산소센서 통해 최상 공연비 배합 유지하는 법

델파이, 신속한 활성화 속도로 배출저감, 효율성 향상

2015년 11월호 지면기사  /  글│델파이(Delphi)


델파이의 최신형 산소센서는 업계 최고의 활성화 속도를 구현해 보다 빠른 공연비 피드백 제어를 가능하게 한다. 정확한 공연비 제어는 최적의 엔진 성능과 배출 저감 달성에 기여하며, 이와 더불어 작고 가벼워진 센서는 엔진에 장착 시 설계자의 공간 유연성도 확보해 준다.

엔지니어들 사이에서 흔히 O2 센서로 불리는 산소센서는 가솔린 엔진의 연료 분사장치와 배출가스 유해물질 제어를 가능하게 하는 장치로 공기와 연료 비율을 적합하게 제어하는데 핵심적인 역할을 한다. 산소센서에 이상이 발생할 경우 엔진 제어장치(ECU)는 정확한 공연비를 감지할 수 없게 되고 결국 추정치에 의존하게 된다. 정확한 공연비 감지가 불가능해지면 차량의 성능감소와 유해 배출가스 증가를 초래한다.

가솔린 차량에는 보통 두 개의 산소센서가 장착돼 있는데, 촉매장치 전단에 위치한 전방 산소센서와 후단에 위치한 후방 산소센서가 있다. 전방 산소센서는 정밀한 연료량 제어를 위한 데이터를 ECU에 제공하고, 후방 산소센서는 부가적인 제어 및 촉매장치의 성능모니터링을 위한 데이터를 ECU에 제공한다.

엔진의 작동 사이클중 배기행정(exhaust stroke) 단계에서 고온 고압의 배기가스가 배기 밸브를 통해 실린더 외부로 배출된다. 이 가스는 배기 매니폴드와 전방 산소센서를 지나 촉매장치로 들어간다.

지르코니아 센싱 소자는 산소센서 내부에 위치해 있으며 금속 소재 하우징에 싸여있다. 배기가스에 포함돼 있는 산소 분자는 센서의 금속 쉘에 뚫린 미세한 구멍을 통해 센싱 소자에 도달한다. 이 센싱 소자의 반대편에는 신선한 공기가 모여 있는 에어챔버가 위치하는데, 배기가스와 에어챔버 간의 산소분압차에 의해 산소 이온이 센싱 소자를 거쳐 이동할 때 기전력이 발생하게 된다. 대기 중 산소 농도는 일정하므로, 이때 유도되는 기전력의 크기는 배기가스 중의 산소 농도에 의해 결정된다.

산소센서에서 측정된 신호는 엔진 ECU로 보내지며, ECU에서는 이 신호를 바탕으로 최적 공연비 제어를 위해 실린더로 들어가는 연료의 양을 조절한다. 공연비가 농후해 산소가 부족할 경우 연료량을 감소시키고, 공연비가 희박한 경우에는 연료량을 증가시킨다. 공연비가 농후할 경우 탄화수소와 일산화탄소의 배출량이 늘어나며, 희박할 경우에는 질소산화물의 배출량이 늘어난다. 이처럼 산소센서가 보내는 신호를 기준으로 ECU는 최적의 공연비 제어상태를 유지한다.


빠른 활성화

일반적으로 가솔린 엔진에서 탄화수소와 일산화탄소는 냉간 시동 후 30초 이내에 대부분의 양이 배출되기 때문에 빠르게 활성화되는 산소센서는 배출가스 저감에 중요한 역할을 수행할 수 있다.

산소센서의 빠른 활성화 속도는 두 가지 기술을 통해 구현된다. 센싱 소자의 질량을 줄이고 히터에 가해지는 파워를 증가시키는 것이다. 센싱 소자의 질량 감소는 세라믹 소자의 모양을 원뿔에서 평판형으로 전환함으로써 해결됐다. 히터의 파워 증가는 히터의 탑재방식 변경을 통해 이뤄졌다. 원뿔형 소자는 분리된 히터를 사용하는 반면, 평판형 소자의 센서 레이어 내부에 집적된 히터를 사용한다. 기존 방식 대비 약 50% 가벼워진 평판형 소자를 이용함으로써 작동 최적온도(산소센서 활성화)에 도달하는 시간이 10초 이내로 단축됐다.

배출가스 테스트 사이클의 첫 가속구간 이전에 공연비의 피드백 제어를 시작하는데 가장 큰 문제는 바로 산소센서의 활성화 속도(light-off time)였다. 빠른 활성화 속도를 가진 산소센서 개발을 통해 이상적인 공연비의 피드백 제어를 보다 빠르게 해 배출가스 저감에 더욱 적극적으로 대처할 수 있는 전략을 실현할 수 있게 된 것이다.

델파이의 최신형 산소센서는 업계 최고의 활성화 속도를 구현해 보다 빠른 공연비 피드백 제어를 가능하게 한다. 정확한 공연비 제어는 최적의 엔진 성능과 배출 저감 달성에 기여하며, 이와 더불어 작고 가벼워진 센서는 엔진에 장착 시 설계자의 공간적 유연성도 확보해 준다.  

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