KR20010071083A - 자동차에서 배출 프로브용 일반 기준 전위로 사용되는가상 접지를 발생시키기 위한 회로 - Google Patents

자동차에서 배출 프로브용 일반 기준 전위로 사용되는가상 접지를 발생시키기 위한 회로 Download PDF

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Abstract

마이크로-제어기에 의한 출력인 PWM 신호는 아날로그 회로를 사용하여 고체 전해물을 가진 갈바닉 산소 농도 셀의 원리에 따라 작동하는 배출가스의 일반 기준 전위로서의 가상 접지(VM)로 변환된다. 가상 접지의 실제값(VM_act)은 A/D 변환기에 의해 마이크로-제어기(20) 내에서 판독되며 미리 정의된 설정값(VM_step)과 비교된다. 이어 가상 접지의 전위 값은 차이 값(ΔVM)에 기초하여 제어된다.

Description

자동차에서 배출 프로브용 일반 기준 전위로 사용되는 가상 접지를 발생시키기 위한 회로{CIRCUIT FOR GENERATING A VIRTUAL GROUND USED AS A COMMON REFERENCE POTENTIAL FOR AN EXHAUST PROBE IN A MOTOR VEHICLE}
환경 문제가 대두되고 배출 가스 규제가 엄격해짐에 따라, 자동차에서 내부 연소 엔진의 배출 가스의 오염물질을 감소시키기 위한 필요성이 중요한 현안이 되고 있다. 일산화탄소, 질소 산화물(NOX) 및 탄화수소와 같은 오염물질에 대한 배출 한계 허용치가 한편으론 선택적인 엔진 제어 및 다른 한편으론 배출 가스의 촉매 기둥 처리를 필요로 한다. 상기 두 측정을 위해 예를 들어 람다 프로브 또는 질소 산화물 프로브 같은 배출 가스 프로브로부터 사용가능하게 측정된 측정치를 갖는 것이 필요하다.
내부 연소 엔진의 배출 가스에서 오염물질의 농도를 측정하기 위한 두꺼운 필름 센서를 사용하는 것이 공지되었다. 이러한 센서는 N. Kato 등의 간행물에서 질소 산화물 센서의 예를 사용하여 설명된다. 상기 간행물은 "Performance ofThick Film NOxsensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automative Engineers, Publication 970858, 1997 이다. 이러한 NOx는 두개의 측정용 셀 및 세개의 산소 펌프 셀을 가지며 이하의 측정 컨셉을 실행한다: 측정될 가스가 확산벽을 통해 제공되는 제 1 측정 셀에서, 제 1 산소 농도는 제 1 산소 이온 펌프 전류에 의해 셋팅되며, 질소 산화물의 분해는 없다. 확산벽을 통해 제 1 측정 셀로 연결된 제 2 측정 셀에서, 산소 함유량은 제 2 산소 이온 펌프 전류에 의해 감소되며 질소 산화물은 측정 전극에서 분해된다. 이런 방식으로 발생된 산소는 질소 산화물 농도의 측정에 사용된다. 전체 질소 산화물 센서는 예를 들어 전기적 가열 요소에 의해 700℃같은 증가된 온도로 가열된다.
그러한 센서를 동작시키기 위해, 정밀하게 산소 펌프 셀을 위한 각각의 펌프 전류를 조절하는 것이 필요하다. 자동차는 통상적으로 비대칭 공급 전압을 가지므로, 양 및 음의 펌프 전류의 발생은 공급 전압 영역 중심에서 기준 전위를 필요로 한다.
본 발명은 자동차에서 배출 가스 프로브용 일반 기준 전위로서 가상 접지를 발생시키기 위한 회로 장치에 관한 것이다.
도 1은 질소 산화물 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 가상 접지를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 블록 회로 다이어그램이다.
본 발명은 일반 기준 전위로서 가상 접지를 발생시킬 수 있는 회로 장치를 개선시키는 기술적 문제에 기초한다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1항의 특징부에 의해 달성된다. 본 발명의 이로운 개선점은 종속항에 개시된다.
아날로그 회로(21)와 관련한 마이크로-제어기는 가상 접지를 발생시키기 위해 사용된다. 가상 접지의 실제 전위 값은 A/D 변환기를 사용하여 마이크로-제어기에서 판독되며 미리 정의된 설정값과 비교된다. 가상 접지의 전위는 양 및 음의 펌프 전류가 발생할 수 있도록 결과치의 차이에 기초하여 공급 전압 영역의 중심 값으로 조절된다. 따라서, 전체 회로 장치의 측정 에러는 누설 전류 및 양자화 에러에 의한 A/D 변환의 에러까지 감소한다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 질소 산화물 센서를 위해 이하에서 설명된다.
도 1은 질소 산화물 센서(1)의 개략도이다. 이 경우 지르콘 이산화물인 고체 상태의 전해물을 포함하는 질소 산화물 센서(1)는 제 1 확산벽(3)을 통해 측정될 가스를 수용한다. 배출 가스는 확산벽을 통해 제 1 측정 셀(4)로 확산한다. 이러한 측정 셀에서 산소 함유량은 대기에 노출된 제 1 펌프 전극(5)과 기준 전극(6) 사이의 제 1 Nernst 전압(VN0)으로부터 측정된다. 여기서 기준 전극(6)은 대기가 개구부(8)를 통해 유입되는 덕트(7)에 배치된다. 두 전극(5, 6)은 통상적인 백금 전극이다.
통상적인 방법에서, 제 1 Nernst 전압(VN0)의 측정치는 제 1 작동 전압(VP0)을 셋팅하는데 사용된다. 작동 전압(VPO)은 제 1 펌프 전극(5)과 전위가 일반 기준 전위로 작용하는 가상 접지(VM)인 외부 전극(9) 사이에서 질소 산화물의 고체 상태 전해물(2)을 통해 제 1 산소 이온 펌프 전류(IP0)를 흐르게 하며, 펌프 전극(5) 및 외부 전극(9)은 제 1 펌프 셀을 형성한다. 여기서, 작동 전압(VPO)은 미리 정의된 산소 농도가 제 1 측정 셀(4)에 존재하는 방식으로 제어기에 의해 결정된다.
제 1 측정 셀(4)은 제 2 확산벽을 통해 제 2 측정 셀(10)에 연결된다. 측정 셀(4)에 존재하는 가스는 이러한 확산벽(11)을 통해 제 2 측정 셀(10)로 확산한다. 제 2 측정 셀(10)에서의 제 2 산소 농도는 백금 전극인 제 2 펌프 전극(12)과 기준 전극(6) 사이의 제 2 Nernst 전압(VN1)에 의해 측정되며, 제 2 산소 이온 펌프 전류(IP1)를 흐르게 하는 제 2 작동 전압(VP1)을 셋팅하기 위해 제어기에 의해 사용된다. 제 2 측정 셀(10)로부터의 제 2 산소 이온 펌프 전류(IP1)는 고체 상태 전해물(2)을 통해 제 2 펌프 전극(12)으로부터 외부의 전극(제 2 펌프 셀)(9)으로 흐른다. 제 2 측정 셀(10)에서 미리 정의된 산소 농도를 셋팅하는 것이 사용된다.
측정 셀(4 및 10)에서 앞선 절차에 의해 영향받지 않는 질소 산화물 농도는 촉매작용의 활동 설계인 측정 전극(13)에서 결정된다. 이를 위해 제 3 산소 농도는 측정 전극(13)과 기준 전극(6) 사이의 제 3 Nernst 전압(VN2)에 의해 측정되며, 제어기에 의해 제 3 작동 전압(VP2)을 셋팅하기 위해 사용된다. 측정 전극(13)과외부 전극(제 3 펌프 셀)(9) 사이에 이러한 작동 전위(VP2)를 인가함으로써, 질소 산화물은 분해되며 배출된 산소는 제 3 산소 이온 펌프 전류(IP2)에서의 고체 상태 전해물(2)을 통해 외부 전극(9)으로 펌핑된다. 측정 셀(10)에서의 잔여 산소 함유량이 충분히 낮은 경우, 제 3 산소 이온 펌프 전류(IP2)는 질소 산화물의 분해에 기인한 산소 이온에 의해 유도된다. 따라서, 이것이 측정 셀(10) 즉, 측정될 배출 가스에서의 질소 산화물 농도의 측정치이다. 이러한 질소 산화물 센서는 온도에 상당히 의지하므로, 가열 부재(14)는 필요한 측정 정밀도를 유지하기 위해 프로브 온도가 항상 미리 정의된 온도 영역에 있는 것을 보장한다.
아날로그 회로와 관련하여, 마이크로-제어기(20)는 공급 전압 영역의 중심에서 일반 기준 전위로서의 가상 접지를 발생시키기 위해 사용된다. 회로 장치는 도 2에 상세하게 도시된다. 마이크로-제어기 내의 PWM 유닛(22)에서 발생되는 펄스폭 변조된 신호는 아날로그 필터 회로(23)를 사용하는 DC 전압 신호로 변환된다. 충분히 낮은 출력 임피던스를 얻기 위해, 임피던스 변환기(24)는 예를 들어 상보형 에미터 폴로워 또는 버퍼 증폭기로서 연결된 연산 증폭기의 형태로 하향으로 연결된다. 임피던스 변환기(24)의 출력 전위는 A/D 변환기(25)에 의해 마이크로-제어기(20) 및 차동 형성부(difference former)(26)에 대한 가상 접지(VM_act)의 실제값으로서의 출력으로 판독된다. 차동 형성부(26)는 실제값(VM_act)과의 차이 값(ΔVM) 및 가상 접지의 설정값(VM_step)을 결정한다. 설정값은 바람직하게 마이크로-제어기(20)에 집적된 ROM(27)으로부터 판독된다. 예를 들어 EPROM 같은 프로그램 가능한 ROM이 사용되면, 센서의 작동 수명 동안 발생할 수도 있으며 비대칭 보상 또는 재표준화를 실행할 수 있다. 차이값(ΔVM)은 예를 들어 PWM 유닛(22)을 제어하는 마이크로-제어기(20) 내의 PID 제어기와 같은 제어기(28)에 제공된다.
집적된 A/D 변환기를 가진 마이크로-제어기를 사용하는 결과로, 회로 장치 내에서 전위를 판독할 수 있으며, 상이한 구성으로 원하는 바에 따라 처리할 수 있다. 이러한 식으로, 대응하는 허용오차를 가진 차이에 대해 추가의 아날로그 구성을 없게 하는 것이 가능하다. 따라서, 순수한 아날로그 회로와 비교하여, 아날로그 회로와 마이크로-제어기의 결합은 회로의 전체 에러가 발생하는 양자화 에러 및 누설 전류인 A/D 변환기의 에러까지 감소되게 한다.
본 발명은 예를 들어 질소 산화물 센서 같은 수단으로 설명되나, 대응하는 회로 장치는 예를 들어 선형 산소 프로브 같은 고체 전해물을 가진 갈바닉 산소 농도 셀의 원리에 따라 작동하는 다른 배출 가스 프로브에 대해 적합할 수 있다.

Claims (5)

  1. 고체 전해물을 가진 갈바닉 산소 농도 셀의 원리에 따라 작동하는 배출 가스에 대해 가상 접지(VM)를 발생시키기 위한 회로 장치에 있어서,
    마이크로-제어기(20)를 포함하는데, 상기 마이크로-제어기에 의해 가상 접지(VM_act)의 실제값이 결정되고 펄스폭 변조 신호가 발생되며;
    상기 펄스폭 변조 신호가 가상 접지(VM)로 변환되게 하는 아날로그 회로(21); 및
    상기 가상 접지(VM_step)의 설정값이 판독되는 ROM(27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 ROM(27)은 프로그램 가능한 것을 특징으로 하는 회로장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 ROM(27)은 마이크로-제어기(20) 내에 집적되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로-제어기(20)는,
    상기 차이 값(ΔVM)이 상기 가상 접지의 실제값(VM_act) 및 상기 가상 접지의 설정값(VM_step)으로부터 형성되게 하는 차동 형성부(26);
    상기 펄스폭 변조된 신호가 발생되게 하는 PWM 유닛(22); 및
    PWM 유닛(22)이 상기 차이 값(ΔVM)에 기초하여 제어되게 하는 제어기(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 아날로그 보상 회로(21)는,
    상기 펄스폭 변조 신호가 DC 전압 신호로 변환되게 하는 필터 회로(23); 및
    상기 마이크로-제어기의 출력 임피던스가 적응되게 하는 임피던스 변환기(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
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