KR100495796B1

KR100495796B1 - 선형 람다 프로브를 동작시키는 장치

Info

Publication number: KR100495796B1
Application number: KR10-2002-7016875A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 볼츠
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2021-06-11
Also published as: DE10029794A1; EP1290434A1; JP2004503774A; US7052596B2; EP1290434B1; DE50114217D1; US20030101796A1; CN1436303A; JP3704334B2; DE10029794C2; WO2001096851A1; KR20030014708A

Abstract

선형 람다 프로브를 동작시키기 위해 필요한 펌핑 전류원(P)은 그 반전 입력단이 제 3 프로브 단자(Vp+)에 접속되고, 그 비-반전 입력단이 중간 전압(Vm)의 전위에 접속되며 그 출력단이 제 2 프로브 단자(Vp-/Vs-)에 접속되도록 결선된다.

Description

선형 람다 프로브를 동작시키는 장치 {DEVICE FOR OPERATING A LINEAR LAMBDA PROBE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 내부 연소 엔진의 선형 람다 프로브 (linear lambda probe)를 동작시키는 장치에 관한 것이다.

입법자들은 점점 오염물 방출과 연료 소비가 낮은 자동차의 개발을 촉진시키기 위하여 세금 보상(tax incentive)을 이용하고 있다. 이는 화학량론적 혼합물 형성(stoichiometric mixture formation)(λ=1)을 갖는 스파크 점화 엔진을 통해 매우 낮은 방출을 하는 SULEV 차량(수퍼 울트라 저 방출 차량)을 개발하도록 한다.

연료를 절약하기 위하여, 직접 HPDI(고압 직접 주입) 연료 주입부를 갖는 엔진이 현재 개발되어 시장에 출시되고 있다. 연료는 증가된 압력(가령 150 bar)으로 연소실 내로 직접 주입된다. 이를 통해 제공되는 혼합물은 희박한 상태의 혼합물(lean), 농후한 상태의 혼합물(rich), 또는 화학량론적인 상태의 혼합물(stoichiometric)일 수 있다. 엔진의 부분적인 부하 모드를 위해서는, 희박한 혼합물의 형성이 소비적인 면에서 상당한 이점을 제공한다.

두 개선사항 모두는 요즘 통상적인 람다 프로브(2 단계-변경 프로브)로 할 수 있는 것보다 훨씬 더 정확한 혼합물의 조정을 필요로 한다. 이러한 프로브는 대략 λ= 1의 매우 제한적인 측정 범위를 가지므로, 희박연소 동작 모드( λ> 1)에서 측정하는데 적합하지 않다.

이 때문에, 선형 람다 프로브라 칭하는 확장된 선형 측정 범위를 갖는 람다 프로브의 사용이 요즘 증가되고 있다.

2 단계-변경 프로브는 고온에서 전해질로서 작용하는 지르콘 세라믹에 의해 분리되는 한 쌍의 전극들을 갖는다. 제 1 전극은 배출 가스 스트림에 위치되고, 다른 전극은 대기중에 위치된다. 대기와 배출 가스 사이의 산소 농도가 상이할 때, Nernst 확산 방정식에 의해 결정되는 전압값이 상기 전극들 사이에서 생성된다. 이 전압의 통상적인 값은 대기중에서 대략 200mV이고, λ= 1일 때 대략 450mV이며 농후한 혼합물에서 대략 800mV이다. 대략 λ= 1인 범위에서, 산소 농도는 10의 몇 승만큼 변화하는데, 이것은 이 범위에서 프로브 전압의 급격한 변화로 나타난다.

선형 람다 프로브는 복잡한 설계로 이루어진다. 이것은 두 쌍의 전극, 및 확산 장벽을 통하여 배출 가스 스트림에 접속되는 하나의 측정 챔버를 갖는다. 제 1 쌍의 전극은 측정 챔버와 대기 사이에 배열되고 측정 챔버 내의 산소 농도를 측정하기 위하여(상기 단계-변경 프로브와 유사하게) 사용된다. 제 2 쌍의 전극은 측정 챔버와 배출 가스 스트림 사이에 배열된다. 대응하는 극성의 전류가 인가될 때, 상기 쌍의 전극은 산소 이온이 측정 챔버로부터 펌핑되도록 하거나 상기 챔버 내로 펌핑되도록 한다. 일명(designation): 펌핑 전극.

이러한 방식을 통해, 확산 장벽을 통한 산소의 흐름 및 펌핑 전극 쌍을 통한 산소 이온의 흐름 사이에 균형이 이루어질 수 있다. 측정 전극을 사용하여 결정될 수 있는 측정 셀에서의 산소 농도는 여기서는 제어 기준으로서 적합하다. 바람직한 값은 가령, λ= 1에 대하여 450mV이다. 그러므로, 이 경우에 흐르는 펌핑 전류 (Ip)는 배출 가스에서 산소 농도의 측정치(및 수치 변환 후의 λ의 측정치)이다.

배출 가스의 산소 농도와 펌핑 전류 사이의 관계는 몇 가지 프로브 파라미터에 의해 영향을 받는다. 제조 상의 이유로, 확산 장벽의 동적 저항은 다소 변동된다. 이로 인하여, 변환비에서 편차(증폭 에러)가 발생할 것이다. 제조 동안, 이 편차는 측정되어 표준화 저항(resistor)(Rc)을 프로브 플러그 내로 삽입함으로써 보상된다.

표준화 저항은 후속하는 평가 회로에서 펌핑 전류가 스케일링되도록 하며, 이것은 다시 변환비를 보상한다.

더구나, 확산 장벽의 동적 저항은 온도에 따라 달라지기 때문에, 따라서 변속 비율의 에러를 초래한다. 이것은 프로브 온도를 측정하고 프로브 내에 설치되는 전열 소자(heating element)를 통해 그 온도를 제어함으로써 중화된다. 비용 상의 이유로, 여기서는 별도의 열 소자가 존재하지 않는다. 그 대신에, 프로브의 높은 온도에 의존하는 내부 저항이 측정된다.

지금까지, 선형 람다 프로브의 응용이 엔진의 대전되지 않은(nocharged), 화학량론적인 동작(Pa = 1 bar, λ= 1)에 국한되었다. 따라서, 측정 셀에서 균형(λ= 1)을 유지하기 위하여 단지 적은 펌핑 전류만이 필요하였다(｜Ip｜ < ~2.5 mA).

희박연소 엔진(lean engine)을 위하여, 과감히 증가되는 펌핑 전류를 필요로 하는 λ= 4 까지의 동작이 제공된다. 과급 엔진(supercharged engine)(터보)에서 동작할 때, 2 bar 까지의 배출 가스 압력이 얻어진다. 프로브의 압력 감도는 최대로 필요한 펌핑 전류가 ±12 mA 까지 부가적으로 증가되도록 한다. 이것은 단지 현재 시장에 나와 있는 평가 회로를 통해 어느 정도까지만 가능할 뿐이다.

공지된 평가 회로는 도 1에 도시되어 있고 이하에 보다 상세히 서술될 것이다.

이 평가 회로는 몇 가지 단점을 갖는다;

평가 회로에 이미 일반적으로 제공되는 전원 전압(Vcc=5 V)이 공급되고 있을 때, 대략 2.5V의 중간-전압(Vm)이 얻어진다. 그리고 나서, 프로브에 제공되는 전압 체인은 다음과 같다:

Vm < ｜Rc*Ip + Vp｜+ Vsat;

Rc = 30 내지 100Ω= (제조자에 따른) 전체 표준화 저항

Vp=-350 내지 +450 mV; 펌핑 셀의 분극 전압

Vsat=100 내지 200 mV; 펌핑 전류원(P)의 포화 전압

이것은 최대 가능한 펌핑 전류(Ip)를 10mA이하로 제한하기 때문에, 상기 요구조건 (Ip = ±12 mA)에 일치하지 않는다.

대안적으로, 평가 회로의 더 높은 전원 전압, 예를 들어 8 V가 사용될 수 있다. 그러나, 이것은 부가적인 값비싼 전압 제어기가 필요하고 평가 회로가 배터리 전압이 낮을 때(8.5V 이하) 더 이상 기능을 하지 않는다는 단점을 갖는다. (용인가능한 최소 배터리 전압은 Vbat_min = 6 V로 규정된다).

공통 모드 신호(Vm ±2V)는 펌핑 전류(Ip) 상에 중첩된다. 실제 적분 증폭기(integrated amplifier)의 한정된 공통 모드 억제(가령, 65 dB)에 기인하여, 측정치가 ±0.3% 까지 왜곡된다.

게다가, 펌핑 셀의 분극 전압(λ< 1일 때 -350mV)은 대략 의 영점 에러 를 발생시킨다. 펌핑 전류(Ip)가 산소 프로브의 주요 측정 신호이기 때문에, 이러한 에러는 프로브 측정 신호의 전체적인 정확도에 직접 영향을 미친다. 이것은 람다 제어의 정확도를 떨어뜨림으로써, 상당한 문제를 초래한다.

도 1은 공지된 장치의 기본적인 회로도를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 기본적인 회로도를 도시한 도면.

본 발명의 목적은 설정된 요구조건에 대응하는 펌핑 전류(Ip)의 값이 이용 가능하게 되도록 하고, 전술한 공통 모드 에러가 방지되고 측정의 정확도가 상당히 개선되도록 하며, 프로브가 배터리 전압이 낮을 때(Vb = + 6V)조차도 여전히 동작 가능하게 되도록 하기 위하여, 선형 람다 프로브를 동작시키는 공지된 장치를 개선하는 것이다.

이 목적은 본 발명의 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 가장 본질적인 특성은 프로브 단자(Vp-/Vs-)로부터 프로브 단자(Vp+)로의 중간-전압의 변위이며, 도 2를 참조하라.

본 발명의 전형적인 실시예는 개략적인 도면을 참조하여 이하에 보다 상세히 서술될 것이다.

도 1은 λ= 1인 범위에서 내부 연소 엔진의 선형 람다 프로브를 동작시키는 공지된 장치의 기본적인 회로도를 도시한 것이다.

람다 프로브(S)는

a) 전극들 사이에서 측정될 수 있는 Nernst 전압(Vs) 및 상기 전극들 사이의 확산 장벽의 내부 저항(Ris)이 도면에서 도시되어 있는데, 측정 챔버와 대기 사이의 전극들(기준 셀로 지칭됨) ,

b) 전극들 사이에서 강하하는 전압(Vp) 및 이러한 전극들 사이의 (기준) 저항(Rip)으로 표현된 측정 챔버와 배출 가스 사이의 전극들(펌핑 셀로 지칭됨), 및

c) 프로브 플러그의 표준화 저항(Rc)으로 이루어진다.

전극들은 프로브의 세라믹 몸체에 제공될 수 있다. 전극 쌍 사이의 세라믹 재료는 고온에서 전도성이면서 고체 전해물로서 사용된다.

저항(Rc)은 프로브 플로그에서 자신의 위치에 따라 상당한 환경 제약 (environment stress)를 받기 때문에, 부가적인 저항(Rp)이 제어 유닛 내에서 상기 저항과 병렬로 접속된다. 이로 인해 전체 정확도에 대한 Rc의 영향이 감소된다.

네 개의 단자(Vs+, Vp-/Vs-, Vp+ 및 Rc)는 프로브(S)로부터의 접속부를 가지며 평가 회로에 접속된다.

차동 증폭기(R)의 반전 입력단이 람다 프로브(S)의 단자(Vs+)에 접속되고, 비반전 입력단이 기준 전압(Vref)을 통하여 중간 전압(Vm)에 접속된다. Vm = Vcc/2이며, Vcc(통상적으로 5V임)는 평가 회로의 전원 전압이다.

차동 증폭기(R)의 출력에 접속되는 비반전 입력단을 구비한 펌핑 전류원(P)의 반전 입력단 또한 중간-전압(Vm)에 접속된다.

펌핑 전류원(P)의 출력단은 람다 프로브(S)의 입력단(Rc)에 접속된다.

차동 증폭기(R)는 (외부 대기 및 측정 셀 사이의) 프로브(S)의 Nernst 전압(Vs)을 기준 전압(Vref)(450mV)과 비교하여 그 차이에 비례하는 출력 전압을 생성하는데, 상기 출력 전압은 펌핑 전류원(P)에 의하여 비례하는 펌핑 전류(Ip)로 변환되고, 이 펌핑 전류는 펌핑 셀(Rip 및 Vp)을 통하여 Vm으로 흐른다. 펌핑 전류(Ip)는 프로브의 측정 셀(도시되지 않음)에서 산소 농도의 변동을 야기하고, 그로인해 Nernst 전압(Vs)의 변화를 초래한다.

배출 가스(람다)의 산소 농도는 펌핑 전류의 측정치에 의해 결정된다. 이렇게 하기 위하여, 펌핑 전류에 의해 초래된 전압 강하는 도시되지 않은 차동 증폭기(도 2의 IS와 비교)에 의하여 Rc 및 Rp의 병렬 회로에서 측정된다.

이 공지된 평가 회로에서, 중간-전압 Vm = Vcc/2이며 기준 전압(Vref)은 람다 프로브의 단자(Vp-/VS-)에 접속된다.

안정 제어 상태에서, Nernst 전압 Vs = 450 mV이며 또한 Vp = 450 mV이다: 펌핑 전류(Ip)로 인하여, 산소 이온의 흐름과 확산 장벽을 통한 산소 흐름 사이에 균형 상태가 제공된다.

펌핑 전류원(P)의 출력 전압의 최대 범위는 대략 0.1V 내지 4.9V로 확장된다. 이 평가 회로의 단점은 이미 전술되었다.

내부 연소 엔진의 선형 람다 프로브를 동작시키는 본 발명에 따른 장치의 기본적인 회로가 도 2에 도시되어 있다.

도 2는 도 1에서 이미 설명된 람다 프로브(S)를 도시하며, 본 발명에 따른 평가 회로를 갖는다. 연산 증폭기, 및 상기 연산 증폭기의 반전 입력단에 접속되는 저항들(Rc 및 Rp)의 병렬 회로가 펌핑 전류원(P)을 형성한다. 펌핑 전류원의 비반전 입력단에는 중간-전압(Vm)이 공급되며, 출력단은 제 2 프로브 단자(Vp-/Vs-)에 접속된다.

펌핑 전류원(P)의 출력은 차동 증폭기(D)로서 저항(R1 내지 R4)에 접속되는 연산 증폭기의 비반전 입력단에 기준 전압(Vref) 및 저항(R3)을 통하여 접속되며, 상기 연산 증폭기의 반전 입력단은 저항(R1)을 통하여 제 1 프로브 단자(Vs+)에 접속된다. 저항(R2)은 비반전 입력단을 출력단에 접속시키며, 저항(R4)은 비반전 입력단과 중간-전압(Vm) 사이에 접속된다.

차동 증폭기(D)의 다음에는 제어기(R), 즉 PID 제어기로서 저항(R5 내지 R8) 및 커패시터(C1 및 C2)에 접속되는 연산 증폭기가 위치하는데, 상기 제어기는 또한 비반전 입력단에 중간-전압(Vm)이 공급되는 I 제어기 또는 PD 제어기로서 구현될 수 있다. 이 제어기(R)의 출력은 제 4 프로브 단자(Rc)에 접속된다.

또한, 입력단이 병렬 저항(Rc 및 Rp)의 두 단자에 접속되는 차동 증폭기(IS)가 제공된다.

차동 증폭기(D)는 프로브 전압(Vs)과 기준 전압(Vref) 사이의 차이를 측정한다. 그러므로, 이 차동 증폭기의 출력 신호는 중간-전압(Vm)으로 지칭되는 Vref와 Vs 사이의 편차(제어 루프의 에러 신호라 칭함)를 나타낸다. 차동 증폭기(D)의 출력 신호는 병렬 저항(Rc 및 Rp)을 통하여 펌핑 전류원(P)에 공급되는 제어 전압을 생성하는 제어기(R)에 공급된다. 펌핑 전류원(P)은 이 제어 전압을 대응하는 펌핑 전류로 변환하며, 이 전류는 그 후에 람다 프로브(S)의 펌핑 셀(Vp, Rip)을 통하여 흐른다.

Rc 및 Rp의 병렬 회로에서의 전압이 차동 증폭기(IS)에 의해 측정되는 경우, 펌핑 전류(Ip) 및 그로인한 λ의 매우 정확하고 이미 표준화된 측정이 달성된다.

연산 증폭기의 입력 전압차가 매우 적기 때문에 (이 전압차는 오프셋 전압에 대응하며 일반적으로 10mV 보다 적음), 프로브(S)의 제 3 단자(Vp+)에는 대략 전위 (Vm) (2.5V)가 걸린다. 연산 증폭기의 출력 전압 범위는 전원 전압(VCC)(5V) 및 출력단 트랜지스터의 포화 전압(대략 0.1V)에 의해 제한된다; 그러므로, 펌핑 전류원(P)의 경우에, 상기 출력 전압 범위는 대략 0.1V 내지 4.9V로 확장된다.

이것은 프로브(S)의 펌핑 셀(단자 Vp+, Vp-)에 대해 ±2.4V(2.5V-0.1V = +2.4V; 2.5V-4.9V=-2.4V)의 전압 편위를 가능하게 한다. 이것은 ±12mA의 필요로한 펌핑 전류를 통해 ±2.0V의 최대 허용 가능하거나 필요한 펌핑 전압을 달성하는데 있어 더욱 충분하다.

펌핑 전류원(P)의 설계는 또한 증폭기(IS)의 반전 입력단에 항상 중간-전압(Vm)이 걸리도록 보장한다. 결과적으로, 병렬 저항(Rc/Rp)에서 측정될 전압 강하는 공통 모드 성분을 갖지 않는다. 그러므로, 이는 증폭기(P)의 한정된 공통 모드 억제(예를 들어 60dB)에 기인한 측정 에러를 방지한다. 게다가, 차동 증폭기(IS)의 입력이 항상 중간-전압의 근처에서 동작된다. 이 범위에서, 연산 증폭기는 최소의 에러(오프셋, 공통 모드, 증폭, 선형성, 누설 전류 등)를 갖는다.

그러므로, 측정치 둘 모두는 측정 증폭기가 가능한 최저 측정 에러를 가지고 구성되도록 하며, 이것은 요구조건 세트에 대응한다.

본 발명에 따른 평가 회로의 장점은 다음과 같다: 1) 펌핑 전류가 고정된 중간-전압 (Vm)과 관련하여 측정된다. 그러므로, 전술한 공통 모드 에러가 방지됨으로써, 측정의 정확도가 상당히 개선된다; 2) Nernst 전압(Vs)의 측정(및 도 2에서 기준 심벌 (RIM)을 가지나 상세히 설명되지 않은 블록으로 표시된 프로브 내부 저항(Ris)의 감지)이 분명하게 공통 모드 신호(Vp = 2.5V ±2V)의 영향을 받으나, 이러한 측정 변수는 상당히 결함에 더욱 내성적이다(fault-tolerant)(그 이유는 Vs가 프로브 특성 곡선의 급격한 경사도로 인해 단지 50mV 만큼만 변동되고, 내부 저항을 결정하는 측정 신호는 고-주파수 교류 전압이며, 그러므로, 공통 모드 신호에서 비교적 느린 변화들은 실제로 완전히 관계가 없기 때문이다); 3) 프로브를 위해 이용 가능한 전압은 기준 저항(Rip)에서의 전압 강하 크기만큼 감소된다. (이것은 프로브 및 응용에 따라서 12mA*100Ω= 1.2V까지 될 수 있다); 4) 전원 전압 Vcc =5V로 동작하는 동안, 대략 ±2.5의 프로브 전압(Vp)이 또한 높은 펌핑 전류(Ip=±12mA)로 획득될 수 있다. 별도의 전압 제어기가 필요로하지 않다. 이것은 비용을 절약한다: 5) 프로브의 동작은 배터리 전압이 낮을 때(+6V)에도, 제한되지 않는다.

Claims

선형 람다 프로브(S;linear lambda probe)의 제 1 단자(Vs+), 제 2 단자(Vp-/Vs-), 제 3 단자(Vp+) 및 제 4 단자(Rc)가 상기 람다 프로브(S)에서 측정된 Nernst 전압(Vs) 및 중간-전압(Vm)과 관련된 기준 전압(Vref) 사이의 차이를 형성하는 차동 증폭기(D)와, 이러한 차이를 측정 증폭기(IS)에 의하여 측정될 수 있으면서 내부 연소 엔진의 배출 가스의 산소 농도 측정치로 사용되는 전압을 상기 프로브(S)의 표준화 저항(Rc)에서 생성하는 펌핑 전류(Ip)로 변환하는 펌핑 전류원(P)을 구비하는, 내부 연소 엔진의 선형 람다 프로브(S)를 동작시키는 장치로서,

상기 펌핑 전류원(P)의 반전 입력단은 상기 제 3 프로브 단자(Vp+)에 접속되고,

상기 펌핑 전류원(P)의 비반전 입력단은 중간-전압(Vm)의 전위에 접속되고,

상기 펌핑 전류원(P)의 출력단은 상기 제 2 프로브 단자(Vp-/Vs-)에 접속되고,

상기 차동 증폭기 (D)의 다운스트립에는 제어기(R)가 접속되는데, 상기 제어기(R)의 반전 입력단은 상기 차동 증폭기(D)의 출력단에 접속되고, 비반전 입력단은 상기 중간-전압(Vm)의 전위에 접속되며, 출력단은 상기 제 4 프로브 단자(Rc)에 접속되고,

상기 측정 증폭기(IS)의 비반전 입력단은 상기 제 4 프로브 단자(Rc) 및 상기 제어기(R)의 출력단에 접속되고,

상기 측정 증폭기(IS)의 반전 입력단은 상기 제 3 프로브 단자(Vp+)에 접속되며, 상기 표준화 저항(Rc)에서 측정될 수 있는 전압은 상기 중간-전압(Vm)으로 지칭되는 선형 람다 프로브를 동작시키는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 적분-동작 제어기(I 제어기)인 것을 특징으로 하는 선형 람다 프로브를 동작시키는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 비례미분 제어기(PD 제어기)인 것을 특징으로 하는 선형 람다 프로브를 동작시키는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 비례적분미분 제어기(PID 제어기)인 것을 특징으로 하는 선형 람다 프로브를 동작시키는 장치.