KR101308762B1 - 내연기관용 산소센서 - Google Patents

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Abstract

내연기관용 산소센서가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 내연기관용 산소센서는, 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출되어 공연비를 감지하는 센싱소자; 센싱소자를 보호하도록, 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출된 센싱소자를 에워싸는 보호튜브; 및 배기 파이프 내에 형성된 응축수가 센싱소자와 접촉하기 전에, 응축수를 증발시키기 위한 보호튜브 히팅부;를 포함한다.

Description

내연기관용 산소센서{OXYGEN SENSOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기가스 공연비를 측정하기 위한 산소센서에 관한 것이다.
오늘날 자동차에는 내연기관에서 배출되는 유해 배기 가스(Exhaust Gas)의 저감 및 배기 가스 규제에 대응하기 위하여, 전자제어장치(ECU, electronic control unit) 및 삼원촉매가 탑재된다.
전자제어장치는 내연기관에서 필요로 하는 혼합기가 공급되도록, 엔진의 회전속도, 흡기공기량, 냉각수 온도 및 흡입 공기 온도 등, 엔진의 상태를 각종 센서를 통하여 검지하고 연산하여 현재 내연기관의 운전 조건에 가장 적합한 혼합기의 공급을 정밀하게 제어한다.
이러한 자동차의 전자제어장치는 내연기관의 상태를 감지하기 위하여 여러가지 기능을 수행하는 각종 센서를 구비하고 있는데, 이러한 각종 센서 중 가솔린을 사용하는 자동차의 공연비 제어를 위한 산소센서는 삼원촉매를 이용하는 차량의 배기가스 파이프에 설치되어 배기가스 중의 산소농도를 검출하는 역할을 수행한다.
한편, 삼원촉매는 배기가스를 정화시키기 위한 장치로서, 삼원촉매를 사용하여 배기가스를 효과적으로 정화하기 위해서는 공연비를 이론 공연비로 제어하여야 한다. 그러나, CO, HC, NOx 가 모두 정화가능한 공연비 범위(Catalytic Converter Window)는 극히 좁기 때문에 오픈루프(Open Loop) 제어로는 이 요구를 만족할 수 없다.
따라서, 삼원 촉매가 요구하는 공연비를 실현하기 위해 배기 파이프에 산소센서가 설치되어 배기가스 중의 공연비가 이론 공연비 대비 농후상태 (Rich)인지, 희박상태 (Lean)인지를 검출하여 이론 공연비로 유지되도록 제어할 필요가 있다.
종래의 일반적인 산소센서가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 종래의 산소센서(10)는 주로 고온의 엔진 주위에서 배기 파이프(3)에 직접 장착되어, 배기 파이프(3) 내부에서 유동하는 배기가스 중의 산소농도를 측정하게 된다. 센서감지부는 지르코니아(zirconia) 기반의 고체전해질로 이루어진 센싱소자(17) 및 상기 센싱소자(17)를 보호하기 위한 보호커버(11)를 포함한다. 보호커버(11)에는 센싱홀(19)이 형성되어 있어 센싱홀(19)을 통과한 배기가스를 센싱소자(17)가 센싱할 수 있다. 따라서, 센싱소자(17)는 대기측 기준공기와 배기가스의 산소농도 차이에 의한 산소이온의 이동에 의해 발생되는 전자의 흐름을 통하여 전압을 측정한다.
그런데, 탄화수소를 연료로 사용하는 내연기관의 경우 연료의 연소에 의해 배기 가스 내부에는 항상 10%이상의 수분이 존재하고 있으며, 배기 파이프(3)가 차가운 상황에서 엔진이 구동될 경우 배기가스 내부의 수분이 차가운 배기 파이프(3)를 만나 응축되고 물방울의 형태로 배기 파이프 내부로 비산되는 문제점이 있다.
이러한 상황은 배기 파이프(3)의 온도가 배기열에 의해 일정한 온도 이상으로 상승되는 시점까지 지속된다. 전술한 바와 같이, 자동차용으로 사용되는 산소센서(10)의 경우 지르코니아 세라믹 계통의 고체 전해질을 센싱소자(17)로 사용하고 있는데, 이러한 지르코니아 세라믹 고체 전해질은 300℃ 이상의 온도에서 전해질의 특성이 발현된다. 그러나, 세라믹의 특성상 열충격에 아주 취약한 특성으로 인해 배기 파이프(3) 내부의 응축수가 배기열에 의해 완전히 사라지고 난 후 활성화를 시켜야만 하는 문제점이 있다.
구체적으로, 엔진 및 주변 환경에 따라 시간의 차이는 있으나 대부분 초기 시동에서부터 응축수가 완전히 증발할 때까지 대략 5~ 10분가량의 시간이 소요되는데, 이 시간 동안에는 산소센서의 기능이 정상적으로 동작되지 않기 때문에 현재 자동차에서 발생하는 대부분의 유해가스 배출이 시동 초기에 발생하게 된다.
응축수의 영향으로 인해 산소센서(10)의 센싱소자(17)가 손상되는 것을 방지하면서 산소센서의 활성화 시간을 단축시킬 수 있다면, 유해가스 배출량 감소시킬 수 있고 유해가스를 변환시키기 위한 촉매의 용량을 줄 일 수 있어 비용 및 환경적인 측면에서 개선이 가능하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 산소센서의 센싱소자가 배기파이프 내의 응축수에 의한 열충격에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있는 구성을 가지는 내연기관용 산소센서를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 내연기관용 산소센서로서,
상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출되어 공연비를 감지하는 센싱소자;
상기 센싱소자를 보호하도록, 상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출된 상기 센싱소자를 에워싸는 보호튜브; 및
상기 배기 파이프 내에 형성된 응축수가 상기 센싱소자와 접촉하기 전에, 상기 응축수를 증발시키기 위한 보호튜브 히팅부;를 포함하는 내연기관용 산소센서가 제공될 수 있다.
또한, 상기 보호튜브 히팅부는 열전도가 가능하도록 상기 보호튜브에 장착되며 외부 전원 인가에 의해 발열되는 전기저항형 발열재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 보호튜브 히팅부는 코일형태일 수 있다.
또한, 상기 보호튜브 히팅부는 상기 내연기관의 이그니션 키가 온(ON)된 경우에 상기 외부전원으로부터 전원을 인가받아 발열될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 내연기관용 산소센서로서,
상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출되어 공연비를 감지하는 센싱소자; 및
상기 센싱소자를 보호하도록, 상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출된 센싱소자를 에워싸는 보호튜브;를 포함하고,
상기 보호튜브는 외부전원의 인가에 의해 발열되는 전기저항형 발열재질로 이루어진 것인 내연기관용 산소센서가 제공될 수 있다.
또한, 상기 보호튜브는 알루미나 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 보호튜브는 상기 내연기관의 이그니션 키가 온(ON)된 경우에 상기 외부전원으로부터 전원을 인가받아 발열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 기재된 구성을 가지는 내연기관용 산소센서의 작동방법으로서,
상기 내연기관이 시동 되었는지를 판별하는 엔진시동판별 단계;
상기 내연기관이 시동된 경우에, 상기 산소센서의 보호튜브 히팅부를 가열하는 튜브히팅 단계;
상기 내연기관의 배기 파이프 내 응축수가 증발되었는지를 판별하는 히팅중단조건판별 단계; 및
상기 호보휴브 히팅부의 가열을 중단하는 튜브히팅중단 단계;를 포함하는 내연기관용 산소센서 작동방법이 제공될 수 있다.
본 실시예에 네연기관용 산소센서 및 산소센서 작동방법에 따르면, 산소센서의 센싱소자가 응축수에 의한 열충격에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 엔진시동 초기부터 산소센서의 센싱소자가 활성화될 수 있으므로 유해배출가스를 저감시킬 수 있다. 또한, 유해배출가스의 저감으로 인해 촉매의 용량을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 산소센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 산소센서의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 도면이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 작동방법을 나타내는 순서도이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 작동방법에 있어서, 시간에 따른 히팅율을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 산소센서를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 도시된 산소센서(100)는 차량 등에 설치된 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 것으로서, 센싱소자(17), 보호튜브(101), 제어장치(110)를 포함한다.
상기 산소센서(100)는 내연기관(미도시)에서 연소된 배기가스가 유동하는 배기 파이프(3)에 장착된다.
상기 센싱소자(17)는 내연기관의 배기 파이프(3) 내로 돌출되어 공연비를 측정하기 위해 마련된 것으로, 지르코니아(zirconia) 기반의 고체전해질로 이루어져 있다.
상기 보호튜브(101)는 상기 센싱소자(17)를 보호하기 위해 마련된 것으로, 내연기관의 배기 배기파이프(3) 내로 돌출된 센싱소자(17)를 에워싸는 형태로 마련된다. 상기 보호튜브(101)에는 센싱홀(19)이 형성되어 있어 센싱홀(19)을 통과한 배기가스를 센싱소자(17)가 센싱할 수 있다. 따라서, 센싱소자(17)는 대기측 기준공기와 배기가스의 산소농도 차이에 의한 산소이온의 이동에 의해 발생되는 전자의 흐름을 통하여 전압을 측정한다. 본 실시예서 상기 보호튜브(101)는 전기저항형 발열재질인 알루미나 재질로 이루어져 있다. 또한, 상기 보호튜브(10)는 외부전원(112)이 인가될 수 있도록 외부전원(112)에 전기적으로 연결되어 있다.
상기 제어장치(110)는 내연기관의 냉간시동시 상기 보호튜브(101)를 가열하여, 응축수가 상기 센싱소자(17)와 접촉 전에 증발되도록 하기 위해 마련된 것이다.
이슬이 맺히는 등의 저온의 환경에서 내연기관을 냉간시동하는 경우, 배기 파이프(3) 내에는 상당량의 수분이 존재하고 있는데, 이러한 수분은 차가운 배기 파이프(3)를 만나 응축되고 물방울의 형태로 배기 파이프(3) 내부로 비산된다. 이 경우, 일부의 물방울은 상기 보호튜브(101)의 센싱홀(19)을 통과하여 상기 센싱소자(17)와 충돌할 수 있다. 또한, 상기 보호튜브(101) 내에도 응축수가 고여 있을 수 있으며 엔진의 시동시 이러한 응축수가 비산하여 상기 센싱소자(17)와 충돌할 수 있다.
상기 제어장치(110)는 내부에 스위치(114)를 포함하고 있다. 내연기관의 냉간시동 시, 예컨대 이그니션키가 온(ON)된 경우에, 상기 제어장치(110)는 상기 스위치(114)를 온(ON)시켜 상기 보호튜브(101)에 외부전원(112)이 인가될 수 있게 한다. 상술한 바와 같이, 상기 보호튜브(101)는 전기저항형 발열재질로 이루어져 있으므로, 상기 외부전원(112)의 인가에 의하여 발열하여 고온이 된다. 따라서, 상기 보호튜브(101) 주위의 응축된 물방울은 빠르게 증발되어, 상기 센싱소자(17)가 응축수와 충돌하는 것을 방지한다. 그러므로, 상기 센싱소자(17)에 열충격이 가해지는 것을 차단할 수 있다.
상기 센싱소자(17)가 열충격으로부터 자유로워지기 때문에, 내연기관의 냉간시동시에도 시동과 동시에 상기 센싱소자(17)를 가열시켜 조기 활성화를 시킬 수 있으므로, 내연기관의 공연비 피드백제어(폐루프제어)를 조기에 시작할 수 있다. 따라서, 배기가스의 유해물질을 저감시킬 수 있는 동시에 삼원촉매의 용량을 줄일 수 있다.
본 실시예에서 상기 제어장치(110)는 별도의 제어장치일 수도 있고, 내연기관을 제어하는 전자제어장치(ECU)일 수도 있다.
이하, 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 산소센서에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 도면이고, 도 5는 도 4의 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도시된 산소센서(200) 역시 차량 등에 설치된 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 것으로, 센싱소자(17), 보호튜브(201), 보호튜브 히팅부(202), 및 제어장치(210)를 포함한다. 상기 센싱소자(17)는 도 3에 도시된 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서, 보호튜브(201)는 열전도성이 강한 재질로 이루어져 있으나, 도 3의 실시예에서의 보호튜브(101)와는 달리 발열재질로 이루어지지 않을 수도 있다. 대신에 본 실시예서는 보호튜브 히팅부(202)가 마련된다.
상기 보호튜브 히팅부(202)와 상기 제어장치(210)는 내연기관의 냉간시동시 상기 보호튜브(201)를 가열하여, 응축수가 상기 센싱소자(17)와 접촉전에 증발되도록 하기 위해 마련된 것이다.
상기 보호튜브 히팅부(202)는 상기 보호튜브(201)에 열전도가 가능하도록 상기 보호튜브(201) 외주를 감싸는 환형형상을 가지며, 상기 보호튜브(201)의 외주에 부착된다. 또한, 상기 보호튜브 히팅부(202)는 외부 전원(212)의 인가에 의해 발열되는 전기저항형 발열재질로 이루어질 수 있다. 일례로, 상기 보호튜브 히팅부(202)는 알루미나 재질일 수 있다.
상기 제어장치(210)는 내부에 스위치(214)를 포함하고 있다. 내연기관의 냉간시동시, 예컨대 이그니션키가 온(ON)된 경우에, 상기 제어장치(210)는 상기 스위치(214)를 온(ON)시켜 상기 보호튜브 히팅부(202)에 외부전원(212)이 인가될 수 있게 한다. 상술한 바와 같이, 상기 보호튜브 히팅부(202)는 전기저항형 발열재질로 이루어져 있으므로, 상기 외부전원(212)의 인가에 의하여 발열하여 고온이 된다. 상기 보호튜브 히팅부(202)가 발열하면, 상기 보호튜브(201) 역시 열전도에 의해 고온으로 된다. 따라서, 상기 보호튜브(201) 주위의 응축된 물방울은 빠르게 증발되어, 상기 센싱소자(17)가 응축수와 충돌하는 것을 방지한다. 그러므로, 상기 센싱소자(17)에 열충격이 가해지는 것을 차단할 수 있다.
본 실시예서, 상기 보호튜브 히팅부(202)가 환형의 형상을 가진 것을 예를 들어 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 보호튜브 히팅부는 분리된 복수개의 플레이트로 이루어져 각각 보호튜브(201)에 부착될 수도 있음은 물론이다.
또한, 보호튜브 히팅부는 코일형태로 이루어져 상기 보호튜브(201)에 부착될 수도 있음은 물론이다.
본 실시예에서 상기 제어장치(210)는 별도의 제어장치일 수도 있고, 내연기관을 제어하는 전자제어장치(ECU)일 수도 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 작동방법에 대해 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 내연기관용 산소센서의 작동방법은, 엔진시동판별 단계(S101), 튜브히팅 단계(S102), 히팅중단조건판별 단계(S103), 및 튜브히팅중단 단계(S104)를 포함한다.
상기 엔진시동판별 단계(S101)는, 사용자가 이그니션 키를 온(ON) 시켜 내연기관을 시동시키는 경우, 엔진제어장치(ECU)가 내연기관의 회전속도를 측정하여 엔진의 시동여부를 판별하는 단계이다.
상기 튜브히팅 단계(S102)는, 상기 엔진시동판별 단계(S101)에서 엔진이 시동된 것으로 판별되는 경우, 산소센서의 보호튜브에 외부전원을 인가하여 가열하는 단계이다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 T1의 시간 동안에 100%의 전력을 공급하여 보호튜브를 가열시킬 수도 있다. 여기서, 상기 T1 시간은 보호튜브를 충분히 가열시켜 보호튜브 주위에 응축수가 모두 증발되기에 충분한 시간을 의미한다. 이러한 T1 시간은 엔진의 배기량, 시동시 냉각수 온도, 대기 온도 등을 종합적으로 고려하고 실험을 통하여 결정된다.
상기 히팅중단조건판별 단계(S103)는, 보호튜브 주위의 응축수가 모두 증발되었는지를 판별하는 단계이다. 예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 T1이 경과한 경우, 엔진제어장치(ECU)는 보호튜브의 히팅중단조건이 만족되었다고 판단한다.
상기 튜브히팅중단 단계(S104)는 보호튜브의 히팅을 중단하기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 T2의 시간 동안에 히팅율을 서서히 감소시켜 최종적으로 보호튜브의 히팅을 중단시킨다.
상기 T1 및 T2의 시간은, 엔진 시동시의 냉각수 온도, 대기온도 및 배기량 등의 변수에 따른 함수테이블로 구성되어, 내연기관의 시동에 따라 적절한 T1, T2값이 결정될 수도 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
3: 배기 파이프
10, 100, 200: 내연기관용 산소센서
11, 101, 201: 보호튜브
14, 140: 본체부
13: 육각나사
15: 신호전달 와이어
16: 신호전달 커넥터
17: 센싱소자(지르코니아)
19: 센싱홀
110, 210: 제어장치
112, 212: 외부전원
114, 214: 스위치
150: 신호전달 와이어
202: 보호튜브 히팅부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 내연기관의 배기가스의 공연비를 측정하기 위한 내연기관용 산소센서로서,
    상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출되어 공연비를 감지하는 센싱소자; 및
    상기 센싱소자를 보호하도록, 상기 내연기관의 배기 파이프 내로 돌출된 센싱소자를 에워싸는 보호튜브;를 포함하고,
    상기 보호튜브는 외부전원의 인가에 의해 발열되는 전기저항형 발열재질로 이루어진 것인 내연기관용 산소센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호튜브는 알루미나 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소센서.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 보호튜브는 상기 내연기관의 이그니션 키가 온(ON)된 경우에 상기 외부전원으로부터 전원을 인가받아 발열되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소센서.
  8. 삭제
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