【박병일의 정비교실/산소센서④】
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【박병일의 정비교실/산소센서④】
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  • 승인 2002.12.01 15:47
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박병일「본지 기술자문위원·자동차정비 명장·카123텍 대표」

희박 연소기관에서 연비를 최대한으로 향상시키기 위해서는 희박 공연비 영역을 확대시킬 필요가 있다. 희박 공연비에서 고부하 때의 이론 공연비를 이행할 때 목표 공연비를 서서히 변화시키며 도중 중간적인 공연비일 때에는 NOx의 배출량이 많아진다. 따라서 희박연소에서 정확한 공연비 제어를 위해 채용되는 것이 전영역 산소센서이다

<그림1> 광역 산소센서(LSU) 구성도

기존의 린번엔진에서는 광역 산소센서(LSU) 하나만 적용했으나 2세대 린번에서는 광역 산소센서의 람다 1일 때 영역의 오차를 보상하기 위해 기존의 질코니아 산소센서(LSP)를 사용한다.

역 할

① 배기가스 중에서 산소의 존재유무를 감지함으로써 피드백 수치를 제공한다.

② 산소센서는 배기 매니폴드 또는 배기 파이프에 설치되어 가스 상태를 점검한다.

③ 배기가스 중에서 산소가 많은 상태이면 출력전압은 200mV 근처가 된다. 상대적으로 산소가 적은 상태라면 출력전압은 800mV 근처가 된다.

산소센서의 원리

휘발유 엔진의 배기가스(HC, CO, NOx 등)를 정화시키기 위해 삼원촉매를 사용하는 시스템에서는 촉매의 정화율을 극대화하기 위해 공연비를 이론 공연비 근처로 정밀하게 컨트롤 하는 것이 요구된다.

산소센서는 배기가스와 대기의 산소분압 차이에 의한 기전력을 발생해 엔진 작동 중의 공연비에 대한 정보를 제공함으로써 연료조정 시스템으로 하여금 연료분사량을 제어해 이론 공연비 근처에서 공기와 연료비가 제어되도록 하는 역할을 한다.

산소센서 내부 구조는 질코니아 소자를 이용하고 질코니아 소자 양면에 백금 전극을 형성해 각각 대기와 배기가스에 접촉하도록 하면 양측의 산소 농도차에 의해 기전력이 발생한다. 백금 촉매의 작용으로 배기가스 중의 산소 분압은 이론 공연비로 급변화해 농후한 영역에서 800mV 이상, 희박한 영역에서 200mV 이하의 기전력을 발생한다.

<그림2> 산소센서 배치도

※리어 산소센서(LSF: Lambda Sensor Flat)는 LSU의 λ=1 편차를 보상하기 위해 적용된다 → 2세대 린번의 경우에서 LSU 약간 희박 작동에 의한 람다(λ)=1 구간에서 NOx 다량 발생

<그림3> 산소센서 내부 구조 및 출력

전영역 산소센서(Wide Band Oxygen Sensor)

희박 연소기관에서 연비를 최대한으로 향상시키기 위해서는 희박 공연비 영역을 확대시킬 필요가 있다. 희박 공연비에서 고부하 때의 이론 공연비를 이행할 때 목표 공연비를 서서히 변화시키며 도중 중간적인 공연비일 때에는 NOx의 배출량이 많아진다.

따라서 목표 공연비 설정에 중간적인 공연비를 부여하는 것은 불가능하고 또한 희박 공연비 영역으로부터 이론 공연비 영역으로 변환이 순간적으로 이루어지게 되면 공연비의 차가 지나치게 커서 이로부터 운전자는 파워 쇼크를 느끼게 된다.

그러므로 연비, NOx, 운전성을 각각 만족시키기 위해서는 응답성과 제어 정확도가 높은 공연비 제어가 필요하게 된다.

위에서 설명한 것과 같이 희박연소에서 정확한 공연비 제어를 위해 채용되는 것이 전영역 산소센서이다. 이를 채용함으로써 희박 공연비 영역을 확대시킬 수 있으며 또한 파워 쇼크를 느끼지 않는 공연비 제어를 실현시킬 수 있게 된다.

기존 산소센서는 λ(람다)=1을 기준으로 1 이하이면 연료 희박, 1 이상이면 농후를 식별해 엔진 ECU에 피드백 함으로써 연료분사량 조절이 이루어지고 제어 영역은 약 0.9<λ(람다)<1.1이다.

그러나 광역 산소센서는 약 0.7<λ(람다)<1.7의 광범위한 영역에서 조건에 따라 희박 및 이론 공연비 피드백이 가능해 중부하(토크 8kgm) 이하에서는 희박 공연비로 제어해 연비 개선 및 NOx를 저감하고(NOx량은 온도에 비례) 중부하 이상일 때 λ(람다)=1로 운전해 가속성 개선 및 삼원촉매를 통한 NOx 정화를 꾀할 수 있다. → λ(람다)=1 제어 대비 린번 때 연소실 온도가 낮아 NOx는 저감되나 배기가스 중 공기량


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