KR19980067018A - 자동차용 3원 배기가스 정화촉매의 열화를 감지하기 위한 산소 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소 센서에 관한 것이다. 이온 전도성 고체 전해질층, 상기 고체 전해질층의 서로 다른 면에 각각 형성되어 있는 캐소드 및 애노드 및 상기 캐소드를 덮고 있는 제1 기체 확산 제어 장벽 및 상기 애노드를 덮고 있는 제2 기체 확산 제어 장벽을 포함하는 산소 센서에 있어서, 상기 제1 기체 확산 제어 장벽을 통과하는 산소의 확산량과 상기 제2 기체 확산 제어 장벽을 통하는 환원성 가스의 확산량이 비슷해지도록, 상기 제2 기체 확산 제어 장벽의 구조가 상기 제1 기체 확산 제어 장벽의 구조보다 치밀하게 형성되어 있는 산소 센서를 이용하면, 연료의 과잉 또는 희박 여부에 관계없이 촉매의 열화 여부를 정확하게 판단할 수 있다.

Description

자동차용 3원 배기가스 정화촉매의 열화를 감지하기 위한 산소 센서

본 발명은 산소 센서에 관한 것으로서, 특히 자동차의 배기가스 정화를 위해 사용되는 3원 촉매의 열화를 감지하는데 적합한 산소 센서에 관한 것이다.

산소 센서의 두 전극사이에 일정한 전압을 인가하면 연료 과잉 영역에서는 애노드쪽의 기체 확산 제어 장벽을 통과하는 일산화탄소, 수소 등의 불완전연소가스의 확산량에 비례하는 전류가 발생하고, 연료 희박 영역에서는 캐소드쪽의 기체 확산제어장벽을 통과하는 잔류 산소의 확산량에 비례하는 전류가 발생한다. 이 때 인가하는 전압은 센서의 전류-전압특성에 따라 조금씩 다르지만 0.1 내지 0.8V사이에서 결정하는 것이 보통이다.

한편, 자동차의 배기가스중에는 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물과 같은 유해가스가 함유되어 있다. 따라서 자동차에는 유해가스를 제거하기 위한 3원 촉매가 구비되어 있는 것이 일반적이다. 3원 촉매를 장착한 자동차의 엔진은 정상 주행시 λ=1(λ는 공연비로서, 완전연소가 이루어지는 경우의 공기와 연료의 혼합비율은 λ=1로 정함)을 기준으로 연료과잉 영역과 희박영역사이에서 왕복제어된다. 이 때 배기가스가 정화촉매를 통과하면서 연료 희박 영역의 잔류산소와 연료과잉영역의 CO, H2가 대부분 반응하여 CO2,H2O를 형성한다. 그러나 정화촉매가 열화되면 미처 반응하지 못한 산소나 CO, H2 등이 배출된다. 따라서 촉매를 통과한 배기가스가 지나가는 통로에 센서를 설치하여 이들 미반응가스의 양을 측정하면 촉매의 열화정도를 감지할 수 있다.

배기가스의 열화정도를 감지하기 위하여, 종래에 사용되는 산소 센서는 평판형 고체 전해질 (1)의 양쪽에 두 개의 전극 (2,2') 및 두 개의 전극 위에 동일한 정도의 확산제어 능력을 갖는 확산 제어 장벽 (3,3')이 설치되어 있다(도 1). 이러한 센서에 일정한 전압을 인가하면, 연료 희박 영역에서는 잔류 산소의 양에 비례하는 제한전류가 발생되는 반면, 연료 과잉 영역에서는 CO, H2의 양에 비례하는 제한전류가 발생한다.

도 2에는 종래의 제한 전류 산소 센서의 감지 특성이 나타나 있는데, 연료 과잉 영역에서는 공연비의 변화에 따른 전류의 변화가 매우 큰 것을 알 수 있다. 센서가 연료 희박 영역보다는 연료 과잉 영역에서 훨씬 민감하게 반응하는 것이다. 또한, 제한 전류가 흐르는 방향은 연료 과잉 영역이나 희박 영역에서 동일하므로, 연료의 과잉 또는 희박 여부에 따라 전류값에 대한 보정이 불가능하다. 따라서, 엔진이 연료 희박 영역 쪽으로 치우쳐 동작할 때에는 제한 전류값이 작지만, 연료 과잉 영역 쪽으로 치우쳐 동작할 때에는 제한 전류값이 상대적으로 커서 촉매의 열화가 매우 심한 것으로 잘못 판단될 수 있다.

이와 같이 센서의 감지가 잘못되는 것은 CO, H2의 확산속도가 산소에 비해서 훨씬 빠르기 때문이다. 종래의 센서는 캐소드와 애노드에 동일한 기체 확산제어 장벽이 설치되어 있는데, 이 경우 연료 과잉 영역에서는 연료 희박 영역에서보다 상대적으로 큰 제한 전류가 발생하는 것이다.

또한, 캐소드와 애노드에 설치하는 기체 확산 제어 장벽이 동일할 경우 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다. 연료 희박 영역의 경우에는 캐소드에 공급되는 산소 기체에 의해 제한 전류가 발생하기 때문에 별 문제가 없지만, 연료 과잉 영역의 경우에는 애노드에 확산해 들어오는 CO, H2를 산화시키기 위해 캐소드로부터 충분한 양의 산소를 공급해주어야 한다. 그러나, 연료 과잉 영역에서 산소는 대부분 CO2의 분해를 통해 공급되기 때문에 전극에 상당한 무리가 따를 뿐만 아니라, 산소의 원활한 공급도 어렵다는 문제점이 있다. 특히, 연료의 과잉 정도가 커서 다량의 CO, H2가 확산해 들어오는 경우에는 공급되는 산소가 부족할 수 있다. 이 경우, 센서에는 연료 과잉 정도에 비례하는 제한 전류가 흐르지 않기 때문에, 연료의 과잉 정도를 정확하게 감지하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하여 연료의 과잉 또는 희박 정도에 비례하여 제한전류가 발생하여, 촉매의 열화 정도를 정확하게 감지할 수 있는 제한전류형 산소 세서를 제공하는 것이다.

도 1은 종래에 사용되는 촉매 열화감지 산소 센소에 대한 개략적인 도면이다.

도 2는 종래의 촉매 열화감지 산소 센서의 감지 특성을 나타내는 그래프이다.

도 3은 작동할 수 있도록 구성되어 있는 센서의 개략적인 도면이다.

도 4는 연료 희박 영역에서 작동하는 센서의 반응 메카니즘을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 연료 과잉영역에서 작동하는 센서의 반응 메카니즘을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 센서의 감지 특성을 나타내는 그래프이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1.고체 전해질2,2',12,12'.전극

3,3',13,13'.기체 확산 제어 장벽

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 이온 전도성 고체 전해질층, 상기 고체 전해질층의 서로 다른 면에 각각 형성되어 있는 캐소드 및 애노드 및 상기 캐소드를 덮고 있는 제1 기체 확산 제어 장벽 및 상기 애노드를 덮고 있는 제2 기체 확산 제어 장벽을 포함하는 산소 센서에 있어서, 상기 제1 기체 확산 제어 장벽을 통과하는 산소의 확산량과 상기 제2 기체 확산 제어 장벽을 통하는 환원성 가스의 확산량이 비슷해지도록, 상기 제2 기체 확산 제어 장벽의 구조가 상기 제1 기체 확산 제어 장벽의 구조보다 치밀하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 산소 센서가 제공된다.

즉, 본 발명의 센서는 종래에 일반적으로 사용되는 센서와 구조가 유사하지만, 두 개의 전극 위에 구비되어 있는 기체 확산 제어 장벽의 기체 확산 능력이 서로 다른 것을 특징으로 한다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 센서는 이온 전도성이 있는 고체 전해질 (11)의 양면에 캐소드 (12) 및 애노드 (12')가 형성되어 있으며, 두 개의 확산 제어 장벽층 (13,13')이 캐소드와 애노드 위에 형성되어 있다. 여기에서, 애노드(12')를 덮고 있는 기체 확산 제어 장벽층 (13')은 캐소드 (12)를 덮고 있는 기체 확산 제어 장벽층 (13)에 비해 구조가 치밀하여, 기체 확산이 어렵다.

한편, 기체 확산 속도를 결정하는 주요 원인은 기체의 분자량 차이이다. 주변 온도와 같은 조건이 일정하고 일산화탄소와 수소의 비가 불변이라면, 애노드 쪽의 확산 제어 장벽을 통과하는 수소 및 일산화탄소에 대한 캐소드 쪽의 확산 제어 장벽을 통과하는 산소의 비는 일정하다. 그러나, 일산화탄소와 수소의 비율이 변하면 확산 제어 장벽을 통과하는 기체의 비가 변동한다. 예를 들면, 일산화탄소에 비해 수소의 양이 많을수록 애노드 쪽의 확산 제어 장벽을 통과하는 기체의 양은 많아진다. 이로 인해, 캐소드 쪽 확산 제어 장벽을 통과하는 기체와 애노드 쪽 확산 제어 장벽을 통과하는 기체의 비율은 조건에 따라 달라질 수밖에 없다.

실험적 관찰에 의하면, 연료 과잉 분위기에서 동일한 확산 제어 장벽을 통과하는 불완전가스의 확산량은, 연료 희박 분위기에서의 산소 확산량에 비해 3배 정도 빠른 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과에 따라, 본 발명에 따른 센서는, 애노드 쪽의 확산 제어 장벽 구조를 치밀하게하여 단일 기체에 대한 확산량이 3배 정도 차이가 나도록 되어 있다. 이 경우, 캐소드 위의 확산 제어 장벽층 (13')을 통과하는 CO, H2 등은 산소에 비해 확산 능력이 크기 때문에, 두 기체 확산 제어 장벽층 (13,13')을 통과하는 기체의 확산량이 유사하게 되는 것이다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 센서의 동작 원리를 설명하기로 한다.

연료 희박 영역에서는 연료가 완전 연소하는데 필요한 산소보다 많은 양의 산소가 존재하기 때문에, 배기 가스에는 산소가 잔류하게 된다. 이 때, 잔류 산소는 연료 희박 정도에 비례한다. 이러한 배기가스 중에서 본 발명의 센서를 동작시키면, 도 4에 나타난 바와 같은 반응이 일어난다. 즉, 캐소드 (12)와 애노드 (12') 사이에 전압을 인가하면, 캐소드 주위의 산소가 캐소드 (12)로부터 전자를 얻어 산소 이온으로 전환된다. 산소 이온은 고체 전해질 (11)을 통하여 애노드 (12') 쪽으로 이동하여, 애노드 (12')에 전자를 주고 산소 분자로 전환된다. 이러한 과정을 산소 펌핑이라고 한다. 산소의 펌핑량은 확산 제어 장벽 (13)을 통해 공급되는 산소의 공급량에 의해 제한되며, 산소의 공급량은 배기가스 중의 산소 농도에 비례하게 된다. 따라서, 산소 펑핑시에 고체 전해질을 통해 흐르는 제한전류를 측정하면, 연료 희박 정도를 알 수 있다.

연료 희박 영역에서의 경우와는 반대로, 연료 과잉 영역에서는 산소의 양이 연료를 모두 연소시키는데 필요한 양보다 부족하여, 배기가스 중에는 CO, H2와 같은 불완전 연소 가스들이 존재한다. 이 때, 불완전 연소 가스의 농도는 연료 과잉 정도에 비례한다. 도 5에는 본 발명의 센서를 연료 과잉 분위기에서 동작시킬 때 일어나는 반응이 나타나 있다. 연료 희박 분위기의 경우와는 달리, 캐소드 (12)와 주변에는 산소의 농도가 매우 미미하다. 따라서, 캐소드 (12)와 애노드 (12') 사이에 전압을 인가할 경우, 캐소드 (12) 주위에서는 CO2가 캐소드 (12)로부터 전자를 얻어산소 이온과 일산화탄소로 전환된다. 산소 이온은 고체 전해질 (11)을 통하여 애노드 (12') 쪽으로 이동한다. 애노드 (12')에서는 산소 이온이 CO, H2와 같은 불완전 연소 가스와 반응하여 CO2나 H2O로 전환된다. 이 때, 애노드 (12')에서 소모되는 CO, H2는 배기가스로부터 확산 제어 장벽 (13')을 통해 공급된다. 여기에서, 산소의 공급량은 CO, H2의 공급량에 의해 제한된다. 산소의 공급량이 CO, H2의 공급량을 초과하면 애노드와 캐소드 사이의 산소 농도 차이로 인해 인가 전압에 반하는 자체 기전력(∼1V)이 발생하여 산소 공급을 억제하기 때문이다. 또한, 확산 제어 장벽을 통해 공급되는 CO, H2의 양은 배기가스 중의 농도에 비례한다. 따라서, 제한전류를 측정하면 연료의 과잉 정도를 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 제한 전류 산소 센서의 감지 특성이 나타나 있는데, 연료 과잉 및 희박 영역에서 공연비의 변화에 따른 전류의 변화가 유사한 것을 알 수 있다. 일산화탄소와 수소의 확산 속도는 산소에 비해 매우 빠르기 때문에, 애노드를 덮는 기체 확산 제어 장벽의 구조를 캐소드를 덮는 기체 확산 제어 장벽에 비해 상대적으로 치밀하게 하였기 때문이다.

이와 같이, 애노드 쪽의 확산 제어 장벽을 치밀한 재질로 대체하면, 종래의 센서에서 나타나는 또 다른 문제점도 해결될 수 있다. 즉, 연료 과잉 영역에서 일산화탄소와 수소의 확산량이 줄어들기 때문에, 이를 산화시키기 위하여 캐소드로부터 공급되어야 하는 산소의 양도 줄일 수 있다. 따라서, 이산화탄소의 분해를 통해 공급되는 산소의 양이 부족하여 측정 전류값이 연료 과잉 정도에 비례하지 않는 문제점이 극복된다. 산소의 공급을 위한 이산화탄소의 분해량이 적어 캐소드의 부담을 줄일 수 있는 이점도 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 센서를 이용하면, 후술하는 바와 같이 배기가스 정화용 촉매의 열화를 감지할 수 있다.

자동차의 엔진을 제어하는데 사용하는 람다 센서는 정확한 공연비를 감지할 수 없고 단지 연료 과잉 영역(λ＜1)인지 또는 연료 희박 영역(λ＞1)인지 만을 판단할 수 있다. 따라서, 엔진을 정확하게 λ=1에서 제어하는 것이 불가능하므로, 연료 희박 영역과 연료 과잉 영역을 일정하게 왕복하도록 제어하게 된다.

엔진이 이와 같이 제어될 경우, 연료 희박 영역에서 배출되는 잔류 산소와 연료 과잉 영역에서 배출되는 CO, H2는, 배기가스 정화 촉매를 거치면서 상호 반응하여 CO2, H2O로 전환된다. 따라서, 정화 촉매를 지나는 배기가스에는 잔류 산소나 CO, H2의 농도가 거의 존재하지 않아 센서의 전류값이 거의 0에 가깝다.

그러나, 배기가스 정화 촉매가 열화되어 정화 기능이 떨어지면 일산화탄소 및 수소와 산소의 반응이 원활하게 이루어지지 못하여, 연료 희박 영역에서는 잔류 산소를, 연료 과잉 영역에서는 CO, H2를 배출하게 된다. 이 경우, 본 발명의 산소 센서에서는 상당한 양의 제한 전류가 감지되며, 촉매의 열화가 심할수록 제한전류값은 커지게 된다. 따라서, 촉매의 열화 정도는 일정시간 동안 흐른 센서의 전류값을 적분하면 확인될 수 있다.

시동 초기나 과도한 부하가 걸릴 경우, 엔진은 연료 과잉 영역에서 작동될 필요가 있다. 이 경우, 배기 가스 정화 촉매에 의해 CO, H2가 완전히 제거되는 것이 어렵기 때문에, 촉매의 열화를 감지하는 것은 무의미하다. 따라서, 전자제어장치를 이용하여 엔진이 λ=1에서 정상적으로 제어되고 있는지를 먼저 확인한 다음, 본 발명의 센서를 이용하여 촉매의 열화 여부를 감지하여야 한다.

이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 산소 센서에서는 캐소드 쪽의 기체 확산 제어 장벽을 통하여 확산해 들어오는 산소 가스와 애노드 쪽의 기체 확산 제어 장벽을 통하여 확산해 들어오는 수소나 일산화탄소와 같은 환원성 가스의 확산량이 유사하다. 따라서, 본 발명의 센서를 이용하면 촉매의 열화 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있다.

Claims (2)

1. 산소 이온 전도성 고체 전해질층;

   상기 고체 전해질층의 서로 다른 면에 각각 형성되어 있는 캐소드 및 애노드; 및

   상기 캐소드를 덮고 있는 제1 기체 확산 제어 장벽 및 상기 애노드를 덮고 있는 제2 기체 확산 제어 장벽을 포함하는 산소 센서에 있어서,

   상기 제1 기체 확산 제어 장벽을 통과하는 산소의 확산량과 상기 제2 기체 확산 제어 장벽을 통하는 환원성 가스의 확산량이 비슷해지도록, 상기 제2 기체 확산 제어 장벽의 구조가 상기 제1 기체 확산 제어 장벽의 구조보다 치밀하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 산소 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 환원성 가스는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 센서.