KR102348621B1 - NOx 센서의 동특성 모니터링 방법 - Google Patents

NOx 센서의 동특성 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 산소 이온 전도성 고체 전해질 및 하나 이상의 공동(12)을 갖는 NOx 센서(10)를 모니터링하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 경우 NOx 센서의 자가 진단 중에 NOx 센서의 하나 이상의 공동(12)이 소정의 산소 농도로 가득 채워진다(flooded). 그로 인한 펌프 전류의 구배가 평가되고, 기준값과 비교해서 차이가 나는 경우, 상황에 따라 존재할 수 있는 NOx 센서의 동특성 악화 가능성이 추론된다.

Description

NOx 센서의 동특성 모니터링 방법
본 발명은, 산소 이온 전도성 고체 전해질 및 하나 이상의 공동(측정 챔버)을 갖는 NOx 센서를 모니터링하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 및 기계 판독 가능 저장 매체, 그리고 이 방법을 수행하도록 설계된 전자 제어 장치에 관한 것이다.
측정 가스 내, 예를 들어 내연 기관의 배기가스 내 NOx 농도를 측정하기 위해, 네른스트(Nernst) 원리에 기반한 NOx 센서(NOx 측정 프로브)가 공지되어 있다. 예를 들어, 독일 공개 공보 DE 103 12 732 A1호로부터, 확산 배리어에 의해 배기가스로부터 분리된 제1 공동 내에서 제1 펌프 전류를 통과하는 산소 농도가 저하되는 NOx 측정 프로브가 공지되어 있다. 확산 배리어에 의해 제1 공동으로부터 분리된 제2 공동 내에서, 제2 펌프 전류를 통과하는 산소 농도가 더욱 저하된다. 제2 공동 내에 있는 측정 전극에서, 가스 내에 함유된 질소산화물이 분해된다. 이때 유리되는 산소는 제3 펌프 전류에 의해 외부 전극으로 운반되고, 이 경우 제2 공동 내 NOx 농도 및 이와 더불어 측정될 배기가스 내 NOx 농도에 대한 척도가 된다.
배기가스와 관련된 구성 요소가 NOx 센서로서 사용되기 때문에, 관련 법규에 의해 NOx 센서의 모니터링이 규정되어 있다. NOx 센서의 모니터링을 위해, 이미 소위 NOx 센서 자가 진단이 공지되어 있다. 이와 같은 방식에서는, NOx 센서의 측정 챔버가 예를 들어 센서의 네른스트 전압의 강하에 의해서 소정의 산소 농도로 가득 채워진다(flooded). 이때, 산소는 측정 전극(NOx 전극)에서 분해된다. 그 결과로 도출되는 펌프 전류 프로파일이 측정되고, 상기 결과로서 도출되는 펌프 전류의 적분이 기준값, 예컨대 센서에서 신규 부분으로서 측정된 기준값과 비교됨으로써, 자가 진단을 위해 평가될 수 있다. 이와 같은 NOx 센서 자가 진단을 NOx 셀 상태 모니터링이라고도 한다.
NOx 센서의 특성 곡선 드리프트의 검출 외에, NOx 신호의 동특성도 모니터링되어야 한다. 하지만, 이와 같은 NOx 센서가 SCR 촉매 컨버터의 하류에 배치된 경우에는 NOx 신호의 동특성 모니터링이 더는 불가능한데, 그 이유는 NOx에 대해 엄격한 한계값이 주어진 경우에는 SCR 촉매 컨버터의 하류에서 충분한 NOx 방출이 발생하지 않기 때문이다.
NOx 센서의 장착 위치가 예를 들어 배기가스 터보차저의 하류에, 또는 디젤 산화 촉매 컨버터 및/또는 NOx가 변환되지 않는 디젤 입자 필터의 하류에 놓여 있는 경우에는, 원칙적으로 NOx 센서의 동특성 모니터링을 위한 두 가지 방법이 공지되어 있다. 제1 방법에서는, 부하 모드로부터 코스팅 모드로 넘어갈 때 NOx 신호의 구배가 평가된다. 더 최근의 제2 방법에서는, NOx 모델의 고주파 성분이 동적 조건하에 있는 센서 데이터와 비교된다. 제2 방법을 수행하기 위한 전제 조건은, 동적인 NOx 미연소 배출 모델의 존재이다.
최근의 배기가스 후처리 시스템은, 질소산화물 저장 촉매 컨버터(NSC)와 SCR 촉매 컨버터의 조합에 기반하는 경우가 많다. 일반적으로 이 경우 제1 NOx 센서가 NSC 하류에 배치되고, 제2 NOx 센서가 SCR 촉매 컨버터의 하류에 배치된다. NSC 내에서 NOx가 변환되고, NSC 하류에서의 위치를 위한 NOx 모델이 존재하지 않기 때문에, SCR 촉매 컨버터를 위한 환원제 공급량의 파일럿 제어를 위해 필요한 NOx 농도 신호를 발생시킬 수 있기 위해, NSC와 SCR 촉매 컨버터 사이에 제1 NOx 센서가 필요하다. 그러나 NSC 하류에서 NOx 농도를 결정하기 위한 정확한 동적 NOx 모델은 존재하지 않기 때문에, 상기와 같은 동적 NOx 방출 모델을 필요로 하는 동특성 모니터링을 위한 전술한 방법은 불가능하다.
본 발명은, 특히 종래의 방법이 사용될 수 없는 경우에도 바람직하게 사용될 수 있는 모니터링 방법 및 특히 NOx 센서의 동특성 모니터링 방법을 소개한다. 이 방법은, 산소 이온 전도성 고체 전해질에 기반하는 NOx 센서로부터 출발한다. NOx 센서는, 예를 들어 이 센서가 하나 이상의 공동(측정 챔버)을 갖도록 층 구조물을 구비하여 형성된다. 예를 들어, 2개의 공동(측정 챔버로서의 제1 공동 및 제2 공동) 및 하나의 기준 가스 챔버가 제공된다. 다양한 전극들, 예를 들어 하나 이상의 내부 전극(내부 펌프 전극) 및 하나 이상의 외부 전극(외부 펌프 전극) 그리고 기준 전극 및 측정 전극(NOx 펌프 전극)과 상응하는 상대 전극을 적합하게 배치함으로써, 측정 가스 내 NOx 농도의 측정이 수행되며, 이 경우 전극들의 배치는 바람직하게 광대역 람다 센서에 필적하는 산소 펌프 셀 및 네른스트 셀을 형성한다. 더 나아가, NOx 펌프 셀이 제3 셀로서 제공된다. 정기적인 측정의 경우, 바람직하게는 펌프 전류의 인가에 의해 제1 중공 챔버 내의 산소 농도가 저하된다. 확산 배리어에 의해 제1 공동으로부터 분리된 제2 중공 챔버(측정 챔버) 내의 측정 전극에서는 NO의 분해가 실시되며, 이때 유리되는 산소는 또 다른 펌프 전류에 의해서 상응하는 공동(측정 챔버) 밖으로 펌핑된다. 상기 펌프 전류는 NOx 농도에 대한 척도이다. NOx 센서의 자가 진단 동안, NOx 센서의 하나 이상의 공동, 바람직하게는 적어도 제2 공동(측정 챔버)이 소정의 산소 농도로 가득 채워진다. 본 발명에 따라, 이 경우 예를 들어 결과로서 도출되는 펌프 전류의 시간 프로파일, 예를 들어 구배가 평가된다. 상기 펌프 전류의 시간 프로파일을 나타내는 하나 이상의 변수가 기준값과 비교해서 차이가 나는 경우, 상황에 따라 존재할 수 있는 NOx 센서의 동특성 악화가 추론된다. 즉, 달리 말하면, 센서의 측정 챔버 내부가 산소로, 그리고 그로부터 도출되는 소정의 산소 농도로 가득 채워짐으로써 나타나는 펌프 전류는, 펌프 전류의 시간 프로파일을 고려하여 평가된다. 지금까지 공지된 방법에서는 자가 진단에서 항시 NOx의 전체 적분을 평가한다. 기준값 또는 기대값과 비교해서 시간 프로파일을 평가할 때 차이가 존재하는 경우에는, NOx 센서의 동특성 악화가 추론될 수 있다. 그와 달리, 결과적으로 나타나는 펌프 전류의 전체 적분을 평가하는 종래의 방법들에서는 센서의 전체 감도와 관련된 진술만이 가능할 뿐, 동특성과 관련된 진술은 불가능하다.
본 발명에 따른 방법의 수행 시, 예를 들어 자가 진단을 시작할 때에 네른스트 전압이 예를 들어 대략 225mV로 강하함으로써, 중공 챔버(예컨대 측정 챔버)가 규정된 산소 농도로 가득 채워진다. 산소가 NOx 전극에서 분해됨으로써, 결과적으로 특정의 펌프 전류가 나타나게 된다. 공동 내에서의 산소 농도의 신속한 증가로 인해, 결과적으로 나타나는 펌프 전류도 마찬가지로 강하게 그리고 신속하게 증가한다는 것을 예상할 수 있다. 하지만, 예를 들어 NOx 전극의 손상 또는 센서 내 상응하는 확산 배리어의 손상이 존재하는 경우에는, NOx 센서의 반응이 지연되고, 결과적으로 나타나는 펌프 전류가 덜 신속하게 증가한다. 이와 같은 상황은 본 발명에 따라 예를 들어 자가 진단 동안에 구배를 평가함으로써 검출된다.
본 발명의 가능한 일 실시예에서는, 펌프 전류의 시간 프로파일이, 자가 진단 동안에 증가하는 펌프 전류의 구배를 나타내는 변수를 고려함으로써 평가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로는, 예를 들어 자가 진단 동안에 강하하는 펌프 전류의 구배가 평가되는 것도 가능하다. 강하하는 펌프 전류는 자가 진단의 마지막에 또는 공동을 산소로 채우는 과정이 종료된 후에 발생한다. 다시 말해, 원칙적으로는 시간에 따른 신호 프로파일의 평가가 두 가지 방향으로, 즉 자가 진단의 시작 동안에는 위로 그리고 자가 진단의 마지막에는 아래로 이루어질 수 있음으로써, 결과적으로 양측에서의 NOx 신호 동특성 모니터링뿐만 아니라 상호간의 조합도 가능해진다.
NOx 센서의 동특성 악화가 확인될 수 있는 경우에는, NOx 전극의 오염 및/또는 NOx 센서 내 NOx 확산 배리어의 그을림이 추론될 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따라 모니터링되는 NOx 센서는 자동차 내연 기관의 배기가스 라인 내에 배치되기 위해 제공된다. 예를 들어, NOx 센서는 내연 기관에 할당된 터보차저 하류에, 그리고/또는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 하류에, 그리고/또는 디젤 입자 필터 하류에, 그리고/또는 SCR 촉매 컨버터 상류에, 그리고/또는 SCR 촉매 컨버터 하류에 배치될 수 있다. 특히 바람직하게, 본 발명에 따른 방법은, 동적인 NOx 방출 모델이 존재하지 않는 설치 장소에 배치된 NOx 센서들에서 사용될 수 있다. 상기와 같은 NOx 센서의 설치 장소에서는 동적 모니터링을 위한 NOx 방출 모델을 이용하여 실행되는 종래의 방법이 사용될 수 없기 때문에, 본 발명에 따른 방법이 상기와 같은 NOx 센서를 위해 특히 바람직하게 이용될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 방법은, 특히 질소 산화물의 변환이 실시되는 촉매 컨버터의 하류에 배치된 NOx 센서의 동특성을 모니터링하기에 적합하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은, NSC와 SCR 촉매 컨버터 사이에 배치되거나 SCR 촉매 컨버터 하류에 배치된 NOx 센서를 위해 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명은 전술한 방법의 단계들을 수행하도록 설계된 컴퓨터 프로그램도 포함한다. 더 나아가 본 발명은, 상기와 같은 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 기계 판독 가능 저장 매체와, 전술한 방법의 단계들을 수행하도록 설계된 전자 제어 장치도 포함한다. 본 발명에 따른 방법을 컴퓨터 프로그램으로서 혹은 기계 판독 가능한 저장 매체로서 또는 전자 제어 장치로서 구현하는 것은, 이와 같은 구현에 의해 기존의 자동차에서도 NOx 센서의 동특성을 모니터링하기 위한 본 발명에 따른 방법의 장점들이 이용될 수 있다는 특별한 장점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은, 도면들과 연계된 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명에 명시된다. 이 경우, 개별 특징들은 각각 단독으로도 또는 서로 조합된 형태로도 구현될 수 있다.
도 1은 네른스트 원리에 기반한 선행 기술에 따른 NOx 센서의 구조의 개략도이다.
도 2는 선행 기술에 따른 NOx 센서의 자가 진단 시 신호 프로파일(NOx 및 네른스트 전압)의 예시를 도시한 그래프이다.
도 3은 NOx 센서의 본 발명에 따른 동특성 모니터링 시 신호 프로파일의 예시를 도시한 그래프이다.
도 1은, 네른스트 원리에 따라 구성된 공지된 NOx 센서(10)의 예시적인 설계를 도시한다. 센서(10)는 산소 이온 전도성 고체 전해질(지르코늄 산화물)과; 알루미늄 산화물로 이루어진 절연층;에 기반한 층 구조로 구현되어 있으며, 여기서는 제1 공동(11), 제2 공동(측정 챔버)(12) 및 기준 가스 챔버(13)가 제공되어 있다. 배기가스는 화살표 방향으로 제1 확산 배리어(14)를 거쳐 제1 공동(11)으로 유입된다. 제2 공동(12)은 제2 확산 배리어(15)를 통해서 제1 공동(11)으로부터 분리되어 있다. 배기가스에 노출된 외부 펌프 전극(APE)(16)과, 제1 공동(11) 내의 내부 펌프 전극(IPE)(17)이 산소 펌프 셀(18)을 형성한다. 또한, 제1 공동(11) 내에는 네른스트 전극(NE)(19)도 존재한다. 기준 가스 챔버(13) 내에는 상응하는 기준 전극(RE)(20)이 있다. 상기 쌍이 네른스트 셀(21)을 형성한다. 제2 공동(측정 챔버)(12) 내에는 NOx 펌프 전극(NOE)(22)이 배치되어 있다. 상기 NOx 펌프 전극의 상대 전극(NOCE)(23)은 기준 가스 챔버(13) 내에 있다. 상기 2개의 전극이 NOx 펌프 셀(24)을 형성한다. 제1 및 제2 공동(11, 12) 내에 있는 모든 전극은 하나의 공통 귀로용 도체(return conductor)(COM)(25)를 구비한다. 또한, 센서(10)용 가열 장치(26)도 제공된다.
센서(10)의 작동은 센서 제어 유닛(SCU)(100)에 의해서 공지된 방식으로 수행된다. 예를 들어 금과 백금의 합금에 의해, 내부 펌프 전극(17)의 촉매 활성은 약한 정도에 불과하다. 그렇기 때문에, 종래의 측정 모드에서 인가되는 펌프 전압은, 산소 분자를 분열(해리)시킬 만큼이면 충분하다. NO는, 펌프 전압이 조절된 경우에는 소량만 해리되어 적은 손실만 수반하여 제1 공동(11)을 통과한다. NO2는 강한 산화제로서 내부 펌프 전극(17)에서 직접 NO로 변환된다. 암모니아는 산소의 존재하에 내부 펌프 전극(17)에서 반응하고, 예를 들어 650℃의 온도에서 NO 및 물로 분해된다. NOx 펌프 전극(22)에 인가되는 더 높은 전압으로 인해 그리고 예를 들어 NOx 펌프 전극(22)의 촉매 활성을 증가시키는 로듐의 혼합에 의해, NOx 펌프 전극(22)에서 NO가 완전히 해리된다. 이때 생성되는 산소가 고체 전해질에 의해 펌핑된다. 그 결과 나타나는 펌프 전류가 배기가스 내 질소 산화물에 대한 척도가 된다.
특히 OBD-Ⅱ 법규를 충족시키기 위하여, NOx 센서는 엔진 제어 장치에서 다양한 진단을 가능케 해야 한다. 이 경우, 접지에 대한 또는 배터리에 대한 다양한 콘택들 간의 단락을 검출하는 전기적 진단과; 센서의 오프셋(0ppm에서의 오류)을 모니터링하기 위한 타당성 검증과; 높은 NOx 농도에서 가능한 센서 오류를 검출할 수 있는 소위 자가 진단(NOx 셀 상태 기능); 간에 차이가 있다. 공지된 자가 진단의 실행은 도 2를 참조해서 구현된다. 0을 초과하는 규정된 NOx 펌프 전류를 시뮬레이션하기 위하여, 예를 들어 425mV의 네른스트 전압(VS)이 225mV로 강하된다. 이로 인해, 배기가스로부터 유래하는 작은 비율의 O2 분자는 더 이상 산소 펌프 셀(18)에서 펌핑되지 않고, 오히려 제2 확산 배리어(15)를 통과해서 NOx 펌프 전극(22)까지 도달한다. 몇 초 이후, 본 예에서 대략 300ppm에 상응하는 안정된 NOx 펌프 전류가 설정되었다. NOx 신호가 수 초에 걸쳐 적분됨에 따라, 결과는 적분값이 된다. 그 다음에, 네른스트 전압이 재차 425mV로 상승하고, 센서는 정상 작동 모드로 되돌아가며, 이 경우 짧은 대기 시간 이후 NOx 신호가 재차 릴리스된다. 시스템의 초기 보정 시(신규 부분), 통상적으로 측정된 적분값이 기준값으로서 저장됨으로써, 향후의 작동 시 측정 가능한 적분값이 상기 기준값과 비교될 수 있다.
도 3은, 본원 방법에 따른 자가 진단에서의 신호 프로파일을 도시하며, 여기서는 네른스트 전압의 강하 후에 NOx 신호의 적분이 고려되는 것이 아니라, 상황에 따라 존재할 수 있는 NOx 센서의 동특성 악화를 추론할 수 있도록, 결과적으로 나타나는 펌프 전류의 시간 프로파일이 고려된다. 도면에 도시된 NO/O2 신호는, 도 2를 참조해서 도시된 방법과 대등하게 수행된 자가 진단으로부터 도출된 것이다. 도 3에는, 정상 상태의 NOx 센서에서 예상될 수 있는 신호 프로파일(300)이 도시되어 있다. 또한, 정상이 아닌 센서를 추론하게 하는 신호 프로파일(400)도 도시되어 있다. 신호(300)의 상승 및 하강이 신호(400)에서보다 훨씬 더 급격하다. 본 발명에 따라, 개별 신호의 동적 프로파일이 예를 들어 신호 프로파일의 구배를 참조해서 평가된다. 예를 들면, 증가하는 펌프 전류에서의 구배 또는 네른스트 전압의 증가 후 다시 감소하는 펌프 전류에서의 구배를 나타내는 값이 결정될 수 있다. 개별 값이 적합한 기준값 또는 기대값과 비교될 수 있음으로써, 신호 프로파일(400)에서와 같이 상황에 따라 존재할 수 있는 동특성 악화가 추론될 수 있다. 이로 인해, 특히 NOx 센서 내부에서 NOx 펌프 전극에서의 손상(오염된 전극) 및/또는 확산 배리어에서의 손상(그을린 NOx 확산 배리어)이 검출될 수 있다. 예컨대 작동 동안에 NOx 펌프 전극이 오염으로 인해 강하게 손상되면, NOx 펌프 셀에서의 반응이 지연되고, 그럼으로써 이는 자가 진단 동안 구배의 평가에 의해 인지될 수 있다. 이 경우, 신호 구배의 평가는 양방향으로 수행될 수 있다. 한 편으로는, 네른스트 전압의 강하 동안(자가 진단의 시작 시) 발생하는 펌프 전류의 증가 동안 구배가 평가될 수 있다. 다른 한 편으로는, 네른스트 전압의 증가로 인한 펌프 전류의 감소 시(자가 진단의 말미에) 구배가 평가될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 NOx 센서에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명에 따른 방법은, 산소를 가득 채우는 방식으로 자가 진단이 수행되는 다른 NOx 센서에서도 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 산소 이온 전도성 고체 전해질, 하나 이상의 공동(12), 네른스트 셀(21) 및 하나 이상의 공동(12) 내에 배치되는 NOx 펌프 전극을 갖는 NOx 센서(10)를 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
    NOx 센서의 자가 진단 동안, 네른스트 셀(21)의 전압 강하에 의해 NOx 센서의 하나 이상의 공동(12)을 소정의 산소 농도로 채우는 단계;
    그로 인한 NOx 펌프 전류(300, 400)의 시간 프로파일을 평가하고, 상기 NOx 펌프 전류(300, 400)의 시간 프로파일을 나타내는 하나 이상의 변수가 평가되는 단계; 및
    하나 이상의 기준값과 상기 하나 이상의 변수를 비교할 때의 차이를 결정하는 것에 응답하여, NOx 센서(10)의 동특성 악화를 추론하는 단계를 포함하는, NOx 센서의 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서, 시간 프로파일은 자가 진단 동안 펌프 전류(300, 400)의 상승 시의 구배를 나타내는 변수에 기초하여 평가되는 것을 특징으로 하는, NOx 센서의 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서, 시간 프로파일은 자가 진단 동안 펌프 전류(300, 400)의 하강 시의 구배를 나타내는 변수에 기초하여 평가되는 것을 특징으로 하는, NOx 센서의 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서, NOx 센서(10)의 동특성 악화를 추론하는 단계는, NOx 센서 내 NOx 전극(22)의 오염, 또는 NOx 센서 내 NOx 확산 배리어(15)의 그을림, 또는 NOx 센서 내 NOx 전극(22)의 오염 및 NOx 센서 내 NOx 확산 배리어(15)의 그을림 모두를, 추론하는 것을 특징으로 하는, NOx 센서의 모니터링 방법.
  5. 제1항에 있어서, NOx 센서(10)는 자동차 내연 기관의 배기가스 라인 내에 배치되도록 구성되는, NOx 센서의 모니터링 방법.
  6. 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 있고 제1항 또는 제2항에 따른 방법의 단계들을 수행하도록 설계된 컴퓨터 프로그램.
  7. 제6항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는, 기계 판독 가능한 저장 매체.
  8. 제1항 또는 제2항에 따른 방법의 단계들을 수행하도록 설계된 전자 제어 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 NOx 센서는 내연 기관에 할당된 터보차저 하류에, 또는 질소 산화물 저장 촉매 컨버터 하류에, 또는 디젤 입자 필터 하류에, 또는 SCR 촉매 컨버터 상류에, 또는 SCR 촉매 컨버터 하류에 배치되도록 구성되는, NOx 센서의 모니터링 방법.
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