KR20000041736A

KR20000041736A - 산소센서의 전류 공급 장치

Info

Publication number: KR20000041736A
Application number: KR1019980057700A
Authority: KR
Inventors: 김호인; 정복환
Original assignee: 이형도; 삼성전기 주식회사
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-07-15

Abstract

본 발명은 내연기관의 배기가스내 산소양을 측정하기 위해 네른스트 원리(Nernst Principle)에 따라 동작하는 전류공급식 산소센서에 관한 것으로, 산소이온 전도를 갖는 고체 전해질; 상기 고체 전해질의 한쪽 면상에 위치한 측정전극; 상기 고체 전해질내에 위치한 기준 전극; 상기 기준전극에 산소를 공급하기 위한 전류 공급 수단; 상기 측정 전극이 직접 배기가스와 접촉하여 쉽게 손상되는 것을 막기 위해 상기 측정 전극상에 형성된 보호층; 으로 구성된 산소센서에 있어서, 직류 전원;과 상기 센서와 직렬로 상기 직류 전원에 연결되는 제1저항기 ;및 상기 센서와 병렬로 상기 직류전원과 연결되는 제2저항기;를 구비한 전류 공급 장치를 제시한다. 또한, 본 발명에서는 상기 제2저항기 대신에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 채용하는 것이 바람직하다.

Description

산소센서의 전류 공급 장치

본 발명은 내연기관에서 배기가스 중의 산소양을 측정하기 위해 센서의 출력 전압이 기준전극의 산소 분압과 배기가스중의 산소분압 차이에 따라 나타나는 네른스트 원리(Nernst Principle)에 따라 동작하는 산소센서의 전류 공급 장치에 관한 것이다.

산소센서는 농담전지의 원리를 이용하여 배기가스 중의 산소양을 측정하는 센서의 한 종류이다. 이러한 농담전지식 센서는 배기가스와 접촉하는 측정전극과, 일정한 산소분압을 갖는 기준가스에 접촉되는 기준전극으로 구성된다. 통상적으로 기준가스는 공기를 사용하고 기준전극을 기준가스에 직접노출시키는 방법이 많이 사용되고 있으나, 기준전극을 외부 가스와 교통이 매우 제한된 곳에 설치하고 별도의 산소공급수단에 의해 상기 기준전극에 산소를 공급해 주는 방법도 있다. 이 방법은 기준전극이 외부 공기에 노출될 필요가 없어 외부로부터의 오염에 강하고, 내부 공간이 필요없어 작고 튼튼하게 만들 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 센서 구조로서, 미국특허등록번호 4207159호는 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 제시하고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 센서 내부에 위치한 기준전극(1)에 산소를 공급해 주기 위해서는 센서에 전류를 흘려주어야 한다. 전류 공급은 자동차의 경우 발전기(generator) 직류 전원(2)에 큰 저항기(3)를 센서와 직렬로 연결하여 사용하는 것이 가장 간단하다. 이렇게 하면 센서의 내부 저항값 변화에 영향을 받지 않고 항상 일정한 전류를 공급할 수 있기 때문이다.

그러나 센서에 항상 일정한 전류를 공급해 주어야 하기 때문에 고체 전해질(4) 및 전극의 열화를 초래하기 쉽다. 이러한 열화는 산소 농도가 매우 희박하고 강한 환원 분위기를 갖는 연료 과잉영역에서 특히 문제가 된다.

이를 해결하기 위해, 미국특허등록번호 5549804)호는, 도 2에 나타낸 바와 같이 전류 공급 수단으로 직류 전원(5)과 저항기(6)를 직렬로 연결하되, 상기 직류 전원의 전압 값을 연료 과잉영역에서 산소센서의 기전력보다 아주 조금만 높게(약 0.9 ~ 1.4V) 설정해 주는 방법을 제시하고 있다.

이와 같이 개선된 방법에 의해 연료 과잉영역에서 센서의 기전력과 직류 전원의 전압이 서로 상쇄되어서 센서에 흐르는 전류의 양을 줄일 수 있었으나, 통상적으로 14V 전원을 사용하는 자동차의 경우 별도의 전압 강하 수단을 구비해야 하는 번거로움이 있었다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 통상적으로 직류 전원 전압을 센서에 저항기와 직렬로 연결한 전류 공급 장치의 경우, 자동차 기동시에 센서가 충분히 가열되지 못한 경우에는 센서의 내부 저항이 직렬로 연결된 저항기 R₁보다 훨씬 크기 때문에 직류 전원 전압의 대부분이 센서에 걸리게 되어 시동초기의 센서 출력은 직류 전원의 전압값과 같은 값을 보이다가 차차 센서가 가열되면서 정상 센서 신호로 복귀하는 과도기간이 존재한다. 이와 같이 센서가 정상 신호로 복귀하기 까지는 엔진 조절 장치(ECU)가 연료 과잉영역으로 판단하는 등 오동작을 할 수 있으며, 이를 해결하기 위해서는 엔진 조절 장치의 알고리듬을 수정해 주지 않으면 안되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 본 발명에서는 자동차 기동시에 센서가 충분히 가열되지 못한 경우에도 엔진 조절 장치의 알고리듬 수정없이 과도한 전류를 분기시켜 오동작을 방지하는 산소센서의 전류 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 직류 전원(14V)과 저항기를 직렬로 연결한 종래의 산소 센서의 전류 공급 장치의 회로도,

도 2는 낮은 직류 전원 전압을 사용한 종래의 산소센서의 전류 공급 장치의 회로도,

도 3은 저항기(R2)를 추가한 본 발명에 따른 산소센서의 전류 공급 장치 일실시예의 회로도,

도 4는 공연비에 따른 산소센서 출력 및 저항기 R1과 저항기 R2의 저항값에 따른 펌핑 전류의 변화도를 나타내는 그래프,

도 5는 PTC 소자를 채용한 본 발명에 따른 전류 공급 장치의 또 다른 실시예를 보여주는 회로도,

그리고 도 6은 도 3의 실시예 및 도 5의 실시예에서 PTC 소자 채용 유무에 따른 초기 시동시 센서의 출력 특성을 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 기준전극 2. 직류 전원

3. 저항기 4. 고체 전해질

( 5. 직류 전원 6. 저항기

7. 고체 전해질 8. 측정전극

9. 기준 전극 11. 보호층

12. 직류 전원 13. 제1저항기 R₁

14. 제2저항기 R₂15. PCT 소자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산소센서의 전류 공급 장치는, 산소이온 전도를 갖는 고체 전해질; 상기 고체 전해질의 한 쪽 면상에 위치하고 배기가스와 접하도록 형성된 측정전극; 상기 고체 전해질의 내부에 위치하는 기준 전극; 상기 측정 전극이 직접 배기가스와 접촉하여 쉽게 손상되는 것을 막기 위해 상기 측정 전극상에 형성된 보호층;을 구비한 산소센서에 전류를 공급하는 산소센서용 전류 공급 장치에 있어서, 상기 기준전극에 산소를 공급하기 위해 필요한 전류를 제공하는 직류 전원; 상기 직류 전원과 직렬로 연결되어 상기 기준전극과 측정전극 사이에 접속되는 제1저항기; 및 상기 직류전원 및 제1저항기와 병렬이 되도록 상기 기준전극과 측정전극 사이에 연결되어, 상기 기준전극과 측정전극 사이에 발생하는 기전력에 비례하는 전류를 분지시키기 위한 제2저항기;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 직류 전원은 자동차의 발전기 전원 전압 14V이고, 상기 제2저항기의 저항값은 상기 제1저항기의 저항값에 비해 1/16 ~ 1/10 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하며, 상기 제2저항기는 천이온도 이하에서 소정값 이하의 낮은 저항값을 갖고 천이 온도 이상에서 온도에 비례하여 저항값이 상대적으로 높아지는 정온도 계수(Positive Temperature Coefficient) 소자이며, 상기 PTC 소자는 상기 센서의 일측에 배치하되, 상기 센서 가열을 위해 상기 센서 일측에 형성된 히터에 의해 상기 PTC 소자가 가열되어 상기 PTC 소자의 천이온도 까지 도달되는 시간이 시동후 센서가 정상동작을 할 때 까지의 시간과 유사하도록 상기 히터로부터 적절하게 이격된 위치에 배치되며, 상기 PTC 소자는 천이온도 이하에서 센서가 가열되기 전의 출력이 공기 기준극을 갖는 산소 센서용 엔진 조절 장치의 트리거 수준을 넘지 않도록 상기 제1저항기의 저항값 보다 작은 저항값을 갖고, 천이 온도 이상에서 상기 산소센서 동작에 충분한 전류가 흐를 수 있도록 산소 센서의 내부 저항값 보다 높은 저항값을 갖는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 산소센서의 전류 공급 장치를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 산소센서의 전류 공급 장치 일실시예의 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 산소센서의 전류 공급 장치는, 산소이온 전도를 갖는 고체 전해질(7), 상기 고체 전해질의 한 쪽 면상에 위치한 측정전극(8), 상기 고체 전해질내에 위치한 기준 전극(9) 및 상기 측정 전극상에 측정 전극이 직접 배기가스와 접촉하여 쉽게 손상되는 것을 막기 위해 형성된 보호층(11)로 구성된 산소센서에, 직류 전원(12);과 상기 센서와 직렬로 상기 직류 전원에 연결되는 제1저항기 R₁(13);및 상기 센서와 병렬로 상기 직류 전원에 연결되는 제2저항기 R₂(14);를 구비한다.

또한, 본 발명에 산소센서의 전류 공급 장치에서, 상기 제2저항기로는, 도 5에 나타낸 바와 같이, PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(15)를 채용하는 것이 바람직하다.

상기 측정 전극(8)은 상기 보호층(11)을 통해 배기가스와 접촉하게 되며, 상기 기준 전극(9)은 상기 고체 전해질(7)의 내부에 위치하고 외부와 거의 밀폐되어 있으므로 배기가스 및 대기중 공기와 교통이 매우 제한되고 있다. 따라서 상기 기준전극(9)이 대기중의 공기압에 상응하는 산소분압을 유지하기 위해서는 소정의 전류 공급 수단을 통해 상기 기준전극에 산소를 공급해 주어야 하며, 배기가스내 산소가 기준전극으로 펌핑될 수 있도록 도 3과 같이 전류의 방향을 설정하면 전류 공급 수단(10)에 의해 펌핑 전류(I_P)가 센서에 공급된다.

한편, 저항기 R₂(14)에는 센서의 기전력에 따른 전류(I_P)가 흐르게 되므로 실제로 센서에 공급되는 펌핑전류(I_P)는 전체 전류(I_NET) 에서 센서 기전력에 따른 전류(I_S)를 빼준 값이 되어 센서의 기전력이 큰 연료 과잉영역에서는 더 적은 전류가 센서에 흐르고 희박 영역에서는 더 많은 전류가 센서에 흐르게 된다.

본 발명의 전류 공급수단에 의해 센서에 흐르는 펌핑 전류 I_P는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 저항기R₁과 직류 전원 전압 V_P에 의해 결정되는 전체 전류 I_NET는 센서 내부에 흐르는 펌핑 전류 I_P와 저항기R₂에 흐르는 전류 I_S의 합으로 나타낼 수 있다. I_NET과 I_S는 주어진 저항기R₁, R₂그리고 직류 전원 전압 V_P, 센서의 내부 기전력 V_S로 나타낼 수 있으므로 센서에 흐르는 전류 I_P는 수학식 1과 같이 전개할 수 있다.

I_NET= I_P+ I_S

(V_P-V_S)/R₁= I_P+ V_S/R₂

I_P= (V_P-V_S)/R₁- V_S/R₂

상기 수학식 1로부터 센서의 기전력과 저항기 R₁및 R₂에 따라 센서에 흐르는 전류 I_P를 결정할 수 있다.

도 4에 공연비에 따른 센서의 기전력과, 저항기R₁및 R₂에 따른 펌핑전류값(I_P)의 변화를 나타내었다. 도 4에 의하면 저항기R₁및 R₂의 저항값을 조정함에 따라 연료 희박영역과 연료 과잉영역에서 센서에 흐르는 펌핑전류값(I_P)을 다르게 조정할 수 있음을 알 수 있다. 특히 자동차의 발전기 전원 14V를 직류 전원 V_P로 사용하는 경우 저항기R₂의 저항값이 저항기R₁의 저항값의 1/10 이하와 1/16 이상의 사이값을 가지면 연료 과잉영역과 희박영역에서 I_P의 차이가 뚜렷하게 나타난다. 그러나 저항기R₂의 저항값이 저항기R₁의 저항값의 1/16 미만의 값을 가지면 전류가 거꾸로 흘러 내부 기준전극에 산소가 부족해질 우려가 있으므로 좋지 않다.

한편 본 발명에서는 도 5와 같이 상기 저항기R₂(14) 대신에 PTC 소자(15)를 채용할 수 있다. PTC 소자는 천이온도 이하에서는 낮은 저항값을 가지나 천이 온도 이상에서는 급격히 저항이 증가해 매우 큰 저항값을 갖는 특징이 있다. 이러한 PTC 소자의 저항변화 특성을 잘 이용하려면 센서가 가열되기 시작해서 정상 동작하기까지 소요되는 시간과 PTC 소자가 가열되어 천이온도에 도달하는 시간이 같도록 배치하는 것이 매우 중요하다. 센서를 항상 정상동작 온도 이상으로 유지하기 위해 히터를 붙여 가열해 주는 것이 필요한데 PTC 소자의 천이온도는 대부분 약 100 ~ 300℃ 사이로 센서가 정상 동작할 수 있는 온도(약 500℃) 보다 낮으므로 히터의 발열부로부터 조금 거리를 두어 천이 온도 도달시간을 센서가 정상 동작하기 시작하는 시간과 같게 조절하는 것이 바람직 하다.

상기와 같은 방법으로 배치해 주면 센서가 충분히 가열되기 전에는 센서의 내부저항이 매우 크더라도 센서와 병렬로 연결된 PTC 소자의 저항이 매우 낮기 때문에 직류 전원전압은 대부분 저항기R₁에 걸리고 대부분의 전류가 PTC 소자를 통해 흐른다. 이 때 센서의 출력은 병렬로 연결된 PTC 소자에 전압이 거의 걸리지 않기 때문에 매우 낮다. 그러나 센서가 충분히 가열 되어 센서의 내부 저항이 낮아지면 PTC 소자는 천이온도 이상이 되어 저항이 커진다. 이 경우 충분한 전류가 센서에 공급되면서 센서는 정상 동작을 시작하게 된다. 천이 온도 이상에서 PTC 소자의 저항을 R2 와 비슷하게 만들어주면 앞에서 저항기R₂에 관해 설명했던 효과를 동일하게 얻을 수 있다.

PTC 소자를 채용한 경우와 채용하지 않은 경우 초기 시동시 센서의 거동을 도 6에 나타내었다. PTC 소자를 채용하지 않은 경우는 센서의 출력 전압이 직류 전원 전압과 같은 값을 나타내다가 센서가 차츰 가열되면서 정상 출력 전압으로 강하하는 것을 쉽게 볼 수 있다. 그러나 PTC 소자를 채용한 센서는 초기에 약 0V 정도의 출력 전압을 보이다가 센서가 충분히 가열되면서 정상 출력 전압을 보인다. 이러한 출력특성은 기존의 공기 기준극을 갖는 산소센서와 유사하기 때문에 기존의 엔진조절 장치(ECU) 알고리듬을 그대로 적용할 수 있는 장점이 있다. 기존의 엔진 조절 장치(ECU)의 알고리듬은 센서 출력 전압이 트리거 수준값(trigger value, 약 300~500mV) 이상이 되면 센서 값을 입력 받아 폐회로 조절(Close Loop Control)을 개시하는 것이 대부분이다. 엔진 조절 장치(ECU)의 알고리듬에 따라 약간의 차이는 있지만 자동차의 14V 전원을 직류 전원으로 사용할 경우 천이 온도 이하에서 PTC 소자 저항을 저항기R1의 약 1/50이하로 가져가는 것이 초기 출력 전압을 상기 트리거 수준값(trigger value) 이하로 유지하는데 바람직하며, 천이 온도 이상에서는 R₂와 비슷하거나 더 큰 저항값을 갖도록 해 주는 것이 바람직 하다.

즉, 상기 PTC 소자의 천이온도 이하에서의 저항값은 센서가 가열되기 전의 출력이 공기 기준극을 갖는 산소 센서용 엔진 조절 장치(ECU)의 트리거 수준(trigger level)을 넘지 않도록 상기 저항기 R₁에 비해 매우 작은 저항값을 갖고, 천이 온도 이상에서는 병렬로 연결된 산소센서 동작에 충분한 전류가 흐를 수 있도록 산소 센서의 내부 저항에 비해 높은 저항 값을 갖는 것이 바람직 하다. 특히, 상기 직류 전원이 자동차의 발전기 전원 14V인 경우, 천이 온도 이하에서 상기 PTC 소자의 저항값이 상기 저항기 R₁의 저항값에 비해 약 1/50이하의 값을 갖고, 천이 온도 이상에서는 상기 저항기 R₁의 저항값에 비해 약 1/10이하에서 1/16이상의 값을 갖는 것이 바람직 하다.

전류 공급식 내부 기준극을 갖는 산소 센서의 양 단자에 적당한 값의 저항기(R₂)를 한 개 더 연결함으로 연료 과잉영역과 희박영역에서 센서에 공급하는 펌핑 전류 I_P값을 조정할 수 있다. 특히 산소가 희박한 연료 과잉영역에서 펌핑 전류 I_P를 크게 줄일 수 있어 전극 및 산소 이온 고체 전해질의 열화를 방지할 수 있다. 이 방법은 자동차의 발전기 전원 14V를 그대로 사용하면서 저항기 R₂만 센서의 양 단자에 연결하면 되므로 구성이 매우 간편하고 경제적이다.

저항기R₂대신에 PTC 소자를 채용하면 정상 작동시에 저항기R₂와 동일한 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 자동차의 초기 시동시 센서가 충분히 가열되지 않았을 때 과도한 전압이 센서에 걸리는 것을 막을 수 있다. 센서 출력 특성도 기존의 공기 기준극을 갖는 센서와 유사하기 때문에 시동 초기 이상작동을 해결하기 위한 별도의 엔진조절 장치(ECU) 알고리듬을 만들지 않아도 된다.

Claims

산소이온 전도를 갖는 고체 전해질; 상기 고체 전해질의 한 쪽 면상에 위치하고 배기가스와 접하도록 형성된 측정전극; 상기 고체 전해질의 내부에 위치하는 기준 전극; 상기 측정 전극이 직접 배기가스와 접촉하여 쉽게 손상되는 것을 막기 위해 상기 측정 전극상에 형성된 보호층;을 구비한 산소센서에 전류를 공급하는 산소센서용 전류 공급 장치에 있어서,

상기 기준전극에 산소를 공급하기 위해 필요한 전류를 제공하는 직류 전원;

상기 직류 전원과 직렬로 연결되어 상기 기준전극과 측정전극 사이에 접속되는 제1저항기; 및

상기 직류전원 및 제1저항기와 병렬이 되도록 상기 기준전극과 측정전극 사이에 연결되어, 상기 기준전극과 측정전극 사이에 발생하는 기전력에 비례하는 전류를 분지시키기 위한 제2저항기;를 구비한 것을 특징으로 하는 산소센서용 전류 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 직류 전원은 자동차의 발전기 전원 전압 14V이고, 상기 제2저항기의 저항값은 상기 제1저항기의 저항값에 비해 1/16 ~ 1/10 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 산소센서용 전류 공급 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2저항기는 천이온도 이하에서 소정값 이하의 낮은 저항값을 갖고 천이 온도 이상에서 온도에 비례하여 저항값이 상대적으로 높아지는 정온도 계수(Positive Temperature Coefficient) 소자이며, 상기 PTC 소자는 상기 센서의 일측에 배치하되, 상기 센서 가열을 위해 상기 센서 일측에 형성된 히터에 의해 상기 PTC 소자가 가열되어 상기 PTC 소자의 천이온도 까지 도달되는 시간이 시동후 센서가 정상동작을 할 때 까지의 시간과 유사하도록 상기 히터로부터 적절하게 이격된 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 산소센서용 전류 공급 장치.
제3항에 있어서,

상기 PTC 소자는 천이온도 이하에서 센서가 가열되기 전의 출력이 공기 기준극을 갖는 산소 센서용 엔진 조절 장치의 트리거 수준을 넘지 않도록 상기 제1저항기의 저항값 보다 작은 저항값을 갖고, 천이 온도 이상에서 상기 산소센서 동작에 충분한 전류가 흐를 수 있도록 산소 센서의 내부 저항값 보다 높은 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 산소 센서용 전류 공급 장치.
제3항에 있어서,

상기 직류 전원은 자동차의 발전기 전원 14V 이며, 상기 PTC 소자는 상기 천이 온도 이하에서 상기 제1저항기의 저항값에 비해 1/50 이하인 저항값을 가지며, 천이 온도 이상에서 상기 제1저항기의 저항값에 비해 1/16~1/10의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 산소 센서용 전류 공급 장치.