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 내장하

cartech 다른기사 보기