KR102022996B1 - 퇴적율이 향상된 pm 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 기판 상에 인터디지털 전극을 형성하고, 전극의 시작지점은 배기가스 흐름에 직각이 되며, 일정높이 및 일정길이로 형성된 턱의 아랫단에 형성되며, 전극의 끝지점은 턱을 지난 배기가스가 부딧치는 위치에 있고, 턱의 시작지점과 끝지점의 사이에 PM 센서가 위치하며, 턱의 시작지점과 끝지점의 사이에 배기가스의 와류유동 영역이 형성되며, 와류유동 영역 내에서 턱에서 가까운 거리가 턱에서 먼거리보다 입자상물질의 퇴적이 더 많은 것을 특징으로 하는 퇴적율이 향상된 배기가스 PM 센서에 관한 것이다.

Description

퇴적율이 향상된 PM 센서 {PARTICULATER MATTER DETECTION SENSOR FOR ENHANCING DEPOSITION}

본 발명은 배기가스 중 입자상 물질(PM) 센서에서 PM 센서로의 퇴적율을 향상시킨 입자상 물질(PM) 센서에 관한 것으로, 보다 자세하게는 PM 센서 주변에 인위적인 흐름유도부를 갑춘 PM 센서에 관한 것이다.

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.

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.

한국공개특허 제2010-0035682호

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. 이와같이 제작된 전극 사이에 전압을 인가하여 입자상 물질의 퇴적을 유도하는데 인가전압이 높을수록 입자상 물질의 퇴적이 잘 이루어져 빠른 응답속도를 얻을 수 있게 된다. 현재는 40V이상의 전압을 인가하고 있는데 이와같이 높은 전압을 인가하는 것은 차량 및 센서에 부담을 주게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 배기가스 흐름 유도부를 갖춰 입자상물질이 PM 센서에 쉽게 퇴적될 수 있는 PM센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서 장치는 자동차 배기가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서에 있어서, PM 센서로의 배기가스 흐름을 유도할 수 있는 배기가스 흐름유도부를 통해 배기가스로부터 입자상물질이 PM 센서로 퇴적될 수 있도록 한다. 상기 전극의 시작지점은 배기가스 흐름에 직각이 되며, 일정높이 및 일정길이로 형성된 턱의 아랫단에 형성되며, 전극의 끝지점은 턱을 지난 배기가스가 부딧치는 위치에 있고, 턱의 시작지점과 끝지점의 사이에 PM 센서가 위치하며, 턱의 시작지점과 끝지점의 사이에 배기가스의 와류유동 영역이 형성되며, 와류유동 영역 내에서 턱에서 가까운 거리가 턱에서 먼거리보다 입자상물질의 퇴적이 더 많은 것을 특징으로 한다.

기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 배기가스 중 PM 센서의 온도 및 퇴적되는 입자상물질의 퇴적율 향상을 통해 보다 빠른 응답속도를 가진 PM 센서가 가능하다.

도 1은 퇴적량이 적은 경우 전기장을 높이는 원리에 대한 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 실제 적용예이다.

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 기판 상에 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 인터디지털(Interdigital) 전극을 설치함으로서, 배기가스 중 함유된 금속 입자에 의한 영향을 줄일 수 있는 센서의 구조에서, 퇴적된 입자상물질이 적은 경우, 외부전극에 인가된 전압을 상승시키는 이유에 대한 그림이다. 인터디지털(Interdigital) 전극이란, 도 1에서와 같이 손가락 모양의 금속 판 두 개가 서로 엇갈려 있는 형태의 전극을 의미한다.

즉, 입자상 물질이 전극 사이에 퇴적됨에 따라, 입자상물질을 통해 전류가 흐르게 됨으로서 전체 저항이 감소하게 되는데, 이러한 저항 변화를 측정함으로서 퇴적된 입자상 물질의 양을 측정할 수 있는데, 퇴적된 입자상 물질의 양 자체가 소량이면, 입자상물질의 퇴적을 향상시키기 위해 외부전극 간 높은 전압차이를 인가해주어야 한다. 입자상 물질에 작용하는 힘은 F ~ -∇(E ·P)이며, E는 전기장의 크기, P는 입자상물질의 dipole moment의 크기로서, 인가전압이 클수록 전기장의 세기가 커지며, 입자상물질의 거동에 영향을 줘 기판상에 퇴적이 되도록 하는 것이다.

그러나, 이러한 방법은 높은 전압을 인가해야 하는 문제점이 발생하며, 이를 해결하기 위해 배기가스의 흐름 자체를 PM센서로 유도하는 구조가 더욱 바람직하다.

그림 2는 PM 센서 주변에 배기가스 흐름유도부를 형성한 것으로 부도체 재질의 흐름유도부를 통해 배기가스의 흐름이 유도되고, 배기가스 흐름유도부의 끝단은 계단처럼 단차가 형성되고, 아랫단에 PM센서가 위치한다. 이때, 다수개의 전극의 배열은 배기가스 흐름에 대해 서로 직각방향을 형성할 수 있도록 함으로서 배기가스와의 접촉을 극대화시킨다.

배기가스 흐름유도부는 끝단, 즉 PM센서가 놓인 위치는 배기가스 흐름유도부를 지나 흐르는 배기가스가 끝단에 형성된 단차에 의해 형성하는 2차유동의 와류의 형성과 관련이 있다. 즉, 배기가스 흐름유도부의 끝단에 형성된 단차에 의해 배기가스가 PM센서와 부딧치게 되며, 이때 배기가스 흐름의 내부에 도 2와 같은 2차유동의 와류가 형성되며, 상기 와류는 배기가스 흐름속에 갇힌채 순환하기 때문에 그 안의 입자상물질이 PM 센서와 접촉하여 퇴적될 확률이 높아지게 된다.

한편 이러한, 와류를 형성하기 위해서는 배기가스 유속, 배기가스가 PM 센서와 부딪히게되는 거리(d) 및 높이(h)의 적정범위가 존재하며, 본 실시예에서는 h/d가 0.1~3의 범위에서 퇴적율이 향상되는 효과를 보였다. PM을 측정해야하는 모드에서는 배기가스 유속보다는 h/d가 더욱 중요한 인자이다.

도 3은 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서의 실제 적용예로서, 측면에서 볼때 배기가스의 흐름이 일정길이까지 형성된 턱에서 PM 센서가 위치하고 있다. 턱에서 먼 위치에서는 PM 퇴적량이 적으며, 턱에서 가까울 수록 PM 퇴적량이 많은 결과가 나왔는데, 이는 턱에서 가까울 수록 배기가스 흐름 속에 갇힌 와류가 배기가스 흐름에 의한 영향을 덜 받고, 턱에서 멀수록 배기가스 흐름 속에 갇힌 와류가 배기가스 흐름에 의한 영향을 더 받는다는 것을 보여준다.

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.

Claims (5)

1. 자동차 배기가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 기판 상 형성되는 인터디지털 전극;
   상기 인터디지털 전극로 상기 배기가스 흐름을 유도하도록 일정길이 및 일정높이의 턱을 형성하는 흐름유도부;
   상기 흐름유도부의 끝단으로부터 상기 일정높이 아래에 상기 인터디지털 전극의 시작점이 위치함으로서, 상기 인터디지털 전극에 대해 상기 배기가스의 수직방향 흐름이 형성되며,
   상기 인터디지털 전극의 끝지점은 상기 턱으로부터 상기 수직방향의 배기가스가 충돌되는 위치이고,
   상기 턱의 높이 h 및 상기 시작점으로부터 상기 끝지점까지의 거리 d 는 h/d 가 0.1 ~ 3 의 범위로서, 상기 배기가스의 와류유동 영역이 형성되는 상기 턱의 시작점과 상기 끝지점의 사이에 상기 PM 센서가 위치하는 것을 특징으로 하는 퇴적율이 향상된 배기가스 PM 센서.
   
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