자동차 산소센스

2023.3.8(수) 11:00
대상 : 자동차 메니폴드 산소센스 경고등ON 증상.
조사내용 : 센스는 농담(濃淡) 전지식 타입과 자기식 타입이 있음.
센스의 역활 : 농담 전지식은 안정화 지르코니라를 사용하는 고체 전해질 방삭과 전해액(KOH)
을 사용하는 습식(濕式) 전지방식(갈바니 전지방식) 있음.

1. 고체 전해질 방식은 수명이 길고 사용하는 참조용 가스의 산소 농도에 따라 수 PPM 수
10%까지의 넓은 범위의 측정을 할 수 있다. 센스온도의 감지는 500~800도로 사용할
필요 있기 때문에 연도(燃道) 가스 중의 산소농도 분석이나 자동차 엔진의 연소 제어 
그 밖의 분석기기에도 사용됨.

2. 자시식 산소가 다른 대부분의 가스와 달리 상자성(常磁性)을 갖는 것을 이용한다.
휘트스톤 브리지 속에서 도 개의 저항을 백금 온도 측정 저항체로 하고 그중 한쪽의
온도측정 저항체를 자기장 속에 놓으면 산소의 상자성으로 인해서 기류가 생기고, 
온도측정 저항체의 온도가 변화하는 것을 이용한다.  검출 감도는 0∼수% 이지만,
반복 재현성이 풍부해서 공업 프로세스 계기에 사용된다.

산소센서 외부로는 1~4가닥의 배선이 연결되는데 각 배선의 기능은 센서 시그널 선과
센서 접지선, 히터 전원선과 히터 컨트롤선이 연결되며 산소센서 위치가 배기가스의
온도가 높은 곳이므로 전선을 보호하기 위하여 배선 외부는 열에 강한 섬유제
프로텍트와 대기포트가 오염되어 산소센서에 대기공급이 중단되는 것을 방지하기
위하여 금속제 프로텍트를 설치한다.

산소센서의 원리 – 지르코니아 타입

지르코니아 산소센서는 일정온도 이상(약 350도 이상)과 이론공연비(14.7:1) 부근의
조건하에서 산소량이 많은곳에서 작은곳으로 산소이온을 통과시키면서 전압이
발생되는 안정화 지르코니아(YSZ)의 특성을 이용하여 지르코니아 소자 양쪽에
백금전극을 설치하고 산소센서 센서부 외측에는 배기가스와 접촉시키고 내측에는
대기가 통하게 되어 있다.

연소실에서 나오는 고온의 배기가스에 노출된 산소센서는 지크코니아의 온도가
상승되면 배기가스중의 산소농도와 대기중 산소농도 차이에 따라 배기가스중에
산소가 많이 있으면 대기중 산소농도와 차이가 작아져 낮은 전압(0.5V 이하)을
발생되고 배기가스중에 산소가 거의 없으면 대기중 산소농도가 차이가 커져
높은 전압(0.5V 이상)이 발생된다.

 

산소센서에서 낮은 전압을 받은 엔진 제어 시스템은 자신에 결정한 공기연료비율에서
연료가 부족했다고 판단하여 인젝터의 작동시간(열림시간)을 늘려 연료량을 조금씩
증가시키다가 산소센서에서 높은 전압이 입력되면 인젝터의 작동시간을 다시 줄여
연료량을 조금씩 감소시키고 산소가 남아 낮은 전압이 입력되면 다시 연료량을
증가시키는 일(피드백 기능)을 연속적으로 실시한다.  

가솔린 엔진에 전자제어 시스템이 적용되면서 공기량을 기준으로 엔진 냉각수와
공기의 온도에 따른 연소조건에 맞추어 계산된 연료량을 연소실에 공급하였지만
엔진 제어 시스템은 자신이 결정한 연료공급량이 이론공연비에 맞거나 시스템
설계자가 목표한 공급량과 맞는지 확인할 수 없었지만 1960년대 독일 보쉬에서
개발하여 1976년 미국에 수출하기 위한 볼보240에 처음으로 산소센서가
적용되면서 인하여 엔진의 부하나 성능에 맞추어 적당한 공기연료비를
조절할 수 있었고 환경문제로 인하여 새로 만들어진 각 나라의 배출가스
기준에도 1973년 개발된 삼원촉매(3-웨이 카탈리스트/3-웨이 캐탈리틱 컨버터)와
함께 사용되면서 동일한 자동차에 동일한 엔진을 사용하면서도 각 나라별로
대응이 가능하게  되었다. 

지르코니아 소자를 이용한 산소센서에는 이론공연비 부근에서 연소된 배기가스중에
산소가 남아있는지 남지 않았지를 산소이온이 움직이는 것으로 확인하는
일반(Narrow band) 산소센서와 배기가스중에 공기연료비가 희박하여 산소가
증가하게 되면 이산화탄소도 같이 증가되면서 일산화탄소가 감소되고 농후하면
반대로 산소와 이산화탄소는 감소되고 일산화탄소가 증가되는 원리를 이용하여
일정온도 이상의 지르코니아 소자 기준실에 백금전극을 설치하여 백금전극에
일정한 기준전압을 공급하고 배기가스중 산화성 가스인 산소량(희박상태)이나
환원성 가스인 일산화탄소, 이산화탄소가 증가하면(농후상태) 기준실과 확산실의
기준전압을 일정하게 유지(평형)시키기 위하여 펌핑셀에 전기를 공급하고
그때까지 공급된 전기량으로 공기연료비를 정량적(0.7~1.9)으로 나타내는
광역(Wide band) 산소센서가 있다.
일반 산소센서 회로의 형식에는 내측 백금전극과 연결된 + 출력선 1선만 있고
– 는 센서몸체에 연결하여 엔진의 접지를 이용하는 1선 회로와 접지를 외부
(ECM)에서 사용한 2선 회로, 지르코니아 소자가 일정온도 이상에서만 이온
이동이 발생되는 특징 때문에 엔진온도가 낮을 때(냉간시동시)에는 시동성을
고려하여 약간 농후하게 제어되므로 상대적으로 배출가스가 증가되는 것을
방지하기 위하여 산소센서에 전기히터를 설치하고 히터를 가열하여 산소센서의
활성화 시간을 단축시키기 위한 3선 회로와 4선 회로(히티드 산소센서)가 있다.

그림 히티드 산소센서 4핀 06