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질코니아 방식 산소센서 파형
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작성일
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2006-12-08 12:44:20
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조회수
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2165
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산소센서(O2 Sensor)
산소센서는 배기가스 중 함유된 산소의 양을 측정해 그 출력전압을 컴퓨터(ECU)로 전달하는 역할을 한다. 컴퓨터는 산소센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론 공연비에 가깝도록 자동 조정함으로써 촉매 변환기의 정화율을 높여준다.
산소센서는 일정한 작동조건 하에서 이론공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께 지속적으로 정보를 주고 받아 피드백 작동을 하는 센서이다. 산소센서는 열을 받으면 기전력이 발생하는 특징이 있기 때문에 '전압을 만들어 내는 발전기'라고도 한다
작동 원리
산소센서는 배기가스 중 함유된 산소의 양을 측정해 그 출력전압을 컴퓨터(ECU)로 전달하는 역할을 한다.
컴퓨터는 산소센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론 공연비에 가깝도록 자동 조정함으로써 촉매 변환기의 정화율을 높여준다.
산소센서는 일정한 작동조건 하에서 이론공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께 지속적으로 정보를 주고 받아 피드백 작동을 하는 센서이다.
산소센서의 종류로는 질코니아와 티타니아형이 있지만 대부분 질코니아 방식을 많이 쓴다. 산소센서는 열을 받으면 기전력이 발생하는 특징이 있기 때문에 '전압을 만들어 내는 발전기'라고도 한다.
질코니아형의 구조 중 본체는 산화 지르코늄(ZrO2)과 산화 이트륨(Y2O3)을 혼합한 세라믹이며 산소 이온 전도성을 가진 고체 전해질이다.
이것을 한쪽 끝을 폐쇄시킨 튜브 모양으로 성형하고 그 내부는 세공에 의해 대기와 접촉되고, 외부는 보호 커버를 씌운 통로에 의해 배기가스와 통하고 있다.
이 내·외면에 백금을 발라 안쪽 및 바깥쪽 전극을 설치했는데 파이프 내외의 산소 농도 차이에 의해 기전력이 발생된다. 이때 기전력은 보통 배기 온도가 300℃ 이상에서 발생되며 발생되는 전압은 0.1∼0.9V 정도로 약 1V를 만들어 내는 발전기이다.
산소센서는 이러한 출력 전압에 따라 연료 공급량을 피드백 하면서 제어한다. 제어 방법은 혼합기 공급 방식에 따라 다소 차이가 있다.
기화기 방식에서는 보조 에어 블리드와 보조 연료 통로의 유량 제어에 의해 보정을 한다. 연료 분사 방식에서는 분사량 제어에 의해 공연비 보정을 하게 된다(즉 인젝터의 시간을 제어하는 것이다).
산소센서의 정상 작동 온도는 300∼600℃ 정도이다. 하지만 900℃가 넘으면 센서는 고장을 일으키기 쉽다. 하지만 배기 온도가 300℃ 이하 때에는 피드백 작동이 이루어지지 않아 유해 배출가스가 그대로 대기로 방출된다.
따라서 최근에는 엔진 시동 후 20∼30초 이내에 작동시키기 위해 히팅 코일을 설치해 람다 폐회로 제어장치가 빨리 작동하도록 돕고 있다.
산소센서 기전력에 따른 이론 공연비
센서와 온도와의 관계
산소센서 전압을 점검해 엔진을 진단할 때에는 혼합기 구성 요소 변화에 따른 전압 변화 반응 시간과 온도를 확인해야 한다.
이 반응 시간은 배기 온도 300℃ 이하에서는 초(sec) 단위이지만 600℃ 정도의 이상적인 작동 온도에서는 50㎳ 이내에 반응한다.
즉 엔진 온도가 정상 작동 80℃ 이상되었을 때 산소센서 전압을 측정해야 한다는 것이다.
산소센서 온도에 따른 출력 전압 특성
센서 전압과 혼합비와의 관계
산소센서에 의해 공급되는 전압은 농후한 혼합비일 때(λ<1) 800∼1000㎷(0.8∼1.0V) 정도이다. 그러나 혼합비가 희박할 때는(λ>1) 단지 100㎷(0.1V)의 전압만이 공급된다.
희박한 혼합기에서 농후한 혼합기로 전환되는 범위는 450∼500㎷(0.45∼0.5V) 정도이다. 산소센서의 제품 수명은 8만∼10만㎞ 정도이지만 혼합비와 배기 온도에 따라 더욱 단축될 수도 있고 연장될 수도 있다.
산소센서와 ECU와의 관계
산소센서에서 발생된 전압 신호를 ECU로 보내면 이 전압 신호는 다시 연료 장치 즉 인젝터 시간을 제어해 희박하게 할 것인가 농후하게 할 것인가를 결정하게 된다. 이를 위해 ECU 장치에 제어 트레스홀드(Control Threshold)가 프로그램화되어 있다.
이 트레스홀드는 대개 500㎷에 위치한다. 산소센서로부터 전달된 전압이 이 값보다 적으면(혼합비가 너무 희박하면) 추가로 인젝터 시간을 길게 해 공급시킨다. 반대로 이 값을 초과하면(혼합비가 너무 진하면) 인젝터 시간을 짧게 해 연료의 양을 감소시킨다.
그러나 공연비를 갑자기 변경할 경우 자동차가 갑자기 덜컹거리게 된다. 따라서 전자제어 유니트에서는 시간 기능에 의해 혼합비 구성 요소를 천천히 변경시키는 인터 그레이트 기능을 두고 있다. 흡기 매니폴드나 흡기 통로의 신선한 혼합기 형성 시간과 산소센서에 의해 연소된 혼합기(배기가스) 측정 사이에는 일정한 지연(데드 타임)이 발생한다.
이러한 데드 타임은 혼합비가 엔진에 도달하기 위해 소요되는 시간, 엔진의 작동 사이클을 위한 시간, 배기가스가 산소센서에 도달하기 위해 소요되는 시간, 그리고 센서 자체의 반응시간 때문에 발생한다. 데드 타임 때문에 정확한 이론공연비를 일정하게 유지하는 것은 불가능하다. 따라서 공연비는 λ=1을 중심으로 적은 퍼센트 내에서 계속 변하게 되어 있다.
그러나 인터 그레이트가 정확하게 조절되면 공연비의 평균값은 촉매 변환장치 내에서 유지된다. 즉 이 경우 평균값은 촉매 변환장치가 최고 가능 변환 효율에 도달하는 범위 내에 유지된다는 것이다. 본래 혼합기 형성과 배기가스 측정 사이의 시간을 나타내는 데드 타임은 당연히 관련 부하와 엔진 속도에 따라 좌우된다.
공회전 때 데드 타임은 엔진에서 산소센서 사이의 거리에 따라 1초 이상 증가한다. 하지만 고부하나 고속 엔진 상태에서는 수백밀리 세컨드까지 감소할 수 있다.
시간 기능으로서 혼합기의 지속적 조정(지속적인 인터 그레이트 슬로프)은 결과적으로 부하와 엔진 속도에 따라 급격하게 변화하는 제어 진동의 진폭으로 나타난다.
이 결과 배기가스 배출이 심각하게 증가하게 되는 동시에 주행성이 악화된다. 그러므로 최적의 배기가스 배출과 주행성을 위해 선택된 지속적인 제어 진폭이 평균 상태에 도달하도록 부하와 엔진 속도에 따라 인터 그레이트 특성이 조절된다.
인터 그레이트는 혼합비 조절, 즉 공기량을 조정하게 되어 있는 타입이 있지만 그렇지 않은 타입도 있다.
엔진 ECU에서 인터 그레이트 값이 나오는 차들을 128 안에 들면 매우 양호한 차들이다.
질코니아 방식 산소센서 파형 |
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