KR102015803B1 - Particulater matter detection sensor for compensation - 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 형성된 배기가스 PM 센서로서, 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로서 입자상물질(PM)를 감지하되, 온도보정을 하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a PM sensor in which an electrode is formed to be installed in the exhaust line through which the vehicle exhaust gas passes to detect particulate matter (PM), the exhaust gas PM sensor having a sensing electrode formed along a distance separated by a predetermined distance between the electrodes, The particulate matter (PM) is detected by measuring a resistance value changed by the particulate matter deposited on the sensing electrode, and the temperature compensation is performed.
Description
본 발명은 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에서 온도 보정이 되는 입자상 물질(PM) 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 온도변화 및 PM퇴적에 따른 저항변화를 고려한 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서의 보정이 가능한 입자상 물질(PM) 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a particulate matter (PM) sensor that is temperature-corrected in the particulate matter (PM) sensor in the exhaust gas, and more specifically, the particulate matter (PM) sensor in the exhaust gas in consideration of the change in resistance due to temperature changes and PM deposition It relates to a particulate matter (PM) sensor that can be corrected.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.
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 있으며, 배기가스의 온도 변화 및 입자상 물질의 퇴적에 따라 PM센서 측정값이 부정확하다.In general, there is a growing interest in post-treatment devices for purifying exhaust gases as the exhaust regulations are further tightened. In particular, regulations on particulate matter (PM) are becoming more stringent for diesel vehicles.
In general, gasoline or diesel vehicles using gasoline or diesel as fuel include carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides, and particulate matter (PM) among the exhaust gases emitted.
Here, particulate matter in exhaust gases such as carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides, and particulate matter (ParticulateMatter, PM) emitted from vehicles is known as a major cause of air pollution by increasing the generation of suspended dust.
Due to the demands of the human pleasant environment according to the air pollutants as described above and the environmental regulations of each country, the regulation of the exhaust pollutants contained in the exhaust gas is gradually increasing. As a countermeasure, various exhaust gas filtration methods are studied. It is becoming.
That is, in order to reduce air pollutants contained in exhaust gas, engine technology and pretreatment technology are being developed as a technology to reduce pollutants in the engine of the vehicle by itself, but as the regulation of exhaust gas is strengthened, Hazardous chemicals in U.S. had limitations in meeting regulations with gas abatement technology alone.
In order to solve this problem, a post-treatment technique for treating exhaust gas emitted after combustion in an engine of a vehicle has been proposed. The post-treatment technique includes an exhaust gas reduction device through an oxidation catalyst, a nitrogen oxide catalyst, and a soot filtration device. There is this.
Among the oxidation catalysts, nitrogen oxide catalysts, and soot filtration devices described above, the most efficient and practical technique for reducing particulate matter is an exhaust gas reduction device using a soot filtration device.
The exhaust gas reducing device mainly collects particulate matter discharged from a diesel engine with a filtration filter, burns it (hereinafter referred to as regeneration), and collects particulate matter and continues to use it. Due to the difficulty in measuring the amount and size of particulate matter, durability and economics are acting as obstacles for practical use, and PM sensor measurement values are inaccurate due to changes in exhaust gas temperature and deposition of particulate matter.
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(Euro6C). 현재 디젤자동차에 장착중인 입자상 물질센서는 그림과 같이 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 퇴적량은 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.
현재 입자상 물질센서는 Al2O3 등의 세라믹 기판 위에 Pt와 같은 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 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.
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.
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.
따라서 PN 측정이 가능하고, 배기가스 중의 금속 입자에 영향을 받지 않는 입자상 물질센서의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 비저항값을 측정하여 입자상물질의 양 및 크기를 검출하는 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에서, 배기가스 온도의 영향 및 퇴적되는 입자상물질의 영향이 보정되는 PM센서 보정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.It is mandatory to install Diesel Particulate Filter (DPF) to remove particulate matter from diesel vehicles, and to install OBD particulate matter sensor at the end of DPF to measure the amount of particulate matter for monitoring particulate matter emission according to the failure of DPF. Mandatory (Euro6C). The particulate matter sensor currently installed in diesel vehicles uses a method of measuring the resistance change caused by the deposition of particulate matter on the interdigital electrode as shown in the figure. In the state where particulate matter is not deposited, current cannot flow, but the accumulated particulate matter forms a circuit through which current flows, and the deposition amount of such particulate matter is determined by the amount of particulate matter in the exhaust gas, thereby measuring the resistance change. This makes it possible to measure the amount of particulate matter in the exhaust gas. If more than a certain amount of particulate matter is deposited, a continuous particulate monitoring can be performed through a regeneration step that burns and removes the deposited particulate matter using a separate heater.
At present, particulate matter sensors are manufactured using a method of forming interdigital electrodes using a metal having high temperature stability, such as Pt, on a ceramic substrate such as Al 2
Based on EURO6, current emissions regulations for particulate matter regulate the total amount of particulate matter and the particle number (PN) for diesel vehicles, while OBD regulations only regulate the total amount of particulate matter. The smaller the particle size, the greater the adverse effect on the human body, and in the case of the GDI engine, the size of the particulate matter particles is very small. In addition, PN is expected to be included. Particle Size Particle size can be measured by measuring particulate matter and PN. However, since the resistance change of the conventional particulate matter sensor depends only on the total amount of particulate matter deposited, the PN cannot be measured.
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 adhere to the electrode, the difference in specific resistance with the particulate material whose main component is carbon has a big influence on the measurement of the particulate matter.
Therefore, it is necessary to develop a particulate matter sensor that can measure PN and is not affected by metal particles in exhaust gas.
The present invention is invented to solve the above problems, in the particulate matter (PM) sensor of the exhaust gas to measure the specific resistance value and detect the amount and size of the particulate matter, the influence of the exhaust gas temperature and the particulate matter deposited It is an object of the present invention to provide a method for calibrating a PM sensor whose influence is corrected.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치는 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM센서에 있어서, 부도체 기판 위에 PM센싱전극을 형성하고 상기 전극은 상기 PM센싱전극 상에 형성되거나 부도체 기판 위에 상기 전극이 형성되고 상기 전극 간에 일정거리 이격된 거리를 따라 PM센싱전극이 형성되며, 비저항의 크기는 상기 PM센싱전극(sensing electrode) ≫ 입자상물질≫ 외부 전극(external electrode)의 순서이며, 상기 PM센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값을 측정함으로써 입자상물질(PM)을 감지하는 PM센싱전극으로 반도성 기판이 사용된다. 반도성(semi conducting)기판은 SiC나 도전성 알루미나 등과 같이 비저항 10-3내지 1010Ωm의 값을 가지는 세라믹 소재로서, 전류를 통과시키기는 하나, 저항성분을 가지고 있으며, 저항값이 온도에 따라 변화하므로, 상기 저항성분이 온도에 따라 달라짐에 따라 온도변화에 의한 PM센싱전극의 저항변화와 입자상물질의 퇴적에 따른 저항변화를 구분해서 PM 측정을 보정한다.
시간이 경과됨에 따라 상기 PM센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값 또는 전기전도도를 3개의 단계별로 구분해 제1단계에서는 시간에 따른 저항값의 기울기(m1), 제3단계에서는 시간에 따른 전기전도도의 기울기(m3)에 의해 상기 저항값 또는 전기전도도가 연속적인 동시에 선형적이며, 반도성 기판으로된 PM센싱전극 및 상기 반도성 기판으로된 PM센싱전극과 별대로 부도체코팅이 된 온도보정용 PM센싱전극이 있고, 상기 PM센싱전극으로부터 측정된 R1저항값과 상기 온도보정용 PM센싱전극으로부터 측정된 R2저항값의 저항값 차이 혹은 저항비(저항간의 비율)에 의해 온도보정이 가능하다.The particulate matter sensor device of the exhaust gas according to the present invention for achieving the above object is installed in the exhaust line through which the vehicle exhaust gas passes through the PM sensor in which the electrode is formed to detect particulate matter (PM), on the non-conductive substrate A PM sensing electrode is formed, and the electrode is formed on the PM sensing electrode or the electrode is formed on a non-conductive substrate, and a PM sensing electrode is formed along a distance spaced apart from each other by a predetermined distance. (sensing electrode) '' particulate matter '' external electrode, a semi-conductive substrate as a PM sensing electrode that senses particulate matter (PM) by measuring a resistance value changed by particulate matter deposited on the PM sensing electrode. This is used. Semi conducting substrates are ceramic materials with a specific resistance of 10 -3 to 10 10 Ωm, such as SiC or conductive alumina, and have a resistance component that allows current to pass, but the resistance value changes with temperature. Therefore, as the resistance component varies with temperature, the PM measurement is corrected by distinguishing the resistance change of the PM sensing electrode due to the temperature change and the resistance change due to the deposition of particulate matter.
As time passes, the resistance value or electrical conductivity changed by the particulate matter deposited on the PM sensing electrode is divided into three stages. The resistance value or the electrical conductivity is continuous and linear by the slope of the electrical conductivity according to the m3, and the temperature of the non-conducting coating separately from the PM sensing electrode made of the semiconductor substrate and the PM sensing electrode made of the semiconductor substrate. There is a correction PM sensing electrode, and temperature correction is possible by a resistance value difference or a ratio of resistance (ratio) between the R1 resistance value measured from the PM sensing electrode and the R2 resistance value measured from the temperature correction PM sensing electrode.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 배기가스 중 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 통해 보다 정확한 PM 센서가 가능하다.A more accurate PM sensor is possible through the correction for the temperature of the PM sensor and the particulate matter deposited in the exhaust gas according to the present invention having the above configuration.
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 PM센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6는 본 발명에 따른 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 할 수 있는 PM센싱전극과 외부전극의 형상이다.1 is a view for explaining the structure of a particulate matter sensor in a conventional exhaust gas.
2 is a view for explaining the structure of the particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention.
3 shows a stage in which PM is deposited on a particulate matter sensor in exhaust gas according to the present invention.
4 is a graph showing a change in resistivity and electrical conductivity for each stage of PM deposition of the present invention.
Figure 5 shows the length (Lo) and PM particle size (l) of the PM sensing electrode according to the present invention.
6 is a shape of a PM sensing electrode and an external electrode capable of correcting the temperature and the particulate matter deposited in the PM sensor 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.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 입자상 물질 센서에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 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.
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, 금속입자가 전극을 통전시키면 전기전도도가 급상승하면서 저항값의 변화를 측정하는 입자상 물질 센서의 기능에 치명적 영향을 준다.
도 1은 외부전극 사이에 비저항이 외부전극은 물론이고, 입자상 물질의 비저항보다 큰(즉, 전기전도도가 낮은) PM센싱전극이 외부전극을 서로 연결하도록 설치함으로서, 배기가스 중 함유된 금속 입자에 의한 영향을 줄일 수 있다. 즉, PM 센싱전극 및 온도보정용 센싱전극의 비저항은 입자상물질보다 크고, 입자상물질의 비저항이 외부전극보다 크다.
즉, 입자상 물질이 PM센싱전극에 퇴적됨에 따라, PM센싱전극을 통해 흐르던 전류가 비저항이 작은(즉, 전기전도도가 PM센싱전극에 비해 상대적으로 큰) 입자상물질을 통해 흐르게 됨으로서 전체 저항이 감소하게 되는데, 이러한 저항 변화를 측정함으로서 퇴적된 입자상 물질의 양을 측정할 수 있다.
한편, 연료의 연소에 의한 입자상물질이 아니라, 윤활유 등으로부터 함유된 미세한 금속입자가 PM센싱전극에 퇴적되는 경우, 금속입자, PM센싱전극, 입자상 물질은 서로 병렬연결된 저항으로 작용하기 때문에, 전체 저항은 비저항이 작은 금속입자가 아니라 상대적으로 비저항이 큰 PM센싱전극 및 퇴적된 입자상 물질에 의해 주로 좌우되므로 퇴적된 금속입자에 의한 저항 변화는 극히 미미해진다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계(stage)를 도시한 것이다. 초기단계는 외부전극(external electrode)의 사이에 위치하는 PM센싱전극에 입자상 물질의 퇴적은 없는 상태이다. 입자상물질의 퇴적이 시작되면, 제1단계(stage 1)와 퇴적이 어느 정도 진행되면 제2단계(stage 2)를 거쳐 입자상물질이 충분히 퇴적된 제3단계(stage 3)에 이르게 된다.
입자상 물질의 퇴적이 시작된 후 전체 저항의 변화는 PM센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 양 뿐 아니라, 입자상 물질의 입자크기에도 관련이 있으며, 이를 ~V0/ln 로 나타낼 수 있다.
Vo는 제3단계에서 PM센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량(이하, 총량은 부피를 의미함)이고, l은 퇴적된 입자상 물질의 직경, n은 입자상 물질의 형상에 따른 상수로 퇴적된 PM입자의 형상이 1차원인 경우 0, 2차원인 경우 1, 3차원인 경우 2가 된다. 아래에서 n을 2로 가정하고 수식화하지만 그 외의 경우에도 같은 방법으로 유도할 수 있다. 입자상 물질이 충분히 퇴적된 제3단계의 전체 저항의 변화는 입자상 물질의 총 퇴적량에만 관련된다. 따라서, 제3단계의 저항값으로부터 입자상 물질의 총 퇴적량(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.
이를 수식화하면 다음과 같다.
외부전극 사이에 위치한 PM센싱전극에서의 저항(R)은 센싱기판에 의한 저항(RS)와 입자상물질에 의한 저항(R C )로 1/R = 1/RS + 1/R C 로 나타낸다.
제1단계에서의 전체 저항(R)은 R = ρS/AS(L0 V0/l2) = ρSL0/AS - ρSV0/ASl2 이며, 여기서 ρS, AS, L0, V0, l 은 각각 PM센싱전극의 비저항, PM센싱전극의 단면적, PM센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피, 퇴적된 입자상 물질의 직경이다.
이때, 각각 ρSL0/AS은 R0이고, -ρSV0/ASl2 은 ΔRPM이며, R = R0 + ΔRPM이다.
여기서 V0는 V0 =v0t 이다. V0 는 PM센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량이며, v0는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이고, t는 시간이다.
따라서 제1단계의 R = ρS/AS (L0 V0/l2) = ρSL0/AS - ρSV0/ASl2 = ρSL0/AS - (ρSv0/AS l2)t로서 시간 t에 대해 선형적으로 증가하게 되며, 그 기울기 m1은 -(ρSv0/AS l2)인 1차식이다.
제3단계에서의 전체 저항(R)은 입자상물질에 의한 저항(R C )에 의해 좌우된다.
즉, R ~ RC = ρC L0 /AC = ρC L0 2/V0이다. ρC, AC은 각각 퇴적된 입자상물질의 비저항 및 단면적이며, L0, V0은 PM센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피이다.
이로부터 저항의 역수인 전기전도도σ = V0/ρC L0 2이며, V0 =v0t 를 적용하면, 전기전도도σ = (v0/ρC L0 2)t이다. 즉, 전기전도도는 시간에 대해 기울기 m3 = (v0/ρS L0 2)인 1차식이다.
한편, 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양 v0는 배기가스 중의 입자상물질의 양(VPM)과 비례관계에 있다. 이로부터 v0 = αVPM로 표현될 수 있으며, VPM = (ρC L0 2/α)m3이다.
한편, 제1단계에서 m1 = -(ρSv0/AS l2) 와 m3 = (v0/ρC L0 2)로부터, l2 = -(ρSv0/AS) m3/m1 으로부터 입자상물질의 크기도 알 수있다.
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 있으며, 제3단계에서는 입자상물질이 퇴적되면서 시간에 따라 전기전도도가 선형적으로 증가되는 특징이 있다. 즉, 제1단계의 기울기 m1은 음의 값을 제3단계의 기울기 m3은 양의 값을 갖는다.
단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양(v0)은 단위 배기가스 중의 입자상 물질의 양(VPM)과 비례관계에 있으므로(v0 = α·VPM), 제3단계에서 측정한 전기전도도의 기울기(m3 = v0 /(ρCL0 2))로부터 단위 배기가스 중의 입자상 물질의 양 VPM= (ρC L0 2/α) m3 를 산출할 수 있다. 또한 제1단계에서 측정한 저항의 기울기 m1=-ρS v0/(AS l2) 으로부터 입자상 물질의 직경(l) l2 = -(ρSρC L0 2/AS) m3 /m1 을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 PM센싱전극의 길이(Lo) 및 PM 입자크기(l)를 도시한 것이다.
도 6는 본 발명에 따른 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질에 대한 보정을 할 수 있는 PM센싱전극과 외부전극의 형상으로, 앞서 도 2는 반도성 기판을 PM센싱전극으로 사용한 것에 비해, 도 6에서는 PM센싱전극으로 반도성 기판를 사용하는 외부전극과 별도로 상기 반도성 기판 상에 부도체 코팅을 한 온도보정용 외부전극을 PM센싱전극으로부터 일정거리 이격되어 별도로 마련한다. 즉, 반도성 기판을 사용하는 PM센싱전극은 앞서 도 2 내지 도 5에서 설명된 바와 같으며, 이는 온도보상이 없는 측정값(R1)을 산출한다. 반면에, 온도보정용 센싱전극은 외부전극의 사이에 위치하며, PM센싱전극으로 반도성 기판과 동일한 소재이나 그 위에 부도체 코팅이 되며, 온도보상을 하기 위한 저항값(R2)를 측정한다. 온도보정에 의한 저항값 차이 ΔR = R1 - R2 또는 γ = R1/R2 로 나타낼 수 있다.
R1 = Ro + ΔR T + ΔR PM 이고, R2 = Ro + ΔR T 이다. Ro은 온도 변화 및 입자상 물질이 퇴적되기 이전의 저항을 의미하며, ΔR T 는 온도 변화에 의한 저항변화를, ΔR PM 는 입자상물질 퇴적에 의한 저항변화로서, 반도성 기판의 저항값과 입자상물질 퇴적에 의한 저항값의 차이에 비례하는데 입자상물질의 저항값은 PM센싱전극 기판의 저항값에 비해 무시 할 수 있으므로 PM센싱전극의 저항값과 같다고 볼 수 있고, 퇴적된 입자상 물질의 양에 비례하는 값을 가진다. 따라서 ΔRPM = βR2M PM 으로 나타낼 수 있다. 여기서 M PM 은 입자상물질의 질량이다.
이로부터 보정식 ΔR= R2 - R1 = ΔR PM 또는 γ = R1/R2= 1+βM PM 를 얻을 수 있다. ΔR을 이용해 온도보정을 하는 것은 구현이 간단하지만 ΔRPM = βR2M PM 에서 볼 수 있듯이 온도의존성이 있을 수 있으므로 온도변화가 크지 않은 구간에서 적용할 수 있다. γ를 이용해 온도보정을 하는 것은 구현이 복잡하지만 완전한 온도보정을 할 수 있다.
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.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. . First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if they are output on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
Hereinafter, the exhaust gas particulate matter sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is a view for explaining the structure of the particulate matter sensor in the conventional exhaust gas, Figure 2 is a view for explaining the structure of the particulate matter sensor in the exhaust gas according to the present invention.
Referring to FIGS. 1 and 2, the conventional particulate matter sensor is formed of a pair of interdigital electrodes (IDEs) having a patterned electrode spaced a predetermined distance apart on a ceramic substrate. Therefore, the principle of measuring the change in resistance as the particulate matter is deposited between the electrodes, there is a disadvantage that it is affected by the metal particles in the exhaust gas. That is, the exhaust gas may include fine metal particles contained in lubricating oil, etc., when the metal particles are energized by the electrode, the electrical conductivity rapidly increases, and has a fatal effect on the function of the particulate matter sensor measuring the change in resistance value.
FIG. 1 shows a PM sensing electrode having a specific resistance between the external electrodes as well as an external electrode and larger than that of a particulate matter (that is, having low electrical conductivity) so that the external electrodes are connected to each other. Can reduce the effects of That is, the resistivity of the PM sensing electrode and the temperature compensation sensing electrode is larger than the particulate matter, and the resistivity of the particulate matter is greater than that of the external electrode.
That is, as the particulate matter is deposited on the PM sensing electrode, the current flowing through the PM sensing electrode flows through the particulate matter having a lower specific resistance (that is, the electrical conductivity is relatively higher than that of the PM sensing electrode), thereby reducing the overall resistance. By measuring this change in resistance, the amount of particulate matter deposited can be measured.
On the other hand, when the fine metal particles contained in the lubricating oil and the like are deposited on the PM sensing electrode instead of the particulate matter caused by the combustion of the fuel, the metal particles, the PM sensing electrode, and the particulate matter act as resistances connected in parallel with each other. Since silver is mainly dependent on the PM sensing electrode and the deposited particulate matter having a relatively high resistivity, rather than the metal particles having a low resistivity, the resistance change caused by the deposited metal particles is extremely small.
3 shows a stage in which PM is deposited on a particulate matter sensor in exhaust gas according to the present invention. The initial stage is a state in which no particulate matter is deposited on the PM sensing electrode positioned between the external electrodes. When the deposition of particulate matter begins, the first stage (stage 1) and if the deposition to some extent proceeds to the second stage (stage 2) to reach a third stage (stage 3) where the particulate matter is sufficiently deposited.
The change in the overall resistance after the deposition of particulate matter starts is related not only to the amount of particulate matter deposited on the PM sensing electrode, but also to the particle size of the particulate matter, which can be expressed as ~ V 0 / l n .
Vo is the total amount of particulate matter deposited on the PM sensing electrode in the third step (hereinafter, the total amount means volume), l is the diameter of the deposited particulate matter, n is the PM deposited as a constant according to the shape of the particulate matter. When the particle shape is one-dimensional, it is 0, when it is two-dimensional, and when it is three-dimensional, it becomes 2. In the following, n is assumed to be 2, and the formula can be derived in other cases. The change in the overall resistance of the third stage in which the particulate matter is sufficiently deposited is related only to the total amount of particulate matter deposit. Therefore, the total deposition amount Vo of the particulate matter can be measured from the resistance value of the third step, and the number of particulate matters can be estimated by canceling Vo from the resistance value of the first step. If more than a certain amount of particulate matter has been deposited past the third stage, continuous monitoring can be performed through the regeneration stage.
The formula is as follows.
The resistance (R) in the PM sensing electrode located between the external electrodes is represented by 1 / R = 1 / R S + 1 / R C as the resistance R S by the sensing substrate and the resistance R C by the particulate matter. .
The total resistance (R) in the first stage is R = ρ S / A S (L 0 V 0 / l 2 ) = ρ S L 0 / A S -ρ S V 0 / A S l 2 , where ρ S , A S , L 0 , V 0 , l are the specific resistance of the PM sensing electrode, the cross-sectional area of the PM sensing electrode, the length of the PM sensing electrode, the total volume of deposited magnetic particles, and the diameter of the deposited particulate material.
At this time, ρ S L 0 / A S is R 0 , -ρ S V 0 /
Where V 0 is V 0 = v 0 t. V 0 is the total amount of particulate matter deposited on the PM sensing electrode, v 0 is the amount of particulate matter deposited per unit time, and t is time.
Therefore, R = ρ S / A S (L 0 V 0 / l 2 ) = ρ S L 0 / A S -ρ S V 0 / A S l 2 = ρ S L 0 / A S- (ρ S v 0 / A S l 2 ) t, which increases linearly over time t, and its slope m1 is 1 with-(ρ S v 0 / A S l 2 ) It is tea.
The total resistance R in the third step depends on the resistance R C caused by particulate matter.
That is, R to R C = ρ C L 0 / A C = ρ C L 0 2 / V 0 . ρ C and A C are the specific resistivity and cross-sectional area of the deposited particulate matter, and L 0 and V 0 are the length of the PM sensing electrode and the total volume of deposited particles.
From this, the electrical conductivity σ = V 0 / ρ C L 0 2, which is the inverse of the resistance, and when V 0 = v 0 t is applied, electrical conductivity σ = (v 0 / ρ C L 0 2 ) t. That is, the electrical conductivity is a linear equation with a slope m3 = (v 0 / ρ S L 0 2 ) with respect to time.
On the other hand, the amount of particulate matter v 0 deposited per unit time is proportional to the amount of particulate matter V PM in the exhaust gas. From this it can be expressed as v 0 = αV PM , V PM = (ρ C L 0 2 / α) m3.
Meanwhile, in the first step, from m1 =-(ρ S v 0 / A S l 2 ) and m3 = (v 0 / ρ C L 0 2 ), l 2 =-(ρ S v 0 / A S ) m3 / The size of particulate matter can also be seen from m1.
On the other hand, Figure 4 is a graph of the resistivity and electrical conductivity change for each stage (PM) of the PM is deposited, the characteristics of the first and third steps are shown in FIG. That is, in the first step, the specific resistance decreases linearly with time as the particulate matter is deposited, and in the third step, the electrical conductivity linearly increases with time as the particulate matter is deposited. That is, the slope m1 of the first stage has a negative value and the slope m3 of the third stage has a positive value.
Since the amount of particulate matter deposited per unit time (v 0 ) is proportional to the amount of particulate matter (V PM ) in the unit exhaust gas (v 0 = α · V PM ), the slope of the electrical conductivity measured in the third step The amount V PM = (ρ C L 0 2 / α) m 3 of the particulate matter in the unit exhaust gas can be calculated from (m 3 = v 0 / (ρ C L 0 2 )). In addition, the diameter of the particulate matter (l) l 2 =-(ρ S ρ C L 0 2 / A S ) m from the slope of the resistance measured in the first step m 1 = -ρ S v 0 / (A S l 2 ) 3 / m 1 can be calculated.
Figure 5 shows the length (Lo) and PM particle size (l) of the PM sensing electrode according to the present invention.
FIG. 6 is a shape of a PM sensing electrode and an external electrode capable of correcting a temperature and a particulate matter deposited in the PM sensor according to the present invention. FIG. 2 is a view illustrating the use of a semiconductive substrate as a PM sensing electrode. In FIG. 6, a temperature compensation external electrode coated with a non-conductive coating on the semiconductor substrate is separately provided from the PM sensing electrode at a predetermined distance apart from the external electrode using the semiconductor substrate as the PM sensing electrode. That is, the PM sensing electrode using the semiconductive substrate is as described above with reference to FIGS. 2 to 5, which yields the measured value R1 without temperature compensation. On the other hand, the temperature compensation sensing electrode is located between the external electrodes, the same material as the semiconductor substrate or a non-conductive coating thereon as a PM sensing electrode, and measures the resistance value (R2) for temperature compensation. The difference in resistance value due to temperature compensation can be represented by ΔR = R1-R2 or γ = R1 / R2.
R1 = Ro + ΔR T + ΔR PM and R2 = Ro + ΔR T. Ro means temperature change and resistance before particulate matter is deposited, ΔR T is resistance change due to temperature change, and ΔR PM is resistance change due to particulate matter deposition. It is proportional to the difference of the resistance value, but the resistance value of the particulate matter is negligible compared with the resistance value of the PM sensing electrode substrate. Has Therefore, ΔR PM = βR2M PM . Where M PM is the mass of the particulate matter.
From this, a correction formula ΔR = R2−R1 = ΔR PM or γ = R1 / R2 = 1 + βM PM can be obtained. The temperature correction using ΔR is simple to implement, but as can be seen in ΔR PM = βR2M PM , it can be applied in a section where the temperature change is not large because there may be temperature dependency. Temperature compensation with γ is complex, but it can be fully temperature compensated.
Although a preferred embodiment according to the present invention has been described above, it can be modified in various forms, and those skilled in the art can make various modifications and modifications without departing from the claims of the present invention. It is understood that it may be practiced.
Claims (8)
서로 일정거리 이격된 외부전극 사이에 형성된 반도성 기판으로된 PM 센싱전극;
상기 PM 센싱전극으로부터 일정거리 이격된 위치에 있는 온도보정용 센싱전극;
상기 온도보정용 센싱전극은 상기 반도성 기판으로된 PM센싱전극과 동일한 소재이되, 상기 온도보정용 센싱전극에는 부도체코팅이 되어있으며,
상기 PM 센싱전극으로부터 측정된 R1저항값과 상기 온도보정용 센싱전극으로부터 측정된 R2저항값의 저항비(R1/R2)에 의해 온도보정을 하되, 상기 저항비(R1/R2)는 상기 PM센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 질량에 선형적으로 비례하는 것을 특징으로 하는 온도보정이 되는 PM 센서.In the PM sensor for detecting particulate matter (PM) is installed in the exhaust line through which the vehicle exhaust gas passes,
A PM sensing electrode made of a semiconductive substrate formed between the external electrodes spaced apart from each other by a predetermined distance;
A temperature compensation sensing electrode at a position spaced a predetermined distance from the PM sensing electrode;
The temperature compensating sensing electrode is made of the same material as the PM sensing electrode made of the semiconductor substrate, and the temperature compensating sensing electrode has an insulator coating.
The temperature correction is performed by the resistance ratio R1 / R2 of the R1 resistance value measured from the PM sensing electrode and the R2 resistance value measured from the temperature compensation sensing electrode, and the resistance ratio R1 / R2 is the PM sensing electrode. PM sensor with temperature compensation, characterized in that linearly proportional to the mass of particulate matter deposited on the substrate.
서로 일정거리 이격된 외부전극 사이에 형성된 반도성 기판으로된 PM 센싱전극;
상기 PM 센싱전극으로부터 일정거리 이격된 위치에 있는 온도보정용 센싱전극;
상기 온도보정용 센싱전극은 상기 반도성 기판으로된 PM센싱전극과 동일한 소재이되, 상기 온도보정용 센싱전극에는 부도체코팅이 되어있으며,
상기 PM 센싱전극으로부터 측정된 R1저항값과 상기 온도보정용 센싱전극으로부터 측정된 R2저항값의 저항차(R1과 R2의 차이)에 의해 온도보정을 하되, 상기 저항차는 상기 PM센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 질량에 선형적으로 비례하는 것을 특징으로 하는 온도보정이 되는 PM 센서.In the PM sensor for detecting particulate matter (PM) is installed in the exhaust line through which the vehicle exhaust gas passes,
A PM sensing electrode made of a semiconductive substrate formed between the external electrodes spaced apart from each other by a predetermined distance;
A temperature compensation sensing electrode at a position spaced a predetermined distance from the PM sensing electrode;
The temperature compensating sensing electrode is made of the same material as the PM sensing electrode made of the semiconductor substrate, and the temperature compensating sensing electrode has an insulator coating.
Temperature compensation is performed by a resistance difference (difference between R1 and R2) between the R1 resistance value measured from the PM sensing electrode and the R2 resistance value measured from the temperature compensation sensing electrode, wherein the resistance difference is a particulate form deposited on the PM sensing electrode. PM sensor with temperature compensation, characterized in that linearly proportional to the mass of the material.
비저항의 크기는 상기 PM 센싱전극 및 온도보정용 센싱전극 > 입자상물질 > 외부전극의 순서인 것을 특징으로 하는 온도보정이 되는 PM 센서.The method according to claim 1 or 2,
The specific resistance of the PM sensor is temperature correction, characterized in that the order of the PM sensing electrode and the temperature correction sensing electrode> particulate matter> external electrode.
시간이 경과됨에 따라, 상기 PM 센싱전극에 퇴적된 입자상물질에 의해 변화된 저항값 또는 전기전도도를 3개의 단계별로 구분하되, 제1단계에서는 시간에 따른 저항값의 기울기(m1), 제3단계에서는 시간에 따른 전기전도도의 기울기(m3)에 의해 상기 저항값 또는 전기전도도가 연속적인 동시에 선형적인 것을 특징으로 하는 온도보정이 되는 PM 센서.The method of claim 3,
As time passes, the resistance value or electrical conductivity changed by the particulate matter deposited on the PM sensing electrode is divided into three stages. In the first step, the slope of the resistance value (m1) according to time, and in the third step, PM sensor having a temperature compensation, characterized in that the resistance value or the electrical conductivity is continuous and linear by the slope (m3) of the electrical conductivity over time.
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- 2017-12-22 KR KR1020170178320A patent/KR102015803B1/en not_active Expired - Fee Related
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20181204 Patent event code: PE09021S01D |
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