KR101496044B1 - 산소 센서 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하고, 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이에 온도차가 발생한 경우 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하고 있는지를 검출하며, 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하면서 온도차가 발생하는 것으로 판명된 경우 응축수로 인해 온도차가 발생한 것으로 판단하고 응축수의 크기를 산출하고, 검출된 응축수의 크기와 기 설정된 값을 비교하여 설정치 이하인 경우 산소 센서의 가동 신호를 출력하는 산소 센서 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 시동시 배기가스의 응축수 증발상태를 실시간으로 감지하여 산소 센서를 가동시킴으로써 산소 센서의 고장을 최소화할 수 있게 된다.

Description

산소 센서 제어장치 및 방법{ A device and method for controlling a oxygen sensor }

본 발명은 산소 센서 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량에 장착되는 산소 센서의 예열 시간을 제어하는 산소 센서 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량은 내연기관의 상태를 감지하여 전자제어를 하기 위해 다양한 센서를 구비하고 있는데, 산소 센서는 내연기관에서 배출되는 배기가스 중의 산소농도를 검출하는 센서로, 배기가스 중의 공연비가 이론 공연비 대비 농후 상태(Rich)인지 희박상태(Lean)인지를 판단하는데 주로 사용되고 있다.

실온 상태에서 엔진의 시동시 대기중의 수증기(수분)가 물방울(응축수)로 형성되어 배기관을 통해 배출됨으로써 산소 센서와 접촉하게 된다. 한편, 산소 센서는 세라믹 계통의 고체 전해질 센싱소자를 사용하고 있는데, 세라믹의 특성상 열 충격(termal shock)에 아주 취약한 특성을 가지고 있으므로 배기가스의 물방울(응축수)로 인해 고장날 우려가 있었다.

이에 산소 센서는 배기관 내부의 물방울(응축수)가 배기열에 의해 수증기로 증발한 후 활성화를 시켜야 한다. 즉, 시동 후 산소 센서가 작동하는 데까지 대기 시간(예열 시간)이 필요하다.

산소 센서는 히터를 통해 세라믹 센싱소자를 가열시켜 주어야 제대로 작동하므로, 히터의 가열 시작시간이 가동시점이 된다.

종래에는 차량과 동일한 조건에서 실험을 하여 맵핑(mapping)에 의해 가동시간을 산출하여 ECU에 저장해 둠으로써 시동 후 저장된 시간이 경과하면 자동으로 산소 센서가 가동하게 된다.

그러나, 실제 다양한 운전 상황에서 시동을 걸게 되면 설정된 가동시간이 맞지 않아 산소 센서에 고장을 초래하는 문제점이 있었다. 가동시간이 늦어지는 경우에는 산소 센서의 고장은 방지할 수 있으나 배기가스의 유해물질을 제거하는 촉매시스템 등의 가동을 지연시켜 유해 배기가스를 장시간 배출하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 산소 센서 제어장치 및 방법이 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 시동시 배기가스의 응축수 증발상태를 실시간으로 감지하여 산소 센서를 가동시킴으로써 산소 센서의 고장을 최소화할 수 있고 응축수를 오감지하는 것을 방지하여 보다 정확하게 산소 센서의 가동시점을 산출할 수 있는 산소 센서 제어장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 산소 센서 제어장치는, 배기가스에 포함된 응축수를 감지하는 응축수 센서, 배기가스에 포함된 산소 농도를 검출하는 산소 센서, 및 상기 응축수 센서를 통해 응축수를 감지정보를 수신하고 감지된 응축수의 크기가 기 설정된 값보다 작은 경우 상기 산소 센서로 가동신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 응축수 센서는 배기가스에 노출되게 구비되고 배기가스 중의 응축수와 접촉하는 제1 응축수 센싱소자, 및 히터를 사이에 두고 상기 제1 응축수 센싱소자의 반대편에 구비되는 제2 응축수 센싱소자, 및 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자를 가열하는 히터를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 제1 응축수 센싱소자 및 제2 응축수 센싱소자는 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하고, 검출된 온도차의 보정을 위해 상기 히터에 인가해 주어야 하는 전류값을 토대로 상기 제1 응축수 센싱소자에 접촉되는 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 히터에 인가되는 전류값에 비례하여 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 응축수 센싱소자의 온도가 하강하는 경우에 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 소정 시간간격으로 온도를 검출하고 기 설정된 시간 이상 온도의 하강이 지속되는 경우에 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 산소 센서 제어방법은, 제2항의 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하는 단계, 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이에 온도차가 발생한 경우 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하고 있는지를 검출하는 단계, 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하면서 온도차가 발생하는 것으로 판명된 경우 응축수로 인해 온도차가 발생한 것으로 판단하고 응축수의 크기를 산출하는 단계, 및 검출된 응축수의 크기와 기 설정된 값을 비교하여 설정치 이하인 경우 산소 센서의 가동 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 있어서, 상기 온도차 검출단계에서는 온도차가 설정치 이상인 경우에 온도가 하강하는지를 검출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 있어서, 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 상승하면서 온도차가 발생하는 경우 응축수가 아닌 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 있어서, 상기 온도차 검출단계에서는 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하고, 상기 응축수 크기 산출단계에서는 검출된 온도차의 보정을 위해 제2항의 히터에 인가해 주어야 하는 전류값을 토대로 상기 제1 응축수 센싱소자에 접촉되는 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 있어서, 상기 응축수 크기 산출단계에서는 상기 히터에 인가되는 전류값에 비례하여 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 있어서, 상기 온도차 검출단계에서는 소정 시간간격으로 온도를 검출하고, 기 설정된 시간 이상 온도의 하강이 지속되는 경우 상기 응축수 크기 산출단계에서 응축수의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 산소 센서 제어장치 및 방법에 의하면, 시동시 배기가스의 응축수 증발상태를 실시간으로 감지하여 산소 센서를 가동시킴으로써 산소 센서의 고장을 최소화할 수 있고, 응축수를 오감지하는 것을 방지하여 보다 정확하게 산소 센서의 가동시점을 산출할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 센서 제어장치를 나타낸 개략적 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 응축수 센서를 나타낸 개략적 측단면도,
도 3은 도 2에 개시된 응축수 센서의 온도 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 센서 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 센서 제어장치는, 배기가스에 포함된 응축수를 감지하는 응축수 센서(10), 배기가스에 포함된 산소 농도를 검출하는 산소 센서(20), 및 상기 응축수 센서(10)를 통해 감지된 응축수의 크기가 기 설정된 값보다 작은 경우 상기 산소 센서로 가동신호를 출력하는 제어부(30)를 포함하고 있다.

상기 응축수 센서(10)는 서로 소정간격을 두고 구비되는 제1 응축수 센싱소자(11) 및 제2 응축수 센싱소자(12), 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)의 사이에 구비되는 히터(13)를 포함하고 있다.

상기 히터(13)의 양쪽면에 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)가 부착되어 있다.

상기 제1 응축수 센싱소자(11)는 배기가스에 노출되게 구비되어 배기가스 중의 응축수와 접촉하게 되고, 상기 제2 응축수 센싱소자(12)는 제1 응축수 센싱소자(11)와는 달리 배기가스에 노출되지 않게 구비된다. 따라서, 상기 제2 응축수 센싱소자(12)는 응축수와 접촉하지 않게 되고 상기 제1 응축수 센싱소자(11)만이 응축수와 접촉하게 되며, 그로 인해 응축수와 접촉하는 제1 응축수 센싱소자(11)와 그렇지 않은 제2 응축수 센싱소자(12) 사이에 온도차가 발생하게 된다.

상기 히터(13)는 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)를 가열한다. 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)는 세라믹 재질로 형성된다. 따라서, 상기 히터(13)에 의해 일정 온도(가령 300℃)까지 가열되어야 센싱이 제대로 이루어지게 된다.

상기 히터(13)는 배기가스 중의 응축수가 제1 응축수 센싱소자(11)에 접촉됨으로 인해 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12) 사이의 발생한 온도차를 보상하기 위해 일정 온도에 이를 때까지 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)를 가열한다. 이때 가해지는 열을 전류값으로 환산하면 응축수의 크기를 상대적으로 산출할 수 있게 된다.

상기 제어부(30)는 상기 제1 응축수 센싱소자(11) 및 제2 응축수 센싱소자(12)로부터 각 온도값을 수신하여 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12) 사이의 온도차를 검출하고, 검출된 온도차의 보정을 위해 상기 히터(13)에 인가해 주어야 하는 전류값을 토대로 상기 제1 응축수 센싱소자(11)에 접촉되는 응축수의 크기를 산출한다.

이때, 상기 제어부(30)는 상기 히터(13)에 인가되는 전류값에 비례하여 응축수의 크기를 산출한다. 즉, 응축수의 크기가 클수록 온도차가 크게 나고, 온도차가 클수록 가열을 위해 히터(13)로 인가되는 전류값이 커지게 된다.

상기 제어부(30)는 온도차의 발생이라는 조건을 만족함과 동시에 상기 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도가 하강하는 경우에 응축수의 크기를 산출한다. 이는 응축수에 의해 온도차가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 배기온도에 의해 제1 응축수 센싱소자(11)가 제2 응축수 센싱소자(12)보다 먼저 가열되면서 온도차가 발생할 수도 있기 때문이다. 고온의 배기가스가 제1 응축수 센싱소자(11)에 가해지게 되면 온도가 하강하지 않고 상승하면서 제2 응축수 센싱소자(12)와의 온도차가 발생하게 된다. 즉, 응축수에 의한 경우에는 온도의 하강을 수반하고, 배기온도에 의한 경우에는 온도의 상승을 수반하면서 온도차가 발생하게 된다.

배기온도에 의해 온도차가 발생한 것임에도 이를 응축수가 접촉한 것으로 오판하여 산소 센서에 가동 신호를 출력하지 않는 경우 산소 센서의 동작 지연으로 인해 배기가스를 정화시킬 수 없게 된다. 한편, 배기온도의 상승으로 인해 응축수는 증발하게 되므로 산소 센서(20)를 가동해도 되는 상태가 된다. 따라서, 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도가 상승으로 인해 온도차가 발생한 경우 상기 제어부(30)는 산소 센서(20)로 가동 신호를 출력한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 응축수 센싱소자(11) 및 제2 응축수 센싱소자(12)의 온도가 하강하는 경우 온도 그래프는 음의 기울기를 나타낸다.

온도 그래프는 t1~t2 구간에서 양의 기울기를 나타내고 t2~t3 구간에서 음의 기울기를 나타내는 것을 볼 수 있다.

상기 제1 응축수 센싱소자(11) 및 제2 응축수 센싱소자(12)의 온도가 하강하는 경우, 소정의 시간간격을 가지는 두 시점에서의 온도(T_{i -1}, T₁)를 비교해서 이전의 온도보다 나중의 온도가 더 낮은 경우(T_{i -1} > T_i)에 응축수의 크기를 산출한다. 여기서, 응축수에 의해 온도가 하강하는 것은 제1 응축수 센싱소자(11)이므로 상기 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도가 하강하는 경우에만 연산해도 무방하다.

여기서, 기 설정된 시간 이상 온도의 하강이 지속되는 경우에 응축수의 크기를 산출하는 것이 바람직하다. 일시적인 온도 변화가 아니라 도 3의 t2~t3 사이의 온도 변화와 같이 상당 시간 동안 온도 변화가 음의 기울기를 지속적으로 나타내는 경우에 온도가 하강하고 있다고 단정할 수 있게 된다.

응축수의 크기(V_w) 산출식은 아래와 같다.

로부터

여기서,

V : 응축수 센서 가전압

I : 응축수 센서 히팅을 위해 소요된 전류

t : 전류가 흐른 시간

C : 응축수 센서 세라믹의 열용량

T_i : 제1 응축수 센싱소자의 온도

T₂ : 제2 응축수 센싱소자의 온도

ρ: 물의 밀도

L : 물의 증발잠열

도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 센서 제어방법에 대해 설명한다.

먼저, 상기 제1 응축수 센싱소자(11)와 제2 응축수 센싱소자(12)의 온도를 각각 검출한 후 온도차가 발생하였는지 여부를 판정한다(S10).

여기서, 온도차(ΔT)가 극히 작은 경우를 필터링하기 위해 온도차(ΔT)를 기 설정된 온도차 값(Tc)과 비교하여(S11) 검출된 온도차(ΔT)가 설정 온도차 값(Tc)보다 큰 경우에만 온도차가 발생한 것으로 간주한다.

상기 S10단계에서 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이에 온도차가 발생한 것으로 판명된 경우, 상기 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도가 하강하고 있는지를 검출한다(S20).

소정의 시간간격을 가지는 두 시점에서의 온도(T_{i -1}, T₁)를 반복적으로 상당 시간 동안 측정하여 비교한다. 이전의 온도(T_{i -1})보다 나중의 온도(T_i)가 더 낮은 경우(T_{i -1} > T_i)에 온도가 하강하는 것으로 판정한다.

상기 S20단계에서 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도가 하강한 것으로 판명된 경우, 응축수로 인해 온도차가 발생한 것으로 판단하고 상술한 응축수 산출식으로 부터 응축수의 크기(V_W)를 산출한다(S30).

응축수를 검출하면 검출된 응축수의 크기(V_W)와 기 설정된 값(V_c)을 비교한다(S40). 비교 결과 검출값(V_W)이 설정치(V_c) 이하인 경우, 산소 센서의 가동 신호를 출력한다(S50).

상기 S20단계에서 제1 응축수 센싱소자(11)의 온도 상승으로 인해 온도차가 발생한 경우 산소 센서(20)로 가동 신호를 출력한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 응축수 센서 11 : 제1 응축수 센싱소자
12 : 제2 응축수 센싱소자 13 : 히터
20 : 산소 센서 30 : 제어부

Claims (13)

1. 배기가스에 포함된 응축수를 감지하는 응축수 센서;
   배기가스에 포함된 산소 농도를 검출하는 산소 센서; 및
   상기 응축수 센서를 통해 응축수 감지정보를 수신하고, 감지된 응축수의 크기가 기 설정된 값보다 작은 경우 상기 산소 센서로 가동신호를 출력하며, 상기 응축수 센서의 온도가 하강하는 경우에 응축수의 크기를 산출하는 제어부;를 포함하는 산소 센서 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 응축수 센서는,
   배기가스에 노출되게 구비되고, 배기가스 중의 응축수와 접촉하는 제1 응축수 센싱소자;
   히터를 사이에 두고 상기 제1 응축수 센싱소자의 반대편에 구비되는 제2 응축수 센싱소자; 및
   상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자를 가열하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 응축수 센싱소자 및 제2 응축수 센싱소자는 세라믹 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 산소센서 제어장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하고, 검출된 온도차의 보정을 위해 상기 히터에 인가해 주어야 하는 전류값을 토대로 상기 제1 응축수 센싱소자에 접촉되는 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 히터에 인가되는 전류값에 비례하여 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   소정 시간간격으로 온도를 검출하고 기 설정된 시간 이상 온도의 하강이 지속되는 경우에 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어장치.
8. 제2항의 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하는 단계;
   상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이에 온도차가 발생한 경우, 상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하고 있는지를 검출하는 단계;
   상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 하강하면서 온도차가 발생하는 것으로 판명된 경우, 응축수로 인해 온도차가 발생한 것으로 판단하고 응축수의 크기를 산출하는 단계; 및
   검출된 응축수의 크기와 기 설정된 값을 비교하여 설정치 이하인 경우, 산소 센서의 가동 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 산소 센서 제어방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 온도차 검출단계에서는 온도차가 설정치 이상인 경우에 온도가 하강하는지를 검출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 응축수 센싱소자의 온도가 상승하면서 온도차가 발생하는 경우, 응축수가 아닌 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 온도차 검출단계에서는 상기 제1 응축수 센싱소자와 제2 응축수 센싱소자 사이의 온도차를 검출하고,
    상기 응축수 크기 산출단계에서는 검출된 온도차의 보정을 위해 제2항의 히터에 인가해 주어야 하는 전류값을 토대로 상기 제1 응축수 센싱소자에 접촉되는 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 응축수 크기 산출단계에서는 상기 히터에 인가되는 전류값에 비례하여 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어방법.
13. 제8항에 있어서,
    상기 온도차 검출단계에서는 소정 시간간격으로 온도를 검출하고, 기 설정된 시간 이상 온도의 하강이 지속되는 경우 상기 응축수 크기 산출단계에서 응축수의 크기를 산출하는 것을 특징으로 하는 산소센서 제어방법.

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