KR102547718B1 - 배기 가스 정화 시스템용 가열기를 작동하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연 기관의 배기 가스에서 질소 산화물을 정화하기 위한 요소-물 용액을 가열시키는, 정 온도 계수(PTC) 서미스터의 특성을 갖는 가열 소자의 현재 온도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라, 가열 소자의 최소 저항과 기준 가열 소자의 최소 저항의 비율로부터 보정 계수가 구해지고, 가열 소자의 현재 온도에서 결정된 저항에 상기 보정 계수가 곱해지고, 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성 및 보정된 저항값으로부터 가열 소자의 현재 온도가 결정된다.
본 발명에 따른 방법은 가열 소자의 온도를 더 정확하게 조절 및 제한할 수 있도록 한다.

Description

배기 가스 정화 시스템용 가열기를 작동하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING A HEATER FOR AN EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM}
본 발명은 내연 기관의 배기 가스에서 질소 산화물을 정화하기 위한 요소-물 용액을 가열시키는, 정 온도 계수(PTC) 서미스터의 특성을 갖는 가열 소자의 현재 온도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 내연 기관의 배기 가스에서 질소 산화물을 정화하기 위한 요소-물 용액을 가열시키는, 정 온도 계수(PTC) 서미스터의 특성을 갖는 가열 소자의 현재 온도를 결정하는 장치에 관한 것이며, 이때 가열 소자를 위한 제어 장치에는 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성이 저장된다.
내연 기관의 배기 가스를 탈질소화하기 위한 배기 가스 정화 시스템은 요소-물 용액을 이용하며, 요소-물 용액은 선택적 촉매 환원용 촉매 컨버터(SCR catalytic converter)에 앞서 배기 가스에 계량 공급된다. 요소-물 용액("Ad-Blue")은 -11℃ 아래의 온도에서 얼기 때문에, 주변 조건이 차가울 때는 가열되어야 한다. 어는 용액은 팽창하므로, 계량 공급 시스템을 손상시킬 수 있다. 또한, 이러한 용액은 계량 공급될 수 없고, 배기 가스에는 허용 불가능할 정도로 높은 값의 질소가 함유될 것이다. 요소-물 용액의 가열을 위해서는 그 특성으로 인해, 정 온도 계수 서미스터의 특성을 갖는 가열 소자[PTC(positive temperature coefficient) heater]가 사용된다. 재료에 좌우되는 스위칭 온도를 초과하면 가열 소자의 저항은 온도와 함께 급격히 상승하고, 일정한 작동 전압에서 가열력을 감소시키므로, 스위칭 온도를 실질적으로 초과할 수 없다. 요구되는 가열력에 따라, 가열 소자는 병렬 접속된 복수의 PTC 가열 소자들로 구성될 수 있다. 가열 소자가 요소-물 용액에 의해 덮여 있지 않은 경우에도, 열배출의 감소로 인한 가열 소자의 강한 가열이 PTC 특성을 통해 방지된다. 요소-물 용액의 해동을 위해서는 PTC 가열 소자의 스위칭 온도보다 훨씬 더 낮은 온도가 필요하다. 따라서, 추가적인 온도 센서없이, 가열 소자 및 요소-물 용액의 온도를 조절 및 제한할 수 있다는 점이 바람직하다.
공보 DE 10 2013 108 501 A1호에는 적어도 하기 단계들을 포함하는, 전기식 PTC 가열기를 구비한 공급 모듈의 제조와, 탱크 내 설치와, 액체 첨가제의 저장을 위한 방법이 공지되어 있다.
a) 공급 모듈에 제공되는 최대 전력 설정 단계,
b) 탱크 내 전기 PTC 가열기의 위치로부터 공급 모듈의 열전도율을 확인하는 단계,
c) 최대 전력 및 열전도율로부터 PTC 가열기의 스위칭 온도를 계산하는 단계,
d) PTC 가열기에 대한 상응하는 스위칭 온도를 갖는 PTC 재료를 상기 위치에 조립하는 단계.
DE 10 2013 108 501 A1호에서는 PTC 가열 소자의 작동 온도가 결정되며, 이 작동 온도는 사전 설정된 원하는 가열력에서 달성된다. 가열 소자의 재료로서, 작동 온도에 상응하는 스위칭 온도를 갖는 PTC 재료가 선택된다. 이로 인해, 가열기로부터 흡수되는 가열력은 원하는 값으로 제한된다.
공보 DE 10 2012 110 985 B4호에는 하기의 방법 단계들을 포함하는, 내연 기관을 구비한 자동차의 배기 가스 후처리 시스템을 위한, 탱크 내에 위치한 환원제의 온도 범위를 결정하는 방법이 공지되어 있다.
a) 탱크의 온도(TT)를 검출하는 단계,
b) 자동차의 주변 온도(TU)를 검출하는 단계,
c) 자동차의 주변 온도와 탱크의 온도(TD)의 차이를 검출하는 단계,
d) 단계 a) 내지 c)에서 검출된 온도에 기초하여, 탱크 내에 위치한 환원제의 온도(TR)를 설정하는 단계,
e) 단계 a) 내지 d)에서 검출되거나 설정된 온도를 저장하는 단계,
f) 미리 정해진 시간 간격에 따라 단계 a) 내지 e)를 반복하는 단계.
환원제의 온도는 배기 가스 후처리를 위한 환원제의 최적의 계량 공급을 위해 결정된다.
공보 DE 10 2010 038 361 A1호에는 하기의 방법 단계들을 포함하는, 매질의 온도를 측정하는 방법이 공지되어 있으며, 이때 매질은 하나 이상의 가열 장치(18)와 접촉하고, 가열 장치(18)는 하나 이상의 PTC 소자를 포함한다.
- 가열 장치(18)의 작동 중에 PTC 소자에서의 저항 및/또는 전압 및/또는 전류를 특성화하는 하나 이상의 변수를 검출하는 단계,
- 검출된 값들로부터 하나 이상의 전기 전도도를 구하는 단계,
- 시간에 따른 전기 전도도로부터 하나 이상의 예측 변수(100; 200)를 구하는 단계,
- 매질의 온도를 추론하기 위해 하나 이상의 예측 변수(100; 200)를 평가하는 단계.
상기 단계에서는 가열 장치의 전기 전도도로부터 가열 장치를 둘러싼 매질의 온도가 추론될 수 있다고 언급된다. 따라서, 가열 소자의 저항으로부터도 가열 소자의 온도가 추론될 수 있으며, 이러한 온도는 둘러싸는 매질의 온도에 실질적으로 상응한다.
그러나, PTC 특성을 갖는 가열 소자에는 제조 오차가 있고, 이로 인해 그 저 항 및 온도의 상호 연관성에도 오차가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 내연 기관의 배기 가스의 탈질소화를 위한 액체를 위해 가열 장치 내 가열 소자의 온도를 더 정확하게 조절 및 제한하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 방법에 관한 본 발명의 목적은, 가열 소자의 최소 저항과 기준 가열 소자의 최소 저항의 비율로부터 보정 계수가 구해지고, 가열 소자의 현재 온도에서 결정된 저항에 상기 보정 계수가 곱해지고, 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성 및 보정된 저항값으로부터 가열 소자의 현재 온도가 결정됨으로써 달성된다. 가열 소자의 저항에 대한 제조 편차의 영향을 보정함으로써, 가열 소자의 온도는 더 정확하게 결정될 수 있다. 따라서, 온도의 조절 및 제한이 개선될 수 있다. 온도는 PTC 가열 소자의 스위칭 온도 뿐만 아니라 더 낮은 여타 온도로도 제한 및 조절 가능하다.
가열 소자의 저항을 결정할 때 공급 케이블의 케이블 저항을 감산하면, 가열 소자의 저항과 이에 따라 가열 소자의 현재 온도가 더 정확하게 결정될 수 있다. PTC 가열 소자는 비교적 낮은 임피던스를 가지므로 공급 케이블의 케이블 저항은 가열기 저항의 참값을 왜곡할 수 있다.
상기 장치에 관한 본 발명의 목적은, 가열 소자의 최소 저항과 기준 가열 소자의 최소 저항의 비율로부터 보정 계수를 결정하고, 가열 소자의 현재 온도에서 결정된 저항에 상기 보정 계수를 곱하고, 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성 및 보정된 저항값으로부터 현재 온도를 결정하기 위한 회로 또는 프로그램 시퀀스가 제어 장치 내에 제공됨으로써 달성된다. 가열 소자의 온도가 그 스위칭 온도보다 더 낮은 값으로 조절 및/또는 제한되도록 제어가 설정된다면, 가열 소자의 수명이 연장될 수 있다. 가열 소자가 요소-물 용액에 의해 덮여 있지 않은 경우에도, 온도 상승이 방지될 수 있다.
본 발명은 이하에서 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 PTC 가열 소자의 저항 그래프를 도시한다.
도 1에는 내연 기관의 배기 가스를 탈질소화하기 위한 요소-물 용액을 위한, 정 온도 계수(PTC) 서미스터로 가열된 가열 소자의 저항 그래프(10)가 도시되어 있다. 이와 같은 가열 소자는 요소-물 용액이 -11℃에서 얼고, 이 경우 더 이상 배기 가스 채널 내로 계량 공급될 수 없기 때문에 필요하다. 또한, 어는 요소-물 용액은 팽창하고, 계량 공급 시스템을 손상시킬 수 있다. 저항 그래프(10)에는 저항축(11) 및 온도축(15)을 따라 PTC 가열 소자의 저항 곡선(12)이 도시된다. 저항은 저항축(11)을 따라 로그 스케일로 기입되어 있다. 저온에서 저항은 낮으며, 스위칭 온도(16)에서부터 급격히 상승한다. 스위칭 온도(16)는 PTC의 재료에 좌우된다. 스위칭 온도(16)에서부터 저항이 상승함으로써, 가열 소자의 작동 전압이 일정할 때 가열력이 감소하여, 스위칭 온도(16) 범위 내의 온도가 설정된다. 제조 오차로 인해, 대량 생산된 실제 가열 소자의 저항 곡선은 오차 하한폭(13)과 오차 상한폭(14) 사이의 범위에 있게 된다. 따라서, 저항 곡선(12)은 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성을 나타낸다. 마찬가지로, 대량 생산을 고려할 때 시스템의 평형 상태에서 설정되는 온도도 오차를 갖고, 스위칭 온도(16) 부근의 오차 범위 내에 있게 된다.
탈질소화 시스템을 위한 가열기의 작동 시에는 스위칭 온도(16)보다 훨씬 더 낮은 온도로 충분하다. 따라서, 가열 소자의 저항이 결정되고, 이로부터 가열 소자의 온도가 결정된다. 요소-물 용액의 해동 및 가열 동안, 가열 소자의 온도가 최대 허용 온도를 초과하지 않는 한 안전한 작동을 나타내는 최대 가능 가열력이 송출될 수 있다. 제조 오차로 인해, 온도 결정에는 오차가 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면 시스템 내에 설치된 개별 가열 소자를 위해 최소 저항값(Rmin,HE)을 결정하고, 저항 곡선(12)으로부터의 기준 가열 소자를 위한 최소 저항값(Rmin,Ku)과 비교하는 것이 제공된다. 이와 같이 구해진 보정 계수(K = Rmin,HE / Rmin,Ref)는 개별 가열 소자에서 검출된 저항값을 보정하는데 사용된다. 이로 인해, 가열 소자의 현재 온도의 결정과 함께 온도의 조절 및 제한도 개선된다.

Claims (16)

  1. 요소-물 용액을 가열시키도록 구성된 정 온도 계수(PTC) 가열 소자의 현재 온도를 결정하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 요소-물 용액이 선택적 촉매 환원용 촉매 컨버터에 앞서 배기 가스로 계량되는 동안, 제어 장치가 PTC 가열 소자의 현재 온도를 조절하도록 허용하는 회로를 포함하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 PTC 가열 소자의 현재 온도를 결정하기 위해 상기 회로는:
    기준 가열 소자의 저장된 온도 종속성으로서, 상기 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성을 저장하고,
    상기 PTC 가열 소자가 상기 PTC 가열 소자의 현재 온도에 있는 동안, 상기 PTC 가열 소자의 저항을 결정하고,
    보정 계수를 얻기 위해, 상기 PTC 가열 소자의 최소 저항과 상기 기준 가열 소자의 최소 저항의 비율을 결정하고,
    보정된 저항 값을 얻기 위해, 상기 PTC 가열 소자의 저항에 보정 계수를 곱하고, 및
    보정된 저항 값과 저장된 온도 종속성으로부터 상기 PTC 가열 소자의 현재 온도를 결정하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회로가 상기 PTC 가열 소자의 저항을 결정할 때 상기 회로는 공급 케이블의 케이블 저항을 감산하는, 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원용 촉매 컨버터는 내연 기관과 연결된 배기 가스의 후처리 시스템 내에 있는, 장치.
  4. 제3항에 있어서, 요소-물 용액은 내연 기관의 배기 가스에서 질소 산화물을 정화하도록 구성된, 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자는 복수의 가열 소자들을 포함하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 가열 소자들은 병렬 접속된, 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자의 저항 곡선은 온도 종속성을 나타내는, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자는 정 온도 계수 서미스터 특성을 갖는, 장치.
  9. 정 온도 계수(PTC) 가열 소자의 현재 온도를 결정하는 방법에 있어서,
    기준 가열 소자의 저장된 온도 종속성으로서, 제어 장치에 의해, 상기 기준 가열 소자의 저항의 온도 종속성을 저장하고;
    PTC 가열 소자가 상기 PTC 가열 소자의 현재 온도에 있는 동안, 상기 제어 장치의 회로에 의해, 상기 PTC 가열 소자의 저항을 결정하고;
    보정 계수를 얻기 위해, 상기 회로에 의해 상기 PTC 가열 소자의 최소 저항과 상기 기준 가열 소자의 최소 저항의 비율을 결정하고;
    보정된 저항 값을 얻기 위해, 상기 회로에 의해 상기 PTC 가열 소자의 저항에 보정 계수를 곱하고;
    보정된 저항 값과 저장된 온도 종속성으로부터 상기 회로에 의해 상기 PTC 가열 소자의 현재 온도를 결정하고; 및
    요소-물 용액이 선택적 촉매 환원용 촉매 컨버터에 앞서 배기 가스로 계량되는 동안, 상기 제어 장치에 의해 상기 PTC 가열 소자의 현재 온도를 조절하는 것을 포함하고,
    상기 PTC 가열 소자는 요소-물 용액을 가열하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 회로가 상기 PTC 가열 소자의 저항을 결정할 때 상기 회로는 공급 케이블의 케이블 저항을 감산하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 선택적 촉매 환원용 촉매 컨버터는 내연 기관과 연결된 배기 가스의 후처리 시스템 내에 있는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 요소-물 용액은 내연 기관의 배기 가스에서 질소 산화물을 정화하는, 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자는 복수의 가열 소자들을 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 가열 소자들은 병렬 접속된, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자의 저항 곡선은 온도 종속성을 나타내는, 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 PTC 가열 소자는 정 온도 계수 서미스터 특성을 갖는, 방법.
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