KR20010082317A

KR20010082317A - 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를재생시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR20010082317A
Application number: KR1020017006682A
Authority: KR
Inventors: 슈프링호른카르스텐; 슈만베른트; 자비네 티만-한들러
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2001-08-29
Also published as: EP1144830A2; EP1144830A3; DE50008834D1; DE19947239B4; WO2001023729A2; KR100725191B1; DE19947239A1; WO2001023729A3; EP1144830B1; US6551499B1; JP2003510588A

Abstract

본 발명은 특히 내연기관용 람다 센서 또는 NOx 센서의 용도로, 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 센서에는 가스 분자를 감지하는 가열 가능한 세라믹 센서와, 챔버 내에 배치된 제1 펌프 전극와, 내연기관의 배기가스 내에 배치된 제2 펌프 전극이 제공된다. 제1 및 제2 펌프 전극들 사이에는 펌프 전압은 펌프 전압원에 의해 인가되며, 그럼으로써 챔버의 내부에서 산소 부분 압력은 산소 분자의 전기화학적 펌핑에 의해 조정된다. 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계를 특징으로 한다. a) 제1 펌프 전압을 인가하고 제1 펌프 전류의 측정하는 단계, b) 제1 펌프 전압보다 높거나 낮은 제2 펌프 전압을 인가하고 제2 펌프 전류를 측정하는 단계, c) 제1 및 제2 펌프 전류 사이의 차이를 형성하는 단계, d) 상기 차이가 정의된 값을 초과한 경우, 사전 설정된 포화 펌프 전압을 인가하고 이때 발생하는 펌프 전류와 사전에 저장된 최소 펌프 전류를 비교하는 단계, e) 최소 펌프 전류와 포화 펌프 전압인 경우 발생하는 펌프 전류 간의 차이를 형성하는 단계, f) 최소 펌프 전류와 포화 전압이 인가될 때 발생하는 펌프 전류 사이의 차이가 정의된 값을 초과하면, 포화 전압보다 크며 추가 전압원에 의해 생성되는 재생 전압을 인가하는 단계.

Description

가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생시키기 위한 방법 {METHOD FOR MONITORING THE FUNCTION OF A GAS SENSOR AND/OR FOR REGENERATING THE SAME}

자동차의 배기가스 내의 산소 또는 질소 산화물 농도를 측정하기 위한 이중 챔버-NOx-한계 전류 센서가 이미 오래 전부터 공지되어 왔으며, 예컨대 공개 SAE 기술 문서 일련번호 960334 "후막 ZrO₂NOx 센서"에 분명하게 제시되어 있다. 상기 센서들은 하나의 산소 이온 전도성 세라믹, 바람직하게는 지르콘 산화물을 포함하고 있으며, 내연기관의 배기가스와 연결되어 있는 2개의 챔버를 가지고 있다. 배기가스 내 뿐 아니라, 챔버 내에는 다수의 전극들이 배치되어 있다. 세라믹의 다공성 영역을 통해 곧바로 내연기관의 배기가스와 연결되어 있는 제1 챔버 내에서는 2개의 전극을 이용하여 산소가 전기 화학적으로 펌핑된다. 이때 챔버 내에 배치된 음극에서 산소 분자의 환원이 개시된다. 그런 다음 산소 이온 전도성 세라믹 내에서는 상기와 같이 생성된 산소 이온이 인가된 전압에 의해 배기가스 스트림 내에 배치된 양극으로 운반되어 역환원이 개시되는데, 다시 말해 전자가 부가됨으로써 산소 이온으로부터 산소 분자가 된다. 사용되거나 또는 재생된 전자들은 전류로서 측정되어질 수 있다.

작동기간이 길어질수록 노후화를 통해 전류밀도가 감소하게 된다.

본 발명은 특허청구의 범위 제1항의 전제부에 따라서 특히 내연기관용 람다 센서 또는 NOx-센서로서 이용할 수 있도록 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생시키기 위한 방법에 관한 것이다.

도1은 종래 기술로부터 공지된 NOx-이중 챔버 센서에 관한 도면이다.

도2는 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생시키기 위한 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위해, 펌프 전압을 통해 센서에서 측정 가능한 전류를 개략적으로 도시한 도면이다.

도3은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 회로 구성도이다.

본 발명의 목적은 측정된 기능적 효율에 따라 가스 센서의 재생을 가능케 하는, 처음에 기술한 유형의 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생시키기 위한 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적은 특허청구의 범위 제1항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 방법은, 배기가스 센서의 기능이 모니터링될 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스 센서의 노후화가 확인되면 포화전압보다 큰 재생 전압을 인가함으로써 센서의 재생이 실행될 수 있는 이점을 갖는다.

이러한 점에서 바람직하게는 센서의 기능을 모니터링하고 재생 전압을 인가는 단계는 사전 설정된 임계값을 초과하지 않는 경우 여러 번, 바람직하게는 5회 반복된다. 상기 임계값이 초과되면 에러 메시지가 출력된다.

재생 전압에 관계해서는 상기 전압은 펌프 전압과 동일한 극성으로 이루어질 수 있으며, 또한 펌프 전압과 상반되는 극성을 포함할 수도 있다. 상기 재생 전압은 내연기관의 희박 작동 단계, 농후 작동 단계 시에 또는 공연비 λ= 1인 경우에도 인가될 수 있다.

바람직하게는, 진단 신호를 설정하거나 센서부의 에러 메모리 내에 값을 입력하기 위해, 재생 전압의 인가 시에 조정되는 전류 또는 상기 전류에 대한 다른 척도, 예컨대 상기 전류가 인가되는 시간이 측정된다.

본 발명의 추가 이점 및 특징들은 본 발명의 실시예에 대한 다음의 명세서 및 도면에서 설명된다.

도1에는 공지된 NOx-이중 챔버 센서가 도시되어 있다. 상기 센서는 예컨대 공개 SAE 기술 문서 일련번호 960334(노부히도 가또, 구니히꼬 나가끼, 노리유끼 이나)의 136면 이하에서 "후막 ZrO₂NOx 센서"에 제시되어 있다.

도1에 도시된 자동차 배기가스용 센서는 산소 전도성 세라믹, 예컨대 ZrO₂로 이루어진 다수의 층들을 둘러싸고 있다. 상기 센서는 2개의 챔버(1, 4)를 포함하고 있으며, 상기 챔버는 산소 이온 전도성 세라믹의 한 층을 통해 배기가스와 연결되어 있다. 제1 전극(2)은 내연기관의 배기가스 내에 배치되어 있으며, 상기 제1전극에 대하여 챔버(1) 내에 제2 전극(3)이 위치한다.

산소 이온 전도성 세라믹의 다공성 영역을 통해 배기가스와 곧바로 연결되어있는 제1 챔버(1) 내에서는 전극(2, 3)들을 이용하여 산소가 전기 화학적으로 펌핑된다. 이때 음극으로 작용하는 전극(3)에서는 다음의 반응이 진행된다(환원): O₂(기체상) + 4e-(음극) → 2O^2-(산소 이온 전도체). 그런 다음 산소 이온 전도성 세라믹 내에서 O^2-이온들은 전극(2, 3)들에 인가되는 전압에 의해 양극으로 작용하는 전극(2)으로 전송되며, 상기 전극에서 다음의 분해 반응(위 반응의 반대)이 개시된다: 2O^2-(산소 이온 전도체) → O₂(기체상) + 4e-(양극). 사용되거나 재생된 전극들은 전류에 의해 측정될 수 있다. 제1 챔버(1) 내에서 펌핑함으로써 조정된 낮은 산소 농도는 도면 부호 11, 12로 표시된 2개의 추가 전극들 사이의 측정 가능한 전압을 생성한다. 상기 전압은 전극(2, 3)들 사이에 인가되는 전압을 제어하는 역할을 할 수 있다.

세라믹의 다공성 부분을 통해 제1 챔버와 연결되어 있는 제2 챔버(4) 내에서는 NOx가 2개의 추가 전극(5, 6)들을 이용하여 제거된다. 상기 전극들 중 하나의 전극(5)은 음극으로서 그리고 다른 전극(6)은 양극으로서 작용한다. NOx는 전극(5)에서 N₂와 O₂로 분리되며, 동시에 위에서 실행되는 바와 같이 산소가 펌핑된다(환원). 전극들(3, 5)은, 측정될 NOx가 최초로 제2 챔버(4) 내에서 환원될 수 있는 재료로 제조된다. 상기 전극들은 예컨대 백금 합금이나 백금 로듐 합금으로이루어져 있다.

펌프 전압이 충분히 높은 경우 측정되는 전류들은 확산 장벽으로서 작용하는 다공성 부분에 의해 제한된다(한계 전류). 상기 사항은 상기 전류가 지정된 인가 전압(한계 전압) 이상으로는 계속해서 상승되지 않음을 의미한다. 그런 다음 상기 한계 전압 이상으로 측정되는 전류들은 대개의 경우 발생하는 오프셋 전류와 관계하여, 항상 챔버 앞에서는 산소 또는 질소 산화물의 존재 농도에 비례한다(한계 전류 센서). 이때 두 챔버(1, 4)에 대해 가능한 한 낮은 전압이 인가될 수 있도록 센서가 작동된다. 상기 전압은 한계 전압보다는 극미한 정도로만 높으며, 그리고 예컨대 연속 작동 시에 인가된다. 가능한 한 낮은 한계 전압은, 한계 전압보다는 작으면서 그리고 외부 조건이 정의된 상태에서 가능한 한 높은 전류를 제공하는 인가 전압이 지정된 경우에, 작동되는 전극들에 의해 달성될 수 있다.

다음에서 상기 NOx-이중 챔버 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생시키기 위한 방법이 도1, 도2 및 도3과 관련하여 설명된다.

전극(2, 3 또는 5, 6)들 사이에 그리고 상기 전극들용으로 제공되는 전류 측정 장치(7)와 펌프 전압원(8) 사이에는 예컨대 스위치(9)가 삽입되어 있는데, 스위치를 이용하여 전극(2, 3 또는 5, 6)들이 전압원(8)으로부터 분리될 수 있다. 차량의 작동 조건의 정의되는 상태에서 산소 및 질소 산화물의 펌핑을 통해 제1 및 제2 챔버(1 내지 4) 내에서의 지정된 펌프 전압이 초과될 때, 또는 펌프 전압원(8)으로부터 더욱 낮은 전압을 제공함으로써 앞서 연속 작동 시에 이용된 전압을 갖는 전류보다 더욱 낮은 전류가 생성될 때, 스위치(9)가 개방된다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다:

a) 먼저 제1 펌프 전압이 인가되며, 예컨대 1 V(도2 비교), 그리고 이때조정되는 제1 펌프 전류가 측정된다.

b) 그런 다음 제1 펌프 전압에 비해 더욱 높거나 또는 더욱 낮은 제2 펌프 전압이 인가되며, 이때 조정되는 제2 펌프 전류가 측정된다. 그러므로 예컨대 도2 내에 개략적으로 도시한 바와 같이 제2 펌프 전압으로서 0.9V가 인가될 수 있다.

c) 계속해서 제1 및 제2 펌프 전류의 차이(△I)가 형성된다.

d) 상기 차이(△I)가 사전 설정된 예컨대 전류 측정 장치(7) 내에 저장된 값을 초과하면, 사전에 실험을 바탕으로 측정된 포화 펌프 전압이 인가되며 이때 조정되는 펌프 전류가 그 전에 저장된 최소 펌프 전류와 비교된다.

e) 최소 펌프 전류 및 포화 펌프 전압인 경우 조정되는 펌프 전류의 차이(△I plus)가 형성된다.

f) 상기 차이(△I plus)가 사전 설정된 값을 초과하면, 추가 외부 전압원(10)으로부터 포화 전압보다 큰 예컨대 7V에 이르는 재생 전압이 사전 설정된 시간 예컨대 5초간 인가된다.

상기 단계 a)에서 f)까지는 제1 및 제2 펌프 전류의 차이값이 추가의 사전 설정된 임계값을 초과하지 못하는 경우, 다시 말해 사전에 결정된 전류 밀도 값 또는 상기 전류 밀도 값의 한 부분이 달성되어질 때까지, 또는 상기의 경우가 에러 메시지가 출력되지 않는 경우, 예컨대 5회간 반복된다.

상기 사항들 중 마지막의 경우라면, 센서는 더 이상 재생 불가능하며 사용할수 없다.

상기 단계 a)에서 d)까지를 통해서, 센서가 노후화 되었는지 여부가 검사된다. 노후화된 경우라면, 제1 및 제2 펌프 전류의 차이(△I)가 사전 설정되어 저장된 값과 달라진다. 단계 d)에서 f)까지를 통해서는, 우선적으로 센서가 대체로 재생 가능한 지의 여부가 검사되며, 재생 가능한 경우라면 최소 펌프 전류 및 포화 펌프 전압의 경우에 조정되는 펌프 전류의 차이가 사전 설정된 값을 초과한 때이다. 상기의 차이가 초과된 경우라면, 재생은 실제로 포화 전압보다 실제로 높으며 예컨대 앞서 도시한 바와 같이 2V 포화 전압에 대해 7V의 값을 가지는 재생 전압을 인가함으로써 분명한 시간(예컨대 5초)동안 인가된다. 분명한 것은 재생 전압이 차이(△I)와 같이 차이(△I plus)에 종속되어 측정되어질 수 있다는 점이다. 이때 재생 전압은, 희박 작동 상태, 농후 작동 상태 또는 공연비 λ=1인 경우의 펌프 전압과 동일하거나 또는 반대되는 극성으로 인가될 수 있다.

또한 재생 전압이 전극들에 인가되는 시점은 더욱 연장되어 측정될 수 있다. 상기 시간 또는 달성된 전류값 역시 진단 신호를 설정하거나 센서부의 에러 메모리 내에 값을 입력할 수 있도록(여기서는 도시되어 있지 않음), 제어 장치에 메시지로 전송될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이 외부 전압원(10)은 스위치(9)를 전환함으로써 NOx-센서의 전극(2, 3 내지 5, 6)들에 인가될 수 있다. 이러한 경우 펌프 전압원(8)이 분리된다. 그러나 분명하게는 외부 전압원(10) 역시 펌프 전압원(8)의 일부로서 제공될 수 있으며 상기 펌프 전압원(8)은 앞서 기술한 센서의 재생을 가능케 할 수있도록 그에 상응하게 더욱 높은 출력으로 조정되어야 한다.

Claims

가열 가능하며 가스 분자를 감지하는 세라믹 센서와 챔버(1) 내에 배치되는 제1 펌프 전극(3)과 내연기관의 배기가스 내에 배치되는 제2 펌프 전극(2)을 포함하는 특히 내연기관용 람다 센서 또는 NOx-센서로서 이용할 수 있도록 가스 센서의 기능을 모니터링하고 그리고/또는 센서를 재생하기 위한 방법으로서, 동시에 제1 및 제2 펌프 전극들 사이에는 펌프 전압원을 이용하여 펌프 전압이 인가되며 그럼으로써 챔버(1)의 내부에서 산소 부분 압력이 산소 분자를 전기 화학적으로 펌핑함으로써 조정되는 방법에 있어서,

a) 제1 펌프 전압을 인가하고 제1 펌프 전류의 측정하는 단계와,

b) 제1 펌프 전압에 비해 더욱 높거나 또는 더욱 낮은 제2 펌프 전압을 인가하고 제2 펌프 전류의 측정하는 단계와,

c) 제1 및 제2 펌프 전류의 차이(△I)의 형성하는 단계와,

d) 상기 차이(△I)가 사전 설정된 값을 초과하면 사전에 측정된 포화 펌프 전압을 인가하고 이때 발생하는 펌프 전류와 사전에 저장된 최소 펌프 전류를 비교하는 단계와,

e) 최소 펌프 전류와 포화 펌프 전압인 경우 조정되는 펌프 전류의 차이(△I plus)를 형성하는 단계와,

f) 최소 펌프 전류와 포화 펌프 전압 인가 시에 발생하는 펌프 전류의 차이(△I plus)가 사전 설정된 값을 초과하면 추가 전압원으로부터 생성되며 포화 전압보다 더욱 큰 재생 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 펌프 전류의 차이의 값(△I)이 추가 사전 설정된 임계값을 초과하지 못하는 경우 또는 여러 번의 반복 후에도 에러 메시지가 출력되지 않는 경우, 단계 a)에서 f)까지를 여러 번에 걸쳐, 바람직하게는 5회에 걸쳐 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 재생 전압이 펌프 전압과 동일한 극성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 외부 전압이 펌프 전압과 반대되는 극성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재생 전압이 내연기관의 희박 작동 단계에서 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재생 전압이 내연기관의 농후 작동 단계에서 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 재생 전압이 내연기관의 공연비λ=1인 경우에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 재생 전압의 인가시 조절되는 전류의 수치가 측정되며 메모리 내에 저장되는 것을 특징으로 하는 방법.