KR950014742B1 - 엔진배기가스의 공연비 검출장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

엔진배기가스의 공연비 검출장치

제1도는 본 발명에 사용하는 센서부의 일실시예의 부분단면도.

제2도는 본 발명에 사용하는 센서부의 다른 실예의 부분단면도.

제3,4,5도는 본 발명의 원리설명도.

제6도는 본 발명의 일실시예의 개념도.

제7도 내지 제12도는 본 발명의 일실시예의 동작 및 특성설명도.

제13도는 본 발명의 일실시예의 구성도.

제14도는 그 실험 결과도.

제15도 내지 제17도는 본 발명의 다른 실시예의 설명도.

제18도 및 제19도는 본 발명의 기타의 실시예의 설명도.

제20도 및 제21도는 본 발명의 또 다른 기타 실시예의 설명도.

제22도는 본 발명의 또 다른 기타 실시예의 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,20,50 : 고체전해질 2,24,54 : 확산저항체

3a,3b,22,23,52,53 : 전극 4,84 : 포텐셜 그라운드

5 : 마이크로컴퓨터 6 : 홀드회로

7 : 차동적분회로 8 : 출력회로

10 : 검출부 40 : 히터

본 발명은 공연비 검출장치에 관한 것으로, 특히, 엔진의 배기가스의 공연비를 검출하기 위한 공연비 검출장치에 관한 것이다.

종래, 엔진의 공연비 검출장치로서는 이론 공연비를 검출하는 장치가 널리 내연기관의 제어용으로 사용되고 있다.

그러나, 근년 연료소비율의 개선을 위해 리인(lean) 연소제어용의 공연비 검출장치의 개발이 진행되고 있다. 그 일 실시예로서는 예를 들면 미합중국 특허 제4 282 080호의 기재와 같이 확산저항체로부터 확산되어 오는 산소를 고체전해질 셀에 의하여 추출할 때에 흐르는 한계전류치에 의해 리인공연비를 검출하는 것이 공지되어 있다.

또, 미합중국 특허 제4 158 166호(특개소 53-66292호)에 의하여 확산저항체로부터 확산되어 오는 일산화탄소등과 고체전해질 셀에 의하여 공급되는 산소를 반응시켜, 이때 고체전해질 셀을 흐르는 한계 전류에 의하여 리치(rich) 공연비를 검출하는 것이 알려지고 있다.

그러나, 리인으로부터 리치까지의 폭넓은 공연비 범위의 검출이 가능한 것은 알려져 있지 않다.

본 발명의 목적은 리인에서 리치까지의 공연비 검출이 가능한 공연비 검출장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 특징은 제1 및 제2의 전극을 형성한 고체전해질의 상기 전극간에 발생하는 기전력을 제1의 기간에서 측정하고, 제2의 기간에서 상기 기전력이 소정치가 되도록 제1 및 제2의 전극에 인가하는 전압 또는 전류를 제어하여, 이때의 전압 또는 전류를 출력하고 이 출력된 전압 또는 전류로부터 공연비를 구비하도록 한 것이다.

본 발명의 일실시예에 대하여 이하 도면을 참조하여 설명하다.

먼저, 본 발명에 사용하는 센서부분의 일실시예에 대하여 제1도를 참조하여 설명한다. 백(bag) 형상의 검출부(10)는 구멍(11)을 가지는 보호관(12)내에 배치되어, 나사(13)를 가지는 밀봉체(14)내에 고착되어 있다. 이 구멍이 형상은 여러가지의 모양으로 천공 가능하다.

그리고 배기가스가 유동하는 배기관(15)내에 형성되어 있다. 또 16은 전극단자, 17은 히터단자이며, 이들 단자를 거쳐서 검출부(10)가 전자회로와 접속된다. 또한, 백 형상의 검출부인 지르코늄 고체전해질의 내부에는, 이것을 가열하기 위한 봉형상의 히터(40)(알미나 봉으로 형성된 W 히터등)가 장착되어 있다. 이것은 일실시예이며 지르코늄 고체전해질의 검출부(10)의 외측에 있어서도 좋다. 이 히터(40)는 검출부의 지르코늄 고체전해질을 적어도 600℃ 이상의 고온으로 하여, 그 임피던스를 작게 하기 위한 것이다. 이 히터(40)는 있는 편이 좋지만 절대적으로 필요한 것은 아니다. 검출부(10)는 백 형상의 지르코늄 고체전해질의 내측과 외측에 개별적으로 전극(백금 등으로 구성된다)을 구비하고, 외측의 전극상에 다공질 형상의 확산저항체를 형성한 것이다. 그리고 고체전해질의 내측에는 대기가 도입되며, 외측은 배기가스 분위기중에 노출된다.

본 발명에 사용되는 센서부분의 다른 일실시예를 제2도에서 나타내고 있다. 이 도면은 지르코늄 고정전해질이 평판, 확산저항체가 1개의 구멍으로 이루어진 경우를 나타내고 있다. 대기는 지르코늄 고체전해질(20)내의 통로(32)를 거쳐서 제1의 전극(22)에 도입된다. 배기가스중의 잔존 산소나 미연소 가스는 구멍으로 이루어진 확산저항체(24)를 거쳐서 확산실(31)내의 제2의 전극(23)에 유입된다. 지르코늄 고체전해질(20)은 그에 고착된 알미나 절연층(211)내의 히터(212)에 의하여 고온으로 가열제어된다.

여하간에 지르코늄 고체전해질은 한쌍의 전극을 가지고, 한쪽에는 대기가 도입되고 다른쪽에는 확산저항체를 거쳐서 배기가스가 확산 유입되는 구조라면 어떠한 형상이라도 기본적으로 좋다.

다음에 본 발명의 동작원리에 대하여 제3도를 참조하여 설명한다.

제3a, b도에 있어서 1은 산소이온 전도성의 고체전해질이며, 그 양면에는 백금전극(3a), (3b)이 형성되어 있다. 전극(3a)은 대기에 접하고 , 전극(3b)은 다공질의 확산저항체(2)를 거쳐서 배기에 접하고 있다.

본 검출장치는 동도(a)에 나타낸 바와 같이, 고체전해질(1)에 전압(V)을 인가하여 전류 I_P를 흐르게 하고, 확산저항체(2)내에 산소를 출입시키는 동작과, 동도(b)에 나타낸 바와 같이, 고체전해질(1)에서 발생하는 기전력(E)만을 측정하는 동작을, 시분할적으로 2개의 기능의 회로를 교대로 절환함으로써 행하는 것이다. 동도면(a)에 나타낸 전류 I_P는 절대치나 방향이 공연비에 의하여 변화한다. 이것은 동도면(b)에 나타낸 기간에 측정한 기전력(E)이 항상 일정치가 되도록 전압(V)의 값을 증감하고, 확산저항체(2)내의 산소를 출입시키고 있기 때문이다. 동 도면(c)에 나타낸 바와 같이, 전극(3a)의 단자 전압은 전류 I_P를 흘리는 기간(ti)의 전압은 공연비에 의해 변화된다(V₁,V₂와 같이). 한편, 기전력(E)을 측정하는 기간(te)의 전압은 공연비가 변화하여도 일정전압(E)으로 유지된다. 즉, 이 기전력(E)이 일정하게 되도록 제3a도의 인가전압(V)을 변화시키는 것이다.

다음에 공연비가 변화하였을 경우, 확산저항체(2)내의 산소농도 분포의 변화와 산소의 이동이나 전류 I_P의 관계를 제4도에 의해 설명한다. 제4a도는 리인 영역의 동작을 나타낸 것이고, 공연비가 일정값 λ인 경우 I_P, O₂의 이동, O₂농도분포 각각을 실선으로 하고, 공연비가 다른 값 λ'인 경우를 점선으로 나타냈다. 여기서 λ'＞λ＞1의 관계라고 가정한다. 공연비가 λ인 경우에는, 배기중의 산소농도는 P_O2로 되기 때문에, 확산저항체(2)의 배기측의 산소농도는 P_O2가 된다. 여기서는 미리 타이밍의 기간에 측정된 기전력(E)을 근거로 하여, 이 기전결(E)이 소정의 값이 되도록 전류 I_P를 흐르게 하므로 확산저항체(2)내의 산소는 대기측으로 빠져나가고, 전극(3b) 근방의 산소농도는 항상 일정막 P_O이 된다. 여기서 예를 들면 기전력(E)을 0.5V로 하면, P_O는 10^-12%정도가 된다. 다음에 공연비가 λ'(λ'＞λ)로 변화되면, 확산처항체(2)의 배기측의 산소농도는 P_O2'로 크게 되지만, 여기서도 기전력(E)을 항상 일정하게 하도록 I_P보다도 큰 전류 I_P'가 흐르기 때문에, 전극(3b) 근방의 산소농도는 일정치 P_O로 유지된다.

이와 같이 산소농도가 P_O2로부터 P_O2'(P_O2'＞P_O2)로 변화하였을 경우, P_O를 일정하게 유지하기 위하여 많은 산소량을 이동시킬 필요가 있다. 즉, 전압(V)을 V'(V'＞V)로 변화시켜서 I_P를 I_P'(I_P'＞I_P)로 증가시킨다. 이 때문에 이때의 전류값, 즉 전압값은 공연비에 비례하게 된다.

제4b도는 리치 영역에서의 동작을 나타내고 있다. 공연비가 λ"(λ"＜1)인 리치 영역에서는, CO 등의 가연성 가스가 발생하기 때문에 전극(3b) 근방의 산소농도를 P_O로 하려면, O₂를 대기측으로부터 배기측으로 이송할 필요가 있다. 이 때문에, 고체전해질(1)에 인가되는 전압의 극성을 반전기키게 되고, 전류 I_P"를 리인 영역과는 반대방향으로 흐르게 한다. 이 동작에 따라 전극(3b) 근방의 산소농도는 P_O로 유지된다. 확산저항체(2)중에 나타낸 실선은 일산화탄소 CO의 농도분포를 나타낸 것으로, 배기측이 P_O2이 되고, 전극(3b)측이 거의 영(P_O)이 된다. 공연비가 λ"보다도 작게 되면, 다량의 CO가 존재하고, 확산저항체(2)내에 확산되기 때문에 전극(3b) 근방의 산소농도를 P_O로 유지하기 위해서는 보다 많은 산소를 이송시킬 필요가 있다. 이 때문에 V"를 증가시키고, I_P"를 증가시키게 된다. 즉, 공연비가 변화되면, V"가 변화하게 된다.

이상의 원리에 의하여, 리치로부터 리인 영역의 공연비가 측정되지만, 여기서 전류의 방향을 반전시킬 필요가 있다. 이하의 실시예에서는, 이 동작을 λ=1.0인 점을 검출하는 일 없이 자동적으로 행하도록 하였다. 이하 이에 대하여 설명한다.

제5a도는 리인 영역의 동작이다. 배기측의 전극(3b)은 어느 일정한 전위 V_PG를 갖는 포텐셜 그라운드(potential ground)(4)에 접속되어 있다. 리인 영역에서는 전류 I_P를 화살표의 방향으로 흐르게 하기 위하여 전극(3a)의 전압 V_P을 V_PG보다도 크게 한다. 즉 V_P＞V_PG로 하면 확산저항체(2)내의 산소가 대기측으로 빠져나간다. 다음에 제5b도에 나타낸 리치시에는, V_P를 V_P＜V_PG가 되도록 작게 하면, I_P는 리인시와는 반대로 흐르고 확산저항체(2)내에 산소가 이송되어 들어가게 된다.

이상과 같이, 전극(3b)을 포텐셜 그라운드(4)에 접속하고 전극(3a)의 전압을 상하 변형시킴으로써 자동적으로 I_P의 방향을 반전시킬 수가 있다. 이 포텐셜 그라운드의 구성에 대해서는 후술한다.

제6도에서는, 일실시예의 검출장치의 구동회로의 전체 구성이 도시되어 있다. 도면부호 5는 A단자와 B단자에 ON-OFF 신호를 교대로 출력하는 마이크로컴퓨터이지만, 통상의 발진기라도 된다. 예를 들면, 콘덴서와 저항을 사용한 발진회로라도 된다. A단자에 ON 신호가 출력되면, 스위치 SW₁은 온(도통)되고, 이 기간동안 B단자에 오프신호가 출력되고 스위치 SW₂는 오프(비도통)로 된다. 스위치 SW₁가 온이 되면, 고체전해질(1)에 전류 I_P가 흐른다. 다음 기간에, A,B 단자의 온-오프 상태가 역전되고, 스위치 SW₂가 온이 되고, 스위치 SW₁가 오프로 된다. 이 스위치 SW₂가 온으로 되는 기간은 기전력(E)을 측정하는 기간이다. 이 기간에 검출된 기전력(E)은 홀드회로(6)에 의해 홀드되고 스위치 SW₂가 오프되었을 때에도 기전력(E)의 값은 유지된다. 다음에 차동적분회로(7)에 의하여 기전력(E)과 기준값(E_ref)이 비교되고, E＜E_ref의 경우는 차동적분회로(7)의 출력 V_PH이 계속 증가된다. 여기서 고정전해질(1)에는 스위치 SW₁가 온 되었을 때에 이 출력 V_P가 인가된다. 또 E＞E_ref의 경우는 차동적분회로(7)의 출력 V_P는 계속 감소하게 된다.

이상과 같이 기전력 E가 E_ref가 되도록 출력 V_PH을 상하변형시킴으로써 전류 I_P를 제어한다. 또한 상술한 바와 같이 리치 영역에서는 출력 V_P가 V_PG보다 작게 되므로 출력 V_P을 감소시킬 수 있다.

또 회로의 출력으로서는 포텐셜 그라운드(4)와 전극(3b) 사이에 고정저항(R₁)을 설치하고 그 단자전압을 홀드회로(8)에 의하여 홀드하여 출력 V_out으로 한다. 포텐셜 그라운드는 일정한 전압이 항상 공급되는 정전압원인 것이다. 출력 V_out는 저항 R₁이 고정저항으로 인해 전류값 I_P에 비례한 값이 된다.

제7도에는 공연비가 리치에서 리인까지 변화된 경우 각부의 신호레벨과, 스위치 SW₁, SW₂의 동작을 나타내고 있다. (a)는 실제의 공연비의 변화이며, λ＜1에서 λ＞1까지 변화되고 있다. (b)는 스위치 SW₁를 거쳐서 전극(3a)에 인가되는 전압 V_P이고, (c)는 차동적분회로(7)에 입력되는 기전력 E를 나타낸다. 공연비가 급히 리인측으로 변화되면, 확산저항체(2)내의 산소량이 증가하기 때문에 기전력 E는 E_ref보다도 작게 된다. 이 때문에 차동적분회로(7)의 출력 V_P는, 계속 증가되게 된다. 이윽고, 공연비가 일정치로 안정되면, 출력 V_P도 일정치로 고정된다. 이때 기전력 E는 E_ref로 고정되어 있다. (d)와 (e)는 스위치 SW₁와 SW₂은 온되는 기간이며, 온-오프의 주기는 통상의 공연비의 변화시간 보다 충분히 작게 해두면 된다. 또 (f)는 V_out를 나타내고, 리치 영역에서는 V_out＜V_PG로 되어 있으나, 리인 영역으로 변화되면 V_out＞V_PG로 된다.

이상과 같이 회로는 기전력(E)이 E_ref이 되도록 출력 V_P을 상하로 조정한다. 또 리인으로부터 리치 영역으로 공연비가 변화하였을 경우에는 출력 V_P는 감소되고 출력 V_out도 감소되게 된다.

제8도는, 공연비(공기과잉율) λ에 대한 V_out의 관계를 나타내고 있다. λ=1.0에서는 이론적으로 I_P=0으로 되기 때문에, V_out=V_PG가 된다. λ＜1에서는 V_out＜V_PG이며, λ＞1에서는 V_out＞V_PG로 된다. 즉, λ=1.0을 경계로 하여 전류 I_P의 방향이 자동적으로 반절되고 리치에서 리인까지의 공연비가 연속적으로 측정될 수 있다.

다음에, 이 검출장치의 동작의 물리적인 수순을 설명한다.

제9도에서는 고체전해질에 인가하는 전압 V을 증가시켜 갔을 경우의 전류값 I을 나타낸 특성이다. 전압 V을 영으로부터 증가시켜 가면, (a)의 범위에서는 산소이온 전도에 따라 전압 V에 비례하여 전류 I가 증가된다. 또한 전압 V을 증가시키면 확산저항체(2)의 작용으로 산소의 흐름이 규제되어, 전압 V을 증가시켜도 전류 I가 변화하지 않게 된다((b)의 범위). 이때의 전류 I는 한계전류값으로 불리우는 값이다.

지금 공연비가 일정한 값이 되어 있을 때의 제6도의 회로의 동작원리를 제9도의 실선의 특성에 의하여 나타낸다. 차동적분회로(7)의 출력 V_P가 지금 (a)의 범위의 전압이었다고 하면, 이때 단자간에 발생하는 기전력 E는 거의 영으로 되어 있다. 이 때문에 차동적분회로(7)는 출력 V_P를 증가시키게 된다. 이윽고 출력 V가 (b)의 범위에 들어오면 단자간에는 기전력이 발생하기 시작하고, 기전력이 E_ref로 되었을때에 출력 V_P의 증가는 정지하고 V_C로 고정된다. 이때 고체전해질(1)에는 전류 I_P가 흐른다. 이 전류 I_P는 상술한 한계전류치와 동일하며, 공연비에 비례한 값으로 된다.

또 제9도의 점선으로 나타낸 특성은 고체전해질(1)의 온도가 낮아졌을 경우의 것이다. 여기서 출력 V_P가 V_C로 되는 경우, 전류치는 I_L로 되고 한계전류치를 나타내지 않았지만, 본 발명의 회로에서는 V_P=V_C의 상태에서 E≒0로 판정하기 때문에, 출력 V_P를 더욱 계속 증가시켜 기전력 E가 E_ref로 되는 값 V_C'로 고정되게 된다. 이 때문에 이때 고체전해질(1)에 흐르는 전류치는 역시 한계전류치가 된다. 이와 같이 본 발명에 의한 검출장치는 고체전해질(1)의 온도가 변화하여도 항상 한계전류치에 상당하는 전류치가 고체전해질(1)에 흐르게 된다.

제10도는 고체전해질(1)의 온도가 일정하며, 공연비 λ가 변화되었을 경우의 특성을 각각의 공연비 λ₁, λ₂, λ₃, λ₄에 대하여 나타냈다(λ₁＞λ₂＞λ₃＞λ₄). 공연비가 λ₁인 경우는 단자간의 기전력이 E_ref로 되려면 고체전해질(1)에 V_P1의 전압을 인가할 필요가 있기 때문에, 출력 V_PH는 V_P1까지 상승하여 V_P1으로 고정된다. 이때의 전류치는 I_P1이고, 공연비 λ₁에 있어서의 한계전류치에 일치되어 있다. 또 공연비가 λ₂로 되었을 경우는, 출력 V_PH는 감소되어 V_P2에 고정되고, 전류치는 I_P2가 된다. 이하, 공연비가 λ₃, λ₄의 경우도 마찬가지로 각각의 한계전류치 I_P3, I_P4를 고체전해질(1)에 흐르게 한다. 제6도에 나타낸 회로는 이 전류치에 비례한 출력을 내기 위해 항상 한계전류치가 모니터될 수 있다.

제11도는 고체전해질(1)의 온도 T를 변화시켰을 경우의 출력의 변화를 나타냈다. 또한 여기서는 공연비는 일정하다. 제1도의 (b)는 제9도에 나타낸 바와 같이 항상 일정한 전압 V_C를 고정전해질(1)에 인가하였을 경우의 특성이고, (a)는 본 발명에 의한 검출장치의 출력 특성이다. 상술한 바와 같이 온도 T가 변화되어도 항상 한계전류치를 모니터할 수 있기 때문에 출력의 온도 의존성은 적다.

제12도는 온도 T를 일정하게 한 공연비 λ를 변화시켰을 경우의 출력 특성이다. (b)는 고체전해질에 인가되는 전압을 일정하게 하였을 경우의 특성이다. 제10도에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들면 전압을 V_P3로 일정하게 하면 공연비 λ가 커짐에 따라서, 한계전류치가 측정될 수 없게 되어, 제12도 (b)에 나타낸 바와 같이 공연비 λ에 대한 이득이 낮아진다. 또, (a)의 특성은 본 발명의 검출장치에 의한 것으로, 공연비 λ가 변화되어도 전압 V_P를 변화시켜 항상 한계전류치를 측정하기 때문에, 공연비가 커져도 공연비 λ에 대한 출력치의 이득은 변하지 않는다.

제13도는 본 발명의 일실시예에 의한 검출장치회로의 구체적인 구성의 일실시예이다. 도면부호 5는 마이크로컴퓨터나 또는 발진기이며, 전환신호를 출력한다. 홀드회로(6)는 콘덴서 C₁과 버퍼 앰프 A₁로 이루어져 있다. 홀드회로(6)에서 홀드된 기전력 E은 차동 적분회로(7)에 입력된다. 이 차동적분회로(7)에서 기전력 E와 기준전압 E_ref가 비교되어, E＜E_ref인 경우, 전압 V_P은 계속 증가되고, E＞E_ref인 경우에는, 전압 V_P은 계속 감소된다. 이 적분동작은 기전력 E이 E_ref에 고정될때까지 계속되어, 고정되면 전압 V_P도 일정치로 고정된다.

이 전압 V_P은 버퍼앰프(A₂)와 스위치 SW₁를 거쳐서 전극(3a)에 인가된다. 한편, 포텐셜 그라운드(4)는 버퍼앰프(A₃)로 형성되어 있으며, 일정전압 V_PG의 값을 출력하고 있다. 여기서 스위치 SW₁이 온되어 전압 V_P가 고체전해질(1)에 인가될 경우에, V_P＞V_PG인 경우는 전류가 버퍼앰프(A₂) 및 고체전해질(1)을 통해 버퍼앰프 A₃내에서 그라운드로 하락된다. 그러나 포텐셜 그라운드는 V_PG로 일정한 채 유지된다. 또 V_P＞V_PG인 경우는, 전류가 버퍼앰프 A₂내에서 그라운드로 하락한다. 그러나, 버퍼앰프 A₂의 출력은 V_P이 일정한 값으로 유지되고 있다. 또 출력회로(8)는 스위치 SW₁가 온되었을때의 저항 R₁의 단자전압을 콘덴서 C₁와 버퍼앰프 A₄에 의하여 홀드하여 출력(V_out)한다. 이상의 회로에 의하여 본 발명에 의한 공연비의 검출이 가능하게 된다.

제14도는 엔진의 실제 배기를 본 발명의 상술의 일실시예에 의하여 측정된 결과를 나타낸다. 검출장치의 센서 부분은 엔진의 배기 매니홀드에 부착되어, 엔진은 회전수 1250rpm, 토크 3㎏·m 로 일정하게 운전된다. 제14도의 횡축은 공연비 λ이고, 종축은 출력이다. 제14도에서 알 수 있는 바와 같이, λ＜1에서 λ＞1까지의 넓은 범위의 공연비가 실측될 수 있지만, λ=1을 경계로 하여 출력치의 이득이 변화되고 있다. 이것은 λ＞1에서 한계전류 I_P는 배기중의 산소농도에 의존하고 있지만, λ＜1에서는 전류 I_P가 배기중의 가연성 가스 CO, HC, H₂에 의존하기 때문이다. 특히 가연성 가스중에서 H₂의 확산속도가 매우 빠르기 때문에 (CO, O₂의 약 4배), 많은 전류치가 필요하게 되고 출력이 크게 경사져 버린다.

다음에, 고체전해질(1)의 온도를 일정하게 유지하기 위하여, 그 내부저항 r을 일정하게 유지하기 위한 온도 제어방법에 대하여 기술한다. 제15도(a)에서는 λ＞1에 있어서의 동작을 나타냈다. 이 경우, 전류 I_P는 도면중의 화살표 방향으로 흐르고 전극(3a)측의 전압을 V_P, 3b측을 V_H, 저항 R₁이 포텐셜 그라운드(4)측을 V_PG로 하면, V_P＞V_H＞ V_PG의 관계가 된다. 이경우, V_P, V_H, V_PG의 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

V_P-V_H=E+rI_P…………………………………………………………(1)

V_H-V_PG=r_C·I_P………………………………………………………(2)

여기서, E=기전력, r_C: 저항 R₁의 저항치, (1)식에 의하여 내부저항 r은

여기서, V_H는 출력으로서 항상 측정되고 있으므로 이미 알려진 값이며, E는 항상 일정치가 되도록 제어하고 있으므로 이미 알려져 있다. 여기서,

V=V_H+E ………………………………………………………………(4)

로 하면, (3)식은

또 (2)식에 의하여 V_P는

으로 되기 때문에, V_H, V_PG, r_C가 이미 알려진 값이 되므로 I_P도 알 수 있다. 이 때문에 (6)식과 (5)식으로부터 고체전해질(1)의 내부저항 r이 계산된다.

다음에 λ＜1에 있어서의 동작을 제15도(b)에 나타낸다. 여기서는, 전류 I_P는 (a)와는 반대방향으로 흐르므로, 각부의 전압은 V_P＜V_H＜V_PG로 된다. 여기서는 (1)~(6)식과 같은 계산을 하면 다음과 같이 된다.

V_P와 V_H와 V_PG의 관계는,

V_P-V_H=E-rI_P………………………………………………………………(7)

V_PG-V_H=r_C·I_P……………………………………………………………(8)

여기서, (7)식을 (4)식의 관계를 사용하여서 환산하면,

로 된다. 또 I_P는 (8)식으로부터

로 된다. 여기서 V_PG, V_H, r_C, V^*는 이미 알고 있으므로, (9),(10)식으로부터 내부저항 r이 구하여 진다. 이 내부저항 r을 계산하여 히터를 제어하고, 내부저항 r을 항상 일정하게 유지하도록 한다. 제16도에, 히터제어 흐름을 나타냈다. 이 계산은 λ＞1과 λ＜1에서는 상이하므로, 처음에는 공연비 λ에 대해 판단한다. 전류 I_P의 방향에 따라 V_H와 V_PG의 대소관계는 변화되므로 이에 따른 판단을 한다(스텝 101). λ＞1에서는 V_H＞V_PG로 되므로, (6)식에 의하여 전류 I_P를 계산한다(스텝 102). 다음에 이 전류 I_P와 (5)식에 의해 내부저항 r을 계산한다. 이 내부저항 r을 제어하려고 하는 저항치 r_ref와 비교한다(스텝 104). 여기서 r＞r_ref라면, 고체전해질(1)의 온도 T는 설정치 보다 낮게 되므로, 히터를 온시키는 Hi의 신호를 출력하여 고체전해질(1)을 가열한다(스텝 105). 또 r＜r_ref의 경우는 T가 설정온도보다 높아지기 때문에 히터를 오프시키는 Lo 신호를 출력한다(스텝 106). 그후 스텝(101)으로 복귀한다.

한편, V_H＜V_PG의 경우는 λ＜1.0으로 되어 있기 때문에, 전류 I_P는 (10)식에 따라 계산한다(스텝 107). 이 I_P와 (9)식에 의하여 내부저항을 계산한다(스텝 108). 이상으로서 내부저항 r을 구한 후는 스텝(4)으로 진행하여, 이하 앞서와 동일한 흐름에 의해 히터를 제어한다. 이상의 흐름은 아날로그 회로에서도 처리할 수 있으나, A/D 변환되어 마이크로컴퓨터(5)에 입력되어 디지탈적으로 처리하는 편이 유리하다.

제17도는 히터를 제어하기 위한 회로의 결선도이다. 검출장치의 구동회로(41)로부터 상술한 출력 V_PH, V_H를 A/D변환기(42)에 입력한다. V_PH, V_H에 대응한 디지탈치를 마이크로컴퓨터(5)에 입력한다. 마이크로컴퓨터(5)내에서는 제16도에 나타낸 플로우가 실행되어 비교기(43)로부터 Hi, Lo 신호가 출력된다. Hi 신호가 출력되면 비교기(43)는 트랜지스터(T_r1)의 베이스에 Lo 신호가 출력되고 트랜지스터(T_r1)는 도통상태로 되고, 히터(40)에 전류가 흘러 고체전해질(1)이 가열된다.

한편, 마이크로컴퓨터(5)로부터 Lo 신호가 출력되면 비교기(43)는 Hi 신호를 출력하고, 트랜지스터(T_r1)는 비도통상태가 되어 히터(40)에는 전류가 흐르지 않는다. 이상과 같이 하드웨어에 의하여 히터의 제어가 실행되고, 고정전해질(1)의 온도는 항상 일정하게 제어된다.

제18도에는 히터를 제어하는 다른 방법을 나타내고 있다. 이 방법은 제18a도에 나타낸 바와 같이 전류 I_P를 흐르게 하는 기간 t₁와, 기전력 E을 나타낸 바와 같이 전류 I_P를 흐르게 하는 기간 t₁와, 기전력 E을 측정하는 시간 t₂외에, 고체전해질(1)의 내부저항 r을 일정치의 전류를 흐르게 함으로써 측정하기 위한 기간 t_h을 새로이 설정하는 방법이다. 제18b도에 나타낸 바와 같이, 기간 t_h에는 정전류 I_H를 흐르게 하고 이때의 단자전압 V_HC를 검출함으로써 내부저항 r을 측정한다. 이때 제18c도에 나타낸 바와 같이, 전류 I_H는 산소를 확산저항체(2)내에 이송하도록 하는 방향으로 흐르게 한다. 이 때문에 단자 전압 V_HC는 다음과 같이 나타나게 된다.

V_HC=rI_H-E …………………………………………………………(11)

V_HC∝r ………………………………………………………………(12)

(12)식에서 알 수 있듯이, 전압 V_HC는 I_H, E가 알려진 값이기 때문에 내부저항 r의 함수가 된다. 즉, 이 전압 V_HC을 측정하여 일정치가 되도록 히터를 제어하면 정밀도가 높은 온도조절이 가능하게 된다. 또한, 제18a, b도에 나타낸 실선의 특성은 λ＞1의 경우의 것으로, 일점쇄선의 특성은 λ＜1의 것이다. 제18b도에 나타낸 바와 같이, λ＜1의 경우 전류 I_P의 방향은 λ＞1과는 반대방향이므로 부의 값으로 나타냈다.

또한 기간 t_h에 있어서, 전류 I_H를 제18c도의 방향으로 흐르게 하는 것은, 배기측으로 산소를 이송하는 방향이므로 리치 영역에 있어서 고체전해질(1)을 보호하는 의미로도 된다.

제19도는 제18도의 동작을 실현하기 위한 회로구성이다. 마이크로컴퓨터(5)의 A단자로부터는 t₁사이만 온하는 신호가 출력되고, B단자로부터는 t_e사이만 온하는 신호가 출력되고, C단자로부터는 t_h사이만 온하는 신호가 출력된다. 이 때문에 t_h사이는 스위치(SW₃) 만이 도통상태로 된다. 이 스위치 SW₃가 도통하면 정전류원(44)으로부터 고체전해질(1)에 정전류 I_H가 흐른다. 이때의 단자 전압 V_HC를 콘덴서 C₃와 버퍼앰프 A₅에 의해 샘플 홀드한다. 이 때문에 스위치 SW₃가 비도통으로 되었을 경우도 버퍼앰프 A₅의 출력은 V_HC이 그대로 유지된다. 이 V_HC는 기준전압 V_ref와 비교되어, V_HC＞V_ref인 경우는 비교기(45)가 오프신호를 트랜지스터(T_r2)의 베이스에 출력하고, 트랜지스터(T_r2)를 도통상태로 하여 히터(40)에 전류를 흐르게 하고, 고체전해질(1)을 가열한다. 한편 V_HC＜V_ref인 경우는, 비교기(45)가 온 신호를 출력하므로 트랜지스터(T_r2)가 비도통으로 되게 하고, 히터(40)에 전류는 흐르지 않게 된다. 또한 이 V_ref는 (11)식에 의해 설정하고자 하는 내부저항 r에 대응하는 값을 사전에 결정하여 둔다.

이상과 같은 방법에 의하면 고체전해질(1)의 내부저항 r을 모니터하면서 정밀도 높은 온도조절이 가능하게 된다.

본 발명의 다른 실시예의 전체 구성을 제20도에 의하여 설명한다. 전위 V_PG의 전압원(64)과 버퍼·앰프(65)에 의하여 이루어진 포텐셜 그라운드회로(84)에 의하여 버퍼·앰프(65)의 출력전압은 회로접지보다 전위 V_PG만큼 높은 일정치로 유지된다. 이 결과 다공질 형상의 확산저항체(54)를 거쳐서 배기가스 분위기와 접촉하는 전극(53)의 전위는 항상 회로접지 보다 높은 값이기 때문에, 지르코늄 고체전해질(50)을 동작시킨다. 정, 부의 펌프전류 I_P의 계측이 가능하게 된다. 저항(66)은 펌프전류 I_P의 검출저항이고, I_P를 출력전압 e₀으로 변환시켜, 버퍼·앰프(67) 및 콘덴서(62)로 이루어진 출력회로(88)로부터 엔진 제어용 마이콤으로 송신한다.

시분할 신호발생기(85)의 펄스열 A가 오프, B가 온인 것으로 한다. 이때, CMOS 등으로 이루어진 스위치(68)와 (69)는 오프상태가 된다. 스위치(69)가 오프로 되면, 적분회로(87)에서 전극(52)으로 공급되는 여기(勵起)전압은 없어지게 되므로 지르코늄 고체전해질(50)내를 흐르는 펌프전류 I_P는 강제적으로 영이 된다. 이때 전극간의 차전압은 기전력 eλ의 성분 뿐이기 때문에, 이것을 저항(71~74) 및 앰프(75)로 이루어진 차동증폭회로(89)에서 검출한다. 이 결과, 오옴 손실 과전압의 영향을 받지 않고, 기전력 eλ을 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 스위치(76)는 온상태에 있으므로 차동증폭회로(89)에 의해 검출된 eλ 값은 신속히 콘덴서(77)와 앰프(78)로 이루어진 홀드회로(86)에 전송된다. 이 eλ 값은 적분기회로(87)에 입력되고 기준 전압 E_ref과 비교된다. 적분회로(87)의 시정수 τ는 저항(79)과 콘덴서(80)의 값에서 결정되어 수~수십 ms의 값으로 설정된다. 또 기준전압 E_ref은 0.3~0.6볼트의 값으로 설정된다. eλ＜E_ref인 때, 전극(52)으로 인가되는 여기전압이 크게 되도록 작용한다. 이에 대하여 eλ＞E_ref인 때, 여기전압이 작아지도록 작용한다.

다음에 시분할신호발생기(85)의 펄스열 A 및 B가 반전하면, 스위치(69)는 온상태가 되고, 여기전압이 적분회로(87)로부터 전극(52)으로 인가된다. eλ＜E_ref인 때, 여기전압이 커지기 때문에 리인상태시 전극(53)의 산소를 많이 인출하게 되고, 리치상태시 전극(53)에 공급하는 산소를 적게 하도록 작용하여 eλ가 E_ref가 되도록 여기전압이 피이드백 제어된다.

반대로, eλ＞E_ref인 때, 여기전압이 작아지기 때문에 리인상태시 전극(53)의 산소를 적게 인출하고, 리치상태시 전극(53)에 많은 산소를 공급하도록 작용하여, 마찬가지로 eλ가 E_ref가 되도록 여기전압이 피이드백 제어된다. 이들은 전기화학적인 O₂펌프작용에 의하여 평형상태로 피이드백 제어된다. 또한 여기전압이 샘플되지 않도록 스위치(76)는 오프상태가 된다. 반대로 스위치(68)는 온상태가 되어 있고, 검출저항(66)에 의하여 검출된 펌프전류 I_P에 대응하는 전압이 샘플되어서, 콘덴서(62)와 버퍼·앰프(67)로 이루어진 출력회로(88)로부터 출력전압(V_out)으로서 출력된다.

이와 같이 상호 교대로 반복함으로써, 리치, 이론공연비 및 리인 영역의 공연비를 연속적으로 검출할 수가 있다.

또한 기전력 검출시간은 확산저항체(54)에 있어서의 가스의 확산에 의하여 기전력 eλ는 조금씩 변화하기 때문에 수 ms 이하로 하여야 한다.

또 한계전류치 I_P가 큰 값이 되도록 확산저항체(54)를 제작하였을 경우, 스위치(69)가 CMOS 등으로 구성될때 그 내부저항에 의하여 생기는 전압강하가 커지므로 트랜지스터와 같은 스위치가 바람직하다. 이때 양쪽방향(정,부)의 전류를 흐르게 할 필요가 있고, 2개의 트랜지스터를 쌍(pair)으로 사용하여 양방향으로의 전류이동을 가능하게 하여야 한다.

또 적분회로(87)는 이득을 적당히 선택한 차동증폭기로 구성하여도 된다.

그러므로 제20도의 구성에 의하여 양 전극간에 작용하는 여기전압은 기전력 eλ 보다 수배가 커지더라도 공기과잉을 λ을 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

이 결과, 지르코늄 고체전해질(50)의 온도가 낮아도(실험에서는 600℃ 이상) 동작함으로써 히터의 전력이 저감되고, 그 내구성이 향상되었다.

또한 리치상태의 분위기에서 수십분에서 수시간의 긴 시간 동안 연속적으로 본 센서를 위치시켜 두었을 경우, 전극(53) 근방의 지르코늄 고체전해질(50)이 국소적으로 전자 전도상태로 이행하기 때문인지 출력특성에 히스테리시스가 발생하게 된다. 이와 같은 평가 결과의 일예를 제21도에 나타낸다. 이것은 합성가스를 사용하고, λ+1.5에서 공기과잉을 λ을 일률적인 속도로 작게하여, 약 10분에서 λ=0.73까지 저하시켰다. 그리고 λ=0.73의 리치분위기에 약 70분간 연속적으로 방치하고, 그후 일률적인 속도로 λ을 크게 하여, 약 10분으로 λ=1.5까지 상승시켰을 때의 히스테리시스 특성을 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 출력전압 특성에 히스테리시스 현상이 발생하였다. 히스테리시스의 크기는 리치분위기에 방치하는 시간이 길수록 또 방치할 때의 값이 작을수록 히스테리시스가 커지기 쉬운 경향이 있었다.

실제 엔진이라도 운전상태에 따라서는 리치분위기에 오랜동안 노출되는 일이 있을 수 있으므로, 이와 같이 히스테리시스 현상의 발생은 제어상 바람직하지 않은 것은 말한 것도 없다.

실험적인 이와 같은 경향에서 기본적으로는 리치분위기에서 지르코늄 고체전해질(50)에 인가하는 여기전압의 시간을 적게 하면 좋다는 것이 예상된다. 이 대책방법을 제20도에 나타낸 회로구성에 적용하기로 하였다.

이 대책방법을 제22도에 나타낸다. 시분할 신호발생기(85)를 출력전압(V_out)의 크기에 따라서 제어하고, 펄스역 A 및 B를 이따금 구간 Z에서 나타낸 바와 같이 유지시키는 방법이다. 이 결과 제20도중에 스위치(69)가 구간 Z에 따라서 비교적 오랜동안(수십~수백ms) 오프가 되고 이동안 지르코늄 고체전해질(50)에의 여기전압의 인가가 정지된다. 구간 Z이 길이는 출력전압(V_out)이 작을수록 즉 λ값이 작을수록 길고 또 그 빈도도 많게 하는 것이 효과적이다. 시시각각의 순시 공기과잉율의 측정은 어느 정도 희생이 되지만, 이것은 제어상의 알고리즘에 대한 연구를 행하여, 실제 사용상 문제가 없을 정도까지 제어 정밀도를 개선하는 것이 가능하다.

다음에 본 검출장치를 엔진의 공연비 제어를 사용하였을 경우의 응용상의 이점에 대하여 설명한다.

본 검출장치는 확산저항체(2)가 막힘 등의 원인에 의하여 경시변화되었을 경우에 출력도 또한 경시변화하게 된다. 그러나 λ=1.0에 있어서는 I_P=0으로 되기 때문에, 출력전압 V_out은 V_PG로 된다. 즉, 이때는 전류 I_P가 흐르지 않고 있기 때문에, 확산저항체(2)의 상태에 관계없이 출력은 항상 V_PG로 된다. 즉, λ=1에서는 전류 I_P를 흐르게 하고 산소를 이동시키지 않아도 확산저항체(2)내의 산소농도분포는 항상 P₀(P₀≒0)로 일정하게 된다. 이것은 배기중의 산소농도가 이미 P₀로 되어 있기 때문이다. 이상과 같이, λ=1.0에서는 산소의 이동이나 확산이 없기 때문에 확산저항체(2)가 경시변화되어도 출력전압(V_out)은 항상 V_PG로 일정하게 된다.

여기서 출력이 경시변화되었다 하더라도 λ=1.0에 있어서의 출력은 V_PG그대로이다. 즉, 본 검출장치에 있어서는, λ=1.0의 공연비는 종래의 이론공연비를 검출하는 산소센서와 마찬가지의 정밀도로 측정할 수 있다. 이 때문에 엔진의 제어공연비를 부하에 의하여 변화시켤 경우, λ=1.0로 제어할때, 연료분사밸브의 분사량에 인가하는 보정량을 결정한다.

여기서 분사폭 T_P는

T_P=T_B(1+K₁+K₂+…) …………………………………………………………(13)

여기서, K₁: 공연비 검출기에 의한 보정계수

K₂이후 : 공연비 검출이외에 의한 보정계수

(예를 들면 수온 보정등)

으로 된다. λ=1.0에 있어서, K₁을 결정하고 다른 공연비로 제어할 경우도 이 보정계수 K₁을 이용한다.

이상으로서 정밀도가 높은 공연비 보정이 가능하게 된다.

이상 설명한 본 발명의 각 실시예에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

(1) 라인에서 리치까지의 폭 넓은 공연비 범위에 걸쳐 검출이 가능하게 된다.

(2) 기전력 Eλ를 검출하여 Eλ가 일정하게 되도록 여기전압 V_P을 제어하고 있다. 따라서 제9도, 제11도에서 설명한 바와 같이, 고체전해질의 온도가 낮고(약 600℃), 내부임피던스가 비교적 클 경우라도 측정이 가능하다. 따라서 히터의 소요전력을 저하시킬 수가 있고 센서부분의 내구성도 향상된다. 또한 여기전압 V_P대신에 공급전류 I_P를 제어하여도 된다.

(3) 또, 제12도에서 설명한 바와 같이, 여기전압 I_P를 가변하기 위하여 공연비가 커져도 출력의 이득은 변하지 않는다. 또한 상류와 같이 공급전류 I_P를 제어하여도 된다.

(4) 리치영역에서 오래 사용되면, 고체전해질이 전자 전도성을 갖게 되고 출력특성에 히스테리시스를 발생하게 되지만, 이와 같은 경우에는 시분할 형태에 있어서는 고체전해질 내를 흐르는 전류를 영으로 함으로써 전자전도화를 방지할 수 있다.

(5) 고체전해질의 내부저항치를 사용하여 히터의 통전을 제어함으로써, 고체전해질의 온도를 일정하게 유지하고 검출정밀도를 상승시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 리인에서 리치까지의 광범위한 공연비의 검출이 가능하게 된다.

Claims (8)

1. 일측의 면이 배기가스분위기측에 면하고, 타측의 면이 대기분위기측이 면하는 고체전해질과, 상기 고체전해질의 배기측 표면에 형성된 제1의 전극과, 상기 고체전해질의 대기측 표면에 형성된 제2전극과, 상기 제2전극상에 형성되며 상기 제1전극으로의 가스의 확산을 규제하는 확산저항체와, 검출회로로 이루어져, 상기 검출회로에 의하여 엔진의 배기가스 상태를 검출함으로써 공연비를 검출하는 공연비 검출장치에 있어서, 상기 검출회로는, 제1기간에 상기 제1전극과 상기 제2전극간에 발생하는 기전력을 측정하고, 제2기간에 기전력이 일정하게 되도록 상기 제1 및 상기 제2전극 사이에 인가되는 전압 또는 전류를 제어하여, 이때의 전압 또는 전류를 출력하고 이 출력된 전압 또는 전류로부터 공연비를 구하는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 검출회로는, 상기 제1의 기간에 동작하는 샘플홀드회로와, 상기 샘플홀드회로의 출력을 수신하여 이 출력과 기준치를 비교하여 그 차의 적분출력을 제2의 기간에 발생하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1전극은, 회로 그라운드보다 고전위인 포텐셜 그라운드에 유지되는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 고체전해질의 내부저항을 검출하고, 내부저항이 일정치가 되도록 상기 고체전해질 근방에 설치된 히터의 통전을 제어하는 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 내부저항의 검출은 제1전극의 전위, 제2전극의 전위, 전류 검출저항의 저항치 및 제어되어 있는 기전력에 의거하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1전극은 포텐셜 그라운드에 유지되고, 상기 내부저항의 검출은 이 포텐셜 그라운드의 전위에 의거하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2전극 사이에 일정한 전류를 흐르게 하고, 이때의 양 전극 사이의 전위에 의하여 고체전해질의 내부저항을 검출하는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.
8. 제1항에 있어서, 검출된 공연비에 의거하여 특히, 리치공연비에서 제1 및 제2전극간의 전압인가를 정지시키는 것을 특징으로 하는 공연비 검출장치.

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