KR101860455B1 - Particulater matter detection sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 전극 간에는 일정거리 이격된 거리를 따라 센싱전극이 형성되고, 비저항의 크기가 센싱전극 > 입자상물질 > 외부전극의 순서을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서로서, 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질(PM)를 감지하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a PM sensor provided with an electrode for detecting particulate matter (PM) installed on an exhaust line through which an automobile exhaust gas passes, a sensing electrode is formed along a distance between the electrodes, An exhaust gas PM sensor characterized by a sequence of a sensing electrode, a particulate matter, and an external electrode is characterized in that particulate matter PM is detected by measuring a resistance value changed by the particulate matter deposited on the sensing electrode.
Description
본 발명은 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서 에 관한 것으로, 보다 자세하게는 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서 에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있는 현실이다.Generally, there is a growing interest in a post-treatment apparatus for purifying exhaust gas as the exhaust regulation is further strengthened. Particularly, regulations on Particulate Matter (PM) are becoming more strict with respect to diesel cars.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤을 연료로 사용하는 가솔린 차량 또는 디젤 차량에는 배출되는 배기가스 중에서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(Particulate Matter, PM)이 포함된다.Generally, gasoline vehicles or diesel vehicles using gasoline or diesel fuel include carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides and particulate matter (PM) in the exhaust gas.
여기서, 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질(ParticulateMatter, PM) 등의 배기가스 중 입자상 물질은 부유 분진의 발생을 가중시킴으로써 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있다.Here, particulate matter in the exhaust gas such as carbon monoxide, hydrocarbon, nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides and particulate matter (PM) discharged from vehicles is known as a main cause of air pollution by increasing the generation of suspended dust.
상술한 바와 같은 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염 물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.Regulation of exhaust pollutants contained in exhaust gas is gradually increasing due to demands of pleasant environment of human being according to the air pollutants as described above and environmental regulations of each country, and various exhaust gas filtration methods have been studied .
즉, 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질을 감소시키기 위하여 차량의 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키는 기술로서, 엔진 기술 및 전처리 기술 등이 개발되고 있으나, 배기가스의 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가 가스 저감 기술만으로는 규제를 만족시키는데 한계가 있었다.That is, in order to reduce air pollutants contained in the exhaust gas, engine technology and pretreatment technology have been developed as technology for reducing pollutants in the engine of the vehicle itself. However, as the regulation of exhaust gas is strengthened, The toxicity of the gas was limited by the gas reduction technology alone.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 차량의 엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.In order to solve such a problem, a post-treatment technique for treating exhaust gas after combustion in an engine of a vehicle has been proposed. The above-described post-treatment technique includes an oxidation catalyst, a nitrogen oxide catalyst and an exhaust gas reduction device .
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.The most efficient and practical approach to reduce particulate matter among the oxidation catalyst, nitrogen oxide catalyst and soot filtration apparatus as described above is an exhaust gas reduction apparatus using a soot filter apparatus.
이러한 배기가스 저감장치는 주로 디젤 엔진에서 배출되는 입자상 물질을 여과필터로 포집한 후 이것을 태우고(이하, 재생이라 함) 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서, 성능 면에서는 아주 우수하나, 정확한 입자상 물질의 양이나 크기 측정이 어려워 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있다.Such an exhaust gas abatement device is a technology that mainly captures particulate matter discharged from a diesel engine by a filter, burns it (hereinafter referred to as regeneration), and then continues to use particulate matter and collects it again. It is difficult to measure the amount and size of particulate matter, and durability and economical efficiency are obstructing practical use.
디젤자동차의 입자상 물질을 제거하기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 장착을 의무화 하고, DPF의 고장유무에 따른 입자상 물질배출량 모니터링을 위해 입자상 물질양을 측정할 수 있도록 DPF 후단에 OBD 입자상 물질센서 장착을 의무화하고 있다(EURO6). 현재 디젤자동차에 장착중인 입자상 물질센서는 그림과 같이 인터디지탈(Interdigital) 전극에 입자상 물질의 퇴적에 의한 저항변화를 측정하는 방식을 이용하고 있다. 입자상 물질이 퇴적되지 않은 상태에서는 전류가 흐를 수 없지만 퇴적된 입자상 물질에 의해 전류가 흐를 수 있는 회로가 형성되게 되고 이러한 입자상 물질의 퇴적양은 배기가스 중의 입자상 물질 양에 의해 결정되므로 저항변화를 측정함으로써 배기가스 중의 입자상 물질 양을 측정할 수 있게 된다. 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 별도의 히터를 이용해 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 재생 단계를 통해 지속적인 입자상 물질 모니터링을 할 수 있다. It is mandatory to install a DPF (Diesel Particulate Filter) in order to remove particulate matter from diesel vehicles. In order to monitor the amount of particulate matter to monitor the particulate matter emission with the failure of DPF, OBD particulate matter sensor It is obligatory (EURO6). The particulate matter sensor currently mounted on a diesel car uses a method of measuring resistance change due to the deposition of particulate matter on the interdigital electrode as shown in the figure. In the state where the particulate matter is not deposited, a current can not flow but a circuit through which the current flows can be formed by the deposited particulate matter. Since the deposition amount of such particulate matter is determined by the amount of particulate matter in the exhaust gas, The amount of particulate matter in the exhaust gas can be measured. When a particulate matter of a certain amount or more is deposited, continuous particulate matter monitoring can be performed through a regeneration step of burning and removing accumulated particulate matter using a separate heater.
현재 입자상 물질센서는 Al2O3 등의 세라믹 기판 위에 Pt와 같은 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 인터디지탈(Interdigital) 전극를 형성하는 방법을 이용해 제작하고 있다. 전극의 너비 및 전극간의 간격은 ~수십 ㎛이다. 입자상 물질퇴적 형상과 같이 센서의 성능에 영향을 미치는 요소들은 전극의 패턴에 의해 결정된다. 그런데 이와 같은 방식의 입자상 물질센서는 PN(Particle Number)측정이 불가하다는 것과 배기가스 중의 금속 입자에 큰 영향을 받는 다는 문제점이 있다.Currently, particulate matter sensors are fabricated on a ceramic substrate such as Al2O3 by using interdigital electrodes by using metals with high temperature stability such as Pt. The width of the electrodes and the spacing between the electrodes are ~ several tens of micrometers. The factors affecting the performance of the sensor, such as the particulate deposition geometry, are determined by the electrode pattern. However, the particulate matter sensor of this type has a problem that PN (Particle Number) measurement is not possible and is greatly influenced by the metal particles in the exhaust gas.
EURO6를 기준으로 할 때, 현재 입자상 물질과 관련한 배기가스 규제는 디젤 자동차에 대해 입자상 물질의 총 양과 PN(Particle Number)을 규제하고 OBD규제는 입자상 물질의 총 양만을 규제하고 있다. 입자의 크기가 작아질수록 인체에 미치는 악영향이 커지고 GDI엔진의 경우 입자상 물질입자의 크기가 대단히 작다는 점을 고려할 때 향후 규제대상이 디젤 자동차 뿐 아니라 가솔린 자동차로 확대되고, OBD 규제범위도 입자상 물질 뿐 아니라 PN이 포함될 것으로 예상된다. 입자상 물질 입자크기는 입자상 물질과 PN을 측정함으로써 측정할 수 있다. 그런데 기존 방식의 입자상 물질센서의 저항변화는 퇴적된 입자상 물질의 총 양에만 의존하므로 PN을 측정할 수 없다. Regarding the EURO6 standard, current emission regulations on particulate matter regulate the total amount of particulate matter and PN (Particle Number) in diesel vehicles, while OBD regulations regulate only the total amount of particulate matter. Considering that particle size is small, the adverse effect on the human body becomes bigger and GDI engine has very small particle size. Considering that the regulations are expanded to gasoline vehicles as well as diesel vehicles, As well as PN. Particle size Particle size can be measured by measuring particulate matter and PN. However, since the resistance change of a conventional particulate matter sensor depends only on the total amount of deposited particulate matter, the PN can not be measured.
한편, 배기가스 중에는 윤활유 등에서 유인한 미세한 금속 입자가 포함되어 있다. 그림과 같이 전기전도성이 큰 금속 입자가 전극에 달라붙게 되는 경우 주성분이 카본인 입자상 물질과의 비저항값 차이에 의해 입자상 물질 측정치에 큰 영향을 미치게 된다. On the other hand, the exhaust gas contains fine metal particles attracted by lubricating oil or the like. As shown in the figure, when the metal particles with high electrical conductivity stick to the electrode, the main component has a large influence on the measurement of the particulate matter due to the difference in resistivity with the particulate matter, which is carbon.
따라서 PN 측정이 가능하고, 배기가스 중의 금속 입자에 영향을 받지 않는 입자상 물질센서의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a particulate matter sensor which is capable of PN measurement and is not affected by the metal particles in the exhaust gas.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a particulate matter (PM) sensor in an exhaust gas for measuring an amount of particulate matter and a size of particulate matter by measuring a specific resistance value.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 외부전극이 형성된 PM 센서에 있어서, 상기 외부전극 간에는 일정거리 이격된 거리를 따라 센싱전극이 형성되고, 상기 센싱전극 > 상기 입자상물질 > 상기 외부전극의 순으로 비저항이 크며, 상기 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질(PM)를 감지하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a PM sensor in which an external electrode is formed to detect particulate matter (PM) installed in an exhaust line through which an automobile exhaust gas passes, A sensing electrode is formed along a distance between the electrodes, and the resistance value is changed by the particulate matter deposited on the sensing electrode in the order of the sensing electrode> the particulate matter> the external electrode, And to detect the substance (PM).
상기 전극이 세라믹 기판에 패턴으로 형성된 경우, 상기 센싱전극도 패턴으로 형성하고, 상기 전극이 기판 없이 형성된 경우, 상기 센싱전극은 상기 전극을 공간적으로 연결한다. 상기 센싱전극의 소재는 SiC이다.When the electrode is formed as a pattern on the ceramic substrate, the sensing electrode is also formed as a pattern. When the electrode is formed without a substrate, the sensing electrode spatially connects the electrode. The material of the sensing electrode is SiC.
또한, 상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질로 인해, 시간 당 전기전도도의 변화인 기울기(m3)로부터 VPM= (ρC L0 2/a) m3 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 양이 도출되며, 상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질의 시간 당 비저항의 변화인 기울기(m1)로부터 l2 = -(ρSiCρC L0 2/ASiC) m3 /m1 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 평균크기가 도출될 수 있다.Further, due to the particulate matter deposited on the sensing electrode, the amount of particulate matter in the exhaust gas is derived from the slope m3, which is the change in the electrical conductivity per hour, by V PM = (ρ C L 0 2 / a) m 3 and, l 2 = from the slope (m1) change in time the specific resistance per amount of particulate matter deposited on the sensing electrode, the particulate matter in the exhaust gas by (ρ SiC ρ C l 0 2 / a SiC)
또한, 상기 센싱전극이 위치한 상기 기판의 뒷면에는 상기 센싱전극의 영역을 따라 히터가 설치될 수 있으며, 기판이 없는 경우는 상기 센싱전극을 일방향으로 휘고, 상기 전극 간 일정거리를 이격되도록 유지함으로서 상기 전극이 서로 평행을 이룬다.In addition, a heater may be provided along a region of the sensing electrode on the backside of the substrate on which the sensing electrode is disposed. In the absence of the substrate, the sensing electrode may be bent in one direction, The electrodes are parallel to each other.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 배기가스 중 입자상 물질 센서는 입자상 물질의 양 및 크기도 측정이 가능하며, 배기가스 중 금속 입자에 의한 영향을 거의 받지 않는다. 자동차 배기가스 중 엔진오일 등으로부터 유인한 금속입자가 센싱전극에 달라붙는 경우, 전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아닌 비저항이 큰 센싱전극 및 퇴적된 PM에 의해 결정되므로(저항의 병렬연결) 달라붙은 금속입자에 의한 저항변화는 극히 미미하다. The particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention having the above-described structure can measure the amount and size of the particulate matter and is hardly affected by the metal particles in the exhaust gas. In the case where metal particles attracted from the engine oil in the exhaust gas of the vehicle stick to the sensing electrode, the total resistance is determined by the sensing electrode having a high specific resistance and the PM deposited (resistance parallel connection) The resistance change by metal particles is extremely slight.
도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치에서 기판 뒤에 히터 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조의 일례들이다. 1 is a view for explaining the structure of a particulate matter sensor in a conventional exhaust gas.
2 is a view for explaining a structure of a particulate matter sensor in an exhaust gas according to the present invention.
3 shows a stage in which PM is deposited on the particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention.
Fig. 4 is a graph showing the resistivity and electrical conductivity of the PM according to the present invention.
Figure 5 shows the length (Lo) and the PM particle size (l) of the sensing electrode according to the present invention.
6 is a view for explaining a heater structure behind a substrate in a particulate matter sensor device in an exhaust gas according to the present invention.
7 is an example of the structure of the particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 출력되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. . First, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, it should be noted that the same constituent elements are denoted by the same reference numerals whenever possible even if they are displayed on other drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 입자상 물질 센서에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an exhaust gas particulate matter sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining the structure of a particulate matter sensor in a conventional exhaust gas, and FIG. 2 is a view for explaining the structure of a particulate matter sensor in an exhaust gas according to the present invention.
도 1 및 도 2를 대비하여 설명하면, 종래의 입자상 물질 센서는 세라믹 기판 상에 패턴화된 전극이 일정거리 이격된 한 쌍의 맞물림 형상의 전극(Interdigital 전극; IDE)으로 형성된다. 따라서, 전극 사이에 입자상 물질이 퇴적되면서 저항의 변화를 측정하는 원리인데, 배기가스 중의 금속입자에 영향을 받는다는 단점이 있다. 즉, 배기가스 중에는 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 포함될 수 있는데, 도 1에서와 같이 금속입자가 전극을 통전시키면 전기전도도가 급상승하면서 저항값의 변화를 측정하는 입자상 물질 센서의 기능에 치명적 영향을 준다. 이에 비해, 도 2는 전극 사이에 비저항이 입자상 물질보다 큰(즉, 전기전도도가 낮은) 센싱전극을 추가적으로 설치함으로서, 배기가스 중 함유된 금속 입자에 의한 영향을 줄일 수 있다. 즉, 입자상 물질이 센싱전극에 퇴적됨에 따라, 센싱전극을 통해 흐르던 전류가 비저항이 작은(즉, 전기전도도가 센싱전극에 비해 상대적으로 큰) 입자상물질을 통해 흐르게 됨으로서 전체 저항이 감소하게 되는데, 이러한 저항 변화를 측정함으로서 퇴적된 입자상 물질의 양을 측정할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, a conventional particulate matter sensor is formed of a pair of interdigital electrodes (IDE) spaced a predetermined distance apart from a patterned electrode on a ceramic substrate. Therefore, the principle of measuring the change in resistance while the particulate matter is deposited between the electrodes is disadvantageous in that it is affected by the metal particles in the exhaust gas. That is, the exhaust gas may contain fine metal particles contained in lubricating oil or the like. As shown in FIG. 1, when the metal particles energize the electrodes, the electrical conductivity increases sharply and the critical value of the function of the particulate matter sensor . On the other hand, FIG. 2 can further reduce the influence of the metal particles contained in the exhaust gas by additionally providing a sensing electrode having a specific resistance greater than that of the particulate matter (that is, low electrical conductivity) between the electrodes. That is, as the particulate matter is deposited on the sensing electrode, the current flowing through the sensing electrode flows through the particulate matter having a small specific resistance (that is, the electrical conductivity is relatively large as compared with the sensing electrode) By measuring the change in resistance, the amount of particulate matter deposited can be measured.
한편, 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 센싱전극에 퇴적되는 경우, 금속입자, 센싱전극, 입자상 물질은 서로 병렬연결된 저항으로 작용하기 때문에,전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아니라 상대적으로 비저항이 큰 센싱전극 및 퇴적된 입자상 물질에 의해 결정되므로 퇴적된 금속입자에 의한 저항 변화는 극히 미미하다. On the other hand, when fine metal particles contained in lubricating oil or the like are deposited on the sensing electrode, the metal particles, the sensing electrode, and the particulate matter function as resistances connected in parallel to each other. Therefore, the total resistance is not a metal particle having a small specific resistance, The resistance change due to the deposited metal particles is extremely small since it is determined by the large sensing electrode and the deposited particulate matter.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다. 초기단계는 센싱전극과의 구별을 위해 외부전극(external electrode)이라고 칭할 수 있는 전극의 사이에 센싱전극이 위치하고 입자상 물질의 퇴적은 아직 없는 상태이다. 입자상물질의 퇴적이 시작되는 제1단계(stage 1)와 퇴적이 어느정도 진행된 제2단계(stage 2)를 거쳐 입자상물질이 충분히 퇴적된 제3단계(stage 3)에 이르게 된다. 3 shows a stage in which PM is deposited on the particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention. In the initial stage, the sensing electrode is located between the electrodes, which can be referred to as an external electrode, for the purpose of distinguishing from the sensing electrode, and particulate matter is not deposited yet. The first stage (stage 1) in which the deposition of particulate matter starts and the second stage (stage 2) in which the deposition is advanced to some extent leads to the third stage (stage 3) in which the particulate matter is sufficiently deposited.
입자상 물질의 퇴적이 시작된 후 전체 저항의 변화는 센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 양 뿐 아니라, 입자상 물질의 입자크기에도 관련이 있으며, 이를 ~V0/ln 로 나타낼 수 있다. Vo는 퇴적된 입자상 물질의 총양(이하, 부피를 의미)이고, l은 퇴적된 입자상 물질의 직경, n은 입자상 물질의 형상에 따른 상수이다. 입자상 물질이 충분히 퇴적된 제3단계의 전체 저항의 변화는 총 입자상 물질 퇴적량에만 관련된다. 따라서, 제3단계의 저항값으로부터 총 입자상 물질의 퇴적양(Vo)을 측정할 수 있고, 제1단계의 저항값에서 Vo를 상쇄시킴으로서 입자상 물질의 개수를 추산할 수 있다. 제3단계를 지나 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 재생단계를 통해 지속적인 모니터링을 할 수 있다. Change in the total resistance after deposition of the particulate matter has started, as well as the amount of particulate matter deposited on the sensing electrode, is related to the particle size of the particulate matter, and can indicate this to the ~ V 0 / l n. Vo is the volume of the deposited particulate matter (hereinafter, referred to as volume), l is the diameter of the deposited particulate matter, and n is a constant according to the shape of the particulate matter. The change in the total resistance of the third stage where the particulate matter is sufficiently deposited is related only to the total particulate matter accumulation amount. Therefore, the deposition amount Vo of the total particulate matter can be measured from the resistance value of the third step, and the number of particulate matter can be estimated by canceling Vo at the resistance value of the first step. If a certain amount of particulate matter is accumulated after the third step, continuous monitoring can be performed through the regeneration step.
이를 수식화하면 제1단계에서의 전체 저항(R)은 R ~ RSiC = ρSiC/ASiC (L0 - V0/l2)이며, 여기서 ρSiC, ASiC, L0, V0, l 은 각각 센싱전극의 비저항, 센싱전극의 단면적, 센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피, 퇴적된 입자상 물질의 직경이다.
제2단계에서 Vo는 V0 =v0 t 으로 퇴적된 입자상 물질의 총 양으로 시간에 따라 선형적으로 증가한다. v0는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이다.
제3단계에서의 전체 저항(R)은 R ~ RC = ρC L0 /AC = ρC L0 2/V0이며, 전기전도도(σ) σ = V0/(ρC L0 2)이다.If the formulation this total resistance (R) in the first stage is R ~ R SiC = ρ SiC / A SiC - and (L 0 V 0 / l 2 ), where ρ SiC, A SiC, L 0 , V 0, l Are the resistivity of the sensing electrode, the cross-sectional area of the sensing electrode, the length of the sensing electrode, the total accumulated bulk material volume, and the diameter of the deposited particulate material.
In the second step, Vo increases linearly with time with the total amount of particulate matter deposited at V 0 = v 0 t. v 0 is the amount of particulate matter deposited per unit time.
The total resistance (R) in said
한편, 도 4는 본 발명의 PM이 퇴적되는 단계(stage)별 비저항 및 전기전도도 변화 그래프인데, 제1단계와 제3단계의 특징은 도 4에 나타나있다. 즉, 제1단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 비저항이 선형적으로 감소되는 특징이 있다. 또한, 제3단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 전기전도도가 선형적으로 증가하는 특징이 있다. 즉, 제1단계의 기울기 m1은 음의 값을 제3단계의 기울기 m3은 양의 값을 갖는다. Meanwhile, FIG. 4 is a graph showing the resistivity and electrical conductivity of each stage at which the PM of the present invention is deposited. The characteristics of the first and third steps are shown in FIG. That is, in the first step, the particulate matter is deposited and the resistivity linearly decreases with time. In addition, in the third step, the particulate matter is deposited, and the electrical conductivity linearly increases with time. That is, the slope m1 in the first step has a negative value, and the slope m3 in the third step has a positive value.
한편, v0는 단위시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양으로 배기가스 중 입자상 물질의 양 VPM 과 비례관계에 있으므로, v0=a VPM 이 성립한다. V0 =v0 t 및 제3단계에서의 σ = V0/(ρC L0 2)로부터, 제3단계에서 측정한 시간 당 전기전도도의 변화인 기울기(m3) m3= v0/(ρC L0 2))이며, 이로부터 a를 알 수 있다. a는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양 v0와 퇴적된 입자상 물질의 총 양 VPM 의 상관 관계식인 v0=a VPM 로부터 도출된 값이다. 이들 값으로부터 배기가스 중의 입자상 물질의 양인 VPM= (ρC L0 2/a) m3 을 산출할 수 있다.
제1단계에서의 RSiC = ρSiC/ASiC (L0 - V0/l2)와 V0 =v0 t으로부터 도 4에서의 시간 당 비저항의 변화인 기울기(m1) m1= -ρSiC v0/(ASiC l2)으로부터, 입자상 물질의 크기(l) l2 = -(ρSiCρC L0 2/ASiC) m3 /m1 을 산출할 수 있다.On the other hand, v 0 is the amount of particulate matter deposited per unit time, and the amount of particulate matter in the exhaust gas V PM And v 0 = a V PM . V 0 = v 0 t and σ = V in Step 3 0 / (ρ C L 0 2) from, first the slope (m3) a change in electric conductivity of one hour per measured in step 3 m 3 = v 0 / ( ρ C L 0 2 )), from which a is known. a is the correlation between the amount v 0 of particulate matter deposited per unit time and the total amount V PM of deposited particulate matter v 0 = a V PM . From these values, V PM = (ρ C L 0 2 / a) m 3, which is the amount of particulate matter in the exhaust gas, can be calculated.
The slope (m1) m1 = -ρ (t), which is the change in resistivity per hour in Fig. 4 from R SiC = p SiC / A SiC (L 0 - V 0 / l 2 ) and V 0 = v 0 t in the first step From the SiC v 0 / (A SiC l 2 ), the size of the particulate matter (l) l 2 = - (ρ SiC ρ C L 0 2 / A SiC ) m 3 / m 1 can be calculated.
도 5는 본 발명에 따른 센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다. Figure 5 shows the length (Lo) and the PM particle size (l) of the sensing electrode according to the present invention.
도 6는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치에서 기판 뒤에 히터 구조이며, 기판형 방식으로 전압 터미널에 연결되는 전극의 끝 부분이 센싱전극에 의해 연결되도록 기판 상에 패턴을 만든 것이며, 기판의 뒷면에는 센싱전극 영역에 해당하도록 히터가 설치되어 재생 역할을 한다. 6 is a heater structure behind a substrate in a particulate matter sensor device in an exhaust gas according to the present invention, in which a pattern is formed on a substrate such that an end of an electrode connected to a voltage terminal in a substrate-type manner is connected by a sensing electrode, A heater is provided on the rear surface of the sensing electrode so as to correspond to the sensing electrode region and serves as a regeneration means.
도 7은 여러 가지 방식의 배기가스 샘플링 채널을 통해 센서가 적용되는 형태로서, 도 7(a)는 배기가스가 사각채널의 일측에 형성된 유입구를 통해 센서로 유입 후, 유동방향이 90도로 바뀌어 다공의 SiC로 된 배출구를 통해 배출되도록 하고, 센싱전극은 배출구에 형성되어 배기가스가 센싱전극이 형성된 채널벽, 즉 다공의 배출구를 통과한다. 도 7(b)는 배기가스 유입구와 다공의 SiC로된 배출구가 마주하며, 배출구의 중심부에 센싱전극이 형성되고, 이를 통과해 배기가스가 배출된다. 도 7(b-1)(b-2)은 센싱 감도나 반응시간에 따라 인터디지탈(Interdigital) 전극이 선택적으로 사용될 수 있다. 도 7(c)는 관 형태의 센서로 배기가스가 유입구를 통해 마주하는 배출구로 관의 중심축을 따라 형성된 격벽에 의해 관 내에서 배기가스가 2개로 분리되어 센서를 통과하게 된다. 도 7(c-1)(c-2)는 세라믹 기판 중 일부에 다공성 물질을 적용하고, 그 위에 센싱전극을 형성한 것과 센싱전극에 인터디지탈(Interdigital) 전극이 형성된 것을 각각 나타내며, 도 7(c-3)은 세라믹 기판 상에 패터닝을 하고 다공질 물질은 적용하지 않았다.7 (a) is a view showing a state in which the exhaust gas is introduced into the sensor through an inlet formed on one side of the square channel, and then the flow direction is changed by 90 degrees, And the sensing electrode is formed in the exhaust port so that the exhaust gas passes through the channel wall, that is, the porous exhaust port where the sensing electrode is formed. 7 (b), the exhaust gas inlet and the porous SiC outlet face each other, and a sensing electrode is formed at the center of the outlet, through which the exhaust gas is discharged. 7 (b-1) and (b-2), an interdigital electrode may be selectively used depending on the sensing sensitivity and the reaction time. FIG. 7 (c) is a tube-shaped sensor, in which exhaust gas is divided into two by a partition wall formed along the center axis of the tube to an exhaust port through which the exhaust gas faces through the inlet, and passes through the sensor. Figs. 7 (c-1) and (c-2) show a case where a porous material is applied to a part of a ceramic substrate, a sensing electrode is formed on the porous substrate, and an interdigital electrode is formed on the sensing electrode. c-3) was patterned on a ceramic substrate and no porous material was applied.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It will be understood that the invention may be practiced.
Claims (10)
상기 외부전극 간에는 일정거리 이격된 거리를 따라 센싱전극이 형성되고, 비저항의 크기는 상기 센싱전극 > 입자상물질 > 외부전극의 순서이며,
상기 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질을 감지하며,
상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질의 시간 당 전기전도도의 변화인 기울기(m3)로부터 VPM= (ρC L0 2/a) m3 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 양(VPM )이 도출되며,
상기 센싱전극에 퇴적되는 입자상물질의 시간 당 비저항의 변화인 기울기(m1)로부터 l2 = -(ρSiCρC L0 2/ASiC) m3 /m1 에 의해 배기가스 중 입자상물질의 평균크기(l)가 도출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서.1. A PM sensor having an external electrode formed on an exhaust line through which an automotive exhaust gas passes, for detecting particulate matter (PM)
A sensing electrode is formed along the distance between the external electrodes at a predetermined distance, and the magnitude of the resistivity is the order of the sensing electrode, the particulate matter, and the external electrode,
The sensor detects the particulate matter by measuring the resistance value changed by the particulate matter deposited on the sensing electrode,
Amount (V PM) is derived of V PM = (ρ C L 0 2 / a) particulate matter in the exhaust gas by the m 3 from the slope (m3) change in time the electric conductivity per amount of particulate matter deposited on the sensing electrode And,
From the slope (m1) change in time the specific resistance per amount of particulate matter deposited on the sensing electrode l 2 = - average of particulate matter in the exhaust gas by (ρ SiC ρ C L 0 2 / A SiC) m 3 / m 1 And the size (1) is derived.
상기 센싱전극의 소재는 SiC인 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서.The method according to claim 1,
Wherein the material of the sensing electrode is SiC.
상기 외부전극이 세라믹 기판에 패턴으로 형성된 경우, 상기 센싱전극도 상기 세라믹 기판에 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서.The method according to claim 1,
Wherein when the external electrode is formed in a pattern on the ceramic substrate, the sensing electrode is also formed in a pattern on the ceramic substrate.
상기 센싱전극이 위치한 상기 세라믹 기판의 뒷면에는 상기 센싱전극의 영역을 따라 히터가 설치된 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서.5. The method of claim 4,
Wherein a heater is provided on a rear surface of the ceramic substrate on which the sensing electrode is disposed along a region of the sensing electrode.
유입구, 배출구가 형성된 사각채널 혹은 관 내에, 상기 배기가스의 유동이 분리되어 흐르도록 설치된 지지판의 다공성물질로 형성한 부분에 장착되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM센서 장착구조. An exhaust gas PM sensor as claimed in any one of claims 1, 3, 4, and 8,
Wherein the exhaust gas PM sensor mounting structure is mounted on a portion formed of a porous material of a support plate provided so that a flow of the exhaust gas flows separately in a square channel or a pipe having an inlet and an outlet.
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