KR101449277B1 - 자동차용 산소 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 산소 센서에 관한 것으로, 센서 하우징부재의 내부에 수용된 산소 농도 측정 센서부재의 산소 측정 공간에 대기 가열 히터를 설치하여 상기 대기 가열 히터로 상기 산소 측정 공간으로 유입된 대기를 가열하여 대기 중 포함된 수분 또는 오일 등의 이물질을 제거함으로써 산소 농도 측정 시 정확도를 향상시킨 것이다.

Description

자동차용 산소 센서{OXYGEN SENSOR FOR VEHICLE}

본 발명은 자동차용 산소 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 산소 센서의 성능 저하를 방지하여 자동차의 배기가스 내 산소의 농도를 정확하게 안정적으로 측정할 수 있는 자동차용 산소 센서에 관한 발명이다.

일반적으로 자동차용 산소센서는 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 산소의 농도를 측정하여 전압이나 저항값으로 변환시켜 이를 엔진 제어 ECU로 전달한다.

ECU는 산소센서의 신호를 피드백(feedback)하여 점화시기 및 연료분사량 보정을 위한 기본 신호로 사용한다.

그리고 상기한 엔진 제어 ECU는 연료/공기 혼합비가 농후할 때는 연료를 적게, 희박할 때는 연료를 많이 공급하여 평균적으로 촉매 변환장치의 효율을 극대화할 수 있는 이론공연비 부근에서 연료량을 제어하게 된다.

현재 대부분의 차량에 적용중인 바이너리 타입(binary type) 산소센서의 구조를 보면, 배기가스중의 산소농도를 검출하기 위해 사용되는 대기(레퍼런스 에어(reference air))를 산소센서의 리드 와이어(lead wire)를 통해 대기 중에서 바로 차징(charging)하여 레퍼런스로 사용하게끔 되어있다.

도 1을 참고하면, 산소 센서(1)는, 산소이온 전도를 갖는 고체 전해질로 이루어지는 셀부재(2)에 대기가 유입되는 산소 측정 공간(2a)을 형성하고, 상기 셀부재(2)를 배기가스와 접촉시키고 상기 셀부재(2)에 전류를 공급하는 상태에서 대기 중 산소와 배기가스 내 산소 농도 차이에 의해 기전력이 발생되고, 상기 기전력에 의한 출력 전압으로 산소의 농도를 표시한다.

그러나, 상기 산소 센서는 상기 산소 측정 공간 내로 유입되는 대기가 수분 또는 오일에 의해 오염된 경우 출력 전압이 하강되어 배기가스와 대기 중 산소의 농도 차이를 정확하게 감지하지 못하는 문제점이 있는 것이다.

즉, 대기가 수분이나 오일 등의 오염 물질에 의해 오염되어 출력 전압이 하강되어 산소 센서의 성능이 저하되는 것을 CSD(Characteristic Shift Down)이라하고, 이러한 CSD가 발생되는 경우 배기가스 내 산소 농도를 정확하게 측정하지 못하여 연료량을 효율적으로 관리하지 못해 연비가 저하되는 문제점이 있는 것이다.

국내 특허 공개 제10-2005-0048031호 '차량용 산소센서'(2005.05.24 공개)

본 발명의 목적은 산소 농도에 측정되는 대기에 포함된 오염 물질을 제거하여 정확한 산소 농도 측정이 안정적으로 가능하도록 한 자동차용 산소 센서를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 내부에 센서를 수용할 수 있는 센서 수용부가 형성되고, 일 측에 상기 센서 수용부 내부로 자동차의 배기가스를 유입할 수 있는 유입 구멍이 형성된 센서 하우징부재;

상기 센서 수용부에 배치되고, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 리드 와이어를 통해 내부로 대기를 유입하여 배기가스와 대기의 산소 농도 차이에 의해 발생되는 기전력으로 산소의 농도를 측정하는 산소 농도 측정 센서부재;

상기 센서 하우징부재의 타 측에 연결되며 리드 와이어와 상기 산소 농도 측정 센서부재에 연결되는 복수의 전선이 내부에 배치되는 커넥터부재;

상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 산소 농도 측정 센서부재를 가열하는 셀 가열 히터; 및

상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 상기 산소 측정 공간 내부에 유입된 대기를 가열하는 대기 가열 히터를 포함한 자동차용 산소 센서를 제공함으로써 해결된다.

본 발명은 셀 내부로 유입되어 산소 농도 측정에 사용되는 대기 중 오염 물질을 가열하여 제거함으로써 산소 농도 측정 시 정확도를 향상시키고, 장기간 오작동 없이 안정적으로 산소 농도를 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 산소 농도를 정확하게 측정하여 연비를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 자동차용 산소 센서 구조를 도시한 개략도
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 산소 센서를 도시한 사시도
도 3은 본 발명에 따른 자동차용 산소 센서에서 산소 농도 측정 센서부재를 도시한 단면도
도 4는 본 발명에 따른 자동차용 센서부재에서 리드 와이어의 단면도

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 자동차용 산소 센서는, 내부에 센서를 수용할 수 있는 센서 수용부(11)가 형성된 센서 하우징부재(10)를 포함한다. 상기 센서 수용부(11) 내에는 센서가 수용되며, 상기 센서는 배기가스 내 산소의 농도를 측정할 수 있는 산소 농도 측정 센서부재(20)이며, 상기 산소 농도 측정 센서는 하기에서 상세히 설명한다.

상기 센서 하우징부재(10)는 일 측에 상기 센서 수용부(11)의 내부로 배기가스를 유입시키는 유입 구멍(12)이 형성된다. 상기 센서 하우징부재(10)는 자동차의 배기관 내부에 설치된다. 배기관으로 배출되는 배기가스는 상기 유입 구멍(12)을 통해 상기 센서 수용부(11) 내부로 유입된다.

상기 산소 농도 측정 센서부재(20)는 상기 센서 수용부(11) 내에 배치되며, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 리드 와이어(31)를 통해 내부로 대기를 유입하여 대기 중 산소와 배기가스 내 산소 농도 차이에 의해 발생되는 기전력으로 산소의 농도를 측정한다.

상기 센서 하우징부재(10)의 타 측에는 관 또는 호스 형상의 커넥터부재(30)가 연결되며, 상기 커넥터부재(30)의 내부에는 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 내부로 대기를 유입시키는 리드 와이어(31)와 복수의 전선(32)이 배치된다.

상기 복수의 전선(32)은 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)에 전류를 흐르게 하는 전선(32), 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)를 예열하는 히터에 연결되는 전선(32), 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 전극(22)에 연결되는 전선(32) 등을 포함하며, 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)가 배기가스의 농도를 측정하기 위한 전선(32)들을 모두 포함한다.

상기 센서 수용부(11) 내에는 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)를 일부분 감싸는 센서 실링부재(10a), 상기 센서 하우징부재(10)와 상기 커넥터부재(30)의 연결부분에 삽입되어 상기 리드 와이어(31) 및 복수의 전선(32)이 통과되는 연결 실링부재(10b)가 구비되며 이외에도 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)에서 산소 농도 측정을 위해 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 내부를 실링하는 실링재가 삽입될 수 있다.

본 발명에 따른 자동차용 산소 센서는, 상기 커넥터부재(30)의 내부에 배치되어 상기 커넥터부재(30)를 통해 상기 산소 농도 측정 센서부재(20) 내로 유입되는 대기를 가열하는 연결부 가열 히터(60)를 더 포함한다.

상기 연결부 가열 히터(60)는 상기 커넥터부재(30) 내의 대기를 가열하여 대기 내에 포함된 수분, 오일 등의 오염물질을 제거한다. 상기 센서 하우징부재(10)와 상기 커넥터부재(30)의 연결부분에는 상기 연결 실링부재(10b)가 구비되어 있고, 상기 연결 실링부재(10b)를 상기 리드 와이어(31)와, 복수의 전선(32)들이 관통하여 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)로 연결되므로 상기 리드 와이어(31)와, 복수의 전선(32)들이 관통되는 부분에서 미세한 공간을 통해 수분 및 오일 등의 이물질이 포함된 대기가 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 내부로 유입될 수 있다.

상기 연결부 가열 히터(60)는 상기 커넥터부재(30)를 통해 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 내부로 유입되는 대기를 가열하여 대기 중 포함된 수분 및 오일 등의 오염물질을 제거한다.

도 3을 참고하면, 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)는, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 이온 전도를 갖는 고체 전해질로 이루어지며, 내부에 산소 측정 공간이 형성된 셀부재(21);

상기 산소 측정 공간과 상기 셀부재(21)의 외측면에 각각 배치되는 전극(22);을 포함한다.

상기 셀부재(21)는 전원 공급부로부터 전기 전원을 공급받아 전류가 흐르게 된다. 상기 전원 공급부와 상기 셀부재(21)는 상기 전선(32)에 의해 연결된다.

상기 셀부재(21)는 지르코니아 즉, 부분 안정화 지르코니아(PSZ: Partially Stabilized Zirconia, Stabilizer = CaO, MgO,Y2O3)로 이루어진 것을 일 예로 한다.

즉, 상기 셀부재(21)에 전류를 공급하는 상태에서 상기 산소 측정 공간 내로 유입된 대기와 상기 셀부재(21)의 표면에 접촉하는 배기가스 내 산소 농도 차이에 의해 상기 셀부재(21)의 내부에 기전력이 발생되고, 상기 기전력에 의한 출력 전압을 자동차의 ECU로 전달하여 산소의 농도를 표시한다.

본 발명에 따른 자동차용 산소 센서는 산소 농도 측정 센서부재(20)를 가열하는 셀 가열 히터(40)를 포함한다. 상기 셀 가열 히터(40)는 상기 셀부재(21)의 내부에 배치되어 상기 셀부재(21)를 가열하여 상기 셀부재(21)가 배기가스 내 산소의 농도를 측정할 수 있는 온도, 즉, 상기 배기가스와 상기 대기 중의 산소 농도 차이로 상기 셀부재(21)에서 기전력이 발생할 수 있는 온도로 상기 셀부재(21)를 가열한다.

또한, 본 발명에 따른 자동차용 산소 센서는, 상기 산소 농도 측정 센서부재(20)의 산소 측정 공간 내에 배치되어 상기 산소 측정 공간 내부에 유입된 대기를 가열하는 대기 가열 히터(50)를 포함한다.

상기 대기 가열 히터(50)는 상기 산소 측정 공간 내로 유입된 대기를 가열하여 대기 중에 포함된 수분이나 오일 등의 오염 물질을 제거한다.

상기 산소 측정 공간 내로 유입되는 대기가 수분 또는 오일에 의해 오염된 경우 상기 셀부재(21) 내에서 출력되는 전압이 하강되는 CSD(Characteristic Shift Down)가 발생하고, 이러한 CSD가 발생되는 경우 출력 전압의 저하로 산소 측정 농도를 측정하는 성능이 저하되어 배기가스 내 산소 농도를 정확하게 측정하지 못한다.

상기 대기 가열 히터(50) 및 상기 연결부 가열 히터(60)는 상기 산소 측정 공간 내로 유입되는 대기를 가열하여 대기 중 포함된 수분, 오일 등을 제거하여 상기 셀부재(21)에서 출력되는 전압이 대기 중에 포함된 수분, 오일에 의해 저하되는 것을 방지한다.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 자동차용 산소 센서는, 상기 산소 측정 공간 내로 대기를 유입하는 리드 와이어(31)의 내부에 배치되어 리드 와이어(31)를 통과하는 대기를 가열하는 와이어 가열 히터(70)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 리드 와이어(31)의 내부에는 복수의 심선이 배치될 수 있고, 상기 복수의 심선이 구비된 내부에서 빈공간을 통해 외부의 대기가 상기 산소 측정 공간 내로 유입된다. 상기 와이어 가열 히터(70)는 상기 리드 와이어(31)를 통해 상기 산소 측정 공간 내로 유입되는 대기를 가열하여 대기 중에 포함된 수분이나 오일 등의 오염 물질을 제거한다. 상기 와이어 가열 히터(70)는 대기 중 포함된 수분, 오일 등을 제거하여 상기 셀부재(21)에서 출력되는 전압이 대기 중에 포함된 수분, 오일에 의해 저하되는 것을 방지한다.

상기 대기 가열 히터(50), 상기 연결부 가열 히터(60), 상기 와이어 가열 히터(70)는 각각 전기 전원을 공급받아 발열하는 코일 히터인 것을 일 예로 하며, 이외에도 전기 전원을 공급받아 발열하는 다양한 예로 변형 실시될 수 있음을 밝혀둔다.

본 발명은 셀 내부로 유입되어 산소 농도 측정에 사용되는 대기 중 오염 물질을 가열하여 제거함으로써 산소 농도 측정 시 정확도를 향상시키고, 장기간 오작동 없이 안정적으로 산소 농도를 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명은 산소 농도를 정확하게 측정하여 연비를 향상시킨다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

10 : 센서 하우징부재 11 : 센서 수용부
12 : 유입 구멍 20 : 산소 농도 측정 센서부재
21 : 셀부재 22 : 전극
30 : 커넥터부재 31 : 리드 와이어
32 : 전선 40 : 셀 가열 히터
50 : 대기 가열 히터 60 : 연결부 가열 히터
70 : 와이어 가열 히터

Claims (4)

1. 삭제
2. 내부에 센서를 수용할 수 있는 센서 수용부가 형성되고, 일 측에 상기 센서 수용부 내부로 자동차의 배기가스를 유입할 수 있는 유입 구멍이 형성된 센서 하우징부재;
   상기 센서 수용부에 배치되고, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 리드 와이어를 통해 내부로 대기를 유입하여 배기가스와 대기의 산소 농도 차이에 의해 발생되는 기전력으로 산소의 농도를 측정하는 산소 농도 측정 센서부재;
   상기 센서 하우징부재의 타 측에 연결되며 리드 와이어와 상기 산소 농도 측정 센서부재에 연결되는 복수의 전선이 내부에 배치되는 커넥터부재;
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 산소 농도 측정 센서부재를 가열하는 셀 가열 히터; 및
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 상기 산소 측정 공간 내부에 유입된 대기를 가열하는 대기 가열 히터를 포함하며,
   상기 산소 농도 측정 센서부재는,
   배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 이온 전도를 갖는 고체 전해질로 이루어지며, 내부에 산소 측정 공간이 형성된 셀부재;
   상기 산소 측정 공간과 상기 셀부재의 외측면에 각각 배치되는 전극;을 포함하며,
   상기 대기 가열 히터는 상기 셀부재의 산소 측정 공간 내에 배치된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
3. 내부에 센서를 수용할 수 있는 센서 수용부가 형성되고, 일 측에 상기 센서 수용부 내부로 자동차의 배기가스를 유입할 수 있는 유입 구멍이 형성된 센서 하우징부재;
   상기 센서 수용부에 배치되고, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 리드 와이어를 통해 내부로 대기를 유입하여 배기가스와 대기의 산소 농도 차이에 의해 발생되는 기전력으로 산소의 농도를 측정하는 산소 농도 측정 센서부재;
   상기 센서 하우징부재의 타 측에 연결되며 리드 와이어와 상기 산소 농도 측정 센서부재에 연결되는 복수의 전선이 내부에 배치되는 커넥터부재;
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 산소 농도 측정 센서부재를 가열하는 셀 가열 히터;
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 상기 산소 측정 공간 내부에 유입된 대기를 가열하는 대기 가열 히터; 및
   상기 커넥터부재의 내부에 배치되어 상기 커넥터부재를 통해 상기 산소 농도 측정 센서부재 내로 유입되는 대기를 가열하는 연결부 가열 히터를 포함한 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
4. 내부에 센서를 수용할 수 있는 센서 수용부가 형성되고, 일 측에 상기 센서 수용부 내부로 자동차의 배기가스를 유입할 수 있는 유입 구멍이 형성된 센서 하우징부재;
   상기 센서 수용부에 배치되고, 배기가스와 접촉되는 접촉면을 가지며 리드 와이어를 통해 내부로 대기를 유입하여 배기가스와 대기의 산소 농도 차이에 의해 발생되는 기전력으로 산소의 농도를 측정하는 산소 농도 측정 센서부재;
   상기 센서 하우징부재의 타 측에 연결되며 리드 와이어와 상기 산소 농도 측정 센서부재에 연결되는 복수의 전선이 내부에 배치되는 커넥터부재;
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 산소 농도 측정 센서부재를 가열하는 셀 가열 히터;
   상기 산소 농도 측정 센서부재의 내부에 배치되어 상기 산소 측정 공간 내부에 유입된 대기를 가열하는 대기 가열 히터; 및
   상기 산소 측정 공간 내로 대기를 유입하는 리드 와이어의 내부에 배치되어 리드 와이어를 통과하는 대기를 가열하는 와이어 가열 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.

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