KR0176212B1 - A/f 센서의 자기진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 방법은, 펌핑 전류가 일정한 값이 되도록 A/F 센서를 동작시키고 그때의 펌핑 전압을 측정하는 단계를 포함한다. 다음에 측정된 펌핑 전압값을 소정의 기준값 및 상한값과 비교한다 여기서, 펌핑 전압값이 기준값을 초과하고 상한값 이하이면, 해당 A/F 센서를 보정한다. 그리고, 펌핑 전압값이 상한값을 초과하면, 해당 A/F 센서를 고장으로 진단한다.

Description

A/F 센서의 자기진단 방법 및 장치
제1도는 일반적인 A/F 센서의 개략적 구성도이다.
제2도는 정상적인 A/F 센서의 펌핑 전압에 대한 펌핑 전류 및 센싱전압의 특성도이다.
제3도는 A/F센서의 열화 시간에 대한 펌핑 전압의 특성도이다.
제4도는 열화된 A/F 센서의 펌핑 전압에 대한 펌핑 전류 및 센싱 전압의 특성도이다.
제5도는 본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
제6도는 본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 장치를 나타낸 예시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
A1, B1, C1: 펌핑 전압(Vp)에 대한 펌핑 전류(Ip)의 특성 곡선
A2, B2, C2: 펌핑 전압(Vp)에 대한 센싱 전압(Vs)의 특성 곡선
1 : 가스 확산로 2 : 확산실
3, 4 : 센싱 셀의 전극 5 : 센싱 셀
6, 7 : 펌핑 셀의 전극 8 : 펌핑셀
9 : 아날로그 비교기 10 : 펌핑 전압 측정부
11 : 마이크로컴퓨터 12 : 데이터 메모리
13 : 표시 및 경보부
본 발명은 A/F 센서(Air-Fuel ratio sensor)의 자기진단(On Board Diagnosis ; OBD) 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 자동차의 배기가스에 의한 대기 오염이 심각해지면서 이를 방지하기 위한 다각적 노력이 행해지고 있다. 예를 들어, 미국의 CARB(California Air Resource Board)는 자동차의 배기가스에 영향을 주는 구성품의 이상 작동 여부를 감시할 수 있는 OBD II 를 발표한 바 있다. 이에 따라 많은 관련업체에서 다양한 OBD 방법을 연구하고 있으나, 아직 만족할만한 성과를 얻지 못하고 있다.
A/F 센서란, 내연기관에 있어서 연소제어 시스템의 제어에 필요한 공연비(air-fuel ratio)를 검출하는 감지기의 일종으로서, 특히 연비 절감을 위하여 개발된 희박 연소 엔진에 이용되고 있다.
제1도는 일반적인 A/F 센서의 개략적 구성도이다. 제1도에 도시된 바와 같이 일반적인 A/F 센서는, 그 좌우에 다공성 가스 확산로(1)를 갖춘 확산실(2); 확산실(2)의 하부에 위치하고 두 전극(3, 4)을 갖추어 산소 농도의 차이에 따라 기전력을 발생시키는 센싱 셀(5); 및 확산실(2)의 상부에 위치하고 두 전극(6, 7)을 갖추어 확산실(2) 내부의 산소 압력을 조정하는 펌핑 셀(8)을 구비하고 있다. 제1도의 부호 9는, 센싱 셀(5)에 발생된 센싱 전압 및 소정의 기준 전압(Vref)이 입력되고, 그 출력은 펌핑 셀(8)에 인가됨에 따라 A/F 센서를 구동시키는 차동 증폭기를 나타낸다. 일반적으로 센싱 셀(5) 및 펌핑 셀(8)을 구성하는 물질은, 일정한 이온 전도저항을 가진 산화 지르코늄(ZrO2)이다.
제1도와 같은 A/F 센서의 동작 원리를 요약하면 다음과 같다. 즉, 센싱 셀(5)에 발생된 센싱 전압이 소정의 값 예를 들어, 0.45 V가 유지되도록 펌핑 셀(8)을 동작시킴과 동시에, 펌핑 셀(8)을 통하여 흐르는 펌핑 전류(Ip)의 값에 따라 산소 농도를 측정하는 것이다.
상기와 같은 A/F 센서의 특성 열화(劣化)는, A/F 센서가 연료 과잉영역에서 동작되는 경우에 가장 심하게 나타난다. 그 이유는, 센서 내부의 고체 전해질이 환원 분해됨에 따라 검게 변화하는 흑화 현상에 기인하는 것으로 알려져 있다. 현재 A/F 센서는 기존의 λ센서에 비하여 특성 열화가 심한 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 종래에는 A/F 센서의 자기진단 방법 및 장치가 개발되지 못하여, A/F 센서의 특성 열화 상태를 자체적으로 진단할 수 없었다.
A/F 센서의 특성 열화 상태를 진단하기 위한 종래의 방법은, A/F 센서를 엔진에서 분리한 후 표준 가스 등을 이용한 별도의 진단 시스템으로써 진단을 수행하는 것이다. 따라서 진단의 수행이 어렵고, 열화된 A/F 센서의 특성을 보정할 수 없을 뿐만 아니라, 고장난 A/F 센서를 계속 사용하는 경우가 많다. 이로 인하여 연소제어 시스템의 정밀도와 정확도가 상대적으로 낮게 되어, 경제적인 공연비(air-fuel ratio) 제어가 불가능하고, 배기가스가 증가된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안해서 창안된 것으로서, A/F 센서의 사용 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연소제어 시스템의 정밀도와 정확도를 증진시킬 수 있는 A/F 센서의 자기진단 방법 및 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 A/F 센서의 자기진단 방법은, 펌핑 전류가 일정한 값이 되도록 A/F 센서를 동작시키고 그때의 펌핑 전압을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 측정된 펌핑 전압값은 소정의 기준값 및 상한값과 비교된다. 상기 펌핑 전압값이 상기 기준값을 초과하고 상기 상한값 이하이면, 해당 A/F 센서가 보정된다. 상기 펌핑 전압값이 상기 상한값을 초과하면, 해당 A/F 센서가 고장으로 진단된다.
또한 상기 또다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 A/F 센서의 자기진단 장치는 측정수단과 비교 처리수단을 포함한다. 상기 측정수단은 일정한 펌핑 전류로써 동작중인 A/F 센서의 펌핑 전압을 측정한다. 상기 비교 처리수단은, 상기 측정된 펌핑 전압값을 소정의 기준값 및 상한값과 비교하여, 해당 A/F 센서의 열화 상태를 진단한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 상세히 설명된다.
제2도는 정상적인 A/F 센서의 펌핑 전압에 대한 펌핑 전류 및 센싱 전압의 특성도이다. 제2도에서 A1은 제1 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 펌핑 전류(Ip)의 특성 곡선, A2는 제1 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 센싱 전압(Vs)의 특성 곡선, B1은 제2 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 펌핑 전류(Ip)의 특성 곡선, B2는 제2 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 센싱 전압(Vs)의 특성 곡선, C1은 제3 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 펌핑 전류(Ip)의 특성 곡선, 그리고 C2는 제3 산소 농도인 경우의 펌핑 전압(Vp)에 대한 센싱 전압(Vs)의 특성 곡선을 나타낸다. 여기서 제2 산소 농도는 제1 산소 농도보다 높고, 제3 산소 농도보다 낮다. 상기한 바와 같이 일반적인 A/F 센서는, 센싱 전압(Vs)이 소정의 값 예를 들어, 0.45 V가 유지되도록 펌핑 셀(제1도의 8)을 동작시킴과 동시에, 펌핑 전류(Ip)의 값에 따라 산소 농도를 측정하게 된다. 제2도에 도시된 바와 같이 펌핑 전류(Ip)가 a1에서 b1또는 c1으로 커짐으로써 산소 농도는 제1 산소 농도에서 제2 또는 제3 산소 농도로 높아지게 된다. 이에 따라 펌핑 전압(Vp)은 센싱 전압(Vs)을 0.45 V로 유지하기 위하여 a2에서 b2또는 c2로 높아지게 된다.
제3도는 A/F 센서의 열화 시간에 대한 펌핑 전압의 특성도이다.
제3도는 A/F 센서를 실제 연료 과잉영역(Fuel Rich Region)에서 동작시키면서 실험한 결과이다. 여기서 산소 농도 및 펌핑 전류(Ip = 1mA)를 일정하게 유지하면서 열화 시간에 대한 펌핑 전압(Vp)을 측정하였다. 도시된 바와 같이 동일한 산소 농도에서도 열화 시간이 경과함에 따라 펌핑 전압(Vp)이 커짐을 알 수 있다. 본 발명은 제3도와 같은 특성 즉, 펌핑 전류(Ip)가 일정함에도 불구하고 펌핑 전압(Vp)이 열화 정도에 비례하는 특성에 착안하여 창안된 것이다.
제4도는 열화된 A/F 센서의 펌핑 전압(Vp)에 대한 펌핑 전류(Ip) 및 센싱 전압(Vs)의 특성도이다. 제4도를 제2도와 비교하여 보면, 동일한 산소 농도에서도 펌핑 전압(Vp)이 증가하고 펌핑 전류(Ip)가 감소함을 알 수 있다. 따라서 제4도와 같은 특성도를 적용하여, 펌핑 전류(Ip)에 대한 펌핑 전압(Vp)을 모니터링함으로써, 해당되는 A/F 센서의 상태를 진단하고 그에 따른 조치를 취할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터를 이용하여, 펌핑 전압(Vp)이 소정의 기준값을 초과하고 소정의 상한값 이하이면, 펌핑 전류(Ip)값을 상대적으로 크게 함으로써 해당 A/F 센서를 보정할 수 있다. 또한 펌핑 전압(Vp)이 상한값을 초과하면, 해당 A/F 센서를 고장으로 표시(display)하고 경보(alarm)를 발생시킬 수 있다.
제5도는 본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 방법을 나타낸 흐름도이다. 제5도에서 OBD란, 자동차의 배기가스에 영향을 주는 구성품의 이상 작동 여부를 감시하는 알고리즘(Algorithm)을 의미한다. 즉, 본 실시예에 따른 A/F 센서의 자기진단방법은, 적용되는 OBD에 추가되어 구현될 수 있다. 단계 51에서 OBD가 시작되면, A/F 센서를 정상동작 모드에서 진단 모드로 전환시킨다(단계 52). 다음에 펌핑 전류(Ip)가 특정한 값이 되도록 A/F 센서를 동작시키고 그때의 펌핑 전압(Vp)을 측정한 후(단계 53), 측정된 전압(Vp)값을 소정의 기준값 및 상한값과 비교한다(단계 54). 본 실시예의 경우, 기준값은 사용 초기의 펌핑 전압값(V0)을, 그리고 상한값은 상기 기준값의 2배 즉, 2V0로 설정하였다. 비교 후, 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상기 기준값(V0) 이하이면 해당 A/F 센서의 특성은 양호한 상태로 진단된다. 만약 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상기 기준값(V0)을 초과하고 상기 상한값(2V0) 이하이면, 해당 A/F 센서의 펌핑 전류(Ip)값을 상대적으로 크게 함으로써 해당 A/F 센서를 보정할 수 있다(단계 55). 또한 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상한값(2V0)을 초과하면, 해당 A/F 센서를 고장으로 진단한다(단계 56). 이러한 고장 진단의 과정은 예를 들어, 일반적인 OBD II 의 고장 처리 모드(Fail-Safe mode)에 의하여 고장으로 표시(display)하고, 경고음을 발생시키거나 경고등을 점등하는 등의 동작을 포함한다. 여기서 고장 처리 모드란, 시스템이 불량 A/F 센서의 신호를 무시하고 동작함으로써 시스템의 오동작을 방지할 수 있는 모드를 의미한다.
제6도는 본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 장치를 나타낸 개략적 구성도이다. 상기한 바와 같이 일반적인 A/F 센서는, 그 좌우에 다공성 가스 확산로(1)를 갖춘 확산실(2); 확산실(2)의 하부에 위치하고 두 전극(3, 4)을 갖추어 산소 농도의 차이에 따라 기전력을 발생시키는 센싱 셀(5); 및 확산실(2)의 상부에 위치하고 두 전극(6, 7)을 갖추어 확산실(2) 내부의 산소 압력을 조정하는 펌핑 셀(8);을 구비하고 있다.
제1도의 부호 9는, 센싱 셀(5)에 발생된 센싱 전압(Sensing voltage) 및 소정의 기준 전압(Vref)이 입력되고, 그 출력은 펌핑 셀(8)에 인가됨에 따라 A/F 센서를 구동시키는 차동 증폭기(differential amplifier)를 나타낸다.
제6도를 참조하여 본 발명에 따른 자기진단 장치의 구성 및 동작을 설명하기로 한다. 펌핑 전압 측정부(10)는 펌핑 전압(Vp)을 측정하여 그 측정값을 마이크로컴퓨터(11)에 입력한다. 마이크로컴퓨터(11)는 내장된 자기진단 알고리즘에 의하여, 입력된 펌핑 전압(Vp)값을 데이터 메모리(12)에 저장된 소정의 기준값(V0) 및 상한값(2V0)과 비교한다. 여기서 데이터 메모리(12)에 저장된 데이터는, 적용되는 A/F 센서 및 시스템의 특성에 따라 조정될 수 있다. 비교 후, 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상기 기준값(V0) 이하이면 해당 A/F 센서의 특성은 양호한 상태로 진단된다. 만약 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상기 기준값(V0)을 초과하고 상기 상한값(2V0) 이하이면, 해당 A/F 센서의 펌핑 전류(Ip)값을 상대적으로 크게 함으로써 해당 A/F 센서를 보정할 수 있다. 또한 측정된 펌핑 전압(Vp)값이 상한값(2V0)을 초과하면, 해당 A/F 센서를 불량으로 진단한다. 이때, 표시 및 경보부(13)에 고장 표시(display)가 나타나고, 경보음이 발생하거나 경보등이 점등된다. 여기서 표시 및 경보부(13)의 동작 결과는 데이터 메모리(12)에 별도로 저장되게 한다.
이상 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 A/F 센서의 자기진단 방법 및 장치에 의하면, A/F 센서의 사용 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연소제어 시스템의 정밀도와 정확도를 증진시킴으로써 배기가스의 감소에 기여할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.

Claims (7)

  1. 펌핑 전류가 일정한 값이 되도록 A/F 센서를 동작시키고 그때의 펌핑 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 펌핑 전압값을 소정의 기준값 및 상한값과 비교하는 단계; 상기 펌핑 전압값이 상기 기준값을 초과하고 상기 상한값 이하이면, 해당 A/F 센서를 보정하는 단계; 및 상기 펌핑 전압값이 상기 상한값을 초과하면, 해당 A/F 센서를 고장으로 진단하는 단계; 를 포함한 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고장으로 진단하는 단계에서, 고장의 표시, 경보음의 발생 및 경보 등의 점등 중에서 적어도 어느 하나가 수행되는 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 A/F 센서를 보정하는 단계는, 펌핑 전류를 상대적으로 크게 함으로써 수행되는 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 방법.
  4. 일정한 펌핑 전류로써 동작중인 A/F 센서의 펌핑 전압을 측정하는 측정수단; 및 상기 측정된 펌핑 전압값을 소정의 기준값 및 상한값과 비교하여, 해당 A/F센서의 열화 상태를 진단하는 비교 처리수단; 을 포함한 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비교 처리수단은, 소정의 자기진단 알고리즘이 내장된 마이크로컴퓨터인 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 측정된 전압값이 상기 상한값을 초과하면 불량으로 표시하는 표시부, 경보음 발생부, 및 경보등 점등부 중에서 적어도 어느 하나를 더 포함한 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 기준값 및 상한값과 관련된 데이터를 저장하는 데이터 메모리를 더 포함한 것을 그 특징으로 하는 A/F 센서의 자기진단 장치.
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