KR20220081947A - 배기가스 가열 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 전기 전도성 가열 도체 부재(22)를 포함하는 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛으로서, 적어도 하나의 전기 전도성 가열 도체 부재(22)는 만곡된 평 스트립 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 배기가스 가열 유닛에 관한 것이다.

Description

배기가스 가열 유닛{EXHAUST GAS HEATING UNIT}
본 발명은 내연기관의 배기가스 시스템을 위한 배기가스 가열 유닛에 관한 것이며, 상기 배기가스 가열 유닛에 의해서는, 특히 내연기관 작동의 초기 단계에서, 배기가스 온도가 비교적 낮은 조건에서, 또는 배기가스 처리를 위한 배기가스 시스템 내에 배치되는, 예컨대 촉매 컨버터 유닛 또는 미립자 필터 유닛과 같은 시스템 영역들의 온도가 비교적 낮은 조건에서, 열이 배기가스 시스템 내로 유입되는 배기가스 상으로, 그리고 그에 따라 상기 유형의 배기가스 가열 유닛의 하류에 배치되는 시스템 영역들 상으로도 전달될 수 있다. 상기 유형의 배기가스 가열 유닛을 통해서는, 내연기관 작동의 초기 단계에서, 배기가스 처리를 위해, 또는 배기가스 내 유해물질 성분의 저감을 위해 제공되는 시스템 영역들의 충분히 높은 온도에 도달할 때까지의 기간이 단축될 수 있으며, 그리고 그에 따라 내연기관 작동의 초기 단계에서 유해물질 배출량도 저감될 수 있다.
상기 유형의 배기가스 가열 유닛은 DE 10 2019 107 384 A1호로부터 공지되어 있다. 상기 배기가스 가열 유닛은, 외측면 내에 전기 절연 방식으로 파지되는 와이어 유형의 가열 도체 부재(heating conductor element)를 구비하고 실질적으로 원형인 횡단면을 보유한 외측면 가열 도체(lateral-surface heating conductor)를 포함한다. 예컨대 금속 재료로 구성되는 외측면 상에는 만곡된 평 스트립 재료(flat strip material)로 구성되는 열 전달 표면 부재(heat-transfer surface element)가 결합되되, 상기 열 전달 표면 부재는 파상 구조(wave-like structure)를 보유하며, 그리고 파상 구조의 파고점들(wave crest) 사이에 위치하는 파면 영역들(wave surface region)에서는 외측면 가열 도체에 의해 관통되어 열 전달을 위해 상기 외측면 가열 도체의 외측면 상에 결합된다. 파상 구조를 포함하여 구성되는 열 전달 표면 부재이면서, 배기가스 유량 내에서 자체 단부면들로 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 직각으로 배치되고 자체 광폭 측면들로는 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배치되는 것인 상기 열 전달 표면 부재를 마련하는 것을 통해, 열 전달을 위한 큰 표면이 마련된다. 상기 표면은, 외측면 가열 도체가, 자체의 외측면 상에 결합되고 파상 구조를 포함하여 구성되는 열 전달 표면 부재와 함께, 나선형으로 감긴 프로파일을 포함함으로써, 하부 구조를 마련하는, 열 전달 표면 부재의 파상 구조에 나선형 구조가 중첩되는 것을 통해 훨씬 더 확대된다.
본 발명의 과제는 열 전달 능력이 개선된 배기가스 가열 유닛을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 적어도 하나의 전기 전도성 가열 도체 부재를 포함하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛을 통해 해결된다. 배기가스 가열 유닛의 경우, 전기 전도성이면서 가열 모드 중에 전류에 의해 관류되는 적어도 하나의 가열 도체 부재는 만곡된 평 스트립 재료로 구성된다.
본 발명에 따라 구성되는 배기가스 가열 유닛의 경우, 전류에 의해 관류되는 가열 도체 부재 자체는 만곡된 평 스트립 재료로 구성되며, 그리고 그에 따라 가열 모드 중에 배기가스에 의해 직접적으로 접촉 유동될 수 있는 큰 열 전달 표면을 마련한다. 이런 유형의 구현예는, 예컨대 외측면과 같은 추가로 가열할 컴포넌트들, 또는 가열 도체 부재에 상대적으로 상기 유형의 외측면을 절연하는 재료를 방지하며, 그리고 그에 따라 분명히 더 낮은 열 관성(thermal inertia)을 나타내는데, 그 이유는, 배기가스에 의해 접촉 유동되고 그에 따라 배기가스와 접촉하면서도 전류에 의해 관류되는 부품, 다시 말해 가열 도체 부재 자체가 큰 표면을 마련하는 기하구조를 포함하여 형성되기 때문이다.
열 전달을 위해 유용할 수 있고 제공되는 큰 표면의 확보를 위해, 본원 제안에 따라서, 적어도 하나의 가열 도체 부재는 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 평행하게 배치될 광폭 측면들과, 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 직각으로 배치될 단부면들을 포함하며, 그리고 폭 방향으로 가열 도체 부재의 광폭 측면들의 연장 길이는 10㎜ 내지 20㎜의 범위이고, 그리고/또는 두께 방향으로 가열 도체 부재의 단부면들의 연장 길이는 0.05㎜ 내지 0.2㎜의 범위이고, 그리고/또는 두께 방향에서 가열 도체 부재의 단부면들의 연장 길이 대비 폭 방향에서 가열 도체 부재의 광폭 측면들의 연장 길이의 비율은 0.002 ~ 0.025의 범위이다.
전압을 인가하는 것을 통해 가열 도체 부재를 가열하기 위해, 평 스트립 재료는 금속 재료 또는 전기 전도성 세라믹 재료일 수 있다. 그 외에, 열 전달 능력은, 평 스트립 재료가 배기가스를 통한 접촉 유동을 위해 전기 비절연성 표면을 마련하는 것을 통해 추가로 개선될 수 있다. 적어도 하나의 가열 도체 부재는 종방향 단부 영역들에서 하나의 전압원과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
그 외에, 큰 열 전달 표면을 마련하기 위해, 적어도 하나의 가열 도체 부재는 파상 구조(wavelike structure)를 포함하여 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 주지할 사항은, 본 발명의 의미에서 파상 구조가 예컨대 곡률(curvature)형 또는 모서리(edge)형 파고점들 및 이들 파고점 사이에 위치하고 거의 직선으로, 예컨대 상호 간에 평행하게 뻗어 있거나 적어도 일부 영역에서 만곡되어 연장되는 파면 영역들을 포함하는 거의 사인파형, 지그재그형, 또는 톱니형 프로파일, 또는 유사한 방식으로 형성된 프로파일을 통해 마련될 수 있다는 점이다. 파상 구조를 마련하는 상기 유형의 프로파일은 주기적으로 반복되는 파동 패턴(wave pattern)을 마련할 수 있지만, 그러나 최소한 적어도 하나의 가열 도체 부재의 상이한 영역들에서 파장이 변경되는, 다시 말하면 파고점들 간의 이격 간격이 변경되는 파동 패턴 역시도 포함할 수 있다. 적어도 하나의 가열 도체 부재의 상기 파상 구조는, 가열 도체 부재의 상대적으로 더 크거나 더 포괄적인 구조, 예컨대 하기에서 설명되는 나선형 구조 또는 곡류형 구조가 중첩될 수 있는 하부 구조를 형성할 수 있다.
특히 적어도 하나의 가열 도체 부재가 바깥쪽을 향해 노출된 전기 전도성 표면을 포함하지만, 그럼에도 불구하고 배기가스에 의해 관류될 수 있는 횡단면이 가열 도체 부재에 의해 매우 효율적으로 덮여야 한다면, 단락의 방지를 위해 바람직하게는, 적어도 하나의 가열 도체 부재는 상호 간에 인접하여 연장되면서 상호 간에 상대적으로 전기 절연 방식으로 배치되는 가열 도체 부재 길이 영역들을 포함한다.
예컨대 배기가스에 의해 관류될 수 있는 가용한 횡단면의 매우 효율적인 사용은, 적어도 하나의 가열 도체 부재가 나선형 프로파일을 포함하여 배치되는 것을 통해, 그리고 상호 간에 인접하여 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들은 나선 중심(spiral center)과 관련하여 상호 간에 반경 방향으로 인접하여 연장되는 권선 섹션들(winding section)을 통해 마련되는 것을 통해 달성될 수 있다.
이를 위해, 대안의 구현 형태의 경우, 적어도 하나의 가열 도체 부재는 곡류형 프로파일을 포함하여 배치될 수 있으며, 그리고 상호 간에 인접하여 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들은 전이 영역들에서 상호 간에 이어지면서 서로 나란하게 연장되는 곡류 섹션들을 통해 마련될 수 있다.
전기 절연은, 간단하게 실현되지만, 그럼에도 불구하고 효율적으로 작용하는 방식으로, 상호 간에 인접하여 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들이 자신들 사이의 간극을 유지하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연되는 것을 통해, 그리고/또는 상호 간에 인접하여 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들이 자신들 사이에 전기 절연성이면서 바람직하게는 평 스트립 유형인 재료를 배치하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연되는 것을 통해 마련될 수 있다.
가열할 배기가스 상으로 열의 효율적인 전달은, 본 발명에 따른 또 다른 구현예에 따라서, 만곡된 평 스트립 재료로 구성되고 상호 간에 상대적으로 전기 절연되어 배치되는 복수의 가열 도체 부재가 제공되는 것을 통해 달성될 수 있다.
이 경우, 가열 도체 부재들 중 적어도 일부분은 상호 간에 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
예컨대 상호 간에 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 가열 도체 부재를 이용할 때에도, 상기 가열 도체 부재들은 나선 중심에서 출발하여 나선형 프로파일을 포함하여 상호 간에 인접하여 배치될 수 있으며, 그럼으로써 가열 도체 부재들은 상호 간에 인접한 나선 팔들(spiral arm)을 마련하게 된다.
대안의 배치구조의 경우, 가열 도체 부재들은 실질적으로 직선으로 길게 뻗어 있으면서 서로 나란하게 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들을 마련할 수 있다.
개별 가열 도체 부재들 간의 전기 단락을 방지하기 위해, 본원의 제안에 따라서, 가열 도체 부재들은, 자신들 사이의 간극을 유지하는 것을 통해, 상호 간에 상대적으로 전기 절연되고, 그리고/또는 가열 도체 부재들은 자신들 사이에 전기 절연성이면서 바람직하게는 평 스트립 유형인 재료를 배치하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연된다. 이와 관련하여 주지할 사항은, 자명한 사실로서, 가열 도체 부재들이 하나의 전압원에 연결되도록 형성되는 곳에서 상기 가열 도체 부재들이 예컨대 병렬 연결 또는 직렬 연결을 통해 상호 간에 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다는 점이다. 이런 경우, 전기 접촉을 위해 제공되는 영역들, 예컨대 가열 도체 부재들의 각각의 종방향 단부 영역들 사이에 위치하는 길이 영역들 내에서는, 상기 가열 도체 부재들은, 연결 영역들 사이에 위치하는 길이 영역들 내에서 단락을 방지하기 위해, 예컨대 앞서 설명한 조치들을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연된다.
배기가스 유량 내에서 정의된 포지셔닝을 위해, 적어도 하나의 가열 도체 부재를 기설정 위치에서 지지하는 지지 구조가 제공될 수 있다.
이를 위해, 예컨대 지지 구조는 적어도 하나의 가열 도체 부재의 파상 구조의 정점 영역들 사이에 맞물리는 포지셔닝 돌출부들을 구비한 적어도 하나의 지지 부재를 포함할 수 있고, 그리고/또는 지지 구조는 적어도 하나의 가열 도체 부재의 파상 구조의 정점 영역들을 수용하는 포지셔닝 리세스부들을 구비한 적어도 하나의 지지 부재를 포함할 수 있고, 그리고/또는 지지 구조는 포지셔닝 리세스부들 내에서 적어도 하나의 가열 도체 부재의 정점 영역들 내에 맞물리는 적어도 하나의 지지 부재를 포함할 수 있다.
그 대안으로, 또는 그에 추가로, 정의된 포지셔닝의 기설정 내지 유지를 위해, 지지 구조는 적어도 하나의 가열 도체 부재의 파상 구조의 파고점들 사이에서 연장되는 파면 섹션들 상에서 파지되는 적어도 하나의 지지 부재를 포함할 수 있다.
이 경우, 적어도 하나의 지지 부재는 파면 섹션들을 관통할 수 있다. 그 대안으로, 또는 그에 추가로, 적어도 하나의 지지 부재는 파면 섹션들의 영역에서 적어도 하나의 가열 도체 부재의 일측 단부면 상에서 지지될 수 있다.
그 외에, 정의된 포지셔닝의 보조를 위해, 지지 구조는, 바람직하게는 별 모양의 구성으로 배치되는 복수의 지지 팔을 구비하여 적어도 하나의 가열 도체 부재의 일측 단부면 상에 배치되는 적어도 하나의 지지 부재를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 유형의 지지 부재들은 적어도 하나의 가열 도체 부재의 유입 측뿐만 아니라 유출 측에도 배치된다.
조밀하면서도 구조적으로 간단하게 실현될 구현예를 위해, 지지 구조는 전기 절연성 재료를 포함할 수 있다.
내연기관의 유해물질 배출량의 저감과 관련하여 효율성의 추가적인 증가를 위해, 본원의 제안에 따라서, 적어도 하나의 가열 도체 부재는 적어도 일부 영역에서 촉매 작용 재료로 코팅된다. 적어도 하나의 가열 도체 부재 상에 상기 유형의 촉매 작용 재료를 제공하는 것을 통해, 한편으로 상기 가열 도체 부재의 표면은 배기가스 유량 내에서 추가로 유해물질 배출량의 저감에 기여하는 촉매 반응의 수행을 위해 사용된다. 다른 한편으로는, 적어도 하나의 가열 도체 부재 상에 제공되는 상기 촉매 작용 재료는, 이미 내연기관 작동의 시동 단계에서, 적어도 하나의 가열 도체 부재의 전기 여기(electric excitation) 시, 촉매 작용 재료가 전류에 의해 관류되는 가열 부재 상에 직접 제공되는 것을 통해 가열되며, 그럼으로써 상기 재료를 통해 마련되는 촉매 반응은, 적어도 하나의 가열 도체 부재의 여기의 개시 직후에, 다시 말해 상기 가열 도체 부재 상에 전압을 인가한 후에 시작될 수 있게 되며, 그리고 이미 배기가스 유량 내에서 후속되는 배기가스 처리 유닛이 여전히 촉매 반응의 수행을 위해 필요한 온도에 도달하지 않은 작동 단계에서도 배기가스 가열 유닛 내에서 유해물질 배출량의 저감에 기여할 수 있게 된다.
이를 위해, 예컨대 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 로듐을 함유하는 촉매 작용 재료는 삼원 촉매 컨버터 기능을 마련할 수 있고, 그리고/또는 바람직하게는 티타늄 산화물 및/또는 지르코늄 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 함유하는 촉매 작용 재료는 가수분해 촉매 컨버터 기능을 마련할 수 있고, 그리고/또는 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 바륨을 함유하는 촉매 작용 재료는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 기능을 마련할 수 있고, 그리고/또는 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐을 함유하는 촉매 작용 재료는 디젤 산화 촉매 컨버터 기능을 마련할 수 있고, 그리고/또는 바람직하게는 철 제올라이트 및/또는 구리 제올라이트 및/또는 바나듐 산화물을 함유하는 촉매 작용 재료는 SCR 촉매 컨버터 기능을 마련할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따라 구성되는 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛을 포함하는 내연기관용 배기가스 시스템에도 관한 것이다.
배기가스 가열 유닛을 통해, 이 배기가스 가열 유닛과 접촉 유동하는 배기가스 내로 유입되는 열을 효율적으로 사용할 수 있도록 하기 위해, 본원 제안에 따라서, 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛은 적어도 하나의 배기가스 처리 유닛, 바람직하게는 촉매 컨버터 유닛 및/또는 미립자 필터 유닛에 상대적으로 상류에 배치된다.
유동 저항이 최대한 적은 조건에서, 본 발명에 따라 구성되는 배기가스 가열 유닛의 적어도 하나의 가열 도체 부재를 통해 마련되는 비교적 큰 열 전달 표면을 열 전달을 위해 효율적으로 사용할 수 있도록 하기 위해, 본원 제안에 따라서, 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛의 적어도 하나의 가열 도체 부재는, 폭 방향으로 뻗어 있는 광폭 측면들이 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 평행한 상태로 배치되며, 그리고 두께 방향으로 뻗어 있는 단부면들은 배기가스 주 유동 방향에 대해 실질적으로 직각인 상태로 배치된다.
본 발명은 하기에서 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 기재된다.
도 1은 평 스트립 재료로 구성된 가열 도체 부재를 포함하는 배기가스 가열 유닛을 도시한 상면도이다.
도 2는 도 1에 따른 배기가스 가열 유닛을 포함한 내연기관용 배기가스 시스템의 일 섹션을 도시한 도면이다.
도 3은 지지 구조 내에 배치되는 도 1에 따른 배기가스 가열 유닛을 도시한 사시도이다.
도 4는 대안으로 구성되는 배기가스 가열 유닛을 도 1에 상응하게 도시한 도면이다.
도 5는 대안으로 구성되는 배기가스 가열 유닛을 도 1에 상응하게 도시한 또 다른 도면이다.
도 6은 평 스트립 재료로 구성된 2개의 가열 도체 부재를 포함하여 대안으로 구성되는 배기가스 가열 유닛을 도 1에 상응하게 도시한 또 다른 도면이다.
도 7은 평 스트립 재료로 구성되는 4개의 가열 도체 부재를 포함하는, 도 6에 도시된 구현 형태의 변형예를 도시한 도면이다.
도 8은 파상 구조를 보유하여 형성되고 곡류형 프로파일을 포함하여 배치되는 가열 도체 부재를 포함하는 배기가스 가열 유닛의 대안의 구현예를 도시한 도면이다.
도 9는 파상 구조를 보유하여 서로 나란히 위치하면서 실질적으로 직선으로 뻗어 있는 복수의 가열 도체 부재를 포함하는 배기가스 가열 유닛을 도시한 도면이다.
도 10은 평 스트립 재료로 구성된 가열 도체 부재의 제조를 도시한 도면이다.
도 11은 전기 절연성 재료를 통해 상호 간에 분리되는 2개의 가열 도체 부재 길이 영역을 도시한 도면이다.
도 12는 전기 절연성 재료를 통해 상호 간에 분리된 2개의 가열 도체 부재 길이 영역을 도 11에 상응하게 도시한 도면이되, 전기 절연성 재료는 지지 구조의 일부분을 형성한다.
도 13은 도 12의 전기 절연성 재료의 일부분을 도시한 사시도이다.
도 14는 가열 도체 부재 길이 영역들 사이에, 또는 가열 도체 부재들 사이에 배치되고 지지 구조의 부분 역시도 형성하는 전기 절연성 재료의 일 섹션을 도시한 사시도이다.
도 15는 지지 구조의 부분을 형성하는 전기 절연성 재료가 자신들 사이에 배치되어 있는 2개의 가열 도체 부재 길이 영역을 도시한 도면이다.
도 16은 지지 구조의 일부분을 형성하는 전기 절연성 재료의 도 14에 상응하는 대안의 구현예를 도시한 도면이다.
도 17은 도 16의 전기 절연성 재료를 도시한 횡단면도이다.
도 18은 나선형으로 연장되는 가열 도체 부재를 위한 지지 구조의 단부면을 도시한 도면이다.
도 19는 가상 구조를 보유하고 파고점들의 영역 내에서는 상기 파상 구조와 상호작용하는 지지 부재들을 포함하는 가열 도체 부재의 일 섹션을 도시한 도면이다.
도 20은 도 19에 도시된 배치구조의 변형예를 도시한 측면도이다.
도 21은 도 19에 도시된 구현예의 변형예를 도시한 도면이다.
도 22는 파상 구조를 보유하여 형성된 가열 도체 부재이면서, 지지 구조의 지지 부재들이 상기 가열 도체 부재의 파면 영역들을 관통해 있는 상기 가열 도체 부재를 도시한 도면이다.
도 23은 파상 구조를 보유하는 가열 도체 부재이면서, 지지 구조의 지지 부재들을 수용하기 위해 자체의 단부면들 내에 형성된 리세스부들을 포함하는 상기 가열 도체 부재를 도시한 도면이다.
도 24는 도 23에 도시된 가열 도체 부재이면서, 지지 부재들이 단부면들 내에 형성된 리세스부들 내로 맞물려 있는, 상기 가열 도체 부재를 도시한 도면이다.
도 25는 가열 도체 부재 자체의 단부면들의 영역 내에 제공되는, 지지 부재들을 위한 연결 돌출부들을 포함하는 가열 도체 부재를 도시한 도면이다.
도 26은 지지 부재들이 자체 단부면들 상에 배치되어 있는 도 25의 가열 도체 부재를 도시한 도면이다.
도 1에는, 전반적으로 도면부호 10으로 표시된 배기가스 가열 유닛의 상면도가 도시되어 있되, 상기 배기가스 가열 유닛은, 도 2에서 잘라 낸 부분으로 도시되어 있는 내연기관의 배기가스 시스템(12) 내에서, 예컨대 촉매 컨버터 유닛으로서, 또는 미립자 필터 유닛으로서 형성된 배기가스 처리 유닛(14)에 상대적으로 상류에 배치될 수 있다. 배기가스 처리 유닛(14)과 동일하게, 배기가스 가열 유닛(10)은, 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 내에서 배기가스 주 유동 방향(H)으로 배기가스 처리 유닛(14) 상으로 유동될 배기가스가 우선 배기가스 가열 유닛(10)을 관류하고 배기가스 가열 유닛(10)의 가열 모드 중에 그곳에서 열을 흡수하며 그런 다음 배기가스는 상기 열을 배기가스 처리 유닛(14) 내로 입력하는 방식으로, 배기가스 시스템(1) 내에서 예컨대 튜브형이거나, 또는 하우징 유형으로 형성되는 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 상에 지지될 수 있다.
도 2에 도시된 구현예에서, 배기가스 처리 유닛(14)은 SCR 촉매 컨버터 유닛으로서 구성되며, 그리고 상기 배기가스 처리 유닛에 상대적으로, 또는 배기가스 가열 유닛(10)에 상대적으로도 상류에 인젝터(18)가 제공되며, 상기 인젝터에 의해서는, 반응 수단(20), 예컨대 요소/수용액이 배기가스 유량 내로, 그리고 특히 배기가스 가열 유닛(10) 쪽으로도 유입된다.
내연기관의 작동 중에, 적어도 상기 작동의 시동 단계에서, 배기가스 가열 유닛(10)은, 내연기관으로부터 배출되면서 여전히 비교적 저온인 배기가스가 배기가스 처리 유닛(14)을 관류하기 전에 상기 배기가스를 가열하기 위해 작동된다. 그렇게 하여, 배기가스는 배기가스 처리 장치(14) 내로 열을 입력하며, 그럼으로써 상기 배기가스 처리 장치는 내연기관의 작동의 개시 시점에서도 비교적 빠르게 가열되게 되고 그 내에 제공되는 촉매 반응의 수행을 위해 필요한 온도에 도달하게 된다. 도 2에 도시된 구현예의 경우, 반응 수단 역시도 배기가스 가열 유닛(10)의 상류에서 배기가스 유량 내로, 예컨대 곧바로 배기가스 가열 유닛(10) 쪽으로 유입되기 때문에, 상기 반응 수단(20) 역시도 배기가스 온도가 여전히 비교적 낮은 경우 배기가스 가열 유닛(10) 상에서 가열되고 그에 따라 강화된 방식으로 증발되며, 그럼으로써 배기가스 처리 유닛(14)의 상류에서 배기가스 및 반응 수단(20)의 완전 혼합이 보조받게 된다.
그 대안으로, 인젝터(18)는, 배기가스 가열 유닛(10)의 상류에서 연료, 다시 말해 탄화수소를 배기가스 유량 내로 유입시키도록 하기 위해서도 제공될 수 있다. 가열 모드 중에 가열되는 배기가스 가열 유닛(10)의 표면 상에서 탄화수소가 반응되되, 추가 반응열이 방출되고 그에 따라 배기가스 가열 유닛(10)의 영역 내에서 제공되는 가열 용량도 훨씬 더 증가될 수 있다. 연료, 다시 말해 탄화수소의 분사는, 자명한 사실로서, SCR 촉매 컨버터 유닛으로서 형성된 배기가스 처리 유닛(14)을 최대한 빠르게 작동 온도로 승온시킬 수 있도록 하기 위해, 상기 배기가스 처리 유닛과 함께 수행될 수 있다.
도 1에 도시된 배기가스 가열 유닛(10)은 만곡된 평 스트립 재료로 구성된 가열 도체 부재(22)를 포함한다. 가열 도체 부재(22)는 파상 내지 곡류형(曲流型) 구조를 보유하면서 배기가스에 의해 접촉 유동될 수 있는 큰 표면을 마련하도록 형성되며, 그리고 상기 파상 구조에 중첩되는 나선형 프로파일을 포함한다. 그에 따라, 상호 간에 반경 방향으로 인접하면서 나선형 프로파일의 개별 권선 섹션들을 통해 마련되는 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)이 형성된다. 나선 중심(Z)에 가깝게 위치하는 종방향 단부 영역(24), 및 나선형 프로파일의 외부 단부를 마련하는 종방향 단부 영역(30) 내에서, 전기 전도성 가열 도체 부재(22)는, 배기가스 유량의 바깥쪽에 배치되는 하나의 전압원과의 전기 연결을 위한 각각의 단자들 또는 라인 영역들을 포함하여 형성된다. 이를 위해, 도 2에 시사된 것처럼, 배기가스 가열 유닛(10)을 수용하면서 동일한 방식으로 배기가스 가열 유닛(10)을 위한 하우징을 마련할 수 있는 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 상에, 상기 유형의 전기 연결 라인들을 위한 관통 접속구(32)(feed-throuhg)가 제공될 수 있다.
가열 도체 부재(22)의 파상 구조를 기반으로, 상기 가열 도체 부재는 자신의 종방향 단부 영역들(24, 30) 사이에 가열 도체 부재(22)의 종방향으로 연속되는 복수의 파고점(34)을 포함하며, 이들 파고점은 예컨대 곡률 영역들 또는 모서리 영역들을 통해 형성될 수 있다. 각각 2개의 상기 유형의 파고점(34) 사이에 파면 영역(38)이 위치하며, 이런 파면 영역 내에서 가열 도체 부재(22)는 자신의 프로파일과 관련하여 이 프로파일을 에워싸는 두 파고점(34) 사이에서 예컨대 거의 직선으로 뻗어 있을 수 있거나, 또는 적어도 일부 영역에서 만곡될 수도 있다.
전압 자체를 인가하는 것을 통해 전류에 의해 관류되는 가열 도체 부재(22)는 2% 이상의 알루미늄 함량을 함유하는 금속 재료, 예컨대 Fe/Cr/Al 합금 또는 특수강을 함유하여 구성될 수 있으며, 그리고 그에 따라 고온 가열 도체를 마련할 수 있다. 전기 전도성 세라믹 재료로 가열 도체 부재(22)의 구성 역시도 가능하다.
서로 나란히 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)을 상호 간에 전기 절연된 상태로 유지하고 그에 따라 전기 접촉을 위해 제공된 종방향 단부 영역들(24, 30) 사이의 영역들 내에서 단락을 방지하기 위해, 상호 간에 인접한 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28) 사이에 전기 절연성 재료(40)가 배치될 수 있다. 상기 재료 역시도 평 스트립 재료, 예컨대 내열성 플라스틱 재료, 또는 전기 절연성 세라믹 재료로 구성될 수 있으며, 그리고 파상 구조를 포함하여 마련되는 가열 도체 부재(22)의 나선형 프로파일에 매칭되어 있다.
도 11에 도시된 것처럼, 가열 도체 부재(22)는 자신의 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)로 파고점들(34)의 영역 내에서 전기 절연성 재료(40) 상에 안착되며, 그럼으로써 상호 간에 인접하는 가열 도체 길이 영역들(26, 28)의 상호 간의 접촉은 발생하지 않게 될 수 된다.
또한, 도 11에서는, 평 스트립 재료로 구성되고 평 스트립 재료를 굽히는 것을 통해 자체 파상 형태로 형성되는 가열 도체 부재(22)는, 배기가스 주 유동 방향(H)과 실질적으로 일치하는 폭 방향(B)으로 길게 뻗어 있는 자체 광폭 측면들(42) 상에, 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 직각으로 배향되는 단부면들(44)보다 분명히 더 큰 연장 길이(b)를 보유하는 점도 확인된다. 예컨대 가열 도체 부재(22)는 0.05㎜ 내지 0.2㎜의 범위로 두께 방향(D)으로의 단부면들(44)의 연장 길이(d)를 보유하여 형성될 수 있으며, 그에 반해 폭 방향(B)으로의 광폭 측면들(42)의 연장 길이(b)는 10㎜ 내지 20㎜의 범위일 수 있다. 바람직한 방식으로, 두께 방향(D)으로의 연장 길이(d) 대비 폭 방향(B)으로의 연장 길이(b)의 비율은 0.002 내지 0.0025의 범위이다. 상호 간에 곧바로 인접하는 파고점들 상호 간의 이격 간격은 예컨대 1 내지 4㎜의 범위일 수 있다.
평 스트립 재료를 포함하여 구성되는 상기 유형의 가열 도체 부재(22)는 예컨대 도 10에 개략적으로 도시되어 있으면서 자신들 사이에 평 스트립 재료(48)를 수용하는 2개의 성형 롤(49, 50)(forming roll)을 포함하는 장치(46)에 의해 제조된다. 상기 성형 롤들(49, 50)을 통과할 때, 평 스트립 재료(48) 내에는 성형 영역들(52)이 형성되며, 그럼으로써, 각각의 제공되는 곡률 반경에 따라서 파고점들(34)은 아치형 곡률 영역들로서 잔존하게 되거나, 또는 모서리가 뾰족한 성형의 경우 모서리 영역들로서 잔존하게 된다. 따라서, 평 스트립 재료(48)의 성형을 통해, 예컨대 지그재그 구조로서, 또는 다소 사인파형 구조로서 파상 구조의 특성 역시도 기설정될 수 있다. 성형 영역들(52)을 형성한 이후, 평 스트립 재료(48)는 압착되며, 그럼으로써 성형 영역들(52) 사이에, 또는 이런 성형 영역들을 통해 마련되는 파고점들(34) 사이에 위치하는 파면 영역들(38)은 상호 간에 거의 평행하게 연장되게 되고 그에 따라 가열 도체 부재(22)의 파상 곡류형 구조가 확보되게 된다.
배기가스 시스템(12) 내에 상기 유형으로 구성된 가열 도체 부재(10)의 통합 시, 전류에 의해 관류되는 부품, 다시 말해 가열 도체 부재(22)는 가열될 배기가스 유량에 의해 직접 접촉 유동되기 때문에, 배기가스 유량 내로 효율적인 열 전달이 보장되되, 평 스트립 재료로 가열 도체 부재(22)의 구성을 기반으로, 상기 가열 도체 부재는 배기가스 유량 상으로 열의 전달을 위한 큰 표면을 마련한다. 그 외에, 가열 도체 부재(22)는, 자체 단부면들(44)이 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 직각으로 배향되고 그에 따라 광폭 측면들(42)은 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는 방식으로, 배기가스 유량 내에 통합되기 때문에, 가열 도체 부재(22)는, 열 전달을 위해 가용한 자체의 큰 표면에도 불구하고, 단지 비교적 적은 유동 저항만을 제공한다. 이런 사항에는, 전기 절연 재료(40)가 동일한 방식으로 평 스트립 재료로 마련되고 자체 단부면들로는 배기가스 주 유동 방향에 대해 직각으로 배향되는 점 역시도 기여한다.
전기 절연을 위한 대안의 구현예의 경우, 전기 절연설 재료(40) 대신, 상호 간에 인접하는 가열 도체 부재 길이 영역들 사이에, 배기가스에 의해 관류될 수 있는 나선형 간극이 잔존할 수 있으며, 그럼으로써 유동 저항은 훨씬 더 감소될 수 있게 된다. 상기 유형의 이격 간격은 예컨대 1 내지 2㎜의 범위일 수 있다. 동일한 방식으로, 상호 간에 인접하는 파면 영역들(38)의 이격 간격은 1 내지 2㎜의 범위일 수 있으며, 그럼으로써 각각의 가열 도체 부재 길이 영역의 안쪽에서도 전기 단락의 발생은 방지되게 된다.
도 3에는, 가열 도체 부재(22)를 정의된 위치에서 파지하거나 지지하는 지지 구조(54) 내에 상기 가열 도체 부재의 통합이 도시되어 있다. 상기 지지 구조는, 전기 단락을 방지하기 위해, 전기 절연성 재료에 의해 구성되거나 그로 코팅된다. 지지 구조(54)는, 나선형으로 감긴 가열 도체 부재(52)를 바깥쪽에서 에워싸는 관형 내지 원통형 하우징(56)을 포함한다. 하우징(56)은, 내부에 배치되는 가열 도체 부재(22)와 함께, 배기가스 시스템(12)의 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 내에 통합될 수 있거나, 또는 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 자체를 통해 마련될 수 있다. 배기가스 주 유동 방향(H)으로 고려할 때, 배기가스 가이드 부재(22)의 적어도 하나의 측, 바람직하게는 양측에서, 다시 말해 유입 측(58)뿐만 아니라 유출 측(60)에서, 지지 구조(54)는, 하우징(56)의 종방향 중심축과 관련하여 반경 방향에서 안쪽에서 상호 간에 이어지는 복수의 지지 팔(64)을 포함하여 별 모양 내지 십자형 구성으로 형성된 지지 부재(62)를 포함한다. 반경 방향에서 바깥쪽 영역에서, 상기 지지 구조는 하우징(56) 상에 고정되어 결합된다. 유입 측(58) 및 유출 측(60) 상에 배치된 지지 부재들(62) 사이에서, 가열 도체 부재(22)는, 예컨대 전기 절연성 재료(40)를 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연된 상태로 파지되는 자체 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)에 의해 정의된 위치에서 파지된다. 지지 부재(62) 내지 지지 부재들(62)의 지지 팔들(64) 역시도, 자체 단부면들 내지 협폭 측면들이 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 직각으로 배향되도록 배치되기 때문에, 상기 지지 팔들 역시도 단지 적은 유동 저항만을 도입한다.
도 4에는, 파고(wave height)가 종방향 단부 영역(30) 쪽으로 갈수록 감소함으로써, 나선형으로 감긴 형태로 형성되고 원칙상 파상 구조를 보유하는 가열 도체 부재(22)가 그 전체적으로 거의 원형인 외주연 윤곽(outer-circumference contour)을 마련하게 되고 그에 따라 예컨대 마찬가지로 원형인 하우징(56) 내지 배기가스 가이드 컴포넌트(16) 내 통합 시 실질적으로 배기가스와 가열 도체 부재(22) 간의 열적 상호작용이 존재하지 않는 유동 횡단면의 영역들이 잔존하지 않게 되는 것인, 도 1에 도시된 구현예의 변형예가 도시되어 있다. 바깥쪽을 향해 완전한 전기 절연을 달성하기 위해, 전기 절연성 재료(40)는, 배기가스 가열 부재의 종방향 단부 영역(30)에서 상기 배기가스 가열 부재(22)를 완전하게 덮으며, 그럼으로써 외주연 상에 전기 절연성 재료(40)의 완전히 폐쇄된 링이 형성되게 된다. 종방향 단부 영역들(24, 30) 상에는, 앞에서 이미 설명한 것처럼, 가열 도체 부재(22)의 전기 접촉이 수행되되, 예컨대 종방향 단부 영역(24) 상에 음극이 위치할 수 있고 종방향 단부 영역(30) 상에는 양극이 위치할 수 있다.
도 5에는, 종방향 단부 영역들(24, 30) 사이에서 뻗어 있는 가열 도체 부재(22)가 원칙상 나선형으로 감긴 프로파일 역시도 포함하지만, 그러나 나선 중심(Z)에서 출발하여 상호 간에 에워싸는 2개의 나선 팔(66,68)을 형성하는 것인 구조가 도시되어 있다. 상기 나선 팔들 사이에서는 앞서 이미 설명한 전기 절연성 재료가 연장된다.
이제 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 두 종방향 단부 영역(24, 30) 내에서는, 가열 도체 부재(22)는 다시 감소하는 파고를 보유할 수 있으며, 그럼으로써 다시 거의 원형이거나 또는 타원형인 횡단면이 달성될 수 있게 되되, 이런 횡단면에 의해 가열 도체 부재(22)는 배기가스 가이드 컴포넌트(16)의 하우징의 횡단면 기하구조에 매칭될 수 있다. 나선 중심(Z)의 영역에는 전기 접촉이 요구되지 않기 때문에, 상기 접촉을 마련하는 전기 라인을 배기가스 유량을 통과하여 반경 방향의 안쪽으로 나선 중심(Z)에 이어지게 할 필요 역시도 없다.
앞에서 기재한 가열 도체 부재의 구현예들의 경우, 단일의 가열 도체 부재(22)는 배기가스에 의해 관류될 수 있는 전체 횡단면을 덮는다. 그로 인해, 파상 구조에 의해서도 마련되는 가열 도체 부재의 비교적 긴 길이를 기반으로 상기 가열 도체 부재는 비교적 큰 전기 저항을 제공하게 된다. 그러므로 높은 가열 용량이 요구된다면, 바람직하게는 상기 유형의 구현예의 경우, 예컨대 약 0.2㎜로 두께 방향(D)으로 비교적 긴 연장 길이(d)를 갖는 가열 도체 부재(22)를 구성한다.
가열 도체 부재(22)의 상기 유형의 비교적 두꺼운 두께는 방지되어야 하는 상대적으로 더 큰 열 관성도 야기하기 때문에, 도 6에 도시된 구현예의 경우, 각각 하나의 나선 팔(66, 68)을 마련하는 2개의 가열 도체 부재(22a, 22b)를 포함하는 구조가 제공될 수 있다. 두 가열 도체 부재(22a, 22b) 각자는, 도 5의 구조에 비해, 반경 방향의 안쪽에 위치하는 각각의 종방향 단부 영역(24a, 24b)과 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 각각의 종방향 단부 영역(30a, 30b) 사이에 반의 길이만을 보유한다. 따라서, 두 가열 도체 부재(22a, 22b) 각자는 반경 방향의 안쪽에 위치하는 접촉점과 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 접촉점 사이에 도 5에 도시된 구현예의 반의 전기 저항을 설정하며, 그럼으로써 열 전달을 위해 가용한 표면이 동일한 크기인 경우, 가열 도체 부재들(22a, 22b) 각자 내에서는 비교적 낮은 전기 저항이 달성되게 되고 그에 따라 큰 가열 용량 역시도 실현될 수 있게 된다.
도 7에는, 상기 구현예를 개량하는 방식으로, 총 4개의 가열 도체 부재(22a, 22b, 22c, 22d)가 상호 간에 에워싸거나, 또는 상호 간에 인접하고 전기 절연성 재료(40)를 통해 상호 간에 분리되는 방식으로 배치되어 있는 것인 구조가 도시되어 있다. 가열 도체 부재들(22a, 22b, 22c, 22d) 각자는 반경 방향의 안쪽에 위치하는 각각의 종방향 단부 영역(24a, 24b, 24c, 24d)과 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 각각의 종방향 단부 영역(30a, 30b, 30c, 30d) 사이의 훨씬 더 짧은 연장 길이와 그에 따라 훨씬 더 적은 전기 저항을 보유한다. 상기 구현예의 경우에서도, 전기 접촉은 한편으로 나선 중심(Z)의 영역에서 반경 방향의 안쪽에 위치하는 종방향 단부 영역들(24a, 24b, 24c, 24d) 상에서, 그리고 다른 한편으로는 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 종방향 단부 영역들(30a, 30b, 30c, 30d) 상에서 수행된다. 특히 반경 방향의 바깥쪽에서 접촉을 위해, 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼, 복수의 가열 도체 부재가 제공된다면, 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 각각의 종방향 단부 영역들(30a, 30b, 30c, 30d)은 하나의 접촉 링(contacting ring)에 연결될 수 있고 그에 따라 함께 하나의 전압원과 연결될 수 있다.
여기서 주지할 사항은, 예컨대 도 6 및 7에 도시된, 상호 간에 나선형으로 에워싸는 구조를 보유한 가열 도체 부재들이 다른 개수로, 특히 홀수의 개수로도 역시 제공될 수 있다는 점이다.
또 다른 구현 변형예는 도 8에 도시되어 있다. 상기 도에는, 파상 구조를 보유하여 형성되는 가열 도체 부재(22)가 도시되어 있되, 상기 가열 도체 부재는 전기 접촉을 위해 제공되는 자체의 두 종방향 단부 영역(24, 30) 사이에 곡류형 프로파일을 포함한다. 가열 도체 부재(22)는, 실질적으로 직선으로 뻗어 있지만, 그러나 파상 구조를 포함하여 구성되는 복수의 가열 도체 부재 길이 영역(70)을 포함하며, 이들 가열 도체 부재 길이 영역은 각각의 전이 영역들(72)에서 상호 간에 이어진다. 상기 유형의 구현예에 의해, 특히 해당 유동 횡단면이 원형이 아니라, 예컨대 타원형이거나 평평한 원형이라면, 예컨대 배기가스 처리 유닛(14) 역시도 에워싸는 배기가스 가이드 컴포넌트(16)를 통해 마련되어 가열 도체 부재(22)를 수용하는 하우징(56)의 상기 유동 횡단면에 대한 매칭이 달성될 수 있다. 상기 구현예의 경우에서도, 상호 간에 곧바로 인접하는 가열 도체 부재 길이 영역들(70)은 전기 절연성 재료를 통해, 또는 도 8에서 확인할 수 있는 나선형 간극을 통해 상호 간에 분리될 수 있다.
상기 유형의 구현예의 경우에서도, 상대적으로 더 높은 가열 용량의 확보를 위해, 원칙상 상대적으로 더 낮은 전기 저항을 제공하기 위해, 도 9에 도시된 구현예의 경우, 하우징(56) 내에 복수의 가열 도체 부재(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)가 서로 나란히 배치될 수 있다. 종방향 단부 영역들(24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f)은 상호 간에 전기 전도 방식으로 연결될 수 있으며, 그리고 예컨대 하나의 전압원의 양극에 연결될 수 있다. 동일한 방식으로, 종방향 단부 영역들(30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f)은 상호 간에, 그리고 예컨대 하나의 전압원의 음극과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있으며, 그럼으로써 총 6개의 가열 도체 부재(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)는 상호 간에 병렬로 연결되게 되고 상기 가열 도체 부재들 각자는 비교적 적은 전기 저항을 제공하게 된다. 상기 구현예의 경우에서도, 상호 간에 곧바로 인접하는 가열 도체 부재들(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)은 전기 절연성 재료(40), 또는 나선형 간극을 통해 상호 간에 분리될 수 있다. 동일한 방식으로, 하우징(56)에 대한 인접 영역에서, 가열 도체 부재들(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)은 상기 유형의 전기 절연성 재료를 통해 에워싸일 수 있다.
도 12 및 도 13에는, 도 1에 도시된 가열 도체 부재(22)의 2개의 가열 도체 부재 길이 영역, 예컨대 가열 도체 부재 길이 영역(26, 28) 사이에 배치되는 전기 절연성 재료(40)의 일 구현 형태가 도시되어 있다. 여기서 주지할 사항은, 앞서 기재한 다른 구현 형태들의 경우에서도 2개의 가열 도체 부재 길이 영역 사이에, 또는 상호 간에 인접하여 배치되는 2개의 가열 도체 부재 사이에 상기 유형의 전기 절연성 재료(40)가 배치될 수 있다는 점이다.
일반적으로, 예컨대 평 스트립 재료로서 마련되는 상기 전기 절연성 재료(40)는, 상호 간에 인접하여 배치되는 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)의 파고점들(34)에 대한 할당과 관련하여, 각각, 인접하는 파고점들(34) 사이에 맞물리는 포지셔닝 돌출부들(74), 및 상기 유형의 2개의 포지셔닝 돌출부(74) 사이에는 각각 하나의 포지셔닝 리세스부(76)를 포함한다는 점도 확인된다. 동일한 가열 도체 부재 길이 영역(26, 28)의 각각 2개의 인접한 파고점(34) 사이에 맞물리는 포지셔닝 돌출부들(74), 및 파고점들(34)을 수용하는 포지셔닝 리세스부들(76) 각각을 통해, 파고점들 및 그에 따른 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)의 정의된 포지셔닝이 보장되며, 그럼으로써 상기 유형으로 구성되는 전기 절연성 재료(40)는 지지 구조(54)의 지지 부재(78)를 마련할 수 있게 된다.
도 13에 도시된 구현 형태의 경우 포지셔닝 돌출부들(74)은 전기 절연성 재료(40)의 폭 방향으로 완전하게 관통하는 방식으로 형성되는 반면, 도 14에 도시된 구현 형태의 경우, 포지셔닝 돌출부들(74) 각자는 전기 절연성 재료(40)의 폭 방향으로 상호 간에 분리된 2개의 섹션(74a, 74b)에 의해 마련된다. 이는 특히 압력 손실의 감소를 기반으로, 그리고 그에 따라 적은 유동 저항을 위해 바람직하다. 또한, 그렇게 하여, 각각의 가열 도체 부재(22)의 표면이면서 열 전달을 위해 사용할 수 있는 상기 표면 중 상대적으로 더 작은 부분만이 포지셔닝 돌출부들(74)을 통해 덮인다.
가열 도체 부재(22)의 정의된 포지셔닝을 위해 제공되면서 지지 부재(78)를 마련하는 전기 절연성 재료(40)의 또 다른 대안의 구현예는 도 15에 도시되어 있다. 상기 구현예의 경우, 전기 절연성 재료(40) 자체는 파상 구조를 보유하고 그에 따라 자신의 파고점들을 이용하여 각각의 포지셔닝 돌출부들(74)을 마련하고 2개의 파고점 사이에 위치하는 자신의 영역들을 이용하여서는 포지셔닝 리세스부들(76)을 마련하며, 이들 포지셔닝 리세스부 내에는 가열 도체 부재(22) 내지 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)의 파고점들(34)이 수용될 수 있다.
또 다른 대안의 구현예는 도 16 및 17에 도시되어 있다. 여기서, 전기 절연성 재료(40)는, 자신의 두 단부면 상에, 갈고리(hook) 유형의 포지셔닝 돌출부들(74)을 포함하여 형성되며, 이들 포지셔닝 돌출부들은 가열 도체 부재 내지 이 가열 도체 부재의 가열 도체 부재 길이 영역들을 파고점들의 영역에서 가열 도체 부재의 단부면들 상에서 위쪽을 덮으면서 안쪽을 맞물어 고정하고 그에 따라 정의된 위치에서 파지한다.
도 18에는, 한편으로 가열 도체 부재의 나선형 프로파일을 위해 형성되면서 지지 부재(78)를 마련하는 전기 절연성 재료를 포함하는 지지 구조(54)가 도시되어 있되, 전기 절연성 재료는 예컨대 도 12 ~ 17에 도시된 것처럼 형성될 수 있고 그에 따라 서로 나란하게 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들 또는 가열 도체 부재들의 전기 절연을 보장할 뿐만 아니라, 가열 도체 부재들의 파고점들을 위한 정의된 포지셔닝 역시도 기설정한다. 또한, 지지 구조(54)는, 바람직하게는 유입 측뿐만 아니라 유출 측에도 지지 팔들(64)을 구비하여 십자형 내지 별 모양으로 형성된 지지 부재들(62)을 포함한다. 지지 팔들(64)이 전기 절연성 재료(40)와 교차하는 곳에서, 상기 지지 팔들은, 결과적으로 정의된 포지셔닝에서 하나 또는 복수의 가열 도체 부재를 수용하는 새장(cage)형 구조를 정의하기 위해, 상호 간에 연결될 수 있다. 예컨대 상기 새장형 구조의 모든 구성요소는 전기 절연성 세라믹 재료로 구성될 수 있으며, 그리고 새장형 구조는 적어도 전기 절연성 재료(40)를 포함할 수 있으며, 그리고 지지 부재들(62) 중 하나는 성형 부품으로서 마련될 수 있다.
가열 도체 부재(22)를 위한 정의된 포지셔닝 내지 전기 절연 역시도 기설정하기 위한 또 다른 대안의 구현예들은 도 19 ~ 21에 도시되어 있다. 파고점들(34)의 영역에서, 도 19에 도시된 가열 도체 부재(22)는, 각각의 지지 부재(80, 82)가 그 내로 맞물리는 방식으로 포지셔닝되는 곳인 리세스부들(84, 86)을 포함한다. 이런 유형 및 방식으로, 예컨대 마찰 상호 작용을 통해, 인접한 파고점들(34)의 상호 간에 상대적인 정의된 포지셔닝이 기설정될 수 있고, 상호 간에 인접한 가열 도체 부재 길이 영역들의 파고점들(34)은 상호 간에 분리되어 파지될 수 있다. 지지 부재들(80, 82)은 전기 단락을 방지하기 위해 전기 절연성 재료, 예컨대 세라믹 재료 또는 내열성 플라스틱 재료로 구성된다.
도 20에 도시된 변형예의 경우, 웨브(web)형 내지 막대형으로 형성된 상기 유형의 지지 부재(85)는 가열 도체 부재(22)의 각각의 파고점들(34)을 수용하는 포지셔닝 리세스부들(76) 및 이들 포지셔닝 리세스부 사이에 위치하는 포지셔닝 돌출부들(74)을 포함하여 구성되며, 그럼으로써 파고점들(34)의 상호 간에 상대적인 정의된 포지셔닝이 보조받게 된다.
도 21에는, 상기 유형의 지지 부재(87)가, 상호 간에 인접하여 배치되는 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)에 대한 할당과 관련하여, 각각 포지셔닝 리세스부들(76) 및 이들 사이에 위치하는 포지셔닝 돌출부들(74)을 마련하는 것인, 일 구현예가 도시되어 있다.
도 22에는, 2개의 상기 유형의 웨브형 내지 막대형 지지 부재(88, 90)가 가열 도체 부재(22)의 파면 섹션들(38)을 관통하고 이렇게 정의된 포지셔닝을 보장하는 것인, 일 구현예가 도시되어 있다.
도 23 및 24에는, 가열 도체 부재(22) 상에서, 단부면들(44)의 영역에 각각 하나의 막대형 지지 부재(92, 94)의 수용을 위한 포지셔닝 리세스부들(89, 91)이 각각 형성되어 있는 것인, 일 구현예가 도시되어 있다. 도 25 및 26에 도시된 구현예의 경우, 가열 도체 부재(22)의 단부면들(44) 상에는, 단부면들(44)의 영역 내에 배치되는 막대형 또는 웨브형 지지 부재들(100, 102)의 각각의 포지셔닝 리세스부들 내로 맞물리는 방식으로 포지셔닝될 수 있는 포지셔닝 돌출부들(96, 98)이 형성된다.
도 19 ~ 26을 참조하여 기재되는 구현 형태들에서 2개의 상기 유형의 막대형 내지 웨브형 지지 부재의 이용은, 결과적으로 가열 도체 부재(22)의 뒤틀림 내지 비틀림 역시도 저지될 수 있기 때문에 바람직하다. 자명한 사실로서, 도 19 ~ 26에 도시된 것과 달리, 가열 도체 부재(22)가 실질적으로 직선으로 뻗어 있는 프로파일을 포함하는 것이 아니라, 만곡된, 예컨대 나선형인 프로파일을 포함할 때, 가열 도체 부재의 여러 영역에서 상기 가열 도체 부재와 상호작용하는 지지 구조의 지지 부재들을 포함하는 상기 유형의 구조가 적용될 수 있다. 상기 유형의 웨브형 또는 막대형 지지 부재들은 예컨대 도 18에 도시된 지지 구조 내에 통합될 수 있거나, 또는 상기 지지 구조의 일부분을 형성할 수 있고 예컨대 동일한 방식으로 세라믹 재료로 구성될 수 있다.
도 19에는, 본 발명에 따라 구성되는 배기가스 가열 유닛(10)의 경우, 하나 또는 복수의 가열 도체 부재(22)가 열 전달을 위해 제공되는 상기 가열 도체 부재의 표면 상에서 부분적으로, 또는 완전하게 촉매 작용 재료(104)로 코팅될 수 있는 점이 개략적으로 시사되어 있다. 각각 촉매 기능이 마련되어야 하는지에 따라, 이를 위해 적합한 코팅 재료가 선택될 수 있다. 예컨대 상기와 같이 코팅된 가열 도체 부재(22)는 삼원 촉매 컨버터 기능의 마련을 위해 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 로듐을 함유하는 재료로 코팅될 수 있다. 가수분해 촉매 컨버터 기능의 마련을 위해, 촉매 작용 재료는 티타늄 산화물 및/또는 지르코늄 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 함유할 수 있다. 상기 유형의 가수분해 촉매 컨버터 기능은 특히 배기가스 가열 유닛(10)의 상류에서 요소/수용액이 분사될 때 바람직하다. 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 기능의 마련을 위해서는, 촉매 작용 재료(104)는 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 바륨을 함유할 수 있다. 디젤 산화 촉매 컨버터 기능의 마련을 위해서는, 촉매 작용 재료는 백금 및/또는 팔라듐을 함유할 수 있다. SCR 촉매 컨버터 기능의 마련을 위해서는, 촉매 작용 재료(104)는 철 제올라이트 및/또는 구리 제올라이트 및/또는 바나듐 산화물을 함유할 수 있다. 가열 도체 부재(22) 상에서 상기 유형의 촉매 작용 재료(104)를 함유한 코팅층의 우수한 점착을 달성하기 위해서는, 가열 도체 부재(22)의 구성 재료를 위해 높은 알루미늄 함량을 갖는 합금을 이용하고 코팅할 표면은 열처리로 처리하는 것이 바람직하다. 예컨대 이른바 FeCr 합금, 1.4767이 구성 재료로서 이용될 수 있다.
평 스트립 재료를 포함하여 구성된 가열 도체 부재의 표면이면서, 배기가스에 의해 접촉 유동될 수 있는 상기 표면 상에 촉매 작용 재료를 함유한 상기 유형의 코팅층을 제공하는 것을 통해, 가열 도체 부재의 여기 및 가열 시 실질적으로 즉시 촉매 작용 재료를 함유한 코팅층 역시도 상기 재료를 통해 제공될 촉매 반응이 시작되기에 충분히 높은 온도로 승온되는 점이 보장된다. 이는, 이미 하류에서 후속하는 배기가스 처리 유닛이 여전히 충분히 가열되지 않은 단계에서, 배기가스 가열 유닛의 영역에서 이미 촉매 반응이 진행될 수 있고 그에 따라 배기가스 내 유해물질 성분이 저하될 수 있다는 점을 의미한다.
배기가스 처리 유닛의 본 발명에 따른 구성에 의해, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 효율적인 가열을 달성하는 가능성이 제공되는데, 그 이유는 한편으로 평 스트립 재료로 구성되어 전기 여기를 통해 가열될 수 있는 적어도 하나의 가열 도체 부재를 포함하는 배기가스 가열 유닛이 배기가스와의 열적 상호작용을 위한 매우 큰 표면을 마련하고, 다른 한편으로는 배기가스가 가열 도체 부재와 직접적으로 열적으로 상호작용할 수 있기 때문이다. 적어도 하나의 가열 도체 부재의 파상 구조 및 적어도 하나의 가열 도체 부재의 프로파일이면서 상기 파상 구조에 중첩되는, 예컨대 나선형 또는 곡류형인 상기 프로파일을 통해, 실질적으로 배기가스 가이드 컴포넌트, 내지 적어도 하나의 가열 도체 부재를 수용하는 하우징의 전체 횡단면이면서 배기가스에 의해 관류되는 상기 전체 횡단면을 덮고 열 전달을 위해 사용하는 가능성이 제공된다.
10. 배기 가스 가열 유닛 12. 배가 가스 시스템
14. 배기 가스 처리 유닛 18. 인젝터

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 전기 전도성 가열 도체 부재(22)를 포함하는 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛으로서, 상기 적어도 하나의 전기 전도성 가열 도체 부재(22)는 만곡된 평 스트립 재료(48)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 평행하게 배치될 광폭 측면들(42)과, 배기가스 주 유동 방향(A)에 대해 실질적으로 직각으로 배치될 단부면들(44)을 포함하고, 폭 방향(B)으로 상기 가열 도체 부재(22)의 광폭 측면들(42)의 연장 길이(b)는 10㎜ 내지 20㎜의 범위이고, 그리고/또는 두께 방향(D)으로 상기 가열 도체 부재(22)의 단부면들(44)의 연장 길이(d)는 0.05㎜ 내지 0.2㎜의 범위이고, 그리고/또는 두께 방향(D)에서 상기 가열 도체 부재(22)의 단부면들(44)의 연장 길이(d) 대비 폭 방향(B)에서 상기 가열 도체 부재(22)의 광폭 측면들(42)의 연장 길이(b)의 비율은 0.002 내지 0.025의 범위이고, 그리고/또는 상기 평 스트립 재료(48)는 금속 재료 또는 전기 전도성 세라믹 재료이고, 그리고/또는 상기 평 스트립 재료(48)는 배기가스를 통한 접촉 유동을 위한 전기 비절연성 표면을 마련하고, 그리고/또는 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 종방향 단부 영역들(24, 30)에서 하나의 전압원과 전기적으로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 파상 구조를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 상호 간에 인접하여 연장되면서 상호 간에 상대적으로 전기 절연 방식으로 배치되는 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28; 70)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 나선형 프로파일을 포함하여 배치되며, 그리고 상호 간에 인접하여 연장되는 상기 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28)은 나선 중심(Z)과 관련하여 상호 간에 반경 방향으로 인접하여 연장되는 권선 섹션들을 통해 마련되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 곡류형 프로파일을 포함하여 배치되며, 그리고 상호 간에 인접하여 연장되는 상기 가열 도체 부재 길이 영역들(70)은 전이 영역들(72)에서 상호 간에 이어지면서 서로 나란하게 연장되는 곡류 섹션들을 통해 마련되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상호 간에 인접하여 연장되는 상기 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28; 70)은 자신들 사이의 간극을 유지하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연되고, 그리고/또는 상호 간에 인접하여 연장되는 상기 가열 도체 부재 길이 영역들(26, 28; 70)은 자신들 사이에 전기 절연성이면서 바람직하게는 평 스트립 유형인 재료(40)를 배치하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 만곡된 평 스트립 재료로 구성되고 상호 간에 상대적으로 전기 절연되어 배치되는 복수의 가열 도체 부재(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d; 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d; 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f) 중 적어도 일부분은 상호 간에 전기적으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d)은 나선 중심(Z)에서 출발하여 나선형 프로파일을 포함하여 상호 간에 인접하여 배치됨으로써, 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d)은 상호 간에 인접한 나선 팔들(spiral arms)을 마련하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)은 실질적으로 직선으로 길게 뻗어 있으면서 서로 나란하게 연장되는 가열 도체 부재 길이 영역들을 마련하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d; 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)은, 자신들 사이의 간극을 유지하는 것을 통해, 상호 간에 상대적으로 전기 절연되고, 그리고/또는 상기 가열 도체 부재들(22a, 22b; 22a, 22b, 22c, 22d; 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)은 자신들 사이에 전기 절연성이면서 바람직하게는 평 스트립 유형인 재료(40)를 배치하는 것을 통해 상호 간에 상대적으로 전기 절연되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)를 기설정 위치에서 지지하는 지지 구조(54)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  14. 제3항을 재귀적으로 참조하는 점에 한해 제13항에 있어서, 상기 지지 구조(54)는 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 파상 구조의 정점 영역들(34) 사이에 맞물리는 포지셔닝 돌출부들(positioning projection, 74)을 구비한 적어도 하나의 지지 부재(78; 80, 82; 84; 86)를 포함하고, 그리고/또는 상기 지지 구조(54)는 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 파상 구조의 정점 영역들(34)을 수용하는 포지셔닝 리세스부들(positioning recess, 76)을 구비한 적어도 하나의 지지 부재(78; 80, 82; 84; 86)를 포함하고, 그리고/또는 상기 지지 구조(54)는 포지셔닝 리세스부들(84, 86) 내에서 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 정점 영역들(34) 내에 맞물리는 적어도 하나의 지지 부재(80, 82)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  15. 제3항을 재귀적으로 참조하는 점에 한해, 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 지지 구조(54)는 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 파상 구조의 파고점들(34) 사이에서 연장되는 파면 섹션들(42) 상에서 파지되는 적어도 하나의 지지 부재(88, 90; 92, 94; 100, 102)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  16. 제15항에 있어서, 적어도 하나의 지지 부재(88, 90)는 상기 파면 섹션들(42)을 관통하고, 그리고/또는 적어도 하나의 지지 부재(92, 94; 100, 102)는 상기 파면 섹션들(42)의 영역에서 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 일측 단부면(44) 상에서 지지되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 구조(54)는, 바람직하게는 별 모양의 구성으로 배치되는 복수의 지지 팔(support arm, 64)을 구비하여 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)의 일측 단부면(44) 상에 배치되는 적어도 하나의 지지 부재(62)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항 및 제7항 또는 제12항에 있어서, 상기 지지 구조(54)는 전기 절연성 재료(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는 적어도 일부 영역에서 촉매 작용 재료(104)로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  20. 제19항에 있어서, 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 로듐을 함유하는 상기 촉매 작용 재료(104)는 삼원 촉매 컨버터 기능을 마련하고, 그리고/또는 바람직하게는 티타늄 산화물 및/또는 지르코늄 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 함유하는 상기 촉매 작용 재료(104)는 가수분해 촉매 컨버터 기능을 마련하고, 그리고/또는 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐 및/또는 바륨을 함유하는 상기 촉매 작용 재료(104)는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 기능을 마련하고, 그리고/또는 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐을 함유하는 상기 촉매 작용 재료(104)는 디젤 산화 촉매 컨버터 기능을 마련하고, 그리고/또는 바람직하게는 철 제올라이트 및/또는 구리 제올라이트 및/또는 바나듐 산화물을 함유하는 상기 촉매 작용 재료(104)는 SCR 촉매 컨버터 기능을 마련하는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 배기가스 시스템용 배기가스 가열 유닛.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛(10)을 포함하는, 내연기관용 배기가스 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛(10)은 적어도 하나의 배기가스 처리 유닛(10), 바람직하게는 촉매 컨버터 유닛 및/또는 미립자 필터 유닛에 상대적으로 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기가스 시스템.
  23. 제21항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기가스 가열 유닛(10)의 적어도 하나의 가열 도체 부재(22)는, 폭 방향(B)으로 뻗어 있는 광폭 측면들(42)이 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 평행한 상태로 배치되며, 그리고 두께 방향으로 뻗어 있는 단부면들(44)은 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 실질적으로 직각인 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는, 내연기관용 배기가스 시스템.
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