므로 스위치 오프되면, 요구되는 전체 전력을 얻기 위해, 제2 전력 출력단이 유지될 때 마크스페이스 비율이 매칭되어야 한다. 동일한 전체 전력을 얻기 위해, 특히 전류가 절반일 때 유지되는 전력 출력단은 4배의 마크스페이스 비율로 구동되어야 한다.
이를 위해 바람직하게 제1 전력 출력단의 스위치 오프 시 제2 전력 출력단의 마크스페이스 비율은, 전력 출력단의 활성화 시 스위치 온 단계에서 흐르는 전류에 대한, 전력 출력단의 활성화 시 스위치 온 단계에서 흐르는 전류와 스위치 오프값에 상응하는 전류의 합의 비율의 제곱에 상응하는 계수만큼 증가된다.
특히 바람직하게 스위치 온 단계에서, 유지되는 전력 출력단의 마크스페이스 비율은, 상술된 것처럼, 가열 장치를 위해 동일한 전체 작동 전력을 얻도록, 계수 4만큼 증가된다.
전체적으로 본 발명에 의해 가스 센서 또는 이 가스 센서에 할당된 가열 장치의 작동이 가능해지고, 상기 가스 센서는 간단하고 비용이 저렴한 방식으로 보호 가열 단계에서 가열 장치의 안전한 작동을 가능하게 한다. 이를 통해 바람직한 장치와 이의 작동에 의해, 스위치 오프 전력 출력단보다 더 높은 비용 요인을 나타내는, 더 많은 전류를 제한하는 출력단이 제어장치에서 다른 적용 분야를 위해 사용될 수 있게 된다. 본 발명은 (스위치 오프 타입의) 비용이 저렴한 전력 출력단이 가스 센서를 구비한, (상술된 것처럼) 특히 광대역 람다 센서를 구비한 적용 분야에서도 사용될 수 있도록 기여한다. 이로 인해 이러한 바람직한 장치 또는 제어장치를 위한 비용이 감소될 수 있다.
본 발명은 하기와 같이 도면에 의해 더 상세히 설명된다.
도 1은 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 단순화된 블록도이다.
도면에서는 특히 자동차의 배기가스 시스템 내에서 제공될 수 있거나 제공되는, 가스 센서(3)의 가열 장치(2)를 작동하기 위한 장치(1)가 파선으로 둘러싸여 단순화된 도면으로 도시된다. 가스 센서는 람다 센서(4), 특히 광대역 람다 센서로서 형성된다. 람다 센서(4)는 여기서 더 상세히 도시되지 않는 람다 센서(4)의 온도 제어를 위해 사용되고 기계적인 손상을 예방하는 세라믹 바디를 포함한다. 일반적으로 세라믹 바디는 배기가스 흐름에 위치하고, 상기 흐름의 산소 함량은 람다 센서(4)를 이용해 측정된다. 효율적인 측정을 가능케 하도록, 람다 센서(4), 특히 세라믹 바디에 가열 장치(2)가 할당되고, 상기 가열 장치는 람다 센서, 특히 람다 센서의 세라믹 바디를 사전에 설정할 수 있는 특정한 온도로 제어한다.
가열 장치를 작동하기 위해 장치(1)는, 서로 병렬 접속되고 공동의 라인(7)을 통해 에너지원과 연결되는 2개의 전력 출력단(5, 6)을 포함한다. 전력 출력단(5, 6)은 별도의 라인을 통해 에너지원과 연결되거나 연결될 수 있다는 것도 물론 고려 가능하다. 이때 상기 에너지원은 장치(1)의 구성부품을 형성할 수 있지만, 바람직하게는 별도로, 예를 들어 장치(1)를 포함하는 자동차의 에너지 저장기로서 제공된다. 또한 전력 출력단(5, 6)은 공동의 라인을 통해 가열 장치(2)와 연결된다. 마찬가지로 가열 장치(2)는 각각 별도의 라인을 통해 전력 출력단(5, 6)들 중 하나와 연결되는 것이 고려될 수 있다. 또한 장치(1)는 전력 출력단(5, 6)과 연결되고 선택적으로 가스 센서(3) 및/또는 이의 가열 장치(2)와도 연결되는 제어장치(8)를 포함한다. 바람직하게 장치(1)는 제어장치로서, 특히 상술된 자동차 내연기관의 엔진 제어장치로서 형성된다.
제1 전력 출력단(5)은, 제1 전력 출력단의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달하면 스위치 오프되는 방식으로 형성된다. 이로써 제1 전력 출력단은 스위치 오프되는 전력 출력단을 나타낸다.
제2 전력 출력단(6)은, 제2 전력 출력단이 작동 전류를 사전에 설정할 수 있는 최대값으로 제한하므로, 이의 작동 전류는 이러한 값을 초과할 수 없도록 형성되어 있다.
제어장치(8)는 각각의 전력 출력단(5, 6)에 의해 제공된 작동 전력을 설정하기 위해 각각의 전력 출력단의 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 결정하는 마크스페이스 비율을 각각 사전에 설정함으로써 전력 출력단(5, 6)을 구동한다. 또한 제어장치(8)는 각각의 전력 출력단의 상태를 측정하여서, 전력 출력단(5)이 작동 상태인지 또는 스위치 오프되었는지를 인식하고, 경우에 따라서는 전력 출력단(6)의 작동 전류가 사전에 설정된 최대값에 도달하였는지도 인식한다.
제어장치(8)가, 이의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달하였기 때문에 제1 전력 출력단이 스위치 오프된 것을 측정하면, 상기 제어장치는, 제2 전력 출력단이 더 높은 작동 전력을 공급하는 방식으로 제2 전력 출력단을 구동한다. 이때 특히 제2 전력 출력단은, 제2 출력단이 제1 전력 출력단의 차단 또는 스위치 오프에 의해 부족한 작동 전력을 보상하는 방식으로 구동된다. 특히 제2 전력 출력단의 작동 전력은, 스위치 오프된 전력 출력단이 스위치 오프를 위한 임계값의 전류로 작동될 수 있을 경우에 스위치 오프된 전력 출력단이 제공할 수 있는 전력, 즉 제1 전력 출력단의 최대 도달 가능한 전력에 상응하는 방식으로 설정된다.
이를 위해, 제2 전력 출력단의 마크스페이스 비율은, 한편으로 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서나 보호 가열 단계에서 흐르는 전류와 스위치 오프된 전력 출력단(5)의 스위치 오프 임계값에서의 전류의 합과, 다른 한편으로 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서 흐르는 전류로 형성되는 비율의 제곱에 상응하는 계수로 증가한다.
람다 센서(4)가 아직 매우 저온일 경우, 가열 장치(2)의 내부 저항은 낮다. 가열 장치(2)의 스위치 온 시에 이러한 단계에서는 단시간에 높은 전류가 흐른다. 이러한 단계에서 전력 출력단은 단시간에 스위치 오프된다. 그러나 신속한 가열을 가능하게 하기 위해, 이러한 단계 중에 마크스페이스 비율은, 상술된 것처럼, 특히 계수 4만큼 증가된다. 람다 센서(3)가 충분히 고온이거나 작동 온도에 도달하면, 가열 장치(3)의 내부 저항이 증가함으로써, 상기 장치의 작동 전류는 감소하고 스위치 오프되는 제1 출력단은 다시 스위치 온 되며, 제2 전력 출력단의 증가된 마크스페이스 비율이 다시 정상값으로 감소되어서, 2개의 전력 출력단(5, 6)은 다시 정상 작동한다.
동일한 전체 작동 전력을 얻기 위해, 전류가 절반일 때 유지되는 전력 출력단(6)은 4배의 마크스페이스 비율로 구동된다. 보정된 마크스페이스 비율을 결정하기 위해, 마크스페이스 비율은 시간(시간_구)으로 전환 계산된다. 계산 시에는 스위치 오프하는 제1 전력 출력단(5)의 스위치 오프 시간이 함께 고려되어야 한다.
이로써,
시간_신 = [시간_구 - 전력 출력단(5)의 스위치 오프 시간]·계수 4 + 전력 출력단(5)의 스위치 오프 시간
공식이 도출된다.
그리고 나서 새롭게 계산된 시간(시간_신)은 다시 마크스페이스 비율로 전환 계산된다.
물론 본 발명은 2개의 전력 출력단(5, 6)을 구비한 장치에 국한되지 않는다. 오히려 가열 장치(2)를 작동하는 3개 또는 그 이상의 전력 출력단을 서로 병렬 접속하는 것도 고려될 수 있다. 하나 이상의 스위치 오프되는 전력 출력단과, 하나 이상의 제한되는 전력 출력단이 제공되는 것이 중요하다. 이와 같이, 예컨대 하나 또는 복수의 제한되는 전력 출력단에 의한 스위치 오프 시 상기 작동 전력에 상응하게 보상되는 복수의 스위치 오프된 전력 출력단들을 제공하는 것도 고려될 수 있다. 그리고 나서 복수의 스위치 오프 전력 출력단들에 따라 계수도 계산된다.

Claims (9)

  1. 자동차의 람다 센서(4)의 가열 장치(2)를 작동하기 위한 장치(1)이며, 가열 장치(2)와 작동 연결되고 작동 전류를 제공하는 하나 이상의 전력 출력단(5, 6)을 구비한, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치에 있어서,
    서로 병렬 접속된 2개 이상의 전력 출력단들이 제공되고, 제1 전력 출력단(5)은, 자신의 작동 전류가 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달하는 경우에 스위치 오프되고, 제2 전력 출력단(6)은 사전에 설정할 수 있는 최대값으로 자신의 작동 전류를 제한하고,
    상기 전력 출력단(5, 6)의 전력들은 사전에 설정할 수 있는 마크스페이스 비율로 반도체 스위치의 주기적인 스위치 온과 스위치 오프에 의해 조정되고,
    상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되어 전류가 절반이 되면, 상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서 흐르는 전류에 대한, 상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서 흐르는 전류와 사전에 설정할 수 있는 전류값에 상응하는 전류의 합의 비율의 제곱에 상응하는 계수만큼, 상기 제2 전력 출력단(6)의 마크스페이스 비율을 증가시키는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 출력단(5, 6)을 작동하기 위한 제어장치(8)를 가지는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제어장치(8)는, 상기 제1 전력 출력단(5)의 스위치 오프 시, 상기 제2 전력 출력단(6)이 더 높은 작동 전력을 갖도록 상기 제2 전력 출력단을 제어하는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치.
  4. 자동차의 람다 센서(4)의 가열 장치(2)를 작동하기 위한 장치의 작동 방법이며, 가열 장치(2)와 작동 연결되고 작동 전류를 제공하는 하나 이상의 전력 출력단(5, 6)을 구비하는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법에 있어서,
    제1 전력 출력단과 제2 전력 출력단(5, 6)의 작동 전류들은 측정되고, 제1 전력 출력단(5)은 사전에 설정할 수 있는 전류값에 도달할 경우에 스위치 오프되며, 제2 전력 출력단(6)의 작동 전류는 사전에 설정할 수 있는 한계값으로 제한되고,
    상기 전력 출력단(5, 6)의 전력들은 사전에 설정할 수 있는 마크스페이스 비율로 반도체 스위치의 주기적인 스위치 온과 스위치 오프에 의해 조정되고,
    상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되어 전류가 절반이 되면, 상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서 흐르는 전류에 대한, 상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되지 않을 때 스위치 온 단계에서 흐르는 전류와 사전에 설정할 수 있는 전류값에 상응하는 전류의 합의 비율의 제곱에 상응하는 계수만큼, 상기 제2 전력 출력단(6)의 마크스페이스 비율이 증가되는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전력 출력단(6)은, 상기 제1 전력 출력단(5)의 스위치 오프 시 더 높은 작동 전력을 제공하는 방식으로 제어되는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제2 전력 출력단(6)의 작동 전력은, 스위치 오프된 상기 제1 전력 출력단(5)의 부족한 작동 전력이 적어도 사실상 보상되는 방식으로 증가되는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 전력 출력단(5)이 스위치 오프되고, 상기 제2 전력 출력단(6)이 스위치 온 되는 단계에서 마크스페이스 비율이 계수 4만큼 증가되는, 람다 센서의 가열 장치를 작동하기 위한 장치의 작동 방법.
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