[펌] 산소센서란 무엇인가?

[문일권]

*차량관련 내용입니다. 인젝션 바이크가 많아지는 요즘 추세를 생각하면

오래지 않아 바이크에도 산소센서가 달리게 될 것이고 공연비가 ECU에

의해 조정되고 획기적으로 연비개선이 이뤄질 것이라고 생각하여

자동차 관련 사이트에서 퍼왔습니다. 요즘 모모 사이트의 모모님은

광대역 산소센서를 자신의 바이크에 장착하여 튜닝 후 공연비를 검사한 후

각 RPM 마다 연료량을 조절하여 (파워코맨더 및 요시무라 EMS사용) 바이크의

성능을 최대화시키는 작업을 시도하고 있습니다. 이는 Ram Air 장치가 달린

바이크가 다이노젯 상에서 오차를 발생시킨다는 단점을 보완하려는 시도로

알고 있습니다. - 문일권

질코니아 산소센서 고체 전해질의 질코니아(ZrO2) 소자 양면에 백금 전극이 있고 이 전극을 보호하기 위해서 전극의 외측을 세라믹으로 코팅했다. 그리고 센서의 안쪽에는 산소 농도가 높은 대기가 외측에는 산소 농도와 낮은 배기가스가 접촉되도록 되어 있다. 질코니아 소자는 고온에서 양측의 산소 농도차가 크면 기전력을 발생시키는 성질이 있다. 대기측의 산소 농도와 배기가스 측의 산소 농도, 즉 산소 분압이 큰 차이를 나타내므로 산소 이온은 산소 분압이 높은 대기 측에서 산소 분압이 낮은 배기가스 측으로 이동한다. 그 결과 전극간에는 네른스트 식(Nernst equation)에 따라 기전력(E)이 발생된다. 기전력(E)은 산소 분압 비의 대수에 비례한다. 즉 산소센서 표면의 산소 농도차가 클수록 기전력은 증가한다. ☞ 포인트 ① 질코니아 산소센서는 산소 농도에 따라 전압이 발생되는 원리이다. ② 티타니아 산소센서는 산소 농도에 따라 저항이 바뀌는 원리를 이용한 것이다. ③ 질코니아 산소센서는 이론 공연비에 비해 연료가 많으면 전압이 0.5V 이상(1V에 가깝게) 나온다. ④ 티타니아 산소센서는 이론 공연비에 의해 연료가 많으면 2.5V 이하(0V에 가깝게) 연료가 적으면 2.5V 이상(5V에 가깝게) 나온다. ⑤ 티타니아 산소센서 측정 때 전압도 중요하지만 주파수가 1.1Hz 근처에 있는지 점검하는 것도 중요하다. E = RT·ℓn PO2? E: 기전력(V) R: 기체상수(J/mol。K) T: 절대온도(。K) F: 패러데이 정수(C/mol) PO2: 배기가스의 산소 분압(Pa) PO2’: 대기중의 산소분압(Pa) 이론 공연비보다 농후한 혼합기가 연소되었을 경우라도 배기가스 중에는 실제로 산소가 약간 존재하기 때문에 충분한 기전력을 얻을 수 없다. 더구나 이론 공연비 부근의 혼합기에 대한 기전력의 변화는 작기 때문에 이 전압을 검출해 이론공연비를 정확하게 판별한다는 것은 어렵다. 이런 이유에서 촉매작용을 하는 백금(Pt)을 전극으로 사용해 이론 공연비를 경계로 기전력이 크게 변화하도록 하는 방법이 사용된다. 백금의 촉매작용이 기전력의 발생에 영향을 미치는 이유는 다음과 같다. 농후한 혼합기가 연소되었을 경우에 배기가스가 백금(Pt)에 접촉되면 백금의 촉매작용에 의해 배기가스 중 낮은 농도의 산소는 배기가스 중의 일산화탄소나 탄화수소와 반응해 산소는 거의 없어진다. 이렇게 되면 배기가스 중에 노출된 백금표면의 산소 농도는 아주 낮아지게 되어 센서 양측의 산소 농도차가 아주 크게 된다. 산소센서 양표면의 산소 농도차가 크게 되면 약 1V 정도의 기전력이 발생된다. 희박한 혼합기가 연소되었을 경우에는 배기가스 중에 산소가 많고 일산화탄소의 양이 적기 때문에 일산화탄소와 산소가 반응해도 배기가스 중의 산소농도는 크게 낮아지지 않는다. 따라서 센서 양측의 산소 농도차가 적어 기전력이 거의 발생되지 않는다. 질코니아 산소센서는 저온에서 산소 이온의 이동이 적기 때문에 <그림 2>와 같은 산소센서 출력 특성이 크게 변화한다. 따라서 안정된 출력을 얻기 위해 설치 위치를 잘 선택해야 하고, 센서 내부에 히팅코일을 내장하는 방법도 사용한다. 산소센서와 온도와의 관계 산소센서의 정상 작동온도는 400∼800℃ 정도이다. 하지만 900℃가 넘으면 센서는 고장을 일으키기 쉽다. 하지만 배기온도가 300℃ 이하일 때는 피드백 작동이 이루어지지 않아 유해 배출가스가 그대로 대기로 방출된다. 따라서 최근에는 엔진 시동 후 20∼30초 이내에 작동시키기 위해 히팅코일을 설치해 람다 폐회로 제어장치가 빨리 작동하도록 돕고 있다. 산소센서 전압을 점검해 엔진을 진단할 때에는 혼합기 구성요소 변화에 따른 전압변화 반응시간과 온도를 확인해야 한다. 이 반응시간은 배기온도 300℃ 이하에서는 초 단위이지만 600℃ 정도의 이상적인 작동온도에서는 50ms 이내에 반응한다. 즉 엔진온도가 정상작동인 80℃ 이상되었을 때 산소센서 전압을 측정해야 한다는 것이다. 산소센서 전압과 혼합비와의 관계 산소센서에 의해 공급되는 전압은 농후한 혼합기일 때 (λ<1) 800∼1000mV(0.8∼1.0V) 정도이다. 그러나 혼합비가 희박한 혼합기에서 농후한 혼합기로 전환되는 범위는 450∼500mV(0.45∼0.5V) 정도이다. 산소센서의 제품수명은 8만∼10만km 정도이지만 혼합비와 배기온도에 따라 더욱 단축될 수도 있고 연장될 수도 있다. 산소센서와 ECU와의 관계 산소센서에서 발생된 전압신호를 ECU로 보내면 이 전압신호는 다시 연료장치, 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 500mV에 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 ECU에서는 시간기능에 의해 혼합비 구성요소를 천천히 변경시키는 인터그레이터 기능을 두고 있다. ·인터그레이터(Integrator) 산소센서 전압이 450mV 기준으로 해 높거나 낮을 경우의 산소센서 소비시간에 대한 응답으로 ECU에 의해 제어되는 연료공급에 대한 단기보정을 의미한다. 만일 산소센서 전압이 거의 450mV 이하를 지시할 경우(혼합기 희박함)에는 퓨얼 인터그레이터는 증가되어 ECU로 하여금 연료추가 공급이 이루어지도록 한다. 또한 산소센서 전압이 450mV 기준점 위로 유지되면 ECU는 연료공급을 줄여주면서 혼합기 농후 조건으로 되는 조건을 막아주는 보상역할을 한다. ·블록런(Block Leam) 블록런은 퓨얼 인터그레이터 값으로부터 유도되며 연료공급에 대한 장기 보정요소로 사용된다. 블록런 128이란 숫자는 이론공연비(14.7:1)를 유지하기 위한 연료공급보상이 더 이상 필요하지 않다는 의미이다. 128 이하의 블록런 숫자는 연료 시스템이 매우 농후해 연료공급이 감소되고 있음(분사펄스폭 감소)을 의미해 128 이상의 블록런 숫자는 연료시스템이 매우 희박, ECU가 이를 보상해 연료공급을 증가시킴(분사펄스 폭 증가)을 의미한다. 블록런은 퓨얼 인터그레이터에 따라 변화하는 경향이 있는데 카본캐니스터 정화회로의 영향으로 100 이하의 숫자가 지시될 경우에는 비정상적인 값으로 판단할 수 있다. 흡기 매니폴드나 흡기통로의 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 % 내에서 계속 변하게 되어 있다. 그러나 인터그레이터가 정확하게 조절되면 공연비의 평균값은 촉매 변환장치 내에서 유지된다. 즉 이 경우 평균값은 촉매 변환장치가 최고 가능 변환효율에 도달하는 범위 내에 유지된다는 것이다. 본래 혼합기 형성과 배기가스 측정 사이의 시간을 나타내는 데드 타임은 당연히 관련 부하와 엔진속도에 따라 좌우된다. 공회전 때 데드 타임은 엔진에서 산소센서 사이의 거리에 따라 1초 이상 증가한다. 하지만 고부하나 고속엔진 상태에서는 수백밀리 세컨드까지 감소할 수 있다. 시간기능으로서 혼합기의 지속적 조정(지속적인 인터그레이트 슬로프)은 결과적으로 부하와 엔진속도에 따라 급격하게 변화하는 제어진동의 진폭으로 나타난다. 이 결과 배기가스 배출이 심각하게 증가하는 동시에 주행성이 악화된다. 그러므로 최적의 배기가스 배출과 주행성을 위해 선택된 지속적인 제어 진폭이 평균상태에 도달하도록 부하와 엔진속도에 따라 인터그레이트 특성이 조절된다. 인터그레이터는 혼합비 조절, 즉 공기량을 조정하게 되어 있는 타입이 있지만 그렇지 않은 타입도 있다. 엔진 ECU에서 인터그레이터 값이 나오는 차들은 128 안에 들면 매우 양호한 차들이다. 히팅코일 내장형과 비내장형 · 질코니아 산소센서의 종류 산소센서의 종류에는 1선·2선·3선·4선 방식이 있다. 산소센서는 기본적으로 점검 방법이나 작동원리가 비슷하다. 다만 히팅코일이 있느냐 없느냐의 차이에 따라 배선 숫자가 다른 것이다. 또한 센서 어스를 차체에 시키느냐 ECU에 시키느냐에 따라 배선 숫자가 달라진다. 예를 들어 1선 방식은 센서 자체가 어스이고 나머지 선은 ECU로 입력되는 출력단자이다. 그러므로 어스 불량으로 인해 트러블도 생길 수 있는 원인을 항상 가지고 있다. (배기온도 300℃ 이하 때는 작동하지 않음) 2선 방식은 1개는 출력선, 다른 1개는 센서 어스선이다.(작동속도는 느 리지만 어스로 인한 고장이 거의 없다. 배기온도 300℃ 이하 때는 작동하지 않음) 3선 방식은 1개는 센서 출력선, 나머지 2개는 히팅코일이며 센서 자체가 어스이다.(작동속도는 빠르지만 역시 어스로 인한 고장 요인을 항상 가지고 있다. 시동 후 20∼30초 내 작동) 4선 방식은 1개는 출력선, 다른 1개는 센서 어스선, 나머지 2개는 히팅코일선이다. 고장 트러블은 거의 발생하지 않는다.(시동 후 20∼30초 내 작동) 결론을 내리자면 4선 방식이 작동도 빠르고 고장 트러블도 잘 생기지 않는다. ·질코니아 산소센서의 원리 질코니아관의 외측(배기가스)과 내측(대기)에 산소의 농도차가 있으면 질코니아관을 산소이온이 통과해 기전력이 생기는 특성을 이용하고 다시 질코니아관의 양면에 백금을 코팅함으로써 전극의 역할에 더해 촉매작용(CO+½O2→CO2)을 하도록 해 공연비에 대해 기전력이 급변하는 특성이 얻어질 수 있도록 된 것이다. 이론공연비보다 농후한 쪽에서는 센서 표면에 잔류하는 O2가 CO에 반응해 표면의 O2 농도가 0이 되기 때문에 관내의 대기와의 O2 농도비가 커서 1V 전후의 기전력이 발생하고 역으로 희박한 쪽에서는 배기 중의 산소 농도가 높기 때문에 관내 외의 O2 농도비가 작아서 거의 전압이 발생되지 않는다. 마침 중간에 해당하는 이론공연비(=1) 부근에서는 O2 농도비가 변화해 기전력이 급변하는 이유가 된다. 즉 이 기전력으로부터 공연비가 농후한 쪽에 있는 것으로 판단되면 희박하게 또 λ=1보다 희박한 것으로 판단되면 농후하게 되도록 전자제어 하는 것이 피드백 제어이다.(실린더 내에서 실화가 발생되면 배출가스 중에 산소량이 증가되므로 산소센서의 출력값은 낮게 나옴) 산소센서는 이론공연비인 곳에서 출력전압이 급하게 변화하므로 그 특성을 살려서 <그림 13>에서 나타내는 곳과 같은 공연비의 피드백 제어 를 한다. 그리고 ECU는 산소센서의 출력전압과 이론공연비를 나타내는 기준전압과의 비교에 의해 농후, 희박의 판정을 하게 된다. 농후의 경우는 분사량이 감량되도록 피드백 보정계수를 단계적으로 변화시킨다. 이 피드백 제어 방식은 응답성을 높여 보다 빨리 이론공연비 가까이로 공연비를 제어할 것을 목적으로 하고 있다. 주로 부하가 낮은 경우에는 연료보정(곱셈보정)보다 공기보정(덧셈보정)으로 이론공연비를 제어하고 중·고부하에서는 연료보정이 공기보정보다 우선시된다. 왜냐하면 엔진이 부하가 낮은 경우에는 연료 1g이 더 분사되는 것보다 공기 14.7g으로 이론공연비를 제어하는 것이 더욱 정밀하기 때문이다. 중·고부하일때도 공기량만으로 제어한다면 너무나 많은 공기량이 들어가기 때문에 공기보정보다는 연료보정이 제어하기 쉽기 때문이다. 하지만 ECU는 산소센서의 신호에 의해 연료량을 보정하지만 인젝터 분사시간 보정폭이 매우 적으므로 정비 때 참고해야 한다.

[임충진]

아~ 어려워요 ㅜㅜ