KR101014495B1 - 광학 산소센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 광학 산소센서는, 발광부재; 및 상기 발광부재에서 발산된 빛 중 산소입자에 부딪혀 산란됨으로써 주파수가 변경된 빛이 전달되었을 때 전기를 발생시키는 전도체;를 포함하고, 상기 발광부재와 전도체 사이에는, 상기 발광부재로부터 발광된 빛이 상기 전도체로 전달되는 경로를 가로질러 배기가스가 지날 수 있도록 이격공간이 마련된다.
본 발명에 의한 광학 산소센서는, 예열과정 없이 산소 농도 측정이 가능하므로 별도의 예열장치가 필요 없고, 촉매의 화학적 반응을 이용해 산소 농도를 측정하는 산소센서보다 정확한 산소 농도를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의한 광학 산소센서를 이용하면, 엔진의 초기 시동 시에도 배출가스 규제를 만족시키기 위한 공연비 제어가 가능해진다는 장점이 있다.
산소, 센서, 광학, 발광, 산란, 주파수, 전도체
Description
본 발명은 광학 산소센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 산소에 의해 산란되어 주파수가 변경된 빛을 감지함으로써 배출가스 내의 산소농도를 측정할 수 있도록 구성되는 광학 산소센서에 관한 것이다.
통상적으로 산소 센서는 삼원 촉매식(Three-way Catalyst) 차량에 필요한 것으로, 배기가스 중의 산소 농도를 전기적으로 검출하는 기능을 한다. 삼원촉매는 이론 공연비(λ=1.0) 부근에서 주요 유해물질인 CO, HC 및 NOx의 산화, 환원 반응을 효율적으로 제어한다.
이론 공연비란 탄화수소 혼합물인 휘발유와 공기의 혼합기체가 완전 연소하여 전부 물과 이산화탄소로 바뀐다면 공기와 휘발유의 중량 비는 14.6 : 1 전후가 되는 것을 말하며, 삼원 촉매가 가장 좋은 정화 성능을 발휘하기 위해서는 공연비를 모든 운전 조건 하에서 항상 이론 공연비 부근의 좁은 범위가 되도록 제어할 필요가 있다. 따라서 삼원 촉매 컨버터에 들어가기 전의 배기가스 중에 포함된 산소의 농도를 정확히 검출하여 이것을 ECU로 보내어 연료의 분사량이 항상 이론 공연비에 가까운 상태를 유지하도록 한다.
이러한 이론 공연비 영역 내 제어를 위해 공연비를 측정하여 계속적으로 피드백(feed-back)시켜줄 수 있게 하는 부품이 산소센서(Oxygen Sensor)이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 산소센서에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 배기 매니폴드에 장착된 종래의 산소센서 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 종래의 산소센서(7)는, 배기가스 내의 산소 분압을 측정하는 센서부(4)와, 센서부(4)에서 측정한 데이터를 외부에 설치된 ECU(미도시)로 전달하기 위한 전선(6)과, 산소 센서를 배기 매니폴드(5)에 고정시키는 육각부(3)를 포함하여 구성된다. 그로밋(1) 부위는 센서 내부로부터의 전선(6)이 외부로 나오는 시작점으로, 센서부(4)를 감싸고 있는 금속 외통으로부터 전선을 보호함과 동시에 단단히 고정하는 역할을 하며 또한 센서부(4)의 외부와 내부를 밀폐시켜주는 역할을 하는 곳이다.
따라서 종래의 산소센서(7)는 배기가스 배출부위인 배기 매니폴드(5)에 장착되었을 때 상기 배기 매니폴드(5) 내측에 위치되는 센서부(4)를 구비하여 배기가스 내 산소의 분압을 측정하여 공연비를 계산하게 된다. 산소 센서의 온도가 높아지면 백금의 촉매 작용에 의하여 이론 공연비를 경계로 하여 기전력이 급변하는 특성이 나타나기 때문에, 산소 센서를 배기관 내부인 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)에 설치하여 외면을 배기가스에 접촉되도록 하고, 내면에는 대기를 도입하여 배기가스 중의 산소 농도를 기전력에 의해 검출한다.
지금까지 가솔린 엔진에서 쓰고 있는 산소센서는 지르코니아라는 물질를 촉 매로 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 전류가 흐르도록 구성되는데, 문제는 단순한 화학적 반응으로 연료의 RICH/LEAN 만 판단할 뿐 산소의 정확한 농도를 측정할 수 없다는 단점이 있다.
또한, 지르코니아는 350℃ 이상의 온도에서만 활성화되므로, 지르코니아를 이용한 종래의 산소센서는 시동 후 자동차가 예열되기 전까지는 배출가스 내의 산소량을 측정할 수 없고, 이에 따라 배출가스 규제를 만족시키기 위한 공연비 제어가 불가능하다는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 산소센서 내부에 히터를 달아서 지르코니아가 빨리 활성화시키는 방안이 제안되고 있지만, 이와 같은 경우에도 15초~20초까지의 지연시간이 발생된다는 단점이 있다.
통상적으로 배출가스 규제를 만족하지 못하는 배기가스는 대부분 초기 시동에서 배출되는데, 상기와 같은 구조로 구성되는 산소센서로는 향후 더욱 강화된 배출가스 규제를 만족시키기가 어렵다는 문제점이 있다. 다시 말하면, 지속적으로 강화되는 각국의 배출가스 규제를 맞추기 위해서는, 주행 중은 기본이고 초기 시동 시에도 배기가스 내의 산소량을 측정함으로써 불완전 연소된 배기가스 배출을 방지해야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 초기 시동 시에도 배출가스 규제를 만족시키기 위한 공연비 제어가 가능하도록 예열 시간 없이 즉각적인 배기가스 내의 산소 농도 측정이 가능한 산소센서를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 광학 산소센서는,
발광부재; 및
상기 발광부재에서 발산된 빛 중 산소입자에 부딪혀 산란됨으로써 주파수가 변경된 빛이 전달되었을 때 전기를 발생시키는 전도체;
를 포함하고,
상기 발광부재와 전도체 사이에는, 상기 발광부재로부터 발광된 빛이 상기 전도체로 전달되는 경로를 가로질러 배기가스가 지날 수 있도록 이격공간이 마련된다.
상기 발광부재와 전도체 사이에는 편광부재가 추가로 구비된다.
상기 편광부재는 입사된 빛이 고르게 분산되어 상기 전도체로 전달될 수 있 도록, 빛이 투과되는 부위가 만곡된 형상으로 형성된다.
상기 발광부재와 전도체에는 빛이 지나는 경로에 관통공이 형성된 보호캡이 각각 결합되고,
상기 편광부재는 상기 관통공을 밀폐시키도록 상기 보호캡에 결합된다.
상기 전도체에서 발생되는 전류값으로 산소농도값을 계산한 후, 차량의 전자제어장치(ECU:Electronical Control Unit)로 상기 산소농도값을 전달하는 연산부를 더 포함한다.
상기 전도체는 빛이 전달되는 면이 오목하게 만곡된 형상으로 형성된다.
상기 발광부재와 전도체가 내부에 장착되며, 하나 이상의 배기가스 유동구가 형성되는 하우징을 더 포함한다.
본 발명에 의한 광학 산소센서는, 예열과정 없이 산소 농도 측정이 가능하므로 별도의 예열장치가 필요 없고, 촉매의 화학적 반응을 이용해 산소 농도를 측정하는 산소센서보다 정확한 산소 농도를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 광학 산소센서를 이용하면, 엔진의 초기 시동 시에도 배출가스 규제를 만족시키기 위한 공연비 제어가 가능해진다는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광학 산소센서의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 광학 산소센서의 내부 구성을 도시하는 사시도이며, 도 4는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 광학 산소센서는, 전원공급 와이어(120)를 통해 외부로부터 전원을 인가받아 일측 방향(본 실시예에서는 하향)으로 빛을 발광하도록 하측에 발광부(110)가 구비되는 발광부재(100)와, 특정 구간의 주파수를 갖는 빛이 전달되었을 때 전자를 이동시켜 전기를 발생시키는 전도체(200)와, 상기 발광부재(100)와 전도체(200) 사이에 장착되는 편광부재(300)를 포함하고, 상기 발광부재(100)와 전도체(200) 사이에는 상기 발광부재(100)로부터 발광된 빛이 상기 전도체(200)로 전달되는 경로를 가로질러 배기가스가 지날 수 있도록 이격공간이 마련된다.
상기 발광부재(100)에서 발산되는 빛은 배기가스를 투과하면서 배기가스 내의 여러 종류의 입자와 부딪힘으로써 주파수가 변경되도록 산란되는데, 빛은 어떠한 종류의 입자와 부딪히는가에 따라 상이한 주파수를 갖도록 즉, 산소 입자와 부딪힐 때와 이산화탄소 입자와 부딪힐 때와 이산화질소 입자와 부딪힐 때 각각 서로 다른 주파수를 갖도록 산란된다. 이때 상기 전도체(200)는, 상기 발광부재(100)에서 발산된 빛이 산소입자에 부딪혀 산란되었을 때의 주파수 값을 갖는 빛이 전달되었을 때 전기를 발생시키도록 구성되므로, 발생되는 전기의 양을 측정함으로써 배기가스 내에 얼마나 많은 산소가 존재하고 있는지를 감지할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에 의한 광학 산소센서는 종래의 산소센서와 같이 촉매의 화학반응을 이용하는 것이 아니라 빛의 산란 현상을 이용하여 산소 농도를 측정하는 것이므로, 촉매를 가열하기 위한 별도의 예열장치가 필요 없어 구성이 매우 간단해지고, 산소 농도를 실시간으로 정확하게 감지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 광학 산소센서를 차량용 산소센서로 사용하는 경우, 예열이 이루어지지 아니한 엔진 초기 시동 시에도 배기가스 내의 산소 농도를 정확하게 측정할 수 있고, 이에 따라 엔진 시동 시기에 관계없이 공연비를 적정하게 제어함으로써 연료 절감 및 배기가스 내에 함유된 불완전 연소가스의 양을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
상기와 같이 특정 범위 내의 주파수 값을 갖는 빛이 인가되었을 때에만 전기를 발생시키는 전도체(200)는 여러 분야에서 활용되고 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 발광부재(100)에서 발산되는 빛은 여러 방향으로 불규칙하게 진행되는데, 하나의 산소 입자에 서로 다른 방향성을 갖는 빛이 투과되는 경우 상기 전도체(200)는 하나의 산소 입자를 둘 이상으로 판단하므로, 배기가스 내의 산소 농도 를 정확하게 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 발광부재(100)와 전도체(200) 사이에는 상기 발광부(110)에서 발상되는 빛 중 특정 방향으로 진행되는 빛만이 투과될 수 있도록 편광부재(300)가 구비된다.
또한, 상기 발광부재(100)로부터 발산되어 산소 입자와 부딪혀 주파수가 변경된 빛이 전도체(200)의 어느 한 지점으로 집중되면, 상기 전도체(200)로 전달되는 빛의 양을 정확하게 판단하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 상기 편광부재(300)는 입사된 빛이 고르게 분산되어 상기 전도체(200)로 전달될 수 있도록, 빛이 투과되는 부위 중 상기 전도체(200)를 향하는 면이 볼록하게 만곡된 형상으로 형성됨이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 광학 산소센서는, 상기 발광부재(100)와 전도체(200)의 기밀성을 유지하기 위해 상기 발광부재(100)와 전도체(200) 중 빛이 지나는 측을 감싸는 보호캡(400)이 각각 구비된다. 이때 상기 보호캡(400)에는 상기 발광부재(100)와 전도체(200)에는 빛이 지나는 경로에 관통공(410)이 형성된 보호캡(400)이 각각 결합되고, 상기 편광부재(300)는 상기 관통공(410)을 밀폐시키도록 상기 보호캡(400)에 결합된다.
이와 같이 상기 발광부재(100)와 전도체(200)에 보호캡(400)이 각각 결합되면, 상기 발광부재(100)나 전도체(200)로 이물질이나 배기가스가 유입되지 아니하므로 오동작 및 손상의 우려를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 광학 산소센서는, 상기 전도체(200)에서 발생되는 전류값으로 산소농도값을 계산한 후 이를 차량의 전자제어장치(ECU:Electronical Control Unit)로 전달하는 연산부(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 연산부(500)에 의해 산출된 산소농도값은 데이터전송 와이어(510)를 통해 전자제어장치로 전달된다.
상기와 같은 기능을 수행하는 연산부(500)가 구비되면, 차량의 전자제어장치는 예열이 되지 아니한 초기 시동시에도 배기가스 내의 산소량을 실시간으로 감지함으로써 공연비를 적정하게 조절할 수 있으므로, 초기 시동 시 과다한 연료가 공급됨으로써 발생되는 연료 낭비와 다량의 불연소 가스 배출을 방지할 수 있게 된다는 장점이 있다.
또한, 상기 전도체(200)가 평판 형상으로 형성되면, 상기 편광부재(300)를 통해 분산되는 빛의 입사 각도가 각각 상이해지므로, 전자 이동량이 다르게 나타날 수 있다. 따라서 상기 전도체(200)는, 빛이 전달되는 면이 오목하게 만곡된 형상으로 형성됨이 바람직하다.
상기 발광부재(100)와 전도체(200) 사이에는 배기가스가 흐를 수 있도록 이격 공간이 마련되어야 하는데, 상기 발광부재(100)와 전도체(200)가 서로 다른 부재에 결합되는 경우 상기 이격 공간이 좁혀지거나 넓혀져 배기가스가 흐르는 양이 변경됨으로써 배기가스 내의 산소 농도 측정을 정확하게 할 수 없게 된다는 문제점 이 있다.
따라서 본 발명에 의한 광학 산소센서는, 상기 발광부재(100)와 전도체(200)가 내부에 장착되는 하우징(600)을 포함하여 구성됨이 바람직하다. 이때 상기 하우징(600)에는 상기 발광부재(100)와 전도체(200) 사이의 이격 공간으로 배기가스가 흐를 수 있도록, 하나 이상의 배기가스 유동구(610)가 형성된다.
또한, 상기 하우징(600)의 형상을 종래의 산소센서 하우징(600)과 동일한 형상으로 제작하면, 제조 및 조립자의 혼란을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 동작을 도시하는 단면도이다.
본 발명에 의한 광학 산소센서를 동작시키면 도 5에 도시된 바와 같이 발광부재(100)의 발광부(110)를 통해 발산되는 빛은, 발광부재(100)에 결합되는 보호캡(400)에 장착된 편광부재(300)와, 전도체(200)에 결합되는 보호캡(400)에 장착된 편광부재(300)를 지나 전도체(200)로 확산된다(실선 화살표 참조).
이때, 두 개의 편광부재(300) 사이로는 배기가스가 흐르게 되는데(점선 화살표 참조), 상기 발광부재(100)에서 발광되는 빛은 배기가스 내에 포함된 여러 종류의 입자와 부딪힘으로써 상호 상이한 주파수를 갖도록 산란된다.
따라서 상기 전도체(200)로는 여러 종류의 주파수를 갖는 빛이 전달되는데, 상기 전도체(200)는 산소 입자와 부딪힘으로써 변경되는 주파수 값을 갖는 빛에 의해서만 전기를 발생시키도록 구성되는바, 상기 연산부(500)는 전도체(200)로부터 발생되는 전기의 양을 측정함으로써 배기가스 내에 얼마나 많은 양의 산소가 있는 지 즉, 산소 농도를 산출할 수 있게 된다.
이와 같이 상기 연산부(500)에 의해 산출된 산소 농도 값은 차량의 전자제어장치로 전달되어 적정한 공연비를 갖도록 연료 분사량이 제어된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 배기 매니폴드에 장착된 종래의 산소센서 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 광학 산소센서의 내부 구성을 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 광학 산소센서의 동작을 도시하는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 발광부재 110 : 발광부
200 : 전도체 300 : 편광부재
400 : 보호캡 410 : 관통공
500 : 연산부 600 : 하우징
610 : 배기가스 유동구
Claims (7)
- 빛을 발광하는 발광부재; 및상기 빛이 지나는 경로를 가로질러 배기가스가 지날 수 있도록 차량의 배기가스 유로 내에 장착되고 상기 발광부재와 이격되며, 상기 발광부재에서 발산된 빛 중 산소입자에 부딪혀 산란됨으로써 주파수가 변경된 빛이 전달되었을 때 전기를 발생시키는 전도체;상기 전도체에서 발생되는 전류값으로 산소농도값을 계산한 후, 차량의 전자제어장치(ECU:Electronical Control Unit)로 상기 산소농도값을 전달하여 공연비 제어가 가능하도록 하는 연산부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
- 제1항에 있어서,상기 발광부재와 전도체 사이에는 편광부재가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
- 제2항에 있어서,상기 편광부재는 입사된 빛이 고르게 분산되어 상기 전도체로 전달될 수 있도록, 빛이 투과되는 부위가 만곡된 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
- 제2항에 있어서,상기 발광부재와 전도체에는 빛이 지나는 경로에 관통공이 형성된 보호캡이 각각 결합되고,상기 편광부재는 상기 관통공을 밀폐시키도록 상기 보호캡에 결합되는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
- 삭제
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전도체는 빛이 전달되는 면이 오목하게 만곡된 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 발광부재와 전도체가 내부에 장착되며, 하나 이상의 배기가스 유동구가 형성되는 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 산소센서.
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| JP2007192638A (ja) * | 2006-01-18 | 2007-08-02 | New Cosmos Electric Corp | ガス検知装置 |
-
2008
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Patent Citations (2)
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