KR101593669B1 - 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템 - Google Patents

입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조가 단순하며 온도의 보정을 필요로 하지 않은 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템에 관한 것이며, 이를 위하여 절연기판, 절연기판의 일면에 노출되어 형성되며, 복수개의 제1전극이 구비되는 제1전극부, 절연기판의 내부에 형성되며, 복수개의 제2전극이 구비되는 제2전극부; 및 절연기판의 타면에 형성되어 제1 및 제2전극부를 가열하는 히터부;를 포함하며, 복수개의 제1전극과 복수개의 제2전극은 서로 교번되게 형성되며, 제1전극들 사이에 쌓이는 입자상에 의해 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.

Description

입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템{Particular Matter Sensor and exhaust gas purification system using the same}
본 발명은 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대한 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있다.
이러한 입자상 물질의 배출량을 줄이기 위해, 디젤 미립자 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)가 엔진 후단에 설치되어 입자상 물질을 연소시켜 여과시킨다. 하지만, 디젤 미립자 필터가 설치 이후 노후화 되거나, 결함이 생기게 되면, 필터링 효율이 감소하게 된다. 이에 1989년부터 자동차에 실시간으로 디젤 미립자 필터의 정상 작동 여부를 감지하는 온-보드-진단(On-Board Diagnostic; OBD) 시스템 구축이 요구되고 있다.
현재 개발되고 있는 PM 센서들은 센서 표면에 쌓인 PM이 자연적으로 제거될 수 없는 문제를 갖고 있고, 센서로 사용하는 전극의 온도에 따라서 전극의 저항이 바뀌는 문제를 갖고 있다.
따라서, 센서 표면에 쌓인 PM을 제거할 수 있는 히터를 내장해야 하였고, 서로 사용하는 전극의 온도를 알기 위하여 추가적인 온도 센서를 장착하였다.
이러한 방식은 센싱 방법이 간단하다는 장점을 갖고 있으나, 히터와 온도 센서가 같이 내장되야 되므로 구조가 복잡해지고, 단가가 올라간다. 또한 온도의 영향을 보정할 수 있는 알고리즘이 필요하다는 문제점이 있었다.
일본공개특허 2009-85959(공개일 2009년 4월 23일)
본 발명은 구조가 단순하며 온도의 보정을 필요로 하지 않은 입자상 물질 센서 및 이를 이용한 배기가스 정화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 절연기판, 절연기판의 일면에 노출되어 형성되며, 복수개의 제1전극이 구비되는 제1전극부, 절연기판의 내부에 형성되며, 복수개의 제2전극이 구비되는 제2전극부; 및 절연기판의 타면에 형성되어 제1 및 제2전극부를 가열하는 히터부;를 포함하며, 복수개의 제1전극과 복수개의 제2전극은 서로 교번되게 형성되며, 제1전극들 사이에 쌓이는 입자상에 의해 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 제1전극 및 복수개의 제2전극은 각각 절연기판의 길이방향으로 나란하게 배열되되, 복수개의 제1전극 및 복수개의 제2전극의 배열은 절연기판의 폭 방향으로 서로 교번되게 배열될 수 있다.
또한, 제1전극부는 복수개의 제1전극 각각을 전기적으로 연결하는 제1전극 리드와, 제1전극 리드와 연결되는 제1접속단자를 더 포함하며, 제2전극부는 복수개의 제2전극 각각을 전기적으로 연결하는 제2전극 리드와, 제2전극 리드와 연결되는 제2접속단자를 더 포함할 수 있다.
또한, 제1전극과 제2전극 사이의 정전용량은 제1전극의 면적과 제1전극들 사이에 퇴적되는 입자상 물질의 면적에 따라 비례할 수 있다.
그리고, 배기 매니폴드, 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터, 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서를 포함하며, 입자상 물질 센서는 절연기판과, 절연기판의 일면에 노출되어 형성되며, 복수개의 제1전극이 구비되는 제1전극부와, 절연기판의 내부에 형성되며, 복수개의 제2전극이 구비되는 제2전극부와, 절연기판의 타면에 형성되어 제1 및 제2전극부를 가열하는 히터부를 포함하며, 복수개의 제1전극과 복수개의 제2전극은 서로 교번되게 형성되며, 제1전극들 사이에 쌓이는 입자상 물질에 의해 제1전극과 제2전극 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 정화 시스템에 사용하는 입자상 물질 센서는 제1전극과 제1전극들 사이에 퇴적하는 입자상 물질의 면적 및 제1전극과 제2전극 사이의 거리를 이용하여 제1전극부와 제2전극부 사이의 정전용량을 측정함으로써, 온도의 보정을 필요로 하지 않고 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있는 입자상 물질 센서를 제공할 수 있다.
또한, 종래 기술에서와 같이 온도 센서를 필요로 하지 않으므로, 온도의 영향을 보정할 수 있는 알고리즘이 필요 없기 때문에, 입자상 물질 센서의 구조가 간단해짐으로써, 입자상 물질 센서의 단가를 절감할 수 있는 입자상 물질 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 차량용 디젤 엔진의 배기가스 정화 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 입자상 물질 센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 입자상 물질 센서의 분해 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2 및 도 3에 따른 제1 및 제2전극부를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 2의 A-A'선을 따라 취한 확대 단면도이다.
도6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 입자상 물질 센서의 작동 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 차량용 디젤 엔진의 배기가스 정화 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배기가스 정화 시스템(100)은 엔진(110)의 배기 매니폴드(120)에는 터빈(130)이 설치될 수 있으며, 터빈(130)과 연동하는 터보차저(140)가 회전하면, 압축된 공기가 쿨러(150)를 통과해 흡기 매니폴드(미도시)로 보내질 수 있고, 배기 매니폴드(120)로부터 배출되는 연소 배기의 일부는 밸브(160) 및 쿨러를 통하여 흡기 매니폴드(미도시)로 환류될 수 있다.
배기 매니폴드(120)에 접속하는 배기관(180)에는 디젤 산화 촉매(미도시) 및 배기가스 미립자 필터(170)가 설치되어 연소 배기가스를 처리할 수 있다. 즉, 배기관(180)에 배출된 연소 배기가스는 상류측의 디젤 산화 촉매(미도시)를 통과하는 동안에, 미연소의 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 일산화질소(NO)가 산화될 수 있으며, 하류측의 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하는 동안에, 그을음 입자(Soot), 가용성 유기 성분(SOF) 및 무기 성분으로 이루어진 입자상 물질(PM)이 포집될 수 있다.
디젤 산화 촉매(미도시)는 배기가스 미립자 필터(170)의 강제 재생시에, 공급되는 연료의 산화 연소에 의해 배기 온도를 상승시키고, 혹은 입자상 물질 중의 SOF 성분을 산화 제거할 수 있다. 또한, NO의 산화에 의해 생성하는 NO2는 후단의 배기가스 미립자 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 산화제로서 사용되어 연속적인 산화를 가능하게 할 수 있다.
배기가스 미립자 필터(170)는 가스 유로를 구획하는 셀벽을 관통하여 다수의 가는 구멍이 형성될 수 있으며, 배기가스 미립자 필터(170)에 도입되는 배출 가스 중의 입자상 물질을 포획할 수 있다. 디젤 산화 촉매와 배기가스 미립자 필터(170)를 일체화한 연속 재생식 디젤 파티큘레이트 필터로서 구성할 수도 있다.
배기관(180)에는 디젤 입자상 필터(170)에 퇴적한 입자상 물질의 양을 감시하기 위해서, 차압 센서(190)가 설치될 수 있다. 차압 센서(190)는 배기가스 미립자 필터(170)의 상류측 및 하류측과 접속되어 있어 그 전후 차압에 따른 신호를 출력할 수 있다.
또한, 디젤 산화 촉매의 상류 및 배기가스 미립자 필터(170)의 상하류에는, 온도 센서(미도시)가 설치되어, 각각의 배기 온도를 감시할 수 있다.
제어 회로(미도시)는 이들 출력에 기초하여 디젤 산화 촉매의 촉매 활성 상태나 디젤 입자상 필터(170)의 입자상 물질 포집 상태를 감시하여, 입자상 물질 포집량이 허용량을 넘으면, 강제 재생을 실시해 입자상 물질을 연소 제거하는 재생 제어를 실시할 수 있다.
입자상 물질 센서(200)는 배기가스 미립자 필터(170)의 타측에 연결되는 유출측 배기관(182)에 설치되어, 배기가스 미립자 필터(170)를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 입자상 물질 센서를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 입자상 물질 센서의 분해 사시도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 2 및 도 3에 따른 제1 및 제2전극부를 도시한 평면도이고, 도 5는 도 2의 A-A'선을 따라 취한 확대 단면도이다.
또한, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 서로 대응되게 배치되는 제1전극부(220)와 제2전극부(230)가 명확하게 구분될 수 있도록 제1전극부(220)를 검정색으로 표현하였으며, 이를 바탕으로 일 실시형태에 따른 입자상 물질 센서에 대하여 자세히 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입자상 물질 센서(200)는 절연기판(210), 절연기판(210)의 일면에 노출되어 형성되되, 복수개의 제1전극(222)이 구비되는 제1전극부(220), 절연기판(210)의 내부에 형성되되, 복수개의 제2전극(232)이 구비하는 제2전극부(230), 및 절연기판(210)의 타면에 형성되어 제1 및 제2전극부(220, 230)를 가열하는 히터부(240)를 포함할 수 있다.
절연기판(210)은 글라스 소재, 세라믹 소재, 알루미나,스피넬, 또는 이산화티타늄 등의 내열성의 절연체를 사용할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1전극부(220)는 절연기판(210)의 표면에 노출되어 형성될 수 있다.
또한, 제1전극부(220)는 복수개의 제1전극(222), 제1전극 리드(224), 및 제1접속단자(226)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 복수개의 제1전극(222)은 상호 전기적으로 연결되도록 절연기판(210) 상에 형성될 수 있다.
제1전극 리드(224)는 복수개의 제1전극(222)을 서로 전기적으로 연결될 수 있도록, 절연기판(210)의 표면 타측에 형성되는 제1접속단자(226)에 연결될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2전극부(230)는 절연기판(210)의 내부에 형성될 수 있으며, 제2전극부(230)는 복수개의 제2전극(232), 복수개의 제2전극 리드(234), 및 제2접속단자(236)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 복수개의 제2전극(232)은 절연기판(210)의 내부 일측에 굴곡 형상으로 형성되어, 복수개의 제2전극(232)이 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제2전극 리드(234)는 복수개의 제2전극(232) 각각을 전기적으로 연결할 수 있으며, 복수개의 제2전극 리드(234)는 절연기판(210)의 표면 타측에 형성되는 제2접속단자(236)에 연결될 수 있다.
도 4b 및 도5에 도시된 바와 같이, 제1전극부(220)에 구비되는 복수개의 제1전극(222)과 제2전극부(230)에 구비되는 복수개의 제2전극(232)은 서로 교번되어 절연기판(210)에 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1전극(222)들 사이에는 입자상 물질들이 퇴적될 수 있는 공간(228)이 형성될 수 있으며, 이들 공간(228)에 대응하여 제2전극(232)들이 절연기판(210)의 내부에 위치될 수 있다.
또한, 복수개의 제1전극(222) 및 상기 복수개의 제2전극(232)은 각각 절연기판(210)의 길이방향으로 나란하게 배열될 수 있으며, 복수개의 제1전극(222) 및 복수개의 제2전극(232)의 배열은 절연기판(210)의 폭 방향으로 서로 교번되게 배열될 수 있다.
따라서, 제1전극(222)들 사이에 형성된 공간(228)에 입자상 물질들이 퇴적되고, 제1전극(222)들 사이에 쌓이는 입자상 물질에 의해 제1전극(222)과 제2전극(232)이 전기적으로 연결되어 제1전극부(220)와 제2전극부(230) 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.
구체적인 정전용량 측정 방법은 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
히터부(240)는 절연기판(210)의 저면에 형성될 수 있으며, 히터부(240)의 일단은 한 쌍의 접속단자(242)에 전기적으로 접속될 수 있다.
또한, 히터부(240)는 제1전극부(220)에 퇴적된 입자상 물질을 제거하기 위하여 설치될 수 있으며, 구체적으로, 일정 온도와 일정 시간 동안 히터부(240)가 가열되면 제1전극부(330)에 퇴적된 입자상 물질들이 제거될 수 있다.
또한, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170) 후단 배기 환경은 대략 300 ℃ 이상의 고온이고, 히터 가열시 대략 650 ℃ 이상이 되기 때문에 일반 금속은 히터부로 사용 시 산화가 될 가능성이 높기 때문에, 히터부(240)는 고온에서 산화가 잘 되지 않는 물질로 형성될 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 입자상 물질 센서의 작동 상태를 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배기가스 미립자 필터(도 1의 170)를 통하여 유출측 배기관(182)으로 유동한 입자상 물질(P)은 유출측 배기관(182)의 일측에 구비되는 입자상 물질 센서(200)를 인접하여 지나게 되며, 이때, 입자상 물질(P)은 제1전극(222)들 사이에 형성된 공간(228) 상에 퇴적될 수 있다.
이후, 복수개의 제1전극 중 하나의 제1전극(222)과 공간(228)에 대응하는 위치에 형성되는 제2전극(232)은 공간(228)에 퇴적된 입자상 물질(P1)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
제1전극(222)과 제2전극(238) 사이의 정전용량은 C=εA/t 공식에 의하여 측정될 수 있으며, 상기 식에서 A는 제1전극(222)에서 입자상 물질(P1)이 퇴적된 공간(228)까지의 면적이며, t는 입자상 물질이 퇴적된 공간(228)과 제2전극(232)까지의 거리이므로, 제1전극부(220)와 제2전극부(230) 사이의 정전용량을 측정할 수 있다.
또한, 정전용량은 복수개의 제1전극(222)의 면적과 제1전극(222)들 사이 즉 공간(228)에 쌓이는 입자상 물질(P1)의 면적에 따라 비례할 수 있다.
예를 들어, 제1전극(222)의 면적은 1이며, 공간(228)의 면적은 1이라고 한다면, 정전용량의 면적 A는 임의의 제1전극(222a)에서 입자상 물질이 퇴적된 공간(228)까지의 면적이므로 2의 면적을 가질 수 있고, 이에 따라 정전용량의 크기도 2배로 증가될 수 있다.
즉, 임의의 제1전극(222a)의 면적은 일정하다는 가정하에 정전용량은 입자상 물질(P1)이 퇴적된 공간(228) 면적의 비율로 증가될 수 있다.
따라서, 배기가스 정화 시스템에 사용하는 입자상 물질 센서는 제1전극과 제1전극들 사이에 퇴적하는 입자상 물질의 면적 및 제1전극과 제2전극 사이의 거리를 이용하여 제1전극부와 제2전극부 사이의 정전용량을 측정함으로써, 온도의 보정을 필요로 하지 않고 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 용이하게 검출할 수 있다.
또한, 종래 기술에서와 같이 온도 센서를 필요로 하지 않으므로, 온도의 영향을 보정할 수 있는 알고리즘이 필요없기 때문에, 입자상 물질 센서의 구조가 간단해짐으로써, 입자상 물질 센서의 단가를 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 배기가스 정화 시스템 110 : 엔진
120 : 배기 매니폴드 130 : 터빈
140 : 터보차저 150 : 쿨러
160 : 밸브(160) 170 : 배기가스 미립자 필터
180 : 배기관 182 : 유출측 배기관
190 : 차압 센서 200 : 입자상 물질 센서
210 : 절연기판 220 : 제1전극부
222 : 제1전극 224 : 제1전극 리드
226 : 제1접속단자 230 : 제2전극부
232 : 제2전극 234 : 제2전극 리드
236 : 제2접속단자 240 : 히터부

Claims (5)

  1. 절연기판;
    상기 절연기판의 일면에 노출되어 형성되며, 복수개의 제1전극이 구비되는 제1전극부;
    상기 절연기판의 내부에 형성되며, 복수개의 제2전극이 구비되는 제2전극부; 및
    상기 절연기판의 타면에 형성되어 상기 제1 및 제2전극부를 가열하는 히터부;를 포함하며,
    상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극은 각각 상기 절연기판의 길이방향으로 나란하게 배열되고,
    상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극의 배열은 상기 절연기판의 폭 방향으로 서로 교번되게 배열되며,
    상기 제1전극들 사이에 쌓이는 입자상에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량을 측정하는 입자상 물질 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극부는 상기 복수개의 제1전극 각각을 전기적으로 연결하는 제1전극 리드와, 상기 제1전극 리드와 연결되는 제1접속단자를 더 포함하며,
    상기 제2전극부는 상기 복수개의 제2전극 각각을 전기적으로 연결하는 제2전극 리드와, 상기 제2전극 리드와 연결되는 제2접속단자를 더 포함하는 입자상 물질 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량은 상기 제1전극의 면적과 상기 제1전극들 사이에 퇴적되는 입자상 물질의 면적에 따라 비례하는 입자상 물질 센서.
  5. 배기 매니폴드;
    상기 배기 매니폴드에서 배출되는 배기 가스 내 포함되는 미립자들을 제거하는 배기가스 미립자 필터; 및
    상기 배기가스 미립자 필터에 연결되는 유출측 배기관에 설치되어, 상기 배기가스 미립자 필터를 통과하여 하류 측으로 빠져나가는 입자상 물질을 검출하는 입자상 물질 센서를 포함하며,
    상기 입자상 물질 센서는 절연기판과, 상기 절연기판의 일면에 노출되어 형성되며, 복수개의 제1전극이 구비되는 제1전극부와, 상기 절연기판의 내부에 형성되며, 복수개의 제2전극이 구비되는 제2전극부와, 상기 절연기판의 타면에 형성되어 상기 제1 및 제2전극부를 가열하는 히터부를 포함하며,
    상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극은 각각 상기 절연기판의 길이방향으로 나란하게 배열되고,
    상기 복수개의 제1전극 및 상기 복수개의 제2전극의 배열은 상기 절연기판의 폭 방향으로 서로 교번되게 배열되며,
    상기 제1전극들 사이에 쌓이는 입자상에 의해 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 정전용량을 측정하는 배기가스 정화 시스템.


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