KR19980067017A - 3원촉매 열화진단용 제한전류형 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기가스의 정화에 사용되는 3원촉매의 열화진단에 유용한 제한전류형 센서에 관한 것으로서, 고체전해질층상에 형성되어 있는 2개의 전극 및 상기 양 전극을 덮고 있는 확산장벽을 포함하며, 양 전극간에 일정전압을 인가할 때 발생하는 전류를 측정함으로써 3원촉매의 열화정도를 진단할 수 있도록 한 제한전류형 센서를 제공한다.

본 발명의 센서는 연료희박, 연료과잉 어느 경우에나 배기가스 중의 O2나 CO, HC, H2의 양에 비례하는 출력특성을 나타내게 되므로 본 발명의 센서를 이용하면 촉매의 열화정도를 정량적으로 검지할 수 있다.

Description

3원촉매 열화진단용 제한전류형 센서

본 발명은 제한전류형 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차 배기가스정화에 사용되는 3원촉매의 열화진단에 이용되는 제한전류형 센서에 관한 것이다.

자동차의 배기가스중에는 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물과 같은 유해 3원가스가 포함되어 있으며 이 3원가스를 제거하기 위해 일반적으로 3원촉매가 사용되고 있다. 이러한 촉매가 정상적으로 작동될 경우 배기가스 중에 포함된 유해가스는 거의 제거되나 촉매가 열화되는 경우에는 유해가스가 충분히 제거되지 못한 상태에서 대기중으로 배출되게 된다. 따라서 촉매의 열화정도를 진단할 필요가 있으며, 이러한 진단방법으로서 촉매의 전,후단에 람다 센서를 장착하고 양자간의 센싱시그널을 비교하여 그 차이에 의해 촉매의 열화정도를 알아내는 방법이 주로 사용된다.

그러나, 람다 센서는 구조가 간단하고 저렴한 비용으로 구현할 수 있다는 장점에도 불구하고, 당량점인 λ=1(이론공연비=14.7) 부근에서만 급격한 시그널변화를 나타내므로 촉매의 열화가 어느 정도 진행된 후로는 거의 비슷한 시그널을 보이게 되어 더 이상의 열화정도를 측정하기 곤란하다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 연료과잉영역에서 연료희박영역까지 광범위한 영역에서 공연비를 감지하는데 사용되는 광역공연비 센서를 설치하여 촉매의 열화정도를 진단하는 방법이 제시되었다(SAE 920234).

광역공연비 센서는 일반적인 제한전류형 센서를 개량보완하여, 즉 농담전지형 센서를 제한전류형 센서에 덧붙여, 공연비에 따라 적절하게 인가전압의 방향 및 크기를 변화시킴으로써 연료희박영역에서 연료과잉영역까지의 넓은 범위에서 공연비를 감지할 수 있도록 한 센서이다.

일반적인 제한전류형 센서는 인가전압에 의해 전해질층에서 펌핑되는 산소의 확산량이 확산제어장벽을 통하여 전극층으로 확산되어 들어오는 가스의 양에 의해 제한되는 현상을 이용하는 센서로서, 도 1에 그 구조를 개략적으로 나타내었다.

도 1의 제한전류형 센서는 YSZ(Ytttia Stabilized Zirconia)등으로 형성된 고체전해질층(11), 고체전해질층의 양면에 각각 하나씩 형성된 전극(12,13) 및 상기 두 전극 중 하나의 전극(12)위에 설치된 가스확산저지능력을 갖는 확산제어장벽(14)을 포함한다.

도 2는 상기의 제한전류형 센서를 이용하여 연료희박영역과 연료과잉영역의 각 경우에 측정한 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 제한전류의 출력은 연료희박영역의 경우에는 하기 식(1)에 따라, 연료과잉영역의 경우에는 하기식(2)에 따라 표현된다.

Ip = (4FD1S/RTL)× P1 (1)

Ip = (2FD2S/RTL)× P2 (2)

여기서 F는 패러데이 상수, D1은 O2의 확산계수, D2는 CO의 확산계수, S는 가스확산로의 단면적, L은 가스확산로의 길이, R은 기체상수, T는 절대온도, P1은 O2 분압, P2는 CO 분압을 의미한다.

그래프에서 보는바와 같이, 전압의 증가에도 불구하고 전류값이 일정한 부분이 나타나며 그 절대값은 λ1인 연료희박영역에서는 산소농도에 비례하여 증가하고, λ1인 연료과잉영역에서는 일산화탄소농도에 비례하여 증가하므로 이 특성을 촉매의 열화진단에 이용할 경우 열화정도에 비례하여 출력시그널을 얻을 수 있다. 그러나 위에서 언급된 바대로 제한전류형 센서의 경우 연료희박 또는 연료과잉의 여부에 따라 전압의 방향을 달리 인가해 주어야 할 필요가 생긴다.

이에 따라 광역공연비 센서가 고안되었는데, 광역공연비 센서는 제한전류형 센서에 센싱 셀을 추가하고 공연비에 따라 적절하게 전압의 방향 및 크기를 변화시켜 주기 위한 별도의 구동회로를 설치한 센서이다.

이 센서는 공연비에 따른 선형적인 출력특성을 나타내므로 이를 촉매의 열화진단에 사용하게 되면 촉매의 열화정도를 정량적으로 감지할 수 있다(SAE 920234).

도 3a 내지 3c는 상기 문헌(SAE 920234)에서 인용한 실험데이타로서 람다 센서와 광역공연비 센서를 촉매의 열화성진단에 사용할 경우 나타나는 출력특성을 비교한 그래프이다.

여기서, 도 3a, 3b 및 3c는 각각 촉매효율이 80%, 50% 및 10%인 경우에 광역공연비 센서와 람다 센서가 나타내는 출력시그널을 보여주고 있는데, 촉매의 열화가 심할수록(촉매효율이 낮아질수록), 람다 센서의 경우에는 촉매후단에 설치된 센서의 출력변화가 크지 않음에 반해 광역공연비 센서는 현저한 출력시그널의 증가(진폭 증가)를 나타내고 있다. 따라서 촉매의 열화성진단에 있어서 광역공연비 센서가 보다 적합한 센싱특성을 지니고 있음을 알 수 있다.

그러나, 공연비를 감지하는 센서에 비해 촉매의 열화정도를 진단하는 센서의 경우는 연료희박 또는 연료과잉의 여부에 관계없이 그 절대량에 대한 선형적인 센싱시그널을 얻을 수 있으면 족하기 때문에 광역공연비 센서를 촉매의 열화진단에 사용하는 것은 경제적으로 적합치 않다는 문제점이 있다. 즉, 광역공연비 센서는 동작원리상 매우 복잡한 구조를 택할수 밖에 없으며, 별도의 구동회로가 필요한 관계로 가격면에서 채택이 용이하지 않다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적과제는 촉매의 열화정도를 정량적으로 측정할 수 있으면서도 간단한 구조와 저렴한 비용의 촉매 열화진단용 센서를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 제한전류형 센서를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 제한전류형 센서에 있어서 가스농도에 따른 전류(Ip)-전압(Vp)특성을 나타낸 그래프이다.

도 3a 내지 3c는 각각 rpm이 1800, 1900 및 1500인 경우에, 람다 센서와 광역공연비 센서의 촉매열화 검지특성을 비교한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제한전류형 센서를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 센서에 있어서 확산제어장벽에 따른 제한전류특성을 비교한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 센서와 람다 센서의 엔진에서의 동작특성을 비교한 그래프이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,41 : 고체전해질층14,44,45 : 확산제어장벽

12,13,42,43 : 전극46 : 센서가열용 히터

상기 과제를 달성하기 위해서 본 발명에서는 산소이온전도성 고체전해질층, 상기 고체전해질층상에 형성된 두개의 전극 및 상기 두개의 전극을 덮고 있는 두개의 확산제어장벽을 포함하는 제한전류형 센서가 제공된다.

본 발명에 의한 제한전류형 센서에 있어서, 두개의 전극은 고체전해질층의 양면에 각각 한 개씩 형성되거나, 고체전해질층의 일면에 두개가 모두 형성될 수도 있다.

본 발명에 의한 제한전류형 센서는 종래의 일반적인 제한전류형 센서의 동작원리에 착안하여 간단한 구조와 구동방법을 채용하면서 상기의 광역공연비 센서와 유사한 출력특성을 나타낼 수 있도록 개량한 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제한전류형 센서의 개략적인 도면이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 센서는 산소이온전도성을 갖는 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)로 형성된 평판형의 고체전해질(41), 고체전해질층의 양면에 각각 한 개씩 형성된 전극(42,43), 상기 전극위에 각각 설치된 확산제어장벽(44,45) 및 센서가열용 히터(46)를 포함한다.

본 발명의 센서에, 한 전극을 캐소드, 나머지 전극을 애노드로 하여 일정전압을 인가하게 되면, 3원촉매의 열화정도에 대응하는 제한전류의 출력을 얻을 수 있다. 즉, 연료희박영역에서는 캐소드의 확산장벽에 의해 배기가스에 포함된 산소의 양에 비례하는 제한전류가 발생하는 한편, 연료과잉영역에서는 일산화탄소 등 환원성가스에 비례하는 제한전류가 애노드쪽의 확산장벽에 의해 발생한다.

따라서 본 발명의 센서를 자동차 배기가스정화에 이용되는 촉매의 후단에 설치하면 촉매의 열화정도를 감지할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 고체전해질층에 형성된 두개의 전극위에 확산제어장벽을 각각 설치함으로써 기존의 광역공연비 센서에서 연료희박 또는 연료과잉의 여부에 따라 전극의 극성을 전환시키는 별도의 구동회로가 요구되었던 것에 비하여 훤씬 간단한 구조를 채용하면서 광역공연비 센서가 나타내는 출력과 유사한 출력특성을 갖는 제한전류형 센서를 제공한다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 단, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 제한되는 것은 아니다.

실시예

YSZ 그린시트(4×50×1㎜)의 한쪽 끝 부근의 양면에 백금전극(2×4㎜)을 각각 프린팅하였다. 이때 리드선과 연결하기 위해 0.5㎜ 너비의 백금전극을 그린시트상에 다른쪽 끝까지 프린팅하였다. 가스 확산제어장벽으로서, 0.5㎜ 두께의 다공성 그린시트(알루미나(30wt%, 평균직경=1.0㎛) + YSZ(70wt%, 평균직경=0.05㎛))를 백금전극들이 충분히 덮이도록 설치하였다. 이어 백금 리드선을 붙인 후 1450℃에서 2시간 소결하여 도 4에 도시된 바와 같은 센서를 제작하였다.

센서가열용 히터는 알루미나 그린시트(4×50×1㎜)상에 백금 히터패턴을 프린팅하여 1500℃에서 2시간 소결하여 제작하였다. 센서와 히터를 조합한 후 케이싱하여 실제의 자동차엔진(현대 소나타 2.0엔진)을 사용하여 동작특성을 측정하였다.

도 5a 및 5b는 확산제어장벽의 제한전류특성을 보여주고 있다. O2 1%에서 전극의 극성을 교체하여 제한전류를 측정하였다. 도 5a와 5b를 비교할 때, 도 5a는 전극 42를, 도 5b는 전극 43을 캐소드로 한 경우의 제한전류특성을 나타낸 것으로서 양 그래프가 거의 동일한 결과를 보이고 있다. 즉, 두개의 확산제어장벽에 대하여 약 1㎃의 거의 동일한 값을 나타내고 있다. 이로부터 두개의 확산제어장벽이 가스확산 저지능력면에서 유사하다는 점과 함께 그 제한전류량이 당량점(λ=1)부근에서의 가스농도에 대해 충분한 분해능을 가지는 양임을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 제한전류형 센서를 엔진에 설치했을 때의 동작특성을 보여주고 있다. 오실로스코프를 사용하여 전압을 측정하였는데, 본 발명의 센서에서 나타내는 전류값 측정을 위해서 150Ω의 직렬저항을 부착한 후 이 저항에서의 전압강하를 측정하는 간접방식을 사용하였다. 이 때 센서에 인가한 전압은 0.5V였다. 또한 본 발명의 목적이 촉매의 열화진단에 있어서 광역공연비 센서를 대체할 새로운 센서를 제시하는 데 있다는 점을 고려하여, 실험의 편의상 촉매전단의 구동용 람다센서 옆에 본 실시예에 따라 제조된 센서를 설치하여 그 때의 동작특성을 그래프상에서 비교하였다.

그래프에서 위에 나타나 있는 파형은 본 발명의 센서가 나타내는 출력이고, 아래의 파형은 람다 센서가 나타내는 출력이다. 상기한 바대로 람다 센서의 출력시그널을 살펴보면 λ=1을 중심으로 엔진의 공연비가 연료희박과 연료과잉을 반복함을 알수 있다.

이에 대응하는 본 발명의 센싱시그널과 도 3a 내지 3c에 나타나있는 광역공연비 센서의 시그널(촉매 통과전의 시그널)에 있어서 차이점은 본 발명의 센서에서는 공연비가 연료과잉을 가리킬때도 양(+)의 값을 나타낸다는 것이다. 그러나 가스의 양에 비례하는 시그널을 나타내고 있다는 점에서는 큰 차이가 없음을 볼수 있으며, 따라서 본 발명의 센서는 배기가스중의 O2나 CO, HC, H2를 구별하지 않고 이들 가스의 총량을 검출하는데 특히 유용함을 알수 있다.

촉매를 통과한 배기가스 중의 O2 와 CO, HC, H2 의 양은 촉매의 열화정도에 비례하여 증가하게 된다. 따라서 이들 가스의 총량을 본 발명의 센서로 검출하게 되면 그 센싱 시그널은 광역공연비 센서의 센싱 시그널과 같이 촉매의 열화정도를 정량적으로 나타내게 되므로 이를 이용하여 촉매의 열화정도를 간단하게 진단할 수 있다.

이상에서 알 수 있는바와 같이, 본 발명에 의한 제한전류형 센서는 기존의 광역공연비 센서가 지니는 장점 중 하나인, 공연비에 따른 출력이 선형적인 특성을 보인다는 점을 보유하면서 그 광역공연비 센서의 단점으로 지적되는 비경제성, 즉 구조의 복잡성 및 공연비에 따라 전압의 방향 및 크기를 변화시켜주기 위해 요구되는 별도의 구동회로추가에 따른 가격상승이라는 문제점을 해결하고 있다.

Claims (4)

1. 산소이온전도성 고체전해질층, 상기 고체전해질층상에 형성된 두개의 전극 및 상기 두개의 전극위에 형성된 유사한 가스확산저지능력의 확산제어장벽을 포함하는 제한전류형 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 고체전해질층이 평판형태인 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 두개의 전극이 상기 고체전해질층의 양쪽면에 각각 한 개씩 형성된 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제2항에 있어서, 상기 두개의 전극이 모두 상기 고체전해질층의 일면에 형성된 것을 특징으로 하는 센서.