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KR102340459B1 - 입자 센서의 작동 방법 - Google Patents

입자 센서의 작동 방법 Download PDF

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KR102340459B1
KR102340459B1 KR1020167035327A KR20167035327A KR102340459B1 KR 102340459 B1 KR102340459 B1 KR 102340459B1 KR 1020167035327 A KR1020167035327 A KR 1020167035327A KR 20167035327 A KR20167035327 A KR 20167035327A KR 102340459 B1 KR102340459 B1 KR 102340459B1
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안디 티펜바흐
미하엘 베센
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

센서 소자(10)를 이용해서 연소장치 또는 내연기관의 배기가스 내 수트(soot)를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 센서 소자는 배기가스에 노출되는 적어도 2개의 측정 전극(14, 16)과 가열 소자(40)를 포함하고, 측정 단계 동안 적어도 2개의 측정 전극(14, 16)에 전압(UIDE)이 인가되고, 측정 전극들(14, 16) 사이에 나타나는 전류 흐름(IIDE) 또는 전기 저항이 결정되고, 입자 농도 또는 입자 질량 유량의 척도로서 출력되는 방법에 있어서, 측정 단계 동안 센서 소자(10)의 온도(T)가 모니터링되고, 센서 소자(10)의 온도(T)가 한계 온도(TG)에 미달되면, 가열 소자(40)에 의해 센서 소자(10)의 가열이 실행되는 것을 특징으로 한다.

Description

입자 센서의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A PARTICLE SENSOR}
본 발명은 입자 센서의 작동 방법에 관한 것이다.
자동차에 사용되는 실제 배기가스 후처리 시스템의 기능을 검사 또는 모니터링하기 위해, 연소 배기가스 내에 존재하는 입자 농도의 정확한 결정을 가능하게 할 수 있는 센서들이 필요하다. 또한 이러한 센서들에 의해, 배기가스 시스템 내에 제공된 디젤 입자 필터의 부하 예측이 가능해져서, 높은 시스템 안전성이 달성되고, 이로써 저렴한 여과재들이 사용될 수 있어야 한다.
DE 10 2006 009 066호에는 세라믹 다층 기판을 기반으로 구현된, 유체 흐름 내 입자들을 검출하기 위한 센서가 개시되어 있다. 상기 센서는 서로 이격 배치된 2개의 측정 전극을 포함하고, 상기 측정 전극들은 조사할 연소 배기가스에 노출된다. 2개의 측정 전극 사이에 수트(soot)가 침적되면, 측정 전극에 직류 전압의 인가 시 측정 전극들 사이에 전류 흐름이 발생한다. 층 형태로 구현된 가열 소자는, 열에 의한 방법으로, 연소에 의해 전극 또는 전극 주변부터 침적된 수트를 제거함으로써 센서를 재생하는 것을 가능하게 한다.
재생이 이루어진 후에 다음 측정 단계가 제공되고, 상기 측정 단계에서 다시 측정 전극들 사이에 수트가 침적된다.
측정 단계 동안 센서 소자의 온도가 한계 온도, 예를 들어 100℃에 미달하면, 센서 소자에 수증기의 응결이 이루어질 수 있다. 측정 전극에 그리고 측정 전극들 사이에 달라붙는 응축물은 진행 중인 측정을 일반적으로 불필요하게 만들고, 따라서 이러한 측정 단계는 중단되어야 한다. 먼저 센서 소자의 재생이 이루어져야 하고, 이로써 상기 센서 소자는 다시 원래 상태로 되돌아간다. 그 후에야 새로운 측정 단계가 시작될 수 있다.
이로 인해 입자 센서 신호의 시간 비례적 가용성이 떨어진다.
본 발명의 과제는 측정 단계가 중단되지 않는, 입자 센서의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 입자 센서의 작동 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 특징들에 의해, 측정 단계가 중단되지 않고, 지속될 수 있는 효과가 달성된다.
본 발명에 따라, 측정 단계 동안 센서 소자의 온도가 모니터링되고, 센서 소자의 온도가 한계 온도에 미달되면, 가열 소자에 의해 센서 소자의 가열이 실행된다.
이 경우 한계 온도는 바람직하게 수트의 연소 온도보다 낮은 온도이다. 한계 온도는 예를 들어 50℃ 내지 200℃일 수 있다. 바람직하게는 한계 온도는 80℃ 내지 150℃이다.
측정 단계 동안 가열 소자에 의한 센서 소자의 가열은 낮은 가열 출력으로만, 예를 들어 최대 2 W 또는 예를 들어 가열 소자의 최대 가열 출력 또는 센서 소자의 작동 시 최대로 발생하는 가열 소자의 가열 출력의 10%만으로 이루어지는 것이 바람직하다.
가열 소자에 의한 센서 소자의 가열 동안 한계 온도는 최대한 약간, 특히 최대 50 K만큼 초과되는 것이 바람직하다.
바람직하게 센서 소자의 온도의 모니터링은 온도 측정 소자에 의해 이루어질 수 있고, 상기 온도 측정 소자는 센서 소자에 통합된다.
전술한 측정 단계들은 선택적으로 제공되는 재생 단계와 다르며, 상기 재생 단계에서 센서 소자는 가열 소자에 의해, 수트의 연소 온도보다 높으며 따라서 또한 한계 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 상기 온도는 예를 들어 600℃ 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 자동차의 하이브리드 구동장치의 부분인 내연기관과 관련해서 특히 바람직하거나 또는 스타트-스탑 시스템과 조합하여 작동되는데, 그 이유는 이 경우 센서 소자의 임계적 냉각이 이루어질 수 있는 배기가스 내 상태들이 매우 빈번하게 발생하기 때문이다.
하이브리드 구동장치란 이 경우 특히 자동차의 구동을 위한 내연기관을 포함하고 또한 자동차를 내연기관과 별도로 구동할 수 있는 전기 모터를 포함하는 구동 장치이다. 스타트-스탑 시스템이란, 내연기관 또는 자동차의 특정한 작동 조건에서, 예를 들어 내연기관의 공회전 및/또는 자동차의 정지 상태에서, 엔진 정지가 자동으로 실행되는, 자동차용 내연기관식 구동장치이다. 특히 엔진 스탑 후 엔진 스타트는 조작자의 입장에서 간단하게, 예를 들어 페달 가압 등에 의해 트리거될 수 있다.
이러한 시스템의 특징은, 상응하는 제어에 의해 내연기관의 작동이 자주 중단되는 것이다. 이 경우, 내연기관의 작동 중단 단계에서 고온 배기가스가 생성되지 않고 이로써 배기가스 시스템 내에 배치된 센서 소자가 한계 온도 미만으로 냉각될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 센서 소자의 냉각은, 진행 중인 측정 단계들이 중단되지 않아도 될 정도로 항상 방지된다.
본 발명의 대상은 또한 방법의 각각의 단계를 실시하도록 설계된 컴퓨터프로그램, 상기 컴퓨터프로그램이 저장된 전자 저장 매체, 및 이러한 전자 저장 매체를 포함하는 전자 제어 장치이다.
도 1은 선행기술에 따른 센서 소자를 도시한 도면.
도 2는 센서 소자의 예시적인 회로를 도시한 블록 회로도.
도 3은 비임계적 상황에서 본 발명에 따른 방법의 시퀀스를 도시한 도면.
도 4는 한계 온도 미만으로 센서 소자의 냉각 시 본 발명에 따른 방법의 시퀀스를 도시한 도면.
도 1에는 입자 센서의 센서 소자의 선행기술에 기본적으로 공개된 구성이 도시된다. 도면부호 10으로 세라믹 센서 소자가 표시되고, 상기 센서 소자는 센서 소자(10)를 둘러싸는 가스 혼합물 내의 예를 들어 수트(soot) 입자와 같은 입자의 결정을 위해 사용된다. 센서 소자(10)는 예를 들어 산소 이온 전도성의 다수의 고체 전해질층(11a, 11b, 11c 및 11d)을 포함한다. 고체 전해질층(11a 및 11d)은 세라믹 막으로서 구현되고, 평면의 세라믹 바디를 형성한다. 상기 고체 전해질층들은 바람직하게 산소 이온 전도성 고체 전해질 재료, 예를 들어 Y2O3로 안정화되거나 부분 안정화된 ZrO2로 이루어진다.
고체 전해질층(11b 및 11c)은 그와 달리 예를 들어 고체 전해질층(11a) 상에 페이스트 세라믹 재료의 실크스크린 프린팅에 의해 형성된다. 페이스트 재료의 세라믹 성분으로서, 바람직하게는 고체 전해질층(11a, 11d)의 재료와 동일한 고체 전해질 재료가 사용된다.
또한 센서 소자(10)는 예를 들어 다수의 전기 절연 세라믹 층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h 및 12i)을 포함한다. 층들(12a-12i)은 이 경우 또한 고체 전해질층(11a, 11c, 11d) 상에 페이스트 세라믹 재료의 실크스크린 프린팅에 의해 형성된다. 페이스트 재료의 세라믹 성분으로서 예를 들어 바륨 함유 산화알루미늄이 사용되는데, 그 이유는 상기 산화알루미늄이 긴 시간 범위에 걸쳐 온도 변동 부하 시에도 거의 일정하게 높은 전기 저항을 갖기 때문이다. 대안으로서 또한 이산화세륨의 사용 또는 다른 알칼리토금속 산화물의 첨가도 가능하다.
센서 소자(10)의 평면 세라믹 바디의 통합된 형태는 공개된 방식으로 고체 전해질층(11b, 11c)과 작용층들 및 층들(12a-12i)과 함께 프린트된 세라믹 막을 함께 적층함으로써 그리고 후속해서 적층된 구조를 소결함으로써 제조된다.
센서 소자(10)는 또한 세라믹 가열 소자(40)를 포함하고, 상기 가열 소자(40)는 전기 저항 트랙의 형태로 구현되며, 특히 결정할 가스 혼합물의 온도로 센서 소자(10)를 가열하기 위해 또는 센서 소자(10)의 넓은 면에 침적된 수트 입자를 연소하기 위해 사용된다. 저항 트랙은 바람직하게 서멧(cermet) 물질로 구현되고, 즉 바람직하게는 백금 또는 백금 금속과 세라믹 성분들, 예를 들어 산화알루미늄의 혼합물으로서 구현된다. 저항 트랙은 또한 바람직하게 구불구불한 형태로 형성되고, 2개의 단부에 관통 접속부(42, 44) 및 전기 콘택(46, 48)을 갖는다. 저항 트랙의 콘택(46, 48)에 적절한 가열 전압(UH)의 인가에 의해, 가열 소자(40)의 가열 출력은 상응하게 조절될 수 있다.
센서 소자(10)의 넓은 면에 예를 들어 2개의 측정 전극이 제공되고, 상기 측정 전극들은 바람직하게 서로 맞물리는 인터디지털 전극으로서 형성되고 측정 소자를 형성한다. 측정 전극으로서 인터디지털 전극의 사용은 바람직하게 측정 전극들 사이에 위치한 표면 물질의 전기 저항 또는 전기 전도성의 특히 정확한 결정을 가능하게 한다. 측정 전극들의 콘택팅을 위해 가스 혼합물과 떨어져 있는 센서 소자의 단부의 영역에 콘택들(18, 20)이 제공된다. 이 경우 전극들의 공급 라인 영역은 바람직하게 전기 절연층들(12a, 12b)에 의해, 센서 소자(10)를 둘러싸는 가스 혼합물의 영향에 대해 차폐된다.
측정 전극들이 제공된 센서 소자(10)의 넓은 면에, 명료함을 위해 도시되지 않은 다공성 커버층 또는 보호층이 추가로 제공될 수 있고, 상기 층은 측정 전극들의 서로 맞물리는 영역에서 상기 측정 전극들을 결정할 가스 혼합물과의 직접적인 접촉에 대해 차폐한다. 이 경우 다공성 보호층의 층 두께는 바람직하게 측정 전극들의 층 두께보다 크다. 다공성 보호층은 바람직하게 개방 다공으로 구현되고, 이 경우 다공 크기는, 가스 혼합물 내 측정할 입자들이 다공성 보호층의 다공 내로 내방 확산할 수 있도록 선택된다. 다공성 보호층의 다공 크기는 이 경우 바람직하게 2 내지 10 ㎛이다. 다공성 보호층은 세라믹 재료로 구현되고, 상기 세라믹 재료는 바람직하게 층(12a)의 재료와 유사하거나 상기 재료에 상응하고, 실크스크린 프린팅에 의해 제조될 수 있다. 다공성 보호층의 다공도는 실크스크린 프린팅 페이스트에 다공 형성제의 첨가에 의해 적절하게 조절될 수 있다.
센서 소자(10)의 작동 중에 측정 전극들에 전압(UIDE)이 인가된다. 측정 전극들은 전기 절연층(12c)의 표면에 배치되기 때문에, 먼저 실질적으로 측정 전극들 사이에서 전류 흐름이 이루어지지 않는다.
센서 소자(10)의 주위로 흐르는 가스 혼합물이 입자, 특히 수트를 포함하면, 상기 입자는 센서 소자(10)의 표면 상에 침적된다. 수트는 일정한 전기 전도성을 갖기 때문에, 센서 소자(10) 또는 다공성 보호층의 표면에 수트가 충분히 침적되면 측정 전극들 사이의 전류 흐름(IIDE)이 증가하고, 상기 전류 흐름은 침적의 정도와 상관된다.
측정 전극들에 직류 전압(UIDE)이 인가되고 측정 전극들 사이에 발생하는 전류 흐름이 검출되면, 전류 흐름으로부터 침적된 입자 질량 또는 현재 입자 질량 유량, 특히 수트 입자 질량 유량, 및 가스 혼합물 내 입자 농도가 추론될 수 있다. 이러한 측정 방법에 의해 측정 전극들 사이에 있는 세라믹 재료의 전기 전도성에 긍정적 또는 부정적으로 영향을 미치는 가스 혼합물 내 모든 입자의 농도가 검출된다.
다른 가능성은, 시간에 따른 전류 흐름의 증가를 검출하고, 전류 흐름 증가와 시간의 몫(quotient)으로부터 또는 시간에 따른 전류 흐름의 미분 계수로부터 침적된 입자 질량 또는 현재 입자 질량 유량, 특히 수트 질량 유량, 및 가스 혼합물 내 입자 농도를 추론하는 것이다. 가스 혼합물의 유동 속도가 공개된 경우, 입자 농도의 계산은 측정값들에 기초해서 가능하다. 가스 혼합물의 상기 유동 속도 또는 체적 유량은 예를 들어 적절한 다른 센서에 의해 결정될 수 있다.
또한 센서 소자(10)는 온도 측정 소자(30)를 포함하고, 상기 온도 측정 소자(30)는 바람직하게 전기 저항 트랙의 형태로 구현된다. 저항 트랙은 예를 들어 가열 소자(40)의 저항 트랙과 유사한 또는 동일한 재료로 구현된다. 온도 측정 소자(30)의 저항 트랙은 바람직하게 구불구불한 형태로 구현되고, 이 경우 저항 트랙의 접속부들 중 하나의 접속부는 바람직하게 관통 접속부(45)을 통해 콘택(48)에 연결된다. 온도 측정 소자(30)의 다른 전기 접속부는 바람직하게 다른 관통 접속부(19)를 통해 콘택들(18, 20) 중 하나의 콘택에 도전 접속된다. 저항 트랙의 접속부들(20, 48)에 적절한 전압의 인가에 의해 그리고 상기 저항 트랙의 전기 저항(RT)의 결정에 의해, 센서 소자(10)의 온도가 추론될 수 있다. 대안으로서 온도 결정은 열전 소자들에 의해 가능하다. 온도 측정의 다른 대안적 또는 추가의 가능성은, 온도 측정 소자(30)의 저항 트랙과 측정 전극들 사이에 배치된 세라믹 바디의 온도 의존적인 전도성 자체를 결정하고 상기 세라믹 바디의 높이로부터 센서 소자의 온도를 추론하는 것이다.
도 2는 센서 소자(10)를 위한 가능한 회로(110)를 블록 회로도로 도시한다. 회로(110)는 예를 들어 입자 센서의 플러그에 통합될 수 있다.
따라서 온도 측정 소자(30)는 회로(110)의 온도 측정 유닛(130)에 연결되고, 접지 전위와 5 V의 공급 전압 사이에 접속된다. 온도 측정 소자(30)의 전기 저항에 따라 결과되는 전류 흐름으로부터 센서 소자(10)의 온도가 추론될 수 있다.
가열 소자(40)는 회로(110)의 가열 유닛(140)에 연결되고, 접지 전위와 12 V의 배터리 전압 사이에 접속된다. 가열 소자(40)에 의해 형성된 유효 가열 출력은 예를 들어 펄스폭 변조에 의해 조절될 수 있다.
측정 전극들(14, 16) 사이에 예를 들어 46 V의 측정 전압(UIDE)이 인가된다. 측정 전극들(14, 16) 사이의 전기 저항에 따라 결과되는 전류 흐름으로부터 측정 전극들(14, 16) 사이의 영역 내 입자 침적이 추론될 수 있다.
회로의 부분은 또한 예를 들어 CAN-인터페이스로서 형성된, 엔진 제어 장치와 통신을 위한 통신 유닛(160)이다.
도 3은 예를 들어 센서 소자(10)에 계속해서 고온 배기가스가 공급되는 상황에 해당하는 비임계적 상황에서 본 발명에 따른 방법의 시퀀스를 도시한다.
도 3의 상부에 예를 들어 온도 측정 유닛(130)에 의해 검출될 수 있는, 센서 소자(10)의 온도(T)가 도시된다. 도 3의 중앙에 가열 소자(40)에 인가되는 전압(UH)의 유효값이 도시된다. 도 3의 하부에 측정 전압(UIDE)이 도시된다.
제 1 재생 단계 동안, t0 내지 t1의 시간 범위에, 측정 전극들(14, 16) 사이에 인가되는 측정 전압(UIDE)은 0 V이고, 가열 소자(40)에 인가되는 전압(UH)의 유효값은 높은, 특히 최대 값, 예를 들어 12 V를 갖고, 따라서 센서 소자(10)의 온도(T)도 높으며, 예를 들어 600℃이다.
시점 t1에 제 1 재생 단계가 종료하고, 제 1 측정 단계가 후속한다. 이를 위해 측정 전극들(14, 16) 사이에 46 V의 측정 전압(UIDE)이 인가되고, 가열 소자(40)는 비활성화된다(0 V).
비활성화된 가열에 따라 센서 소자(10)의 온도(T)는 감소하지만, 시점 t2에 측정 단계의 종료까지 한계 온도(TG) 이상에서, 즉 비임계 범위에서 유지된다. 측정 단계 동안 가열 소자(40)의 활성화는 이러한 예에 관한 한 불필요하다.
도 4는 센서 소자(10)의 냉각의 위험이 있는 상황에서 본 발명에 따른 방법의 시퀀스를 도시한다. 이는 예를 들어 하이브리드 자동차에서 전기 주행 작동 중에 스타트-스탑 시스템에서 스탑 단계의 경우이다.
도 3에 도시된 시퀀스와 달리, 제 1 측정 단계 동안 시점 t3에 센서 소자(10)의 온도(T)는 예를 들어 100℃인 한계 온도(TG)에 도달하거나 또는 미달된다. 이러한 냉각에 반응하여 가열 소자(40)는 센서 소자(10)의 온도(T)가 약간, 예를 들어 120℃로 상승하고 나머지 제 1 측정 단계 동안 상기 값에서 유지되는 한 활성화된다. 가열 전압(UH)의 유효값은 이 경우 예를 들어 2.5 V이다.
10 센서 소자
14 측정 전극
16 측정 전극
30 온도 측정 소자
40 가열 소자

Claims (11)

  1. 센서 소자(10)를 이용해서 연소장치 또는 내연기관의 배기가스 내 수트(soot)를 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 센서 소자(10)는 배기가스에 노출되는 적어도 2개의 측정 전극(14, 16)과 가열 소자(40)를 포함하고, 측정 단계 동안 상기 적어도 2개의 측정 전극(14, 16)에 전압(UIDE)이 인가되고, 상기 측정 전극들(14, 16) 사이에 나타나는 전류 흐름(IIDE) 또는 전기 저항이 결정되고, 입자 농도 또는 입자 질량 유량의 척도로서 출력되고,
    측정 단계 동안 상기 센서 소자(10)의 온도(T)가 모니터링되고, 상기 센서 소자(10)의 온도(T)가 한계 온도(TG)에 미달되면, 상기 가열 소자(40)에 의해 상기 센서 소자(10)의 가열이 실행되고,
    상기 내연기관이 자동차의 하이브리드 구동장치의 일부인 것, 및 상기 내연기관이 스타트-스탑 시스템을 구비한 자동차의 일부인 것 중 적어도 하나이고,
    상기 한계 온도(TG)는 50 ℃ 내지 200℃ 범위의 일정한 온도이고,
    상기 자동차가 상기 내연기관의 비활성화 상태에서 전기적으로 구동되는 동안 및 스탑 단계 동안 중 적어도 하나인 경우에, 상기 온도가 상기 한계 온도(TG)에 미달되면, 상기 가열이 또한 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 소자(40)에 의한 상기 센서 소자(10)의 가열 시 상기 한계 온도(TG)는 최대로 50 K만큼 초과되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 소자(10)는 온도 측정 소자(30)를 포함하고, 상기 센서 소자(10)의 온도의 모니터링은 상기 온도 측정 소자(30)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 재생 단계가 제공되고, 상기 재생 단계에서 상기 센서 소자(10)는 상기 가열 소자(40)에 의해 수트의 연소 온도보다 높은 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관은 배기가스 시스템을 포함하고, 상기 배기가스 시스템 내에 상기 센서 소자(10)가 배치되고, 상기 배기가스 시스템은 적어도 일시적으로 한계 온도(TG)보다 낮은 온도를 가진 배기가스에 의해 관류되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 따른 방법의 각각의 단계를 실시하도록 설계된 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램.
  10. 제 9 항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된 전자 저장 매체.
  11. 제 10 항에 따른 전자 저장 매체를 포함하는 전자 제어 장치.
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