KR20190035533A

KR20190035533A - 탱크 가열기

Info

Publication number: KR20190035533A
Application number: KR1020180111907A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 슈바르츠
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2019-04-03
Also published as: DE102017217004A1; CN109555582A; GB2568587A; GB201815529D0

Abstract

본 발명은, SCR 시스템의 환원제 탱크용 탱크 가열기에 관한 것이다. 탱크 가열기는 전기적으로 병렬 접속된 복수의 포지스터를 구비한다. 30.0℃ 내지 70.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제1 평균 온도(T₁)에서는, 병렬 접속된 포지스터들이 1.40Ω 내지 1.60Ω의 범위 내에 놓이는 제1 전체 전기 저항(R_{Ges_1})을 갖는다.

Description

탱크 가열기{TANK HEATER}

본 발명은, SCR 시스템의 환원제 탱크용 탱크 가열기에 관한 것이다.

특히, 내연 기관의 배기가스 내에 함유된 질소 산화물을 환원제의 존재하에 질소로 환원하는 SCR 촉매 컨버터( S elective C atalytic R eduction)가 배기가스 영역에 배치되어 있는 자동차에서 내연 기관을 작동시키기 위한 방법 및 장치가 공지되어 있다. 이로 인해, 배기가스 내 질소 산화물의 비율이 줄어들 수 있다. 반응의 진행을 위해서는, 배기가스에 혼합될 암모니아가 필요하다. 그렇기 때문에, 암모니아 또는 암모니아 분리 시약이 환원제로서 사용된다. 일반적으로는 이를 위해, SCR 촉매 컨버터의 상류에서 배기가스 라인 내로 분사되는 요소수가 사용된다. 상기 용액으로부터 환원제로서 작용하는 암모니아가 형성된다. AdBlue^®라는 명칭으로 시중에서 구입할 수 있는 요소수는 1/3이 요소로, 그리고 2/3는 물로 구성되어 있다. 요소수는 -11.5℃의 빙점을 갖는다.

저온에서는 SCR 시스템의 환원제 탱크 내의 요소 용액이 해동되어야 한다. 이를 위해, 전기 가열기로서 구현된 탱크 가열기가 제공될 수 있다. 이 탱크 가열기는 하나의 금속 프로파일, 병렬 접속된 2개의 전기 가열 소자, 및 상기 금속 프로파일 및 가열 소자를 요소수의 부식 작용으로부터 보호해주는 플라스틱 중첩 성형부(plastic overmoulding)를 구비한다. 가열 소자의 전기 특성 곡선은 비선형이고, 정상 작동점에서 출발하여 온도 상승 시 전기 저항이 증가하도록 선택된다. 그럼으로써 열용량(heating capacity)이 저하된다. 가열 시에는 가급적 많은 열용량이 요소수로 송출되어야 한다. 제한 요인은, 최대로 허용되는 전류 및 플라스틱 중첩성형부에 가해지는 열하중이다.

주어진 전기 전압에서, 수 시간 후에 전력과 이 전력을 주변으로 송출하는 열용량 간에 평형 상태가 조정된다. 이와 같은 평형은 금속 프로파일의 디자인 및 환원제 탱크 내 충전 레벨, 그리고 주변 온도에 좌우된다. 탱크 가열기는, 여러 다양한 작동 상태에서 기능을 수행해야 하고, 충전 레벨 및 온도에 따라 가급적 많은 열용량을 발생시켜야 하지만, 이 경우 플라스틱 중첩성형부가 손상되어서는 안 된다. 그렇기 때문에 비선형 저항 특성 곡선은, 플라스틱 중첩성형부에 가해지는 열하중이 지나치게 높지 않도록 선택된다.

SCR 시스템의 환원제 탱크용 탱크 가열기는 전기적으로 병렬 접속된 복수의, 특히 2개의 포지스터(posistor)를 구비한다. PTC 저항기 또는 PTC 서미스터(PTC = P ositive T emperature C oefficient)로서도 지칭되는 포지스터는 온도 의존적 저항기이다. 이들 포지스터는 양의 온도 계수를 가지며, 고온에서보다 저온에서 전류를 더 잘 도통시킨다. 탱크 가열기 내에서 자체 조절 방식의 가열 소자로서 사용되기 위해, 포지스터는 특히 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO₃)과 같은 세라믹 재료에 기반한다.

포지스터의 병렬 접속은, 병렬 접속된 포지스터의 전체 저항이 자체 평균 온도에 걸쳐 기입되어 있는 전기적 특성 곡선에 의해서 특성화된다. 이때, 평균 온도는 포지스터의 개별 온도들의 평균값이다. 가열 시 최대 열용량에 도달하기 위해, 그리고 그와 동시에 플라스틱 중첩성형부에 가해지는 열하중이 지나치게 높지 않도록 보장하기 위해, 포지스터는, 30.0℃ 내지 70.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제1 평균 온도에서 1.40Ω 내지 1.60Ω의 범위 내에 놓이는 제1 전체 전기 저항을 갖도록 구현된다.

상기 제1 전체 전기 저항, 바람직하게 병렬 접속된 포지스터의 최소 전체 전기 저항은 -30℃ 내지 128℃의 온도 범위 내에 놓이는 탱크 가열기의 전형적인 작동 범위 내에 있다. 이 경우 제1 평균 온도는, 온도가 상승할 때 전체 전기 저항이 급격히 증가하기 시작하는 기준 온도라고도 지칭된다. 이와 같은 상황이 탱크 가열기의 자체 조절 특성을 유도함으로써, 탱크 가열기는 기준 온도로부터 벗어날 때 전체 저항의 증가에 의해서 다시 기준 온도로 역조절된다. 온도가 기준 온도 아래로 떨어지더라도, 전체 전기 저항은 상승한다.

탱크 가열기의 전체 작동 범위에 걸쳐 최적의 열용량을 얻기 위하여, 저항 특성 곡선은 바람직하게 이하에 기술되는 또 다른 특유의 지지점들을 갖는다.

70.5℃ 내지 81.5℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제2 평균 온도에서, 병렬 접속된 포지스터는 바람직하게 1.40Ω 내지 1.60Ω의 범위 내에 놓이는 제2 전체 전기 저항을 갖는다. 상기 범위가 제1 전체 전기 저항의 범위와 일치하기 때문에, 제2 전체 전기 저항이 제1 전체 전기 저항보다 크거나 같다는 점은 추가 조건으로서 고려될 수 있다.

82.0℃ 내지 104.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제3 평균 온도에서, 포지스터는 1.48Ω 내지 1.82Ω의 범위 내에 놓이는 제3 전체 전기 저항을 갖는다. 상기 범위가 제2 전체 전기 저항의 범위와 겹치기 때문에, 제3 전체 전기 저항이 제2 전체 전기 저항보다 크거나 같다는 점이 추가 조건으로서 고려될 수 있다.

제4 전체 전기 저항은 1.97Ω 내지 2.35Ω의 범위 내에 놓인다. 이 전기 저항은, 90.0℃ 내지 110.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제4 평균 온도에서 발생한다. 상기 온도 범위가 제3 평균 온도의 범위와 겹치기 때문에, 제4 평균 온도가 제3 평균 온도보다 높다는 점이 추가 조건으로서 고려될 수 있다.

포지스터의 제5 전체 전기 저항은 4.75Ω 내지 6.11Ω의 범위 내에 놓인다. 이 전기 저항은, 90.0℃ 내지 120.0℃의 범위 내에 있는 포지스터의 제5 평균 온도에서 발생한다. 상기 온도 범위가 제4 평균 온도의 온도 범위를 완전히 포함하기 때문에, 제5 평균 온도가 제4 평균 온도보다 높다는 점이 추가 조건으로서 고려될 수 있다.

포지스터의 제6 전체 전기 저항은 11.10Ω 내지 32.10Ω의 범위 내에 놓인다. 이 전기 저항은, 90.0℃ 내지 128.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터의 제6 평균 온도에서 발생한다. 상기 온도 범위가 제5 평균 온도의 온도 범위를 완전히 포함하기 때문에, 제6 평균 온도가 제5 평균 온도보다 높다는 점이 추가 조건으로서 고려될 수 있다.

더 나아가, 탱크 가열기의 사전 설정된 작동 상태에서 포지스터의 전체 저항을 온도 의존적 특성 곡선에 따라 제한하기 위해 상기 포지스터에 대한 전력 공급을 제어하도록 전자 제어 장치를 설계하는 것도 바람직하다. 사전 설정된 작동 상태란, 특히 비어 있는 환원제 탱크 및 사전 설정된 임계값을 초과하는 주변 온도를 의미한다. 이와 같은 작동 상태에서의 온도 제한은, 정상적인 가열 상황이 아닌 경우에는, 포지스터에 가해지는 열역학적 하중이 최소화된다는 장점을 갖는다.

전자 제어 장치 내에 저장된 특성 곡선은, 바람직하게 포지스터의 이론적인 특성으로부터 벗어나는 상기 포지스터의 실제 특성의 편차를 재현하는, 경험적으로 도출된 특성곡선이다.

특히, 상기 특성 곡선은, 탱크 가열기의 작동 시 측정된 제1 전체 전기 저항의 값과 제1 전체 전기 저항의 이론적 값이 비교됨으로써 도출된 것이다. 이 경우, 탱크 가열기의 저항 특성 곡선에서 최소 전체 저항으로서의 제1 전체 전기 저항이 그 자체로서 매우 특징적이라는 사실이 이용된다.

본 발명의 일 실시예가 도면부에 도시되어 있고, 이하의 설명부에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탱크 가열기의 부분 절단된 등축도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탱크 가열기의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탱크 가열기의 저항 특성 곡선의 그래프이다.
도 4는 도 3에 따른 저항 특성 곡선을 선택할 때 허용되는 공차의 그래프이다.

도 1은, 도면에 도시되지 않은 SCR 촉매 컨버터 시스템의 환원제 탱크(2) 내에 배치되어 있는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탱크 가열기(1)를 보여준다. 탱크 가열기(1)는 발생한 열을 요소수로 유도하기 위한 알루미늄 압출 성형 프로파일부(11)를 갖는다. 압출 성형 프로파일부(11) 내에는, 티탄산바륨(BaTiO₃)으로 이루어진 2개의 포지스터(12, 13)가 배치된다. 압출 성형 프로파일부(11) 및 포지스터(12, 13)는 폴리아미드(14)로 압출 성형된다. 환원제 탱크(2) 외부에 있는 전자 제어 장치(3)는 도면에 도시되지 않은 접촉부에 의해 탱크 가열기(1)와 연결되어 있다. 상기 전자 제어 장치는 포지스터(12, 13)에 대한 전력 공급을 제어한다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 2개의 포지스터(12, 13)는 전기적으로 병렬 접속된다. 이 경우, 제1 포지스터(12)는 제1 전기 저항(R₁₂)을 갖고, 제2 포지스터(13)는 제2 전기 저항(R₁₃)을 갖는다. 상기 두 포지스터(12, 13)의 전체 저항(R_Ges)은, 포지스터(12, 13)에 공급되는 전류를 통과시키는 전기 케이블의 저항(R_K)과 직렬로 접속되어 있다. 포지스터(12, 13)의 임피던스가 상대적으로 낮기 때문에, 상기 케이블 저항(R_K)은 무시될 수 없다.

포지스터(12, 13)는, 6개의 지지점을 갖는 저항 특성 곡선을 구비하도록 선택되었다. 이 저항 특성 곡선은 도 3에 도시되어 있다. 이들 지지점은 이하의 표 1에 따른 조건들을 충족시킨다:

i	T_i[℃]	±ΔT_i[℃]	R_{Ges_i}[Ω]	±Δ R_{Ges_i}[Ω]

1	50.0	20.0	1.50	0.10
2	76.0	5.5	1.50	0.10
3	93.0	11.0	1.65	0.17
4	100.0	10.0	2.16	0.19
5	105.0	15.0	5.43	0.68
6	109.0	19.0	21.60	10.50

개별 온도(T_i)에서 포지스터(12, 13)의 평균 온도(T_i)의 공차 범위(±ΔT_i) 및 전체 저항(R_{Ges_i})의 공차 범위(±ΔR_Ges _{_i})가 도 4에 도시되어 있다. 탱크 가열기(1)의 최적의 가열 특성을 가능하게 하는 상기 공차 범위 내에서, 이하의 표에 따른 저항 특성 곡선이 선택되었다.

i	T_i[℃]	R_{Ges_i}[Ω]

1	60.0	1.48
2	75.0	1.51
3	86.0	1.64
4	99.0	2.07
5	116.0	6.00
6	120.0	16.70

탱크 가열기의 정상적인 가열의 경우, 탱크 가열기는 포지스터(12, 13)의 선택을 토대로 해서 상기 저항 특성 곡선에 따른 특성을 보인다. 하지만, 정상 가열의 경우에 상응하지 않는 작동의 경우, 즉, 환원제 탱크(2)가 비어 있거나 매질의 온도가 10℃ 이상인 경우에는, 전자 제어 장치(3) 내에서 열용량의 제한이 실시된다. 이를 위해, 상기와 같은 작동 상태에서는 가열 소자(12, 13)의 제어가 표 2에 따른 이론적인 저항 특성 곡선을 토대로 하지 않는다. 그 대신, 공식 1에 따라 계산되는 학습된 저항 특성 곡선이 사용된다:

R _{ges_i} 학습 = FㆍR _{ges_i} (공식 1)

상기 학습은, 공식 2에 따라 계산되는 인자(F)를 이용해서 수행된다:

(공식 2)

상기 공식에서는, 표 2에 공지된 전체 저항(R_Ges _{_1}) 외에, 이전에 온도(T₁)에서 측정된 실제 최소 전체 저항(R_mess,min)이 고려된다. 상기 실제 최소 전체 저항은 공식 3에 따라 계산된다:

(공식 3)

상기 공식에서, U(T₁)은 온도(T₁)에서 인가되는 전압을 지시하며, Imax(T₁)은 온도(T₁)에서 흐르고 본 실시예에서 최대인 전류를 지시하며, R_K는 케이블 저항을 지시한다. 값 U(T₁) 및 Imax(T₁)은 측정될 수 있는 한편, 케이블 저항(R_K)은 기지값이다. 이와 같이 수정된 지지점들을 이용해서, 전자 제어 장치(3) 내에 저장되는, 온도 제한을 위한 저항 특성 곡선이 도출된다. 그 다음에, 상기 저항 특성 곡선은 온도 제한이 활성화된 작동 상태에서 포지스터(12, 13)를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이제 포지스터의 평균 온도로 제어될 수 있다.

Claims

전기적으로 병렬 접속된 복수의 포지스터(12, 13)를 구비하는, SCR 시스템의 환원제 탱크(2)용 탱크 가열기(1)에 있어서,
30.0℃ 내지 70.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터(12, 13)의 제1 평균 온도(T₁)에서는, 병렬 접속된 포지스터들(12, 13)이 1.40Ω 내지 1.60Ω의 범위 내에 놓이는 제1 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₁)을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제1항에 있어서, 제1 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₁)은 -30℃ 내지 128℃의 온도 범위에서 병렬 접속된 포지스터(12, 13)의 최소 전체 전기 저항인 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 70.5℃ 내지 81.5℃의 범위 내에 놓이는 포지스터(12, 13)의 제2 평균 온도(T₂)에서는 병렬 접속된 포지스터(12, 13)가, 1.40Ω 내지 1.60Ω의 범위 내에 놓이고 제1 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₁)보다 크거나 같은 제2 전체 전기 저항(R_{Ges_2})을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제3항에 있어서, 82.0℃ 내지 104.0℃의 범위 내에 놓이는 포지스터(12, 13)의 제3 평균 온도(T₃)에서는 병렬 접속된 포지스터(12, 13)가, 1.48Ω 내지 1.82Ω의 범위 내에 놓이고 제2 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₂)보다 큰 제3 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₃)을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제4항에 있어서, 90.0℃ 내지 110.0℃의 범위 내에 놓이고 제3 평균 온도(T₃)보다 높은, 포지스터(12, 13)의 제4 평균 온도(T₄)에서는, 병렬 접속된 포지스터(12, 13)가 1.97Ω 내지 2.35Ω의 범위 내에 놓이는 제4 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₄)을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제5항에 있어서, 90.0℃ 내지 120.0℃의 범위 내에 놓이고 제4 평균 온도(T₄)보다 높은, 포지스터(12, 13)의 제5 평균 온도(T₅)에서는, 병렬 접속된 포지스터(12, 13)가 4.75Ω 내지 6.11Ω의 범위 내에 놓이는 제5 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₅)을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제6항에 있어서, 90.0℃ 내지 128.0℃의 범위 내에 놓이고 제5 평균 온도(T₅)보다 높은, 포지스터(12, 13)의 제6 평균 온도(T₆)에서는, 병렬 접속된 포지스터(12, 13)가 11.10Ω 내지 32.10Ω의 범위 내에 놓이는 제6 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₆)을 갖는 것을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 탱크 가열기(1)의 사전 설정된 작동 상태에서 포지스터(12, 13)의 전체 저항(R_Ges)을 온도 의존적 특성 곡선에 따라 제한하기 위해, 상기 포지스터(12, 13)에 대한 전력 공급을 제어하도록 설계된 전자 제어 장치(3)를 구비한 탱크 가열기(1).
제8항에 있어서, 상기 특성 곡선은, 탱크 가열기(1)의 작동 시 측정된 제1 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₁)의 값과 상기 제1 전체 전기 저항(R_Ges _{_} ₁)의 이론적 값이 비교됨으로써 도출된 것임을 특징으로 하는, 탱크 가열기(1).