KR910004212B1 - 공연비 측정시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

공연비 측정시스템

제 1 도는 본 발명의 한실시예인 센서구동회로의 구성을 보이는 회로도.

제 2 도는 검출소자의 펌프전류와 센서극간전압사이의 관계를보이는 V-I 특성도.

제 3 도는 본 발명의 센서구동회로의 출력특성을 보이는 특성도.

제 4 도는 실제 엔진에서 이론적 공연비제어시에 출력특성들을 동시비교한 실험데이타이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1a, 1b : 전압발생원 2, 4 : 증폭기

3 : 트랜지스터 5 : 비교기

6 : 검출소자 6a : 확산저항층

6b : 고체지르코니아전해질 6c : 검출전극

6d : 기준전극

본 발명은 공연비 측정시스템에 관한 것으로, 특히 자동차의 연소가스성분에서 공연비를 검출하는데에 적절한 공연비 측정시스템에 관한 것이다.

일반적으로 회로의 전환없이 희박 및 이론적인 공연비를 검출하는 종래 시스템에서 농후한 공연비조작에 보이는 기전력보다 더 작으며 펌프전류가 어떤 값을 갖게하는 한계전류치를 발생하는 인가전압보다 더 큰 특정전압은 검출소자의 두 전극사이에 인가되고, 희박 공연비는 영에서 정(plus)의 선형출력으로써 검출되며, 농후공연비는 센서에서 발생되는 기전력과 상기 인가전압 사이의 차이에 대응하는 부(negative)전압으로써 검출되고, 이 전압은 희박공연비조작에 있는 펌프전류에 대하여 역방향에 있는 펌프전류에 대응하며, 이론적 공연비는 예를들면 1983년 10월 20일에 일본에서 공개된 "산소밀도 검출방법"이란 명칭의 일본특허 공개 제 83-179351호의 제 4 도 및 7 도에서 공지된 바와 같이 영에서 부(minus)까지 급변하는 출력으로 검출된다.

이론적 공연비(λ=1)를 포함하는 농후형역의 신호가 상기의 종래기술의 제 5 도 및 제 6 도에서와 같이 부의 출력이기 때문에 농후영역은 컴퓨터로 처리되도록 정의 신호로 반전될 필요가 있다. 더우기 농후측 신호와 희박측 신호가 이론적 공연비점으로 급변하기 때문에 농후측에서 λ=1로 행하는 경우와 희박측에서 λ=1로 행하는 경우에 λ=1에서 두개의 다른 출력치가 나타난다. 따라서 이것은 λ=1의 신호처리가 복잡하게 된다는 결점을 갖는다. 더우기 농후측에 있는 부의 출력이 두개의 정의 출력을 얻도록 정의 출력으로 반전될때 상기 출력이 농후측에 있는 출력인지 아닌지를 결정해야 한다.

상기 문제점이 센서처리회로에 의해 해결되며, 이 회로에서 예를들면 1986년 8월 12일 일본에서 공개된 "자동차용 3상 공연비센서"라는 명칭의 일본특허공개 제 86-180131호의 제 1 도에 도시한 바와 같이 영에서부터 정의값으로의 전위그라운드(V_PG)는 선형의 정출력 전압을 얻기 위해 농후에서 희박으로 모든 영역에 걸쳐 O₂센서의 기준전위에 부가된다.

그러나 일본특허 공개 제 86-180131호의 공지예는 공연비의 광범위한 선형출력을 얻을 수 있는 반면에 현재의 O₂센서의 경우와 같이 이론적인 공연비의 점(λ=1)에서 스텝신호를 얻는 것이 불가능하다는 결점을 제거할 수 없다.

본 발명의 목적은 공연비의 광범위한 선형출력과, 이론적인 공연비점만을 보이는 스텝신호를 출력하는 기능과, λ=1의 제어신호를 얻는 것이며, 이에 의해 연소가스에 있는 CO, NOx 및 HC를 정화하는 촉매 정화효율이 최고치를 가질 수 있다.

상기 목적은 산소이온으로 야기되는 펌핑전류의 방향이 희박에서 농후로 또 농후에서 희박으로 되는 공연비의 변화에 따라 이동되는 것을 이용하므로써 또한 가령 차동증폭기능을 가진 비교기에 의해서 펌프전류 검출수단인 저항기의 반대단 전압을 비교하므로써 달성된다.

현행 기전력타입의 O₂센서의 것과 동등한 상기 스텝신호는 비교기로부터 입력을 출력으로 설정하여 얻어질 수 있어서, 출력은 희박지역에서 즉 펌프전류가 정인 경우에서 낮으며, 출력은 농후지역에서 즉 다음 설명으로 명백한 바와 같이 펌프전류가 부인 경우에서 높다.

본 발명에 따라서 λ=1에 동등한 신호출력은 농후대 희박의 공연비가 연속적인 선형출력으로써 측정되는 동안에 얻어질 수 있다.

제 1 도에서는 1986년 7월 15일에 일본에서 공개되며 본 발명의 발명자에 의해서 발명된 "산소밀도 측정소자"라는 명칭의 일본특허공개 제 86-155853호의 제 1 도에 도시한 대(bag)관형 검출소자가 검출소자(6)로써 사용된다. 제 1 도는 검출기(6)의 일부를 보인다. 백금무전해도금등으로 형성되는 검출전극(6c)과 기준전극(6d)은 각각 고체산소이온전도체인 고체 지르코니아전해질(6b)의 양측면에 있으며, 가스확산 속도를 조절하는 확산저항층(6a)은 검출전극의 둘레에 있다. 검출전극(6c)의 전압(V_e)은 증폭기(2)에 부로 귀환되며, 트랜지스터(3)를 통하여 흐르는 전류가 증폭기(2)에 의해 제어되어 이 전류는 검출소자(6)를 통하여 흐르는 펌프전류(I_p)가 변환된다고 할지라도 기준전압(V_P.G.)과 동등하게 일정하다. 한편 기준전극(6d)의 전압(V_a)은 VP.G.+VS와 동등하게 제어되며, 검출소자(6)에 있는 검출전극(6c)과 기준전극(6d)사이에서 산소이온 유동을 만드는 전류 즉 펌프전류(IP)는 본 출원의 공연비 측정시스템의 구동회로에 의해 제어된다. 이에 의해 검출소자의 전극들 사이의 전위차는 V_s로 유지된다. 기준전압(V_P.G.)은 기준전압 발생원(1a)에 의해 발생되며, 기준전압(V_P.G.)과 극간전압(VS)은 기준전압+극간전압 발생원(1b)에 의해 발생된다. 극간전압(V_S)은 펌프전류(I_P)가 한계전류를 보이는 범위에 포함되는 값 예를들면 제 2 도에 도시한 V-1 특성도에서 0.4V에 설정된다. 공연비가 희박일때 검출소자(6)의 극간전압은 V_S보다 더 낮아지게 되고, 이에 따라 산소이온은 검출전극(6c)에서 기준전극(6d)으로 유동하여 V_S=0.4V를 만들게 된다. 다시 말하면 펌프전류(I_P)는 증폭기(4)에 의해 기준전극(6d)에서 검출전극(6c)으로 유동하게 된다. 공연비가 농후로 변할때 극간 전압은 V_S보다 더 크게되며, 이에 따라 산소이온은 희박시와 역방향으로 유동한다. 즉 펌프전류(I_P)는 증폭기(2)에 의해 검출전극에서 기준전극(6d)으로 유동하게 된다. 공연비를 나타내는 광범위한 선형출력(V_O)은 I_P검출저항(R_S)을 통하여 유동하는 펌프전류에 의거하여 다음 식으로 결정될 수 있다.

V_O= V_a+ I_P·R_S

= (V_P·_G+ V_S) + I_P·R_S……………………………… (1)

V_P.G.V_S및 R_S가 이 식에서 상수이므로 V_O는 단지 I_P에 따라 변한다. 펌프전류(I_P)는 제 2 도에 도시한 검출소자(6)의 V-I 특성도에 의한 공연비(과다공연비 λ)에 따라 어떤 값을 가지며, 이에 따라 공연비는 펌프전류(I_P)를 검출하여서 측정될수 있다. 또한 제 2 도로부터 명백한 바와 같이 이론적인 공연비(A/F=14.7)에서 I_P=0이고, 희박지역에서는 I_P〉0이며, 농후지역에서 I_P〈0이다. (1)식에서 V_PG.=2.1V이고, V_S=0.4V이라면, 공연비는 I_P=0 즉 제 3 도에 도시한 바와 같이 이론적인 공연비의 경우에 VO=2.5V인 선형출력으로써 측정될 수 있다. 이 선형출력을 이용하므로써 공연비의 임의의 제어를 행할 수 있다. 촉매의 최상 정화효율을 얻을 수 있는 3원 귀환제어(이론적 공연비 점제어)를 하기 위해 기전력타입의 종래 O₂센서의 하나와 동등한 스텝현상 온-오프 신호를 얻는 방법에 대하여 설명한다.

상술한 바와 같이 펌프전류(I_P)의 값의 부호가 경계로써 이론적 공연비에서 변한다. 다시 말하면 제 1 도에 도시한 I_P의 유동방향은 변한다. 따라서 펌프전류의 방향전환상태를 검출하는 수단과 스텝신호출력으로써 이 상태를 전달하는 수단은 상기 선형의 광범위한 출력(V_o)으로부터 분명하게 한 출력을 얻도록 제공된다. 구체적으로 제 1 도에서 펌프전류치를 검출하는 I_P검출저항기의 양단 전압(V_a)와 (V_o)사이에서 비교기(5)에 의한 비교는 펌프전류(I_P)의 방향의 전환을 검출하는 수단으로써 채택되고, 회로구성은 차동증폭기가 스텝신호를 얻도록 상기 비교기로써 사용되는 데에 채택된다. 펌프전류(I_P)가 농후지역에서 검출전극(6c)으로 부터 기준전극(6d)으로 유동하기 때문에 이 간단한 회로구성에 따라 V_o〈V_a가 되며, I_P검출저항기의 양단 전압을 비교하는 비교기(5)가 이 비교기의 양 입력전압을 V_o음입력전압을 V_a로 되도록 접속된다면 차동증폭의 기능을 갖는 비교기(5)로부터 전달되는 λ=1의 신호출력 즉 Vλ는 제 3 도에 도시한 바와같이 농후 지역에서 고출력으로 된다. 이와는 반대로 희박지역에서 V_o〉V_a로 되며, 상기 신호출력은 저출력으로 된다.

상술의 회로구성에 의해 이론적인 공연비(λ=1)에서 스텝방식으로 변하는 λ=1의 신호출력(V_λ)은 광범위한 선형출력(V_o)으로부터 명확하게 구별되어 얻어진다.

제 4 도는 실험결과의 한예(R/L이 60km/h에 해당하도록 설정될때 얻어지는 특성)를 보이며, 이 실험에서 3원 귀환제어(λ=1제어)는 2.0l이며 4사이클의 실제 엔진에서 종래 기전력타입의 O₂센서를 이용하여서 행해진다. 실험에서는 O₂센서의 기전력과 광범위한 출력(V_o)의 변화뿐만 아니라 Vλ의 신호출력이 웨이브 메모라이저에 의해 기록된다. 이들 출력은 공연비제어가 O₂센서에 의해 행해질때 관찰된 공연비에서의 변화를 나타낸다.

광범위출력(V_o)은 제 3 도에 도시한 바와 같이 A/F=14.7(λ=1)의 이론적인 공연비점에서 2.5V로 되도록 조정된다. V_o=2.5V의 상하에서 λ=1의 신호출력(Vλ)은 펌프전류(I_p)의 방향변화에 대응하는 고출력(I_P〈0, 농후영역에서)과 저출력(I_P〉0, 희박영역에서)으로 되도록 전기적으로 반복된다. 반복사이클은 600 내지 700m sec이다. O₂센서의 출력변화는 Vλ의 변화와 동기이며, 또한 이 변화사이클이 600 내지 700m sec인 것을 알수 있다.

더우기 1/5로 감소된 Vλ값은 O₂센서의 온-오프 신호를 대신하며, 3원 귀환이 상기 엔진에 대하여 행해졌다. 이에 의해 제 4 도에 도시한 것과 같은 결과를 얻으며, 10모드 연료원가가 10.5km/l이고, 10모드 배기치가 0.82g/km의 CO와 0.14g/km의 HC와 0.19g/km의 NO_X였다. 따라서 O₂센서에 의한 제어의 것과 동등한 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명에 따라 λ=1에 동등하며 광범위한 선형출력에 독립적인 신호출력은 단지 간단한 회로구성을 부가적으로 제공하므로써 얻을 수 있다.

더우기 기전력타입의 현존하는 O₂센서의 하나에 동등한 신호는 다른 효과로써 얻을 수 있고, 이 신호는 촉매정화 효율이 최대로 되는 이론적인 공연비점으로 공연비를 가져가기 위해 3원 귀환제어에 독점적으로 사용되는 신호로써 잘 사용될 수 있다.

Claims (3)

1. 고체 지르코니아 전해질과 상기 전해질의 양측에 있는 기준전극과 검출전극을 구비하며 상기 검출전극의 둘레에 있는 가스의 확산속도를 조절하는 확산층을 구비한 검출소자와, 상기 두 전극 사이에 전압을 인가하여 한개 전류를 검출하도록 두방향으로 산소이온을 펌핑하게 하는 구동회로에 의해서 연료가스의 공연비를 농후, 이론 및 희박의 공연비의 전영역에 걸쳐 선형출력으로써 측정하는 공연비 측정시스템에 있어서, 산소이온 펌핑전류의 유동방향이 전환되는 상태를 검출하는 검출수단과, 스텝신호로써 상기 상태를 출력하는 출력수단으로 이루어지며, 이에 의해서 상기 선형출력과 상기스텝신호출력이 서로 구별하여 전달되는 것을 특징으로 하는 공연비 측정시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 펌프전류치를 검출하는 저항기의 양단전압 사이에서 비교기에 의한 비교수단이 펌프전류의 방향전환을 검출하는 수단으로써 사용되는 것을 특징으로 하는 공연비 측정시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 차동증폭기가 스텝신호를 출력하는 수단으로써 상기 비교기에 사용되는 것을 특징으로 하는 공연비 측정시스템.

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