KR20200037589A - 배기가스 pm 센서 구동방법 - Google Patents

배기가스 pm 센서 구동방법 Download PDF

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KR20200037589A
KR20200037589A KR1020180117006A KR20180117006A KR20200037589A KR 20200037589 A KR20200037589 A KR 20200037589A KR 1020180117006 A KR1020180117006 A KR 1020180117006A KR 20180117006 A KR20180117006 A KR 20180117006A KR 20200037589 A KR20200037589 A KR 20200037589A
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엄재현
조용준
장지상
서호철
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세종공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 배기가스 PM 센서 구동방법이 개시된다. 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 배기가스 PM 센서 구동방법은 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서, PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계, PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달 단계, 신호 임계값 도달 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 공급전압 중단 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 적정전압 도달 단계, 히터전극 인가 단계, 상기 히터전극 전압공급 중단 단계, 및 온도안정화 단계를 포함하여 구성된다.

Description

배기가스 PM 센서 구동방법 {DRIVING METHOD OF PARTICULATER MATTER DETECTION SENSOR}
본 발명은 배기가스 PM 센서 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 온도검지전극 없이 실시간 모니터링이 가능한 배기가스 PM 센서 구동방법에 관한 것이다.
일반적으로, 배기 규제가 한층 강화됨에 따라 배기 가스를 정화하는 후처리 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 디젤 자동차에 대해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)에 대한 규제가 더욱 엄격해지고 있는 현실이다.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤을 연료로 사용하는 가솔린 차량 또는 디젤 차량에는 배출되는 배기가스 중에서 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질이 포함된다.
여기서, 차량에서 배출되는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물(NOx), 황산화물 및 입자상 물질 등의 배기가스 중 입자상 물질은 부유 분진의 발생을 가중시킴으로써 대기 오염의 주요 원인으로 알려져 있다.
상술한 바와 같은 대기 오염 물질에 따른 인간의 쾌적한 환경의 요구 및 각국의 환경 규제에 의하여 배기가스에 포함되는 배기 오염 물질에 대한 규제가 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 대책으로 다양한 배기가스 여과 방법이 연구되고 있다.
즉, 배기가스에 포함되는 대기 오염 물질을 감소시키기 위하여 차량의 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키는 기술로서, 엔진 기술 및 전처리 기술 등이 개발되고 있으나, 배기가스의 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가 가스 저감 기술만으로는 규제를 만족시키는데 한계가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 차량의 엔진에서 연소된 후 배출되는 배기가스를 처리하는 후처리 기술이 제안되었으며, 상술한 후 처리 기술은 산화촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치를 통한 배기가스 저감장치 등이 있다.
상술한 바와 같은 산화 촉매, 질소산화물 촉매 및 매연 여과장치 중 입자상 물질을 저감시키는 가장 효율적이고 실용화에 접근되는 기술은 매연 여과장치를 이용한 배기가스 저감장치이다.
도 1은 종래의 부도체 기반의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래의 반도성체 기반의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구동방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서(10)에 있어서, 제1절연층(11), 상기 제1절연층(11) 아래 위치하는 PM검지전극(15), 상기 PM검지전극(15) 아래 위치하는 제2절연층(12), 상기 제2절연층(12) 아래 위치하는 히터전극(17), 상기 히터전극(17) 아래 위치하는 제3절연층(13) 및 상기 제3절연층(13) 아래 위치하는 온도검지전극(20)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 PM센서(10)의 동작은 PM검지전극 전압공급(t1), PM 패스(Path)가 형성되기 시작하는 트리거 리미트(Trigger Limit) 도달(t2), 신호 임계값(Signal Threshold) 도달(t3), PM검지전극 전압공급 중단(t4), 히터전극 재생전압 인가(t5), 히터전극 전압공급 중단(t6)으로 이루어진다.
여기서의 신호는 전류로서 전류 임계값(Current Threshold)에 도달한 후 PM검지전극에 전압공급을 중단하는 이유는 재생과정에서 신호처리부를 보호하기 위함으로 히터작동에 의해 온도 급증시 PM의 저항이 감소하고 이로 인해 회로에 흐르는 전류가 급증할 수 있다. 이와 같이 기존의 PM센서 및 이를 이용한 PM센서 구동 방법은 PM검지전극과 히터전극 이외에 재생과정에서의 제어를 위해 별도의 온도검지전극이 있어야 하고, 실시간 감시에 적절하지 않다는 단점이 있으며, 입자상 물질의 퇴적에 따른 PM센서 측정값이 부정확하다는 문제가 있다.
대한민국 공개특허출원 제 10-2010-0035682 호
본 발명의 일 실시 예는 상기 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로 디젤자동차의 입자상 물질을 제거하기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 장착을 의무화하고, DPF의 고장유무에 따른 입자상 물질배출량 모니터링을 위해 입자상 물질양을 측정할 수 있도록 DPF 후단에 OBD 입자상 물질센서 장착을 의무화하고 있다(Euro6C). 현재 디젤자동차에 장착중인 입자상 물질센서는 그림과 같이 인터디지틀(Interdigital) 전극에 입자상 물질의 퇴적에 의한 저항변화를 측정하는 방식을 이용하고 있다. 입자상 물질이 퇴적되지 않은 상태에서는 전류가 흐를 수 없지만 퇴적된 입자상 물질에 의해 전류가 흐를 수 있는 회로가 형성되게 되고 이러한 입자상 물질의 퇴적량은 배기가스 중의 입자상 물질 양에 의해 결정되므로 저항변화를 측정함으로써 배기가스 중의 입자상 물질 양을 측정할 수 있게 된다. 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 별도의 히터를 이용해 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 재생 단계를 통해 지속적인 입자상 물질 모니터링을 할 수 있다.
현재 입자상 물질센서는 Al2O3 등의 세라믹 기판 위에 Pt와 같은 고온안정성을 갖는 금속을 이용해 인터디지틀 전극를 형성하는 방법을 이용해 제작하고 있다. 전극의 너비 및 전극간의 간격은 ~수십 ㎛이다. 입자상 물질퇴적 형상과 같이 센서의 성능에 영향을 미치는 요소들은 전극의 패턴에 의해 결정된다. 그런데 이와 같은 방식의 입자상 물질센서는 PN(Particle Number)측정이 불가하다는 것과 배기가스 중의 금속 입자에 큰 영향을 받는다는 문제점이 있다.
EURO6를 기준으로 할 때, 현재 입자상 물질과 관련한 배기가스 규제는 디젤 자동차에 대해 입자상 물질의 총 양과 PN(Particle Number)을 규제하고 OBD규제는 입자상 물질의 총 양만을 규제하고 있다. 입자의 크기가 작아질수록 인체에 미치는 악영향이 커지고 GDI엔진의 경우 입자상 물질입자의 크기가 대단히 작다는 점을 고려할 때 향후 규제대상이 디젤 자동차뿐만 아니라 가솔린 자동차로 확대되고, OBD 규제범위도 입자상 물질뿐만 아니라 PN이 포함될 것으로 예상된다. 입자상 물질 입자크기는 입자상 물질과 PN을 측정함으로써 측정할 수 있다. 그런데 기존 방식의 입자상 물질센서의 저항변화는 퇴적된 입자상 물질의 총 양에만 의존하므로 PN을 측정할 수 없다.
한편, 배기가스 중에는 윤활유 등에서 유인한 미세한 금속 입자가 포함되어 있다. 그림과 같이 전기전도성이 큰 금속 입자가 전극에 달라붙게 되는 경우 주성분이 카본인 입자상 물질과의 비저항값 차이에 의해 입자상 물질 측정치에 큰 영향을 미치게 된다.
기존의 부도체 기반 PM센서는 PM검지전극, 히터전극, 온도검지전극으로 이루어져 있고, 각 전극은 절연층으로 구분되어 있으며, 기존의 반도성체 기반 PM센서는 PM검지전극과 히터전극 이외에 재생과정에서의 제어를 위해 별도의 온도검지전극이 있어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 별도의 온도검지전극 없이도 히터제어가 가능하고, PM검지전극과 온도보상전극의 신호로서 전류를 비교하여 재생과정에 대한 실시간 모니터링이 가능하고 또한 정밀한 히터제어가 가능한 배기가스 PM센서 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서, PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계, PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트(Trigger Limit) 도달 단계, 신호 임계값(Signal Threshold) 도달 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 공급전압 중단 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 적정전압 도달 단계, 히터전극 재생전압 인가 단계, 상기 히터전극 전압공급 중단 단계, 및 온도안정화 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작전압 인가 시에 출력신호는 0보다 클 수 있다.
상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계에서 PM검지전극의 신호가 재생 신호 임계값에 도달할때까지 점진적으로 전압을 증가시킬 수 있다.
재생 신호 임계값은 재생온도에서 PM검지전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 반도성 세라믹 및 PM 온도에 따른 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 결정될 수 있다.
상기 히터전극 인가 단계는 PM검지전극에 퇴적된 PM을 산화시키는 온도가 될 수 있는 전압을 인가할 수 있다.
상기 PM검지전극의 온도는 상기 온도보상전극의 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 측정된 저항값으로부터 도출될 수 있다.
상기 재생에 의해 PM검지전극에 퇴적된 PM이 산화되어 상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 신호가 동일하게 되는 시점에서 재생이 중단될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서, PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계, PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트(trigger limit) 도달 단계, 신호 임계값(signal threshold) 도달 단계, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계, 히터전극 재생전압 인가 단계, 상기 히터전극 전압공급 중단 단계, 및 온도안정화 단계를 포함할 수 있다.
상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계는 PM검지전극의 신호가 재생 신호 임계값에 도달할때까지 점진적으로 전압을 강하할 수 있다.
상기 재생 신호 임계값은 재생온도에서 상기 PM검지전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면, 배기가스 PM 센서 구동 방법은 별도의 온도검지전극을 구비할 필요가 없고, 검지전극과 온도보상전극의 신호를 비교하여 재생과정에 대한 실시간 모니터링이 가능하며, 또한 정밀한 히터제어가 가능한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 부도체 기반의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 반도성체 기반의 배기가스 중 입자상 물질 센서의 구동방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구조에 대한 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구동 방법에 대한 제 1 실시예의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구동 방법에 대한 제 2 실시예의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 PM 측정원리를 나타내는 도면이다.
이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결을 의미할 수 있다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구조에 대한 실시예이고, 도 4는 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구동 방법에 대한 제 1 실시예의 그래프이며, 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 흐름도이다.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 이에 추가하여 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)를 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서(100)에 있어서, 제1절연층(11), 상기 제1절연층(11) 아래 위치하는 온도보상전극(16), 상기 온도보상전극(16)과 병렬 배치되는 PM검지전극(15), 상기 PM검지전극(15)과 온도보상전극(16) 아래 위치하는 제2절연층(12), 상기 제2절연층(12) 아래 위치하는 히터전극(17) 및 상기 히터전극(17) 아래 위치하는 제3절연층(13)을 포함하여 구성되어 있다.
본 발명에 따르면 온도보정이 없는 PM검지전극(15)과 온도보정이 있는 온도보상전극(16)이 상호 병렬 배치된다.
상기 PM검지전극(15) 및 상기 온도보상전극(16)의 아래에는 제2절연층(12)이 위치하되, 제2절연층(12)에 직접 접촉하지 않고 반도성층(18)을 통해 지지되어 있다.
온도보상전극(16)은 제1절연층(11)에 의해 직접 배기가스에 노출되지 않고, PM검지전극(15)의 센싱전극은 배기가스에 직접 노출되어야 하므로 해당부분에는 제1절연층(11)이 없다. 즉, PM검지전극(15)의 센싱전극을 제외하고 PM검지전극(15)의 외부전극 및 온도보상전극(16)은 제1절연층(11)에 의해 덮혀져 지지된다. 즉, 온도보상전극(16)과 달리 PM검지전극(15)의 센싱전극의 위에는 절연층이 없고 직접 배기가스에 노출되도록 형성된다.
또한, 제2절연층(12)의 아래에는 PM재생을 위한 히터전극(17)이 위치하며, 히터전극(17)의 아래에는 제3절연층(13)이 위치한다. 즉, PM검지전극(15)에 퇴적된 PM을 열에 의해 제거하기 위해 히터전극(17)이 PM검지전극(15)의 하단에 제2절연층(12)을 사이에 두고 위치한다.
본 발명의 하나의 실시 예에 따르면 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서, PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계(S110), PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트(trigger limit) 도달 단계(S120), PM검지전극의 신호 임계값(signal threshold) 도달 단계(S130), 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 공급전압 중단 단계(S140), 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계(S150), 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극이 적정전압에 도달하는 단계(S160), 히터전극 재생전압 인가 단계(S170), 상기 히터전극 전압공급 중단 단계(S180), 및 온도안정화 단계(S190)를 포함할 수 있다. S140과 S150 간에는 일정시간이 경과할 수도 있고, 필요에 따라 시간간격을 주지 않을 수도 있는데, 전압공급 중단을 확인하기 위해서는 일정 시간 경과가 바람직하다. S160과 S170 간에도 일정시간이 경과할 수도 있고, 필요에 따라 시간간격을 주지 않을 수도 있는데, 히터전극으로의 급격한 전압공급을 위해서는 일정 시간 전압공급이 안정되어 있음을 확인하는 것이 바람직하다. 동일 전압이 인가되었음에도 S150 및 S160에서의 전류값 차이는 PM 퇴적여부에 의한 차이로서, PM검지전극이 PM퇴적으로 인해 더 크다.
구체적인 예에서 PM 센서 구동 방법은 시간축에 대해 PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가(t1), PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달(t2), 신호 임계값 도달(t3), PM검지전극 및 온도보상전극 공급전압 중단(t4), PM검지전극 및 온도보상전극 전압 점진적 증가(t5), PM검지전극 및 온도보상전극 적정전압 도달(t6), 히터전극 인가(t7), 히터전극 전압공급중단(t8), 온도안정화(t9)로 수행될 수 있다.
여기서, 반도성 세라믹 층(저항으로 작용)의 효과로 상기 동작전압 인가 시에 출력신호는 0보다 크게 출력되고, 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계에서 상기 PM검지전극의 신호가 재생 신호 임계값에 도달할때까지 점진적으로 전압을 증가시키게 된다.
한편 상기 재생 신호 임계값은 재생온도에서 상기 PM검지전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 반도성 세라믹 및 PM 온도에 따른 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 결정된다.
상기 히터전극 재생전압 인가 단계는 상기 PM검지전극에 퇴적된 PM을 산화시키는 온도(재생온도 약 700℃℃)가 될 수 있는 전압을 인가하게 된다. 상기 PM검지전극의 온도는 상기 온도보상전극의 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 측정된 저항값으로부터 도출된다.
본 발명에 따르면 상기 재생에 의해 상기 PM검지전극에 퇴적된 PM이 산화되어 상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 신호가 동일하게 되는 시점에서 재생을 중단한다.
도 6은 본 발명에 따른 부도체 기반 PM 센서 구동 방법에 대한 제 2 실시예의 그래프이고, 도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 흐름도이다. 제 1 실시예와의 차이점은 PM 검지전극으로의 전압공급을 재생과정 중에는 중단하는 것이다. 도 6 및 도 7을 함께 참조하면 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서, PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계(S210), PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달 단계(S220), 신호 임계값 도달 단계(S230), 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계(S240), 히터전극 인가 단계(S250), 상기 히터전극 전압공급 중단 단계(S260), 및 온도안정화 단계(S270)를 포함할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서 PM 센서 구동 방법은 PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가(t1), PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달(t2), 신호 임계값 도달(t3), 검지전극 전압공급 중단 및 온도보상전극 전압 강하(t4), 히터전극인가(t5), 히터전극 전압공급 중단(t6), 온도안정화(t7) 단계로 수행될 수 있다.
여기서 상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계(S240)는 온도보상전극의 신호가 재생기본 신호값에 도달할 때까지 점진적으로 전압을 강하하되,상기 재생 신호 기본값은 재생온도에서 상기 온도보상전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 하는 것이 바람직하고 중복되는 내용에 대한 기재는 생략한다.
이러한 방법에 따르면 재생과정에서, 재생과정에 대한 모니터링은 하지 않아 PM 검지전극에는 전압을 인가하지 않고, 온도보상전극의 신호만 취득해 재생전압을 제어하며, 검지전극의 피크값(Peak Value)에 대한 고려를 할 필요가 없으므로 재생 베이스 신호(Regeneration Base Signal)를 제 1 실시예보다 큰 값으로 설정할 수 있어 재생온도를 정밀하게 측정하여 히터를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 PM 측정원리를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면 본 발명에 따른 배기가스 중 입자상 물질 센서에 PM이 퇴적되는 단계를 구분하여 설명하면, 초기단계는 외부전극(External Electrode)의 사이에 위치하는 센싱전극에 입자상 물질의 퇴적이 없는 상태이며, 입자상물질의 퇴적이 시작되면, 제1단계(stage 1)와 퇴적이 진행되면 제2단계(stage 2)를 거쳐 입자상물질이 퇴적된 제3단계(stage 3)에 이르게 된다.
입자상물질의 퇴적이 시작된 후 전체 저항의 변화는 센싱전극에 퇴적된 입자상물질의 양뿐만 아니라, 입자상 물질의 입자크기에도 관련이 있으며, 이를 ~V 0 /l n 으로 나타낼 수 있다.
Vo는 제3단계에서 센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량(이하, 총량은 부피를 의미함)이고, l은 퇴적된 입자상 물질의 직경, n은 입자상 물질의 형상에 따른 상수이다. 입자상 물질이 충분히 퇴적된 제3단계의 전체 저항의 변화는 입자상 물질의 총 퇴적량에만 관련된다. 따라서, 제3단계의 저항값으로부터 입자상 물질의 총 퇴적량(Vo)을 측정할 수 있고, 제1단계의 저항값에서 Vo를 상쇄시킴으로서 입자상 물질의 개수를 추산할 수 있다. 제3단계를 지나 일정 양 이상의 입자상 물질이 퇴적된 경우 재생단계를 통해 지속적인 모니터링을 할 수 있다.
이를 수식화하면 다음과 같다.
외부전극 사이에 위치한 센싱전극에서의 저항(R)은 반도성기판인 SiC에 의한 저항(RS)와 입자상물질에 의한 저항(R C )로 외부 전극 사이의 저항은 1/R = 1/RS + 1/R C 로 나타낸다. 여기서 SiC는 SC(Semiconducting Ceramic)를 통칭하며, SiC는 그 일 실시예이다.
제1단계에서의 전체 저항(R)은 R = ρS/AS(L0 -V0/l2) = ρSL0/AS - ρSV0/ASl2 이며, 여기서 ρS, AS, L0, V0, l 은 각각 센싱전극의 비저항, 센싱전극의 단면적, 센싱전극의 길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피, 퇴적된 입자상 물질의 직경이다.
제1단계에서 R1 ~ RS = ρS/AS (L0 - V0/l2)이고, R2 = ρSL0/AS 이므로 ΔR= - ρS V0 / (AS l2)이고, γR = R1 / R2 = 1 - V0/(L0 l2)이다.
제2단계에서 V0는 V0 =v0·t 이다. V0는 센싱전극에 퇴적된 입자상 물질의 총량이며, v0는 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양이고, t는 시간이다.
제1단계와 제2단계는 연속되어야 하므로, 제2단계의 V0는 제1단계 저항식에 적용하면, 제1단계의 R = ρS/AS (L0 -V0/l2) = ρSL0/AS - ρSV0/ASl2 = ρSL0/AS - (ρSv0/AS l2)·t로서 시간 t에 대해 선형적으로 증가하게 되며, 그 기울기 m1은 -(ρSv0/AS l2)인 1차식이다.
제3단계에서의 전체 저항(R)은 입자상물질에 의한 저항(R C )에 의해 좌우된다.
즉, R ~ RC = ρC L0 /AC = ρC L0 2/V0이다. ρC, AC은 각각 퇴적된 입자상물질의 비저항 및 단면적이며, L0, V0은 센싱전극의길이, 퇴적된 총 임자상 물질 부피이다.
여기서 1/R =1/RS+ 1/ RC = AS/(ρS LS)+AC/(ρC LC) = AS/(ρS LS)+ V0/(ρC L0 2) 이고, σ1 = AS/(ρS L0)+ V0/(ρC L0 2), σ2 = AS/(ρS L0)이므로 Δσ = V0/(ρC L0 2) 이고 γσ = σ1 /σ2 = 1+ ρSV0 /(ρCASL0)와 같이 구해지고, 제1단계, 제2단계, 제3단계는 γR 과 Δσ 의 선형성 여부를 통해 구분할 수 있다.
이로부터 저항의 역수인 전기전도도σ = V0/ρC L0 2이며, V0 =v0·t 를 적용하면, 전기전도도σ = (v0/ρC L0 2)·t이다. 즉, 전기전도도는 시간에 대해 기울기 m3 = (v0/ρS L0 2)인 1차식이다.
한편, 단위 시간당 퇴적되는 입자상 물질의 양 v0는 배기가스 중의 입자상물질의 양(VPM)과 비례관계에 있다. 이로부터 v0 = α·VPM로 표현될 수 있으며, VPM = (ρC L0 2/α)·m3이다.
상기 제1단계에서 m1 = -(ρSv0/AS l2) 와 m3 = (v0/ρC L0 2)로부터, l2 = -(ρSv0/AS) m3/m1 으로부터 입자상물질의 크기도 알 수 있다.
제3단계에서 측정한 전기전도도의 기울기 m3= v0/(ρCL0 2)로부터 α를 알 수 있다.
또한 V0 =v0·t식을 Δσ에 대입하면 Δσ = V0/(ρC L0 2)= v0/(ρC L0 2)·t 이므로 m3 = (v0/ρS L0 2)= α·VPM /(ρC L0 2)으로부터 단위 배기가스 중의 PM양 VPM= (ρC L0 2/α) m3을 구할 수 있다.
상기 제1단계에서 유도한 γR 의 시간에 대한 변화값으로부터 아래와 같이 PM의 사이즈를 구할 수 있다.
γR = 1 - V0/(L0 l2) = 1 - (v0/L0 l2)·t이므로 m1 = - v0/(L0 l2) = - α VPM/(L0 l2) = - ρCL0m3/l2 이고, 따라서 l2 = - ρCL0 m3/m1이다.
즉 이들 값으로부터 배기가스 중의 입자상 물질의 양인 VPM= (ρC L0 2/α) m3을 산출할 수 있고, 제1단계에서 측정된 m1=-ρS v0/(AS l2)으로부터 입자상 물질의 크기(l) l2 = -(ρSρC L0 2/AS) m3 / m1을 산출할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 배기가스 PM 센서는 PM 퇴적을 용이하게 하면서 불순물 퇴적의 영향을 줄여 정확성을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 당 업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시 예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시 예가 가능함을 밝혀둔다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 또한 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어가 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되어야 한다. 더불어, 상술하는 과정에서 기술된 구성의 순서는 반드시 시계열적인 순서대로 수행될 필요는 없으며, 각 구성 및 단계의 수행 순서가 바뀌어도 본 발명의 요지를 충족한다면 이러한 과정은 본 발명의 권리범위에 속할 수 있음은 물론이다.
11: 제1절연층 12: 제2절연층
13: 제3절연층 15: PM검지전극
16: 온도보상전극 17: 히터전극
18: 반도성층 100: 배기가스 PM센서

Claims (13)

  1. 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서,
    PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계,
    PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달 단계,
    신호 임계값 도달 단계,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 공급전압 중단 단계,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 적정전압 도달 단계,
    히터전극에 재생전압인가 단계,
    상기 히터전극 재생전압공급 중단 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동작전압 인가 시에 출력신호는 0보다 큰 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 점진적 증가 단계에서 상기 PM검지전극의 신호가 재생 신호 임계값에 도달할 때까지 점진적으로 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 재생 신호 임계값은 재생온도에서 상기 PM검지전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 반도성 세라믹 및 PM 온도에 따른 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터전극 재생전압 인가 단계는 상기 PM검지전극에 퇴적된 PM을 산화시키는 온도가 될 수 있는 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 PM검지전극의 온도는 상기 온도보상전극의 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 측정된 저항값으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생에 의해 상기 PM검지전극에 퇴적된 PM이 산화되어 상기 PM검지전극과 상기 온도보상전극의 신호가 동일하게 되는 시점에서 재생이 중단되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  8. 자동차 배출가스가 통과되는 배기라인에 설치되어 입자상물질(PM)을 감지하기 위해 전극이 형성된 PM 센서 구동 방법에 있어서,
    PM검지전극 및 온도보상전극 동작전압인가 단계,
    PM 퇴적으로 인한 신호가 출력되는 트리거 리미트 도달 단계,
    신호 임계값 도달 단계,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계,
    히터전극 재생전압 인가 단계,
    상기 히터전극 전압공급 중단 단계, 및
    온도안정화 단계,
    를 포함하되, 상기 재생전압 인가단계부터는 상기 온도보상전극의 신호만 취득하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동작전압 인가 시에 출력신호는 0보다 큰 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 PM검지전극 및 상기 온도보상전극 전압 강하 단계에서 상기 온도보상전극의 신호가 재생 기본 신호값에 도달할 때까지 전압을 강하시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 재생 신호 기본값은 재생온도에서 상기 온도보상전극의 최대 신호값이 신호처리회로의 처리범위 이내가 되도록 반도성 세라믹 및 PM 온도에 따른 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 히터전극 재생전압 인가 단계는 일정시간 경과 후 상기 PM검지전극에 퇴적된 PM을 산화시키는 온도가 될 수 있는 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 PM검지전극의 온도는 상기 온도보상전극의 저항특성에 관한 데이터를 이용하여 측정된 저항값으로부터 도출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 PM 센서 구동방법.
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