KR20220028947A - 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 특징에 따르면, 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 감지하는 혼합전위차식 질소산화물 센서에 있어서, 고체전해질로 이루어지며 배기가스의 배출경로 상에 배치되는 전해질기판(110); 상기 전해질기판(110)의 일측면에 장착되어 각각 질소산화물 성분에 화학적 반응하는 제1감지체(121); 및 제2감지체(122); 상기 제1감지체(121)에 접속되는 제1감지전극(131); 상기 제2감지체(122)에 접속되는 제2감지전극(132); 상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제1감지전극(131)와 대응되는 위치에 배치되는 제1기준전극(141); 상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제2감지체(122)와 대응되는 위치에 배치되는 제2기준전극(142); 상기 제1감지전극(131)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제1감지전극(131)에 정방향 바이어스전압을 인가하는 제1보조전극(171); 및 상기 제2감지전극(132)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제2감지전극(132)에 역방향 바이어스전압을 인가하는 제2보조전극(172);을 포함하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
Description
본 발명은 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물을 감지하기 위한 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서에 관한 것이다.
일반적으로 DPF시스템은 디젤엔진에서 생성되는 배기가스에 포함된 질소산화물 등의 이물질을 정화하여 외부로 배출하는 시스템으로, 도 1에 도시된 바와 같이 관로를 통해 디젤엔진(20)으로부터 생성된 배기가스가 공급되며 SDPF챔버(10)의 내부에는 SCR촉매(11) 및 DPF필터(12)가 장착되어 배기가스에 포함된 이물질을 필터링할 수 있었다.
여기서, SDPF챔버(10) 상에서 DPF필터(12)의 전단과 후단에는 내부로 노출되도록 장착되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 감지하는 가스센서(30)가 각각 장착되고, 각 가스센서(30)에서 감지된 신호는 차량의 ECU(40)로 전달되어 필터링 전후의 각 질소산화물량을 측정할 수 있었다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 DPF시스템에 사용되는 가스센서(30)는 디젤챔버(10)의 둘레에 관통삽입되어 장착되고 삽입된 단부에는 배기가스의 유동방향으로 가스유입공(31)이 개구된다. 더불어, 가스센서(30)의 내부에는 질소산화물을 감지하기 위한 센서카드(34)가 장착되고 이 센서카드(34)의 단부에는 질소산화물에 반응하여 전기적 신호를 출력하는 감지체(50)가 배치되었다.
더불어, 상기 감지체(50)에서 질소산화물 농도를 측정하는 방식에는 평형전위를 이용하는 방식, 전류식 방식 그리고 혼합전위 방식이 있다. 이중 혼합전위 방식의 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 산소이온 전도성 고체전해질(51)의 일측면에 금속산화물로 감지전극(53)을 형성하고, 고체전해질의 타측면에 귀금속으로 기준전극(52)을 형성해, 감지전극(53)과 기준전극(52) 사이의 전위차를 측정하는 것이다. 즉, 상기 감지전극(53)은 질소산화물과 산소에 대한 반응성을 가지나, 기준전극은 산소에만 반응성을 갖고 있어, 가스 중에 포함된 질소산화물 농도에 따라 감지전극(53)과 기준전극(52) 간의 전위차가 발생하게 되므로, 이 전위차를 측정함으로써 질소산화물의 농도를 측정하는 것이다. 그런데, 이 방식의 경우, 이산화질소와 일산화질소의 분해반응에 따라 발생되는 기전력 부호의 차이로 인해 이산화질소와 일산화질소가 혼재하는 질소산화물 가스에 대해서는 측정 정밀도가 매우 떨어지는 문제점이 있었다.
즉, 일산화질소의 경우 0V를 기준으로 농도(ppm)가 높을 수록 -전압(V)이 증가하고, 이산화질소는 0V를 기준으로 농도가 높을소록 +전압(V)이 증가함에 따라, 혼합질소 산화물(NOx)에서 일산화질소와 이산화질소의 역전위차가 발생하여 NOx의 총량(NO+NO2)을 정확하게 출력할 수 없는 문제로 인하여 DPF용 질소산화물용 센서에서 적용하기가 제한되었다.
또한, 상기 감지체의 경우 측정온도 환경에 따라 일산화탄소나 이산화탄소에 반응하는 민감도가 다르기 때문에 동일한 질소산화물 농도 조건에서도 온도변화에 따라 감지값이 상이하게 출력되어 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 질소산화물에 따라 민감하게 반응하는 바이어스 전압을 가하여 질소산화물 농도산출을 위한 전위값을 측정함으로써 오차를 최소화하여 측정신뢰도를 향상시킬 수 있는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 일산화질소의 반응에 따른 출력값과 이산화질소의 반응에 따른 출력값의 전위방향이 같도록 하여 질소산화물에 포함된 일산화질소와 이산화질소의 총량을 측정할 수 있도록 한 혼합전위차식 질소산화물 센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 감지하는 혼합전위차식 질소산화물 센서에 있어서, 고체전해질로 이루어지며 배기가스의 배출경로 상에 배치되는 전해질기판(110); 상기 전해질기판(110)의 일측면에 장착되어 각각 질소산화물 성분에 화학적 반응하는 제1감지체(121); 및 제2감지체(122); 상기 제1감지체(121)에 접속되는 제1감지전극(131); 상기 제2감지체(122)에 접속되는 제2감지전극(132); 상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제1감지전극(131)와 대응되는 위치에 배치되는 제1기준전극(141); 상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제2감지체(122)와 대응되는 위치에 배치되는 제2기준전극(142); 상기 제1감지전극(131)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제1감지전극(131)에 정방향 바이어스전압을 인가하는 제1보조전극(171); 및 상기 제2감지전극(132)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제2감지전극(132)에 역방향 바이어스전압을 인가하는 제2보조전극(172);을 포함하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 각 전극(131,132,141,142)과 전기적으로 연결되어 상기 제1감지전극(131)과 제1기준전극(141)간의 전위차인 제1전위차값 및 상기 제2감지전극(132)과 제2기준전극(142)간의 전위차인 제2전위차값을 측정하고, 상기 제1전위차값을 이용하여 일산화질소 농도를 산출하며 상기 제2전위차값을 이용하여 이산화질소 농도를 산출하고, 상기 제2전위차값의 -부호를 +부호로 변환하고 제1전위차값과 합산한 데이터값을 이용하여 일산화질소와 이산화질소가 포함된 질소산화물의 전체 농도를 산출하는 제어부(160);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1감지체(121) 일산화질소(NO)에 민감하게 반응하는 제1온도치로 제1감지체(121)를 가열하는 제1히팅부(151); 및 상기 제2감지체(122)가 이산화질소(NO2)에 민감하게 반응하는 제2온도치로 제2감지체(122)를 가열하는 제2히팅부(152);를 더 포함하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1감지체(121) 및 제2감지체(122)는 NiO-YSZ, YSZ 또는 Cu-YSZ 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 제1온도치는 200도씨 내지 400도씨이며, 상기 제2온도치는 600도씨 내지 800도씨인 것을 특징으로 하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 전해질기판(110) 상에서 제1감지체(121)와 제2감지체(122) 사이에는 제1감지체(121)와 제2감지체(122) 간의 열전도면적을 감소시키기 위한 전도차단공(111)이 형성된 것을 특징으로 하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서가 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 전해질기판(110)은 고체전해질로 이루어지며 배기가스의 배출경로 상에 배치되고, 제1감지체(121) 및 제2감지체(122)는 상기 전해질기판(110)의 일측면에 장착되어 각각 질소산화물 성분에 화학적 반응하며, 제1감지전극(131)은 상기 제1감지체(121)에 접속되고 제2감지전극(132)은 상기 제2감지체(122)에 접속되며, 제1기준전극(141)은 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제1감지전극(131)와 대응되는 위치에 배치되고 제2기준전극(142)은 상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제2감지체(122)와 대응되는 위치에 배치되며, 제1보조전극(171)은 상기 제1감지전극(131)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제1감지전극(131)에 정방향 바이어스전압을 인가하고 제2보조전극(172)은 상기 제2감지전극(132)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제2감지전극(132)에 역방향 바이어스전압을 인가하는 것과 같이, 질소산화물에 따라 민감하게 반응하는 바이어스 전압을 가하여 질소산화물 농도산출을 위한 전위값을 측정함으로써 오차를 최소화하여 측정신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제어부(160)는 각 전극(131,132,141,142)과 전기적으로 연결되어 상기 제1감지전극(131)과 제1기준전극(141)간의 전위차인 제1전위차값 및 상기 제2감지전극(132)과 제2기준전극(142)간의 전위차인 제2전위차값을 측정하고, 상기 제1전위차값을 이용하여 일산화질소 농도를 산출하며 상기 제2전위차값을 이용하여 이산화질소 농도를 산출하고, 상기 제2전위차값의 -부호를 +부호로 변환하고 제1전위차값과 합산한 데이터값을 이용하여 일산화질소와 이산화질소가 포함된 질소산화물의 전체 농도를 산출하는 것과 같이, 일산화질소의 반응에 따른 출력값과 이산화질소의 반응에 따른 출력값의 전위방향이 간도록 하여 질소산화물에 포함된 일산화질소와 이산화질소의 총량을 측정할 수 있다.
도 1은 일반적인 DPF시스템의 구성을 나타낸 개략도,
도 2는 종래의 가스센서의 구성을 나타낸 분리사시도,
도 3은 종래의 감지체의 구성을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서의 구성을 나타낸 측단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2는 종래의 가스센서의 구성을 나타낸 분리사시도,
도 3은 종래의 감지체의 구성을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서의 구성을 나타낸 측단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서의 구성을 나타낸 평면도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서는 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)를 감지하기 위한 센서로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 전해질기판(110), 제1감지체(121), 제2감지체(122), 제1감지전극(131), 제2감지전극(132), 제1기준전극(141), 제2기준전극(142), 제1보조전극(171) 및 제2보조전극(172)을 포함한다.
먼저, 상기 전해질기판(110)은 각 전극(131,132,141,142) 및 히팅부(151,152)가 장착될 수 있는 공간을 제공하는 부재로서, 고체전해질로 이루어지며 배기가스의 배출경로 상에 배치된다. 여기서, 상기 전해질기판(110)은 YSZ(Yttria-stabilized zirconia)와 같은 세라믹 재료를 상온에서 안정시켜 센서기판의 형태로 제조될 수 있다.
상기 제1감지체(121) 및 제2감지체(122)는 전해질기판(110)의 일측면에 장착되어 각각 질소산화물 성분에 화학적으로 반응하는 감지부재이다. 여기서, 각 감지체(121,122)는 NiO-YSZ, YSZ 또는 Cu-YSZ 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 제1감지체(121)와 제2감지체(122)는 모두 NiO-YSZ 재질로 이루어지거나 CuO-YSZ 재질로 이루어질 수 있으며, NiO-YSZ와 CuO-YSZ 중 어느 하나의 재질로 동일하게 이루어질 수도 있다.
상기 제1감지전극(131)은 제1감지체(121)에 접속되고 제2감지전극(132)은 제2감지체(122)에 접속된다.
상기 제1보조전극(171)은 제1감지전극(131)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제1감지전극(131)에 정방향 바이어스전압을 인가하고 제2보조전극(172)은 제2감지전극(132)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제2감지전극(132)에 역방향 바이어스전압을 인가한다.
여기서, 상기 제1보조전극(171)은 75mV 내지 125mV의 정방향 바이어스전압을 인가하고, 상기 제2보조전극(172)은 - 50mV 내지 - 100mV의 역방향 바이어스전압을 인가하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1보조전극(171)의 경우 75mV 내지 125mV의 범위를 벗어나는 정방향 바이어스전압 또는 역방향 바이어스전압을 인가하거나, 제2보조전극(172)의 경우 - 50mV 내지 - 100mV의 범위를 벗어나는 역방향 바이어스전압 또는 정방향 바이어스전압을 인가하는 경우 센서반응의 민감도가 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
이와 같이, 질소산화물에 따라 민감하게 반응하는 바이어스 전압을 가하여 질소산화물 농도산출을 위한 전위값을 측정함으로써 오차를 최소화하여 측정신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서는 제1히팅부(151) 및 제2히팅부(152)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1히팅부(151)는 제1감지체(121)가 일산화질소(NO)에 민감하게 반응하는 제1온도치로 제1감지체(121)를 가열하고, 제2히팅부(152)는 제2감지체(122)가 이산화질소(NO2)에 민감하게 반응하는 제2온도치로 제2감지체(122)를 가열한다.
여기서, 상기 제1온도치는 200도씨 내지 400도씨이며, 상기 제2온도치는 600도씨 내지 800도씨인 것이다. 바람직하다. 각 온도치의 하한 온도(200도씨,600도씨)보다 낮아지거나 각 상한 온도(400도씨,800도씨)보다 높아지게 되면 일산화질소나 이산화질소에 화학적 반응하는 정도가 현저하게 낮아질 수 있으로 상기와 같은 최적범위로 제1온도치와 제2온도치를 유지하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 질소산화물 중 감지대상 질소산화물에 따라 민감하게 반응하는 온도로 가열하여 질소산화물 농도산출을 위한 전위값을 측정함으로써 오차를 최소화하여 측정신뢰도를 향상시킬 수 있다. 즉, 일산화질소 감지 최적온도 조건 300도씨 전후와 이산화질소 감지 최적온도 조건 700도씨 전후를 유지하는 독립적인 히터설계를 통하여 디젤엔진에서 발생하는 배기가스의 질소산화물(NOx)의 총량을 측정가능한 여건을 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 전극(131,132,141,142)의 전위차를 이용하여 질소산화물의 농도를 산출하기 위한 제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(160)는 각 전극(131,132,141,142)과 전기적으로 연결되어 상기 제1감지전극(131)과 제1기준전극(141)간의 전위차인 제1전위차값 및 상기 제2감지전극(132)과 제2기준전극(142)간의 전위차인 제2전위차값을 측정하고, 상기 제1전위차값을 이용하여 일산화질소 농도를 산출하며 상기 제2전위차값을 이용하여 이산화질소 농도를 산출하고, 상기 제2전위차값의 -부호를 +부호로 변환하고 제1전위차값과 합산한 데이터값을 이용하여 일산화질소와 이산화질소가 포함된 질소산화물의 전체 농도를 산출한다.
따라서, 종래에는 단일 감지물질 설계에서는 일산화질소 반응에 대한 출력이 -전압으로, 이산화질소 반응에 대한 출력이 +전압으로 출력되어 질소산화물(NOx) 총량을 감지할 수 없었으나, 상술한 바와 같은 전해질기판(110), 제1감지체(121), 제2감지체(122), 제1감지전극(131), 제2감지전극(132), 제1기준전극(141), 제2기준전극(142), 제1히팅부(151) 및 제2히팅부(152)의 조합된 구성과 같은 감지물질 복합 설계로 전위차에 대한 단점을 극복할 수 있다.
즉, 일산화질소와 이산화질소의 온도분위기 조건을 각각 조성해주는 히터설계를 통하여 센서카드의 질소산화물 감지에 특화시킬 수 있으며, 기존 방식에서 일산화질소와 이산화질소의 역전위현상을 센서의 일산화질소 출력값 전위방향과 이산화질소 출려값 전위 방향이 같은 복합구조로 감지체를 설계하여 기존 방식과 다르게 질소산화물(NOx)의 총량을 측정할 수 있는 것이다.
한편, 도면에 도시된 바와 같이 상기 전해질기판(110) 상에서 제1감지체(121)와 제2감지체(122) 사이에는 전도차단공(111)이 형성됨으로써 제1감지체(121)와 제2감지체(122) 간의 열전도면적을 감소시켜 제2히팅부(152)에 의해 가열된 온도가 전해질기판(110)를 통해 제2감지체(122)로 전도되는 것을 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110...전해질기판
121...제1감지체
122...제2감지체 131...제1감지전극
132...제2감지전극 141...제1기준전극
142...제2기준전극 151...제1히팅부
152...제2히팅부 160...제어부
171...제1보조전극 172...제2보조전극
122...제2감지체 131...제1감지전극
132...제2감지전극 141...제1기준전극
142...제2기준전극 151...제1히팅부
152...제2히팅부 160...제어부
171...제1보조전극 172...제2보조전극
Claims (3)
- 디젤엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 감지하는 혼합전위차식 질소산화물 센서에 있어서,
고체전해질로 이루어지며 배기가스의 배출경로 상에 배치되는 전해질기판(110);
상기 전해질기판(110)의 일측면에 장착되어 각각 질소산화물 성분에 화학적 반응하는 제1감지체(121); 및 제2감지체(122);
상기 제1감지체(121)에 접속되는 제1감지전극(131);
상기 제2감지체(122)에 접속되는 제2감지전극(132);
상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제1감지전극(131)와 대응되는 위치에 배치되는 제1기준전극(141);
상기 전해질기판(110)의 타측면 상에서 상기 제2감지체(122)와 대응되는 위치에 배치되는 제2기준전극(142);
상기 제1감지전극(131)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제1감지전극(131)에 정방향 바이어스전압을 인가하는 제1보조전극(171); 및
상기 제2감지전극(132)에 전기적으로 연결되도록 전해질기판(110)에 장착되어 제2감지전극(132)에 역방향 바이어스전압을 인가하는 제2보조전극(172);을 포함하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서.
- 청구항 1에 있어서,
각 전극(131,132,141,142)과 전기적으로 연결되어 상기 제1감지전극(131)과 제1기준전극(141)간의 전위차인 제1전위차값 및 상기 제2감지전극(132)과 제2기준전극(142)간의 전위차인 제2전위차값을 측정하고, 상기 제1전위차값을 이용하여 일산화질소 농도를 산출하며 상기 제2전위차값을 이용하여 이산화질소 농도를 산출하고, 상기 제2전위차값의 -부호를 +부호로 변환하고 제1전위차값과 합산한 데이터값을 이용하여 일산화질소와 이산화질소가 포함된 질소산화물의 전체 농도를 산출하는 제어부(160);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1감지체(121) 일산화질소(NO)에 민감하게 반응하는 제1온도치로 제1감지체(121)를 가열하는 제1히팅부(151); 및
상기 제2감지체(122)가 이산화질소(NO2)에 민감하게 반응하는 제2온도치로 제2감지체(122)를 가열하는 제2히팅부(152);를 더 포함하는 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서.
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| KR1020200110603A KR20220028947A (ko) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 바이어스전압을 이용한 혼합전위차식 질소산화물 센서 |
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| KR (1) | KR20220028947A (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023172049A1 (ko) | 2022-03-07 | 2023-09-14 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101956417B1 (ko) | 2012-03-20 | 2019-03-08 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | 가스 센서들의 모니터링 방법 및 장치 |
-
2020
- 2020-08-31 KR KR1020200110603A patent/KR20220028947A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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