KR100754535B1 - 질소산화물의 농도를 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

2개의 측정 셀을 갖춘 후막 측정 센서(24)는 내연 기관(20)으로부터의 배출 가스 내의 NOx 농도를 측정하는데 이용된다. 배출 가스의 1/λ값은 예컨대 특성 다이어그램에 의해, 제 1 측정 셀을 흐르는 산소 이온 펌프 전류로부터 결정되며, 측정된 NOx 농도를 보정하는데 사용될 수 있는 측정 에러는 예컨대 교정 측정에서 이미 결정되었던 특성 곡선에 의해, 이러한 1/λ값으로부터 결정된다. 본 발명은 측정 에러가 배출 가스 내의 공기비에 좌우된다는 발견에 기초한다. 이것이 1/λ값으로 표현된다면, 보정 동안 복잡한 나눗셈 계산이 필요없다.

Description

질소산화물의 농도를 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING NOx CONCENTRATION}

본 발명은 청구범위 제 1항의 전제부에 따라서, 내연 기관으로부터의 배출 가스 내의 질소산화물(NOx) 농도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

예컨대 내연 기관으로부터의 배출 가스 내의 질소산화물(NOx) 농도를 측정하기 위해, 후막(thick-film) 측정 센서를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 유형의 측정 센서는 예컨대, N. Kato 등의 간행물인, Society of Automotive Engineers, 980170, 1989, "저 NOx 농도의 측정을 위한 후막 ZrO₂ NOx 센서(Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration)", 또는 N. Kato 등의 간행물인 Society of Automotive Engineers, 공보 970858, 1997, "디젤 및 가솔린 엔진 상에서 후막 NOx 센서의 성능(Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines)"에 개시되어 있다. 이러한 측정 센서는 2개의 측정 셀을 구비하며, 산소 이온들을 안내하는 산화 지르코늄(zirconium oxide)을 포함한다. 센서는 다음의 측정 개념으로 실시한다. 측정되는 가스가 확산 배리어(diffusion barrier)를 통해 공급되는 제 1 측정 셀에서, NOx의 분해가 없어야 되는 과정 동안 제 1 산소 농도를 규정하도록 제 1 산소 이온 펌프 전류가 사용된다. 확산 배리어를 통해 제 1 측정 셀에 연결되는 제 2 측정 셀에서, 제 2 산소 이온 펌프 전류에 의해 산소 성분이 보다 감소한다. 측정 전극에서의 NOx의 분해는 NOx 농도의 측정치인 제 3 산소 이온 펌프 전류로 인도된다. 전체 측정 센서는 전기 히터에 의해 상승한 온도, 예컨대 750℃에 이른다.

측정된 NOx 농도 값이 제 1 챔버로부터 제 2 챔버 안으로의 누출량(slippage)의 결과로서 왜곡되므로, 이러한 측정 동안 실제 NOx 농도와 편차가 발생한다. 제 2 셀 내의 산소 누출량을 외부로 펌핑하는 것이 측정 신호를 왜곡시키는 산소 성분을 상당히 감소시키지만, NOx의 분해로부터 발생하는 산소가 또한 여전히 기록되므로 이것이 완전하지는 한다.

본 발명의 목적은 상술한 측정 센서를 사용하여 보다 정확한 방식으로 내연 기관으로부터의 배출 가스 내의 NOx 농도를 기록하는데 사용될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구범위 제 1항의 특징부에 의해 달성된다.

본 발명은 2개의 챔버 구조체인 NOx 측정 센서에 의해 제공되는 NOx에 대한 값의 측정 에러가 내연 기관으로부터의 배출 가스 내의 산소 농도의 레벨에 따라 좌우된다는 개념에 기초한다. 이러한 측정 센서는 산소 농도를 측정할 수 없다. 그러나 제 1 산소 이온 펌프 전류는 배출 가스의 공기비(λ)의 직접 측정치이다. 이러한 측정 에러가 이제 산소 농도가 아니라 공기비(λ), 바람직하게 공기비의 역(1/λ)과 관련이 있다면, 다수의 측정 센서에 대한 측정 에러는 간단한 함수에 의해 기술될 수 있으며, 심지어 1/λ에 대해 실질적으로 선형적임이 밝혀졌다. "실질적으로 선형으로"라는 용어는, 일련의 고차수로 전개할 때 매우 낮은 계수(coefficients)를 주의하는 것만이 필요하다는 것을 의미하는 것으로서 이해된다.

따라서, 배출 가스의 공기비 신호, 바람직하게 1/λ은 제 1 측정 셀 내의 제 1 산소 이온 펌프 전류로부터 얻어지며, 이러한 신호에 의해 공기비 신호와 측정 에러 사이의 관계를 사용함으로써 측정 에러가 결정된다. 이후, 측정된 NOx 농도는 이러한 측정 에러만큼 보정된다.

이러한 관계는 교정 측정에서 미리 바람직하게 결정되어, 측정 에러가 특성다이어그램(characteristic diagram), 특성 곡선(characteristic curve) 또는 함수 관계의 형태이다.

제 1 산소 이온 펌프 전류로부터 공기비 신호를 얻기 위해, 제 1 셀에서의 제 1 산소 이온 펌프 전류와, 1/λ 또는 λ의 다른 함수와 같은 공기비 신호 사이의 관계를 나타내는 특성 곡선이 또한 결정된다. 이 경우에, 제 1 산소 이온 펌프 전류와 1/λ 사이의 관계는 놀랍게도 실질적으로 선형이어서, 공기비 신호로서 1/λ를 선택하는 것이 보다 유리하다.

본 발명에 따른 방법은, 측정된 NOx 농도의 보정 동안 곱셈(multiplications), 뺄셈(subtractions) 및 덧셈(additions)만이 필요하다는 장점을 가진다. 저렴한 마이크로제어기의 계산 능력에 대해 과도하게 높은 요구를 부여하게 되는 나눗셈(division)은 필요하지 않다.

본 발명의 유리한 구성이 청구범위에 특성화되어 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 아래에 보다 상세히 기술된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.

도 2는 NOx 측정 센서의 개략적인 섹션의 도해를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 개략적인 흐름도를 도시한다.

도 2는 NOx 측정 센서의 개략적인 섹션을 도시한다. 도 1에 도시된 장치에서, 이러한 측정 센서(1)는 내연 기관(20)의 배출 섹션(27)에서 NOx를 결정하기 위한 측정 센서(24)로서 사용된다. 이를 위해, NOx 측정 센서(24)로부터 측정된 값들은 NOx 측정 센서(24)에 연결되어 있는 제어 유닛(23)에 의해 판독되며 내연 기관(20)의 엔진 관리 시스템(25)에 전송되는데, 이러한 엔진 관리 시스템(25)은, 여기서는 내연 기관(20)의 배출 섹션(27) 내의 NOx 측정 센서(24)의 상류에 설치되는 NOx 감소 촉매 변환기(28)가 최적의 작동 특성들을 가지는 방식으로, 내연 기관(20)의 연료 공급 시스템(21)을 제어한다.

측정 센서(24, 1)는 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 여기서는 ZrO₂인 고체 전해질(2)을 포함하는 측정 센서(1)는 확산 배리어(diffusion barrier; 3)를 통해, 측정되며 그 NOx 농도가 결정되는 배출 가스를 수용한다. 배출 가스는 확산 배리어(3)를 통해 제 1 측정 셀(4) 안으로 확산된다. 이러한 측정 셀 내의 산소 성분은 대기에 노출되어 있는 기준 전극(11)과 제 1 전극(5) 사이의 네른스트 전압(Nernst voltage)을 태핑(tapping)함으로써 측정된다. 기준 전극(11)은 공기 통로(12) 내에 배열되며, 이러한 공기 통로(12) 안으로 개구부(14)를 통해 대기가 통과한다.

태핑되는 네른스트 전압은, 제어기(CO)로서 사용되며 제어 전압(VSO)을 제공하는 8 비트(bit) 마이크로제어기에 송신된다. 이러한 네른스트 전압은 전압-제어식 전류 공급원(voltage-controlled current source; UIO)을 작동시키며, 이러한 전류 공급원은 제 1 전극(5)과 외부 전극(6) 사이에서 측정 센서(1)의 고체 전해질(2)을 통해 제 1 산소 이온 펌프 전류(first oxygen ion pump current; IPO)를 구동시킨다. 제 1 측정 셀(4) 내의 제어기(CO)로부터의 제어 전압(VSO)은 소정의 산소 농도를 설정하는데 사용된다. 이것은 제 1 전극(5)과 기준 전극(11) 사이의 네른스트 전압을 통해 측정되어, 제어기(CO)의 제어 회로가 폐쇄된다. 제 1 산소 이온 펌프 전류는 람다 센서(lambda sensors)로 알려진 바와 같이, 배출 가스 내의 공기비의 측정치이다.

따라서, 상술한 회로 배열은 제 1 측정 셀(4) 내에서 소정의 산소 농도를 성립시킨다. 제 2 측정 셀(8)은 다른 확산 배리어(7)를 통해 제 1 측정 셀(4)에 연결되어 있다. 제 1 측정 셀(4) 내에 존재하는 가스는 이러한 확산 배리어(7)를 통해 제 2 측정 셀(8) 안으로 확산된다. 제 2 산소 농도는 회로 배열에 의해 제 2 측정 셀 내에서 성립된다. 이를 위해, 제 2 네른스트 전압은 제 2 전극(9)과 기준 전극(11) 사이에서 태핑되며 제어기(C1)로 전송되고, 이러한 제어기(C1)는 제 2 전압-제어식 전류 공급원(UI1)을 작동시키는데 사용되는 제 2 제어 전압(VS1)을 제공 한다. 제 2 측정 셀(8)로부터 산소 이온 펌프 전류(IP1)를 구동시키기 위한 회로 배열은 따라서 제 1 측정 셀(4)용 회로 배열에 상응한다.

회로 배열은 소정의 산소 농도가 제 2 측정 셀(8)에서 성립되는 방식으로 산소 이온 펌프 전류(IP1)를 구동시킨다.

이러한 산소 농도는 NOx가 발생하는 작동에 의해 영향받지 않는 방식으로 선택되며, 그리고 특히 분해가 없다. 촉매 구성일 수도 있는 측정 전극(10)에서, NOx가 이후 제 3 산소 이온 펌프 전류(IP2)에서, 측정 전극(10)으로부터 외부 전극(6)으로 펌핑된다. 측정 셀(8) 내의 잔류 산소 성분이 충분하게 떨어졌으므로, 이러한 산소 이온 펌프 전류(IP2)는 측정 전극(10)에서 NOx의 분해로부터 발생하는 산소 이온들에 의해서만 실질적으로 전달된다. 따라서, 펌프 전류(IP2)는 측정 셀(8) 내에서 즉, 측정되는 배출 가스 내에서의 NOx 농도의 측정치이다.

이전의 펌프 전류들과 유사한 이러한 펌프 전류(IP2)는 전압-제어식 전류 공급원(UI2)에 의해 구동되고, 이러한 전압-제어식 전류 공급원(UI2)의 제어 전압(VS2)은 제어기(C2)에 의해 미리 결정되며, 제어기(C2)는 측정 전극(10)과 기준 전극(11) 사이에서 네른스트 전압을 태핑하고 제어 전압(VS2)을 명기함으로써 소정의 네른스트 전압을 설정한다.

그러나, 제 1 측정 셀로부터 제 2 측정 셀로의 산소의 누출량(slippage)은 측정된 NOx 농도가 여전히 항상 배출 가스 내의 산소 농도에 의존한다는 것을 의미하므로, 측정 셀(8) 내의 잔류 산소 성분은 이상적으로 제로(zero)일 뿐이다.

이러한 종속 관계는 이제 도 3에 개략적으로 도시되어 있는 방법을 사용하여 계산에 의해 보정된다. 우선, 배출 가스 내의 공기 비율을 나타내는 산소 신호(1/LAM)는 제 1 측정 셀(4) 내의 제 1 산소 이온 펌프 전류(IP0)로부터 얻어진다. 이러한 경우에, 제 1 산소 이온 펌프 전류(IP0)는, 각각의 전류를 규정하는 특성 다이어그램 또는 특성 곡선(15)을 사용하여 1/λ값으로 전환되며, 여기서 이러한 1/λ값은 공기비 신호(air ratio signal; 1/LAM)이다. 특성 곡선은 교정 측정에서 상응하는 측정 센서(1)에 대해 미리 결정된다.

이러한 공기비 신호(1/LAM)는 다른 특성 곡선(16)을 사용하여 측정 에러(NOx_D)로 전환된다. 이러한 특성 곡선(16)은 측정 센서(1)의 대응하는 교정 측정으로부터 얻어지며 측정 에러와 공기비 신호(1/LAM) 사이의 관계를 나타낸다.

측정 에러(NOx_D)와 공기비 신호(1/LAM) 사이의 함수 관계를 알아낼 수 있다면, 특성 곡선에 의한 전환은 함수 관계를 사용함으로써 계산에 의해 대체된다. 1/λ값이 공기비 신호로서 받아들여지면, 실질적으로 선형 관계가 된다. 이러한 타입의 실질적으로 선형 관계에 의존할 수 없다면, 특성 곡선(16)이 함수 대신에 저장된다. 그러나 다음의 상세한 설명에서 1/λ값이 공기비 신호(1/LAM)로서 사용되는 것으로 가정되고, 따라서 실질적으로 선형 관계에 의존하는 것이 가능하다. 이후, 공기비 신호(1/LAM)의 값과 곱셈 인수의 간단한 곱셈 및 덧셈 인수의 덧셈에 의해 측정 에러(NOx_D)를 얻을 수 있다. 이후 예컨대 보정 승수(correction multiplier)로서 인식되는 이러한 측정 에러(NOx_D)를, 계산 과정(17)에서 측정된 NOx 농도(NOx_M)와 단순히 곱함으로써, 보정된 NOx 농도(NOx_C)가 얻어진다.

공기비 신호(1/LAM)로부터의 측정 에러(NOx_D)의 결정과, 보정된 NOx 농도(NOx_C)의 계산 중 그 어느 것도 나눗셈 단계를 필요로 하지 않는데, 이러한 나눗셈 단계는 대개 플로팅-포인트 계산(floating-point arithmetic)을 수반하고 따라서 복잡한 마이크로제어기를 필요로 한다. 이 대신에, 간단하고 저렴한 마이크로제어기를 사용할 수 있다.

공기비 신호(1/LAM)로부터 측정 에러(NOx_D)를 결정할 때 실질적으로 선형 관계에 의존하는 것이 불가능하다면, 특성 곡선(16)이 사용되기보다는, 특성 곡선(15)이 이러한 특성 곡선(16)과 결합할 수 있어서, 측정 에러(NOx_D)가 예컨대 곱셈 또는 덧셈의 보정 인수로서, 제 1 산소 이온 펌프 전류(IP0)로부터 바로 얻어진다. 공기비 신호(1/LAM)의 발생이 사라지므로, 이것은 하나의 작업 단계를 제거한다. 그러나 예컨대 내연 기관의 작동 동안 다른 제어 기능에 대해 이러한 공기비 신호(1/LAM)가 필요하다면, 물론 그럼에도 제 1 산소 이온 펌프 전류(IP0)로부터 발생할 수도 있다.

Claims (5)

1. 내연 기관으로부터의 배출 가스 내의 NOx 농도를 측정 센서에 의해 결정하기 위한 방법으로서, 상기 측정 센서는

   - 상기 배출 가스의 일부가 도입되는 제 1 측정 셀로서, 상기 제 1 측정 셀 내에서 산소 이온 펌프 전류에 의해 제 1 산소 농도가 성립되는 제 1 측정 셀, 및

   - 상기 제 1 측정 셀에 연결되는 제 2 측정 셀로서, 상기 제 2 측정 셀 내에서 제 2 산소 농도가 성립되는 제 2 측정 셀을 구비하며,

   - 상기 NOx 농도는 상기 제 2 측정 셀에서 측정되는 방법에 있어서,

   a) 상기 배출 가스의 λ함수 값인 공기비 신호가 상기 산소 이온 펌프 전류로부터 결정되는 단계,

   b) 상기 측정된 NOx 농도와 실제 NOx 농도와의 편차를 나타내는 측정 에러가 상기 공기비 신호로부터 결정되는 단계, 및

   c) 상기 측정된 NOx 농도가 상기 측정 에러에 의해 보정되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는,

   NOx 농도를 결정하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기비 신호와 상기 측정 에러 사이의 관계가 교정 측정에서 결정되며,

   상기 측정 센서는 여러 가스 혼합물에 노출되고, 상기 측정 에러는 특성다이어그램(characteristic diagram), 특성 곡선(characteristic curve) 또는 함수 관계의 형태로 기록되고 표현되며, 적어도 λ값 및 NOx 농도가 상기 가스 혼합물에서 변경되는 것을 특징으로 하는,

   NOx 농도를 결정하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 단계 c)에서의 보정은 곱셈/덧셈 및/또는 뺄셈 계산 과정에 의하는 것을 특징으로 하는,

   NOx 농도를 결정하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 단계 b)에서, 상기 공기비 신호와 상기 측정 에러 사이의 관계로서 실질적으로 선형 함수가 사용되는 것을 특징으로 하는,

   NOx 농도를 결정하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 단계 a)에서, 상기 산소 이온 펌프 전류로부터 상기 공기비 신호를 결정하는데 특성 곡선 또는 특성 다이어그램이 사용되는 것을 특징으로 하는,

   NOx 농도를 결정하는 방법.

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